УСТРОЙСТВО ДЛЯ МАГНИТНОГО УСКОРЕНИЯ ПЛОСКИХ УДАРНИКОВ
DEVICE FOR MAGNETIC ACCELERATION OF FLAT IMPACTERS

Изобретение относится к области экспериментальной физики, исследующей поведение веществ под воздействием сильных ударных волн, в частности к разгону проводящих плоских пластин-ударников, ускоряемых без их разрушения в диапазоне скоростей от нескольких км/с до десятков км/с, которые могут использоваться для определения уравнений состояния различных веществ как при мегабарных, так и при больших уровнях давления.
Хорошо известны устройства, позволяющие обеспечить скорость ударника менее 10 км/с. Так в работе Л.В. Альтшулера. М.Н. Павловского. Л.В. Кулешова, Г.В. Симакова («Исследование галогенидов щелочных металлов при высоких давлениях и температурах ударного сжатия»// Поведение веществ под воздействием сильных ударных волн: Сборник научных статей/Под ред. доктора физ.-мат. наук Р.Ф. Трунина. - Сэров. ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ", Том 1. 2007. С. 163-177.) давления в образцах и прикрывающих их экранах создавались ударом пластин-ударников, разогнанных продуктами взрыва. Наибольшая скорость движения ударников - 5000 м/с достигалась путем разгона тонких алюминиевых и стальных пластин на больших участках пути. Продукты взрыва после прохождения по заряду плоской детонационной волны расширяются через воздушный зазор и тормозятся о поверхность преграды в виде пластины-ударника толщиной 10 мм. Объектом исследований служили монокристаллы, плоскость куба которых устанавливалась параллельно поверхности экрана. Поперечные размеры образцов составляли 19-15 мм, их толщина - 3.5 мм: в опытах с более тонкими ударниками их толщина была не более 2,5 мм.
6
В другой работе (К.К. Крупников. А.А. Баканова. М.И. Бражник. Р.Ф. Труним. «Исследование ударной сжимаемости, титана, молибдена, тантала и железа» //Поведение веществ под воздействием сильных ударных волн: Сборник научных статей /Под ред. доктора физ.-мат. наук Р.Ф. Трунина. - Сэров ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ", Том 1, 2007. С. 158-162) описаны опыты, в которых давления, близкие к 10 атмосфер, создавались ударом 2-миллиметровой алюминиевой пластины-ударника, разгоняемой продуктами взрыва на пути в 25 мм до скорости 5600 м/с. Более высокие давления были получены при помощи стального ударника, летевшего со скоростью 5600 м/с. В других опытах скорость стальных ударников была равна соответственно 9100 м/с и 8640 м/с. Толщина испытанных образцов составляла от 3 до 4 мм, поперечные размеры 10-15 мм. В настоящей работе приводятся результаты измерений ударной сжимаемости титана, молибдена и тантала в диапазоне давлений от 1 до 5 млн. атм.
Данный метод «торможения» позволяет создавать большие давления (в млн. атм) в образцах при исследовании различных материалов. В методе «торможения» осуществляется удар плавно разогнанного тела ударника по покоящейся мишени (испытываемый образец). вызывающий появление двух ударных волн, распространяющихся в обе стороны от поверхности столкновения. Измеряемыми параметрами являются скорость полета ударника и скорость ударной волны в мишени (Л.В. Альтшулер. К.К. Крупников, Б.Н. Леденев. В.И. Жучихин. М.И. Бражник. «Динамическая сжимаемость и уравнение состояния железа при высоких давлениях «//Поведение веществ иод воздействием сильных ударных волн: Сборник научных статей/ Под ред. доктора физ.-мат. наук Р.Ф. Трунина. - Capoв ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ". Том 1. 2007. С. 5-20). В результате обработки результатов измерений определяют параметры уравнения состояния вещества (УРС).
Для большей достоверности полученных результатов необходимо иметь возможность осуществления одновременного воздействия на всю поверхность мишени со сравнительно большей поверхностью (порядка десяти квадратных сантиметров и более), учитывая влияние пограничных зон у мишени на результаты измерений, где данные измерения отличаются от основных, а также иметь возможность использовать больше разнообразного измерительного оборудования в одноразовом взрывном опыте. Все это должно позволить получать более точную и расширенную информацию по отдельному исследуемому образцу мишени.
2
Недостаток данных устройств заключается в том. что с помощью продуктов взрыва взрывчатых веществ сложно обеспечить разгон ударника со значительной наружной поверхностью, измеряемой десятками см, до большой скорости, где при этом вся его поверхность смещается синхронно и одновременно.
Трудность выполнения данных требований существенно зависит от свойств взрывчатых веществ, у которых, как правило, химическая энергия не превышает порядка 6 МДж/кг (Магнитокумулятивные генераторы - импульсные источники энергии: Монография. В 2 томах. Том 1/Под ред. В.А. Демидова, Л.Н. Пляшкевича, В.Д. Селемира. Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2011. С. 439), и невозможности однородного подрыва всей значительной поверхности ВВ, контактируемой с поверхностью используемых ударников, которые должны иметь строго фиксируемые геометрические размеры при подлете их к мишеням. При этом для обеспечения достаточной точности и достоверности физических измерений толщина пластин-ударников должна быть не менее нескольких мм.
Кроме того, расположение мишени в эпицентре взрыва не позволяет ее сохранить после опыта и провести дополнительные исследования с ней.
Существует другой подход по созданию устройства для магнитного ускорения пластин-ударников, который представлен, например, в статье V.A. Demidov. A.S. Boriskin, Y.V. Vlasov. Simulation of the Magnetically Accelerated Flat Strikers Using a Magnetocumulative Generator // IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 46, No. 3, March 2018, pp. 659-662.
Устройство состоит из взрывомагнитного импульсного источника энергии (ИИЭ) с коаксиальным выходом (в данном случае - спиральный взрывомагнитный генератор), узла ускорения проводников-ударников, собранных из параллельных пластин, подводящей линии к нему и исследуемого образца - мишени. Подводящая линия содержит коаксиальную передающую линию и плоскую шинную линию с переменной шириной, расположенную перпендикулярно к коаксиальной линии. В зависимости от целей эксперимента ИИЭ может содержать на выходе обостритель импульса тока (ОИТ), а также может использоваться и без него.
ИИЭ работает на нагрузочный контур, содержащий узел ускорения и подводящую линию к нему. Обычно узел ускорения состоит из двух пластин с током, протекающим в противоположных направлениях, имеющих как неускоряемые участки, так и ускоряемые, обусловленные различием в их толщинах. В момент достижения максимального значения тока ускоряемые участки пластин смешаются в противоположные стороны, приобретают максимальную скорость и ударяют по исследуемым образцам разной толщины.
Преимуществом магнитного ускорения по сравнению со взрывным ускорением ударников является формальное отсутствие ограничения на конечную скорость ускоряемых пластин из-за возможности достижения большей плотности кинетической энергии ударника в процессе работы ИИЭ. а также то, что можно сохранить мишень, поместив ее в защитное сооружение. Но при этом требуется выполнение очень важного условия, чтобы ширина ускоряемой пластины была много меньше ширины передающей линии на выходе из импульсного источника энергии.
Недостатком устройства является то, что приходится использовать разрядную цепь с увеличенными параметрами, чтобы создать магнитное поле в узле ускорения со значительными поверхностями разгоняемых пластин-ударников (более десяти квадратных сантиметров) и обеспечить необходимую электропрочность изолятора в нем, а это все, в свою очередь, сказывается на эффективности работы ИИЭ.
В данном устройстве приходиться использовать подводящую линию со сложной конфигурацией. Подводящая линия состоит из коаксиального участка передающей линии и перпендикулярной к ней плоской шинной линии, имеющей переменную ширину.
На работу ИИЭ накладываются ограничения, связанные со значительной индуктивностью подводящей линии, обусловленной наличием "'изогнутого" под углом 90° перехода коаксиальной передающей линии в шинную, и сложностью изготовления надежного цельного тонкостенного изолятора с перегибом, повторяющим конфигурацию проводников подводящей линии и пластин узла ускорения, с хорошими электропрочностными характеристиками. Все это обычно требует дополнительного наращивания толщины изолятора с целью повышения его электропрочности, что и приводит к увеличению индуктивности разрядной цепи.
Также существенным недостатком при переходе коаксиального участка линии в плоский шинный участок линии является то, что наблюдается не плавное, а резкое (практически скачкообразное) уменьшение в несколько раз сечения для растекания тока в подводящей линии, обусловленное различными ширинами этих участков, (чаще всего) с п D сразу на D или даже меньше. Здесь D - внешний диаметр внутреннего проводника коаксиального участка линии. В этом случае появляется участок цепи с большим значением сопротивления, на котором при его нагреве будет выделяться часть генерируемой энергии, ухудшая тем самым эффективность работы ИИЭ.
При наличии плавного перехода тепловые потери были бы существенно меньше, и было бы создано более однородное магнитное поле в узле ускорения, позволяющее ускорять ударник с большей площадью и с одинаковой скоростью. Наиболее критичное место изолятора по электропрочности будет в районе перегиба подводящей линии, т.к. достаточно сложно изготовить цельный тонкий изолятор, имеющий переход цилиндрической части в плоскую с толщиной стенки ~ 1-2 мм. Поэтому приходится обычно увеличивать толщину стенки.
Наиболее близким к заявляемому устройству для магнитного ускорения плоских ударников является устройство, представленное в докладе В.А. Васюкова. А.В. Ивановского, А.И. Краева. А.А. Кулагина, А.А. Петрухина «Многоэлементный взрывомагнитный дисковый сильноточный генератор диаметром 210 мм» //Материалы XII Международной конференции по генерации мегагауссных магнитных полей и родственным экспериментам, июль. 13-18, 2008 г., Новосибирск, Россия. С. 195-199 (XII International Conference on Megagauss Magnetic Field Generation and Related Topics. Novosibirsk. July 13-18.2008).
Данное устройство, представленное на Фиг. 1, содержит взрывомагнитный импульсный источник энергии 1, взрывчатое вещество 2, систему его инициирования 3. внешний проводник 4 взрывомагнитиого источника, клеммы 5 для подключения источника начальной энергии, кроубар 6 для его отключения, передающую линию 7, состоящую из цилиндрических внутреннего 8 и внешнего 9 проводников, имеющих плоский срез 10 под углом к оси устройства, с тонким изолятором 11 в зазоре между ними, узел ускорения 12 на конце проводников передающей линии, включающий обратный токопровод 13 шириной h и прямой токопровод 14 с постоянным размером вдоль его длины и существующей кривизной у его наружной и внутренней поверхности, плоский ударник 15, являющийся частью обратного токопровода, который весь разгоняется магнитным полем, и изоляцию между токопроводами, которая является продолжением изоляции передающей линии 11.
В данном устройстве используется изолятор простой формы, а именно, круглый цилиндр либо цилиндр, переходящий во фрагмент цилиндра, обрезанный под углом относительно оси устройства, и он способен одновременно изолировать сам импульсный источник энергии, передающую линию (ПЛ) и узел ускорения. Поэтому максимальная толщина стенки у такого изолятора будет достаточно оптимизирована, что позволяет уменьшить индуктивность разрядной цепи для ИИЭ. и. как результат, генерировать больший ток при его работе, чем в существующем, рассмотренном ранее аналоге.
Кроме того, использование передающей линии, имеющей внутренний и внешний проводник в виде круглых цилиндров (прямых, усеченных), позволяет изготавливать ее цельно-протяженной без перегибов. В результате этого будет более плавное растекание тока к разгоняемому лайнеру с помощью такой ПЛ.
При этом длина дуги усеченной части передающей линии должна быть много меньше периметра окружности круглого цилиндра, чтобы можно было создать в узле ускорения значительную напряженность магнитного поля с целью воздействия на лайнер большим значением магнитного давления (от нескольких десятков тысяч до миллиона атмосфер и больше).
Недостатками прототипа является следующее.
В данном устройстве узла ускорения ударником является плоская пластина шириной h, изготовленная непосредственно из обратного токопровода. являющегося продолжением внешнего проводника цилиндрической передающей коаксиальной линии, а внутри с зазором располагается прямой неускоряемый токопровод с постоянной шириной и существующей кривизной у его поверхностей (наружной и внутренней), который является продолжением внутреннего проводника цилиндрической передающей коаксиальной линии.
По краям лайнера-ударника величина зазора в узле ускорения увеличивается из-за существующей кривизны наружной поверхности у прямого токопровода и может отличаться в несколько раз по сравнению с толщиной изолятора. Поэтому, в данном устройстве трудно обеспечить разгон всей поверхности лайнера-ударника с одинаковой скоростью из-за неоднородной напряженности магнитного поля в таком зазоре, что может сказаться на результатах измерения в мишени и не позволит качественно определить (интерпретировать) УРС материала мишени. Кроме того, так как зазор неоднородный в таком устройстве, то индуктивность у такого узла ускорения будет больше, чем у узла ускорения с одинаковым размером зазора, равным, например, толщине изолятора. Также из-за увеличения зазоров к краям в такой конфигурации узла ускорения может наблюдаться различное распределение плотности тока вдоль его сечения в любой рассматриваемый момент времени, что может сказаться на неоднородном нагреве проводников. Все это будет негативно влиять на работу импульсного источника энергии, на электропрочностные свойства изолятора и не позволит создать магнитное поле с полностью однородным распределением его напряженности внутри узла ускорения.
2
Решаемой задачей является создание устройства магнитного ускорения плоских ударников с площадями поверхностей порядка несколько десятков см, равномерно ускоряемых без их разрушения в диапазоне скоростей от нескольких км/с до десятков км/с, а также наличие возможности использования одновременно в одном опыте ударников из различных материалов.
2
Технический результат, достигаемый при решении данной задачи, заключается в создании внутри узла ускорения однородного магнитного поля с максимальной напряженностью при использовании ударников с большими площадями поверхности (несколько десятков см). Дополнительным техническим результатом является возможность использования в одном опыте различных ударников, изготовленных из разных материалов, для воздействия на исследуемые образцы с целью получения более качественных результатов при определении УРС вещества мишени и более эффективного использования источника начальной энергии в результате уменьшения индуктивности узла ускорения.
Н
НВ
НВ
H
H
Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным устройством магнитного ускорения плоских ударников, содержащим импульсный источник энергии, передающую линию, состоящую из цилиндрических внутреннего и внешнего проводников, имеющих плоский срез под углом к оси устройства, с тонким изолятором в зазоре между ними, узел ускорения на конце проводников передающей линии, включающий прямой токопровод и обратный токопровод шириной h. плоский ударник, являющийся частью обратного токопровода. и изоляцию между токопроводами. которая является продолжением изоляции передающей линии, новым является то, что устройство дополнительно содержит второй плоский ударник, являющийся частью прямого токопровода также шириной h. смежные с изоляцией поверхности токопроводов с ударниками являются плоскими, прямой токопровод смешен относительно наружного радиуса внутреннего проводника передающей линии по направлению к оси устройства на расстояние Δ=r -  где r - наружный радиус внутреннего проводника передающей линии, обратный токопровод с ударником выполнен съемным и имеет внутреннюю проточку в обратном токопроводе в месте соединения его с передающей линией, а прямой токопровод с соответствующим ему ударником либо является съемным, либо составляет единое целое с внутренним проводником передающей линии, переход изоляции от проводников передающей линии к токопроводам узла ускорения при изменении ее формы с цилиндрической на плоскую осуществлен во внутренней проточке обратного токопровода с обеспечением равенства величины зазора между токопроводами величине зазора между проводниками передающей липни, причем проточка выполнена на всю ширину обратного токопровода глубиной Δ и длиной L>Δ, при этом каждый токопровод с ударником изготовлен с двумя неускоряемыми участками, расположенными по краям от ударника.
H
H
Плавный переход изоляции, расположенной между проводниками передающей линии, к плоским проводникам токопроводов узла ускорения при изменении ее формы с цилиндрической на плоскую осуществляется в результате того, что смежные с изоляцией поверхности токопроводов с ударниками являются плоскими, обратный токопровод является съемным и имеет на входе поперечную внутреннюю проточку, у которой глубина равняется величине смещения прямого токопровода Δ. а длина L>Δ. Такой обратный токопровод за счет его болтового подсоединения к концу ПЛ в результате воздействия прижимного усилия, создаваемого его внутренней поверхностью на тонкостенный изолятор, позволяет осуществить незначительную (порядка сантиметра и менее) его деформацию, обеспечивая плавный переход изолятора из выпуклого состояния к плоскому с образованием плоской линии в узле ускорения.
H
Проточка в съемном обратном токопроводе может быть прямоугольной формы, либо треугольной формы с углом относительно оси устройства, определяемым, как arctg (Δ/L), что позволяет уменьшить индуктивность перехода примерно вполовину.
H
Когда токопроводы съемные, то прямой токопровод смешен относительно наружной поверхности внутреннего проводника ПЛ на расстояние Δ. соответствующее размеру высоты для наружного сегмента внутреннего проводника ПЛ и определяемое расчетным способом при заданной ширине прямого токопровода. а смещение наружной границы внутренней проточки в обратном токопроводе осуществляется до границы внутренней поверхности внешнего проводника ПЛ с последующим ее креплением.
Таким образом, так как индуктивность перехода будет незначительной (порядка или меньше 1 нГн). индуктивность разрядного контура для ИИЭ останется практически на прежнем уровне, на таком, как если бы изолятор был прямым и не был частично деформируемым, что позволяет утверждать о создании узла ускорения плоских широкоформатных ударников с наиболее оптимизированными рабочими параметрами, а это в свою очередь приводит к тому, что ИИЭ может генерировать больший ток (а, следовательно, и максимальную напряженность магнитного поля), т.е. работать более эффективно.
Так как в узле ускорения смежные с изоляцией поверхности токопроводов с ударниками, содержащих ускоряемые (плоские пластины-ударники шириной несколько сантиметров) и неускоряемые участки такой же шириной, являются плоскими и между ними обычно выбирают зазор как можно меньше (не более нескольких миллиметров), то распределение линейной плотности в самом ударнике будет практически постоянным. Исключение составляют только края у проводников (ускоряемых и неускоряемых участков), на которых будет наблюдаться незначительное возрастание линейной плотности, обусловленное так называемым «краевым эффектом», которая заметней в начале неускоряемых участков. Таким образом, удается обеспечить практически однородное магнитное поле с большей максимальной напряженностью в зазоре между ударниками.
Также съемный токопровод может использоваться составным в результате его изготовления из отдельных пластин двух неускоряемых участков и ускоряемого участка (пластина-ударник) между ними. Применение таких токопроводов важно для случаев, когда в одном эксперименте нужно использовать разные материалы в пластинах-ударниках. Кроме того, при этом происходит удешевление устройства, так как можно сэкономить часть металла при изготовлении данного устройства, используя для создания узла ускорения небольшие заготовки из металлических отдельных пластин.
8
8
9
Чтобы получать в исследуемом образце при ударе ускоряемой части токопровода по нему большие давления (от десятков тысяч до миллиона и более атмосфер), необходимо пропускать в узле ускорения токи с линейной плотностью 10А/м и более. Достигается это тем. что генерируемые токи от источника питания подводятся в узле ускорения к токонроводам, у которых обычно ширина примерно в 10 или более раз меньше размера периметра коаксиального выхода ИИЭ. Таким образом, на поверхности плоских пластин-ударников будет воздействовать давление магнитного поля порядка 6.28 ГПа (62.8 кбар) при напряженности магнитного поля 10 А/м. Если же линейная плотность тока - 2×10 А/м. то давление будет 2,51 ТРа (25.1 Мбар). При переходе к большим плотностям тока в узле ускорения потребуется использовать более мощные ИИЭ с большими диаметрами коаксиальных выходов (например, дисковые взрывомагнитные генераторы диаметром 0.5-1 м).
H
При этом, так как глубина проточки Δ в обратном токопроводе незначительная, обычно в десятки раз меньше наружного диаметра внутреннего проводника передающей линии, то удастся использовать в заявляемом устройстве прямой изолятор цилиндрического типа, выполнив его плавный переход в месте соединения ПЛ с токопроводами, и организовав между ними качественный электрический контакт. Обычно толщина стенки тонкостенного изолятора всегда несколько меньше толщины зазора δ, где он располагается. Незначительное отличие толщины тонкостенного изолятора от глубины зазора 6 необходимо для того, чтобы достаточно просто расположить в зазоре вдоль всей длины изолятор.
Наличие же в токопроводах узла ускорения двух неускоряемых участков у каждого токопровода такой же шириной, как и у пластины ударника, являющейся ускоряемым участком, и длиной их на входе узла ускорения, соизмеримой с шириной данного ударника, необходимо для существенного уменьшения так называемого «коллекторного эффекта», возникающего в процессе перехода с большей ширины проводников ПЛ к меньшим ширинам узла ускорения и приводящего к неоднородному распределению плотности тока в месте перехода. [Г. Кнопфель. Сверхсильные импульсные магнитные поля - методы генерации и физические эффекты, связанные с созданием импульсных нолей Мегаэрстедного диапазона. М.: Мир. Москва. 1972 г. С. 189-191]. Данный эффект подтверждается также проведенными дополнительными расчетными исследованиям и.
В отличие от прототипа удалось сохранить зазор в узле ускорения практически постоянным и равным толщине тонкостенного изолятора из-за того, что:
- обратный токопровод выполнен съемным и имеет внутреннюю проточку в месте соединения его с передающей линией;
- ширина ускоряемых участков равна ширине неускоряемых и они равны в обоих токонроводах;
- прямой токопровод смещен относительно наружного радиуса внутреннего проводника передающей линии по направлению к оси устройства:
- неускоряемые участки имеют толщину, значительно большую, чем толщина ускоряемого участка.
2
Все это привело также к выравниванию плотности тока в узле ускорения со значительной площадью поверхности пластин-ударников порядка несколько десятков см, имеющих отрину, измеряемую несколькими сантиметрами и более.
На фиг. 1 показано устройство магнитного ускорения плоского внешнего ударника, которое выбрано в качестве прототипа.
На фиг. 2 приведено заявляемое устройство магнитного ускорения в двух противоположных направлениях (наружное и внутреннее) плоских ударников.
На фиг. 3 и фиг. 5 показан один из вариантов осуществленного сжатия тонкостенного изолятора в узле ускорения, крепления между собой ПЛ и узла ускорения с несъемным прямым токопроводом и со съемным обратным токопроводом и ускоряемых и неускоряемых участков в нем с целью обеспечения надежных электрических контактов в местах переходов.
На фиг. 4 и фиг. 6 приведен один из возможных вариантов, создания заявляемого устройства с полностью съемным узлом ускорения.
На фиг. 7 схематично изображен вариант исполнения узла ускорения, где его ускоряемые участки - ударники выполнены в виде дисков.
На фигурах 1-7 обозначено:
1 - импульсный источник энергии с коаксиальным выходом - ВМГ,
2 - взрывчатое вещество ВМГ.
3 - система инициирования взрывчатого вещества (ВВ),
4 - кроубар на входе ВМГ.
5 - клеммы для подключения источника начальной энергии,
6 - внешний проводник ВМГ.
7 - передающая линия (ПЛ) с плоским срезом под углом к оси устройства.
8 - цилиндрический внутренний проводник ПЛ с плоским срезом под углом к оси устройства.
9 - цилиндрический внешний проводник ПЛ с плоским срезом под углом к оси устройства.
10 - плоский срез.
11 - тонкостенный изолятор ПЛ и узла ускорения, 12- узел ускорения.
13 - обратный токопровод
14 - прямой токопровод,
15 - плоский ударник.
16 - второй плоский ударник.
17 - внутренняя проточка в обратном токопроводе,
18 - неускоряемый участок обратного токопровода на входе узла ускорения.
19 - периферийный неускоряемый участок обратного токопровода за пластиной-ударником,
20 - неускоряемый участок прямого токопровода на входе узла ускорения.
21 - периферийный неускоряемый участок прямого токопровода за пластиной-ударником.
22- испытываемый образец над пластиной-ударником в обратном токопроводе.
23 - испытываемый второй образец под пластиной-ударником в прямом токопроводе.
24 - крепежно-соединительная пластина для соединения периферийных неускоряемых участков между собой,
25 - шпильки с гайками для фиксации неускоряемых участков токопроводов;
26 - наружные крепежно-соединительные элементы,
27 - внутренние крепежно-соединительные элементы,
28 - боковые монтажные пластины, используемые для более точной фиксации при креплении токопроводов к ПЛ.
29 - пластина-ударник в виде диска,
30 - отверстие в токопроводе. цилиндрическая поверхность которого служит для устойчивого разгона диска-ударника.
31 - изоляционная вставка.
Другие обозначения.
ИИЭ - импульсный источник энергии.
ПЛ - передающая линия:
D - внешний диаметр внутреннего проводника коаксиального участка линии;
HB
r - наружный радиус внутреннего проводника передающей линии;
УУ - узел ускорения;
ОИТ - обостритель импульса тока:
УРС - уравнение состояния:
α - угол ПЛ. состоящей из цилиндрических внутреннего и внешнего проводников, имеющих плоский срез под углом к оси устройства;
----- линия условного разграничения отдельных участков токопровода:
Δ - глубина внутренней проточки в обратном токопроводе узла ускорения в прототипе;
H
Δ - глубина наружной проточки в прямом токопроводе заявляемого устройства, которая всегда несколько больше Δ;
δ - величины зазора подводящей линии;
h - ширина прямого и обратного токопровода,
d
r - радиус диска ударника.
Па фиг. 3 и фиг. 5 показан один из вариантов, где прямой токопровод. содержащий ударник, составляет единое целое с внутренним проводником передающей линии 8. Обратный токопровод. содержащий ударник, используется съемным и составным, состоящей из двух неускоряемых участков 18 и 19 и одного ускоряемого участка 15 (ударника), соединенных между собой заранее с помощью болтов.
H
Приложив усилия к неускоряемому участку 18 обратного токопровода. деформируют изолятор 11 в месте перехода под проточкой 17 на заданный размер Δ. осуществляя его прилегание к неускоряемому участку 20 прямого токопровода. После этого стягивают с помощью болтов данный токопровод с наружным проводником ПЛ. а также стягивают между собой токопроводы с помощью крепежно-соединительной пластины 24.
В результате таких операций размер зазора остается везде практически неизменным, и обеспечиваются надежные электрические контакты.
Для большей наглядности рассматриваемого устройства на фиг. 5 отдельно приведено его сечение на входе узла ускорения.
В таком устройстве удобно размещать образцы 22 и 23. подвергаемые испытаниям, на заданных расстояниях и с заданными толщинами с возможностью их сохранения с дополнительными мерами защитами, так как они вынесены за пределы места взрыва, а также использовать ударники, изготовленные из различных материалов.
Узел ускорения, приведенный на фиг. 4 и фиг. 6, мало чем отличается от рассмотренного ранее устройства (фиг. 3 и фиг. 5). Незначительное отличие заключается только в том. что сначала надо собрать полностью прямой токопровод из участков, изготовленных из отдельных пластин. Потом подсоединить его к внутреннему проводнику ПЛ. а дальше продолжать также, как в ранее рассмотренном варианте.
Преимущество у такого УУ заключается в том, что для него потребуется меньшее количество используемого материала, т.к. детали УУ простые и для них не потребуется громоздких заготовок.
Не показан вариант, когда прямой токопровод съемный и не является составным, изготовленным из отдельных пластин, так как он мало чем отличается от рассмотренных выше, где первоначально надо было сначала совершить ряд операций, чтобы соединить между собой составные участки для создания отдельного съемного прямого токопровода. А потом уже совершить действия, порядок которых, рассмотрен ранее.
d
d
На фиг. 7 показано устройство для магнитного ускорения плоских ударников, где ускоряемые части - ударники узла ускорения выполнены в виде двух дисков с радиусами r. расположенных в сквозных отверстиях также радиусом r в прямом и обратном токопроводах. разделенных по центру размещения каждого диска-ударника на два неускоряемых участка, и между их смежными прямыми торцевыми поверхностями располагаются изоляционные вставки.
Известно, что распределение линейной плотности тока на открытых краях проводников обычно возрастает, и это обусловлено, так называемым нежелательным «краевым эффектом», возникающим там. Чтобы частично устранить его, и было предложено расположить внутри неускоряемых массивных частей токопроводов ударники в виде дисков, т.е. по возможности убрать как можно больше открытых граничных поверхностей у них. Как показало численное моделирование и экспериментальная проверка, такой подход приемлем при создании устройств ускорения, и может оправдать себя в ряде случаев.
Работает устройство следующим образом. При подрыве взрывчатого вещества с помощью системы инициирования начинает работать импульсный взрывомагнитный источник, который предварительно запитан начальной энергией. В результате осуществляемой деформации его контура происходит сжатие магнитного потока, что приводит к увеличению выходной его энергии и. как следствие, к увеличению генерируемого тока в потребителе. Ток по передающей линии, состоящей из цилиндрических внутреннего и внешнего проводников, имеющих плоский срез под углом к оси устройства, подводится к узлу ускорения, имеющего постоянную ширину, которая много меньше размера периметра на выходе у ВМГ. Узел ускорения состоит из ускоряемых и неускоряемых участков, что позволяет получать практически однородное магнитное поле с большей максимальной напряженностью в зазоре между ударниками, необходимое для их ускорения.
В примере реализации заявляемого устройства длина неускоряемого участка на входе узла ускорения 9 см при длине пластины-ударника 5 см и ее ширине 9 см. как и в прототипе. Индуктивность такого узла ускорения составляет порядка 1,5 нГн. Общая же индуктивность с учетом внутренней проточки в обратном токопроводе (прямоугольный переход глубиной 1 см и длиной 1 см, индуктивность которого порядка 1нГн) получается порядка 2,5 нГн. что в 1.5 раза меньше, чем в прототипе, где она составляет порядка 3.7 нГн. При использовании же проточки треугольной формы ее индуктивность будет порядка 0,5 нГн, а индуктивность всего узла ускорения будет порядка 2 нГн, что примерно в 2 раза меньше, чем в в прототипе.
В прототипе распределение напряженности магнитного поля в УУ было неоднородное из-за существующей значительной кривизны у внутреннего проводника прямого токопровода. что существенно уменьшает эффективную площадь воздействия ударника на испытываемый образец, а также делает неравномерным зазор в его узле ускорения, изменяющимся с 1 мм до 11 мм. В то время, как в заявляемом устройстве зазор везде 1 мм.
Поэтому, чтобы частично устранить данный нежелательный эффект и улучшить в ускоряемом участке распределение линейной плотности, на входе узла ускорения всегда должны обязательно использоваться неускоряемые участки у токопроводов и их длины должны быть соизмеримы с шириной ускоряемого участка. При этом необходимо использовать токопроводы со смежными плоскими поверхностями. Но осуществление всего этого привело бы к увеличению в разы индуктивность узла ускорения, так как она тогда будет порядка 17 нГн. что в свою очередь потребует использования более энергоемкого ИИЭ.
Таким образом, создание устройства магнитного ускорения плоских ударников, где подводящая линия с узлом ускорения выполнена с сохранением на всей ее длине практически постоянного зазора, позволило уменьшить индуктивность узла ускорения ударников по отношению к рассматриваемому прототипу примерно в 2 раза, и обеспечить создание существенно более однородного максимального магнитного поля практически во всем узле ускорения. Это условие не выполняется в прототипе, так как устройство по прототип)' изготовлено без соблюдения необходимых требований для получения однородной напряженности магнитного поля. Таким образом, заявляемое устройство позволило повысить эффективность использования ИИЭ и расширить функциональные возможности узла ускорения плоских ударников.