RU2219685C2

RU2219685C2 - Method and device for producing traveling magnetic wave

Info

Publication number: RU2219685C2
Application number: RU2001119302A
Authority: RU
Inventors: В.С. Вяткин; Г.Л. Дорофеев; Ю.Д. Куроедов
Original assignee: Вяткин Владимир Сергеевич; Дорофеев Геннадий Леонидович; Куроедов Юрий Дмитриевич
Priority date: 2001-07-12
Filing date: 2001-07-12
Publication date: 2003-12-20

Abstract

FIELD: pulse engineering; generating high-power current pulses for building up pulsed magnetic fields. SUBSTANCE: method includes building of constant magnetic field along its movement path, disposition of tube held in superconducting state collinearly to direction of magnetic field, and conversion of one of tube sections to resistive state. Device implementing proposed method has winding connected to power supply. Primary winding is made in the form of single continuous coil accommodating magnetic screen inside it which is made in the form of superconducting tube with one of its sections carrying additional winding connected to switch-mode current supply. For using energy of traveling magnetic wave device may be provided with secondary winding disposed inside or outside of screen and terminals for connection to load. Primary winding may be made of superconductor and secondary one, in the form of series-connected coils with alternating winding paths. One of device alternatives has its screen, primary and secondary windings forming nested anchor rings. EFFECT: provision for constant magnetic field propagation along assigned path at constant field gradient along propagation axis. 6 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники к разделу импульсной техники, преимущественно мощной импульсной энергетике для создания импульсных магнитных полей, ионизации плазмы, накачки лазеров, для генерации серий электромагнитных импульсов и особенно для ускорения макроскопических тел в индукционных ускорителях. The invention relates to the field of electrical engineering to the field of pulsed technology, mainly powerful pulsed energy for creating pulsed magnetic fields, plasma ionization, pumping lasers, for generating a series of electromagnetic pulses and especially for accelerating macroscopic bodies in induction accelerators.

Известен способ формирования скачкообразно меняющегося магнитного поля [1] . В этом способе сверхпроводящую цилиндрическую трубу помещают в изменяющееся магнитное поле, при этом внутри трубы магнитное поле изменяется скачкообразно по всей длине трубы за счет срыва возникающих в ней экранирующих токов. Однако этот способ не позволяет получить бегущую магнитную волну. A known method of forming an abruptly changing magnetic field [1]. In this method, a superconducting cylindrical tube is placed in a varying magnetic field, while inside the tube the magnetic field changes spasmodically along the entire length of the tube due to disruption of the screening currents arising in it. However, this method does not allow to obtain a traveling magnetic wave.

Известен также способ получения бегущей магнитной волны (прототип [2]), состоящий в том, что магнитное поле создают вдоль направления движения магнитной волны системой катушек, расположенных вдоль оси движения, на которые последовательно разряжают конденсаторные батареи, подключенные к этим катушкам с помощью замыкателей и системы синхронизации. Образующиеся при этом в каждой катушке импульсные магнитные поля направлены вдоль оси движения и имеют фронт, перемещающийся вдоль оси движения, т.е. создают бегущую магнитную волну. There is also a method of producing a traveling magnetic wave (prototype [2]), which consists in the fact that a magnetic field is created along the direction of movement of the magnetic wave by a system of coils located along the axis of motion, into which the capacitor banks connected to these coils by means of contactors and synchronization systems. The pulsed magnetic fields formed in each coil in this case are directed along the axis of motion and have a front moving along the axis of motion, i.e. create a running magnetic wave.

Этот способ имеет следующий недостаток. Скорость движения фронта магнитной волны уменьшается в интервалах между катушками, что приводит к снижению эффективности использования ее энергии и снижению КПД устройства в целом. Велики также массогабаритные показатели устройства, т.к. удельная запасаемая энергия конденсаторных батарей невелика (<10⁶ Дж/м³) [3].This method has the following disadvantage. The speed of movement of the front of the magnetic wave decreases in the intervals between the coils, which leads to a decrease in the efficiency of its energy use and a decrease in the efficiency of the device as a whole. The overall dimensions of the device are also great, because the specific stored energy of capacitor banks is small (<10 ⁶ J / m ³ ) [3].

Техническим результатом предложенного решения явилось устранение указанных недостатков, конкретно - повышение эффективности за счет обеспечения постоянства градиента магнитного поля вдоль оси распространения и значительного снижения массогабаритных показателей за счет накопления энергии в индуктивной катушке. Технический результат достигается путем усовершенствования известного способа [2] получения бегущей магнитной волны, включающего создание магнитного поля вдоль направления ее движения. Усовершенствование заключается в том, что коллинеарно направлению магнитного поля помещают трубу, находящуюся в сверхпроводящем состоянии, магнитное поле создают постоянным вдоль трубы, а затем один из участков трубы переводят в резистивное состояние. The technical result of the proposed solution was the elimination of these drawbacks, specifically, increasing efficiency by ensuring the constancy of the magnetic field gradient along the propagation axis and a significant reduction in weight and size parameters due to energy storage in the inductive coil. The technical result is achieved by improving the known method [2] of obtaining a traveling magnetic wave, including the creation of a magnetic field along the direction of its movement. The improvement lies in the fact that a pipe in a superconducting state is placed collinearly to the direction of the magnetic field, the magnetic field is created constant along the pipe, and then one of the pipe sections is brought into a resistive state.

Предложенный способ реализуют устройством, содержащим подключенную к источнику питания первичную обмотку. Усовершенствование устройства заключается в том, что первичная обмотка выполнена в виде единой сплошной катушки, внутри нее расположен магнитный экран, выполненный в виде сверхпроводящей трубы, и на одном из участков трубы размещена дополнительная обмотка, подключенная к импульсному источнику тока. The proposed method is implemented by a device containing a primary winding connected to a power source. An improvement of the device lies in the fact that the primary winding is made in the form of a single continuous coil, inside it there is a magnetic screen made in the form of a superconducting pipe, and an additional winding connected to a pulsed current source is placed on one of the pipe sections.

Первичная обмотка может быть выполнена из сверхпроводника. The primary winding can be made of a superconductor.

В устройство введена вторичная обмотка для использования бегущей магнитной волны, размещенная на поверхности трубы и снабженная клеммами подключения к нагрузке. A secondary winding for the use of a traveling magnetic wave is introduced on the surface of the pipe and equipped with terminals for connecting to the load.

Вторичная обмотка может быть выполнена в виде последовательно соединенных секций с чередующимися направлениями намотки. The secondary winding can be made in the form of series-connected sections with alternating winding directions.

В одной из модификаций экран, первичная и вторичная обмотки образуют систему вложенных торов. In one of the modifications, the screen, primary and secondary windings form a system of nested tori.

Существо изобретения поясняется прилагаемыми чертежами, где на фиг.1 схематично изображено устройство, реализующее способ, а на фиг.2 представлены осциллограммы напряжений на вторичной обмотке при чередующемся направлении намотки многосекционной вторичной обмотки. The invention is illustrated by the accompanying drawings, in which Fig. 1 schematically shows a device that implements the method, and Fig. 2 shows waveforms of voltages on the secondary winding with the alternating direction of winding of the multi-section secondary winding.

Устройство для реализации способа получения бегущей магнитной волны включает первичную обмотку 1 с клеммами 2, 3 для подключения к источнику питания 4, экран 5, выполненный в виде трубы из сверхпроводника, и дополнительную обмотку 6, подключенную к блоку управления 7 (фиг.1). В качестве источника питания первичной обмотки используют источник постоянного тока, а в качестве блока управления может быть источник импульсного тока или напряжения. Первичная обмотка 1 выполнена в виде единой сплошной катушки и может быть изготовлена из материала с высокой электропроводноостью или из сверхпроводника. Магнитный экран 5 размещен внутри катушки первичной обмотки 1. A device for implementing the method of producing a traveling magnetic wave includes a primary winding 1 with terminals 2, 3 for connecting to a power source 4, a screen 5 made in the form of a pipe from a superconductor, and an additional winding 6 connected to the control unit 7 (Fig. 1). A direct current source is used as a primary winding power source, and a pulse current or voltage source can be used as a control unit. The primary winding 1 is made in the form of a single continuous coil and can be made of a material with high electrical conductivity or of a superconductor. A magnetic screen 5 is placed inside the primary coil 1.

Для использования бегущей магнитной волны введена вторичная обмотка 8 с клеммами 9, 10 для подключения к нагрузке 11 (фиг.1). Вторичная обмотка 8 может быть размещена либо на наружной, либо на внутренней поверхности трубы (экрана) 5. Вторичная обмотка может состоять из последовательно соединенных секций с чередующимися направлениями намотки для получения импульсов тока в нагрузке разной полярности. В одном из вариантов трубообразный экран 5 и катушки с первичной и вторичной обмотками свернуты в кольцо и образуют систему вложенных торов. Последовательность относительного размещения экрана и вторичной обмотки непринципиальна. To use a traveling magnetic wave, a secondary winding 8 has been introduced with terminals 9, 10 for connecting to a load 11 (Fig. 1). The secondary winding 8 can be placed either on the outer or inner surface of the pipe (screen) 5. The secondary winding can consist of series-connected sections with alternating winding directions to receive current pulses in a load of different polarity. In one embodiment, the tube-shaped screen 5 and coils with primary and secondary windings are rolled into a ring and form a system of embedded tori. The sequence of the relative placement of the screen and the secondary winding is unprincipled.

В случае подключения клемм 9, 10 к электронному запоминающему осциллографу на осциллограмме (фиг.2) можно наблюдать скачки напряжения, обусловленные прохождением фронта бегущей магнитной волны под каждой из катушек вторичной обмотки. In the case of connecting the terminals 9, 10 to the electronic storage oscilloscope on the waveform (figure 2), you can observe voltage surges due to the passage of the front of the traveling magnetic wave under each of the coils of the secondary winding.

Способ получения бегущей магнитной волны реализуют следующим образом: экран 5 захолаживают ниже температуры сверхпроводящего перехода. В первичную обмотку 1 вводят постоянный ток от источника питания 4, тем самым создают постоянное магнитное поле, направленное вдоль трубы, при этом за счет экранирующих токов, возникающих в сверхпроводящей трубе, внутри трубы магнитное поле отсутствует. Затем один из концов трубы переводят в резистивное (несверхпроводящее) состояние индукционным образом путем подачи импульса тока в дополнительную обмотку от импульсного источника тока. Экранирующие токи затухают в области под дополнительной обмоткой и увеличиваются в соседнем с ним сверхпроводящем участке трубы, и при достижении критической величины тока эта область также переходит в резистивное состояние. Магнитное поле проникает в трубу с торцевого участка, перешедшего в резистивное состояние, и увеличивается вдоль оси трубы по мере распространения резистивного состояния вдоль трубы. Таким образом, внутри трубообразного экрана 5 "бежит" фронт постоянного магнитного поля, т.е. распространяется бегущая магнитная волна. При этом скорость движения фронта магнитного поля остается постоянной за счет непрерывного распространения резистивного состояния вдоль экрана, т.е. обеспечивается постоянный градиент магнитного поля вдоль оси экрана. A method of obtaining a traveling magnetic wave is implemented as follows: the screen 5 is cooled below the temperature of the superconducting transition. A direct current is introduced into the primary winding 1 from the power source 4, thereby creating a constant magnetic field directed along the pipe, while due to the shielding currents arising in the superconducting pipe, there is no magnetic field inside the pipe. Then one of the ends of the pipe is transferred to a resistive (non-superconducting) state by induction by applying a current pulse to an additional winding from a pulsed current source. The screening currents decay in the area under the additional winding and increase in the adjacent superconducting section of the pipe, and when a critical current is reached, this area also goes into a resistive state. The magnetic field penetrates the pipe from the end section, which has turned into a resistive state, and increases along the axis of the pipe as the resistive state propagates along the pipe. Thus, inside the tube-like screen 5, the front of a constant magnetic field “runs”, i.e. a traveling magnetic wave propagates. In this case, the velocity of the front of the magnetic field remains constant due to the continuous propagation of the resistive state along the screen, i.e. provides a constant gradient of the magnetic field along the axis of the screen.

На фиг. 2 представлена осциллограмма зависимости от времени напряжения, возникающего на клеммах вторичной обмотки, состоящей из 6 последовательно включенных катушек, размещенных внутри экрана вдоль его оси, расположенных на расстоянии 12 мм друг от друга. На осциллограмме видны моменты нарастания напряжения и его спады, связанные с прохождением фронта магнитного поля под каждой из катушек. Разная полярность напряжения связана с чередующимся направлением намотки катушек. Постоянство амплитуды каждого пика напряжения демонстрирует постоянство градиента магнитного поля бегущей магнитной волны. In FIG. Figure 2 shows the waveform of the time dependence of the voltage occurring at the terminals of the secondary winding, consisting of 6 series-connected coils placed inside the screen along its axis, located at a distance of 12 mm from each other. The oscillogram shows the moments of increase in voltage and its drops associated with the passage of the magnetic field front under each of the coils. Different voltage polarity is associated with the alternating direction of winding coils. The constancy of the amplitude of each voltage peak demonstrates the constancy of the gradient of the magnetic field of the traveling magnetic wave.

В случае выполнения первичной обмотки из сверхпроводника процесс накопления энергии и ее хранения особенно эффективен, т.к. заряд индуктивности может осуществляться от маломощного источника постоянного тока, а потери электрической энергии при ее хранении малы. Плотность запасаемой энергии в этом случае на 1-2 порядка выше, чем в прототипе. In the case of performing the primary winding from a superconductor, the process of energy storage and storage is especially effective, because the inductance charge can be carried out from a low-power direct current source, and the loss of electrical energy during its storage is small. The density of stored energy in this case is 1-2 orders of magnitude higher than in the prototype.

Изготовление устройства в виде свернутых в кольцо первичной обмотки, магнитного экрана и вторичной обмотки, образующих систему вложенных торов, позволяет снизить поля рассеяния первичной обмотки и повысить КПД устройства в целом. The manufacture of the device in the form of a primary winding rolled up into a ring, a magnetic screen and a secondary winding, forming a system of embedded tori, allows to reduce the scattering fields of the primary winding and increase the efficiency of the device as a whole.

Источники информации
1. Патент США 3156850, кл. 361-141, 1964 г.Sources of information
1. US patent 3156850, CL 361-141, 1964

2. Winterberg F. Plasma Physics (Journal of Nuclear Energy Part C), 1966, v.8, p.541-553. 2. Winterberg F. Plasma Physics (Journal of Nuclear Energy Part C), 1966, v. 8, p. 541-553.

3. IEЕЕ, MAG-35, vol.1, 1999, p.25-30. 3. IEEE, MAG-35, vol. 1, 1999, p.25-30.

Claims

1. A method of producing a traveling magnetic wave, including creating a magnetic field along the direction of its movement, characterized in that a pipe in a superconducting state is placed collinear to the direction of the magnetic field, the magnetic field is created constant along the pipe, and then one of the pipe sections is brought back to normal .

2. A device for implementing the method, comprising a primary winding connected to a power source, characterized in that the primary winding is made in the form of a single continuous coil, inside it is a magnetic screen made in the form of a superconducting pipe, and an additional winding is placed on one of the pipe sections, connected to a pulsed current source.

3. The device according to claim 2, characterized in that the primary winding is made of a superconductor.

4. The device according to claim 2 or 3, characterized in that the secondary winding for using a traveling magnetic wave is introduced, located on the surface of the pipe and equipped with terminals for connecting to the load.

5. The device according to claim 4, characterized in that the secondary winding is made in the form of series-connected sections with alternating direction of winding.

6. The device according to claim 4 or 5, characterized in that the screen, primary and secondary windings form a system of embedded tori.