Генератор компрессионного потока с взрывной накачкой

Генератор компрессионного потока с взрывной накачкой ( ГКПВ ) — это устройство, используемое для генерации мощного электромагнитного импульса путем сжатия магнитного потока с помощью взрывчатых веществ .

EPFCG физически разрушаются во время работы, что делает их одноразовыми. Для работы им требуется пусковой импульс тока , обычно подаваемый конденсаторами .

Генераторы компрессионного потока с взрывной накачкой используются для создания сверхвысоких магнитных полей в исследованиях физики и материаловедения ^[1] и чрезвычайно интенсивных импульсов электрического тока для импульсных приложений мощности . Они исследуются в качестве источников питания для устройств электронной войны , известных как переходные электромагнитные устройства, которые генерируют электромагнитный импульс без затрат, побочных эффектов или огромного диапазона ядерного электромагнитного импульсного устройства.

Первые работы по созданию таких генераторов были проведены в начале 1950-х годов в Саровском центре ядерных исследований в Советском Союзе, а затем в Лос - Аламосской национальной лаборатории в США .

В начале 1950-х годов советским ученым, проводившим исследования в области ядерного синтеза , стала очевидна необходимость в очень коротких и мощных электрических импульсах. Генератор Маркса , который хранил энергию в конденсаторах, был единственным устройством, способным в то время производить такие мощные импульсы. Непомерно высокая стоимость конденсаторов, необходимых для получения желаемой мощности, мотивировала поиск более экономичного устройства. Первые магнито-взрывные генераторы, вытекающие из идей Андрея Сахарова , были разработаны для выполнения этой роли. ^{[2] [3]}

Магнитно-взрывные генераторы используют технологию, называемую «сжатием магнитного потока», подробно описанную ниже. Эта технология становится возможной, когда временные масштабы, в которых работает устройство, достаточно коротки, так что резистивные потери тока незначительны, а магнитный поток через любую поверхность, окруженную проводником ( например, медным проводом), остается постоянным, даже если размер и форма поверхности могут меняться.

Это сохранение потока можно продемонстрировать с помощью уравнений Максвелла . Наиболее интуитивное объяснение этого сохранения замкнутого потока следует из закона Ленца , который гласит, что любое изменение потока через электрическую цепь вызовет ток в цепи, который будет противодействовать изменению. По этой причине уменьшение площади поверхности, замкнутой проводником замкнутого контура с проходящим через него магнитным полем, что уменьшит магнитный поток, приводит к индукции тока в электрическом проводнике, который стремится сохранить замкнутый поток на его первоначальном значении. В магнито-взрывных генераторах уменьшение площади достигается путем детонации взрывчатых веществ, упакованных вокруг проводящей трубки или диска, поэтому результирующая имплозия сжимает трубку или диск. ^[4] Поскольку поток равен величине магнитного поля, умноженной на площадь поверхности, по мере уменьшения площади поверхности напряженность магнитного поля внутри проводника увеличивается. Процесс сжатия частично преобразует химическую энергию взрывчатых веществ в энергию интенсивного магнитного поля, окруженного соответственно большим электрическим током.

Целью генератора потока может быть либо генерация чрезвычайно сильного импульса магнитного поля, либо чрезвычайно сильного импульса электрического тока; в последнем случае замкнутый проводник присоединяется к внешней электрической цепи . Эта техника использовалась для создания самых интенсивных искусственных магнитных полей на Земле; поля примерно до 1000  тесла (примерно в 1000 раз больше силы типичного неодимового постоянного магнита) могут быть созданы в течение нескольких микросекунд.

Внешнее магнитное поле (синие линии) пронизывает замкнутое кольцо, сделанное из идеального проводника (с нулевым сопротивлением ). Полный магнитный поток через кольцо равен магнитному полю, умноженному на площадь поверхности, охватывающей кольцо. Девять линий поля представляют магнитный поток, пронизывающий кольцо.${\displaystyle \Фи}$${\displaystyle Б}$${\displaystyle А}$

Предположим, что кольцо деформировалось, уменьшив площадь своего поперечного сечения. Магнитный поток, пронизывающий кольцо, представленный пятью линиями поля, уменьшается в том же отношении, что и площадь кольца. Изменение магнитного потока индуцирует ток (красные стрелки) в кольце по закону индукции Фарадея , который, в свою очередь, создает новое магнитное поле, окружающее провод (зеленые стрелки) по закону Ампера . Новое магнитное поле противодействует полю снаружи кольца, но добавляется к полю внутри, так что общий поток внутри кольца сохраняется: четыре зеленые линии поля, добавленные к пяти синим линиям, дают исходные девять линий поля.

Складывая внешнее магнитное поле и индуцированное поле, можно показать, что конечный результат заключается в том, что линии магнитного поля, изначально пронизывающие отверстие, остаются внутри отверстия, таким образом, поток сохраняется, и ток создается в проводящем кольце. Линии магнитного поля «сжимаются» ближе друг к другу, поэтому (средняя) напряженность магнитного поля внутри кольца увеличивается на отношение исходной площади к конечной площади.

Простой базовый принцип сжатия потока может быть применен различными способами. Советские ученые из ВНИИЭФ в Сарове , пионеры в этой области, задумали три различных типа генераторов: ^{[5] [3] [6]}

• В первом типе генератора (МК-1, 1951), разработанном Робертом Людаевым, магнитный поток, создаваемый намотанным проводником, ограничивается внутренней частью полой металлической трубки, окруженной взрывчаткой, и подвергается сильному сжатию при подрыве взрывчатки; устройство того же типа было разработано в Соединенных Штатах дюжиной лет спустя группой К. М. (Макса) Фаулера в Лос-Аламосе .
• Во втором типе генератора (МК-2, 1952) магнитный поток, заключенный между обмотками внешнего проводника и центральной проводящей трубкой, заполненной взрывчатым веществом, сжимается коническим «поршнем», создаваемым деформацией центральной трубки при прохождении детонационной волны по устройству.
• Третий тип генератора (DEMG), разработанный Владимиром Чернышевым, имеет цилиндрическую форму и содержит стопку вогнутых металлических дисков, попарно обращенных друг к другу, образуя полые модули (количество которых варьируется в зависимости от желаемой мощности) и разделенных взрывчатыми веществами; каждый модуль функционирует как независимый генератор.

Такие генераторы при необходимости могут использоваться независимо или даже собираться в цепочку последовательных каскадов: энергия, вырабатываемая каждым генератором, передается следующему, который усиливает импульс и т. д. Например, предусмотрено, что генератор ДЭМГ будет питаться от генератора типа МК-2.

Кроме того, их можно либо уничтожить сразу после эксперимента, либо использовать снова и снова, соблюдая приемлемое время использования. ^[7]

Весной 1952 года Р.З. Людаев, Е.А. Феоктистова , Г.А. Цырков и А.А. Чвилева провели первый эксперимент с таким генератором, ставя перед собой цель получить очень сильное магнитное поле.

Генератор МК-1 работает следующим образом:

• Продольное магнитное поле создается внутри полого металлического проводника путем разряда батареи конденсаторов в соленоид, который окружает цилиндр. Для обеспечения быстрого проникновения поля в цилиндр в цилиндре имеется щель, которая быстро закрывается по мере деформации цилиндра;
• Заряд взрывчатого вещества, размещенный вокруг трубки, детонирует таким образом, чтобы гарантировать, что сжатие цилиндра начнется, когда ток через соленоид достигнет максимума;
• Сходящаяся цилиндрическая ударная волна, высвобождаемая взрывом, вызывает быстрое сжатие (более 1 км/с) центрального цилиндра, сжимая магнитное поле и создавая индукционный ток, как и объяснялось выше (скорость сжатия позволяет, в первом приближении, пренебречь джоулевыми потерями и рассматривать цилиндр как идеальный проводник).

В первых экспериментах удалось достичь магнитных полей в миллионы гаусс (сотни тесла ) при начальном поле 30 кГс (3 Тл), что в свободном пространстве «воздух» равно H = B/μ ₀ = (3 В _с /м ² ) / (4π × 10−7 ^В с _/ Ам) =2,387 × 10 ⁶  А/м (приблизительно 2,4 МА/м).

Спиральные генераторы были в основном задуманы для подачи интенсивного тока на нагрузку, расположенную на безопасном расстоянии. Они часто используются в качестве первой ступени многоступенчатого генератора, при этом выходной ток используется для создания очень интенсивного магнитного поля во втором генераторе.

Генераторы МК-2 работают следующим образом:

• Продольное магнитное поле создается между металлическим проводником и окружающим соленоидом путем разряда батареи конденсаторов в соленоид;
• После воспламенения заряда в заряде взрывчатого вещества, размещенном внутри центральной металлической трубки (слева направо на рисунке), распространяется детонационная волна;
• Под действием давления детонационной волны трубка деформируется и принимает форму конуса, который соприкасается с намотанной по спирали катушкой, уменьшая количество незамкнутых витков, сжимая магнитное поле и создавая индукционный ток;
• В точке максимального сжатия потока размыкается выключатель нагрузки, который затем подает максимальный ток на нагрузку.

Генератор МК-2 особенно интересен для получения интенсивных токов, до 10 ⁸  А (100 МА), а также магнитного поля очень высокой энергии, поскольку до 20% энергии взрыва может быть преобразовано в магнитную энергию, а напряженность поля может достигать 2 × 10 ⁶  Гс (200 Тл).

Практическая реализация высокопроизводительных систем МК-2 потребовала проведения фундаментальных исследований большой группой исследователей; это было успешно достигнуто к 1956 году после производства первого генератора МК-2 в 1952 году и достижения токов свыше 100 мегаампер с 1953 года.

Генератор DEMG работает следующим образом:

• Проводящие металлические диски, собранные в пары, обращенные друг к другу для создания полых модулей в форме выложенного тора , с взрывчатым веществом, размещенным между парами модулей, укладываются внутри цилиндра ^[8] ; количество модулей может варьироваться в зависимости от желаемой мощности (на рисунке показано устройство из 15 модулей), а также радиуса дисков (порядка 20-40 см).
• Через устройство протекает ток, подаваемый генератором МК-2, а внутри каждого модуля создается интенсивное магнитное поле.
• При инициировании взрыв начинается на оси и распространяется радиально наружу, деформируя дискообразные выступы с треугольным сечением и отталкивая их от оси. Наружное движение этого участка проводника играет роль поршня.
• По мере взрыва магнитное поле внутри каждого модуля сжимается за счет токопроводящего поршня и одновременного сближения внутренних поверхностей, что также создает индуктивный ток.
• Когда индуцированный ток достигает максимума, предохранительный выключатель срабатывает, а выключатель нагрузки одновременно замыкается, позволяя току поступать на нагрузку (механизм работы выключателя нагрузки в имеющейся документации не поясняется).

Во ВНИИЭФ разработаны системы с использованием до 25 модулей. Энергия 100  МДж при 256 МА получена генератором диаметром метр, составленным из трех модулей.

• Пинч (физика плазмы)
• Взрывной сегнетоэлектрический генератор
• Взрывной ферромагнитный генератор
• Газодинамический лазер с взрывной накачкой

• Научное сотрудничество между Лос-Аламосом и Арзамасом-16 с использованием взрывных генераторов компрессии потока
• Введение в генераторы взрывной компрессии магнитного потока
• Генерация сверхсильных магнитных полей для AGEX (LANL)
• Сверхмощные взрывомагнитные источники энергии (В.К. Чернышев, ВНИИЭФ)
• Эксперименты с высокой скоростью деформации для определения динамического предела текучести меди
• Термоядерный синтез с использованием намагниченных мишеней – подход сверхвысокой энергии в неисследованном пространстве параметров