RU2156026C2

RU2156026C2 - Method and device for explosive cumulation of magnetic energy

Info

Publication number: RU2156026C2
Application number: RU98111714A
Authority: RU
Inventors: А.С. Борискин; Е.М. Димант
Original assignee: Министерство Российской Федерации по атомной энергии
Priority date: 1998-06-17
Filing date: 1998-06-17
Publication date: 2000-09-10

Abstract

FIELD: pulse engineering. SUBSTANCE: method involves setting up initial magnetic flux, introducing it in deformable circuit by means of shock wave of explosive material charge, and introducing magnetic energy into load; magnetic flux is compressed in circuit formed by multiple-turn toroidal coil by deforming each of its turns. Device for explosive cumulation of magnetic energy has deformable current-conducting circuit, explosive material charge, and charge initiating system. Deformable circuit is, essentially, multiple-turn toroidal coil; additional insulating part is placed between the latter and explosive- material charge. Electromagnetic energy produced in the course of compression of magnetic flux by means of explosive-material shock wave may be used for feeding high-impedance loads such as electron accelerators, plasma sources, microwave devices, and the like, as well as for building up superhigh-intensity pulse fields for studying the behavior of materials in such fields. EFFECT: improved energy output, circuit inductance adjustment factor, and rate of input of device inductance. 6 cl, 8 dwg

Description

Изобретение относится к области импульсной техники, в частности к магнитной кумуляции энергии, где сжатие магнитного потока осуществляют с помощью ударной волны взрывчатого вещества (ВВ). Электромагнитная энергия, полученная таким образом, может быть использована для запитки высокоимпедансных нагрузок, например, таких как электронные ускорители, лазеры, плазменные источники, СВЧ-устройства и т.п., а также для создания сверхсильных импульсных магнитных полей с целью изучения поведения веществ в этих полях. The invention relates to the field of pulsed technology, in particular to magnetic energy accumulation, where the magnetic flux is compressed using a shock wave of an explosive. The electromagnetic energy obtained in this way can be used to power high-impedance loads, for example, such as electron accelerators, lasers, plasma sources, microwave devices, etc., as well as to create ultra-strong pulsed magnetic fields in order to study the behavior of substances in these fields.

Известен способ взрывной кумуляции магнитной энергии, см. сборник научных трудов "Вопросы современной экспериментальной и теоретической физики" /Под редакцией А. П. Александрова - Ленинград. Наука, 1984, стр. 258, рис. 20. Способ включает операции создания начального магнитного потока, введения его в деформируемый контур, сжатия начального магнитного потока с помощью ударной волны заряда ВВ и выведения магнитной энергии в нагрузку. При этом сжатие производят в коаксиальном контуре (полости), а выведение магнитной энергии в нагрузку осуществляют в результате ее деформирования расходящейся, сходящейся или одновременно сходящейся и расходящейся ударной волной от ВВ. A known method of explosive cumulation of magnetic energy, see the collection of scientific papers "Questions of modern experimental and theoretical physics" / Edited by A. P. Alexandrov - Leningrad. Science, 1984, p. 258, fig. 20. The method includes the steps of creating an initial magnetic flux, introducing it into a deformable contour, compressing the initial magnetic flux using a shock wave of explosive charge and removing magnetic energy to the load. In this case, the compression is carried out in a coaxial circuit (cavity), and the magnetic energy is removed into the load as a result of its deformation by a diverging, converging or simultaneously converging and diverging shock wave from the explosive.

Для увеличения мощности и энергии генерируемого импульса в высокоимпедансную нагрузку, имеющую сопротивление, измеряемое от единиц до сотен Ом, необходимо, чтобы скорость вывода индуктивности контура

была больше омического сопротивления всей электрической цепи.In order to increase the power and energy of the generated pulse into a high-impedance load having a resistance measured from units to hundreds of Ohms, it is necessary that the output rate of the circuit inductance

was more than the ohmic resistance of the entire electrical circuit.

Недостатком данного способа является малая начальная индуктивность (порядка сотни наногенри), что не позволяет за сравнительно короткое время его работы (порядка десяти микросекунд) обеспечить высокий коэффициент перестройки индуктивности контура (K_L), определяемый отношением начальной индуктивности контура к оставшейся индуктивности после деформации, и сравнительно большую скорость вывода (изменения) его индуктивности, и, тем самым, использовать его для питания высокоимпедансных нагрузок.The disadvantage of this method is the small initial inductance (of the order of hundreds of nanogenry), which does not allow for a relatively short time (about ten microseconds) to provide a high coefficient of tuning of the circuit inductance (K _L ), determined by the ratio of the initial circuit inductance to the remaining inductance after deformation, and a relatively high speed of output (change) of its inductance, and, thus, use it to power high-impedance loads.

Наиболее близким к заявляемому является способ взрывной кумуляции магнитной энергии, см. сборник научных трудов "Вопросы современной экспериментальной и теоретической физики". /Под редакцией А.П. Александрова - Ленинград. Наука, 1984, стр. 260, рис. 21.д. Способ по прототипу включает создание начального магнитного потока, введение его в деформируемый контур, сжатие магнитного потока с помощью ударной волны заряда ВВ и выведение магнитной энергии в нагрузку. Операцию сжатия магнитного потока осуществляют также в коаксиальном контуре (полости), с внутренней стороны ограниченной цилиндрическим проводником, а с наружной спиральным проводником (соленоидом). Во время операции сжатия расходящейся ударной волной деформируют только цилиндрический центральный проводник, а витки спирального проводника при этом не испытывают воздействия расходящейся ударной волны ВВ. Из-за введения спирального проводника, являющегося частью контура, удается несколько увеличить индуктивность контура (L_g),

и напряженность магнитного поля H.Closest to the claimed is a method of explosive cumulation of magnetic energy, see the collection of scientific works "Questions of modern experimental and theoretical physics." / Edited by A.P. Alexandrova - Leningrad. Science, 1984, p. 260, fig. 21.d The prototype method includes creating an initial magnetic flux, introducing it into a deformable circuit, compressing the magnetic flux with the help of a shock wave of explosive charge, and removing magnetic energy into the load. The compression operation of the magnetic flux is also carried out in a coaxial circuit (cavity), from the inside limited by a cylindrical conductor, and with an external spiral conductor (solenoid). During the compression operation, a diverging shock wave only deforms the cylindrical central conductor, while the turns of the spiral conductor do not undergo the action of a diverging shock wave of explosives. Due to the introduction of a spiral conductor, which is part of the circuit, it is possible to slightly increase the inductance of the circuit (L _g ),

and magnetic field H.

Недостатком способа по прототипу является недостаточный уровень генерируемой магнитной энергии из-за ограничений по напряженности магнитного поля, по коэффициенту перестройки индуктивности контура и по скорости вывода индуктивности. The disadvantage of the prototype method is the insufficient level of generated magnetic energy due to restrictions on the magnetic field strength, the coefficient of adjustment of the inductance of the circuit and the speed of output inductance.

При создании данного изобретения решалась задача создания способа взрывной кумуляции магнитной энергии, позволяющая реализовать это при получении мощных импульсов магнитной энергии микросекундного диапазона в высокоимпедансных нагрузках. When creating this invention, the problem was solved of creating a method of explosive cumulation of magnetic energy, which allows to realize this when receiving powerful pulses of magnetic energy in the microsecond range at high impedance loads.

Технический результат, достигаемый при решении данной задачи, заключается в увеличении энергии, путем повышения напряженности магнитного поля, коэффициента перестройки индуктивности контура и увеличения скорости вывода индуктивности. The technical result achieved by solving this problem is to increase the energy by increasing the magnetic field strength, the coefficient of tuning of the inductance of the circuit and increasing the speed of output inductance.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным способом взрывной кумуляции магнитной энергии, включающим создание начального магнитного потока, введение его в деформируемый контур, сжатие магнитного потока с помощью ударной волны заряда ВВ и выведение магнитной энергии в нагрузку, новым является то, что операцию сжатия магнитного потока осуществляют в торообразном контуре, образованном многовитковой катушкой, деформируя каждый ее виток. The specified technical result is achieved in that, in comparison with the known method of explosive cumulation of magnetic energy, including the creation of an initial magnetic flux, introducing it into a deformable circuit, compressing the magnetic flux using a shock wave of explosive charge and removing magnetic energy into the load, the new is that the magnetic flux compression operation is carried out in a toroidal circuit formed by a multi-turn coil, deforming each of its turns.

Так как контур образован многовитковой катушкой, сжатие магнитного потока осуществляется непосредственно при деформации каждого витка самой катушки, т. е. катушке одновременно присущи две функции: она является токонесущим контуром, позволяющим генерировать высокую напряженность магнитного поля (H ≈ 10⁶ Э) между витками из-за малого сечения проводника, и сама выполняет роль отсутствующего лайнера при сжатии магнитного потока. Высокая индуктивность многовитковой торообразной катушки в сочетании с малым временем деформации ее контура обеспечивают достижение больших K_L, больших скоростей вывода индуктивности и вытеснения магнитного потока. А так как, кроме того, создается еще высокая напряженность магнитного поля H, которой соответствует высокая плотность энергии магнитного поля (H²/8π), чтобы обеспечить эффективное преобразование энергии ВВ в электромагнитную на малом участке торможения без существенных потерь, то все эти условия позволяют увеличить выход энергии в нагрузку и повысить ее мощность. Малое время деформации контура катушки определяется максимальным радиальным размером торообразной полости и радиальной средней скоростью деформации витка V_R в этом месте. При этом средняя фазовая скорость V_F, с которой происходит вдоль периметра окружности катушки продвижение контакта замыкания, возникающего при полной деформации каждого витка, определяется в соответствии с зависимостью
∞ > V_F ≥ πV_R(D₁+h_m)/h_m,
где D₁ - внутренний диаметр катушки, h_m - максимальный поперечный размер полости катушки в момент подлета (соприкосновения) внутренней (D₁) ее поверхности к наружной (D₂). Для случая, когда ось заряда ВВ совпадает с осью катушки, передвижение контакта замыкания будет происходить практически мгновенно c V_F _→ ∞. При создании одновременно сходящейся и расходящейся ударной волны виток деформируется сразу и снаружи, и изнутри, что обеспечивает наибольшую скорость его деформации, а следовательно, и меньшее время.Since the circuit is formed by a multi-turn coil, the magnetic flux is compressed directly during the deformation of each turn of the coil itself, i.e., the coil has two functions at the same time: it is a current-carrying circuit that allows generating a high magnetic field strength (H ≈ 10 ⁶ O) between the turns of due to the small cross section of the conductor, and itself plays the role of an absent liner when compressing the magnetic flux. The high inductance of a multi-turn toroidal coil in combination with a short deformation time of its circuit ensures the achievement of large K _L , high output rates of inductance and magnetic flux displacement. And since, in addition, a still higher magnetic field strength H is created, which corresponds to a high magnetic field energy density (H ² / 8π) in order to ensure efficient conversion of explosive energy into electromagnetic energy in a small braking area without significant losses, all these conditions allow increase the energy output to the load and increase its power. The short deformation time of the coil contour is determined by the maximum radial size of the toroidal cavity and the radial average speed of deformation of the coil V _R in this place. In this case, the average phase velocity V _F , at which along the perimeter of the circumference of the coil the advancement of the contact of the closure that occurs during the complete deformation of each turn, is determined in accordance with the dependence
∞> V _F ≥ πV _R (D ₁ + h _m ) / h _m ,
where D ₁ is the inner diameter of the coil, h _m is the maximum transverse dimension of the cavity of the coil at the time of approach (contact) of the inner (D ₁ ) of its surface to the outer (D ₂ ). For the case when the axis of the explosive charge coincides with the axis of the coil, the movement of the contact of the closure will occur almost instantly with V _F _ → ∞. When creating a simultaneously converging and diverging shock wave, the coil is deformed immediately, both externally and internally, which ensures the highest rate of its deformation, and therefore, less time.

Известно устройство для осуществления способа взрывной кумуляции магнитной энергии, см. сборник научных трудов "Вопросы современной экспериментальной и теоретической физики". /Под редакцией А.П. Александрова - Ленинград. Наука, 1984, стр. 258, рис. 20. Устройство содержит деформируемый токопроводящий коаксиальный контур, заряд ВВ, расположенный внутри цилиндрического проводника, снаружи контура или одновременно внутри и снаружи контура, систему инициирования заряда. Подключение нагрузки к такому контуру зависит от расположения заряда ВВ и способа его инициирования. A device is known for implementing the method of explosive cumulation of magnetic energy, see the collection of scientific papers "Questions of modern experimental and theoretical physics." / Edited by A.P. Alexandrova - Leningrad. Science, 1984, p. 258, fig. 20. The device contains a deformable conductive coaxial circuit, an explosive charge located inside a cylindrical conductor, outside the circuit, or both inside and outside the circuit, a charge initiation system. Connecting the load to such a circuit depends on the location of the explosive charge and the method of its initiation.

Недостатком данного устройства является незначительная скорость вывода индуктивности и малый K_L, не позволяющие эффективно его использовать на рассмотренные ранее нагрузки.The disadvantage of this device is the insignificant output speed of the inductance and the small K _L , which do not allow it to be used effectively for the previously considered loads.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для осуществления способа взрывной кумуляции магнитной энергии, см. см. сборник научных трудов "Вопросы современной экспериментальной и теоретической физики". /Под редакцией А.П. Александрова - Ленинград. Наука, 1984, стр. 260, рис. 21.д. Устройство по прототипу содержит деформируемый токопроводящий контур, заряд ВВ и систему инициирования заряда. Деформируемый токопродящий контур выполнен в виде соленоида и установленного соосно с ним внутреннего центрального проводника. Заряд ВВ расположен внутри центрального проводника, а система инициирования размещена вдоль оси этого ВВ. Closest to the claimed is a device for implementing the method of explosive cumulation of magnetic energy, see. See collection of scientific papers "Questions of modern experimental and theoretical physics." / Edited by A.P. Alexandrova - Leningrad. Science, 1984, p. 260, fig. 21.d The prototype device contains a deformable conductive circuit, explosive charge and a charge initiation system. The deformable current-carrying circuit is made in the form of a solenoid and an internal central conductor installed coaxially with it. The explosive charge is located inside the central conductor, and the initiation system is placed along the axis of this explosive.

Недостатком устройства по прототипу является невысокий уровень генерируемой магнитной энергии из-за ограничений по напряженности магнитного поля, по коэффициенту перестройки индуктивности контура и по скорости вывода индуктивности. Для изменения индуктивности устройства в процессе работы необходимо наличие металлической трубы (лайнера), деформируемой продуктами детонации ВВ. Расположение такого лайнера внутри соленоида приводит к уменьшению начальной индуктивности устройства, обусловленному экранировкой этого соленоида, вследствие электромагнитного взаимодействия между ними. Чтобы сделать устройство с временем работы порядка одной микросекунды, требуемым для целого ряда высокоимпедансных нагрузок, необходимо располагать лайнер близко к соленоиду, так как скорость его разлета ограничена обычно величиной 2-3 км/с. Но это в свою очередь приводит к значительному уменьшению начальной индуктивности устройства и, как следствие, к значительному уменьшению K_L и скорости вывода индуктивности при его работе, снижая, тем самым, эффективность работы такого устройства на высокоимпедансные нагрузки. Экспериментально показано, что растяжение трубы без разрушения происходит при увеличении ее диаметра примерно в два раза. Таким образом, при соблюдении данного соотношения между лайнером и соленоидом, обеспечивающего нормальную работу устройства, его начальная индуктивность будет уменьшена примерно на 25-30%. На самом же деле, даже если минимальный размер заряда ВВ с протяженной системой инициирования, обеспечивающей его одновременный подрыв вдоль оси, попытаться сделать диаметром 25 мм, то с учетом трубы (толщина стенки ≈ 1 мм), наружный диаметр соленоида при соблюдении условия растяжения лайнера в два раза будет 54 мм. Следовательно, база пролета лайнера до соприкосновения его со спиралью составит 13.5 мм. Максимальная скорость у трубы будет ≈ 2.5 км/с, т. е. время деформации будет никак не меньше 5 мкс. Увеличение же наружного диаметра лайнера с ВВ до 48 мм, чтобы обеспечить время работы ≈ 1 мкс, приведет к значительному уменьшению его индуктивности. Она уменьшится по крайней мере на 80% от значения индуктивности, которая соответствует отдельному соленоиду. Таким образом, наличие металлического лайнера значительно уменьшает начальные параметры устройства, что, в свою очередь, накладывает ограничение на использование его для питания высокоимпедансных нагрузок.The disadvantage of the prototype device is the low level of generated magnetic energy due to restrictions on the magnetic field strength, on the coefficient of adjustment of the inductance of the circuit and the speed of output inductance. To change the inductance of the device during operation, it is necessary to have a metal pipe (liner) deformed by the detonation products of the explosive. The location of such a liner inside the solenoid leads to a decrease in the initial inductance of the device, due to the screening of this solenoid, due to the electromagnetic interaction between them. To make the device with an operating time of the order of one microsecond required for a number of high-impedance loads, it is necessary to place the liner close to the solenoid, since its expansion speed is usually limited to 2-3 km / s. But this, in turn, leads to a significant decrease in the initial inductance of the device and, as a result, to a significant decrease in K _L and the output speed of the inductance during its operation, thereby reducing the efficiency of such a device to high impedance loads. It has been experimentally shown that the extension of the pipe without fracture occurs with an increase in its diameter by about a factor of two. Thus, subject to this ratio between the liner and the solenoid, which ensures the normal operation of the device, its initial inductance will be reduced by about 25-30%. In fact, even if the minimum size of the explosive charge with an extended initiation system, ensuring its simultaneous detonation along the axis, is tried to be made with a diameter of 25 mm, then taking into account the pipe (wall thickness ≈ 1 mm), the outer diameter of the solenoid, subject to the liner stretching condition in twice will be 54 mm. Consequently, the base of the span of the liner until it touches the spiral is 13.5 mm. The maximum velocity of the pipe will be ≈ 2.5 km / s, i.e., the deformation time will be no less than 5 μs. An increase in the outer diameter of the liner from the explosive to 48 mm in order to ensure a working time of ≈ 1 μs will lead to a significant decrease in its inductance. It will decrease by at least 80% of the inductance value, which corresponds to a single solenoid. Thus, the presence of a metal liner significantly reduces the initial parameters of the device, which, in turn, imposes a limitation on its use to power high-impedance loads.

Техническим результатом является увеличение генерируемой энергии, путем повышения напряженности магнитного поля, коэффициента перестройки индуктивности контура и увеличения скорости вывода его индуктивности. The technical result is to increase the generated energy by increasing the magnetic field strength, the coefficient of adjustment of the inductance of the circuit and increasing the output speed of its inductance.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным устройством для взрывной кумуляции магнитной энергии, содержащим деформируемый токопроводящий контур, заряд ВВ и систему инициирования заряда, новым является то, что деформируемый контур выполнен в виде многовитковой катушки, свернутой в тороид, а между катушкой и зарядом ВВ расположен дополнительный диэлектрический элемент. Ось катушки смещена относительно оси заряда ВВ в сторону нагрузки, либо ось наружной поверхности катушки смещена относительно оси внутренней поверхности в сторону нагрузки. Катушка выполнена с увеличивающимся в сторону нагрузки шагом намотки. Площадь поперечного сечения торообразной катушки выполнена увеличивающейся к нагрузке. The specified technical result is achieved in that, in comparison with the known device for explosive cumulation of magnetic energy containing a deformable conductive circuit, explosive charge and a charge initiation system, it is new that the deformable circuit is made in the form of a multi-turn coil rolled into a toroid, and between the coil and explosive charge is an additional dielectric element. The axis of the coil is offset relative to the axis of the explosive charge towards the load, or the axis of the outer surface of the coil is offset relative to the axis of the inner surface towards the load. The coil is made with a winding step increasing towards the load. The cross-sectional area of the toroidal coil is made increasing to the load.

Деформируемый контур выполнен в виде многовитковой катушки, свернутой в тороид для того, чтобы иметь возможность расположить ВВ концентрически под и над этим контуром. Использование такой геометрии позволяет легко сформировать как цилиндрически сходящуюся, так и расходящуюся ударную волну при инициировании таких ВВ. Так как контур образован многовитковой катушкой, сжатие магнитного потока осуществляется непосредственно при деформации каждого витка самой катушки, т. е. катушке одновременно присущи две функции: она является токонесущим контуром, позволяющим генерировать из-за малого сечения проводника высокую напряженность магнитного поля (H ≈ 10⁶ Э) между витками, и сама выполняет роль отсутствующего лайнера при сжатии магнитного потока. Высокая индуктивность многовитковой катушки в сочетании с малым временем деформации ее контура обеспечивают достижение больших K_L, скоростей вывода индуктивности и вытеснения магнитного потока. А так как, кроме того, создается еще высокая напряженность магнитного поля H, которой соответствует высокая плотность энергии магнитного поля (H²/8π), чтобы обеспечить эффективное преобразование энергии ВВ в электромагнитную на малом участке торможения без существенных потерь, то все эти условия позволяют увеличить выход энергии в нагрузку и повысить ее мощность. Малое время деформации контура катушки определяется максимальным радиальным размером торообразной полости и радиальной средней скоростью деформации витка V_R в этом месте. В случае одновременно сходящейся и расходящейся ударной волны виток деформируется сразу и снаружи, и изнутри, что обеспечивает наибольшую скорость его деформации, а следовательно, и меньшее время деформации. Наличие диэлектрического элемента и существующей изоляции в виде воздушной или пленочной изоляции витков катушки необходимо для того, чтобы продукты детонации (взрыва) не проникали внутрь деформируемого контура, и витки не перемыкались в процессе деформации. Прорыв продуктов детонации привел бы к локальным искривлениям проводников деформируемой катушки, образованию замкнутых контуров с отсекаемыми потоками и к повреждению изоляции, что в свою очередь привело бы еще к преждевременным электрическим пробоям между витками и резкому снижению выходного напряжения. Кроме того, так как катушка имеет торообразную форму, то витки получаются вееровидными: соприкасаются только между собой на внутреннем диаметре D₁ и не имеют больше общих точек соприкосновения до наружного диаметра D₂. В результате такого расположения витков материал диэлектрических элементов в процессе деформации будет проникать в существующие зазоры между ними (масса диэлектрического элемента меньше массы этого элемента с витком, находящимся на нем), обеспечивая тем самым еще дополнительную межвитковую изоляцию. Использование же увеличивающегося шага намотки и увеличивающего поперечного сечения в сторону нагрузки позволяет наиболее эффективно усиливать ток (а, следовательно, и энергию) в процессе всего времени работы устройства при сохранении в катушке на должном максимальном уровне магнитного поля ≈ 1 МЭ. При этом необходимо, чтобы ось катушки была смещена относительно оси заряда ВВ, либо, чтобы ось внутренней окружности не совпадала с осью наружной и была смещена в противоположную сторону от нагрузки. Все выше сказанное позволяет существенно расширить класс непосредственно подключаемых к устройству различных типов нагрузок.The deformable circuit is made in the form of a multi-turn coil folded into a toroid in order to be able to place the explosive concentrically under and above this circuit. The use of such a geometry makes it easy to form both a cylindrically converging and diverging shock wave upon the initiation of such explosives. Since the circuit is formed by a multi-turn coil, the magnetic flux is compressed directly during the deformation of each turn of the coil itself, i.e., the coil has two functions at the same time: it is a current-carrying circuit, which allows generating a high magnetic field strength due to the small cross section of the conductor (H ≈ 10 ⁶ E) between the turns, and it itself plays the role of an absent liner when compressing the magnetic flux. The high inductance of a multi-turn coil in combination with a short deformation time of its circuit ensure that large K _L , output rates of inductance and magnetic flux displacement are achieved. And since, in addition, a still higher magnetic field strength H is created, which corresponds to a high magnetic field energy density (H ² / 8π) in order to ensure efficient conversion of explosive energy into electromagnetic energy in a small braking area without significant losses, all these conditions allow increase the energy output to the load and increase its power. The short deformation time of the coil contour is determined by the maximum radial size of the toroidal cavity and the radial average speed of deformation of the coil V _R in this place. In the case of a simultaneously converging and diverging shock wave, the coil is deformed immediately, both externally and internally, which ensures the highest rate of its deformation and, consequently, shorter deformation time. The presence of a dielectric element and the existing insulation in the form of air or film insulation of the coil turns is necessary so that detonation (explosion) products do not penetrate the deformable circuit and the coils do not cross during deformation. A breakthrough of detonation products would lead to local curvature of the conductors of the deformable coil, the formation of closed loops with cutoff flows, and damage to the insulation, which in turn would lead to premature electrical breakdowns between the turns and a sharp decrease in the output voltage. In addition, since the coil has a toroidal shape, the turns are fan-shaped: they only touch each other on the inner diameter D ₁ and do not have more common points of contact to the outer diameter D ₂ . As a result of this arrangement of turns, the material of the dielectric elements during deformation will penetrate into the existing gaps between them (the mass of the dielectric element is less than the mass of this element with the coil located on it), thereby providing additional inter-turn insulation. The use of an increasing winding step and an increasing cross section in the direction of the load makes it possible to most efficiently amplify the current (and, consequently, the energy) during the entire operating time of the device while maintaining the magnetic field at the proper maximum level of ≈ 1 ME. In this case, it is necessary that the axis of the coil be offset relative to the axis of charge of the explosive, or that the axis of the inner circle does not coincide with the axis of the outer and is offset in the opposite direction from the load. All of the above allows us to significantly expand the class of various types of loads directly connected to the device.

На фиг. 1 показана схема для реализации способа взрывной кумуляции магнитной энергии. In FIG. 1 shows a diagram for implementing the method of explosive cumulation of magnetic energy.

На фиг. 2 схематично изображено устройство для осуществления способа взрывной кумуляции магнитной энергии при создании например, расходящейся ударной волны. In FIG. 2 schematically shows a device for implementing the method of explosive cumulation of magnetic energy when creating, for example, a diverging shock wave.

На фиг. 3 приведено сечение А-А этого устройства. In FIG. 3 shows a section AA of this device.

На фиг. 4 изображено заявляемое устройство при создании например, одновременно расходящейся и сходящейся ударной волны при инициировании ВВ. In FIG. 4 shows the inventive device when creating, for example, simultaneously diverging and converging shock waves upon initiation of explosives.

На фиг. 5 изображено заявляемое устройство, когда ось катушки смещена относительно оси заряда ВВ в сторону нагрузки. In FIG. 5 shows the inventive device when the axis of the coil is offset relative to the axis of the explosive charge in the direction of the load.

На фиг. 6 изображено заявляемое устройство для случая, когда катушка выполнена с увеличивающим в сторону нагрузки шагом намотки. In FIG. 6 shows the inventive device for the case when the coil is made with increasing the load side of the winding step.

На фиг. 7 изображено заявляемое устройство для случая, когда площадь поперечного сечения торообразной катушки выполнена увеличивающейся в сторону нагрузки. In FIG. 7 shows the inventive device for the case when the cross-sectional area of the toroidal coil is made increasing in the direction of the load.

На фиг. 8 изображено сечение А-А катушки, показанной на фиг. 7. In FIG. 8 is a section AA of the coil shown in FIG. 7.

Заявленный способ взрывной кумуляции (фиг. 1) включает создание начального магнитного потока, введение его в деформируемый контур 1 и выведение магнитной энергии в нагрузку с помощью ударной волны заряда ВВ 2 с системой инициирования 3. Операцию сжатия магнитного потока осуществляют в горообразном контуре 1, образованном многовитковой катушкой 4, деформируя каждый виток. Магнитная энергия выводится в нагрузку, подключаемую к клеммам 6. Начальный магнитный поток создается с помощью источника начального тока, подключаемого к клеммам 7. Конкретная реализация способа взрывной кумуляции магнитной энергии заключалась в следующем. Начальный магнитный поток в деформируемом контуре создавался от заряженной до 10 кВ батареи емкостью 0.35 мкФ, которая при срабатывании разрядника разряжалась на многовитковую катушку. Операцию сжатия магнитного потока осуществляли в торообразном контуре, например, как в конкретном случае, расходящейся ударной волной заряда ВВ 2, расположенной внутри этого контура, где поток сжимался с увеличением плотности энергии. Независимая (без перемыкания между собой) деформация витков позволяет сохранить тороидальное магнитное поле в течение всего времени сжатия магнитного потока, что обеспечивает эффективное усиление тока и, как следствие, увеличение энергии генерируемого импульса в нагрузку. The claimed method of explosive cumulation (Fig. 1) involves creating an initial magnetic flux, introducing it into the deformable circuit 1 and removing the magnetic energy into the load using the shock wave of explosive charge 2 with the initiation system 3. The magnetic flux compression operation is carried out in a mountainous contour 1 formed multi-turn coil 4, deforming each turn. Magnetic energy is output to a load connected to terminals 6. The initial magnetic flux is created using an initial current source connected to terminals 7. A specific implementation of the method of explosive cumulation of magnetic energy was as follows. The initial magnetic flux in the deformable circuit was generated from a 0.35 uF battery charged to 10 kV, which, when the arrester was triggered, was discharged to a multi-turn coil. The magnetic flux compression operation was carried out in a toroidal circuit, for example, as in the particular case, a diverging shock wave of explosive charge 2 located inside this circuit, where the flux was compressed with increasing energy density. Independent (without bridging between each other), the deformation of the turns allows you to save the toroidal magnetic field during the entire time the magnetic flux is compressed, which provides an effective amplification of the current and, as a consequence, an increase in the energy of the generated pulse to the load.

Устройство для осуществления способа взрывной кумуляции магнитной энергии содержит (фиг.2-8) деформируемый токопроводящий контур 1, заряд взрывчатого вещества 2 с системой инициирования 3, при этом деформируемый контур выполнен в виде многовитковой катушки 4, свернутой в тороид, а между катушкой 4 и зарядом ВВ 2 размещен дополнительный диэлектрический элемент 5. Ось катушки 4 смещена относительно оси заряда ВВ 2 в сторону нагрузки. Катушка 4 выполнена с увеличивающим в сторону нагрузки шагом намотки. Площадь поперечного сечения торообразной катушки 4 выполнена увеличивающей в сторону нагрузки. Ось наружной поверхности катушки 4 смещена относительно оси внутренней поверхности катушки 4 в сторону нагрузки. Нагрузка подключается к клеммам 6, а источник начального магнитного потока - к клеммам 7. Если сверху катушки 4 отсутствует заряд 2, то в этом месте располагается кольцевой утяжелитель 8 витков катушки 4 из диэлектрика. Катушка имеет радиальную щель 9 в месте максимального поперечного размера h. A device for implementing the method of explosive cumulation of magnetic energy contains (FIGS. 2-8) a deformable conductive circuit 1, an explosive charge 2 with an initiation system 3, the deformable circuit being made in the form of a multi-turn coil 4 rolled into a toroid, and between the coil 4 and the charge of BB 2 is an additional dielectric element 5. The axis of the coil 4 is offset relative to the axis of the charge of BB 2 in the direction of the load. Coil 4 is made with a winding step increasing towards the load. The cross-sectional area of the toroidal coil 4 is made increasing towards the load. The axis of the outer surface of the coil 4 is offset relative to the axis of the inner surface of the coil 4 in the direction of the load. The load is connected to terminals 6, and the source of the initial magnetic flux is connected to terminals 7. If there is no charge 2 on top of coil 4, then there is an annular weighting agent of 8 turns of coil 4 from dielectric. The coil has a radial slot 9 in place of the maximum transverse dimension h.

Устройство работает следующим образом. При подключении источника начального магнитного потока (например, конденсаторной батареи) в деформируемом токопроводящем контуре 1 начинает протекать ток, возрастающий в процессе разряда, а внутри многовитковой катушки 4 генерируется магнитное поле B. Подрыв зарядов ВВ 2 по всем их поверхностям осуществляется системой инициирования 3, формирующей сходящийся и/или расходящийся детонационный фронт. Момент инициирования ВВ 2 выбирается таким образом, чтобы ускоренные давлением ударной волны участки контура разрушили изоляцию в месте подключения 7 источника начального магнитного потока в момент достижения максимума тока. Таким образом, в тороидальной катушке 4 клеммы 7 оказываются замкнутыми накоротко и поступление в нее магнитного потока от источника прекращается. Под действием ударной волны диэлектрические элементы 5, совместно с проводниками катушки 4, ускоряются радиально навстречу друг к другу, совершая работу против пондеромоторных сил магнитного поля. Из-за наличия диэлектрических элементов 5 и существующей изоляции между витками, необходимой, чтобы иметь многовитковую катушку 4, продукты взрыва не проникают внутрь торообразного токопроводящего контура 1, витки не перемыкаются в процессе деформации и магнитный поток через щель 9 вытесняется в нагрузку. Для устройств, показанных на фиг. 2-4, в процессе деформации сокращается только площадь поперечного сечения катушки S, и ток I циркулирует по виткам в течение всего времени работы устройства. Поэтому полный магнитный поток (Ф = INS) вытесняется из объема катушки в виде суммы отдельных магнитных потоков Ф_i = IS,(i = 1...N), где N - полное количество витков катушки 4. В результате этой операции, хотя и происходит быстрое сжатие большого начального магнитного потока, генерируемое полное напряжение U ~ ∂Φ/∂t, приложенное в месте выведения магнитного потока (щель 9), будет не очень большим из-за того, что осуществляется одновременная деформация всего объема тороидальной полости, имеющей большую индуктивность, равномерно распределенную вдоль периметра катушки. На долю высокоимпедансной нагрузки приходится напряжение, измеряемое обычно от нескольких десятков до сотни киловольт, что является удобным в работе (сильноточный импульс при относительно не очень высоком напряжении). Напряжение U будет распределено между всеми витками N катушки 4 с относительно малой амплитудой (U/N). Поэтому небольшой межвитковой изоляции (десятые-сотые доли миллиметра) оказывается достаточно для предотвращения межвиткового электрического пробоя. Для устройств, показанных на фиг. 4-8, принцип работы будет несколько иным. После прекращения поступления начального магнитного потока в катушку 4 диэлектрические элементы 5, совместно с проводником катушки 4, ускоряются радиально под действием ударной волны навстречу друг к другу, совершая работу против пондеромоторных сил магнитного поля. При этом происходит следующее. В процессе деформации витки будут полностью сжиматься уже постепенно (не так, как в рассмотренном выше устройстве, где они полностью сжимались одновременно все сразу) либо, начиная с места, где масса диэлектрического элемента с витками будет наименьшая, и заканчиваясь в месте большей массы (фиг. 4), либо, начиная с места, где поперечный размер h у катушки будет минимальным, и далее продвигаясь в сторону максимального поперечного размера (фиг. 5-8). На начальной стадии деформации полный магнитный поток

вытесняется из объема катушки в виде суммы всех отдельных потоков Ф_i = IS_i (i = 1...N). Далее полный магнитный поток

в контуре катушки будет последовательно уменьшаться по мере роста числа полностью сжатых витков (K). Таким образом можно создавать различные по форме импульсы при одной и той же его длительности. Например, достигнуть более короткого фронта нарастания импульса на начальной стадии деформации, чем в устройствах, показанных на фиг. 2-4, а далее иметь некую плату. Это можно обеспечить путем изменения шага намотки, площади поперечного сечения катушки в сторону нагрузки и т. п. В данном конкретном случае площадь поперечного сечения S=h•1 торообразных катушек, показанных на фиг. 4-8, выполнена увеличивающей за счет изменения поперечного размера торообразной полости (h_i....h_k). Хотя S можно также увеличить как в результате изменения одного 1, так и одновременного изменения 1 и h. При этом, чтобы устройство работало, необходимо иметь либо смещение оси катушки относительно оси заряда, либо использовать катушку, у которой ось внутренней окружности не совпадала с осью наружной окружности.The device operates as follows. When a source of the initial magnetic flux (for example, a capacitor bank) is connected in a deformable conductive circuit 1, a current begins to flow, which increases during the discharge, and a magnetic field B is generated inside the multi-turn coil 4. Undermining of explosive charges 2 over all their surfaces is carried out by the initiation system 3, which forms converging and / or diverging detonation front. The initiation moment of explosive 2 is chosen so that the sections of the circuit accelerated by the pressure of the shock wave destroy the insulation at the point of connection 7 of the source of the initial magnetic flux when the current reaches its maximum. Thus, in the toroidal coil 4, the terminals 7 turn out to be short-circuited and the magnetic flux from the source is stopped. Under the action of the shock wave, the dielectric elements 5, together with the conductors of the coil 4, are accelerated radially towards each other, doing work against the ponderomotive forces of the magnetic field. Due to the presence of dielectric elements 5 and the existing insulation between the turns necessary to have a multi-turn coil 4, the explosion products do not penetrate into the toroidal conductive circuit 1, the turns do not cross during deformation, and the magnetic flux through the slot 9 is forced into the load. For the devices shown in FIG. 2-4, in the process of deformation, only the cross-sectional area of the coil S is reduced, and the current I circulates through the turns throughout the entire operation time of the device. Therefore, the total magnetic flux (Φ = INS) is displaced from the coil volume as the sum of the individual magnetic fluxes Φ _i = IS, (i = 1 ... N), where N is the total number of turns of the coil 4. As a result of this operation, although there is a rapid compression of the large initial magnetic flux, the generated total voltage U ~ ∂Φ / ∂t applied at the place of magnetic flux removal (gap 9) will not be very large due to the simultaneous deformation of the entire volume of the toroidal cavity, which has a large inductance uniformly distributed along meter coil. The high-impedance load accounts for the voltage, usually measured from several tens to hundreds of kilovolts, which is convenient in operation (high-current pulse at a relatively not very high voltage). The voltage U will be distributed between all turns N of the coil 4 with a relatively small amplitude (U / N). Therefore, a small interturn isolation (tenths or hundredths of a millimeter) is enough to prevent interturn electrical breakdown. For the devices shown in FIG. 4-8, the principle of operation will be slightly different. After the initial magnetic flux into the coil 4 ceases, the dielectric elements 5, together with the conductor of the coil 4, accelerate radially under the action of the shock wave towards each other, doing work against the ponderomotive forces of the magnetic field. In doing so, the following occurs. In the process of deformation, the turns will completely compress already gradually (not like in the device discussed above, where they were completely compressed simultaneously all at once) or, starting from the place where the mass of the dielectric element with turns will be the smallest, and ending in the place of a larger mass (Fig. .4), or, starting from the place where the transverse dimension h at the coil will be minimal, and then moving towards the maximum transverse size (Fig. 5-8). At the initial stage of deformation, the total magnetic flux

is displaced from the coil volume as the sum of all individual flows Φ _i = IS _i (i = 1 ... N). Further full magnetic flux

in the coil loop will gradually decrease as the number of fully compressed turns (K) increases. Thus, it is possible to create pulses of different shapes with the same duration. For example, to achieve a shorter pulse rise front at the initial stage of deformation than in the devices shown in FIG. 2-4, and then have a certain fee. This can be achieved by changing the winding pitch, the cross-sectional area of the coil in the direction of the load, etc. In this particular case, the cross-sectional area S = h • 1 of the toroidal coils shown in FIG. 4-8, made increasing by changing the transverse size of the toroidal cavity (h _i .... h _k ). Although S can also be increased both as a result of a change in one 1, and a simultaneous change in 1 and h. In this case, in order for the device to work, it is necessary to either displace the axis of the coil relative to the axis of the charge, or use a coil whose axis of the inner circle did not coincide with the axis of the outer circle.

Пример конкретного выполнения по фиг. 2 представляет собой тороидальный контур, образованный многовитковой катушкой с D₁ = 79.8 мм, D₂ = 86.2 мм и 1 = 10 мм. Катушка навита четырьмя параллельными проводами марки ПЭВ-2. Диаметр отдельного проводника с изоляцией - 0.1 мм. Проводники равномерно распределены вдоль периметра катушки. Вместе подключения нагрузки витки на длине ≈ 40 мм отсутствуют. В месте подключения источника начального магнитного потока на длине 10 мм их тоже нет. Катушка имеет 500 витков, а ее сечение выполнено прямоугольным (β = 90^o). Проводники изолированы друг от друга лаковой изоляцией, имеющей толщину 0.015 мм. Индуктивность и сопротивление (активное) катушки составили соответственно L_g = 37.4 мкГн и R_g = 7.1 Ом. Катушка размещена на оргстеклянном трубчатом элементе. Толщина стенки у трубки - 5 мм. Внутрь этого элемента вставлен дисковый заряд ВВ из ТГ 50/50 и толщиной 15 мм. Система инициирования заряда состоит из одного радиального капсюля-детонатора, размещенного в центре этого заряда. Источником питания являлась конденсаторная батарея емкостью C = 4 мкФ и зарядным напряжением 12 кВ. Сопротивление нагрузки равнялось 8 Ом, а ее индуктивность была 0.07 мкГн. Время работы устройства (порядка 1 мкс) определялось моментом подлета внутренней поверхности катушки к наружной. Расчеты показали, что в этот момент у катушки оставалась еще не выведенная индуктивность, равная 1.16 мкГн, Такая индуктивность обусловлена проникновением магнитного поля в проводник и наличием на нем изоляции. При создании в катушке начального тока, равного 3 кА, в нагрузке при работе устройства был получен ток ≈ 19 кА. (Электропрочность устройства обеспечивалось погружением его в трансформаторное масло). Таким образом, коэффициент перестройки индуктивности устройства составил 28.2 (K_L = 37.4/1.23), средняя скорость вывода индуктивности

= 36 Гн/с, максимальная напряженность магнитного поля была порядка 600 кЭ. В нагрузке была получена магнитная энергия 12 Дж, а средняя мощность составила 12 МВт. Рассмотрим прототип, имеющий те же габариты, что и заявляемое устройство. Длина у соленоида будет 10 мм, а диаметр, на котором он навит, равен 86 мм. Так как он навит также четырьмя проводами, каждый из которых имеет диаметр 0.1 мм, то количество витков у соленоида будет 25. Металлическая труба имеет диаметр 80 мм для того, чтобы устройство работало 1 мкс.The specific embodiment of FIG. 2 is a toroidal contour formed by a multi-turn coil with D ₁ = 79.8 mm, D ₂ = 86.2 mm and 1 = 10 mm. The coil is wound with four parallel wires of the PEV-2 brand. The diameter of a single conductor with insulation is 0.1 mm. The conductors are evenly distributed along the perimeter of the coil. Together, load connections of a coil over a length of ≈ 40 mm are missing. At the point of connection of the source of the initial magnetic flux at a length of 10 mm, they are also absent. The coil has 500 turns, and its cross section is rectangular (β = 90 ^o ). The conductors are insulated from each other by varnish insulation having a thickness of 0.015 mm. The inductance and resistance (active) of the coil were respectively L _g = 37.4 µH and R _g = 7.1 Ohms. The coil is placed on a plexiglass tubular element. The wall thickness of the tube is 5 mm. A disk charge of explosives from TG 50/50 and a thickness of 15 mm is inserted inside this element. The charge initiation system consists of one radial detonator capsule located in the center of this charge. The power source was a capacitor bank with a capacity of C = 4 μF and a charging voltage of 12 kV. The load resistance was 8 ohms, and its inductance was 0.07 μH. The operating time of the device (of the order of 1 μs) was determined by the moment of approaching the inner surface of the coil to the outer. Calculations showed that at this moment the coil still had not removed the inductance, equal to 1.16 μH. This inductance is due to the penetration of the magnetic field into the conductor and the presence of insulation on it. When an initial current of 3 kA was created in the coil, a current of ≈ 19 kA was obtained in the load during operation of the device. (The electric strength of the device was provided by immersing it in transformer oil). Thus, the coefficient of adjustment of the inductance of the device was 28.2 (K _L = 37.4 / 1.23), the average output speed of the inductance

= 36 GN / s, the maximum magnetic field strength was of the order of 600 kOe. A magnetic energy of 12 J was obtained in the load, and the average power was 12 MW. Consider a prototype having the same dimensions as the claimed device. The length of the solenoid will be 10 mm, and the diameter on which it is wound is 86 mm. Since it is also wound with four wires, each of which has a diameter of 0.1 mm, the number of turns of the solenoid will be 25. The metal pipe has a diameter of 80 mm in order for the device to operate 1 μs.

Индуктивность у такого устройства, как следует из расчета, составляет величину 12 мкГн, а сопротивление - 4.2 Ом. При работе устройства на нагрузку индуктивностью 0.07 мкГн, начиная с сопротивления 7 Ом, не наблюдается уже никакого усиления энергии и увеличения напряженности магнитного поля, хотя K_L = 24. Энергия и мощность, передаваемые в высокоимпедансную нагрузку, при работе же заявляемого устройства, возрастают. То же самое наблюдается и с H, которое в заявляемом устройстве увеличивается примерно в 6 раз и достигает значения 600 кЭ, а в прототипе происходит наоборот уменьшение начального поля 100 кЭ сразу с момента начала деформации контура. В конкретном заявляемом устройстве скорость вывода индуктивности контура будет в три раза больше, K_L в 1.17 раза, а H возрастет примерно в 6 раз.The inductance of such a device, as follows from the calculation, is 12 μH, and the resistance is 4.2 Ohms. When the device is operated on a load with an inductance of 0.07 μH, starting with a resistance of 7 Ohms, there is no longer any increase in energy and an increase in the magnetic field strength, although K _L = 24. The energy and power transmitted to the high-impedance load, while the inventive device is working, increase. The same thing is observed with H, which in the inventive device increases by about 6 times and reaches a value of 600 kOe, and in the prototype, on the contrary, the initial field of 100 kOe decreases immediately after the beginning of the contour deformation. In the particular inventive device, the output speed of the loop inductance will be three times higher, K _L 1.17 times, and H will increase by about 6 times.

Claims

1. A method of explosive cumulation of magnetic energy, including the creation of an initial magnetic flux, introducing it into a deformable circuit, compressing the magnetic flux using a shock wave of explosive charge and removing magnetic energy into a load, characterized in that the magnetic flux compression operation is carried out in a toroidal circuit, formed by a multi-turn coil, deforming each of its turns.

2. A device for implementing the method of explosive cumulation of magnetic energy containing a deformable conductive circuit, an explosive charge and a charge initiation system, characterized in that the deformable circuit is made in the form of a multi-turn coil rolled into a toroid, and an additional dielectric element is placed between the coil and the explosive charge .

3. The device according to claim 2, characterized in that the axis of the coil is offset relative to the axis of the explosive charge in the direction of the load.

4. The device according to claim 2, characterized in that the coil is made with a winding step increasing in the direction of load.

5. The device according to claim 2, characterized in that the cross-sectional area of the toroidal coil is made increasing in the direction of the load.

6. The device according to claim 2, characterized in that the axis of the outer circumference of the coil is offset relative to the axis of the inner circle in the direction of the load.