RU2267858C1

RU2267858C1 - Magnetic-cumulative method and device for producing a voltage pulse

Info

Publication number: RU2267858C1
Application number: RU2004111205/09A
Authority: RU
Inventors: Александр Сергеевич Борискин (RU); Александр Сергеевич Борискин; Василий Александрович Демидов (RU); Василий Александрович Демидов; Сергей Аркадьевич Казаков (RU); Сергей Аркадьевич Казаков
Priority date: 2004-04-12
Filing date: 2004-04-12
Publication date: 2006-01-10
Also published as: RU2004111205A

Abstract

FIELD: pulse equipment engineering, in particular, technology for magnetic accumulation of energy, related to problem of fast compression of magnetic flow by means of metallic casing, accelerated by air blast produced by detonation of explosive substance; technology for forming high voltage pulses, which can be used for powering high impedance loads, like, for example, electronic accelerators, lasers, plasma sources, UHF-devices, and the like.

SUBSTANCE: method for producing voltage pulse includes operations for creating starting magnetic flow, compressing it under effect from explosive substance charge explosion products in main hollow, output of magnetic flow into accumulating hollow and forming of pulse in load and, additionally, compression of magnetic flow is performed in accumulating hollow, forming of pulse is performed in additional forming hollow, and main, accumulating and forming hollows are filled with electro-durable gas. Device for realization of magnetic-cumulative method of voltage pulse production includes spiral magnetic-cumulative generator, having coaxial external spiral-shaped conductor and inner conductor with charge of explosive substance, the two forming between each other aforementioned main hollow for compressing magnetic flow, and also accumulating hollow and load. Device additionally has pulse forming hollow, positioned between additional hollow and load. Accumulating hollow is formed by additional spiral conductor, connected to spiral conductor of magnetic-cumulative generator and to portion of inner conductor. In accumulating hollow coaxially with inner conductor of magnetic-cumulative generator, ring-shaped conical dielectric element is positioned. All hollow are connected to system for pumping electric-durable gas. Ring-shaped conical dielectric element is made with outer cylindrical surface, adjacent to inner surface of additional spiral conductor, and to inner conical surface. Angle α between outer surface of portion of inner conductor, positioned in accumulating hollow, and inner surface of conical ring-shaped dielectric element is made in accordance to relation 7°≤α≤30°.

EFFECT: increased power, increased current pulse amplitude, shorter pulse duration, increased electric durability.

2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области импульсной техники, в частности к магнитной кумуляции энергии, т.е. к области быстрого сжатия магнитного потока с помощью металлической оболочки, разгоняемой ударной волной взрывчатого вещества (ВВ), и к области формирования импульсов высоковольтного напряжения, которые могут быть использованы для запитки высокоимпедансных нагрузок, например, таких как электронные ускорители, лазеры, плазменные источники, СВЧ-устройства и т.п. Кроме того, высоковольтные импульсы напряжения могут быть использованы с целью изучения поведения объекта, подвергнутого такому воздействию.The invention relates to the field of pulsed technology, in particular to magnetic energy storage, i.e. to the area of rapid compression of the magnetic flux with a metal shell accelerated by an explosive shock wave (explosive), and to the field of formation of high-voltage voltage pulses that can be used to power high-impedance loads, for example, such as electron accelerators, lasers, plasma sources, microwave -devices, etc. In addition, high voltage voltage pulses can be used to study the behavior of an object subjected to such an effect.

Известны способ и устройство 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. 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, зашунтированную коаксиальной резистивной оболочкой (фольга, электрически взрывающие проводники (ЭВП) и т.п.), изменяющей свое сопротивление в процессе нагрева протекающим по ней током. При этом сжатие магнитного потока производят в металлическом контуре (коаксиальной полости) путем его деформирования расходящейся ударной волной от ВВ с уменьшением размеров полости. Выведение магнитной энергии в нагрузку и ее обострение осуществляют в процессе диффундирования генерируемого магнитного поля через наружную коаксиальную оболочку, которая в течение всего времени кумуляции нагревается (вплоть до электрического взрыва), что приводит к существенному увеличению ее сопротивления.A known method and device of explosive cumulation of magnetic energy, see the collection of scientific papers "Questions of modern experimental and theoretical physics" / Edited by A.P. Aleksandrov - Leningrad: Nauka, 1984, p. 260, Fig. 21. The method includes the steps of creating an initial magnetic flux, introducing it into a deformable contour, compressing the initial magnetic flux with a shock wave of explosive charge and removing magnetic energy into a load shunted by a coaxial resistive sheath (foil, electrically exploding conductors (EEC), etc.) , which changes its resistance during heating by the current flowing through it. In this case, the magnetic flux is compressed in a metal circuit (coaxial cavity) by deforming it with a diverging shock wave from an explosive with a decrease in the size of the cavity. Magnetic energy is brought into the load and its aggravation is carried out during the diffusion of the generated magnetic field through the outer coaxial shell, which is heated throughout the cumulation time (up to an electric explosion), which leads to a significant increase in its resistance.

Для увеличения мощности генерируемого импульса и эффективной передачи энергии в высокоимпедансную нагрузку, имеющую сопротивление, измеряемое единицами и десятками Ом, необходимо, чтобы изменение индуктивности контура

такого генератора происходило значительно быстрей, чем происходит рост омического сопротивления R всей электрической цепи контура в процессе всего времени кумуляции, т.е. необходимо, чтобы

.To increase the power of the generated pulse and efficiently transfer energy to a high-impedance load having a resistance measured in units and tens of ohms, it is necessary that the change in the inductance of the circuit

of such a generator occurred much faster than the increase in the ohmic resistance R of the entire electric circuit of the circuit during the entire cumulation time, i.e. it is necessary that

.

Данный магнитокумулятивный генератор (МКГ) имеет сравнительно малую начальную индуктивность, величина которой порядка ста наногенри. Это не позволяет за сравнительно короткое время его работы (порядка десяти микросекунд) обеспечить сравнительно большую скорость вывода (изменения) его индуктивности. Кроме того, для эффективного усиления энергии необходимо, чтобы остающаяся после деформации индуктивность, которая является в некотором роде индуктивным накопителем энергии, была небольшой (единицы наногенри). Это в свою очередь не позволяет на конечной стадии выведения энергии в нагрузку иметь большое сопротивление резистивной оболочки, которое необходимо для согласования МКГ с высокоимпедансными физическими приборами. В этом случае из-за малого значения индуктивности накопителя будет большое затухание тока в его цепи даже за время, измеряемое единицами наносекунд. Для решения же многих физических и технических задач ввод энергии должен происходить от нескольких десятков до сотни наносекунд. Реально же, для эффективной реализации способа аналога сопротивление резистивной оболочки не должно быть больше сотых долей Ом.This magnetocumulative generator (MCG) has a relatively small initial inductance, the magnitude of which is of the order of one hundred nanogenry. This does not allow for a relatively short time of its operation (of the order of ten microseconds) to provide a relatively high output rate (change) of its inductance. In addition, for effective energy amplification, it is necessary that the inductance remaining after deformation, which is in some way an inductive energy storage, be small (nanogenry units). This, in turn, does not allow at the final stage of energy removal to the load to have a large resistance of the resistive shell, which is necessary for matching the MCH with high-impedance physical devices. In this case, due to the small value of the inductance of the drive, there will be a large attenuation of the current in its circuit even during the time measured in units of nanoseconds. To solve many physical and technical problems, energy input should occur from several tens to hundreds of nanoseconds. In reality, for the effective implementation of the analogue method, the resistance of the resistive shell should not be more than hundredths of a ohm.

Недостатком данного способа и устройства является малая начальная индуктивность устройства и небольшая скорость вывода его индуктивности, не позволяющие обеспечить заданную амплитуду тока определенной длительности для эффективной передачи энергии и увеличения мощности генерируемого импульса в высокоимпедансной нагрузке.The disadvantage of this method and device is the low initial inductance of the device and the low output speed of its inductance, which do not allow to provide a given amplitude of a current of a certain duration for efficient energy transfer and increase the power of the generated pulse in a high impedance load.

Наиболее близким к заявляемому является магнитокумулятивный способ и устройство получения импульса напряжения, см. сборник научных трудов конференции "The 28^th IEEE International Conference on Plasma Science and The 13^th IEEE International Pulsed Power Conference/Ed. Robert Reinovsky and Mark Newton - Las Vegas, Nevada 2001, - доклад «Study of Fast Compact Helical MCG», стр.913, рис.1". Способ по прототипу включает операцию создания начального магнитного потока, сжатие его под действием продуктов взрыва заряда взрывчатого вещества в основной полости, вывод магнитного потока в накопительную полость и формирование импульса в нагрузке.Closest to the claimed one is the magnetocumulative method and device for generating a voltage pulse, see the collection of scientific papers of the conference "The 28 ^th IEEE International Conference on Plasma Science and The 13 ^th IEEE International Pulsed Power Conference / Ed. Robert Reinovsky and Mark Newton - Las Vegas, Nevada 2001, - report "Study of Fast Compact Helical MCG", p. 913, Fig. 1 ". The prototype method includes the operation of creating an initial magnetic flux, compressing it under the action of explosion products of an explosive charge in the main cavity, outputting the magnetic flux into the storage cavity and generating a pulse in the load.

Устройство по прототипу Фиг.1 содержит спиральный магнитокумулятивный генератор, состоящий из коаксиальных наружного спирального проводника 1 и внутреннего проводника 2 с зарядом взрывчатого вещества 3, образующие между собой основную полость 4 сжатия магнитного потока, а также накопительную полость 5 и нагрузку 6. Нагрузка 6 зашунтирована массивом электрически взрывающихся проводников 11 (ЭВП), изменяющих свое сопротивление в сотни раз в процессе нагрева протекающим по ним током. Сами ЭВП размещены в накопительной полости 5, где и происходит с их помощью формирование импульса.The device of the prototype Figure 1 contains a spiral magnetocumulative generator, consisting of a coaxial outer spiral conductor 1 and inner conductor 2 with a charge of explosive 3, forming the main cavity 4 of the magnetic flux compression, as well as the storage cavity 5 and the load 6. Load 6 is shunted an array of electrically exploding conductors 11 (EEC), changing their resistance hundreds of times during heating by the current flowing through them. The EVPs themselves are located in the storage cavity 5, where the pulse formation occurs with their help.

Операцию сжатия магнитного потока осуществляют в основной полости, с внутренней стороны ограниченной внутренним цилиндрически-коническим проводником, а с наружной спиральным проводником (соленоидом). Во время операции сжатия продукты взрыва деформируют только осесимметричный внутренний проводник. Из-за применения спирального проводника, являющегося частью данного контура Фиг.2, удается существенно увеличить индуктивность основной полости L_I, скорость вывода ее индуктивности

, а также величину индуктивности L_II накопительной полости, на которую работает МКГ. Наличие больших значений L_II (например, порядка 1 мкГн) позволяет использовать такой проводник, который на момент окончания работы МКГ будет изменять свое первоначальное сопротивление в процессе его нагрева электрическим током в сотни раз, обеспечивая большие значения сопротивления (единицы-десятки Ом), необходимые для эффективного формирования импульса в нагрузке. При этом, хотя данное сопротивление будет большое, его величина не будет критичной (не окажет существенного влияния на процесс затухания тока в цепи контура накопительной полости) за те времена (порядка ста наносекунд), в течение которых будет происходить передача энергии в высокоимпедансную нагрузку с ее обострением. В результате удастся сформировать мощный импульс энергии в нагрузке.The magnetic flux compression operation is carried out in the main cavity, on the inner side limited by an inner cylindrical-conical conductor, and with an outer spiral conductor (solenoid). During the compression operation, the explosion products deform only the axisymmetric inner conductor. Due to the use of a spiral conductor, which is part of this circuit of FIG. 2, it is possible to significantly increase the inductance of the main cavity L _I , the output speed of its inductance

, as well as the magnitude of the inductance L _{II of the} storage cavity, on which the ICG works. The presence of large values of L _II (for example, of the order of 1 μH) allows the use of such a conductor, which at the time of completion of the operation of the MCG will change its initial resistance during its heating by electric current hundreds of times, providing large values of resistance (several tens of ohms) necessary for efficient pulse formation in the load. At the same time, although this resistance will be large, its value will not be critical (it will not have a significant effect on the current attenuation in the circuit of the storage cavity circuit) for those times (of the order of a hundred nanoseconds) during which energy will be transferred to the high-impedance load from exacerbation. As a result, it will be possible to form a powerful pulse of energy in the load.

Недостатком способа и устройства по прототипу является недостаточный уровень генерируемой магнитной энергии и мощности, обусловленные нарастающим в процессе работы электрическим напряжением в МКГ, максимальная величина которого ограничена пробоями, т.е. электрической прочностью. А недостаточный уровень генерируемого импульса напряжения на изменяющем сопротивлении, расположенном в контуре накопительной полости, связанный со значительным уменьшением скорости вывода индуктивности МКГ на конечной стадии работы из-за существенного увеличения шага спирали, приводит к ограничениям по амплитуде и длительности импульса тока в нагрузке.The disadvantage of the prototype method and device is the insufficient level of generated magnetic energy and power, due to the growing voltage in the MCG during operation, the maximum value of which is limited by breakdowns, i.e. electrical strength. And an insufficient level of the generated voltage pulse at the changing resistance located in the circuit of the storage cavity, associated with a significant decrease in the output speed of the MCH inductance at the final stage of operation due to a significant increase in the spiral pitch, leads to limitations on the amplitude and duration of the current pulse in the load.

При создании данного изобретения решалась задача создания способа и устройства, которые позволяли бы использовать полученные мощные импульсы магнитной энергии в высокоимпедансных нагрузках с длительностью много меньше микросекунды в исследовательских, экспериментальных и прикладных областях.When creating this invention, the task of creating a method and device that would allow the use of the obtained powerful pulses of magnetic energy in high-impedance loads with a duration much less than a microsecond in research, experimental and applied fields was solved.

Технический результат, достигаемый при решении данной задачи, заключается в увеличении мощности, амплитуды импульса тока, сокращении длительности импульса, а также в повышении электропрочности.The technical result achieved in solving this problem is to increase the power, amplitude of the current pulse, reduce the pulse duration, as well as to increase the electrical strength.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным магнитокумулятивным способом для получения импульса напряжения, включающим операции создания начального магнитного потока, сжатия его под действием продуктов взрыва заряда взрывчатого вещества в основной полости, вывода магнитного потока в накопительную полость и формирования импульса в нагрузке, дополнительно сжатие магнитного потока производят в накопительной полости, а формирование импульса осуществляют в дополнительной полости формирования, причем основную, накопительную и полость формирования заполняют электропрочным газом, например элегазом SF₆ или его смесью с другими газами. В ряде случаев основную, накопительную и полость формирования заполняют различными электропрочными газами или их смесями под разными давлениями.The specified technical result is achieved in that, in comparison with the known magnetocumulative method for obtaining a voltage pulse, including the operation of creating an initial magnetic flux, compressing it under the action of explosion products of the explosive charge in the main cavity, outputting the magnetic flux into the storage cavity and generating a pulse in the load, additionally, the magnetic flux is compressed in the storage cavity, and the pulse formation is carried out in the additional formation cavity, SIC, and a storage cavity forming electrical strength fill gas, such as sulfur hexafluoride SF ₆ or a mixture thereof with other gases. In some cases, the main, accumulative, and formation cavities are filled with various electrostrong gases or their mixtures under different pressures.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным устройством для осуществления магнитокумулятивного способа получения импульса напряжения, включающим спиральный магнитокумулятивный генератор, содержащий коаксиальные наружный спиральный проводник и внутренний проводник с зарядом взрывчатого вещества, образующие между собой основную полость сжатия магнитного потока, а также накопительную полость и нагрузку, оно дополнительно содержит полость формирования импульса, расположенную между накопительной полостью и нагрузкой. Накопительная полость образована дополнительным спиральным проводником, соединенным со спиральным проводником МКГ, и частью внутреннего проводника. В накопительной полости соосно с внутренним проводником МКГ расположен кольцевой конический диэлектрический элемент. Все полости связаны с системой накачки электропрочным газом. Кольцевой конический диэлектрический элемент выполнен с наружной цилиндрической поверхностью, примыкающей к внутренней поверхности дополнительного спирального проводника, и внутренней конической поверхностью. Угол α между наружной поверхностью части внутреннего проводника, расположенного в накопительной полости, и внутренней поверхностью конического кольцевого диэлектрического элемента выполнен в соответствии с соотношением 7°≤α≤30°.The specified technical result is achieved in that, in comparison with the known device for implementing the magnetocumulative method of producing a voltage pulse, comprising a spiral magnetocumulative generator containing a coaxial outer spiral conductor and an internal conductor with an explosive charge, which form the main magnetic flux compression cavity, as well as the storage one cavity and load, it additionally contains a pulse formation cavity located between the storage a cavity and a load. The storage cavity is formed by an additional spiral conductor connected to the MKG spiral conductor and part of the inner conductor. An annular conical dielectric element is arranged coaxially with the inner conductor of the MCH in the storage cavity. All cavities are connected to a pump system with electric shock gas. An annular conical dielectric element is made with an outer cylindrical surface adjacent to the inner surface of the additional spiral conductor, and an inner conical surface. The angle α between the outer surface of the part of the inner conductor located in the storage cavity, and the inner surface of the conical ring dielectric element is made in accordance with the ratio of 7 ° ≤α≤30 °.

В заявляемом способе сжатие магнитного потока осуществляют дополнительно в полости формирования. Таким образом, устройство содержит 3 полости Фиг.4: основную I, накопительную II и полость формирования III.In the inventive method, the compression of the magnetic flux is additionally carried out in the cavity of the formation. Thus, the device contains 3 cavities of Figure 4: the main I, cumulative II and cavity formation III.

Основная и накопительная полости образованы сопряженными многовитковыми катушками, расположенными в зоне деформации внутреннего проводника (лайнера), сжатие магнитного потока в них осуществляется непрерывно в течение всего процесса. Высокая индуктивность спирального проводника в сочетании с достаточно высокой выводимой индуктивностью дополнительного спирального проводника накопительной полости обеспечивает достижение большой скорости изменения индуктивности и вытеснения магнитного потока в течение всего времени работы МКГ.The main and storage cavities are formed by conjugate multi-turn coils located in the deformation zone of the inner conductor (liner), the magnetic flux is compressed in them continuously throughout the entire process. The high inductance of the spiral conductor in combination with a sufficiently high output inductance of the additional spiral conductor of the storage cavity ensures a high rate of change in the inductance and the displacement of the magnetic flux over the entire duration of the MCG operation.

Следовательно, за счет того, что происходит изменение индуктивности в накопительной полости

, наблюдается более строгое выполнение условия

, необходимого для эффективной работы МКГ. В этом случае рост сопротивления ЭВП в процессе всего времени кумуляции будет приводить к меньшим омическим потерям из-за большей добротности электрической цепи контура, что обеспечит больший ток и, как следствие, и большую энергию. Также это позволяет в разумных пределах перейти к использованию несколько большего сопротивления ЭВП без значительных дополнительных энергетических потерь, т.к. существенное изменение величины сопротивления происходит за очень короткий промежуток времени на заключительной стадии работы устройства. Тем самым можно будет уменьшить длительность импульса в нагрузке и повысить мощность.Therefore, due to the fact that there is a change in inductance in the storage cavity

, more stringent fulfillment of the condition is observed

necessary for the effective work of the ICG. In this case, an increase in the EEC resistance during the entire cumulation time will lead to lower ohmic losses due to the higher quality factor of the electric circuit of the circuit, which will provide more current and, as a result, greater energy. Also, this allows, within a reasonable range, to switch to using a slightly higher resistance of the EEC without significant additional energy losses, because a significant change in the resistance value occurs in a very short period of time at the final stage of operation of the device. Thus, it will be possible to reduce the pulse duration in the load and increase the power.

Кроме того, это позволяет ввести дополнительную полость формирования, расположенную между накопительной полостью и нагрузкой, со сравнительно небольшой постоянной индуктивностью L_III. В ней размещены ЭВП и происходит формирование импульса напряжения. Так как индуктивность L_III полости формирования в любой момент времени всегда меньше переменной индуктивности L_II накопительной полости, то в процессе работы МКГ напряжение на входе полости формирования будет определяться величиной

(I - ток в цепи), что значительно меньше, чем в прототипе. Тем не менее в момент электрического взрыва сам генератор будет работать на прежнюю большую индуктивность, определяемую оставшейся L_II и L_III. Следовательно, в полости формирования имеется дополнительная возможность по генерированию большей магнитной энергии, т.к. электропрочность ее входа обладает достаточным запасом, позволяющим работать МКГ в более насыщенном режиме. Кроме того, наличие такого важного фактора, как сжатие магнитного потока в части контура накопительной полости приведет к появлению дополнительной электродвижущей силы (ЭДС), которая возникает при деформации токового контура накопительной полости

. Это делает работу МКГ менее зависимой от параметров ЭВП. Поэтому будет происходить увеличение конечного тока в контуре формирования и, как следствие, величины напряжения на ЭВП. Применение кольцевого конического элемента в накопительной полости позволяет зафиксировать величину оставшейся индуктивности этой полости (как упоминалось ранее, она изменяется в процессе работы МКГ) в результате торможения внутреннего проводника, деформируемого продуктами ВВ, на поверхности конуса в момент электрического взрыва. Угол α между элементами накопительной полости подбирается таким образом, чтобы он был равен или несколько больше угла разлета внутреннего проводника (лайнера). Угол α между наружной поверхностью части внутреннего проводника, расположенного в накопительной полости, и внутренней поверхностью конического кольцевого диэлектрического элемента выполнен в соответствии с соотношением 7°≤α≤30°. В зависимости от состава ВВ, его количества, габаритов внутреннего проводника в МКГ и базы его полета скорость деформации лайнера может изменяться от 12% до 50% по отношению к скорости детонации ВВ. Это определяет приведенное соотношение для α(0,12≤tgα≤0,5). Кроме того, так как данный спиральный проводник накопительной полости закрыт кольцевым коническим диэлектрическим элементом, то удается защитить его от электрических пробоев, которые могут иметь место между спиральным проводником и внутренним проводником. Тем самым будет усилена электропрочность выхода устройства.In addition, this allows you to enter an additional formation cavity located between the storage cavity and the load, with a relatively small constant inductance L _III . In it are placed the EEC and the formation of a voltage pulse. Since the inductance L _{III of} the formation cavity at any given time is always less than the variable inductance L _{II of the} storage cavity, during the operation of the MCH, the voltage at the input of the formation cavity will be determined by the value

(I is the current in the circuit), which is significantly less than in the prototype. Nevertheless, at the time of the electric explosion, the generator itself will operate at the previous large inductance, determined by the remaining L _II and L _III . Therefore, in the formation cavity there is an additional opportunity to generate greater magnetic energy, because the electric strength of its input has a sufficient margin, allowing the ICG to work in a more saturated mode. In addition, the presence of such an important factor as compression of the magnetic flux in a part of the contour of the storage cavity will lead to the appearance of an additional electromotive force (EMF), which occurs when the current circuit of the storage cavity is deformed

. This makes the ICG operation less dependent on the parameters of the EEC. Therefore, there will be an increase in the final current in the formation circuit and, as a result, the magnitude of the voltage on the EEC. The use of an annular conical element in the storage cavity allows us to fix the value of the remaining inductance of this cavity (as mentioned earlier, it changes during the operation of the MCH) as a result of braking of the inner conductor deformed by the explosive products on the surface of the cone at the time of the electric explosion. The angle α between the elements of the storage cavity is selected so that it is equal to or slightly greater than the angle of expansion of the inner conductor (liner). The angle α between the outer surface of the part of the inner conductor located in the storage cavity, and the inner surface of the conical ring dielectric element is made in accordance with the ratio of 7 ° ≤α≤30 °. Depending on the composition of the explosive, its quantity, the dimensions of the inner conductor in the MCG and the base of its flight, the strain rate of the liner can vary from 12% to 50% with respect to the detonation velocity of the explosive. This determines the reduced relation for α (0.12≤tgα≤0.5). In addition, since this spiral conductor of the storage cavity is closed by an annular conical dielectric element, it is possible to protect it from electrical breakdowns that may occur between the spiral conductor and the inner conductor. Thereby, the electric strength of the device output will be enhanced.

Заполнение всех полостей электропрочным газом позволяет дополнительно усилить электропрочность как МКГ вместе с накопительной полостью, так и полость формирования. Также это позволяет в полости формирования в момент электрического взрыва предотвратить пробой по парам взорвавшихся проволочек, обеспечивая тем самым требуемые параметры напряжения. В качестве электропрочного газа наиболее часто используют элегаз (SF₆) или его смесь с другими газами, например с азотом. В процессе работы устройства в полостях будет разное напряжение. В зависимости от его значения можно использовать электропрочные газы или их смеси с различными характеристиками по электрической прочности, чтобы снизить неэффективное применение более дорогих и редких газов. Если в обычных условиях электропрочностные характеристики в устройстве не удается обеспечить с помощью этих газов или их смесей, то полости заполняют электропрочными газами под различным давлением. Так, например, если в элегазе изменить давление на 1 атм, то пробивное напряжение, связанное с пробоем по поверхности изолятора, возрастает примерно в 1,5 раза.Filling all the cavities with electric shock gas allows you to further strengthen the electrical strength of both the MCG together with the storage cavity, and the formation cavity. It also allows to prevent breakdown in pairs of exploding wires in the formation cavity at the time of an electric explosion, thereby providing the required voltage parameters. SF6 gas (SF ₆ ) or its mixture with other gases, such as nitrogen, is most often used as an electrostrong gas. During the operation of the device in the cavities will be a different voltage. Depending on its value, it is possible to use electrostrong gases or mixtures thereof with different characteristics in terms of dielectric strength in order to reduce the inefficient use of more expensive and rarer gases. If under normal conditions the electrical strength characteristics in the device cannot be achieved using these gases or their mixtures, then the cavities are filled with electric strength gases under different pressures. So, for example, if the pressure in the gas is changed to 1 atm, the breakdown voltage associated with the breakdown on the surface of the insulator increases by about 1.5 times.

Все эти условия позволяют увеличить выход энергии в нагрузку и повысить ее мощность за счет увеличения импульса тока и напряжения.All these conditions make it possible to increase the energy output to the load and increase its power by increasing the current pulse and voltage.

На Фиг.1 изображено устройство для осуществления магнитокумулятивного способа по прототипу.Figure 1 shows a device for implementing the magnetocumulative method of the prototype.

На Фиг.2 изображена схема по прототипу.Figure 2 shows a diagram of a prototype.

На Фиг.3 изображено заявляемое устройство для осуществления заявляемого магнитокумулятивного способа получения импульса напряжения.Figure 3 shows the inventive device for implementing the inventive magnetocumulative method of obtaining a voltage pulse.

На Фиг.4 изображена заявляемая схема.Figure 4 shows the inventive circuit.

Схема на Фиг.2 содержит переменные индуктивность и сопротивление основной полости (L_I, R_I), постоянную индуктивность накопительной полости (L_II), постоянную индуктивность ЭВП (L_эвп) и переменное их сопротивление (R_эвп), а также постоянные индуктивность и сопротивление нагрузки (L_H, R_н) и ключ К, с помощью которого она подключается к МКГ. Использование ключа, подключающего нагрузку только при достижении на ЭВП заданного напряжения, позволяет сократить длительность импульса, влияя тем самым на процесс формирования мощности.The circuit in FIG. 2 contains variable inductance and resistance of the main cavity (L _I , R _I ), constant inductance of the storage cavity (L _II ), constant inductance of the EEC (L _eup ) and their variable resistance (R _eup ), as well as constant inductance and load resistance (L _H , R _n ) and key K, with which it is connected to the ICG. Using a key that connects the load only when the specified voltage is reached on the EEC allows reducing the pulse duration, thereby affecting the process of power generation.

Отличие схемы на Фиг.4 от схемы, показанной на Фиг.2, заключается в том, что накопительная полость имеет переменную индуктивность и постоянное сопротивление (R_II), а также указаны индуктивность и сопротивление (L_III, R_III), которые относятся к дополнительной полости формирования.The difference between the circuit in FIG. 4 and the circuit shown in FIG. 2 is that the storage cavity has a variable inductance and constant resistance (R _II ), and also indicates the inductance and resistance (L _III , R _III ), which relate to additional cavity formation.

Устройство Фиг.3 для осуществления заявляемого способа включает спиральный МКГ, содержащий коаксиальные наружный спиральный проводник 1 и внутренний проводник 2 с зарядом ВВ 3, образующие между собой основную полость 4 сжатия магнитного потока, а также накопительную полость 5, нагрузку 6 и дополнительную полость формирования импульса 7. Накопительная полость 5 образована частью внутреннего проводника 2 и дополнительным спиральным проводником 8, соединенным со спиральным проводником 1 МКГ. В накопительной полости 5 коаксиально относительно проводников 1 и 2 расположен кольцевой конический диэлектрический элемент 9. Полости 4, 5, 7 связаны с системой накачки 10 электропрочным газом. Конический кольцевой диэлектрический элемент 9 выполнен с наружной цилиндрической поверхностью, примыкающей к внутренней поверхности дополнительного проводника 8 и внутренней конической поверхностью. Угол α между наружной поверхностью части внутреннего проводника, расположенного в накопительной полости, и внутренней поверхностью конического кольцевого диэлектрического элемента выполнен в соответствии с соотношением 7°≤α≤30°. Кроме того, устройство содержит в полости 7 формирования ЭВП 11, имеет систему инициирования 12 заряда 3 и замыкатель тока13. Данная спецификация также совпадает для Фиг.1, где показано устройство, выбранное в качестве прототипа.The device of FIG. 3 for implementing the inventive method includes a helical MCH containing a coaxial outer helical conductor 1 and inner conductor 2 with a charge of BB 3, which form a main cavity 4 for compressing the magnetic flux, as well as a storage cavity 5, a load 6, and an additional cavity for generating a pulse 7. The storage cavity 5 is formed by a part of the inner conductor 2 and an additional spiral conductor 8 connected to the spiral conductor 1 of the MCH. In the storage cavity 5, an annular conical dielectric element 9 is coaxial with respect to the conductors 1 and 2. The cavities 4, 5, 7 are connected to the pumping system 10 by an electric hard gas. The conical annular dielectric element 9 is made with an outer cylindrical surface adjacent to the inner surface of the additional conductor 8 and the inner conical surface. The angle α between the outer surface of the part of the inner conductor located in the storage cavity, and the inner surface of the conical ring dielectric element is made in accordance with the ratio of 7 ° ≤α≤30 °. In addition, the device contains in the cavity 7 of the formation of the EEC 11, has an initiation system 12 of charge 3 and a current contactor 13. This specification also matches for FIG. 1, which shows a device selected as a prototype.

Заявляемый МК-способ получения импульса напряжения включает создание начального магнитного потока в основной полости 4, например, от конденсатора. Далее производят сжатие потока под действием продуктов взрыва заряда ВВ 3 в основной полости 4, и магнитный поток выводят в накопительную полость 5. Дополнительно сжатие магнитного потока осуществляют в накопительной полости 5. Формирование импульса осуществляют в дополнительной полости формирования 7. До операции создания начального магнитного потока все полости (основная 4, дополнительная 5 и формирования 7) заполняют электропрочным газом, например элегазом SF₆, или его смесью с другими газами. Полости могут быть заполнены различными электропрочными газами или их смесями под различным давлением.The inventive MK-method of obtaining a voltage pulse includes the creation of an initial magnetic flux in the main cavity 4, for example, from a capacitor. Next, the flow is compressed under the action of explosion products of the explosive charge 3 in the main cavity 4, and the magnetic flux is discharged into the storage cavity 5. Additionally, the magnetic flux is compressed in the storage cavity 5. The pulse is generated in an additional formation cavity 7. Before the operation of creating the initial magnetic flux all cavities (main 4, additional 5 and formations 7) are filled with an electric shock gas, for example SF ₆ gas, or its mixture with other gases. The cavities can be filled with various electrically strong gases or their mixtures under different pressures.

Устройство на Фиг.3 работает следующим образом.The device in figure 3 works as follows.

Источник начальной энергии подключается к началу спирального проводника 1 основной полости и к окончанию спирального проводника 8 накопительной полости. В заданный момент времени источник начальной энергии начинает разрежаться. Через определенный промежуток времени система инициирования 12 осуществляет подрыв заряда 3. Распространяющая детонация по заряду приводит к деформации внутреннего проводника 2, связанной с его растяжением. Это в свою очередь приводит к уменьшению индуктивности основной полости 4, т.е. к началу работы МКГ, определяемому моментом замыкания внутреннего проводника 2 с замыкателем тока 13. С этого момента времени магнитный поток начинает вытесняться в полость формирования 7. Происходит генерирование магнитной энергии и нагрев ЭВП 11, размещенных в ней. Через определенный момент времени детонация выходит к заряду, расположенному в накопительной полости 5, и вызывает деформацию той части внутреннего проводника 4, которая находится в этой полости. С этого момента времени начинает уже уменьшаться и индуктивность накопительной полости 5. Разлет внутреннего проводника 4 в накопительной полости 5 ограничен кольцевым коническим диэлектрическим элементом 9. В этот момент времени обычно происходит электрический взрыв проводников 6 с появлением на них высокого напряжения. При работе устройства обычно используются два варианта подключения нагрузки 6. Чаще всего, так как нагрузка является высокоимпедансная, она подсоединена параллельно ЭВП 11 и сразу электрически связана с полостью формирования 5 (ключ К - замкнут). В этом случае основное нарастание амплитуды тока в нагрузке 6 будет происходить только на заключительной стадии, когда наблюдается резкое (в сто и больше раз) увеличение сопротивления ЭВП 11 от сотых долей до несколько десятков Ом. Второй вариант подключения нагрузки связан с использованием разомкнутого ключа К (разрядник К настроен на заданную величину напряжения) Фиг.2 и Фиг.4.The source of initial energy is connected to the beginning of the spiral conductor 1 of the main cavity and to the end of the spiral conductor 8 of the storage cavity. At a given point in time, the source of initial energy begins to rarefy. After a certain period of time, the initiation system 12 detonates the charge 3. The propagating detonation of the charge leads to deformation of the inner conductor 2 associated with its extension. This in turn leads to a decrease in the inductance of the main cavity 4, i.e. to the beginning of the ICG operation, determined by the moment of closure of the inner conductor 2 with the current closure 13. From this moment in time, the magnetic flux begins to be displaced into the formation cavity 7. Magnetic energy is generated and the EEC 11 placed in it is heated. After a certain point in time, detonation goes to a charge located in the storage cavity 5, and causes deformation of that part of the inner conductor 4, which is located in this cavity. From this moment in time, the inductance of the storage cavity 5 also begins to decrease. The expansion of the inner conductor 4 in the storage cavity 5 is limited by an annular conical dielectric element 9. At this time, an electric explosion of the conductors 6 usually occurs with the appearance of a high voltage on them. When the device is used, two options for connecting load 6 are usually used. Most often, since the load is high-impedance, it is connected in parallel to the EEC 11 and is immediately electrically connected to the cavity 5 (key K is closed). In this case, the main increase in the current amplitude in the load 6 will occur only at the final stage, when there is a sharp (a hundred or more times) increase in the resistance of the EEC 11 from hundredths to several tens of Ohms. The second option for connecting the load is associated with the use of an open key K (the arrester K is configured for a given voltage value) Figure 2 and Figure 4.

В примере реализации устройства использовался восьмисекционный спиральный МКГ, соединенный непосредственно с переменной накопительной полостью и имеющий дополнительную полость формирования. Спиральные проводники в генераторе и в накопительной полости наматывались на диаметре 60 мм, а общая длина двух катушек была ~250 мм. Внутренний проводник (лайнер) был алюминиевый с коническим расширением со стороны подключения полости формирования. Максимальный наружный диаметр на коническом участке 45 мм. Длина конического участка лайнера 120 мм. Наружный диаметр лайнера на цилиндрическом участке составляет 31 мм, внутренний диаметр - 20 мм. В лайнере применяется заряд ВВ из пластического состава. Масса заряда ВВ составляет ~270 г. Начальная индуктивность МКГ с накопительной полостью составила ~1 мГн. Индуктивность полости формирования была порядка 0,04 мкГн.In an example implementation of the device, an eight-section spiral MCH was used, connected directly to a variable storage cavity and having an additional formation cavity. The spiral conductors in the generator and in the storage cavity were wound on a diameter of 60 mm, and the total length of the two coils was ~ 250 mm. The inner conductor (liner) was aluminum with a conical extension on the side of the formation cavity connection. The maximum outer diameter on the conical section is 45 mm. The length of the conical section of the liner is 120 mm. The outer diameter of the liner in the cylindrical section is 31 mm, the inner diameter is 20 mm. The liner uses an explosive charge from a plastic composition. The mass of the explosive charge is ~ 270 g. The initial inductance of the MCH with the storage cavity was ~ 1 mH. The inductance of the formation cavity was of the order of 0.04 μH.

Накопительная полость, индуктивность которой изменяется в процессе работы, закрыта кольцевьм коническим диэлектрическим элементом. Данная вставка, кроме защиты секции и выхода генератора от электрических пробоев, нужна еще и для фиксирования значения индуктивности накопительной полости в момент ЭВП. Угол конического отверстия в диэлектрическом элементе обычно подбирается таким образом, чтобы он был равен или несколько больше угла разлета лайнера. В конкретном случае угол α (Фиг.3) равнялся 12°.The storage cavity, the inductance of which changes during operation, is closed by an annular conical dielectric element. This insert, in addition to protecting the section and the generator output from electrical breakdowns, is also needed to record the value of the inductance of the storage cavity at the time of the EEC. The angle of the conical hole in the dielectric element is usually selected so that it is equal to or slightly greater than the angle of expansion of the liner. In a specific case, the angle α (FIG. 3) was 12 °.

В примере реализации заявляемого способа начальный магнитный поток ~0,17 Вб создавался от конденсаторной батареи емкостью 1 мкФ, заряженной до напряжения 9 кВ. Сжатие его осуществлялось в основной полости и в накопительной полости, имеющих суммарную начальную индуктивность 1 мГн. Вывод магнитного потока в накопительную полость и полость формирования происходил до момента, пока их общая индуктивность не уменьшилась до ~1 мкГн. При этом формирование импульса происходило в полости формирования, где осуществлялся электрический взрыв проводников. Полное время срабатывания МКГ составляло ~25 мкс, а характерное время нарастания тока (увеличение на заключительной стадии в е-раз) в ЭВП ~2,5 мкс. Для увеличения электропрочности устройства все полости были заполнены SF₆ под давлением ~5 атм. В качестве ЭВП использовались 16 медных проволочек, каждая длиной 100 мм и диаметром 0,1 мм.In an example implementation of the proposed method, the initial magnetic flux of ~ 0.17 W was created from a capacitor bank with a capacity of 1 μF, charged to a voltage of 9 kV. Its compression was carried out in the main cavity and in the storage cavity, having a total initial inductance of 1 mH. The magnetic flux was brought into the storage cavity and the formation cavity until their total inductance decreased to ~ 1 μH. In this case, the pulse formation took place in the formation cavity, where an electrical explosion of conductors was carried out. The total response time of the MCH was ~ 25 μs, and the characteristic current rise time (an increase of e times at the final stage) in the EEC was ~ 2.5 μs. To increase the electric strength of the device, all cavities were filled with SF ₆ under a pressure of ~ 5 atm. 16 copper wires, each 100 mm long and 0.1 mm in diameter, were used as EVPs.

При работе заявляемого устройства в индуктивности ~1000 мкГн, величина которой складывалась из оставшейся на момент ЭВП индуктивности накопительной полости и из индуктивности полости формирования, была получена магнитная энергия 780 Дж. При этом на ЭВП было получено напряжение 113 кВ. (В прототипе величина напряжения на ЭВП была 74 кВ.) В нагрузке индуктивностью 0,03 мкГн и сопротивлением 25 Ом был сформирован импульс амплитудой 4,5 кА и длительностью ~100 нс.When the inventive device operates in an inductance of ~ 1000 μH, the value of which was the sum of the remaining inductance of the storage cavity at the time of the EEC and the formation inductance, a magnetic energy of 780 J. was obtained. In this case, a voltage of 113 kV was obtained from the EEC. (In the prototype, the voltage on the EEC was 74 kV.) A pulse with an amplitude of 4.5 kA and a duration of ~ 100 ns was formed in the load with an inductance of 0.03 μH and a resistance of 25 Ω.

Таким образом, заявляемый способ и устройство по сравнению с прототипом позволяют увеличить мощность в 2, 33 раза, амплитуду напряжения в 1,53 раза, амплитуду тока в 1,52 раза, сократить длительность импульса в 1,1 раза и повысить электропрочность выхода МКГ примерно в 1,5 раза. В прототипе, когда накопительная полость не выводилась и в ней располагались ЭВП, было получено на ЭВП напряжение 74 кВ. При этом начальные условия были прежними.Thus, the claimed method and device compared with the prototype can increase the power by 2, 33 times, the voltage amplitude of 1.53 times, the current amplitude of 1.52 times, reduce the pulse duration by 1.1 times and increase the electrical strength of the output of the MCH approximately 1.5 times. In the prototype, when the storage cavity was not output and EVP were located in it, a voltage of 74 kV was obtained on the EVP. In this case, the initial conditions were the same.

Claims

1. The magnetocumulative method of obtaining a voltage pulse, including creating an initial magnetic flux, compressing it under the action of explosion products of an explosive charge in the main cavity, outputting the magnetic flux to the storage cavity and generating a pulse in the load, characterized in that the magnetic flux is additionally compressed in the storage cavity, pulse formation is carried out in an additional cavity of formation, and the main, cumulative and formation cavity is filled with electric shock gas ohm

2. The method according to claim 1, characterized in that the main, storage and formation cavity is filled with SF ₆ gas or its mixture with other gases.

3. The method according to claim 1, characterized in that the main, cumulative and the cavity of the formation is filled with various electrically strong gases or mixtures thereof.

4. The method according to claim 1, or 2, or 3, characterized in that the cavity is filled with electrically strong gases under different pressures.

5. A device for implementing the magnetocumulative method of obtaining a voltage pulse, comprising a spiral magnetocumulative generator containing a coaxial outer spiral conductor and an internal conductor with an explosive charge, forming between themselves the main compression cavity of the magnetic flux, as well as the storage cavity and load, characterized in that it additionally contains a cavity for generating a pulse located between the storage cavity and the load, electrically exploded conductors, located in the formation cavity, the storage cavity being formed by an additional spiral conductor connected to the spiral conductor of the magnetocumulative generator and a part of the inner conductor, in addition, an annular conical dielectric element is coaxial with the inner conductor of the magnetocumulative generator, and all cavities are connected to the pump system electric gas.

6. The device according to claim 5, characterized in that the annular conical dielectric element is made with an inner conical surface and an outer cylindrical surface adjacent to the inner surface of the additional spiral conductor.

7. The device according to claim 5 or 6, characterized in that the angle α between the outer surface of the part of the inner conductor located in the storage cavity and the inner surface of the conical annular dielectric element is made in accordance with the ratio of 7 ° ≤α≤30 °.