Введение к работе
е I
Актуальность работы. Взрывомагнитные ( магнитокумулятивные ) генераторы (ВМГ, МКГ) и взрывные плазменные коммутаторы (ВПК) в настоящее время широко применяются в экспериментальной физике высоких плотностей энергии как источники импульсов электромагнитной энергии с исключительно высокой мощностью (~10 ТВт) и энергозапасом ~І00 МДж. В качестве нагрузок для этих источников энергии могут быть использованы быстрые лайнеры, Z - пинчи, газоразрядные лазеры, мощные СВЧ-излучатели и другие, то есть охватывается очень широкая область современной экспериментальной физики.
- В ряде последних исследований, выполненных в отделении 04 ВНИИЭФ, показана перспективность использования этих устройств в качестве энергетической базы при создании мощных источников рентгеновского излучения.
Развитие технологии изготовления взрывомагнитных генераторов и сильноточных взрывных плазменных коммутаторов, создание принципиально новых конструкций сдерживаются неисследованностью ряда важных физических процессов, протекающих в них, а также отсутствием соответствующих компьютерных программ для описания их работы. Многопараметрическая полномасштабная экспериментальная оптимизация этих устройств зачастую невозможна вследствие высокой стой - " мости.
В ряде случаев качество работы спиральных ВМГ, по-видимому, обусловливается образующейся в них плазмой; большую роль при этом играют электрические напряжения ^100 KB и магнитные поля —I МЭ, возникающие в объеме генератора при его работе. Помощь в изучении связанных с этим явлений могли бы оказать численные модели, тем более, что закрытая геометрия и взрывной характер работы этих устройств сильно ограничивают возможности получения эксперимен -тальной информации.
Выполненные к настоящему времени экспериментальные и расчетно-теоретические исследования, в частности, оставляют открытым вопрос о физических процессах, приводящих к "разрыву" плазменного токового канала коммутатора под действием давления продуктов детонации ВВ. Понимание связанных с этим явлений позволило бы создавать оптимальные сильноточные коммутаторы с прогнозируемыми параметрами.
Цель работы. Цель работы состояла в создании компьютерных моделей спиральных ВМГ и ВПК, в изучении плазменных и электроразрядных явлений в этих устройствах.
Научная новизна. Разработана новая оригинальная одномерная компьютерная модель для спиральных (секционированных) и коаксиальных ВМГ. Предложен новый вариант известного метода скин-слоя для расчета нелинейной диффузии сильного импульсного магнитного поля. Выведены формулы для распределения основных электрических напряжений в произвольных конструкциях спирально-коаксиальных ВМГ. Получены аналитические выражения для приближенного расчета процесс метания как тонких, так и толстых цилиндрических оболочек продуктами взрыва,ВВ в случаях сплошной и кольцевой форм заряда.
Выведены критерии образования отсечек из-за несоосности в генераторах с многозаходным статором и с произвольной конусностью якоря и статора. Для идеальнопроводящего генератора предсказано и теоретически исследовано новое явление - усиление асимметрии распределения токов в многозаходных секционированных спиралях.
Предложена методика оценки роли плазмы- в -потерях магнитного ж-тока в спиральных ВМГ с изолированной и неизолированной спн-
р~мЫ0.
Получены уравнения, моделирующие стадию запитки ВПК, в которых учитывается рост массы плазмы в канале вследствие намешивания материала испаренного со стенок тепловым излучением плазмы. На простой теоретической модели показана возможность "разрыва" канала в результате роста его индуктивности в фазе коммутации.
Практическая ценность. Разработанная компьютерная программа позволяет быстро проводить оптимизацию новых конструкций спирально ' 'оаксиалъных ВМГ; сводит к минимуму дорогостоящую предварительную ....спериментальную отработку, связанную с проведением взрывных опытоб; облегчает подбор режима работы генератора для заданной нагрузки. С помощью численной модели, описанной в главе I, рассчитан быстрый. (~10.мкс) мощный ( я 5 ТВт,*40 ВДж) высоковольтный (^250 кВ) спиральный BIT, предназначенный для использования в энергетическом комплексе "ПИРИТ".
Результаты расчетов параметров плазмы в ВПК могут быть использованы при создании новых конструкций коммутаторов этого
типа и при проведении экспериментальных исследований с ними.
По предложенной схеме может оцениваться роль плазменных и . электроразрядных явлений в спиральных и коаксиальных взрывомаг-нитных генераторах. Такие оценки являются необходимым этапом работ при конструировании ВМГ.
Применение компьютерного моделирования при разработке конструкции нового взрывомагнитного генератора позволило теорети !-чески исследовать возможность форсирования параметров генератора за счет увеличения напряженности магнитного поля в нём до двух мегаэрстед. Это открывает возможности увеличить коэффициент использования энергии ВВ, уменьшить размеры и вес генератора, увеличить выход полезной энергии на единицу веса генератора.
Апробация работы. Основные результаты докладывались и об -суждались на научных семинарах теоретического отдела отделения 04 ВНИИЭФ; на пятой международной конференции по сверхсильным магнитным полям и мощным импульсным системам ( Новосибирск , 3-7 июля 1989 г. ).
Публикации. Содержание диссертации- опубликовано в 18- научно-технических отчетах и 3-х докладах г
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав., и заключения; содержит 199 страниц, включая 134 страницы текста, 51 рисунок, 3 таблицы, список использованных источников из 142 наименований.
