МАГНИТОКУМУЛЯТИВНЫЙ ГЕНЕРАТОР

МАГНИТОКУМУЛЯТИВНЫЙ ГЕНЕРАТОР 


RU (11) 2119233 (13) C1

(51) 6 H02N11/00 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 13.11.2007 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 96112925/25 
(22) Дата подачи заявки: 1996.06.20 
(45) Опубликовано: 1998.09.20 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: Сахаров А.Д. Взрывомагнитные генераторы. - УФН, 1966, т.88, N 5, с. 725 - 734. SU, авторское свидетельство, 765396, кл. H 02 N 11/00, 23.11.83. 
(71) Заявитель(и): Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно- исследовательский институт экспериментальной физики; Министерство Российской Федерации по атомной энергии 
(72) Автор(ы): Дубинов А.Е.; Селемир В.Д. 
(73) Патентообладатель(и): Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно- исследовательский институт экспериментальной физики; Министерство Российской Федерации по атомной энергии 

(54) МАГНИТОКУМУЛЯТИВНЫЙ ГЕНЕРАТОР 

Применение: техника получения сверхсильных магнитных полей и больших импульсных токов. Сущность: принцип работы генератора основан на быстром обжатии магнитного потока внутри замкнутой проводящей оболочки. Новым в предлагаемом генераторе является средство обжатия магнитного потока, а именно ускоритель электронов, нагруженный мишенью тормозного излучения, а также наличие легкоионизирующегося газа внутри оболочки. Обжатие магнитного потока в данном генераторе осуществляется бегущей с околосветовой скоростью волновой ионизации газа, вызванной потоком комптоновских электронов, которые, в свою очередь, продуцируются потоком гамма-квантов, выбитых с мишени ускорителя. Техническим результатом является исключение разрушения генератора и устранение опасности развития неустойчивости Релея-Тейлора. 3 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к технике получения сверхсильных магнитных полей и больших импульсных токов.

Известны устройства для получения сверхсильных магнитных полей и больших импульсных токов, называемые магнитокумулятивными генераторами (МК-генераторами), принцип действия которых основан на быстром адиабатическом обжатии токонесущих контуров [1] (Сахаров А.Д., Людаев Р.З., Смирнов Е.Н., Плющев Ю. И., Павловский А.И., Чернышев В.К., Феоктистова Е.А., Жаринов Е.И., Зысин Ю. А. Магнитная кумуляция, ДАН СССР, 1965, т. 165, N 1, с. 65 - 68).

Большинство МК-генераторов содержат источник начального магнитного поля, проводящую оболочку и полость сжатия магнитного потока, а также содержат средство осуществления обжатия этой оболочки. В известных МК-генераторах этим средством является заряд взрывчатого вещества (ВВ), поэтому МК-генераторы иногда называют взрывомагнитными генераторами. Различают две разновидности МК-генераторов: генераторы свехсильного магнитного поля с симметричным обжатием магнитного потока (МК-1) и генераторы больших импульсных токов со смещением магнитного потока в нагрузку (МК-2). Большое количество конструктивных схем МК-генераторов обеих разновидностей представлено в обзорах [2] (Сахаров А. Д. Взрывомагнитные генераторы. УФН, 1966, т. 88, N 5, с. 725 - 734) и [3] (Павловский А. И. , Людаев Р.З. Магнитная кумуляция - в кн. " Вопросы современной экспериментальной и теоретической физики". -Л.: Наука, 1984, с. 206 - 270).

Основным недостатком известных МК-генераторов является их разрушение после первого же импульса, что является следствием использования ВВ в качестве средства обжатия проводящей оболочки. Кроме того, недостатком является следующее обстоятельство: обжатие проводящей оболочки сопровождается массопереносом вещества (паров металла, продуктов взрыва ВВ, плазмы), что способствует развитию неустойчивости Рэлея-Тейлора, заключающейся в искривлении фронта обжатия с последующим образованием мелких замкнутых контуров, захватывающих часть магнитного потока и не участвующих в процессе кумуляции. Фактически эта неустойчивость приводит к снижению КПД МК-генератора. Для устранения развития этой неустойчивости принимают специальные меры%: МК-генератор имеет многослойную структуру проводящих оболочек [4] (Павловский А.И., Долотенко М. И. , Колокольчиков Н.П., Быков А.И., Егоров Н.И., Таценко О.М. Стабилизация устойчивости схлопывающейся оболочки при магнитной кумуляции энергии. Письма в ЖЭТФ, 1983, т. 38, N 3, с. 437 - 439), что усложняет конструкцию МК-генераторов. Кроме того, внутренние слои структуры как дополнительные преграды требуют затрат энергии для своего разгона.

Наиболее близким к прелагаемому генератору по технической сущности является МК-генератор, описанный в [5] (Чернышев В.К., Протасов М.С., Шевцов В.А. Взрывомагнитный генератор, а.с. СССР N 795396, кл. H 02 N 11/00, опубл. 23.11.83, БИ N 43) и содержащий проводник в виде проводящей оболочки, ограничивающей полость сжатия магнитного потока, и источник начальной электрической энергии, подключенный к токовводу проводника, причем средство обжатия полости здесь также представляет собой заряд ВВ.

Работает генератор [5] следующим образом: после создания в полости начального потока магнитного поля заряд ВВ инициирует внутри волну сжатия полости. При этом происходит захват магнитного потока и кумуляция магнитного поля.

МК-генератор [5], выбранный нами за прототип, имеет те же самые недостатки, что и описанные выше, известные МК-генераторы: во-первых, использование заряда ВВ приводит к разрушению генератора, и, во-вторых, перенос массы в волне сжатия оболочки также приводит к развитию неустойчивости Рэлея-Тейлора, в определенной стадии которой на ее фронте происходит образование мелких замкнутых контуров, захватывающих часть магнитного потока и не участвующих в процессе магнитной кумуляции. Это приводит к диссипации магнитной энергии в основном контуре, содержащем нагрузку, и к снижению КПД МК-генератора.

Таким образом, техническая задача состоит в том, чтобы исключить разрушение МК-генератора при срабатывании, а также увеличить его КПД. Решение этой задачи способствовало бы более широкому применению МК-генераторов при исследованиях по программе управляемого термоядерного синтеза, а также при исследовании материалов в экстремальных состояниях.

Техническим результатом предлагаемого решения является, во-первых, исключение разрушения МК-генератора за счет изменения средства обжатия проводящей оболочки, и, во-вторых, устранение опасности развития неустойчивости Рэлея-Тейлора за счет исключения массопереноса при обжатии.

Этот технический результат достигается тем, что магнитокумулятивный генератор, содержащий проводник в виде проводящей оболочки, ограничивающей полость сжатия магнитного потока, и источник начальной электрической энергии, подключенный к токовводу проводника, снабжен по меньшей мере одним ускорителем электронов и мишенью для генерации тормозного электромагнитного излучения, расположенной между ускорителем и оболочкой, а полость сжатия заполнена газом.

В предлагаемом МК-генераторе обжатие магнитного потока осуществляется бегущим с околосветовой скоростью фронтом ионизации газового объема, вызванной гамма-квантами, которые продуцируются на мишени ускорителя электронов. Ионизация газа идет следующим образом: гамма-кванты, энергия которых может достигать нескольких мегаэлектронвольт, выбивают из атомов газа комптоновские электроны с энергией примерно в несколько десятых долей от энергии гамма-квантов. Комптоновские электроны в свою очередь ионизируют газ, вызывая множественное рождение вторичных электронов (на один мегавольтный электрон может приходиться от 103 до 105 вторичных электронов).

Полученная таким образом ионизированная среда - плазма способна проводить электрический ток, а бегущий фронт ионизации - вытеснять магнитное поле. На возможность вытеснения магнитного поля движущимся фронтом ионизации указывалось в [6] (Компанеец А.С. Радиоизлучение атомного взрыва. II., в кн. Компанеец А.С. Физико-химическая и релятивистская газодинамика. -М.: Наука, 1977, с. 83 - 91).

Ионизация газовой среды осуществляется без переноса массы: электроны рождаются на фронте волны ионизации, слабо передвигаясь вдоль направления ее распространения. Таким образом, опасность возникновения неустойчивости Рэлея-Тейлора полностью исключена.

На фиг. 1 показан пример конструкторского выполнения МК-генератора для получения больших импульсных токов.

На фиг. 2 показан пример конструкторского выполнения МК-генератора для получения сверхсильных магнитных полей.

На фиг. 3 показаны два мгновенных распределения магнитного поля H(z) в плоскопараллельной конфигурации обжатия магнитного потока, где обозначено цифрами: I - мгновенное положение фронта ионизации; II - мгновенное положение фронта гамма-квантов; III - положение противоположной стенки оболочки; Ho - начальное магнитное поле; стрелкой показано направление движения волны обжатия.

Предлагаемый МК-генератор содержит источник начальной электрической энергии (начального магнитного поля), выполненный, например, в виде конденсаторной батареи 1 и подключенный с помощью передающей кабельной линии 2 и токоввода 3 к замкнутой проводящей оболочке 4. Эта оболочка ограничивает полость сжатия магнитного потока 5, имеющую либо тороидальную (фиг. 1), либо цилиндрическую (фиг. 2) форму. Полость заполнена газом определенного сорта и давления. Для получения наибольшей проводимости в качестве газа можно использовать легко ионизируемый газ, например аргон, при давлении > 10 атм, с небольшой добавкой паров щелочного металла, например цезия. Большое давление газа выбрано для уменьшения длины свободного пробега комптоновских электронов с целью уменьшения размеров МК-генератора.

Со стороны одного из торцов проводящей оболочки МК-генератора, показанного на фиг. 1, размещен сильноточный ускоритель электронов 6, подобный описанным в [7] (Павловский А.И., Босамыкин В.С., Селемир В.Д., Гордеев В.С. , Дубинов А.Е., Иванов В.В., Клементьев А.П., Корнилов В.Г., Ватрунин В.Е., Жданов В.С., Коновалов И.В., Приходько И.Г., Суворов В.Г., Шибалко К.В. Линейные индукционные ускорители для СВЧ-генераторов - в сб. "Релятивистская высокочастотная электроника", вып. 7. - Н-Новгород: ИПФ РАН, 1992, с. 81 - 193), на выходе которого располагается мишень 7, выполненная из материала с большим атомным номером Z, например из тантала.

Приведенный пример МК-генератора относится к генераторам, служащих для получения больших импульсных токов. Укажем, что конструктивно возможно реализовать в соответствии с предлагаемым решением и другие генераторы этой разновидности, например спиральные, дисковые и т.д. (см. [3]).

Другая разновидность МК-генераторов, служащих для получения сверхсильных магнитных полей, требует симметричного обжатия магнитного потока. С этой целью необходимо использовать несколько ускорителей 6, нагруженных мишенями тормозного излучения 7 и размещенных по окружности, в центре которой располагается проводящая оболочка 4 (см. фиг. 2). Пример такой системы ускорителей (установка "АНГАРА-5"), состоящей из 8 модулей, описан в [8] (Рудаков Л.И., Бабыкин М.В., Гордеев А.В., Демидов Б.А., Королев В.Д., Тарумов Э.З. Генерация и фокусировка сильноточных релятивистских электронных пучков. -М: Энергоатомиздат, 1990).

Работает предлагаемый МК-генератор (оба примера) следующим образом. При разряде конденсаторной батареи 1 на проводящую оболочку 4 в последней начинает протекать электрический ток. По достижении этим током максимума запускается сильноточный электронный ускоритель (или система ускорителей) 6. Ускоренные в ускорителе электроны ударяют по мишени (мишеням) 7 и выбивают из нее (них) гамма-кванты. Гамма-кванты, проходя сквозь оболочку 4, попадают внутрь полости 5 и выбивают в газе комптоновские электроны, которые в свою очередь ионизируют газ, вызывая множественное рождение вторичных электронов. По полости 5 начинает бежать волна ионизации, фронт которой несколько отстает от фронта гамма-квантов. Волна ионизации захватывает магнитный поток, чем осуществляется магнитная кумуляция.

Однако явление кумуляции магнитного поля (электромагнитные аспекты этого процесса) в предлагаемом МК-генераторе происходит несколько иначе, чем в известных генераторах, в которых скорость обжатия контура на несколько порядков меньше скорости света. Если в известных МК-генераторах магнитное поле всегда квазистатично и равномерно внутри контура, то в предлагаемом генераторе структуру магнитного поля качественно (в одномерном приближении) можно представить в виде уединенной волны (фиг. 3), в теле которой и происходит сама кумуляция. По мере продвижения этой волны по плазме протекает все больший и больший ток, замкнутый токами смещения. Разумеется в плазме возникнут силы магнитного давления, направленные против обжатия, однако фронт ионизации будет неизменно двигаться вперед, так как на гамма-кванты не действуют никакие силы. Как только фронт волны гамма-квантов достигнет противоположной стенки полости сжатия магнитного потока (для примера на фиг. 1) или встречного фронта гамма-квантов (для примера на фиг. 2), тогда начнется вторая стадия магнитной кумуляции, которая с этого момента пойдет еще эффективней: магнитное поле будет увеличиваться скачком с каждым переотражением электромагнитной волны от проводящих токонесущих границ и от надвигающегося фронта ионизации, который отстает от фронта гамма-квантов. Эта стадия кумуляции рассмотрена в [9] (Барсуков К.А., Григорян Г.А. К теории сжатия электромагнитного поля. -Изв. АН Арм. ССР, сер.: физика, 1982, т. 17, N 1, с. 3 - 9), где получены точные выражения для составляющих электромагнитного поля при обжатии плоского промежутка.

Характерная длительность импульса скачка тока или величины магнитного поля в заключительной стадии кумуляции равна примерно разности времени пробега по газу фронтов волны гамма-квантов и волны ионизации. Отметим, что факт отставания волны ионизации от волны гамма-квантов объясняется отставанием комптоновских электронов от гамма-квантов, их породивших, приобретением поперечных составляющих импульса комптоновскими электронами при многократных неупругих столкновениях с атомами газа при его ионизации, а также другими причинами. Величину отставания фронта ионизации легко измерить в каждой конкретной экспериментальной ситуации.

Поскольку характерные времена процессов в предлагаемом МК-генераторе на 3 - 5 порядков меньше, чем характерные времена процессов в известных МК-генераторах, то при той же толщине скин-слоя сжимающейся плазмы возможна проводимость последней также на 3 - 5 порядков меньшая, чем при обжатии контура в [2, 3]. К тому же, как указано в работе [10] (Шнеерсон Г.А. Процессы разрушения соленоидов в мегагауссных магнитных полях и оценки перспектив получения максимально возможных полей в кн. "Сверхсильные магнитные поля. Физика. Техника. Применение.". -М.: Наука, 1984, с. 70 - 76), проводимость продуктов обжатия контура в известных МК-генараторах примерно на 3 порядка ниже проводимости металла в исходном состоянии (для сравнения укажем, что проводимость обычной меди составляет 58 (МСмм-1)). Итого, достаточна проводимость плазмы в предлагаемом МК-генераторе уже на уровне 102 - 103 (мСмм-1). Это обстоятельство предопределяет использование современных сильноточных ускорителей электронов, поток излучения гамма-квантов которых способен ионизировать газ до необходимой в каждом конкретном случае проводимости. Кроме того, малость толщины скин-слоя, а также высокая скорость волны ионизации практически полностью исключают потери магнитного потока вследствие его диффузии сквозь движущуюся плазму.

В заключении укажем еще на одно обстоятельство. Современный уровень развития сильноточной ускорительной техники пока не составляет конкуренции по уровню запасаемой энергии устройствам, преобразующим энергию взрыва. Поэтому энергосодержание в магнитном поле будет в предлагаемом МК-генераторе существенно ниже, чем в известных МК-генераторах, однако сама величина магнитного поля в предлагаемом МК-генераторе или, что тоже самое - объемная плотность энергии магнитного поля может достигать тех же значений, что и в известных генераторах. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



Магнитокумулятивный генератор, содержащий проводник в виде проводящей оболочки, ограничивающей полость сжатия магнитного потока, и источник начальной электрической энергии, подключенный к токовводу проводника, отличающийся тем, что он снабжен по меньшей мере одним ускорителем электронов и мишенью для генерации тормозного электромагнитного излучения, расположенной между ускорителем и оболочкой, а полость сжатия заполнена газом.




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ:
Гелиоэнергетика - Солнечные электростанции, Солнечные батареи. Солнечные коллекторы;
Ветроэнергетика - Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели;
Волновые электростанции. Гидроэлектростанции;
Термоэлектрические источники тока;
Химические источники тока;
Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ;
Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии;
Генераторы постоянного электрического тока. Электрические машины.



Устройства и способы получения, преобразования, передачи, экономии и сохранения электрической энергии




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+электрический -генератор".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "генератор" будут найдены слова "генераторы", "ренераторов" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("генератор!").


Солнечные электростанции. Гелиоэнергетика | Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели. Ветрогенераторы | Волновые, геотермальные и гидроэлектростанции | Термоэлектрические источники тока | Химические источники тока. Накопители электроэнергии. Батареи и аккумуляторы | Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи электрической энергии | Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии | Генераторы постоянного и переменного электрического тока. Электрические машины


Рейтинг@Mail.ru