EPFCG

thumb|300px|자속 압축 발생기의 단면도. 알루미늄 튜브는 구리선 나선형을 넘어 바깥쪽으로 확장된 끝에서 폭발한다. 다른 쪽 끝에서는 변압기를 통해 발전기가 전기 부하에 더 효율적으로 작동할 수 있다.

EPFCG(explosively pumped flux compression generator, 폭발적으로 펌프되는 자속 압축 발생기)는 고폭약을 사용하여 자기 선속을 압축함으로써 고출력 전자기 펄스를 생성하는 데 사용되는 장치이다.

EPFCG는 작동 중에 물리적으로 파괴되므로 일회용이다. 작동하려면 일반적으로 축전기에서 공급되는 시작 전류 펄스가 필요하다.

폭발적으로 펌프되는 자속 압축 발생기는 물리학 및 재료과학 연구에서 초고강도 자기장을 생성하고 펄스 전력 응용 분야를 위한 매우 강력한 전류 펄스를 생성하는 데 사용된다. 이는 핵 전자파 펄스 장치의 비용, 부작용 또는 엄청난 범위 없이 전자기 펄스를 생성하는 과도 전자기 장치로 알려진 전자전 장치의 전원으로 연구되고 있다.

이러한 발전기에 대한 첫 번째 연구는 1950년대 초 소련 사로프의 VNIIEF 핵 연구 센터에서 수행되었으며, 이어서 미국의 로스앨러모스 국립연구소에서 수행되었다.

 역사 
1950년대 초, 핵융합 연구를 수행하는 소련 과학자들에게 매우 짧고 강력한 전기 펄스의 필요성이 명확해졌다. 축전기에 에너지를 저장하는 마르크스 발생기는 당시 그러한 고전력 펄스를 생성할 수 있는 유일한 장치였다. 원하는 전력을 얻는 데 필요한 축전기의 엄청난 비용은 더 경제적인 장치에 대한 탐색을 촉진했다. 안드레이 사하로프의 아이디어에서 비롯된 최초의 자기 폭발 발전기는 이러한 역할을 수행하도록 설계되었다.

 역학 
thumb|right|upright=0.7|크기 B의 일정한 강도 자기장이 표면 S를 통과할 때, 선속 Φ는 B 곱하기 S와 같다.

자기 폭발 발전기는 아래에 자세히 설명된 "자기 선속 압축"이라는 기술을 사용한다. 이 기술은 장치가 작동하는 시간 척도가 충분히 짧아 저항 전류 손실이 무시할 수 있고, 전기 전도체(예: 구리선)로 둘러싸인 모든 표면을 통과하는 자기 선속이 표면의 크기와 모양이 변경되더라도 일정하게 유지될 때 가능하다.

이러속 보존은 맥스웰 방정식에서 증명될 수 있다. 이 닫힌 선속 보존에 대한 가장 직관적인 설명은 렌츠의 법칙에서 비롯된다. 렌츠의 법칙은 전기 회로를 통과하는 선속의 변화가 그 변화에 저항하는 회로의 전류를 유발한다고 말한다. 이러한 이유로, 자기장이 통과하는 닫힌 루프 도체로 둘러싸인 표면의 면적을 줄이면 자기 선속이 감소하게 되는데, 이는 전기 도체에 전류를 유도하여 닫힌 선속을 원래 값으로 유지하려는 경향이 있다. 자기 폭발 발전기에서는 도체 튜브나 디스크 주위에 폭발물을 채워 면적을 줄이며, 그 결과로 발생하는 내파가 튜브나 디스크를 압축한다. 선속은 자기장의 크기에 표면의 면적을 곱한 것과 같으므로, 표면적이 줄어들면 도체 내부의 자기장 강도가 증가한다. 압축 과정은 폭발물의 화학 에너지를 강렬한 자기장의 에너지와 그에 상응하는 큰 전류의 에너지로 부분적으로 변환한다.

자속 발전기의 목적은 극도로 강한 자기장 펄스를 생성하거나 극도로 강한 전류 펄스를 생성하는 것일 수 있다. 후자의 경우 닫힌 도체는 외부 전기 회로에 연결된다. 이 기술은 지구상에서 가장 강력한 인공 자기장을 생성하는 데 사용되었다. 약 1000 테슬라(일반적인 네오디뮴 영구 자석 강도의 약 1000배)에 달하는 자기장을 몇 마이크로초 동안 생성할 수 있다.

 자속 압축의 기본 설명 
thumb|left|upright=0.7|그림 1: 원래 자기장 선.
외부 자기장(파란색 선)은 완전 도체(저항이 0인)로 만들어진 닫힌 고리를 통과한다. 고리를 통과하는 총 자기 선속 는 자기장 에 고리를 가로지르는 표면 의 면적을 곱한 것과 같다. 아홉 개의 자기장 선은 고리를 통과하는 자기 선속을 나타낸다.

thumb|left|upright=0.7|그림 2: 링의 직경이 줄어든 후의 구성.
링이 변형되어 단면적이 감소한다고 가정해 보자. 5개의 자기장 선으로 표현되는 링을 통과하는 자기 선속은 링 면적과 같은 비율로 감소한다. 자기 선속의 변화는 패러데이 전자기 유도 법칙에 의해 링에 전류(빨간색 화살표)를 유도하고, 이는 다시 앙페르 회로 법칙에 의해 전선을 에워싸는 새로운 자기장(녹색 화살표)을 생성한다. 새로운 자기장은 링 외부의 자기장과 반대되지만 내부의 자기장과 합쳐져 링 내부의 총 선속이 유지된다. 5개의 파란색 선에 4개의 녹색 자기장 선이 추가되어 원래의 9개 자기장 선을 이룬다.

thumb|left|upright=0.7|그림 3: 압축 후의 자기장 선.
외부 자기장과 유도된 자기장을 합하면, 원래 구멍을 통과하던 자기장 선이 구멍 안에 머물러 선속이 보존되고, 도체 고리에 전류가 생성되는 것이 순 결과임을 알 수 있다. 자기장 선이 더 가깝게 "눌려" 있으므로, 링 내부의 (평균) 자기장 강도는 원래 면적과 최종 면적의 비율만큼 증가한다.

 다양한 유형의 발전기 
자속 압축의 간단한 기본 원리는 다양한 방식으로 적용될 수 있다. 이 분야의 선구자인 사로프의 VNIIEF에 있는 소련 과학자들은 세 가지 유형의 발전기를 고안했다.

 로버트 류다예프가 개발한 첫 번째 유형의 발전기(MK-1, 1951)에서는 권선 도체에 의해 생성된 자기 선속이 폭발물로 둘러싸인 속이 빈 금속 튜브 내부에 갇히고, 폭발물이 발사되면 격렬한 압축을 받는다. 동일한 유형의 장치는 12년 후 미국의 C. M. (맥스) 파울러 팀에 의해 로스앨러모스에서 개발되었다.
 두 번째 유형의 발전기(MK-2, 1952)에서는 외부 도체 권선과 폭발물로 채워진 중앙 도체 튜브 사이에 갇힌 자기 선속이 폭발파가 장치를 가로질러 이동할 때 중앙 튜브의 변형에 의해 생성된 원뿔형 '피스톤'에 의해 압축된다.
 블라디미르 체르니셰프가 개발한 세 번째 유형의 발전기(DEMG)는 원통형이며, 속이 빈 모듈을 만들기 위해 (원하는 출력에 따라 개수가 달라짐) 마주보는 한 쌍의 오목한 금속 디스크를 쌓아 놓았고, 폭발물로 분리되어 있다. 각 모듈은 독립적인 발전기 역할을 한다.

이러한 발전기는 필요에 따라 독립적으로 사용하거나, 연속적인 단계의 체인으로 조립할 수도 있다. 각 발전기에서 생성된 에너지는 다음 발전기로 전달되어 펄스를 증폭시키고, 이런 식으로 진행된다. 예를 들어, DEMG 발전기는 MK-2형 발전기에 의해 공급될 것으로 예상된다.

또한, 이들은 실험 직후 파괴될 수도 있고, 허용 가능한 사용 시간 내에 여러 번 다시 사용될 수도 있다.

 속이 빈 튜브 발전기 
1952년 봄, R. Z. 류다예프, E. A. 페오크티스토바, G. A. 치르코프, A. A. 치빌레바는 매우 높은 자기장을 얻기 위해 이 유형의 발전기로 첫 번째 실험을 수행했다.

thumb|center|속이 빈 튜브 발전기.
MK-1 발전기는 다음과 같이 작동한다:
 속이 빈 금속 도체 내부에 종방향 자기장이 생성되며, 이는 실린더를 둘러싸는 솔레노이드에 축전기 뱅크를 방전하여 이루어진다. 자기장이 실린더에 빠르게 침투하도록 하기 위해 실린더에는 틈이 있는데, 이는 실린더가 변형됨에 따라 빠르게 닫힌다.
 튜브 주변에 배치된 폭약은 솔레노이드를 통한 전류가 최대일 때 실린더의 압축이 시작되도록 하는 방식으로 폭발된다.
 폭발에 의해 방출되는 수렴형 원통형 충격파는 중앙 실린더의 빠른 수축(1km/s 이상)을 생성하여 자기장을 압축하고 위에서 설명한 대로 유도 전류를 생성한다(수축 속도는 1차 근사에서 줄 손실을 무시하고 실린더를 완전 도체로 간주할 수 있도록 한다).

첫 번째 실험에서는 초기 자기장 30 kG (3 T)를 고려할 때 수백만 가우스 (수백 테슬라)의 자기장을 얻을 수 있었으며, 이는 자유 공간 "공기"에서 H = B/μ0 = (3 Vs/m2) / (4π × 10−7 Vs/Am) = (약 2.4 MA/m)와 동일하다.

 나선형 발전기 
나선형 발전기는 주로 안전한 거리에 위치한 부하에 강렬한 전류를 공급하기 위해 고안되었다. 이들은 종종 다단계 발전기의 첫 번째 단계로 사용되며, 출구 전류는 두 번째 발전기에서 매우 강한 자기장을 생성하는 데 사용된다.
thumb|center|나선형 발전기의 기능.

MK-2 발전기는 다음과 같이 작동한다.
 금속 도체와 주변 솔레노이드 사이에 종방향 자기장이 생성되며, 이는 축전지 뱅크를 솔레노이드에 방전하여 이루어진다.
 전하가 점화된 후, 폭발파는 중앙 금속 튜브 내부에 배치된 폭발물에서 전파된다(그림에서 왼쪽에서 오른쪽으로).
 폭발파의 압력 효과로 인해 튜브는 변형되어 원뿔이 되고 나선형으로 감긴 코일과 접촉하여 단락되지 않은 권선 수를 줄이고 자기장을 압축하며 유도 전류를 생성한다.
 최대 자속 압축 지점에서 부하 스위치가 열리고, 이는 최대 전류를 부하에 전달한다.

MK-2 발전기는 최대 108 A (100 MA)의 강력한 전류와 매우 높은 에너지의 자기장을 생성하는 데 특히 유용하다. 폭발 에너지의 최대 20%가 자기 에너지로 변환될 수 있으며, 자기장 강도는 2 × 106 가우스 (200 T)에 달할 수 있다.

고성능 MK-2 시스템의 실용화는 대규모 연구팀에 의한 기초 연구가 필요했으며, 이는 1952년 첫 MK-2 발전기 생산과 1953년부터 100메가암페어 이상의 전류 달성에 이어 1956년까지 효과적으로 달성되었다.

 디스크 발전기 
thumb|center|디스크 발전기

DEMG 발전기는 다음과 같이 작동한다:
 내부가 원환면 형태의 속이 빈 모듈을 만들기 위해 마주보는 쌍으로 조립된 전도성 금속 디스크와 모듈 쌍 사이에 채워진 폭발물이 원통 내부에 쌓인다. 모듈 수는 원하는 전력에 따라 달라질 수 있으며(그림은 15개 모듈의 장치를 보여줌), 디스크의 반경도 (약 20~40cm) 달라질 수 있다.
 MK-2 발전기에서 공급되는 전류가 장치를 통해 흐르며, 각 모듈 내부에 강력한 자기장이 생성된다.
 폭발이 시작되면 축에서 시작하여 방사형으로 바깥쪽으로 전파되며, 삼각형 단면의 디스크 모양 돌출부를 변형시키고 축에서 멀어지게 밀어낸다. 이 도체 부분의 바깥쪽 움직임은 피스톤 역할을 한다.
 폭발이 진행됨에 따라, 도체 피스톤과 내부면의 동시 접근에 의해 각 모듈 내부의 자기장이 압축되고 유도 전류가 생성된다.
 유도 전류가 최대에 도달하면 퓨즈 개방 스위치가 끊어지고 부하 스위치가 동시에 닫혀 전류가 부하에 전달된다(부하 스위치 작동 메커니즘은 사용 가능한 문서에 설명되어 있지 않다).

VNIIEF에서는 최대 25개 모듈을 사용하는 시스템이 개발되었다. 직경 1m의 3개 모듈로 구성된 발전기에서 256 MA에서 100 MJ의 출력이 생성되었다.

 같이 보기 
 핀치 (물리학)
 폭발성 구동 강유전체 발전기
 폭발성 구동 강자성 발전기
 폭발적으로 펌프되는 가스 동력 레이저

 각주 

 외부 링크 
 폭발 구동 자속 압축 발전기를 사용한 로스앨러모스와 아르자마스-16 간의 과학적 협력
 폭발 자기 선속 압축 발전기 입문
 AGEX를 위한 초고강도 자기장 생성 (LANL)
 초강력 폭발성 자기 에너지원 (V.K. 체르니셰프, VNIIEF)
 구리의 동적 항복 강도를 결정하기 위한 고변형률 실험
 자기 표적 핵융합 – 미개척 매개변수 공간에서의 초고에너지 접근 방식

분류:에너지 무기
분류:마이크로파 기술
분류:러시아의 발명품
분류:소련의 발명품