RU2154888C2 - Explosive piezoelectric-crystal generator - Google Patents

Explosive piezoelectric-crystal generator Download PDF

Info

Publication number
RU2154888C2
RU2154888C2 RU97121055A RU97121055A RU2154888C2 RU 2154888 C2 RU2154888 C2 RU 2154888C2 RU 97121055 A RU97121055 A RU 97121055A RU 97121055 A RU97121055 A RU 97121055A RU 2154888 C2 RU2154888 C2 RU 2154888C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
piezoelectric
explosive
generator
shock wave
plates
Prior art date
Application number
RU97121055A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU97121055A (en
Inventor
А.В. Блинов
М.В. Коротченко
В.Д. Садунов
Т.В. Трищенко
Original Assignee
Российский Федеральный Ядерный Центр - Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Экспериментальной Физики
Министерство Российской Федерации по атомной энергии
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российский Федеральный Ядерный Центр - Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Экспериментальной Физики, Министерство Российской Федерации по атомной энергии filed Critical Российский Федеральный Ядерный Центр - Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Экспериментальной Физики
Priority to RU97121055A priority Critical patent/RU2154888C2/en
Publication of RU97121055A publication Critical patent/RU97121055A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2154888C2 publication Critical patent/RU2154888C2/en

Links

Abstract

FIELD: heavy-current pulse engineering; actuators for single-action systems. SUBSTANCE: piezoelectric-crystal generator has initiating device, shock- wave oscillator, and piezoelectric transducer assembled of parallel electrically interconnected piezoelectric-crystal plates with current- collecting electrodes. Shock-wave oscillator is monolithic body charged with explosive material in the form of layer and abutting linear charge perpendicular to electrodes of piezoelectric-crystal plates and initiated simultaneously over entire length. Material and size of piezoelectric- crystal plates, desired amplitude-time characteristics of electric current pulses in load, gas-dynamic characteristics of materials are interrelated by respective mathematical expressions. EFFECT: reduced output voltage surges and improved operating reliability of generator. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области сильточной импульсной техники и может быть использовано в качестве исполнительного механизма в системах однократного действия. The invention relates to the field of pulse impulse technology and can be used as an actuator in single-acting systems.

Известен взрывной пьезогенератор, содержащий генератор ударной волны, пьезоэлектрический преобразователь энергии ударной волны в электрическую энергию в виде одной пьезопластины с электродами на двух противоположных гранях, параллельных направлению распространения ударной волны /1/. Known explosive piezoelectric generator containing a shock wave generator, a piezoelectric transducer of shock wave energy into electrical energy in the form of one piezoelectric plate with electrodes on two opposite sides parallel to the direction of propagation of the shock wave / 1 /.

В отличие от импульсных генераторов многоразового действия, принцип работы которых основан на предварительном запасании энергии в накопительной электрической емкости, такой генератор обладает максимальной простотой, не нуждается в источниках питания, не требует регламентных проверок в процессе хранения и эксплуатации. Unlike reusable pulsed generators, the principle of which is based on the preliminary storage of energy in a storage electric capacity, such a generator has maximum simplicity, does not need power sources, and does not require routine checks during storage and operation.

В основу работы этого генератора положен принцип преобразования механической энергии ударной волны в электрическую энергию в объеме ударно-нагружаемого пьезоэлектрического преобразователя. Генерирование электрического импульса в нагрузке генератора происходит после взрыва содержащегося в генераторе ударной волны взрывчатого вещества при прохождении фронта ударной волны по пьезопреобразователю. The operation of this generator is based on the principle of converting the mechanical energy of a shock wave into electrical energy in the volume of a shock-loaded piezoelectric transducer. The generation of an electric pulse in the generator load occurs after the explosion of the explosive contained in the shock wave generator as the shock front passes through the piezoelectric transducer.

Известный взрывной пьезогенератор не позволяет существенно повысить амплитуду тока или напряжения, генерируемого им электрического импульса без одновременной потери компактности конструкции и быстродействия генератора. The well-known explosive piezoelectric generator does not significantly increase the amplitude of the current or voltage generated by the electric pulse without simultaneously losing the compactness of the design and the speed of the generator.

Известен взрывной пьезогенератор /2/, содержащий устройство инициирования, генератор ударной волны и пьезоэлектрический преобразователь в виде набора соединенных электрически параллельно пьезопластин. Электроды, нанесенные на противоположные грани пьезопластин, перпендикулярны выходной поверхности генератора ударной волны. Блок пьезопластин вписан в цилиндрический объем, торцевая часть которого совпадает с выходной поверхностью генератора ударной волны. Known explosive piezoelectric generator / 2 / containing an initiating device, a shock wave generator and a piezoelectric transducer in the form of a set of piezoelectric plates connected electrically in parallel. The electrodes deposited on opposite faces of the piezoelectric plates are perpendicular to the output surface of the shock wave generator. The block of piezoelectric plates is inscribed in a cylindrical volume, the end part of which coincides with the output surface of the shock wave generator.

Генератор ударной волны представляет собой аксиально симметричную конструкцию и состоит из конического алюминиевого лайнера, слоя взрывчатого вещества, конической алюминиевой крышки. The shock wave generator is an axially symmetrical design and consists of a conical aluminum liner, a layer of explosive, a conical aluminum cover.

Взрывной пьезогенератор работает следующим образом. Explosive piezoelectric generator operates as follows.

При срабатывании средства инициирования в вершине конического слоя взрывчатого вещества возбуждается детонация. Под действием скользящей детонации происходит разгон лайнера и за счет выбора угла δ в вершине конического лайнера обеспечивается одновременный удар лайнера по торцевой поверхности блока пьезопластин, в котором формируется плоская ударная волна. При этом в омической нагрузке, подключенной к выходным клеммам взрывного пьезогенератора, формируется импульс электрического тока П-образной формы. When triggering means of initiation at the top of the conical layer of explosive, detonation is excited. Under the action of sliding detonation, the liner accelerates and, by choosing the angle δ at the top of the conical liner, the liner simultaneously hits the end surface of the piezoelectric plate block, in which a plane shock wave is formed. Moreover, in an ohmic load connected to the output terminals of an explosive piezoelectric generator, an U-shaped electric current pulse is generated.

Недостатком такой конструкции взрывного пьезогенератора является повышенное требование к электрической прочности пьезопреобразователя при задействовании нагрузки через двухпроводную или кабельную линии, обладающие значительной собственной индуктивностью, поскольку индуктивная составляющая напряжения

Figure 00000002
становится чрезмерной при высокой крутизне
Figure 00000003
переднего фронта импульса тока, генерируемого блоком пьезопластин.The disadvantage of this design of the explosive piezoelectric generator is the increased requirement for the dielectric strength of the piezoelectric transducer when the load is applied via two-wire or cable lines with significant intrinsic inductance, since the inductive component of the voltage
Figure 00000002
becomes excessive at high steepness
Figure 00000003
the leading edge of the current pulse generated by the piezoelectric plate block.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении надежности взрывного пьезогенератора при работе с двухпроводной или кабельной линиями с большой индуктивностью. The problem to which the invention is directed, is to increase the reliability of an explosive piezoelectric generator when working with two-wire or cable lines with high inductance.

Технический результат, полученный при осуществлении изобретения, заключается в уменьшении величины перенапряжения на выходных клеммах взрывного пьезогенератора за счет уменьшения VL и, соответственно, в повышении надежности работы генератора, в возможности оптимизации конструкции взрывного пьезогенератора за счет применения расчетных соотношений, связывающих между собой размеры пьезопластины, параметры генерируемого электрического импульса и газодинамические параметры материалов, входящих в состав взрывного пьезогенератора.The technical result obtained by the implementation of the invention is to reduce the magnitude of the overvoltage at the output terminals of the explosive piezoelectric generator by reducing V L and, accordingly, to increase the reliability of the generator, and to optimize the design of the explosive piezoelectric generator through the use of design ratios that relate the dimensions of the piezoelectric plate , parameters of the generated electric pulse and gas-dynamic parameters of the materials that make up the explosive piezoelectric generator.

Это достигается тем, что во взрывном пьезогенераторе, содержащем устройство инициирования, генератор ударной волны с зарядом взрывчатого вещества и пьезоэлектрический преобразователь в виде набора соединенных электрически параллельно пьезопластин с электродами на двух противоположных гранях, перпендикулярных выходной поверхности генератора ударной волны, новым является то, что генератор ударной волны выполнен в виде монолитного тела, заряд взрывчатого вещества изготовлен из двух частей: плоского слоя и примыкающего к нему линейного заряда, перпендикулярного электродам пьезопластин; устройство инициирования обеспечивает возбуждение детонации в линейном заряде взрывчатого вещества одновременно на всем его протяжении; размеры пьезопластин, заданные амплитудно-временные параметры формируемого электрического импульса, газодинамические параметры материалов, входящих во взрывной пьезогенератор, связаны соотношениями
Z0 = U1 • t1,
y0 ≥ 2D(t1+t2), (1)

Figure 00000004

где Z0 - высота пьезопластины;
y0 - суммарная длина пьезопластин в блоке;
U1 - скорость распространения фронта ударной волны в пьезопластине;
D - скорость детонации взрывчатого вещества;
t1 - длительность переднего фронта импульса электрического тока;
t2 - длительность участка импульса электрического тока, где I0 = const;
i0 - удельный ток деполяризации пьезокерамики;
I0 - амплитуда электрического тока.This is achieved by the fact that in an explosive piezoelectric generator containing an initiation device, a shock wave generator with an explosive charge and a piezoelectric transducer in the form of a set of piezoelectric plates connected electrically in parallel with electrodes on two opposite faces perpendicular to the output surface of the shock wave generator, it is new that the generator the shock wave is made in the form of a monolithic body, the explosive charge is made of two parts: a flat layer and an adjacent linear o charge perpendicular to the electrodes of the piezoelectric plates; the initiation device provides the initiation of detonation in a linear explosive charge simultaneously over its entire length; the sizes of the piezoelectric plates, the specified amplitude-time parameters of the generated electric pulse, the gas-dynamic parameters of the materials included in the explosive piezoelectric generator, are related by the relations
Z 0 = U 1 • t 1 ,
y 0 ≥ 2D (t 1 + t 2 ), (1)
Figure 00000004

where Z 0 - the height of the piezoelectric plate;
y 0 is the total length of the piezoelectric plates in the block;
U 1 is the propagation velocity of the shock wave front in the piezoelectric plate;
D is the detonation velocity of the explosive;
t 1 is the duration of the leading edge of the electric current pulse;
t 2 is the duration of the electric current pulse section, where I 0 = const;
i 0 is the specific depolarization current of piezoceramics;
I 0 is the amplitude of the electric current.

В этом случае в объеме блока пьезопластины реализуется тип ударно-волнового нагружения, содержащий только поперечную компоненту (направление распространения ударной волны параллельно электродам и перпендикулярно вектору остаточной поляризации

Figure 00000005
). При этом, во-первых, в нагрузке взрывного пьезогенератора формируется электрический импульс с регулируемой крутизной нарастания тока
Figure 00000006
, за счет чего достигается снижение перенапряжения VL на выходных клеммах взрывного пьезогенератора,
Figure 00000007
, где L - индуктивность линии, соединяющей взрывной пьезогенератор и нагрузку. Во-вторых, реализация принципа поперечного ударно-волнового нагружения пьезопластин обеспечивает возможность регулирования электрического поля в объеме пьезопластин и, следовательно, позволяет снизить его до величин, не превышающих электрическую прочность пьезокерамики, а также позволяет оптимизировать конструкцию взрывного пьезогенератора за счет использования расчетных соотношений (1).In this case, a type of shock wave loading is realized in the volume of the piezoelectric plate block, containing only the transverse component (the direction of propagation of the shock wave is parallel to the electrodes and perpendicular to the residual polarization vector
Figure 00000005
) In this case, firstly, an electric pulse is formed in the load of the explosive piezoelectric generator with an adjustable slope of the current rise
Figure 00000006
, due to which the reduction of overvoltage V L at the output terminals of the explosive piezoelectric generator is achieved,
Figure 00000007
where L is the inductance of the line connecting the explosive piezoelectric generator and the load. Secondly, the implementation of the principle of transverse shock-wave loading of piezoelectric plates provides the ability to control the electric field in the volume of the piezoelectric plates and, therefore, allows it to be reduced to values not exceeding the electric strength of the piezoceramics, and also allows to optimize the design of the explosive piezoelectric generator by using the calculated ratios (1 )

На чертеже приведено схематическое изображение продольного разреза взрывного пьезогенератора. The drawing shows a schematic representation of a longitudinal section of an explosive piezoelectric generator.

Взрывной пьезогенератор содержит устройство инициирования, генератор ударной волны, пьезоэлектрический преобразователь. Пьезоэлектрический преобразователь состоит из набора соединенных электрически параллельно между собой пьезопластин 1 с электродами 2 на противоположных гранях, перпендикулярных выходной поверхности генератора ударной волны. An explosive piezoelectric generator comprises an initiation device, a shock wave generator, a piezoelectric transducer. The piezoelectric transducer consists of a set of piezoelectric plates 1 electrically connected in parallel with each other with electrodes 2 on opposite faces perpendicular to the output surface of the shock wave generator.

Набор пьезопластин отделен от генератора ударной волны слоем электроизоляционного компаунда 3. Генератор ударной волны представляет собой монолитное тело 4, выполненное из любого материала, металла или диэлектрика. В выемке монолитного тела 4 расположен плоский слой взрывчатого вещества 5. Линейный заряд взрывчатого вещества 6 расположен в соответствующем канале монолитного тела 4, примыкает к слою взрывчатого вещества 5 и ориентирован перпендикулярно электродам 2 пьезопластин 1. The set of piezoelectric plates is separated from the shock wave generator by a layer of electrical insulating compound 3. The shock wave generator is a monolithic body 4 made of any material, metal or dielectric. In the recess of the monolithic body 4 there is a flat layer of explosive 5. The linear charge of the explosive 6 is located in the corresponding channel of the monolithic body 4, is adjacent to the layer of explosive 5 and is oriented perpendicular to the electrodes 2 of the piezoelectric plates 1.

Устройство инициирования установлено относительно линейного заряда взрывчатого вещества 6 с возможностью его одновременного инициирования по всей протяженности. Например, оно может быть выполнено в виде нескольких детонационных каналов 7, размещенных вдоль линейного заряда 6. К выходным клеммам 8 взрывного пьезогенератора подключена нагрузка 9. The initiation device is installed relative to the linear charge of the explosive 6 with the possibility of its simultaneous initiation over the entire length. For example, it can be made in the form of several detonation channels 7 located along a linear charge 6. A load 9 is connected to the output terminals 8 of the explosive piezoelectric generator.

Взрывной пьезогенератор работает следующим образом. В результате одновременного инициирования линейного заряда взрывчатого вещества 6 через детонационные каналы 7 в монолитном теле 4 генератора ударной волны инициируется слой взрывчатого вещества 5, в котором формируются две расходящиеся в противоположных направлениях со скоростью D детонационные волны, фронты которых перпендикулярны электродам 2 пьезопластин 1. Соответственно, в пьезопластинах 1 формируется расходящаяся ударная волна, фронт которой также перпендикулярен электродам 2 пьезопластин 1, и распространяется в направлении OZ со скоростью U1, а в направлениях OY и O(-Y) - со скоростью детонации D. В этом случае в пьезопластинах 1 реализуется режим поперечного ударно-волнового нагружения, а в нагрузке 9, подключенный к выходным клеммам 8 взрывного пьезогенератора, формируется импульс электрического тока. Реализация в данной конструкции взрывного пьезогенератора режима поперечного ударно-волнового нагружения, когда продольная составляющая отсутствует, позволяет рассчитать оптимальную конструкцию взрывного пьезогенератора, генератора, опираясь на соотношения (1) между заданными параметрами формируемого импульса электрического тока, газодинамическими параметрами материалов, входящих в конструкцию генератора, размерами пьезопластин.Explosive piezoelectric generator operates as follows. As a result of the simultaneous initiation of a linear charge of the explosive 6 through the detonation channels 7 in the monolithic body 4 of the shock wave generator, an explosive layer 5 is initiated in which two detonation waves diverging in opposite directions with speed D are formed, the fronts of which are perpendicular to the electrodes 2 of the piezoelectric plates 1. Accordingly, a diverging shock wave is formed in the piezoelectric plates 1, the front of which is also perpendicular to the electrodes 2 of the piezoelectric plates 1, and propagates in the OZ direction with speed U 1 , and in the directions OY and O (-Y) - with the detonation speed D. In this case, the transverse shock-wave loading mode is implemented in piezoelectric plates 1, and an electric impulse is formed in load 9, connected to the output terminals 8 of the explosive piezoelectric generator current. The implementation in this design of an explosive piezoelectric generator of the transverse shock-wave loading mode, when the longitudinal component is absent, allows us to calculate the optimal design of an explosive piezoelectric generator, generator, based on relations (1) between the given parameters of the generated electric current pulse, gas-dynamic parameters of the materials included in the generator design, the size of the piezoelectric plates.

Источники информации
1. Патент США N 3589294, кл. 102-70.2A, опублик. 1971 г.Sources of information
1. US patent N 3589294, CL. 102-70.2A, published. 1971

2. Взрывной пьезогенератор. AC N 1119564 МКИ H 01 L 41/08, H 02 N 11/00, опубл. в БИ N 8, 1997 г. 2. Explosive piezoelectric generator. AC N 1119564 MKI H 01 L 41/08, H 02 N 11/00, publ. in BI N 8, 1997

Claims (1)

Взрывной пьезогенератор, содержащий устройство инициирования, генератор ударной волны с зарядом взрывчатого вещества и пьезоэлектрический преобразователь в виде набора соединенных электрически параллельно пьезопластин с электродами на двух противоположных гранях, перпендикулярных выходной поверхности генератора ударной волны, отличающийся тем, что генератор ударной волны выполнен в виде монолитного тела, заряд взрывчатого вещества выполнен в виде слоя взрывчатого вещества, размещенного параллельно выходной поверхности генератора, и примыкающего к нему линейного заряда взрывчатого вещества, перпендикулярного электродам пьезопластин, устройство инициирования установлено относительно линейного заряда с возможностью одновременного инициирования его по всей длине, при этом материал и размеры пьезопластин, обеспечивающие формирование импульса тока с монотонно нарастающей амплитудой от 0 до I0 за время t1 и последующим постоянством значения в течение времени t2, выбраны из соотношений
z0 = v1 • t1,
y0 ≥ 2D(t1 + t2),
Figure 00000008

где z0 - высота пьезопластин;
y0 - суммарная длина пьезопластин в блоке;
v1 - скорость распространения фронта ударной волны в объеме пьезопластин;
D - скорость детонации взрывчатого вещества;
i0 - удельный ток деполяризации пьезокерамики;
I0 - амплитуда импульса электрического тока.An explosive piezoelectric generator containing an initiation device, a shock wave generator with an explosive charge and a piezoelectric transducer in the form of a set of electrically parallel piezoelectric plates with electrodes on two opposite faces perpendicular to the output surface of the shock wave generator, characterized in that the shock wave generator is made in the form of a monolithic body , the explosive charge is made in the form of a layer of explosive placed parallel to the output surface of the generator a, and adjacent thereto a linear explosive charge perpendicular to the electrodes of piezoelectric plates, the device initiating set relatively linear charge to simultaneously initiate it over the entire length, the material and dimensions of piezoceramic plates that ensure the formation of the current pulse to monotonously increasing amplitude from 0 to I 0 for time t 1 and the subsequent constancy of the value during time t 2 selected from the relations
z 0 = v 1 • t 1 ,
y 0 ≥ 2D (t 1 + t 2 ),
Figure 00000008

where z 0 is the height of the piezoelectric plates;
y 0 is the total length of the piezoelectric plates in the block;
v 1 is the propagation velocity of the shock front in the volume of piezoelectric plates;
D is the detonation velocity of the explosive;
i 0 is the specific depolarization current of piezoceramics;
I 0 is the amplitude of the electric current pulse.
RU97121055A 1997-12-04 1997-12-04 Explosive piezoelectric-crystal generator RU2154888C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU97121055A RU2154888C2 (en) 1997-12-04 1997-12-04 Explosive piezoelectric-crystal generator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU97121055A RU2154888C2 (en) 1997-12-04 1997-12-04 Explosive piezoelectric-crystal generator

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU97121055A RU97121055A (en) 1999-09-27
RU2154888C2 true RU2154888C2 (en) 2000-08-20

Family

ID=20200167

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU97121055A RU2154888C2 (en) 1997-12-04 1997-12-04 Explosive piezoelectric-crystal generator

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2154888C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2551666C2 (en) * 2013-08-19 2015-05-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тверской государственный университет" High-voltage generator and method of its manufacture

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2551666C2 (en) * 2013-08-19 2015-05-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тверской государственный университет" High-voltage generator and method of its manufacture

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US3180418A (en) Casing descaling method and apparatus
US7560855B2 (en) Ferroelectric energy generator, system, and method
Shkuratov et al. Compact high-voltage generator of primary power based on shock wave depolarization of lead zirconate titanate piezoelectric ceramics
EP0491775B1 (en) Device based on a tuned array of paraboloidal electroacoustic transducers for sea bottom prospection
RU2154888C2 (en) Explosive piezoelectric-crystal generator
CN101425290A (en) Combined electric spark pulse sound source
Shkuratov et al. Completely explosive ultracompact high-voltage nanosecond pulse-generating system
RU2154887C2 (en) Explosive piezoelectric-crystal generator
Lisitsyn et al. Wire induced flashover as a source of shock waves for destruction of solid materials
RU2267219C2 (en) Explosive piezo-generator
RU2313891C2 (en) Explosive piezo-generator
Mock Jr et al. Axial‐current‐mode shock depoling of PZT 56/44 ferroelectric ceramic disks
RU2044252C1 (en) Explosive magnetocumulative generator
RU2698245C2 (en) High-voltage pulse generator
RU2746052C1 (en) Method for forming a current pulse in the load of the inductive electromagnetic energy storage
RU2419952C1 (en) Generation method of electric pulse in inductance load of explosive piezogenerator
JPH06292679A (en) Medically applicable acoustic pulse generator
RU97121055A (en) EXPLOSIVE PIEZOGENERATOR
RU2693840C1 (en) Self-contained generator of electromagnetic radiation of radio-frequency range
US5006679A (en) High voltage switch assembly
SU1123523A1 (en) Charged particle accelerator
SU1469477A1 (en) Apparatus for generating elastic oscillations in well
RU2183901C2 (en) Spiral explosion-magnetic generator
RU2117386C1 (en) High-voltage pulse generator
RU2485614C2 (en) Inductive dynamic drive

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20051205