РЕЗОНАНСНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ
RESONANCE ELECTROMAGNETIC ACCELERATOR

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для моделирования микрометеоритов и техногенных частиц.
Известен линейный многоступенчатый ускоритель, состоящий из ферромагнитной частицы, диэлектрической трубки, тягового соленоида, управляющего устройства, датчика линейного ускорения трубки и средства поочередной коммутации (Патент РФ №2331033, МПК F41B 6/00, опубл. 10.08.2008. Бюл.22).
Наиболее близким аналогом является многоступенчатый ускоритель с бегущим переключением соленоидов (Патент РФ №2324249, МПК F41B 6/00, от 10.05.2008. Бюл.13), содержащий ферромагнитный ускоряемый объект, цилиндрическую немагнитную трубку с соосно закрепленными на ней и последовательно расположенными тяговыми соленоидами, средства коммутации обмоток соленоидов по сигналам управляющего устройства и конденсаторный источник энергии.
Однако они обладают следующими недостатками:
- Ускоритель имеет низкую эффективность ускорения частицы.
- Наличие цепей рекуперации самоиндукции катушек.
- Применение двух конденсаторных накопителей.
- Использование полумостового включения коммутаторов, что удваивает потери на активном сопротивлении ключей.
- Жесткий режим коммутации.
- Усложненная конструкция тяговых соленоидов из-за наличия сенсорных обмоток.
Поставлена задача разработать электромагнитный ускоритель, свободный от вышеуказанных недостатков.
Поставленная задача достигается тем, что в электромагнитном ускорителе, содержащем ферромагнитный ускоряемый объект, цилиндрическую немагнитную трубу с соосно закрепленными на ней и последовательно расположенными тяговыми соленоидами, средства коммутации обмоток соленоидов по сигналам управляющего устройства, силовые шины коммутации и конденсаторный источник энергии, согласно изобретению введены силовые ключи, изолированные драйвера, обратные диоды, датчик тока и шина управления, первые входы тяговых соленоидов подключены к соответствующим им выходам силовых ключей, вторые входы тяговых соленоидов подключены к первой силовой шине коммутации, первые входы силовых ключей подключены к соответствующим выходам изолированных драйверов, вторые входы силовых ключей подключены к второй силовой шине коммутации, входы драйверов подключены к шине управления, первый выход конденсаторного источника энергии подключен к первой силовой шине коммутации, второй выход конденсаторного источника энергии подключен к входу датчика тока, первый выход датчика тока подключен к второй силовой шине коммутации, второй выход датчика тока подключен к входу управляющего устройства, выход управляющего устройства подключен к шине управления.
Сущность изобретения подтверждается чертежом, где изображена структурная схема резонансного электромагнитного ускорителя.
Устройство содержит ферромагнитный ускоряемый объект 1, диэлектрическую трубку 2, тяговые соленоиды 3, силовые ключи 4, изолированные драйверы ключей 5, обратные диоды 6, конденсаторный накопитель энергии 7, систему управления 8, датчик тока 9, шину управления 10, силовые шины коммутации соленоидов 11. Ферромагнитная частица 1 находится внутри немагнитной диэлектрической трубки 2, на которой соосно закреплены тяговые соленоиды 3. Подключенные одним концом обмотки через силовую шину коммутации соленоидов 11 к конденсаторному накопителю энергии 7, а другим к силовым ключам. Управляющие электроды силовых ключей 4 подключены к выходам соответствующих изолированных драйверов 5, входы которых через шину управления 10 соединены с системой управления 8. Последовательно силовым ключам 4 подключены обратные диоды 6, катоды которых через силовую шину коммутации соленоидов 11 соединены с накопителем 7 так, что каждая ступень образует замкнутый контур. Между одним электродом накопителя 7 и силовой шиной коммутации соленоидов включен датчик тока 9, выход которого соединен с системой управления 8.
Устройство работает следующим образом. Конденсаторный накопитель 7 согласован с соленоидами 3 так, что переходные процессы во всех контурах имеют периодический характер. Частота свободных колебаний каждого следующего контура увеличивается за счет уменьшения индуктивности соленоидов 3 каждой следующей ступени. В начальный момент времени по сигналу системы управления 8 отпирается силовой ключ 4 первой ступени ускорителя. Конденсаторный накопитель 7 начинает разряжаться на первый соленоид, в резонансном режиме. Ток, протекающий через соленоид, порождает магнитное поле, которое, взаимодействуя с ферромагнитным ускоряемым объектом 1, начинает втягивать его в диэлектрическую трубку ускорителя 2. К моменту времени, когда объект достигает середины первой катушки, должен пройти полупериод резонансных колебаний RLC контура первой ступени. Ток, изменяющийся по синусоидальному закону к этому моменту времени, становится равным нулю, а конденсаторный накопитель перезаряжается до напряжения обратной полярности, за вычетом потерь и затраченной энергии. Датчик тока 9 фиксирует нулевое значение и подает сигнал на систему управления 8, которая через соответствующие драйверы 5 закрывает первый ключ 4 и с некоторой задержкой открывает второй. Задержка включения второго ключа необходима для входа частицы в эффективную ускоряющую зону следующего соленоида. При замыкании второго ключа повторяется процесс резонансного перезаряда накопителя, но полупериод колебаний уменьшается за счет снижения индуктивности второго соленоида. Это необходимо для согласования времени пролета ускоряемого объекта и времени протекания тока во второй ступени ускорителя. Диоды 6 в цепях коммутации защищают силовые ключи от пробоя обратным напряжением и отсекают вторую полуволну тока. Соленоиды четных и нечетных ступеней подключены таким образом, что накопитель поочередно перезаряжается через них, направление тока, несмотря на меняющуюся полярность напряжения накопителя, остается постоянным. Дальнейшая работа ускорителя контролируется системой управления, последовательно включающей тяговые соленоиды по сигналу датчика тока.
Применение предложенного технического решения позволяет повысить эффективность разгона за счет использования всей энергии конденсаторного накопителя на каждой ступени и за счет снижения длительности импульса исключить явление самоиндукции, повысить помехозащищенность системы, значительно снизить массогабаритные параметры благодаря применению одного накопителя для питания нескольких ступеней и отсутствию цепей рекуперации самоиндукции. Таким образом, предложенный ускоритель имеет большую эффективность, позволяет разгонять частицы различных форм и размеров до космических скоростей.