Система импульсной мощности

Система импульсной мощности

Реферат

Изобретение относится к области импульсной техники на основе магнитной кумуляции энергии, т.е. быстрого сжатия магнитного потока с помощью металлической оболочки, разгоняемой ударной волной взрывчатого вещества (ВВ). Данная система может быть использована для формирования сильноточных и высоковольтных импульсов напряжения, для создания направленных потоков излучения (рентген, нейтроны и т.п.) и разгона тел до высоких скоростей. Тем самым система может быть использована как экспериментальный инструмент для изучения физико-химических свойств материалов в различных экстремальных условиях.

Известно устройство взрывной системы импульсной мощности, см. сборник научных трудов "Мегагауссная и мегаамперная импульсная технология и применения"/ Под редакцией В.К.Чернышева, В.Д.Селемира, Л.Н.Пляшкевича - г.Саров. ВНИИЭФ, 1997, рис.2а, стр.269.

Устройство состоит из спирального взрывомагнитного генератора (СВМГ), содержащего центральную трубу и соосно расположенную с ней спираль, основной заряд ВВ в центральной трубе, изолятор на выходе СВМГ с коаксиальной полостью (индуктивный накопитель СВМГ). Внутри полости размещен формирователь струй. В центре под полостью расположен протяженный центральный конический заряд ВВ с фокусирующей системой, внутри металлической трубы которой имеется цилиндрический заряд ВВ, торцом соприкасающийся с торцом основного заряда ВВ. Нагрузка зашунтирована коаксиальной металлической фольгой (разрываемым проводником) индуктивного накопителя СВМГ.

Работает система импульсной мощности следующим образом. После создания начального магнитного потока в СВМГ и в индуктивном накопителе СВМГ происходит сжатие начального магнитного потока. При этом сжатие магнитного потока производят в металлическом контуре СВМГ путем его деформирования расходящейся ударной волной от ВВ с постепенным уменьшением размеров полости, что приводит к вытеснению магнитного потока в изолятор, расположенный на выходе СВМГ, и в коаксиальную полость, образующие индуктивный накопитель для СВМГ, а следовательно, также к усилению в нем магнитной энергии. В момент окончания работы СВМГ происходит выведение магнитной энергии в нагрузку, зашунтированную коаксиальной металлической фольгой индуктивного накопителя ВМГ. Фольга резко изменяет свое сопротивление в процессе разрушения ее диэлектрическими струями, образованными с помощью формирователя струй, размещенного внутри полости. Формирование струй начинается после полного подрыва расположенного внутри под полостью протяженного центрального конического заряда ВВ с помощью фокусирующей системы. Необходимое условие при этом, чтобы на всю наружную поверхность данного заряда детонация выходила одновременно без задержек. Основная функция фокусирующей системы, состоящей из металлической трубы, заполненной цилиндрическим ВВ, и заключается в этом. Расширяющаяся продуктами взрыва труба при подрыве с торца ВВ, заполняющего данную фокусирующую систему, непосредственно от основного заряда ВВ имеет изменяющий во времени конический профиль и обеспечивает такое постепенное инициирование внутренней поверхности конического заряда ВВ, чтобы на всю наружную поверхность данного заряда детонация выходила одновременно. Выведение магнитной энергии в нагрузку с обострением мощности происходит в процессе диффундирования генерируемого магнитного поля через формируемые разрывы в наружной коаксиальной металлической фольге (оболочке), которая разрушается диэлектрическими струями формирователя в течение всего времени его работы. Тем самым достигается существенное увеличение сопротивления фольги. Кроме того, происходит еще некоторое дополнительно усиление энергии в нагрузке за счет деформирования продуктами детонации конусного заряда накопительного контура.

Для увеличения мощности генерируемого импульса и эффективной передачи энергии в нагрузку необходимо, чтобы разрушение фольги происходило одновременно по всей длине и диаметру и как можно быстрей.

Недостатком данного устройства является невозможным на практике полностью выполнить необходимые требования. Выполнение их, как упоминалось выше, зависит от качественного подрыва конического заряда ВВ, который должна обеспечить фокусирующая система. На процесс инициирования влияет большое количество факторов: разноплотность в материалах оболочек и ВВ, наличие несоосности при расположении фокусирующей системы, разнотолщинность и т.п. Все это сказывается на быстроходности и одновременности процесса разрыва фольги и, как следствие, на мощности взрывной импульсной системы. Кроме того, главный существенный недостаток данного устройства заключается в "консервативности" возможности использования разнообразных по габаритам металлических фольг в индуктивном накопителе с целью формирования различных значений напряжения. Теоретически по физике явление это возможно, а инженерное воплощение устройства является проблематичным. Т.к. подрыв фокусирующей системы происходит непосредственно от основного заряда ВВ, то использование, например, более удлиненной металлической фольги в индуктивном накопителе для СВМГ требует кардинально изменить всю фокусирующую систему. А в ряде случаев это может оказаться невозможным в заданных радиальных габаритах.

Также известно устройство взрывной системы импульсной мощности, см. сборник научных трудов "Megagauss Magnetic Field Generation and Pulsed Power Applications"/Ed/ M/ Cowan and R.S. Spielman - New York. Nova Science Publishers, 1994, fig.1p., 481-488.

Устройство состоит из источника начальной запитки в виде спирального ВМГ (СВМГ), индуктивного накопителя для него, в качестве которого выступает линия с изолятором на выходе спирального генератора. Устройство также включает в себя многоэлементный кассетный дисковый взрывомагнитный генератор (ДВМГ), содержащий кассеты с дисковыми зарядами ВВ, торцевые фланцы и центральную трубу, где с заданным шагом располагаются соосно с ней кассеты с ВВ. Внутри трубы имеется вспомогательный заряд ВВ, фокусирующая система (узел разводки детонации, обеспечивающий подрыв вспомогательного заряда ВВ изнутри по окружности строго в заданных местах), капсюль-детонатор, установленный за пределами генератора на торце фокусирующей системы со стороны нагрузки. Нагрузка вынесена за пределы дискового генератора.

Работает взрывная система импульсной мощности следующим образом.

В устройстве выведение магнитной энергии в нагрузку происходит непосредственно в процессе работы кассетного дискового ВМГ, в котором запасена энергия от СВМГ. Так как дисковые генераторы являются наиболее сильноточными и быстроходными, то на выходе удается генерировать энергию большой мощности при условии, если происходит синхронный подрыв всех дисковых зарядов в кассетах. Кроме того, с целью дальнейшего обострения фронта токового импульса в нагрузке можно выход ДВМГ зашунтировать фольгой, которая многократно будет увеличивать свое сопротивление в результате электровзрыва от протекающего по ней электрического тока. В этом случае будут созданы условия для коммутирования (переброса) тока в нагрузку за короткий промежуток времени и получения еще более мощных импульсов электромагнитной энергии.

Недостатком данного устройства является трудность в обеспечении одновременного многоточечного выхода детонации в фокусирующей системе при использовании взрывной линии разводки. Для осуществления многоточечного подрыва необходимо создать многоярусный сложно-разветвленный путь для взрывчатого вещества в узле разводки. Разновременность выхода детонации возникает из-за набегающего различия в геометрических размерах путей к местам подрыва и некоторого отличия в физико-химических свойствах ВВ на этих протяженных путях. Кроме того, другой существенный недостаток заключается в том, что возможно использование только определенного количества кассет в ДВМГ в заданных радиальных габаритах фокусирующей системы. Обусловлено это тем, что создание большего количества выходов детонации в ней ограничено конструктивными особенностями взрывной линии задержки.

Наиболее близким к заявляемому является система импульсной мощности, см. сборник научных трудов конференции "Гидродинамика высоких плотностей энергии" / Под ред. Г.А.Швецова - Новосибирск: Из-во Ин-та гидродинамики им. М.А.Лаврентьева СО РАН, 2004. - доклад «Новые возможности исследования лайнерной имплозии при токах 15-20 МА: создание диагностического стенда со сменным источником импульсной мощности», рис.1 и рис.2, стр.229-233.

Устройство по прототипу - система импульсной мощности включает последовательно расположенные взрывомагнитный источник начальной энергии с выходным изолятором и, по меньшей мере, одно взрывное устройство с осевой системой инициирования заряда взрывчатого вещества, которая содержит источник питания, электрический ввод и разводку для подрыва цепочки электродетонаторов.

В качестве взрывомагнитного источника начальной энергии используется спиральный взрывомагнитный генератор СВМГ, состоящий из коаксиальных наружного спирального проводника и внутреннего проводника с зарядом взрывчатого вещества и изолятором на выходе. В качестве взрывного устройства с осевой системой инициирования заряда взрывчатого вещества используется многоэлементный дисковый взрывомагнитный генератор (ДВМГ), содержащий элементы с дисковыми зарядами ВВ, торцевые фланцы и наружный коаксиальный токопровод.

Операцию сжатия начального магнитного потока сначала осуществляют в полости СВМГ с вытеснением его в полость взрывного устройства. При завершении работы СВМГ происходит подрыв цепочки электродетонаторов, которые инициируют в центральной части дисковые заряды. Электрический ввод для подрыва цепочки электродетонаторов осуществляют со стороны, противоположной от СВМГ. При работе ДВМГ за малое время, определяемое в основном временем прохождения детонации по дисковому заряду ВВ, происходит полностью деформирование всего его контура, за счет чего и достигается значительное усиление энергии. Малое время и значительное усиление энергии обеспечивает в свою очередь генерирование мощного импульса. Кроме того, с целью дальнейшего обострения фронта токового импульса в нагрузке часто выход ДВМГ шунтируют фольгой, которая многократно увеличивает свое сопротивление в результате протекающего по ней электрического тока. Тем самым достигаются благоприятные условия для коммутирования тока в нагрузку за короткий промежуток времени и получения еще более мощных импульсов электромагнитной энергии.

Недостатком устройства по прототипу является невозможным получить из вакуумированного объема существенный выход излучения при токовой имплозии нагрузки, в качестве которой в зависимости от задач выступают продукты электровзрыва сборки, собранной из тонких проволочек, фольг, газовых смесей и т.п. В результате осуществления подрыва электродетонаторов со стороны вывода излучения электрический ввод взрывного устройства расположен внутри в центральной части сжимаемой нагрузки, занимая часть объема. Электропрочность электрического ввода рассчитана на рабочее напряжение источника питания, измеряемое десятками киловольт. Чтобы защититься от такого напряжения, габаритные радиальные размеры ввода должны быть не меньше нескольких миллиметров. Это, в свою очередь, препятствует осуществлению симметрии обжатия и достижению максимальной степени сжатия такой динамической нагрузки. При правильной имплозии таких сборок должен образовываться пинч диаметром порядка 1 мм, который и излучает большую часть энергии в диапазоне до 1 кэВ. Кроме того, при выводе потока излучения из образующегося Z-пинча будут иметь место значительные возмущения и отклонения от заданной направленности распространения, обусловленные наличием электрического ввода, являющегося инородным телом в данном объеме. В свою очередь это скажется на правильной трактовке результатов воздействия таких направленных потоков излучения на тестируемый объект, например, при экспериментальном изучении физико-химических свойств материалов.

При создании данного изобретения решалась задача создания устройства, которое позволяло бы использовать полученные мощные импульсы направленных потоков излучения для решения исследовательских, экспериментальных и прикладных задач.

Технический результат, достигаемый при решении данной задачи, заключается в стабильности результатов, в увеличении надежности работы заявляемой системы и увеличении мощности излучаемого импульса за счет уменьшения искажений и отклонений от заданной направленности распространения выходных импульсов потоков излучения при подрыве электродетонаторов со стороны изолятора на выходе СВМГ.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известной системой импульсной мощности, включающей последовательно расположенные взрывомагнитный источник начальной энергии с выходным изолятором и, по меньшей мере, одно взрывное устройство с осевой системой инициирования заряда взрывчатого вещества, содержащей источник питания, электрический ввод и разводку для подрыва цепочки электродетонаторов, в заявляемой системе импульсной мощности электрический ввод расположен между взрывомагнитным источником начальной энергии и взрывным устройством. При этом электрический ввод выполнен в виде, по меньшей мере, одного трубчатого диэлектрического элемента с проводником и с плотной установкой в сквозном отверстии, выполненном в выходном изоляторе взрывомагнитного источника начальной энергии, и имеет выступающую часть над наружной поверхностью выходного изолятора. Кроме того, в системе импульсной мощности над и под выходным изолятором дополнительно установлены эластичные кольцевые уплотнители, а на наружной поверхности трубчатого диэлектрического элемента и на внутренней поверхности сквозного отверстия выходного изолятора выполнено резьбовое соединение, чтобы обеспечить в этом месте плотную посадку, используя дополнительную изоляционную эластичную прокладку и жидкий или пастообразный диэлектрический наполнитель. В качестве взрывного устройства использован либо взрывной формирователь импульса тока, либо многоэлементный дисковый взрывомагнитный генератор, или одновременно дисковый взрывомагнитный генератор и взрывной формирователь тока.

Предложено новое компоновочное решение, где электрический ввод расположен между взрывомагнитным источником начальной энергии и взрывным устройством и выполнен в виде, по меньшей мере, одного трубчатого диэлектрического элемента с проводником и с плотной установкой в сквозном отверстии выходного изолятора взрывомагнитного источника начальной энергии. Отсутствие электрического ввода со стороны нагрузки обеспечило стабильность работы устройства с получением максимального выхода излучения. При вытеснении магнитного потока во взрывное устройство возникают значительные напряжения, приложенные к изолятору на выходе взрывомагнитного источника начальной энергии (например, в СВМГ). Так как рабочая полость СВМГ изготавливается герметичной за счет эластичных кольцевых уплотнителей над и под изолятором на выходе из спирального взрывомагнитного генератора (СВМГ), ее можно заполнить электропрочным газом. (Такая же прокладка установлена и на входе СВМГ.) Электропрочные газы или их смеси (при атмосферном давлении или выше) позволяют использовать изолятор на выходе СВМГ со значительно меньшей длиной в рабочей области, где происходит компрессия магнитного потока спирального генератора. Обусловлено это тем, что пробой по поверхности изолятора, разделяющего спираль от трубы, при заполнении полости, например, элегазом (SF₆) при атмосферном давлении, произойдет уже при напряжении большим примерно в два раза. Таким образом, можно будет значительно сократить длину изолятора, закрывающего спираль, и, как следствие, уменьшить потери магнитного потока, остающегося в толще изолятора, на заключительной стадии работы СВМГ. Так как электрический ввод выполнен в виде, по меньшей мере, одного трубчатого диэлектрического элемента с проводником и с плотной установкой в сквозном отверстии, выполненном в выходном изоляторе спирального взрывомагнитного генератора, то проводник будет изолирован от достаточно больших пробойных напряжений (десятки киловольт). Электрических вводов может быть выполнено несколько с равномерным расположением отверстий по окружности выходного изолятора. На наружной поверхности трубчатого диэлектрического элемента и на внутренней поверхности сквозного отверстия выходного изолятора выполнено резьбовое соединение, которое при установке трубчатого диэлектрического элемента с дополнительной изоляционной эластичной прокладкой заполнено жидким или пастообразным диэлектрическим наполнителем. Это позволило достичь высокой электрической прочности в этом месте. Выступ трубчатого диэлектрического элемента снаружи выходного изолятора устраняет поверхностный пробой от напряжения, генерируемого при работе СВМГ, внутри трубчатого отверстия со спирали к центральной трубе. Вывод проводника через толщу изолятора не требует его герметизации, т.к. герметизацию СВМГ обеспечивают уже резиновые прокладки, установленные в начале изолятора. Таким образом, осуществляется разделение всего объема системы импульсной мощности на герметизированный и негерметизированный объемы, что позволяет сравнительно просто использовать любые взрывные устройства с осевой системой инициирования заряда взрывчатого вещества без переделки с целью герметизации их объема. Переделка же в ряде случаев может повлечь к существенному изменению конструкции взрывного устройства.

Все эти условия: сокращение длины изолятора, расположенного внутри взрывомагнитного источника начальной энергии; создание надежного электрического ввода через изолятор, имеющего близкие электропрочностные характеристики, соответствующие цельному изолятору; герметизация объема СВМГ позволяют увеличить выход энергии в нагрузку, повысить ее мощность за счет увеличения импульса тока и напряжения, обеспечить направленное стабильное воздействие на объект и универсальность использования системы импульсной мощности практически с любым взрывным устройством с осевой системой инициирования заряда взрывчатого вещества.

На чертеже изображена заявляемая система импульсной мощности, где 1 - взрывомагнитный источник начальной энергии (спиральный взрывомагнитный генератор); 2 - спираль; 3 - центральная труба; 4 - выходной изолятор; 5 - взрывное устройство с осевой системой инициирования заряда взрывчатого вещества; 6 - заряд взрывчатого вещества; 7 - источник питания; 8 - электрический ввод; 9 - разводка; 10 - электродетонатор; 11 - трубчатый диэлектрический элемент; 12 - проводник; 13 - разрядник; 14 - нагрузка; 15 - резьбовое соединение; 16 - изоляционная эластичная прокладка; 17 - эластичные кольцевые уплотнители; 18 - заряд ВВ спирального взрывомагнитного генератора; 19 - проводник; 20, 21 - металлические диски; 22 - оболочка из диэлектрического материала. Стрелками показано направление подрывного тока от источника питания.

Заявляемая взрывная система импульсной мощности содержит последовательно расположенные спиральный взрывомагнитный генератор 1, состоящий из спирали 2, центральной трубы 3 и изолятора на выходе 4. По меньшей мере, имеется одно взрывное устройство 5 с осевой системой инициирования заряда взрывчатого вещества 6, которое содержит источник питания 7, электрический ввод 8 и разводку 9 для подрыва цепочки электродетонаторов 10. Электрический ввод 8 расположен между спиральным взрывомагнитным генератором 1 и взрывным устройством 5. Он плотно установлен в сквозном отверстии, выполненном в выходном изоляторе 4 спирального взрывомагнитного генератора 1, и с установкой в сквозном отверстии, выполненном в центральной трубе. Электрический ввод выполнен, по меньшей мере, в виде одного трубчатого диэлектрического элемента 11 с проводником 12, в электрической цепи которого может быть установлен разрядник 13 и который подключен к ближнему электродетонатору 10. Трубчатый элемент 11 снаружи выступает за спираль, а другой его конец расположен во внутреннем объеме центральной трубы 3. На фигуре приведен вариант исполнения, когда в качестве взрывного устройства 5 использован многоэлементный дисковый взрывомагнитный генератор, к которому подсоединена нагрузка 14. На наружной поверхности трубчатого диэлектрического элемента и на внутренней поверхности сквозного отверстия в выходном изоляторе выполнено резьбовое соединение 15. Его электрическая прочность обеспечена плотной посадкой, дополнительной изоляционной эластичной прокладкой 16 и жидким или пастообразным диэлектрическим наполнителем. Кроме того, над и под изолятором на выходе из спирального взрывомагнитного генератора дополнительно установлены эластичные кольцевые уплотнители 17.

В примере реализации системы импульсной мощности в качестве взрывомагнитного источника начальной энергии выбран спиральный взрывомагнитный генератор с внутренним диаметром спирали 200 мм. Выходной изолятор изготовлен из капролона марки Л1 с конической внутренней частью. Максимальная толщина изолятора 2 см. В качестве взрывного источника с осевой системой инициирования заряда взрывчатого вещества был использован быстроходный многоэлементный дисковый генератор диаметром 240 мм с эффективным временем работы ˜3 мкс и выходной энергией в мегаджоульном диапазоне. Диэлектрический трубчатый элемент электрического ввода был изготовлен из капролона с наружным диаметром порядка 20 мм. К месту стыка его с выходным изолятором прикладывалось напряжение ˜50 кВ, и пробоя не наблюдалось. При проведении взрывного эксперимента система импульсной мощности сработала устойчиво и в соответствии с штатным режимом.

Работает данное устройство следующим образом. Объем СВМГ заполняется электропрочностным газом. В контуре спирального взрывомагнитного генератора создается начальный магнитный поток. В момент его максимума происходит подрыв с торца заряда ВВ 18, расположенного в центральной трубе 3. К концу работы СВМГ происходит подрыв цепочки электродетонаторов 10 от источника питания 7. Если в цепи проводника 12, расположенного в трубчатом элементе, будут установлены разрядники 13 (не менее хотя бы одного разрядника), то его параметры должны быть настроены на пробивное напряжение U_p, определяемое, исходя из условия U_свмг≤U_p<U_ип, где U_свмг - напряжение на выходе СВМГ (˜35 кВ), a U_ип - напряжение источника питания 7. При этом второй проводник 19 источника питания 7 подсоединен к контуру разводки 9 для подрыва цепочки электродетонаторов 10 в месте выхода спирали. Электродетонаторы отделены от внутренних металлических элементов 20, 21, деформируемых при подрыве ВВ 6, оболочкой из диэлектрического материала 22. (В конкретном случае использовался пленочный изолятор.) Оболочка 22 из диэлектрического материала позволяет избежать пробоя при срабатывании источника питания 7 в месте подвода провода 12 к электродетонатору. При этом обеспечивается требуемый импульс тока непосредственно в контуре разводки 9, необходимый для подрыва цепочки электродетонаторов. Подрыв цепочки электродетонаторов 10 приводит к одновременному инициированию всех дисковых зарядов 6, после чего начинает работать дисковый взрывомагнитный генератор 5. Вытеснение магнитного потока в нагрузку 14 происходит быстро, что и обеспечивает генерирование мощного импульса энергии. При токовой имплозии нагрузки, в качестве которой используются продукты электровзрыва тонких проволочек, в вакуумированном объеме и происходит получение направленных потоков излучения.

Так как в объеме нагрузки по сравнению с прототипом нет электрического ввода, имеющего радиальный размер несколько мм, то из-за отсутствия рассеивания и загрязнения плазменного образования в результате устраненного взаимодействия его с инородным телом можно достичь сжатия пинча до минимальных размеров (порядка одного мм) при схлопывании нагрузки и, как следствие, получить надежную работу и, по меньшей мере, на порядок увеличение мощности излучения.

1. Система импульсной мощности, включающая последовательно расположенные взрывомагнитный источник начальной энергии с выходным изолятором и, по меньшей мере, одно взрывное устройство с осевой системой инициирования заряда взрывчатого вещества, которая содержит источник питания, электрический ввод и разводку для подрыва цепочки электродетонаторов, отличающаяся тем, что электрический ввод расположен между взрывомагнитным источником начальной энергии и взрывным устройством и выполнен в виде, по меньшей мере, одного трубчатого диэлектрического элемента с проводником и с плотной установкой в сквозном отверстии, выполненном в выходном изоляторе взрывомагнитного источника начальной энергии.

2. Система импульсной мощности по п.1, отличающаяся тем, что в качестве взрывного устройства использован взрывной формирователь импульса тока.

3. Система импульсной мощности по п.1, отличающаяся тем, что в качестве взрывного устройства использован дисковый взрывомагнитный генератор.

4. Система импульсной мощности по п.1, отличающаяся тем, что в качестве взрывного устройства использован дисковый взрывомагнитный генератор и взрывной формирователь тока.

5. Система импульсной мощности по п.1, отличающаяся тем, что на наружной поверхности трубчатого диэлектрического элемента и на внутренней поверхности сквозного отверстия выходного изолятора выполнено резьбовое соединение с плотной посадкой через дополнительную изоляционную эластичную прокладку и жидкий или пастообразный диэлектрический наполнитель.

6. Система импульсной мощности по п.1, отличающаяся тем, что над и под выходным изолятором дополнительно установлены эластичные кольцевые уплотнители.

7. Система импульсной мощности по п.1, отличающаяся тем, что трубчатый диэлектрический элемент выполнен с выступающей частью над наружной поверхностью выходного изолятора взрывомагнитного источника начальной энергии.