ВЗРЫВНОЙ ФОРМИРОВАТЕЛЬ ИМПУЛЬСА ТОКА (ВАРИАНТЫ)
EXPLOSIVE CURRENT PULSE SHAPER (VERSIONS)

Изобретение относится к области экспериментальной физики, в частности к взрывомагнитным импульсным источникам энергии, формирующим импульсы тока мегаамперного уровня с возможностью регулирования выходного напряжения, и может быть использовано, например, для исследования свойств высокотемпературной плазмы, для запитки газоразрядных камер типа «плазменный фокус», для разгона до высоких скоростей лайнеров и т.п.
Известны способ и устройство для его осуществления, позволяющие формировать в нагрузке импульс тока мегаамперного уровня на основе использования взрывомагнитного генератора (ВМГ) и взрывного размыкателя тока (ВРТ), описанные в работе V.K. Chernyshev. Superpower Explosive Magnetic Energy Sources (XX-th Century Results. Tasks in the Beginning of XXI-st Century) // In: Megagauss X / Ed. M. von Ortenberg. - Berlin, Germany. - 2005. - P. 17-28. С помощью сжатия магнитного потока в контуре ВМГ накапливается электромагнитная энергия, и в момент максимального значения тока за счет разрушения участка конечного электрического контура ВМГ с помощью ВРТ в нагрузке формируются импульсы тока и напряжения. Взрывной размыкатель содержит разрушаемый проводник, по разные стороны от которого расположены заряд взрывчатого вещества (ВВ) и диэлектрическая ребристая преграда. При детонации заряда ВВ, ударная волна и продукты взрыва воздействуют одновременно на всю поверхность проводника. Части проводника, расположенные над пазами преграды, перемещаются быстрее частей, расположенных на ребрах. На границах «ребро-паз» сначала происходит уменьшение толщины проводника, а затем - его многократное разрушение в этих местах.
Недостатком устройства является то, что под действием продуктов взрыва, разгоняющих разрушаемый проводник, ребра диэлектрической преграды (оргстекло, капролон и т.п.) также, как проводник, подвергаются пластической деформации. Ребра преграды из диэлектрика деформируются как в направлении действия продуктов взрыва, так и в поперечном направлении. Поперечное газодинамическое течение материала ребер приводит к тому, что в некоторый момент после начала воздействия заряда ВВ пазы преграды перемыкаются растекающимся материалом ребер, препятствуя движению проводника в пазах и его разрушению. Это приводит к увеличению времени размыкания электрической цепи или даже к отсутствию размыкания, что в свою очередь не позволяет регулировать форму выходного напряжения.
Наиболее близким к заявляемому устройству является взрывной формирователь импульса тока с регулируемыми выходными параметрами (Борискин А.С., Власов Ю.И., Демидов В.А. и др. / Патент РФ №2399111, «Взрывной формирователь импульса тока» / Опубликован 10.09.2010. Бюл. №25), в котором устранен недостаток, присущий аналогу.
Взрывной формирователь импульса тока (ВФИТ) содержит наружный токопровод, изолированную от него диэлектрическую ребристую преграду, разрушаемый проводник, расположенный между диэлектрической ребристой преградой и основным (разрывным) зарядом взрывчатого вещества, по меньшей мере, на одной из поверхностей которого выполнены канавки с образованием металлических ребер под диэлектрическими ребрами преграды, при этом в случае, когда канавки выполнены с обеих сторон разрушаемого проводника, ребра расположены симметрично друг под другом, а основной заряд взрывчатого вещества (ВВ) отделен проходным изолятором от внутреннего токопровода, систему инициирования с зарядом ВВ для подрыва основного заряда ВВ, где наружный токопровод электрически соединен с разрушаемым проводником и внутренним токопроводом. При этом глубина канавок на разрушаемом проводнике, в зависимости от требований на формируемый импульс, выполняется как постоянной, так и переменной, что позволяет обеспечить необходимые толщины перемычек проводника.
Работает устройство следующим образом. Вначале начинает работать источник питания. Ток, вырабатываемый источником питания, протекает только через разрушаемый проводник взрывного формирователя импульса тока. Электропрочность входа подвода энергии от источника питания обеспечивается проходным изолятором. В заданный момент времени с помощью системы инициирования происходит подрыв заряда ВВ, обеспечивающего инициирование основного заряда через проходной изолятор и проводник внутреннего токопровода ВФИТ. Его подрыв приводит к разрыву тонких участков, образованных с помощью канавок в разрушаемом проводнике, как на металлических ребрах, так и на ребрах диэлектрической преграды, который может быть как одновременным для всего проводника, так и постепенным. В этот момент обычно срабатывает разрядник, который подключает нагрузку. В результате происходит формирование мощного импульса энергии в нагрузке за счет создания в ней импульсов тока и высоковольтного напряжения, параметрами (формы и амплитуды) которых можно варьировать, в результате подбора специальных алгоритмов работы ВФИТ, изменяя ряд размеров его конструктивных параметров в заданных габаритах.
Обычно для надежной работы такого источника питания требуется, чтобы напряженность электрического поля в разрываемом промежутке была порядка 10 кВ/см [A.S. Boriskin et al. "Pulsed high-current power suppliers based on helical explosive magnetic generators with explosive current opening switches", Proceedings of Eleventh International Conference on Megagauss Magnetic Field Generation and Related Topics (MG-XI) / Edited by Ivor Smith and Bucur Novac. London, 10-14 September, 2006, p. 199-203.] При этом условии длина разрываемого проводника будет использоваться наиболее оптимально. В противном случае, когда данная величина напряженности электрического поля будет больше, в этом промежутке происходит электрический пробой, с негативными последствиями, которые могут привести к полному прекращению поступления тока в нагрузку. В зависимости от требуемой формы токового импульса обычно необходимо варьировать время размыкания отдельных участков разрываемого проводника. При этом напряженность электрического поля на каждом разрываемом участке для наиболее эффективной работы формирователя должна быть в пределах выше указанной величины. После подключение нагрузки уже не удается обеспечить дальнейший разрыв участков проводника с прежней оптимальной напряженностью электрического поля по всей его длине.
k
k
E
E
1000
1000
η
0,58
Существенное влияние на величину напряжения на взрывном формирователе (обострителе) импульса тока оказывает длина разрываемого проводника. При увеличении разрываемой длины проводника в k-раз относительно выбранной единицы длины  амплитуда напряжения на обострителе (U) возрастает по степенному закону U≈U×k с показателем η, близким к 0,5, где U - напряжение на единице длины, а величина напряженности электрического поля вдоль обострителя уменьшается. Это показано, например, Г.И. Волковым и др. «Схема умножения напряжения на взрывных обострителях тока», в трудах седьмой международной конференции по генерации мегагауссных магнитных полей и родственным экспериментам: Сборник трудов "Мегагауссная и мегаамперная импульсная технология и применения" / Под ред. В.К. Чернышева, В.Д. Селемира, Л.Н. Пляшкевича. Саров, ВНИИЭФ, 1997, с. 367-369. В данной работе приведены экспериментальные результаты с взрывным обострителем тока (ВОТ) на диэлектрических струях, у которого длина проводника изменялась от 100 до 1000 мм. Толщина проводника из меди была 0,05 мм, величина тока во всех модификациях взрывных обострителей тока на диэлектрических струях была ~40 кА. Индуктивность контура обострителя длиной 100 мм была 12 мкГн. Величина напряжения в данном контуре в момент его срабатывания была зафиксирована равной 40 кВ (напряженность электрического поля составила ~4 кВ/см). Когда длина проводника в обострителе была увеличена в k=10, индуктивность разрывного контура и нагрузки также была увеличена в 10 раз (до 120 мкГн). Величина напряжения в момент разрыва контура была зарегистрирована равной 150 кВ (напряженность составила ~1,5 кВ/см). Если бы увеличение напряжения происходило также пропорционально, как увеличивалась длина разрываемого проводника, то напряжение для обострителя длиной 1000 мм должно было бы быть U = 40 кВ × 10 ≈ 400 кВ. Используя утверждение о наблюдаемой степенной зависимости прироста напряжения, определяется показатель 0,58. U = 40 кВ × (10) ≈ 150 кВ. Все это указывает на не эффективность использования разрушаемого проводника путем увеличения его длины для получения больших напряжений.
Недостатком устройства по прототипу являются ограничения, связанные с недостаточно эффективной передачей энергии в нагрузку из-за снижения напряженности электрического поля с ростом длины разрываемого промежутка, с отсутствием возможности изменения в достаточно широком временном диапазоне амплитуды и формы генерируемых импульсов и его увеличенными масса-габаритными параметрами.
При создании данного изобретения решалась задача по разработке взрывного формирователя импульса тока с регулируемыми выходными параметрам, как по форме, так и амплитуде напряжения, в пределах от нескольких десятков до сотен киловольт с характерными временами нарастания в широком диапазоне от сотен наносекунд до нескольких единиц и более микросекунд с оптимальными габаритными параметрами.
Технический результат, достигаемый при решении данной задачи, заключается в регулировании импульса выходного напряжения ВФИТ по форме и по амплитуде.
Существует два варианта исполнения ВФИТ.
Указанный технический результат по первому варианту достигается тем, что по сравнению с известным взрывным формирователем импульса тока, содержащим наружный токопровод, изолированную от него диэлектрическую ребристую преграду, разрушаемый проводник, по меньшей мере, на одной из поверхностей которого выполнены канавки с образованием ребер под диэлектрическими ребрами преграды, при этом в случае, когда канавки выполнены с обеих сторон разрушаемого проводника, ребра расположены друг под другом, основной заряд взрывчатого вещества (ВВ), отделенный проходным изолятором от внутреннего токопровода, систему инициирования с зарядом ВВ для подрыва основного заряда ВВ, где наружный токопровод электрически соединен с разрушаемым проводником и внутренним токопроводом, новым является то, что основной заряд ВВ и разрушаемый проводник разделены на фрагменты металлическими тонкостенными вставками П-образного профиля с наружными выступами, установленными между ребрами фрагментов разрушаемого проводника, с формированием секций, включающих в себя фрагмент ребристого разрушаемого проводника и фрагмент основного заряда, причем ребра разрушаемого проводника соединены гальванически с наружными выступами, и при этом глубина полости во вставках П-образного профиля с наружным выступом больше толщины проходного изолятора.
Указанный технический результат по второму варианту достигается тем, что по сравнению с известным взрывным формирователем импульса тока, содержащим наружный токопровод, изолированную от него диэлектрическую ребристую преграду, разрушаемый проводник, по меньшей мере, на одной из поверхностей которого выполнены канавки с образованием ребер под диэлектрическими ребрами преграды, при этом в случае, когда канавки выполнены с обеих сторон разрушаемого проводника, ребра расположены друг под другом, основной заряд взрывчатого вещества (ВВ), отделенный проходным изолятором от внутреннего токопровода, систему инициирования с зарядом ВВ для подрыва основного заряда ВВ, где наружный токопровод электрически соединен с разрушаемым проводником и внутренним токопроводом, новым является то, что между основным зарядом ВВ и разрушаемым проводником размещен тонкий вспомогательный изолятор, основной заряд ВВ разделен на фрагменты с помощью металлических тонкостенных вставок П-образного профиля, установленных под ребрами разрушаемого проводника, с возможностью формирования секций при подрыве основного заряда ВВ, включающих в себя часть ребристого разрушаемого проводника, часть вспомогательного изолятора и фрагмент основного заряда, при этом глубина полости во вставках П-образного профиля больше толщины проходного изолятора.
Первый вариант более предпочтителен тогда, когда необходимо использовать ВФИТ со значительными размерами разрушаемого проводника, у которого толщина перемычек между ребрами может быть не более 1 мм, длиной порядка метра и более и диаметром несколько дециметров и более. Изготовить такой цельный проводник с хорошей точностью механическим способом на станке является трудно выполнимой задачей. Проще использовать его составным, состоящим из нескольких отдельных фрагментов, изготавливаемых механическим способом с хорошей точностью на длине порядка одного дециметра или даже меньше, что и применяется в первом варианте ВФИТ.
Второй вариант ВФИТ удобней использовать для цельного разрушаемого проводника, имеющего сравнительно небольшие размеры.
Металлическая тонкостенная вставка П-образного профиля либо вставка П-образного профиля с наружным выступом обычно установлена таким образом в месте размещения ребра разрушаемого проводника, что каждая из ее боковых стенок располагается под канавкой, близлежащей к данному ребру, на расстоянии, не превышающим половину ширины соответствующей канавки. Как показали исследования, при таком расположении тонкостенных металлических вставок можно обеспечить процессы разрушения участков между металлическими ребрами проводника в данных местах, похожие на процессы разрушения, когда отсутствуют данные вставки.
вых
S
При разрушении отдельных перемычек ребристого проводника ВФИТ в каждой секции возникает импульс напряжения. Сложение всех этих напряжений определяет форму и величину импульса выходного напряжения. Если они все сработают одновременно и в каждой секции сформируется импульс напряжения амплитудой Us с одинаковой напряженностью электрического поля на разрушаемых участках, то величина выходного напряжения будет равна U=NU, где N - количество секций.
S
S
В других случаях, наоборот необходимо варьировать амплитуду и длительность импульса выходного напряжения. Этого можно достичь за счет специально введенной разновременности срабатывания отдельных секций ВФИТ. Каждая секция срабатывает с временной задержкой относительно соседней. За счет этого происходит только сложение напряжений секций. Задавая различные по времени задержки срабатывания секций, можно регулировать форму, амплитудное значение и длительность импульса выходного напряжения. Варьируя временной задержкой срабатывания секции, амплитуду импульса выходного напряжения можно изменять от величины U до максимально возможной NU, а форму импульса выходного напряжения можно изменять от формы импульса напряжения, обусловленной срабатыванием одной секции, до формы, полученной в результате управляемого разновременного (постепенного) срабатывания всех секций.
Но, чтобы это все происходило, необходимо чтобы в процессе работы ВФИТ образовывались полностью электрически замкнутые отдельные контура, полученные соединением между собой тонкостенных металлических вставок с разрушаемым проводником и внутренним токопроводом. В заявляемом изобретении представлены устройства, способные это обеспечить.
Первое устройство (вариант 1) - набор секций, в которых используемые проводящие фрагменты при их формировании гальванически соединены между собой заранее, а соединения металлических тонкостенных вставок П-образного профиля с наружными выступами с внутренним токопроводом происходит на начальной стадии работы ВФИТ от ВВ системы инициирования.
Второе устройство - набор секций, в которых электрическое соединение проводящих элементов между собой происходит на стадии работы ВФИТ. В данном устройстве все образующие контур отдельной секции проводящие элементы соединяются уже в процессе работы. Вначале с помощью ВВ системы инициирования соединяются внутренние элементы контура (металлические тонкостенные вставки с внутренним токопроводом), а в конце работы (сотни наносекунд до разрушения ребристого проводника) уже происходит подключение участков разрушаемого ребристого проводника с периферийными участками металлических тонкостенных вставок после передавливания тонкого вспомогательного изолятора между ними в результате срабатывания фрагментов основного заряда ВВ. Наличие вспомогательного изолятора в данных местах позволяет, во-первых, устранить некачественные электрические контакты между ребристым разрушаемым проводником и металлическими тонкостенными вставками до их замыкания, чтобы предотвратить искрение на них, влияющее на работу ВФИТ. Во-вторых, когда толщина стенки тонкостенного вспомогательного изолятора будет ~1 мм, то она позволяет использовать проходной изолятор уже с уменьшенной толщиной стенки, чтобы обеспечить необходимую электропрочность входа ВФИТ при подводе энергии от источника запитки. Тем самым, будут созданы более благоприятные и предсказуемые условия для соединения внутреннего токопровода с металлическими тонкостенными вставками, обеспечивающего надежные гальванические контакты между ними.
Кроме того, также будет обеспечен более однородный подрыв внутренних поверхностей фрагментов основного заряда ВВ из-за частичного уменьшения массы перетекания изоляционного материала проходного изолятора, которая в обычных условиях (без наличия на входе тонкого вспомогательного изолятора) происходит с более интенсивным растеканием изоляционного материала, проявляемым в виде формируемых более мощных диэлектрических струй у боковых стенок металлических тонкостенных вставок, способных произвести преждевременный частичный подрыв фрагментов основного заряда.
В ребрах разрушаемого проводника, под которыми располагаются металлические тонкостенные вставки П-образного профиля (устройство по 2 варианту), выполнены полости глубиной, превышающей толщину вспомогательного изолятора под ними для того, чтобы обеспечить надежные гальванические соединения ребристого разрушаемого проводника с металлическими тонкостенными вставками. Во время работы ВФИТ часть материала вспомогательного изолятора выдавливается в пустотные полости и не препятствует осуществлению данных контактов. Это подтверждается расчетно-экспериментальными исследованиями. При использовании ребристого проводника с двухсторонними ребрами полости выполняются со стороны внутренних ребер, а при использовании ребер с одной стороны полости выполняются в них открытой частью в сторону вставок. Наличие пустотных полостей обычно не требуется для очень тонких изоляторов, когда толщина стенок не более 0,1 мм.
Использование П-образных металлических вставок с одинаковыми по длине боковыми стенками более предпочтительно тогда, когда фрагменты основных зарядов одинаковы, диэлектрические вставки либо одинаковые, либо они отсутствуют совсем, и П-образные металлические вставки располагаются на проходном изоляторе, т.е. они все находятся в идентичных условиях. В этом случае деформация внутреннего проводника с помощью срабатывания заряда системы инициирования обеспечивает одновременный подрыв всех фрагментов основных зарядов ВВ с незначительной разновременностью (порядка 0,2 мкс), обусловленной срабатыванием используемых систем инициирования.
Когда же толщина у фрагментов основного заряда ВВ будет различной при использовании П-образных металлических вставок с одинаковыми по длине боковыми стенками, в каждой вновь образованной секции будет осуществляться дополнительное "дожатие" магнитного потока до момента разрушения проводника, т.е. будет происходить дополнительное усиление энергии. Особенно это важно, когда толщина разрушаемых перемычек в каждой секции будет различна. (Данное условие более наглядно проявляется в первом устройстве, т.к. секции образуются в самом начале работы ВФИТ).
Кроме того, боковые стенки у П-образных металлических вставок могут отличаться по длине, где первая боковая стенка с максимальной длиной располагается в рассматриваемой секции, в которой осуществляется первоначальное разрушение перемычек ребристого проводника, а длина второй стенки данной металлической вставки с меньшей длиной располагается в следующей секции, в которой ее длина соответствует максимальной длине боковой стенки у второй тонкостенной металлической вставки. Таким образом, будут использоваться П-образных металлических вставки и во всех остальных секциях ВФИТ.
Все это позволяет предотвращать не санкционированные преждевременные подрывы ВВ в секциях, обеспечивать похожие условия в местах соединения внутреннего токопровода с металлическими вставками при создании отдельных замкнутых контуров каждой секции с необходимыми временными задержками в результате того, что вначале работы формирователя деформации внутреннего токопровода с проходным изолятором под каждой формируемой секцией ничего не препятствует.
И
И
И
И
И
И
И
И
Во взрывомагнитном формирователе импульса тока, когда требуется получить максимальное напряжение, фрагменты основного заряда находятся относительно внутреннего токопровода на расстоянии s, определяемом следующим образом Δ≤s≤2Δ, а каждая металлическая тонкостенная вставка располагается на проходном изоляторе, где Δ - толщина проходного изолятора под каждой секцией. Расстояние s нужно для того, чтобы во время работы обеспечить надежные электрические контакты между изолированным внутренним токопроводом и стенками металлических тонкостенных вставок и произвести более одновременный подрыв фрагментов основного заряда ВВ в каждой секции. Толщина проходного изолятора Δ влияет на данные процессы, так как он подвержен большому давлению и деформации. Как показывают расчетные исследования, когда используются тонкие боковые стенки у вставок (толщиной не более миллиметра) и s равно приблизительно 2Δ, то происходит наиболее быстрое разрушение этими стенками проходного изолятора с частичным затеканием его материала в полость тонкостенной металлической вставки и будет меньше выдавливаться материал проходного изолятора в область расположения фрагментов основного заряда ВВ при разлете внутреннего токопровода, что существенно снижает вероятность локальных преждевременных их подрывов и обеспечивает более быстрое и надежное формирование электрических контактов. Когда s≈Δ, то процесс формирования электрических контактов затягивается по времени. Он может произойти в зависимости от толщины проходного изолятора на стадии разрушения ребристого проводника или даже несколько позднее. Выполнение условия Δ≤s≤2Δ позволяет влиять на эффективность данного процесса.
Если использовать в секциях разные ВВ, например, со скоростями детонации 9,1 мм/мкс (НМХ), 8,37 мм/мкс (РВХ-9010), 8,03 мм/мкс (Состав В), и 7,7 мм/мкс (PETN/связка 80/20), то можно обеспечить задержку срабатывания секций с разницей в 1,2 раза. [Магнитокумулятивные генераторы - импульсные источники энергии: Монография. В 2 томах. Том 1 / Под ред. В.А. Демидова, Л.Н. Пляшкевича, В.Д. Селемира. Сэров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2011. С. 439. (21 с.)].
Толщина перемычек отдельного разрушаемого проводника в каждой секции определяется заранее заданной глубиной канавок, например, увеличивающейся толщиной перемычек между канавками в сторону нагрузки. Так как разрывной процесс зависит от толщины перемычки, то каждая секция срабатывает с заранее заданной временной задержкой относительно соседней. Таким образом, организован эффективный механизм использования взрывного формирователя тока для получения в нагрузке импульсов заданной формы. Наличие в разрушаемом проводнике канавок с меньшей глубиной приводит к увеличению толщины перемычки между ними. Чтобы сохранить на прежнем уровне эффективные условия разрушения данных перемычек, когда их скорость существенно больше, чем деформация ребер, необходимо, начиная с момента нарушения данного условия, использовать в последующих секциях увеличенную ширину канавок и пропорционально относительно изменения толщины перемычки увеличить высоту ребер между ними.
Время формирования импульса напряжения в ВФИТ можно достаточно просто обеспечить, изменяя толщину фрагментов основного заряда и оставляя толщину перемычек либо постоянной, либо переменной в каждой секции. В этом случае каждая секция будет срабатывать по отношению к другой с заданной задержкой, что и позволяет формировать импульс с необходимой амплитудой и требуемой длительностью.
Металлические тонкостенные вставки с П-образными полостями могут быть составными, собираемыми из нескольких простых деталей, что значительно облегчает процесс их изготовления. Тем самым снижаются материальные затраты и уменьшается их стоимость. В устройствах по первому варианту отштампованные детали либо свариваются между собой и ребрами двух близлежащих разрушаемых проводников, либо обжимаются все вместе, создавая единое цельное соединение между ними. В устройствах по второму варианту одна отштампованная деталь вставляется в другую, и такую составную вставку уже используют в рабочем устройстве.
И
Во взрывном формирователе импульса тока, по меньшей мере, в одной из секций к фрагменту основного заряда, обращенного к проходному изолятору, может примыкать диэлектрическая вставка. В этом случае минимальный размер (d) от диэлектрической вставки до наружной поверхности внутреннего токопровода определяется следующим образом d≥Δ. Использование диэлектрических вставок, примыкающих к фрагментам основных зарядов, позволяет уменьшить влияния перетекания массы проходного изолятора, приводящего в ряде случаев к их преждевременному подрыву в локальных местах, и уменьшить неодновременность возбуждения детонации в фрагментах основного заряда ВВ от заряда ВВ системы инициирования, а также позволяет регулировать время срабатывания секций. Для этого они обычно используются либо с конкретно заданной толщиной, либо с изменяемыми толщинами и изменяемыми размерами d в каждой секции. Чаще всего, требуется дополнительное уменьшение их толщин в аксиальном направлении в районе расположения тонкостенных металлических вставок, чтобы устранить преждевременный подрыв фрагментов основного заряда от диэлектрических струй, появляющихся в первую очередь при разрушении в этих местах проходного изолятора, и чтобы обеспечить более равномерный подрыв фрагментов основного заряда.
При этом могут использоваться вставки, изготовленные из различных диэлектрических материалов. Все определяется требуемой амплитудой импульса напряжения в нагрузке и его формой. Например, скорость ударной волны в полиэтилене диэлектрической вставки может достигать ≈6 мм/мкс, При этом, если в одной секции используется полиэтиленовая вставка толщиной 3 мм, а в другой секции она отсутствует, то подрыв фрагмента основного заряда ВВ в первой секции произойдет за 0,5 мкс, а подрыв такого же фрагмента во второй секции в результате деформации внутреннего токопровода на базе пролета 3 мм со скоростью 2 мм/мкс произойдет за 1,5 мкс. То есть срабатывание относительно друг друга двух секций, находящихся рядом, произойдет с задержкой ~1 мкс.
Если же механизм использования в секциях фрагментов основного заряда с диэлектрическими вставками и без них объединить с использованием различных ВВ и разнотолщинных перемычек у разрушаемого проводника, то можно формировать импульсы напряжения длительностью ~10 мкс и более микросекунд, не выходя за существующие габариты ВФИТ.
3
3
Чтобы регулировать форму импульса напряжения, можно использовать над отдельными секциями диэлектрическую преграду без ребер, изготовленную из материала с малой плотностью 0,1 г/см - 0,4 г/см. Для этого обычно хорошо подходит пенопласт. При взаимодействии разлетающегося проводника с такой преградой скорость проводника несколько уменьшается, и процесс его разрушения растягивается во времени. Варьируя плотностью материала у такой преграды, как над отдельными контурами, так и над всем разрушаемым проводником ВФИТ, как показали расчеты, можно изменять форму и амплитуду импульса напряжения в пределах нескольких микросекунд. Кроме того, еще уменьшается воздействие разлетающихся фрагментов ВФИТ на изолятор, располагаемый под наружным токопроводом.
Чаще всего устройства ВФИТ бывают плоскими или цилиндрическими. Принципы работы у них одинаковы. Отличия у них проявляются в системе инициирования - плоский подрыв заряда СИ и цилиндрический. Наиболее предпочтительней все-таки использование цилиндрических ВФИТ, так как в настоящее время больше оказались востребованы цилиндрические, коаксиальные спиральные, дисковые ВМГ из-за своей большой энергетики и значительных возможностей в части универсальности их применения.
На фиг. 1 схематично изображено устройство по прототипу, где происходит сразу одновременный разрыв всех участков разрушаемого проводника и выполнены канавки только на наружной поверхности разрушаемого проводника.
На фиг. 2 схематично изображено устройство по прототипу, где осуществляется постепенный разрыв разрушаемого проводника с перемычками переменной толщины и выполнены канавки только на наружной поверхности разрушаемого проводника.
На фиг. 3 схематично изображено одно из устройств по первому варианту, где количество секций N=4.
На фиг. 4 схематично изображено расположение металлической тонкостенной вставки П-образного профиля с наружным выступом в устройстве по первому варианту (вид А), когда толщина разрушаемого проводника между ребрами постоянная и электрический контакт образован методом обжатия.
На фиг. 5 схематично изображено одно из устройств по второму варианту, где N=4 и имеются полости в ребрах разрушаемого проводника.
На фиг. 6 схематично изображено расположение металлической тонкостенной вставки П-образного профиля в устройстве по второму варианту (вид Б), когда толщина разрушаемого проводника между ребрами (перемычек) постоянная.
На фиг. 7 схематично изображено устройство по первому варианту, где осуществляется постепенный разрыв разрушаемого проводника в секциях, имеющих различные толщины перемычек, постоянные толщины фрагментов основного заряда и стенок диэлектрических вставок.
На фиг. 8 схематично изображено расположение металлической тонкостенной вставки П-образного профиля с наружным выступом в устройстве по первому варианту (вид В), когда толщина разрушаемого проводника между ребрами в секциях различная.
На фиг. 9 схематично изображено устройство по второму варианту, где толщина перемычек разрушаемого проводника в секциях различная, а толщина фрагментов основного заряда и диэлектрических вставок постоянная.
На фиг. 10 схематично изображено одно из устройств по второму варианту, где толщина фрагментов основного заряда одинаковая, толщина диэлектрических вставок в секциях разная и над двумя секциями канавки между ребрами диэлектрической преграды заполнены материалом преграды.
На фиг. 11 схематично изображено одно из устройств по второму варианту, где толщина разрушаемого проводника между ребрами в секциях различная, толщина фрагментов основного заряда ВВ постоянная, вставки П-образного профиля располагаются на проходном изоляторе под ребрами разрушаемого проводника, которые расположены с двух его сторон друг под другом и во внутренних ребрах которого имеются полости.
На фиг. 12 схематично показан фрагмент устройства по второму варианту, где изображена металлическая тонкостенная вставка П-образного профиля, тонкий вспомогательный изолятор, ребро разрушаемой преграды с внутренней полостью (вид Г).
На фиг. 13 схематично изображено одно из устройств по второму варианту, где толщина зарядов одинаковая, толщина разрушаемого проводника между его ребрами в секциях различная и диэлектрические вставки полностью отсутствуют.
На фиг. 14 приведена фотография фрагмента точеного разрушаемого проводника с толщиной разрушаемого ребристого проводника в местах расположения канавок ~0,3 мм.
На фигурах 1-13 обозначено:
1 - разрушаемый проводник;
2 - диэлектрическая ребристая преграда;
3 - основной заряд взрывчатого вещества (ВВ);
4 - система инициирования;
5 - заряд ВВ системы инициирования;
6 - внутренний токопровод;
7 - проходной изолятор;
8 - клеммы для подключения источника питания;
9 - клеммы для подключения нагрузки;
10 - наружный токопровод;
11 - изолятор наружного токопровода;
12 - диэлектрические вставки;
13 - металлическая тонкостенная вставка П-образного профиля с наружным выступом;
14 - тонкий вспомогательный изолятор;
15 - металлическая тонкостенная вставка П-образного профиля;
16 - полость в ребрах разрушаемого проводника;
17 - часть диэлектрической преграды с заполненным тем же материалом пространства между ее ребрами.
Другие обозначения.
s - расстояние, на котором располагается фрагмент основного заряда относительно внутреннего токопровода;
S
U - напряжение на отдельной секции;
N - количество секций;
И
Δ - толщина проходного изолятора под каждой секцией;
Δi - промежуток между тонкостенной металлической вставкой и внутренним токопроводом, где i=1…N, когда у всех промежутков один и тот же размер, то их обозначают, как Δ;
di - минимальный размер от внутренней стенки диэлектрической вставки до наружной поверхности внутреннего токопровода, где i=1…N, когда все размеры одинаковые, то просто d;
МВ
Δ - толщина металлической тонкостенной вставки П-образного профиля;
I, II, III, IV, … - номера секций;
h - шаг канавок разрушаемого проводника.
Условные обозначения:
ВМГ - взрывомагнитный генератор;
ВРТ - взрывной размыкатель тока;
ВВ - взрывчатое вещество;
ВФИТ - взрывной формирователь импульса тока.
Заявленный взрывной формирователь импульса тока (Фиг. 3 и Фиг. 4) содержит наружный токопровод 10, изолированную от него при помощи изолятора 11 диэлектрическую ребристую преграду 2, разрушаемый проводник 1, расположенный между диэлектрической ребристой преградой 2 и основным зарядом ВВ 3. С помощью металлических тонкостенных вставок П-образного профиля с наружными выступами 13, установленными в местах расположения ребер разрушаемого проводника 1, разделены на отдельные фрагменты разрушаемый проводник 1 и основной заряда ВВ 3 с диэлектрическими вставками 12. Они отделены в свою очередь проходным изолятором 7 от внутреннего токопровода 6 с системой инициирования 4 заряда ВВ 5, необходимого для подрыва отдельных фрагментов основного заряда ВВ 3. Причем ребра отдельных фрагментов разрушаемого проводника 1 соединены гальванически с выступами вставок 13, и при этом глубина полости во вставках П-образного профиля с наружным выступом 13 больше толщины проходного изолятора 7 под ними.
Показан один из вариантов исполнения, когда на внешней поверхности разрушаемого проводника выполнены канавки с заданным шагом h, расположенные напротив пазов диэлектрической ребристой преграды 2 и образующие на нем ребра. Кроме того, устройство содержит клеммы 8 для подключения источника энергии и клеммы 9 для подключения нагрузки. Как показано на Фиг. 3 и Фиг. 4, толщина перемычек между ребрами в разрушаемом проводнике 1 и толщина фрагментов основного заряда ВВ 3 постоянная, длина боковых стенок в каждой вставке П-образного профиля различна, а толщина диэлектрических вставок 12 меняется от секции к секции.
Использование канавок, выполненных с обеих сторон разрушаемого проводника 1, необходимо тогда, когда стенка проходного изолятора 7 имеет толщину (от нескольких миллиметров и выше), чтобы успеть организовать надежные электрические контакты между внутренним токопроводом 6 и вставками П-образного профиля с наружными выступами 13 до момента начала разрушения ребристого проводника 1 в секциях и обеспечить более быстрое его разрушение. Такое устройство позволяет формировать импульсы напряжения с микросекундными задержками в секциях.
Заявленный взрывной формирователь импульса тока (Фиг. 5 и Фиг. 6) содержит наружный токопровод 10, изолированную от него при помощи изолятора 11 диэлектрическую ребристую преграду 2, разрушаемый проводник 1, на наружной поверхности которого выполнены канавки с образованием ребер под диэлектрическими ребрами преграды и который расположен между диэлектрической ребристой преградой 2 и тонким вспомогательным изолятором 14, размещенным над основным зарядом ВВ 3. Основной заряд ВВ 3 разделен на отдельные фрагменты с диэлектрическими вставками 12 с помощью металлических тонкостенных вставок П-образного профиля 15, установленных под отдельными ребрами разрушаемого проводника 1, с возможностью формирования секций при подрыве основного заряда ВВ 3. Отдельные фрагменты основного заряда ВВ 3 отделены в свою очередь проходным изолятором 7 от внутреннего токопровода 6, и их подрыв осуществляет система инициирования 4 с зарядом ВВ 5. Причем в ребрах разрушаемого проводника 1, под которыми располагаются металлические тонкостенные вставки П-образного профиля 15, выполнены полости 16 глубиной, превышающей толщину вспомогательного изолятора 14 под ними, и при этом глубина полости во вставках П-образного профиля 15 больше толщины проходного изолятора 7 под ними.
Показан один из вариантов исполнения, когда на внешней поверхности разрушаемого проводника выполнены канавки с заданным шагом h, расположенные напротив пазов диэлектрической ребристой преграды 2 и образующие на нем ребра. Кроме того, устройство содержит клеммы 8 для подключения источника энергии и клеммы 9 для подключения нагрузки. Как показано на Фиг. 5 и Фиг. 6, толщина перемычек между ребрами в разрушаемом проводнике 1 и толщина фрагментов основного заряда ВВ 3 постоянная, длина боковых стенок в каждой вставки П-образного профиля различна, а толщина диэлектрических вставок меняется от секции к секции.
Выполнение канавок с обеих сторон разрушаемого проводника 1 также необходимо для тех случаев, когда толщина вспомогательного изолятора 14 порядка 1 мм, чтобы создать условия по организации надежных электрических контактов между вставками 15 и разрушаемым ребристым проводником 1 до момента начала разрушения перемычек в секциях. Данное устройство позволяет формировать импульсы напряжения с микросекундными задержками в секциях.
Заявленный взрывной формирователь импульса тока (Фиг. 7 и Фиг. 8) по первому варианту исполнения содержит различной толщиной перемычки между ребрами в разрушаемом проводнике 1, постоянной толщиной фрагменты основного заряда ВВ 3 и диэлектрические вставки 12 в секциях, одинаковой длины боковые стенки в каждой вставки П-образного профиля с выступом 13.
Заявленный взрывной формирователь импульса тока (Фиг. 9) по второму варианту исполнения содержит разрушаемый проводник 1 с различной толщиной перемычек между ребрами от секции к секции, фрагменты основного заряда ВВ 3 и диэлектрические вставки 12 во всех секциях постоянной толщиной, одинаковые боковые стенки в каждой вставки П-образного профиля 15. Устройство позволяет формировать импульсы напряжения с микросекундными задержками в секциях.
Заявленный взрывной формирователь импульса тока (Фиг. 10) по второму варианту содержит фрагменты основного заряда ВВ 3 с одинаковой толщиной, а диэлектрические вставки 12 с различной толщиной. Над двумя секциями канавки между ребрами диэлектрической преграды 2 заполнены материалом преграды 17. Таким образом, формируются импульсы напряжения с микросекундными задержками в секциях.
Заявленный взрывной формирователь импульса тока (Фиг. 11) по второму варианту, где вспомогательный изолятор 14 вместе с проходным изолятором 7 также располагается в месте подключения 8 источника питания к ВФИТ, имеет на разрушаемом проводнике 1 ребра, расположенные с двух сторон, разрушаемый проводник с различной толщиной перемычек между канавками от секции к секции, фрагменты основного заряда ВВ 3 и диэлектрические вставки 12 с одинаковыми толщинами. Вставки П-образного профиля 15 над проходным изолятором 7 расположены под ребрами разрушаемого проводника 1, в которых имеются полости 16. На фиг. 12 схематично изображена полость 16 во внутреннем ребре разрушаемого проводника 1.
Заявленный взрывной формирователь импульса тока (Фиг. 13) по второму варианту содержит фрагменты основного заряда ВВ 3 с одинаковой толщиной, разрушаемый проводник с перемычками между канавками, изменяющими от секции к секции, полости 16 в ребрах разрушаемого проводника 3 над вставками П-образного профиля 15 с одинаковыми боковыми стенками и используется без диэлектрических вставок. В таком варианте исполнения время разрушения проводников в секциях определяется только их переменными толщинами
Ребра же с двух сторон разрушаемого проводника, как показывают исследование, обеспечивают более быстрое разрушение такого вспомогательного изолятора и также дополнительное быстродействие ВФИТ, чем с односторонним расположением ребер.
Соединение отдельных фрагментов можно обеспечить свариванием или механическим обжатием, как показано, например, на фиг. 4.
Если в ВФИТ используются одновременно разрушаемый проводник с изменяемыми толщинами перемычек между канавками от секции к секции, фрагменты основного заряда ВВ, изготовленные из различных ВВ и имеющих различные толщины, а также диэлектрические вставки, то все это может позволить сформировать импульсы длительностью до 10 мкс и более.
В предварительном опыте с прототипом (фиг. 1) в нагрузке 10 нГн было получено напряжение 42 кВ с фронтом нарастания ~450 нс и длительностью импульса ~1,2 мкс, а максимальный ток составил 3,3 МА. В данном опыте был использован точеный разрушаемый проводник, который в дальнейшем был применен в заявляемом устройстве (но уже со вставкой под ним).
МВ
В примере реализации заявляемого устройства по второму варианту (см. фиг. 5) взрывной формирователь импульса тока с аксиальным растеканием тока запитывался от спирального взрывомагнитного генератора с внутренним диаметром спирали 100 мм (ВМГ-100), который работал на контур индуктивностью 14 нГн, где располагался разрушаемый проводник, а полость нагрузки была 10 нГн. Использовался точеный медный разрушаемый проводник с внутренним диаметром 99,3 мм, длиной порядка 90 мм и толщиной порядка 1,3 мм. Канавки были выполнены только на наружной поверхности проводника глубиной порядка 1 мм и с шагом h=3,5 мм. Сверху над разрушаемым проводником размещалась диэлектрическая ребристая преграда из оргстекла с наружным диаметром 140 мм и внутренним ~102 мм. Наружный диаметр канавок на диэлектрической ребристой преграде был 114 мм, и они были выполнены также с шагом 3,5 мм. Основной (разрывной) заряд имел длину 110 мм, наружный диаметр 99,1 мм, а внутренний - порядка 88 мм. Он был изготовлен из пластического ВВ (типа КТГ). Между внутренним диаметром разрываемого проводника и основным зарядом размещался тонкостенный лавсановый изолятор с толщиной стенки порядка 0,06 мм. Внутренний токопровод из меди имел наружный диаметр 79 мм, а внутренний - 65 мм. Внутри него располагалась система инициирования, собранная из 6 промышленных электродетонаторов, с зарядом взрывчатого вещества с наружным диаметром 65 мм и внутренним - 29 мм. Проходной изолятор имел наружный диаметр 81 мм и был изготовлен из тонкостенной лавсановой пленки. Под разрываемым ребристым проводником была установлена металлическая вставка, выполненная в виде П-образного профиля с пустотной полостью между боковыми ее стенками и периферийной крышкой. Она располагалась по центру разрушаемого проводника симметрично относительно металлического ребра, имела максимальную толщину Δ=3,5 мм, где крышка и боковые стенки были толщиной по 1 мм, а наружный диаметр был равен 99,1 мм, и размещалась с зазором Δ=1 мм относительно внутреннего токопровода. При этом толщина ребра разрушаемого проводника была 1,5 мм. С внутренней стороны двух фрагментов разрывного заряда располагались диэлектрические вставки с максимальной толщиной стенки 3,0 мм. От минимального диаметра стенки диэлектрической вставки до наружной поверхности внутреннего токопровода размер d равнялся 1,5 мм. По краям диэлектрической вставки ее толщина была 2,0 мм, увеличивающей на базе 3 мм до максимального значения 3,0 мм.
Использование разрушаемого проводника (подобно, представленного в прототипе, см. Фиг. 1) ВФИТ с одной металлической вставкой с П-образным профилем позволило получить напряжение порядка 60 кВ в нагрузке 10 нГн с фронтом ~350 нс и длительностью импульса ~1 мкс, а амплитуда тока была порядка 3 МА. Запитка током начальной индуктивности 21 мкГн генератора ВМГ-100 в опыте с прототипом и с заявляемым устройством была одинаковой и составила ~21 кА.
При использовании разрушаемого проводника, имеющего длину 45 мм, было получено на нагрузке 5 нГн напряжение ~30 кВ. Это подтвердило возможность кратного увеличения напряжения при разбиении ВФИТ на отдельные секции.
Использование секций (см. фиг. 3) по первому варианту с тонкостенной вставкой П-образного профиля с наружным выступом, с полностью одинаковыми фрагментами основного заряда и диэлектрическими вставками продемонстрировало возможность умножения напряжения при одновременной работе одинаковых во всех отношениях секций. Полученные результаты показали, что удалось создать отдельные полностью замкнутые контура, которые при разрыве разрушаемого проводника одновременно соединялись последовательно между собой.
Для экспериментальной проверки устройства ВФИТ, где существует определенная закономерность изменения толщин перемычек разрушаемого проводника между ребрами, как показано в общем виде на фиг. 13, была выбрана упрощенная конструкция. ВФИТ содержал всего одну металлическую вставку с П-образным профилем, что в процессе работы позволяло создать две секции. При этом разрываемая толщина перемычек разрушаемого проводника в первой секции была 0,3 мм, а во второй - 0,6 мм. Все остальные параметры, приведены в подробном описании примера реализации по фиг. 5. Было получено максимальное напряжение ~35 кВ, а длительность его импульса была ~1,6 мкс.