Главная – Журналы – Прикладная механика и техническая физика 2015 номер 1

Приведена и обоснована схема устройства на базе сверхмощного дискового взрывомагнитного генератора для реализации импульса рентгеновского излучения с энергией, превышающей порог зажигания мишени.

Изучена возможность использования установки PHELIX для получения теплого плотного вещества (ТПВ), т. е. вещества с плотностью порядка 0,01÷1,00 плотности твердотельного вещества и температурой 1÷10 эВ, при электровзрыве тонкой цилиндрической металлической фольги, окруженной изолятором. Показано, что в этой системе можно получить значительный объем однородного ТПВ с плотностью 0,1÷1,0 г/см³ и температурой 3÷4 эВ, достаточный для проведения электротехнических измерений. Рассмотрена схема восстановления параметров ТПВ с использованием результатов электротехнических измерений и измерений скорости границ взрывающейся фольги.

Представлены результаты испытания устройства на основе 10–элементного дискового взрывомагнитного генератора и взрывного размыкателя тока. При разрыве контура с током 18,5 МА в нагрузке с индуктивностью 16 нГн, эквивалентной индуктивности камеры с многопроволочным лайнером, получен ток 10 МА с характерным временем нарастания ≈0,5 мкс.

Рассмотрен один из типов генераторов энергии — дисковый взрывомагнитный генератор с плоскими дисковыми элементами и металлическими вставками. Приведена методика численного моделирования работы этого генератора. Описаны принцип действия и конструкция дискового взрывомагнитного генератора. Представлены результаты расчетов и экспериментов.

Рассмотрены возможности увеличения энергии и мощности предусилителя дисковых взрывомагнитных генераторов: использование в центральной трубе более мощного (на основе октогена) конического заряда взрывчатого вещества, устройства дожатия магнитного потока с осевым инициированием заряда взрывчатого вещества, увеличение внутреннего диаметра спирали. Разработан ВМГ мощностью ≈400 ГВт с внутренним диаметром спирали 280 мм (ВМГ–280), способный запитывать 10–элементный ДВМГ480 с начальной индуктивностью ≈0,2 мкГн током ≈10 МА с характерным временем нарастания (в e раз на конечном этапе работы) τ_e = 32 мкс.

Проведено исследование проблемы создания физико–технических основ генерации мощных наносекундных сильноточных импульсов на основе взрывных магнитокумулятивных генераторов. Методом индуктивных накопителей осуществлено согласование относительно низкоомных взрывных магнитокумулятивных генераторов и высокоимпедансных нагрузок: коротких формирующих линий и вакуумных диодов. Приведены результаты экспериментов по запитке таких нагрузок.

Приведено описание малогабаритного взрывного источника тока с регулируемым выходным напряжением, формирующего импульс тока мегаамперного уровня. Источник состоит из спирального взрывомагнитного генератора и взрывного секционированного размыкателя тока и предназначен для запитки газоразрядных камер типа "плазменный фокус". Регулирование выходного напряжения импульсного источника тока осуществляется за счет того, что в каждой из последовательно соединенных секций взрывного размыкателя тока формирование напряжения происходит с заданным временным сдвигом относительно соседней секции.

Представлен проект четырехмодульной электрофизической установки "Гамма–4", предназначенной для проведения исследований в области радиационной физики. Для установки создан и экспериментально отработан типовой модуль, который при согласованной нагрузке генерирует электрический импульс с амплитудами напряжения до 2 МВ и тока до 750 кА и с длительностью на половине высоты 60 нс. Проведено 700 рабочих включений, в результате которых подтверждены параметры модуля и его надежность. Разработаны схемы установки в режимах синхронной (с погрешностью ±3 нс) работы модулей на вакуумные электронные диоды и на сумматор тока для генерации импульсов мягкого рентгеновского излучения.

Разрабатывается четырехмодульная электрофизическая установка "Гамма–4", предназначенная для генерации мощных импульсов тормозного излучения. Одним из основных режимов работы установки является режим работы каждого модуля на свой автономный вакуумный диод. Определены электрические характеристики сильноточного вакуумного пинч-диода типового модуля установки "Гамма–4" - импульсного ускорителя электронов "Гамма–1". Показано, что при изменении импеданса диода в диапазоне 1,3÷4,0 Ом могут быть реализованы режимы работы, в которых формируются импульсы тормозного излучения с граничной энергией квантов от 0,9 до 2,0 МэВ.

Приведено описание ускорительной трубки типового модуля разрабатываемой электрофизической установки "Гамма–4". Данная ускорительная трубка является частью системы передачи энергии модуля, которая обеспечивает передачу высоковольтного электрического импульса от выхода формирующей системы к узлу нагрузки. Особенностью конструкции трубки является использование диэлектрической линзы для выравнивания потенциала вдоль поверхности секционированного изолятора, что позволяет на 30 % снизить напряженность электрического поля вблизи наиболее напряженных диэлектрических колец, уменьшив тем самым вероятность пробоя изолятора. С целью увеличения ресурса трубки ее размеры выбирались с учетом расчетной средней напряженности электрического поля вдоль поверхности изолятора 55 кВ/см. При этом индуктивность ускорительной трубки составляла 87 нГн. С использованием предлагаемой ускорительной трубки проведено 230 включений ускорителя "Гамма–1" с напряжением на изоляторе до 2,7 МВ. При всех включениях электрических пробоев изолятора не зафиксировано.

Приведены результаты измерения параметров излучения электрофизической установки "Гамма–4", предназначенной для генерации мощных импульсов тормозного излучения длительностью ≈50 нс. Проведено пять включений ускорителя "Гамма–1", в ходе которых измерены экспозиционные дозы тормозного излучения на расстояниях от мишени ускорителя, равных 20, 30 и 60 см. Показано, что экспериментальные данные соответствуют полю излучения точечного косинусоидального источника с относительной погрешностью 13 %. Восстановлено пространственное распределение экспозиционной дозы тормозного излучения установки "Гамма–4" с учетом пространственной ориентации ее излучателей. Приведены значения экспозиционной дозы тормозного излучения на расстоянии от мишеней модулей, равном 15 см.

Разработан проект системы синхронизации для четырехмодульной электрофизической установки "Гамма–4". Показано, что система синхронизации должна обеспечивать включение с разницей во времени не более ±3 нс высоковольтных газонаполненных разрядников тригатронного типа систем модулей установки (144 разрядника, рассчитанных на рабочее напряжение 1 МВ), предымпульсных коммутаторов модулей (24 разрядника с рабочим напряжением 3 МВ) и восьми генераторов импульсных напряжений Аркадьева–Маркса (40 разрядников с рабочим напряжением 100 кВ).

Приведены результаты лабораторных и взрывного экспериментов с плазмофокусной разрядной камерой типа камеры Мейзера при амплитуде разрядного тока 1,3÷1,4 МА. Обнаружено, что в лабораторных экспериментах выход ДД-нейтронов достигал 10¹¹, во взрывном эксперименте при наполнении камеры дейтерий-тритиевой газовой смесью интегральный выход нейтронов с энергией 14 МэВ превысил 10¹².

Изучено поведение волны медленного горения, распространяющейся по термоядерному горючему, предварительно сжатому и нагретому несколькими ударными волнами, вызванными лазерным импульсом. Показано, что такая волна горения способна быстро увеличить плотность горючего перед фронтом и превратиться в пару детонационных волн, движущихся в противоположных направлениях. Найдено решение уравнений гидродинамики с линейным профилем скорости. Установлено, что необходимая для зажигания интенсивность пучка протонов увеличивается вместе с начальной плотностью топлива в соответствии с известной формулой, обобщающей результаты двумерных расчетов. Обсуждается возможность использования результатов одномерных расчетов для определения энергии зажигания цилиндрической мишени.

Представлены результаты модельных экспериментов по отработке нового натурного лайнерного устройства на основе дискового взрывомагнитного генератора, уточненные характеристики натурного устройства и результаты уточненных двумерных магнитогидродинамических расчетов имплозии лайнера.

Описаны способ формирования в лайнерной нагрузке импульса тока мегаамперного уровня трапецеидальной формы с заданными амплитудой и длительностью и устройство для его реализации. С использованием экспериментального устройства, представляющего собой источник тока на основе спирального взрывомагнитного генератора, в лайнерной нагрузке получен импульс тока амплитудой ≈10 МА с регулируемыми длительностью и временами нарастания и спада тока. Применение данного источника для разгона лайнеров позволяет исследовать механизмы разрушения материалов в цилиндрической, сходящейся к оси геометрии. В данной постановке в экспериментах могут возникать дополнительные повреждения вследствие неодномерности условий нагружения.

С использованием методики МЭГ–2D проведено магнитогидродинамическое моделирование процесса коммутации мегаамперного тока взрывным размыкателем. Представлены результаты моделирования коммутации тока спирального ВМГ взрывными размыкателями различного типа при одних и тех же параметрах схемы коммутации, толщине разрушаемого проводника из медной фольги, прерываемом токе и количестве элементов размыкателя. Приведены результаты моделирования процесса коммутации тока взрывным размыкателем с ребристой преградой при различных значениях толщины разрушаемого проводника из медной фольги. Исследовалась ребристая преграда со стальными вставками на ребрах с оптимальными параметрами в случае использования фольги толщиной 0,3 мм. Показано, что при толщине фольги менее 0,2 мм можно уменьшить глубину паза в преграде, при этом время срабатывания размыкателя не увеличивается.

Представлен обзор работ об электровзрывных фольговых размыкателях тока, применяемых для формирования в нагрузках взрывомагнитных генераторов импульсов тока до 100 МА (в экспериментах — до 45 МА), нарастающих за время 0,1÷10,0 мкс. Рассмотрены физические схемы, модели и проведен анализ эффективности фольговых размыкателей тока экспериментальных и ряда разрабатываемых устройств.

Представлены результаты экспериментальных и численных исследований поведения металлических кумулятивных струй (КС) при протекании по ним электрического тока. Рассматривается возможность уменьшения и увеличения глубины проникания КС в преграды. Введены понятия критической плотности тока и идеальной формы токового импульса, при которых в струе развивается перетяжечная магнитогидродинамическая неустойчивость, сопровождающаяся объемным взрывом элементов КС при их выходе из межэлектродного промежутка. Развитие в КС перетяжечной магнитогидродинамической неустойчивости и последующий объемный взрыв материала струи приводят к уменьшению ее длины и плотности и как следствие к уменьшению глубины проникания в преграду. Показано, что этим процессом можно управлять, изменяя параметры электрического импульса. Анализируется возможность увеличения глубины проникания КС в преграды в условиях, когда протекающий по КС электрический ток меньше критического значения. Рассматривается процесс нагрева КС из различных материалов (Cu, Fe, Mo, Ta, W и др.) при протекании по ним электрического тока. Показано, что использование электрического тока для нагрева КС может оказаться перспективным для увеличения глубины проникания КС в преграды.

Приведены результаты экспериментального исследования амплитудно-временных профилей импульса давления в различных областях плоской электрически взрываемой фольги из меди марки М1Т, алюминия марки АД1М, латуни марки Л63, никелевого сплава марки 80НХС, титана марки ВТ1–00 и свинца, плакированного оловом. Показано, что в случае высокопроводящей фольги взрыв начинается с краев фольги и затем давление существенно увеличивается в центрально-осевой области взрываемой фольги. Показано также, что определяющим параметром, влияющим на однородность и одновременность взрыва, является удельное электрическое сопротивление взрываемого металла.

Представлены результаты экспериментально-теоретического исследования явления откола в синтетических алмазах. Впервые получены данные о динамической прочности на разрыв поли- и монокристаллических алмазных образцов при механических нагрузках до 0,34 ТПа и скоростях деформирования в диапазоне 10÷100 мкс^–1. Ударно-волновое воздействие на образцы осуществлялось на установке "Камертон–Т" лазерным импульсом длительностью 70 пс c использованием излучения Nd:glass-лазера (вторая гармоника (λ = 527 нм), энергия импульса ≈3 Дж) с интенсивностью ≈8 ТВт/см². Достигнутое максимальное значение откольной прочности ≈16,4 ГПа составляет 24 % теоретического предела прочности алмаза. С помощью метода комбинационного рассеяния света установлено, что в области откола на тыльной поверхности образца небольшое количество алмаза графитизуется.

Синтезированы новые керамические среды на основе оксида иттрия Y₂O₃ с изовалентными (Y₂O₃, Nd₂O₃, Lu₂O₃) и гетеровалентными (ZrO₂, HfO₂ компонентами и исследованы их спектроскопические свойства. Изучены возможные каналы потерь усиления стимулированного излучения на излучательных переходах ионов Nd³⁺ и Yb³⁺ в керамиках с гетеровалентными добавками. Приведены результаты измерений в Y₂O₃-керамике, допированной оксидами циркония и гафния, ширины полос излучений и времени жизни уровней ⁴F_3/2 и ²F_5/2 ионов Nd³⁺ и Yb³⁺ соответственно. Показано, что безызлучательное расселение уровня ⁴F_3/2 иона неодима происходит в результате диполь-дипольного взаимодействия с ионами Zr³⁺ и Hf³⁺. На керамике [(Yb_0,01Lu_0,24Y_0,75)₂O₃]_0,88(ZrO₂)_0,12 с разупорядоченной кристаллической структурой осуществлена генерация лазерного излучения на длине волны 1034 нм с дифференциальной эффективностью 29 %.

Для моделирования импульса тока молнии разработан опытный образец мобильного испытательного комплекса на основе взрывомагнитного генератора (МИК ВМГ), главным элементом которого является генератор импульса тока, включающий ВМГ с импульсным трансформатором для вывода энергии в нагрузку. Проведен теоретический анализ электрической схемы МИК ВМГ с учетом потерь энергии на активных сопротивлениях в первичном контуре трансформатора и индуктивно-омического характера нагрузки, в результате которого получено условие минимизации потерь энергии в первичном контуре в зависимости от параметров схемы. Установлено, что при выполнении условия минимизации потерь энергии эффективность передачи энергии ВМГ в нагрузку превышает 50 %. В результате полевых испытаний МИК ВМГ определены его основные характеристики и получены осциллограммы импульсов тока и напряжений в нагрузке. Показано, что результаты математического моделирования импульса тока в нагрузке хорошо согласуются с данными экспериментов.