Сильные импульсные магнитные поля в физическом эксперементе - Лагутин А.С.
ISBN: 5-283-03910-2
Скачать (прямая ссылка):
поверхности. Обычно решение уравнения (2.63) ищут, полагая
I grad 7^ = аЕг
(2.64)
где акт - параметры, определяющие максимальную запасенную при начальных
условиях тепловую энергию ?(0) =Е0. При т Ф 1
Д T(t) = -j- +
kc
1 2 1/2
- + ------------ E(t)
kz k0c0
где
m
Kvat +
1 - m
f 12 (t) R (t) dt
1 -я
Lo
(1-m)
Для m - l
(2.65)
1
' m -1
~ k +[~ + f J3 (О Я (t)dt exp(-kv a/)]1/2.
Kc Ik2 to kc 0 J
(2.66)
41
Таблица 2.3. Измеренные и расчетные значения выделенной тепловой энергии
Е и конечной температуры Тг для импульсного соленоида с внутренним
радиусом 1,2 см, наружным 2,15 и длиной 85смв зависимости от амплитуды
приложенного напряжении. Начальная температура 77 К [25]
Напряжение ис, В Эксперимент Теория
Tf, К Е, 103 Дж Tf, К Е, 103 Дж
325 79,2 0,22 78,2 0,116
650 82,5 0,555 80,5 0,466
1000 90,0 1,33 86,8 1,102
1325 100,0 2,39 95,4 1,934
1650 115,5 4,06 112,0 2,999
2000 135,5 6,47 133,3 4,407
Здесь с0 = с (77 К). Подставляя определенную таким образом ДГ в
(2.61), вычисляем изменение удельного сопротивления ре(Г), являющееся по
сути индикатором температуры обмотки, поскольку магни-тосопротивлением
ре(Я) при этих температурах можно пренебречь. Несмотря на сделанные в
расчете упрощения, принятая модель достаточно хорошо описывает
экспериментальные результаты (табл. 2.3).
Подход к расчету оптимальной конструкции спирального или одНЬ-виткового
соленоида отличен от принятого при расчетах многовитко-вых соленоидов с
постоянной по сечению обмотки плотностью тока, гак как особенностью
спиральных и одновитковых соленоидов является значительная неоднородность
распределения тока по сечению витка.
Уравнение теплового баланса для элемента соленоида имеет вид
т Тг с (T)D0
J J2(t)dt = f (2.67)
о Tj Ре{Т)
где с (Г) - удельная теплоемкость; ре (Г) - удельное сопротивление.
Примеры использования этого соотношения для расчета распределения
температуры по обложке спирального соленоида приведены в обзоре
Троссингера [25].
На этом завершим обсуждение проблем, связанных с методами получения СМП с
помощью неразрушающихся соленоидов, и перейдем к рассмотрению конкретных
конструкций, используемых для многократной генерации СМП. Они не
охватывают, разумеется, всех возможных вариантов, но имеют, на наш
взгляд, интересные технические решения.
42
3"tr
2.2. СОЛЕНОИДЫ С ОДНОРОДНЫМ ПО АКСИАЛЬНОМУ СЕЧЕНИЮ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ТОКА
Обширное исследование вопросов конструирования таких соленоидов проведено
Герсдорфом и коллегами [36, 37]. В первой работе предложен метод
оптимизации соленоида с учетом его нагрева за время импульса, рассчитаны
усилия в соленоиде для разных вариантов его| конструкции. Аналогичные, но
бопее детальные расчеты позднее были проделаны Мелвиллом и Маттоксом
[47], причем их выводы были экспериментально подтверждены в [48], где
тензометрическими датчиками измеряли механические напряжения в обмотке
соленоида. В общем же случае проектирование оптимального соленоида есть
задача многопараметрическая, включающая в себя задание не только
максимальной амплитуды поля и его длительности, но и однородности
создаваемого поля, предельно допустимого нагрева проводника, а также
специальных условий эксперимента.
Кроме того, на практике очень важен выбор устройства, осуществляющего
коммутацию импульсного соленоида с источником импульсного тока. По мере
нарастания максимального тока для такой коммутации используются
тиристоры, игнитроны и вакуумные разрядники (см. подробнее [11]).
Наиболее просты в управлении (/упр " 1 А, С/упр " ~ 10 В) тиристоры,
создающие, помимо того, и наименьший уровень электромагнитных помех в
импульсе. Ртутные вентили - игнитроны, а также вакуумные разрядники
применяются в тех случаях, когда разрядные токи превосходят 100 ас А. В
последние годы, однако, все чаще применяются схемы параллельного
включения тиристоров, также позволяющие осуществлять коммутацию токов
порядка сотен килоампер. К настоящему времени в СССР серийно выпускаются
тиристоры с максимальным рабочим напряжением до 3,5 кВ и током в импульсе
до 20 кА (для т00 = 10"2 с). Пример практически реализованной схемы
коммутации приведен в п. 2.2.2.
2.2.1. Основные элементы конструкции. Обычно для изготовления
соленоида с однородным распределением тока используется медный провод
прямоугольного сечения. Это, во-первых, позволяет получить хороший
коэффициент заполнения Xs и, во-вторых, обеспечивает большую механическую
прочность по сравнению с проводом круглого сечения - благодаря меньшему
объему пустот в обмотке. Применение комбинированного провода (например,
стали, покрытой медью) позволяет увеличить как ресурс соленоида, так и
максимально достижимое значение напряженности поля [10, 49, 203]. В этом
случае прочность соленоида в основном определяется сталью, а
электропроводность - медью. Выбирая соотношение медь - сталь для сечения
провода, можно, как показано расчетом в [49], изготовить соленоид,
способный без разрушения генерировать поле, значительно (примерно на 30%)