Сильные импульсные магнитные поля в физическом эксперементе - Лагутин А.С.
ISBN: 5-283-03910-2
Скачать (прямая ссылка):
достижимого поля при Вт > > 100 т 200 Тл, когда уже необходимо учитывать
и сжимаемость материала лайнера, и максимальную скорость внутренней
поверхности. В этом случае можно при магнитогидродинамических расчетах
процесса схлопывания лайнера использовать двумерную модель, полагая тем
не менее материал лайнера несжимаемым [105]. Несмотря на такое упрощение,
результаты численного моделирования (рис. 3.14) хорошо согласуются с
полученными экспериментальными данными [102].
333. Прямой разряд на одновитковый соленоид. Наряду с рассмотренными
методами генерации ССМП интенсивно развивается и самый простой из них -
метод разряда конденсаторной батареи на одновитковый соленоид [106-110].
Главным препятствием в этом случае оказывается быстрое увеличение
радиальных размеров соленоида во время импульса под действием
пондеромоторных сил. Например, в поле с Вт = 500 Тл скорость разлета
материала витка под действием магнитного давления достигает 1 км/с, при
этом соленоид внутренним диаметром 5 мм удваивает свои начальные размеры
менее чем за 1 мкс. Кроме того, линейная плотность тока в одновитковом
соленоиде мала (см. гл. 2), поэтому для получения в нем ССМП необходимо
использовать в качестве источника энергии малоиндуктивную высоковольную
конденсаторную батарею, позволяющую за малый промежуток времени
95
и,г,В
Рис. 3.13. Результаты численного расчета сжатия потока металлическим
лайнером (энергоемкость батареи 285 кДж, лайнер медный диаметром 66 и
длиной 20 мм, толщина стенок 1 мм, индукция стартового поля 2,8 Тл; Гр,
гр и /р - расчетные знамения температуры, среднего радиуса лайнера и
тока, наведенного в нем; Др и Вэ - расчетное и экспериментальное значения
индукции; 1" - ток в первичном соленоиде; т, и г2 - внутренний и наружный
радиусы лайнера; все величины прив едены в относительных единицах) [ 104
]
подвести к импульсному магниту достаточную для создания ССМП энергию.
Современные установки способны генерировать поле с Вт = = 100 т 400 Тл в
области объемом 0,1-1 см3 при запасаемой энергии 10-100 кДж; напряжение
на конденсаторных батареях составляет 10-40 кВ, а ток через соленоид
достигает нескольких мегаампер (табл. 3.5).
Например, в генераторе ССМП, показанном на рис. 3.15, конденсаторная
батарея энергоемкостью 55 кДж и максимальным напряжением 20 кВ
применялась для создания поля с Вт = 100 Тл (в рабочем отверстии
диаметром 10 мм), 150 Тл (5 мм), 200 Тл (2,5 мм). Использовался
тонкостенный соленоид, изготовленный из листовой меди толщиной 2 мм.
Соленоиды такого типа оказались значительно более подходящими для
генерации ССМП по сравнению с толстостенными [ 107].
Рис. 3.14. Расчетные распределения тока в первичном (ускоряющем лайнер)
соленоиде (а), тока в лайнере (б-д, ж) и температуры внутренней
поверхности лайнера (е, з) [105]. Время измеряется от момента
возникновения тока в первичном соленоиде (/п - ток в первичном соленоиде;
Т - температура слоев лайнера; z - расстояние от центра симметрии; т -
радиус; /+ и /_ соответствуют направлениям наведенного в лайнере тока,
параллельному и антипараллельному направлению тока в первичном соленоиде)
96
б/
22,5 мкс
Рис 3.14
з)
62,5 мкс
д)
У 2,5мкс
Ж)
62,5ц кс
г,им
K.Smhc
г!
У2,5мкс
а/
6)
П
Рис. 3.15. Типичный одновитковый генератор ССМП, применяемый для физичес
ких исследований [26]:
а - вид сверху (защитный экран не показан) ; б - вид сбоку на коллектор,
коммутатор и соленоид; индуктивность коллектора и коммутатора 7 нГн,
кабелей и их соединений 3 иГн, конденсаторов 2 нГн; 1 - одновитковый
соленоид; 2 -станина; 3 - кабели от конденсаторов; 4 - изоляция; 5 -
коллектор; 6 - болтовое соединение; 7 - разрядник; 8 - гидравлический
пресс; 9 - защитный экран
Таблица 3.5. Параметры установок для получения ССМП с помощью
одновитковых соленоидов
Параметр [87] [199] [106] [26]
Напряжение на конден- 20 25 30 40
саторной батарее, кВ
Энергоемкость, кДж 55 38 20 100
Максимальный ток, МЛ 1,3 1,4 1 2Д; 2,1; 2
Время нарастания им- 1,6 1,7 1,6 2,5; 2; 1,9
пульса, мкс
Максимальная индукция. 200 225 350 150; 200; 240
Тл
Внутренний диаметр, мм 2,5 2,4 2 10; 6; 4
Высота витка, мм 5 5 2 10; 7; 6
98
К числу основных процессов, ограничивающих значение индукции в
одновитковых соленоидах, относятся пластическая деформация, нелинейная
магнитная диффузия поля в проводник и взрыв скин-слоя. Эти процессы
взаимосвязаны. Они приводят к изменению размеров соленоида, физических
свойств его материала, росту эффективного радиуса токового слоя и,
следовательно, к ограничению амплитуды поля [108]. Вклад каждого из них в
разрушение соленоида зависит от конкретных условий эксперимента:
размеров, формы и материала соленоида, амплитуды, длительности и формы
импульса поля и т.д.
Ниже приводятся результаты экспериментов А.М. Андрианова и коллег [108]
по изучению закономерностей генерации ССМП в тонкостенных соленоидах. У
таких соленоидов велик геометрический фактор Kf, связывающий мгновенные
