Введение к работе
Большой интерес к магнитным нолям, как к инструменту, пег.ролящя-ну изучать свойства материалов и изменения их внутренней структуры и связей, проявляется специалистами по физике високих плотностей энергии, физике твердого тела и ускорителям заряженных частиц. Толчок развитию физике и тешп<е получения сильных импульсных магнитных полей доли работы по проблеме управляемого термоядерного синтеза. Сильные импульсные магнитные поля привели и к появлению нових технологических процессов. К ним относятся магнчтоимгульекзя обработка металлов давлением, магнитоишульспая сварка и .пр.
В ззьисгагастн от амплитуду индукции магнитимо поля -условно делятся па относительно слабко - до Ю Тл, сильная(СИМП)- до 100 Тл, еьорхеильннв (ССИМТ) - более ЮО Тл.
Прсводгстыз в последние года исслодевэнпл указывают на возможность использования сильях пшульстиг-: мохпипшх полой е биологии, медицине.
Высокое давление, температура, плотность тока, сопрозо;кдает;ю получение- сверхсклышх импульсных магнитных полей, характерным для которых является высокая плотность энергии (например, амплитуде индукции магнитного поля 100 Тл соответствует плотность энергии магнитного поля 4 кДл/ctO. позволяет проводить работу по изучению своїгств металлов, при давяэнттох, достигающих ^егобара к выше и при плотности энергии превииащой энергию суолшегии. Создание материалов, обладающих высокотемпературной сверхпроводимостью, показало необходимость использования сверхеилыах іміульсгшх ногштшх полой в экспериментах по изучению свойств этих материалов.
Но менее интересные возможности открывает исиоль'-оевшю сильных импульсных магнитних шлей (с индукцией порядка 1Q Тл и етгзэ) для создания весьма кратковременных (ударішх) нагрузок с целью изучения процессов хрупкого разрушения. Ванной особенностью этого метода нагрузкення является возможность создашгя импульсов давлении со строго регулируемыми амплитудой; и длительностью при задашом законе изменения давления' во времени, что необходимо для количественной интерпретации экспериментов
Большой интерес к генерации сверхеилыгах импульсных магшшшх полей привел к интенсивным разработкам в области высоковольтной импульсной техники и в технике физического эксперимента.
Сильные магпитше поля могут приводить к умеренным разрушениям Магниткой системы, позволяющим неоднократно^ (6 - Ю импульсов) генерировать магнитное попе требуемой амплитуды до ее разрушения.
Свархсильные поля характеризуются полным или частичным разрушением системи вследствик высокой плотности энергии. Бистрое разру-Еение материала соленоида при таких нагрузках неизбежно ведет к требованию еысокой скорости ввода энергии в магнитную систему. В 50 - 70 годах было разработано 3 метода получения сверхсильных импульсных магнитных полей (ССИМП): сжатие магнитного потока взрывом, бистрий разряд конденсаторной батареи через одаовитковый соленоид, электромагнитное сжатие потока.
Обращает на себя внимание тот факт, что область достижимых ССИМП, получаемых путем прямого разряда конденсаторной батареи и электромагнитного сжатия потока, ограничена в настоящее время сверху на уровне 400 їл. Скатке магнитного потока взрывом с использованием взрнвчатых веществ с внсокой плотностью энергии (выше Ю -кДж/смЗ) и большим полным энергозапасом (до Ю -10 Дх) позволяет воспроизводимо получать магнитные поля с амплитудой 1000 - 1500 Тл, однако сопровождается полным.разруиением магнитной системы. С учетом простоты и мобильности оборудования, применяемого в методах прямого разряда "и, что . особенно важно, сохранности исследуемого объекта, можно полагать, что интерес к этому способу получения ССИМП будет ьеуклонно расти.
В последние годы интерес к' 'ССИМП, как к инструменту для изучения фундаментальных свойств материала, привел не только к увеличению числа физических исследований проводимых в этих полях, но и к разработке ігроектов крупных источников питаїшя магнитных систем с большим объемом магнитного поля.
Цели и задачи работа. Получение сильных и сверхеилышх импульсных магнитных полей яаляется комплексной задачей, включающей в себя создание ояоакализировзннбго источника питания и мапютюй системы, при этом параметры и конструктивные особе'ннссти источника и нагрузки должны бить согласованы друг с другом. В данной работе такой комплексный подход реализуется для двух экспериментов, в которых используются мощные мйлоиадуктивны9 емкостные накопители энергия с существенно различавдмыкии характеристиками. Сдан из них
- исследование порога хрупкого разрушения при кратковременных нагрузках - является примером, в котором реализуется генератор, у которого гласным требованием является малое время нарастания тока и регулируемые параметры импульса. Амплитуда тска и энергия накопления при этом относительно невелики (102 - 103 Дж). Такими характеристикам! должны обладать многие генератори "общего назначения". Другой эксперимент - получение мегагауссного поля'в малом объеме.' Здесь требуется совершенно другое решение задачи, поскольку наряду с требованием малого времени нарастания долано быть выполнено требование получения достаточно большого тока (порядка Ю6 А) при "ограниченной энергии (порядка 10 Дя).
Гамм образом, первой целью данной работы является разработка и исследование конструктивних элементов источников питания и создание таких источников применительно к экспериментам по. изучению ударних воздействий сильных и сверхсильнюс магнитных полей на твердые тела. Второй целью работы является исследование процесса взаимодействия ССИМП с проводниками и объяснение физической картины этого процесса на основе этих исследований в сочетании с численными методами.
Третьей целью работн является создание эксперименталышх установок, разработка методик и проведение исследования по изучению ігро-цзсса хрупкого разрушения при регулируемом импульсном воздействии. В 80-е года появились новые предложения по снижению индуктивности ГИТ, путем использования пространственных конфигураций для некоторых его элементов. Поэтому естественно возникает задача использовать новые конструктивные схемы из практике, проверить ах реализуемость для ГИТ малых энергий.
Важность этой задачи выходит за р&уки создания установок для генерации мегагауссного магнитного поля. Примером гюкет быть созда-шта установок для генерирования интенсивных кратковременных ударных нагрузок с целью изучения процессов хрупкого разрушения твердых тол. Эта проблема весьма актуальна, а средства еэ решения (в части источника питания) близки к тем, которые используются в экспериментах по получению ССИМП. Поэтому целесообразно включить в задачи работы разработку и исследование,мощных ударных систем, использующих ГИТ малых энергий, включая постановку экспериментов пс изучению влияния длительности ишульса на.порог хрупкого разрушения .
Задачі! работы.
-
Проведение исследований конструктивных элементов генераторов импульсных токов и на их основе разработка генератора с предельно малой индуктивностью применительно к экспериментам по получению мегагауссного псля в соленоидах малого объема.
-
Эдспйримектылыше исследования разрушения соленоидов в поле с индукцией 300-400 Тл.
-
Сравнение результатов эксперимента с численными расчетами с целью проверки применимости комбинированной модели гидродинамического течения при взрывном разрушении соленоидов в мегагаусснои поле.
-
Разработка системы коммутации и конструкции малоиндуктивного генератора малой энергии применительно к эксперименту по исследованию порога хрушогс разр;/шния твэрдах тел, разработіса методики эксперимента и исследования влияния формы импульса давления на порог хрупкого разрушения при кратковременном ударном воздействии.
Научная новизна состоит в следующем.
1. Для ГИТ кадих энергия обосновано и реализовано на практика применение пространственней ошиновки для снижения собственной индуктивности, при атом задачи уменьшения индуктивности генератора и повышония плотности компановки могут быть разделены.
2..Проведены экспериментальные исследования по получению магнитных полей с. амплитудой до 350 Тл, показавшие возможность использования для описания начальной стадии процессов разрушения соленоида МГД-модели с учетом реального уравнения состояния.
З.Дано объяснения поведения геометрического фактора соленоида и задержки изменения его внутреннего радиуса о нолях 300-350 Гл.
4. Показано возможность использования генераторов импульсных токоз для создания кратковременных ударных механических нагрузок программируемой длительности и амплитуды применительно к изучению разрушения пороговыми нагрузками. Подтверждена правомерность -использования етрухтуркс-гременного критерия разрушения для определения критических напряжений в мккросекундном интервале длительностей импульса .нагрузки. Определено структурное время разрушения оргстекла.
Практическая ценность работы.. I." РапраСотан и согден іешратор импульсішх токов с запасаемой анергией 38 кДж с собственен индуктивностью 12 нГн. позволяющий р
*
индуктивной нагрузке 3 нГн сформировать импульс тока с амплитудой до 2.25 МА с временем нарастания около I ?<жс.
2. Разработан метод определения индуктивноегой элементов ГИТ
на уровне 10" Гн с учетом реального токораенрэдолэиия.
3. Разработана методика определения порога хрупкого разрушения
материалов и создан прототип испытательной установки.
На запиту выносятся следующие основные положения.
1. Применение объемных шин позволяет сбзепечить малую
индуктивность в генераторах малых энергия с предельно плотной
компоновкой конденсаторной батареи.
2. Подтверждается возможность получения в миниатюрных
соленоидах полей с индукцией свыше 300 Тл при использовании
емкостного накопителя малых энергий с калым временем нарастания
тока.
-
Дана интерпретация наблюдавшейся к экспериментах, задержке начала роста внутреннего радиуса соленоида, но отношке-о к раста-ташюму по модели идеально проводящей жидкости, при электрическом взрыве последнего в мегагауссаом полз.
-
Процессы МГД-течяния яри расширении одновитковых соленоидов малого объема могут быть описаны с удовлетворительной точностью и рамках модели, использующей уравнения гидрединамжи я общепринятое уравнение состояния Оез привлечения искусственных реологических моделей.
-
Использование сильных импульсных токов для создания ударных механических нагрузок позволяет осуществить испытания материалов при коротких импульсах с варьируемыми параметрами импульса.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы опубликованы в 23 печатных .работах (в том числе 3 авторских Свидетельства на изобретения) и были.представлены на 4 меядународ-ішх конференциях.
Структура и объем работы.Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (123. названия). Общий объем работы 180 с, рисунков- 52,'таблиц -2.
