Сверхсильный импульсный магнит

Изобретение относится к электрофизике, к области сверхсильных импульсных магнитных систем, используемых в разгонных устройствах транспортных устройств, физике твердого тела и физике высоких энергий. Технический результат заключается в повышении КПД. Сверхсильный импульсный магнит содержит металлический цилиндрический вкладыш, коаксиально расположенный относительно него вспомогательный сверхпроводящий соленоид, выводы которого подключены к регулируемому источнику ЭДС. Параллельно им подсоединен управляемый сверхпроводящий ключ, цепь из последовательно соединенных конденсаторной батареи и коммутатора, проводящий цилиндр, в котором размещен металлический цилиндрический вкладыш, причем конденсаторная батарея, своим положительным зажимом присоединена к проводящему цилиндру, а отрицательным - к коммутатору, который другим зажимом присоединен к металлическому цилиндрическому вкладышу. Нижние торцы металлического цилиндрического вкладыша и проводящего цилиндра герметично заделаны в пазах диэлектрического кольца. Полость, образованная внутренней стенкой проводящего цилиндра и наружной стенкой металлического вкладыша, заполнена жидкостью. 1 ил.

 

Изобретение относится к электрофизике, а более конкретно - к области сверхсильных импульсных магнитных систем, используемых в разгонных устройствах транспортных устройств, физике твердого тела и физике высоких энергий.

Известны сверхсильные импульсные магниты (С. Chare. Magnetic Flux Compression by Magnetically Imploded Metalic Foils. Journal of Applied Physics. Volume 37, №10, P.3812-3816), в которых могут быть получены импульсные магнитные поля более 200 Т.

Магниты состоят из полого кругового цилиндрического металлического вкладыша и коаксиально расположенных относительно него импульсного одновиткового соленоида, подсоединенного к конденсаторной батарее, и вспомогательного сверхпроводящего соленоида, питаемого от источника ЭДС. Магниты работают следующим образом, вспомогательный сверхпроводящий соленоид запитывается от источника ЭДС и создает начальное продольное магнитное поле во внутренней полости металлического вкладыша, затем конденсаторная батарея разряжается на одновитковый импульсный соленоид. В стенках металлического вкладыша наводится вихревой ток, взаимодействие которого с полем импульсного соленоида приводит к образованию электродинамической силы, сжимающей металлический цилиндрический вкладыш с - начальным магнитным потоком в нем. Тем самым достигается значительная плотность магнитного потока внутри сжатого вкладыша.

При движении стенки вкладыша под действием электродинамических сил со скоростью свыше 1 км/с, вкладыш ведет себя как идеальный проводник. Электрическое поле в идеальном проводнике равно нулю и начальный магнитный поток, заключенный в сжимаемом вкладыше, не меняется в процессе сжатия. Однако система - одновитковый импульсный соленоид, конденсаторная батарея, вспомогательный сверхпроводящий соленоид с источником ЭДС, обладает значительной индуктивностью, из-за этого нарастание импульса магнитного поля замедляется, что приводит к увеличению времени, необходимого для достижения скорости сжатия стенок вкладыша 1 км/с, вследствие этого наблюдается уменьшение магнитного поля внутри вкладыша из-за его диффузии через стенки вкладыша. Т.е. величина начального магнитного поля значительно уменьшается, что ведет к соответствующему уменьшению величины магнитного поля, получаемого в конце сжатия.

Известен сверхсильный импульсный магнит, выбранный в качестве прототипа (Гамаюнов А.В. Ким К.К. Гоголев Г.А., Володин А.В. Сверхпроводящий импульсный магнит для электродинамического ускорителя магнит. Труды 2 международн. конф. Нетрадиционные электромеханические и электротехнические преобразователи, Щецин, Польша, 15-17.10.1996. С.721-724). В этом магните коаксиально полому металлическому вкладышу расположены импульсный соленоид, соединенный с конденсаторной батареей и коммутатором (разрядник), и вспомогательный сверхпроводящий соленоид, запитываемый от источника ЭДС. Запитка током регулируется реостатом и ключом. Управляемый сверхпроводящий ключ (сверхпроводящий элемент с намотанной нагревательной спиралью) в сверхпроводящем состоянии шунтирует вспомогательный сверхпроводящий соленоид. Вспомогательный сверхпроводящий соленоид, управляемый сверхпроводящий ключ и соединительные провода между ними, которые также выполнены сверхпроводящими, помещены в криостат. После установления начального магнитного поля во вкладыше сверхпроводящий соленоид шунтируется управляемым сверхпроводящим ключом, после этого источник ЭДС отключается от вспомогательного сверхпроводящего соленоида, тем самым индуктивность источника выводится из индуктивности разрядного контура, что ведет ускорению нарастания импульсного магнитного поля.

Силовое воздействие в прототипе основано на взаимодействии импульсного магнитного поля и вихревых токов, наведенных в стенках вкладыша. Величина этих токов зависит от расстояния между стенками импульсного соленоида и вкладыша, которое может достигать значительной величины из технологических соображений и соображений защиты импульсного соленоида. Сказанное определяет невысокий КПД прототипа.

Перед автором стояла задача повышения КПД сверхсильного импульсного магнита.

Технический результат достигается тем, что в сверхсильном импульсном магните, содержащем металлический цилиндрический вкладыш, коаксиально расположенный относительно него вспомогательный сверхпроводящий соленоид, выводы которого подключены к регулируемому источнику ЭДС, параллельно которому подсоединен управляемый сверхпроводящий ключ, цепь из последовательно соединенных конденсаторной батареи и коммутатора, проводящий цилиндр, в котором размещен металлический цилиндрический вкладыш, причем конденсаторная батарея, своим положительным зажимом присоединена к проводящему цилиндру, а отрицательным - к коммутатору, который другим зажимом присоединен к металлическому цилиндрическому вкладышу, нижние торцы металлического цилиндрического вкладыша и проводящего цилиндра герметично заделаны в пазах диэлектрического кольца, а полость, образованная внутренней стенкой проводящего цилиндра и наружной стенкой металлического вкладыша, заполнена жидкостью.

Предлагаемый сверхсильный импульсный магнит показан на чертеже. Вспомогательный сверхпроводящий соленоид 1 (цилиндрической формы) подсоединен к источнику ЭДС 2 через реостат 3 и ключ 4. Соленоид зашунтирован управляемым сверхпроводящим ключом 5 с нагревательной обмоткой 6. Соленоид 1, сверхпроводящий ключ 5 и соединительные провода между ними, которые также выполнены сверхпроводящими, помещены в криостат (не показан). Во внутреннем окне вспомогательного соленоида 1 расположен цилиндрический металлический цилиндрический вкладыш 7, снаружи которого находится проводящий цилиндр 8. Нижние торцы 9 металлического вкладыша 7 и проводящего цилиндра 8 герметично заделаны в пазах диэлектрического кольца 10. В полости 11, образованной внутренней стенкой проводящего цилиндра 8 и наружной стенкой металлического вкладыша 7 и диэлектрическим кольцом 10, находится жидкость, например вода. Металлический цилиндрический вкладыш 7 и проводящий цилиндр 8 подсоединены к цепи, состоящей из конденсаторной батареи 12 и коммутатора (разрядника) 13. Положительный зажим конденсаторной батареи 12 присоединен к проводящему цилиндру 8, а отрицательный зажим - к коммутатору 13.

Работа устройства происходит следующим образом. В полость 11 заливается жидкость. С помощью источника ЭДС 2, реостата 3 и ключа 4 во вспомогательный сверхпроводящий соленоид 1 заводится необходимый ток. Соленоид 1 создает начальное постоянное магнитное поле, которое сцепляется с вкладышем 7. Управляемый сверхпроводящий ключ 5 путем отключения питания нагревательной обмотки 6 переводится в сверхпроводящее состояние. Далее ключ 4 размыкается, тем самым источник 2 выводится из цепи соленоида 1. Затем конденсаторная батарея 12 после срабатывания коммутатора 4, разряжается на металлический цилиндрический вкладыш 7 и проводящий цилиндр 8. В результате этого разряда в полости 10, заполненной жидкостью, внутри нее возникают высокие электрогидравлические давления (Юткин Л.А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. Л.: Машиностроение. 1986. С.10), которые воздействуют на вкладыш 7, сжимая последний с начальным магнитным полем.

КПД заявляемого сверхсильного импульсного магнита выше КПД прототипа, т.к. известно, что магнитоимпульсное воздействие на проводящие тела (например, воздействие на вкладыш в прототипе) имеет КПД в 3 раза меньше, чем КПД электрогидравлического воздействия, которое наблюдается в заявляемом устройстве (Юткин Л.А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. Л.: Машиностроение. 1986. С.132).

Таким образом, замена магнитоипульсного воздействия на вкладыш (с помощью вихревых токов) на электрогидравлическое сжимание вкладыша позволяет повысить КПД заявляемого устройства по сравнению с прототипом.

Сверхсильный импульсный магнит, содержащий металлический цилиндрический вкладыш, коаксиально расположенный во внутреннем окне вспомогательного сверхпроводящего соленоида, выводы которого подключены к регулируемому источнику э.д.с. через ключ и параллельно которому подсоединен управляемый сверхпроводящий ключ, цепь из последовательно соединенных конденсаторной батареи и коммутатора, отличающийся тем, что он дополнительно содержит проводящий цилиндр, в котором размещен металлический цилиндрический вкладыш, причем конденсаторная батарея своим положительным зажимом присоединена к проводящему цилиндру, а отрицательным - к коммутатору, который другим зажимом присоединен к металлическому цилиндрическому вкладышу, нижние торцы металлического цилиндрического вкладыша и проводящего цилиндра герметично заделаны в пазах диэлектрического кольца, а полость, образованная внутренней стенкой проводящего цилиндра, наружной стенкой металлического цилиндрического вкладыша и диэлектрическим кольцом, заполнена жидкостью.