Физические механизмы при выводе магнитной энергии из индуктивных накопителей в мощных импульсных системах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР РАН

на правах рукописи

УДК 621,0.39 (531.9) ./Ь

П^]

^ 1 ШСУ

ЛОТОЦКИЙ Алексей Павлович

ФИЗИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ПРИ ВЫВОДЕ МАГНИТНОЙ ЭНЕРГИИ ИЗ ИНДУКТИВНЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ В МОЩНЫХ ' „"' ИМПУЛЬСНЫХ СИСТЕМАХ ' :: Г /

Специальность 01.04.13-Электрофизика

Автореферат . . диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва - 2000 г.

Работа выполнена в Троицком институте инновационных и термоядерных

исследований

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, - профессор А.Н. Лебедев

доктор технических наук, профессор Е.Ф.Лебедев

доктор физико-математических наук, профессор ЭЛ. Школьников

Ведущая организация: Российский Научный Центр

, «Курчатовский институт» (ИЯС РНЦ «КИ») .

Защита диссертации состоится • 2000г. в__ час.

на заседании Диссертационного совета ОИВТ/РАН Д 002.53.01 по адресу: Москва, Ижорская ул.,13/19, ОИВТ РАН

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИВТ РАН

2

_ Автореферат разослан « / » т /^' '•^^¿ОООг. Ученый секретарь

диссертационного совета Д 002.53.01 д.ф.-м.н. А.Л. Хомкин

С Объединенный институт высоких температур Российской академии наук, 2000 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Мощные импульсные источники тока всегда +привлекали интерес исследователей в самых рашообразных обдасчях прикладной физики. Сильные магнитные поля и магнитное удержание плотной плазмы, инерциальный термоядерный эксперимент и электродинамическое .ускорение макротел, создание сверхзвуковых плазменных потоков и сильноточных электронных пучков - это лишь малая доля из существующего многообразия развивающихся направлений физического эксперимента, где успех в значительной мере определяется возможностями, предоставляемыми мощной импульсной техникой.

Среди используемых " в экспериментальной практике источников тока запас энергии которых и развиваемая мощность показаны на диаграмме рис.1, индуктивные накопители (ИН) выделяются большим . энергозапасом. Накопление 10-20 МДж или даже 100 МДж энергии в магнитных системах широко используется в практике эксплуатации ТЯ систем с магнитным удержанием. В обмотках крупных токамаков тина JET (Калэ.м, Англия) запас

Рис.1 Сводная диаграмма энергетических характеристик импульсных иснушикон юкч использующих различную технологию.

магнитной энергии достигает 3-4 ГДж. Однако источники питания на основе индуктивных накопителей предназначены для генерации импульсной энергии и вывода сс во внешнюю нагрузку. Мощный вывод энергии из ИН представляет значительную сложность не только из-за необходимости прерывать большие токи, но и по ряду других причин, имеющих фундаментальный электрофизический характер. В частности, если нагрузка - это также магнитная сильноточная система, то считалось, что известное ограничение на величину КПД < 0,25 передачи магнитной энергии делает нецелесообразным использование ИН. Надо отметить, что в большинстве случаев и мощных электрофизических установках приходится иметь дело с нагрузкой такого типа.

Целыо работы является анализ фундаментальных ограничений, обоснование возможности нового высокоэффективного метода вывода магнитной энергии, его экспериментальная проверка, разработка общей теории систем с дискретным процессом передачи магнитной энергии, разработка алгоритмов для численного расчета процесса вывода энергии из ИН со сложной структурой и магнитной конфигурацией, исследование путей радикального увеличения мощности систем с ИН, разработка предложений для использования ИН в перспективных сверхмощных электрофизизических установках.

Научная иовизпа диссертационной работы состоит в том, что:

1 Впервые был создан и введен в действие 30-секционяый индуктивный иакопитель с умножением тока и запасом энергии 18 МДж, на котором проведены эксперименты по ускорению лайнера и проведен системный анализ согласования индуктивного накопителя, системы коммутации тока и ускоряющей лайнер катушки.

2 Впервые аналитически обоснована возможность высокоэффективной передачи магнитной энергии в дискретном многошаговом процессе преобразования соединений индуктивных контуров и проведены

эксперименты по импульсной передаче магиитной энергии накопителя с эффективностью, близкой к 50%.

3. Разработана теория систем высокоэффективной передачи магнитном энерг ии

4. Впервые обоснована и предложена каскадная схема построения мощного импульсного источника тока на индуктивных накопителях

5. Проведен системный анализ согласования каскадного индукншною источника тока с мультимегаджоульным Плазменным Фокусом с т оком до 30 МЛ и анализ возможностей больших накопителей типа ТИН-900 для питания супердрайвера БАЙКАЛ.

6 Впервые выполнен цикл сравнительных ресурсных испытаний 4-х эрозйонноетойких материалов в идентичных условиях сильноточного милисекундного разряда рельсового ускорителя. 7. Впервые обоснована возможность эффективного питания рельсофона с длинным ускорительным каналом от индуктивных накопителей с распределенным вводом тока по длине канала и показана возможность осуществления режима выключения с паузой тока, которая автоматически обеспечивается при разгоне снаряда без применения дополнительных устройств.

я. Впервые в России рафаботана 3-х мерная программа расчетов электродинамического ускорения и теп л он их процессов н рельсччроне с металлическим скользящим якорем Научная н практическая пспнисп. работы заключается в том. чю предложенный автором электрофизический подход к импульсным мощным И11 и успешные эксперименты обосновали целесообразность ранний» поною направления в создании мощных сильноточных импульсных не разрушаемых источников тока на основе магнитных секционированных накопи!елей. Разработанные автором , теоретические основы hmik.iu-и». ■ ü

слабодиссинагивной передачи магнитной энергии сосг-.н.инн

фундаментальный вклад в развитие мошной импульсной зечиики. л

разработанные предложения по каскадным магнитным усилителям мощности уже нашли конкретное применение в обсуждаемых крупных электрофизических проектах типа БАЙКАЛ.

Результаты работы могут быть использованы в ТРИНИТИ, ВНИИЭФ, НИИЭФАим. Д.В.Ефремова, МИФИ, ИВТ РАН. Автор выносит на защиту:

1. Результаты аналитических и экспериментальных исследований по изучению режимов ускорения металлических лайнеров с разделением максимумов коммутационного и ускоряющего напряжения на ускоряющем соленоиде при питании его от ИН

2. Результаты аналитических и экспериментальных исследований по высокоэффективной передаче магнитной энергии из ИН.

3. Обобщенную теорию процесса передачи магнитной энергии, объединяющую секционированные ИН с различной структурой и различным порядком коммутации токов.

4. Разработанную концепцию мощных каскадных импульсных источников тока на системе секционированных ИН, использованную в эскизных проектах установок «Плазменный Фокус» и« Байкал».

5. Оптимизированную систему питания большого рсльсотрона с магнитным поршнем типа «бегущая волна» и соответствующие предложения по

. коммутации тока. ,

6. Результаты экспериментов по ресурсным испытаниям зрозионностойких электродных материалов.. 1

7. Результаты первых в России совместных экспериментальных и численных трехмерных исследований работы рельсотрона.

Апробация работы. I

Автором опубликовано более 70 печатных работ, из которых 48 посвящено теме диссертации. Результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на 1 и 2 всесоюзных конференциях по

импульсным источникам питания (Юрмала, 1984г., Свердловск, 1985 г.), на 3 и 4 всесоюзных конференциях по инженерным проблемам 7Я реакторов (Ленинград, 1984 и 1986гг.), на I и И всесоюзных семинарах "по динамике сильноточных дуг в магнитном поле (Новосибирск, 1990 и 1991гг.), на 5 и 6 европейских симпозиумах по технологии электромагнитных ускорителей (Тулуза, Франция, 1995г., Гаага, Голландия, 1997г.), па международной конференции по генерации мегагауссных полей (Саров, 1996г.), на международной конференции ICOPS (Сан-Диего, США, 1997г.), на 9 национальной американской конференции по электромагнитным ускор!ггелям (Единбург, Англия, 1998г.), а также на научных семинарах ИВТЛН, МИФИ, РНЦКИ, НИИЭФА им. Д.В. Ефремова, ИЯФ (Новосибирск).

Материалы, вошедшие в диссертацию, опубликованы в журналах: «Электричество», «Известия АН СССР, Сер.:Энергетика и транспорт», «Приборы и техника эксперимента», «Вопросы атомной науки и техники», «1ЕЕЕ Transactions on magnetics», «Математическое моделирование», в сборнике «Преобразование различных видов энергии в электрическую» и вестннке МГТУ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения и списка цитируемой литературы. Принята скисшая нумерация литературных ссылок, параграфом и рисунков. Диссертация содержит 315 страниц текста, включающего 173 рисунка. Перечень библиографических ссылок имеет 193 наименования. Содержание работы.

1. Эксперименты по разгону лайнеров ог нндукттшпмх накопи гелей.

В середине 70-х годов в ТРИНИГИ осуществлялся один in проектов магнитного удержания сжатой плотной плазмы с величиной параметра (' (отношение маги, и газокинетич. давлении) ~ 1. Он базировался на источнике начальной плазмы, создаваемой при встречном столкновении плазменных cip.Mi

Рис.2 Фрагмент катушки индуктивного накопителя ТИН-1 в магнитном поле. Струи создавались с помощью уникальных инжекторов плазмы МК-200, разработанных под руководством Ю.В Скворцова, а обжатие плазмы и нагрев ее планировалось реализовать металлическим сжимающимся лайнером метровой длины с начальным диаметром 30-40 см. Для осуществления разгона и сжатия лайнера был создан импульсный экспериментальный комплекс ИН ТИН-1, показанный на рис.2.

Соленоидальная катушка накопителя диаметром 1,8 м состояла из 30 секций, каждая из которых представляла собой 4,5 витка обмотки с выводами на противоположные стороны катушки. Схема накопителя - система с электромеханическим умножением тока. Для зарядки накопителя током 50 кА была использована ударная электромашина (ГСП-8500Х2), максимальный запас магнитной энергии накопителя 18 МДж. Для вывода энергии из ТИН-1 были спроектированы, созданы и испытаны трехступенчатые выключатели, позволяющие переключать токи при напряжении 40-50 кВ.

Характерные времена пропускания токов 50-60 кА но ступеням: 1,5 секунды для 1 ступени, 1-2 мс и ЮОмкс для 2 и 3 ступеней, соответственно. Две первых ступени выключателя работали при механическом разрыве конгактов в масляной среде, 3-я ступень - электрически взрывающийся проводник (ЭВП).

При испытаниях полной цепочки выключателей с одной стороны исследовалась кинематика движения контактов и разрыва проводников, а с другой стороны, исследовались и моделировались процессы передачи и преобразования магнитной энергии. Для этого был оборудован специальный стенд с индуктором, заряжаемым от конденсаторов током свыше 60 кЛ за время З.10'3с. В качестве нагрузок на стенде использовались: эквивалентное активное сопротивление, постоянная индуктивность и подобно уменьшенный макет ускоряющей лайнерной системы.

Первая ступень имела выдавливаемые контакшые вставки, перемещаемые под давлением масла. Их скорость У~30 м/с определена но фотографии рис.3 внутренней полости выключателя, выполненной в импульсном свете Г)ВП. Вторая ступень, элементы которой показаны ниже на рис.10 коммутировала ток при механическом разрыве алюминиевых фольг в 20 точках на ребристой преграде. Третья ступень - ЭВП - переключала ток в активную нагрузку (11=1 Ом) за время -10 мкс. При напряжении па нагрузке 550 кВ электрическая прочность канала ЭВП после взрыва в масле (медная проволочка длиной 50 см и диаметром 0,8-1,2 мм), оказывалась достаточной.

Рис 3 «Совмещенный кадр» при фото! рафии внутренней полосm patsc ншшел:' 1-контактная »ставка, 2- башмак, 3- воздушная целость, 4 - допомнительная DHU жмекег и, ' • цилиндрически!!, перпендикулярный к плоскости рисунка "1Ш привода раиелнпич'л*

При модельных экспериментах с разгоном 100 мм лайнера, показанного на рис.4 получена скорость более 500 м/с, зарегистрированы показанные на рис.5 осциллограммы тока и напряжения, которые подвергнуты анализу с точки зрения согласования ускоряющей системы.

Цель анализа - оптимизация разрядных напряжений при удовлетворительном КПД (0,5-0,8) трансформации магнитной энергии в кинетическую. Было получено, что режим разгона определяют два параметра: параметр согласования начальной индуктивности катушки Ьо с лайнером и накопителя Ь. ^о=ЬоЛ-1 и коэффициент сжатия лайнера 1/а = У(Ьо/Ьш), условно определенный по величине индуктивности Ь, «пустой» ускоряющей катушки без лайнера Причем интересны большие коэффициенты сжатия 1/а -10. При решении уравнений движения лайнера с заданной массой, и начальной энергией накопителя получено, что, если параметр X, находится в пределах от 1 до 1/а, то КПД ускорения изменяется от 0,5 до 0,8, однако на верхней границе КПД напряжение на разгонном узле растет примерно в 3 раза. Получен также критерий разделения максимумов напряжения, соответствующих переключению тока в катушку и ускорению лайнера. Этот критерий включал два условия:

I.U

f : '

'« i ••

L

Рис. 4 Фото лайнера 1>" 10 см после сжатия. Начальный диаметр 10 см, толщина стенки 2,0 мм, материал алюминий АД-0.

О 100 200 400 *мк

Рис.5 Осциллограммы токов и напряжения при ускорении лайнера. - ток в ЭВП обострителе (19кА/дел.), L и Ц, - ток и напряжение на соленоиде (ЮкА/дел. И 14 кВ/дсл., соответственно)

х <0,48(Wo Xo M)"2 // (Mo n2b0Io2), t Olo ^o)1/2 2Vo A.,< 1. Физический смысл первого условия заключается в том, что при окончании переключении тока в начальную индуктивность зазора между катушкой и лайнером кинетическая энергия лайнера должна быть мала по сравнению с введенной в зазор магнитной энергией. Физический смысл второго условия -малое относительное увеличение зазора в ускоряющем узле за время коммутации тока, 1-слн величина зазора рассчитывается по электрической прочности обычных материалов и составляет несколько миллиметров, второе условие для металлических лайнеров выполняется заведомо. Для модельных экспериментов на лайнере с диаметром 100 мм, такие условия были выполнены. На приведенных выше осциллограммах видны два максимума напряжения.

В результате испытанными и доработанными выключателями был оснащен накопитель ТИН-1, также были разработаны и шготовлены обостритель полного (умноженного на 30 секциях) тока - ! МЛ я оригинальный замыкатель катушки, изготовлена сама катушка длиной 1м (10 вшкон) и проведены 3 эксперимента по разгону бозьшнх лайнеров. В этих экспериментах при фронте тока более 100 мке было получено сжатие лайнера и ею рай он до 250 м/с. Не был достигнут необходимый синхронизм в paooie 30-ni коммутаторов умножения тока, а поэтому и полная амплитуда кжа » нагрузке составила лишь 60% от расчетной. При замене OBI1 в коммутаторах 3-ен ступени было видно, что в некоторых из них характер элскфнческого взрыва проводников существенно отличался от остальных. При затянутом фроню тока развивались сильные неустойчивости оболочки, просматриваемые на фотографии рис.6.

Система ТИН-1 не была доведена до расчетных нарамофон, хотя значительных препятствий с технической стороны для этого не было Однако в

1981г. работы в данном ТЯ направлении были закрыты, а лайнерные эксперименты прекращены. Тем не менее, полученная информация оказалась полезной в плане постановки дальнейших задач. Во-первых, было осознано, что работа ансамбля из 30-ти секций накопителя более сложна, чем представлялось. Во-вторых, во время проведения одного из экспериментов на стенде имел место пробой конденсатора привода размыкателя на ускоряющую катушку. Пробой произошел внутри коммутатора, осциллограмма тока катушки показана на рис.5 штриховой линией. На первый взгляд было непонятно, как энергия конденсатора (максимальная величина - 6 кдж) может привести к значительному увеличению (по оценке на 30 кдж) магнитной энергии в ускоряющей катушке. Анализ этих и других особенностей работы ИН проведен автором в следующих двух главах.

2. Общие вопросы коммутации тока мощных индуктивных накопителей

Для импульсных ИН характерно использование многоступенчатых выключателей тока, позволяющих получить крутые фрокгы (10-30 мкс) токов в нагрузхе при секундных временах зарядки магнитной системы. Выполнены оценки снижения энергии привода многоступенчатого коммугатора по

сравнению с равноценным по быстродействию одноступенчатым контактным устройством, в общем виде оценены потери энергии накопителя при переключении тока между отдельными ступенями коммутатора. На примере экспериментальных характеристик коммутаторов ИЛ ТИИ-1 показано, что экономия энергии привода составляет 50 раз при несущественных дополнительных потерях энергии, как в цепях выключателей, так и в обмогке при операции вихревых токов.

Рассмотрена физическая картина процесса коммутации тока ИН в ншрузку выключателем - нелинейным элементом, в том числе случай переключения в индуктивность, ггри котором работает известное ограничение «1/4», вытекающее ю закона сохранения магнитного потока. Показано, что единая физическая картина возникающих ограничений при передаче

электромагнитной энергии, как впрочем и для передачи энергии любого вида (без преобразования ее в другие формы) заключается в сравнении времени передачи т„ и периода тс собственных колебаний системы. Если т„ > т,., то обобщенный нелинейный элемент системы передачи (в данном случае размыкатель тока) работает, как «магнитная плотина» или как полупрозрачная преграда для потока энергии, и рассеивает большую ее часть. I? электромагнитной системе без преобразования энергии тс - это время пробега световой волны вдоль системы с конечными размерами, и выполнение обратного условия т„ »тс требует присоединения к системе инородных импедансов, способных имиульсно обмениваться энергией с основной системой. Ншгример, в. накопительных формирующих емкостных линиях введение небольших индуктивностей, легко позволяет реши п. проблему •эффективной передачи.

Для магнитных накошпепей с высокой плотностью запасенной энергии использование аналогичного приема согласования (т.е. введение емкостного импеданса) неприемлемо, т.к. плотность запасаемой магнишой энергии на л-4

порядка превышает плотность электростатической энергии в конденсаторах, и источник энергии теряет основное преимущество.

Вместе с тем указано, что вывод об однозначной связи эффективности передачи и преобразования энергии относится к простой системе с односвязным контуром. В сложных системах передачи энергии, состоящих их нескольких ИН или нескольких накопительных секций, при выполнении указанных ограничении на характерные времена можно радикально изменить результат, используя дополнительные степени свободы в системе. Это положение развернуто в последующей главе.

Рассмотренные ограничения на передачу магнитной энергии диктуют также величину энергии, выводимую из токового контура при коммутации ИН на индуктивную ншрузку. В этом приближении аналитически решена задача коммутации тока нелинейным термическим сопротивлением, у которого импеданс изменяется пропорционально теплосодержанию. На рис. 7 показано, например, что при различной массе шунта выбором начальных условий длина-сечение можно обеспечить заданное время переключения тока и ограничить максимальную величину напряжения. Полученная различная кратность роста сопротивления элемента, сказывается на начальных параметрах и стартовой величине напряжения, которая определяет условия работы предыдущей ступени выключателя (см. начало раздела).

Использование термошунтов для коммутации тока ИН в лайнерную ускоряющую систему может иметь определенную целесообразность в виду малой начальной индуктивности нагрузки и, соответственно, относительно небольшой рассеиваемой энергии. Поэтому был выполнен анализ поведения тока р. шунте при разгоне лайнера. Показано, что в зависимости от параметров ускоряющего узла после переключения тока в процессе разгона 'лайнера сопротивление шунта может возрастать еще в 2-3 раза. Поскольку кратность роста сопротивления термопроводника А<100 (при начальном охлаждении в парах жидкого азота) ограничена сохранением твердотельного состояния, то

"<!№) г<с)*<-г>

Рис.7 а - ток, напряжение и относительная величина импеданса термошунта при кратности возрастания А= 11, 6. - тоже, при А=51

использование термошунтов для подобных ускорительных задач может име!ь ограниченное применение и требует численных расчетов. Автором приведен пример такого расчета, удовлетворительно согласующегося с результатом макетного эксперимента по ускорению лайнера, описанного в первой главе. 3. Передача и кумуляция магнитной энергии

Как упоминалось ранее, сформулированные автором выше кр1гтерии ограничений на передачу магнитной энергии, в основу которых положено соотношение времен распространения по системе электромагнитной волны и передачи энергии, позволяют провести ревизию такого процесса передачи в секционированных ИН. Отталкиваясь от рассинхронпзации старта выключателей в секционированном ИН, предположим, что будем рассматривать совокупность нелинейных процессов, длительность каждого из которых меньше, чем полная длительность процесса передачи энергии. Самый простой случай - последовательность отдельных переключении тока, при которых магнитный поток в любом контурс'сохранястся только до тех пор, пока контур остается неизменным. Однако в этом случае можно раюрнап. жееплто связь начального и конечного значений магнитного потока в системе (до и после передачи энергии), которая определяла низкий КПД и большие потерн энергии.

Передачу энергии в системе из любых однородных элементов-накопителей можно описать через уравнения Лагранжа в общем виде, используя обобщенные переменные. Поэтому механизм передачи магнитной энергии можно наглядно смоделировать на системе нескольких неупруго сталкивающихся тел, которая показана на рис.8. Отличие состоит только в скорости распространения возмущений в системе, которая здесь равна скорости распространения звука в телах, и в том, что нас интересуют изменения только в пространстве скоростей, а не координат тел. Координатам тел нет места в электромагнитных аналогах. Задача состоит в том, чтобы передать максимум кинетической энергии от системы движущихся тел М, первоначально покоящемуся телу ш.

Первое столкновение и передача энергии между М| и ш - классический диссипативный процесс. Однако для следующего шага передачи импульса и энергии можно сформировать вращающийся элемент из двух тел М| и ш , одно из которых наша нагрузка ш, и при столкновении с третьим телом М2 эффективно перераспределить энергию внутри системы. Отметим, что приведенная масса га*=шМ/(т+М) системы, фигурирующая в задаче описания движения двух тел [1] относительно мала и определяет малые потери энергии при неупругом столкновении. В данном случае передача энергии идет по двум

Рис.8 Механическая интерпретация принципов передачи энергии с малыми потерями. Исходное состояние - в правой части рисунков.

каналам, один из которых чисто бездиссипативный - перераспределение кинетической энергии вращения. Процесс можно развивать далее, увеличивая количество присоединенных тел М^щ . м к нагрузке т (т.е. число каналов бездиссипативной передачи). Если бездисснпативпый механизм передачи можно сделать преобладающим, то рамки абсолютных ограничений на эффективность передачи энергии могут быть существенно раздвннуты.

Это было смоделировано аналитически на моделях магнитных систем сначала при последовательном подключении отдельных секций магнитного накопителя к индуктивной нагрузке, а затем в усовершенствованной системе с оптимальным преобразованием схемы включения секций.

Результаты анализа интегральных характеристик таких систем с дискретным процессом передачи магнитной энергии оказались достаточно необычными: при увеличении числа шагов (числа секций N1) КПД асимптотически приближался к 1,0, как показано на рис.9, а полные за процесс потери энергии, уменьшались ~1/М За это свойство исследуемые системы получили название «слабодиссипативныс системы передачи магнитной энергии». Полученный результат аналитически представлен зависимостью К11Д от параметра X согласования индуктивиостей и числа N секций ИН:

1С О.-*

о.м ол

О 5 10 13 30 N

Рис. 9 Зависимость максимальной величины КПД передачи магнигной тюрпш 01 ми..и секций (переключений) индуктипного накопителя, величины л отимичироиачы для клж/кн а значения N.

_____

У

/ \ \ ■ 1

л (A,N) =7J(\+K) {)-[Va. arc igVA. + A7(1+A)]/2N}. (})

Данная формула дает результаты с точностью, лучшей, чем 2%, при достаточном числе секций накопителя N>8.

Автором проведены две экспериментальные серии для натурного моделирования систем. Первая использовала уже известный накопитель ТИН-!, который заряжался током всего 100 А, а последовательное прерывание токов реализовано одним выключателем с механическим «ножом». Нож разрывал 15 последовательно натянутых проводников. В нагрузке было получено 45 % исходной энергии накопителя. Эксперимент подтвердил справедливость предложенных принципов передачи энергии. Кроме того, в процессе наладки временной синхронизации работы узлов устройства была получена интересная картина «поддержания» плоской вершины тока в нагрузочном электромагните. Подробный математический анализ эквивалентной задачи, которая имела отношение к режиму работы токамака ТСП [2], приведен в следующих главах. Второй эксперимент проведен на специально оборудованном стенде с 3-х секционным накопителем при энергии 100 кДж и током зарядки 23 кА. В выходном токе нагрузки получено 37 кА, в импульсе с длительностью 0,5 мс было закачано в нагрузку 36% начальной энергии при теоретическом пределе 41%. Выключение тока здесь было реализовано автоматическим образом в двухступенчатых выключателях. Взрывающийся током проводник второй

Рис 10. Рафсз блока двухступенчатых коммутаторов и принципиальная схема автопривода выключателей. ЭВН второй ступени (поз.З) возбуждал в масле 5 ударную волну, разрушающую фольгу 2.

ступени каждого выключателя кроме прерывания цепи тока выполнял функцию привода для механически разрушаемой фольги первой ступени следующего выключателя, как показано на рис. 10.

Успешные эксперименты но высокоэффективной передаче магнитной энергии в секционированном ИН с умножением тока открыли новые перспективы их применения. Однако для прикладных разработок необходимо было научиться получать не только КПД, но и другие характеристики „ процесса. Импульсный. ИН по своему назначению является усилителем мощности, развиваемой на нагрузке. Поэтому надо было получить объективную оценку ее величины. Это потребовало определенной формализации электромагнитного механизма передачи магнитной энергии в системах с дискретным переключением секций.

Для формализации рассмотрена модель магнитного усилителя мощности, простейшая схема которого показана на рис. 11, где размыкагель . . заменен эквивалентным генератором напряжения. В самом обычном случае диссипативного процесса, когда энергия передается однократной коммутацией тою» можно построить энергетическую диаграмму процесса в осях КПД -потерн. На начальной стадии переключения тока - это чистые потери, на конечной стадии - эффективная передача магнитной энергии. Различие между этими стадиями определяется величиной отношения 1,/1г тока нагрузки Ь„ к току генератора Г, характеризующей относительную мощность р=Р„/Рг. Вначале процесса она близка к нулю, в конце процесса - стремиться к

Рис.11 Упрощенная схема для анализа усиления мощности

в двухпроводных шинах, соединяющих накопитель, нагрузку и генератор управляющего тока, которые находятся под равными потенциалами. В дискретном процессе передачи энергии на всех шагах передачи энергии используются только конечные энергетически выгодные конечные отрезки стандартных (и интегрально «плохих») диаграмм, а переход между отдельными траекториями системы обеспечивается сопутствующим изменением индуктивностей системы при каждой коммутации цепей либо накопителя, либо нагрузки, как показано на рис.12. Этот момент является одним из главных. По сути дела мы ушли от коммутатора, как от «магнитной плотины» и пришли к коммутатору, который эффективно «управляет» распределением магнитной энергии в системе. Необходимое для этого условие - наличие существенного тока в нагрузочном электромагните в момент начала выключения тока. Отметим, что введенное понятие «управление» - это не просто используемый термин, так как максимальный коэффициент усиления мощности в системе

0,7 0,6 0,5

0,4 0,3

0,01 0,05 0,10

Рис. 12 Энергетические диаграммы передачи магнитной энергии я нагрузку в зависимости от эпер!«вклада генератора на рис.11 в контур тока. Штриховая линия - оптимальный дискретный процесс передачи секционированного ИН. магнитная энергия нагрузки

но отношению к полной магнитной энергии системы. У^/У/,« - относительный эчерговклад генератора.

Г- • уйг2

С ^

г

V - Л. ,=0,5 ^

достигает величины, равной числу секций N.

С помощью использованной модели разработана методика вычисления интегральной мощности системы в безразмерных параметрах. Также показано, что конечный результат, вообще говоря, зависит не от структуры секционированной системы, а от выбранной последовательности величин >., характеризующих каждый шаг дискретного процесса передачи. Универсальность подхода позволила рассмотреть особенности сист ем передачи с принципиально различными магнитными структурами. Некоторые из них были предложены автором [3] а ряд предложений был сформулирован другими исследователями [4,5]

4. Обобщенная теория слабоднсснпатнвной передачи магнитной энергии.

Как следует из вышеизложенного материала эффективность и мощность при импульсной передачи мапштной энергии прямо связана с числом шагов в дискретно производимом процессе передачи. Однако принятая выше классификация систем, разделяющая их на «дисснпативпыс» и «слабодисеипативные», и соответствующие расчетные модели недостаточны, чтобы описывать реальные характеристики ИН, работающего на индуктивную нагрузку. Введем понятие «идеальной» и «неидеалыюй» модели слабодиссипативной системы передачи. Первая из них характерна тем, что все N выключателей системы срабатывают строго последовательно во времени, и окончание одного переключения тока строго соответствует началу последующего. В неидеальной модели, которая соответствует pca_it.ni.iM характеристикам выключателей, картина последовательно прерываемых токов будет соответствовать рис. 13 с взаимным перекрытием времени работы выключателей. Это следует из реальных осциллограмм фронтов токов, имекпцих нелинейный характер. Нетрудно видеть, что результат передачи магнитной энергии должен зависеть от величины взаимного перекрытия осциллограмм на рис. 13.

Рис. 13 Токи в двух последовательно срабатывающих выключателю ИН. В частном случае при 100% перекрытии (т.е. одновременном срабатывании выключателей) результат заведомо известен, и КПД будет равен т]-0,25. Это является демонстрацией факта, что общепринятая «диссипативная» передача магнитной энергии • лишь частный случай дискретного процесса с минимальным числом шагов п-1. Поэтому вопрос о том, как используется Ы-секционная структура (N>>1) выходит за схемотехнические рамки ИН и нуждается в детальном описании процесса

Прерывание тока выключателем - статистически вероятный процесс, который с большей или меньшей достоверностью стартует в интервале времени Л{; после подачи команда, а время разрыва тока Дт;, кроме того, зависит от характеристики коммутируемых цепей и величины прерываемого тока на 1-м шаге процесса Решаемая общая задачи сформулирована так: объединить в едином алгоритме структуру пошаговой перестройки системы со статистически определяемыми на каждом шаге процессами переключения тока и передачи энергии.

В основу построения такого алгоритма положена идеальная система с полной последовательностью преобразований. Такой системе присвоена «метрика» п\ - последовательность N чисел (1^ 1 <Ы), указывающих, какая

доля тока осталась в i-1-м размыкателе в момент старта i-ro. Для идеальной системы метрика - ряд нулей: т0=ОДО.... Для диссипативной передачи

(классическая схема одношагового умножения тока) mi= 1,1,1,......1,1,0. Для ИН

с тороидальной конфигурацией выведена оптимальная метрика ггь, позволяющая сохранить симметричную структуру магнитных полей в торе. Для схемы удвоения токов |4] ш3= 0,0,1,0,1,1,1,0. . . . при количестве нулей, соответствующих числу переключений n= lg^N+l.

Статистические отклонения времени старта выключателей задаются вычисляемыми относительными добавками к метрике, исходя из нормально! о закона распределения с заданной дисперсией и тех временных поправок, которые «набегают» при реальной работе выключателей за предыдущие шаги. Таким образом, исполняемая метрика системы отлична от заданной и будет выглядеть так:

DTj= ш,+ dx/ti.

и для ее определения времена т; прерывания тока вычисляются, исходя га модульной мощности выключателей и потерь энергии.

Определение тока производится по модифицированной рекуррентной формуле для последовательных значений токов, которая легко рассчитывался в виде p.c., = 1Д.1 для «идеальной» системы. С учетом метрики выражение модифицированной формулы определяется по двум пооедонле.п.иым значениям рс, в соответствии с выведенным соотношением:

р.с*( = p.c.j-(l-p.c.i)DTi / [р.с.и "К 1-р c.hi)D Г,1.

Таким обраюм, при расчеге каждого шага последовательного процесса передачи энергии осуществляется обратная связь, т.е. уметывается вся история предыдущих шагов передачи.

Рис. 14 Результаты численных экспериментов для трех разных систем: I - исходная метрика mo, II - т^, III - тз.

На двух картинках рис. 14 показаны результаты многократного прогона расчетной программы для трех слабодиссипативных систем с ш0, и ш3: без статистических отклонений в работе выключателей и с конечной заданной величиной дисперсии разброса времени старта. Видно, что в последнем случае имеем выходные параметры, выраженные в виде поля вероятных полученных значений КПД системы и соответствующих относительных потерь.

Подводя итог этой част, надо сказать, что теория слабодиссипативных систем передачи магнитной энергии в целом разработана Она включает в себя практически все известные случаи функционирования секционированных ИН. Надо теперь научиться правильно ее использовать с учетом экспериментальных характеристик конкретных выключающих устройств.

5. Три типовые задачи формировапия импульсов тока в электрофизических устройствах различного назначения

Дан краткий обзор возможных применений слабодиссипативных систем в электрофизических установках. Приведено обоснование целесообразности применения новых разработок, которое базируется на проведенных численных расчетах и сравнении результатов с известными примерами использования ИН, функционирующих по «классической» схеме.

5.1 Задача формирования импульса магнитного поля с плоской вершиной заданной длительностью в резистивной катушке.

Слабодиссипативные секционированные системы ИН эффективны не только на стадии импульсной передачи магнитной энергии, но и при поддержании тока в резистивной обмотке электромагнита. Анатиз работы классической схемы показал, что в этом случае заданная длительность Т «столика» тока и постоянная времени т =Ь„/Я„ нагрузки ограничивают максимальный КПД величиной г|=0,25/ (1+Т/т).

В дискретном процессе переключения и формирования столика тока, состоящего из N шагов, п<Ы производимых переключении схемы па рис. 15 используют для формирования фронта тока в нагрузке, а N41 шагов остаются для поддержания амплитуды тока. В этом случае КПД системы определяется по приведенной выше приближенной формуле

а оптимальная точка п<Ы перехода в режим поддержания тока может быть вычислена из решения полученного уравнения:

Т= 2Ы т„/(1Ч-3) 1п [0.66 N11/ [(Ы-1)(п-0.331М +1)].

Для величины параметра нагрузки Т/т=1 численный результат сравнения двух подходов к решению задачи приведен на рис. 16 для различных относительных величин индуктивности нагрузочной катушки. Пилообразная

Рис. 15 Схема работы ИП с дискретным переключением секции, фафик юка 1„ наг р\ ючнш о электромагнита и прерываемых гоков 1п в выключателях Р.

*./(!+*. ) 11- вК агс Щ^К + / (2п)],

1

1

0.8

0.6

0.4

ОЛ

О

1.0

2.0 пар.согл.

Рис.16 Сравнительные величины КПД при формировании столика тока в одношаговом процессе (нижние кривые) передачи энергии и дискретном процессе (п>16, число секций 32) для разных параметров X и Т/т=1. Графики 1- КПД передачи магнитной энергии, 2 -полный КПД с учетом нагрева обмотки нагрузки.

форма кривых обусловлена дискретным изменением точки перехода п в режим поддержания вершины тока (от п к п+1) при непрерывном изменении параметра X.

Интегральная эффективность системы, работающей по дискретному циклу примерно в 2 раза выше, чем стандартное решение, использованное в схемотехнике токамака ТСП. Эти результаты. были использован при разработке эскизного проекта токамака ТСП-2 АС, а в настоящее время НИИЭФА реализует в Гренобле в Лаборатории подобную схему для питания сильного квазистационарного магнита от секционированного ИН [6]. 5.2 Индуктивный накопитель в мощных драйверах. Каскадный индуктивный усилитель мощности Р> 1012Вт.

Быстроходные неразрушаемые импульсные источники тока большой мощности обычно имеют структуру последовательно включенных усилительных каскадов на конденсаторах и емкостных формирующих линиях, использующих специальные диэлектрики (очищенная вода, элегаз и др.). Как выше было отмечено в разделе 2, согласование таких каскадов выполняется автоматически за счет индуктивностей соединений, обеспечивающих обратимое

преобразование электростатической энергии. Несмотря на компактность и другие преимущества ИН, которые очень весомы при рассмотрении проектов драйверов нового поколения типа «Байкал» или Х-1 [7] с первичным энергозапасом ~ 100 Мдж и более, ранее наблюдалось скептическое отношение к использованию магнитного накопления в подобных машинах. Это вполне объяснимо, т.к. требуемый коэффициент усиления мощности на выходе по отношению к входной мощности секундного процесса зарядки накопителя составляет величину более 107, Такое усиление нельзя получить в однокаскадном или двухкаскадном усилителе, а использование двух магнитных каскадов усиления в классическом исполнении позволило бы получить КПД устройства всей машины, не превышающее 1)= (0,25)7 » 0,06.

Идея каскадного индуктивного усилителя мощности впервые высказана автором в 82г [8], после того, как были получены основные характеристики систем слабодиссипативной передачи. Блок-схема показана на рис. 17. Основное преимущество такой системы - возможность избавить индуктор и выключатели в первичном каскаде накопления энергии от разрядного напряжения нагрузки, если его выводы закоротить после сброса большей части магнитной энергии в промежуточный каскад 2. Габариты промежуточного каскада при миллисекундных временах протекания тока могут быть невелики. При величине КПД передачи энергии между каскадами -0,7 (что требует секционирования N-8-16) даже после 3 каскадов можно вывести в ншружу

1 К1 К2

UU / у 2 f

КАСКАД каскад нагрузка

ИН г т НИ f

/

замыкатель 1-го каскада

Рис.17 Каскадный импульсный индуктивный источник ios:i с н.-ч ручкол

30-35% начальной энергии. Конкретные примеры и оценки согласования каскадных магнитных систем приведены в следующем разделе.

5.3 Индуктивный каскад для получения больших токов.

Системы с параллельным включением секций здесь имеют очевидное ограничение: 1та7<1(|*Ь'. Здесь лидером может быть система типа «магнитный хлыст» [5], у которой специально подобранная последовательность Я, позволяет получить коэффициенты усиления тока, значительно превышающие число секций. Автором проведен достаточно подробный анализ ее характеристик, один из примеров численного расчета приведен на рис. 18. Недостатком системы является ограничение по мощности, вытекающее из структуры ее автотрансформаторной схемы. Это приводит к необходимости использовать выключатели тока с большой электрической прочностью после срабатывания.

N-25 ч -

N-1»

> 1 Тгг^тг: —-—,—

• .1 Л Л .4 Л Л КПЗ

Рис. 18 Коэфф. усиления тока для системы с 24 катушками, К„=0.95 без коррекции усиления и с коррекцией оптимальной последовательности X,, настроенной на максимальный ток.

6. Магнитные накопители в мощных импульсных драйверах

6.1 Проект большого Плазменного Фокуса с энерговкладом ~ 100 МДж.

По инициативе Е.П. Велихова на базе предложений автора рассмотрен проект большого Плазменного Фокуса ПФ-100, использующего базовый индуктивный накопитель ТИН-900 токамака ТСП. Была проведена работа по полному согласованию промежуточного индуктивного 200-МДж индуктивного

каскада, который позволил бы получить в ПФ ток до 30 МА с энерговкладом в камеру масштаба 60-100 МДж. Один из ключевых моментов в этой системе -согласование разряда промежуточного каскада на камеру Г1Ф-100 при ограничении напряжения на выключателях тока. Для этого численно моделировалась динамика движения токо-нлазменной аргоновой оболочки. Использована модель «снежного плуга» с коэффициентом захвата рабочего газа 0,7.,Модель нормирована по экспериментам, проведенным в РНЦ «К 11» Н.В. и Т.И. Филипповыми па устройстве ПФ-3 [9]. Одновременно с динамикой разгона оболочки в системе рассчитывались токи и напряжения. Пример расчета при токе гашча 1-10 МА приведен на рис. 19. Было показало, что время нарастания тока в камере может составлять до 30 мке при этом разрывное напряжение на выключателях менее 30 кВ и уменьшается с повышением их быстродействия. Характерные изломы на графике напряжения соответствуют фронту тока и удару пламенной оболочки о стенку камеры. Попутно обнаружено, что в углублении на аноде, которое в камере ПФ-3 выполнено для уменьшения плотности тока на поверхности электрода, должны происходить интересные явления. Срывающаяся с края ^тяжелая» оболочка должна замыкать ток на стенку а) юл ною углубления. Токовая оболочка, «прорастает» внутрь ямы и образует новую область сжатия линча с малой погонной плотностью плазменного столба, определяемой только радиусом углубления и начальной плотностью рабочего газа,

А. Б. '

1„=1С МА 1Ч«ВД.1<МА)

, < • ...

Ь/

^-К,-1.25 га--

I . •

Рнс.19 А - рассчитанные положения токоноП оболочки ( черс] ! щ-с) а ашм\ гал ли>- симметричной камере Г1Ф в процессе подачи тока (Т 10 икс. 1 ЮМА' II - гра}ик напряжения и индуктивное™ в процессе ратгопа оболочки до момента се кумуляции

ыг т

«,- 1К.В1 . |

„Ч'- мим.тд |

счет иа>».Г1ми |

J

Согласно расчетам, в этой зоне сжатия разгон и кумуляция пинча должны происходить в 3-4 раза быстрее, чем кумуляция над поверхностью анода. К сожалению, эта зона для экспериментальных наблюдений практически закрыта, а постановка новой работы на ПФ-3 требовала средств. Эскизная схема ПФ-100, согласующаяся со сделанными оценками, показана на рис. 20.

6.2. Многокаскадный индуктивный усилитель мощности для установки БАЙКАЛ

Вторая прикладная задача для каскадного индуктивного накопителя -энергоблок по проекту БАЙКАЛ [10], работа над которым ведется с 1998г. Не останавливаясь ка деталях, можно перечислить основные моменты разработки импульсной магнитной части системы, которая, как и ПФ-100, базируется на существующем ИН ТИН-900.

На этапах предварительного магнитного обострения здесь уже нужно 3 каскада усиления мощности, чтобы сжать 100*150 Мдж импульс до 50- ЮОмкс. Многокаскадная система имеет много степеней свободы и дает возможность в широких пределах варьировать величины одновременно нескольких промежуточных токов и напряжений. По этой причине оптимизация системы

должна проводиться по какому-то плану. В настоящее время не выработана

какая-то согласованная стратегия оптимизации таких систем. Однако

проведенный предварительный анализ дал возможность оценить преимущества

3-х каскадной системы со слабодиссипативной несдачей магнитной энергии по

отношению к первичным оценкам, выполненным в НИИЭФЛ. Первичные

оценки пред^Ц^агали разделение магнитных накопителей на 16 независимых

линеек 0 3-мя каскадами усиления мощности после возбуждения тока во

вторичной обмотке 9ИН-900. Данные этих оценок помещены на рис.21 в

первой строке параметров системы^ (в скобках) вместе с проработанной С» *

автором электрической схемой. Эта схема, представляет собой развертку

* * .г*

тороидального накопителя ТИН-.900 и'корьцевых каскадов ИН-2, ИНЗ. Каждый

из каскадов работает, как многосёкциоТшая (N=16) слабодиссипативная система

импульсной передачи магнитной энергии в отличие от варианта с

независимыми усилительными линейками.

Т~ 5-с '!Омс 'ЮСмкс 2мке .2мьх-

Г, 1 II ИН2 , , , инл _ „ К'ЭГ) II

1 (900

600 120 ? 50) ¡^¡¿ШО 275 150 ? 50 ' ТИН-900 Энергия в МДж

V

| I I Т II 1_| 11 ч^вч«»»«*^ I I

.....1Г II и

выход на сделуюцдй каггад обостряя« 1 кот Г. 1 г с* 1 !> «п«)

Рис.21 Принципиальная схема силовой электрической части системы обострения импульсов тока на кольцевых индуктивных каскадах

Теоретически достижимые параметры в 2,5-3 раза лучше первичных оценок, представленных НИИЭФА. При заданной энергии на нагрузочном выходе 50МДж увеличение КПД позволяет резко снизить начальный запас энергии в ТИН-900 и тем самым увеличить надежность работы устройства. Проработка технической реализации системы с коммутаторами тока, удовлетворяющими необходимыми требованиями - это задача, решаемая в настоящее время. Одновременно для натурного макетирования электромагнитной системы установки БАЙКАЛ в уменьшенном масштабе (1:15) подготавливается существующий в ТРИНИТИ накопитель ТИН-1, показанный в первом разделе.

Просматриваемые возможные решения дальнейшего обострения 100 МДж-ных импульсов тока до 1 мке и более коротких времен выходят за рамки обсуждаемых в диссертации проблем. Хотя, можно отметить, что один из разработанных вариантов предполагает использовать. кумулятивный электромагнитный обостритель (КЭО на рис. 21) с электромагнитным разгоном, напоминающий по энергетике и принципу работы лайнерную систему. Для его расчета использованы результаты, полученные в главе 1. В реализации и разработке проекта БАЙКАЛ кроме ТРИНИТИ принимают участие организации: НИИЭФА, РН1Д «КИ», ЛПИ, ИПМ им. М.В.Келдыша; 7. Сравнительные исследования электроэрозионных характеристик конструкционных материалов в сильноточном разряде ускорителя рельсотрона.

К плазме сильноточных самосжимающихъся разрядов типа ПФ н< предъявляется жестких требований по чистоте. В экспериментах [9] был( показано, например, что добавка тяжелых инертных газов к рабочему газу О повышает нейтронный выход. Вместе с тем плазма токовой оболочки нcpeJ кумуляцией должна быть максимально свободна от примесей тяжелых ионо: материала электрода (анода), поступающих в разряд с его поверхности.

С целью подбора эрозиошю-стойких материалов анода, которые

условиях сильноточного разряда и излучения плазмы обеспечивают малое поступление вещества электродов в разряд, проведена большая серия экспериментов на сильноточном рельсотропном ускорителе с различными электродами, изготовленными с помощью специальных технологий. Отмстим, что для практического использования рельсотрона, как инструмента, позволяющего воспроизводимым образом получать большие скорости макротел с массой 1-1000 г, проблема эрозионной стойкости электродов-рельсов также является одной из основных, поэтому приведенные ниже сравнительные экспериментальные данные имели также самостоятельный интерес. /

7.1 Системный анализ ресурса электродов в рельсотропном ускорителе с высокой линейной плотностью тока 500 кА/ст.

В таблице 1 приведены данные исследованных образцов, а на рис.22 -схема рельсотрона, использованного для испытаний.

ТАБЛИЦА 1

П/п номер и тип электрода 1. медный 2. медный с модификатором 3. слоистый 4. вольфрам основа 5. комбинированный

Рисунок сечения • т........т

щщшр : Си 1 ...1 Си :

sléel

Состав материала в %(объем) Си (100) Си (99) А1203 (1) Си (50) Mo (50) W (90) Си (10) Си (56) Мо (43) ЬаВ6(1)

Технология изготовления прокат порошков, металлург, с экструзией з оболочке погружени ев расплав порошковая металлург. порошковая металлург, с пропиткой в расплаве

Дисперсн. Присядок 5 1 цт ~ 30 цт

200 100

5 100

С-61 мФ, Н=1мОм измеритель скорости

Рис.7.1 Принципиальная электрическая схема испытательного стенда. Индексами и, и э; отмечены диагностические зонды

Длина ускорительного участка 0,85 м, канал имел квадратное сечение с размером 10x10 мм. Пороховой предварительный ускоритель на длине 10см разгонял тело с массой 2,5 10'3 кг до скорости -450-500 м/с, после чего включался ток, амплитуда которого за 0,35 мс достигала величины 410-450 кА. Электрические сигналы всех датчиков регистрировались автоматической системой сбора данных «АМЕТИСТ». Характерные осциллограммы тока, напряжения между электродами на дульном срезе' ускорителя и сигналы магнитных зондов показаны на рис 24. Каждый тип электродов из таблицы 2 испытывапся в двух режимах электродинамического разгона: при ускорении диэлектрического снаряда плазменной перемычкой и при ускорении металлического алюминиевого снаряда, осуществляющего перенос тока между электродами за счет собственной проводимости. В каждом режиме производилось серия из 3-5 циклов ускорения, износ электродов между циклами определялся проводимыми измерениями

кАЛ/

400 ""1

МО Кг-

«00 ч д-

,ос р- V-

о ЬггЦ »|Г»|ё

НтадпдоЬе

юоо

л.

\>л

1 1 '

- 1 *-

500

1000 1500 ДО

Рис.24 Ток 1 и напряжение и,™^. Для медных рельсов (слева) и соответствующие сигналы магнитных зондов, расположенных вдоль канала

После завершения серии проводились металлографические измерения износа поверхности электродов.

Испытания этих материалов для названных вариантов арматуры показази, что для скорости снаряда У= 2,5 км/с плазменная арматура обеспечивает существенно более "мягкий" режим разрушения электродов РУ, чем металлическая арматура. Практически на любом из перечисленных образцов (кроме контрольных) выходные параметры ускорителя (У>2 км/с) сохранялись в течение всей серии из 5 рабочих циклов. При этом можно отметить особенность данного режима работы РУ. Она заключается в том, чго экспериментально наблюдается отчетливое влияние эрозионных свойств разных материалов электродов на структуру и динамику токового распределения в плазменной арматуре. Однако это слабо отражается на динамике ускорения и выходной скорости диэлектрического снаряда в выбранном режиме работы. Поэтому (если не учитывать динамику плазменной арматуры) наилучшими из испытанных материалов здесь следует признать композит Си+Мо+1.аВ<; и псевдосплав \У+Си(90%+10%). Существенный недостаток последнего материала - повышенная хрупкость. Многочисленные трещины в направлении оси г (поперек оси канала) были обнаружены на этих электродах после серии опытов с плазменной арматурой. В последующих испытаниях (с металлической арматурой) повышенная хрупкость была устранена введением в состав 5% добавки никеля.

Для сравнения отметим, что величина интегрального массового износа

для медных электродов, определе1шая по эрозии первых 40 см разгонного участка для 3 циклов составила 36 г, в то время как для 60%Си-40%Мо-1%ЬаВг, за 5 циклов всего 9г. Выходная часть канала, основной унос материала с которой осуществлялся свободной дугой, горящей на выходе рельсотрона после цикла ускорения, была исключена га рассмотрения. Данные примеры выбраны для удобного сравнения ввиду близкой плотности меди (8, 93 г/см3) и молибдена (10,2 г/см3).

Режим с металлической арматурой при данной высокой плотности тока оказался очень жесгким и существенно более избирательным к материалу электродов. В этих экспериментах наблюдалась фаза металлического скользящего контакта, длительность которой зависит от электропроводности материалов электрода и арматуры. Длительность этой фазы изменялась от 100 до 240 мкс. В дальнейшем наступала фаза гибридного или комбинированного контакта, при которой уровень эрозии поверхностей электродов и арматуры значительно (в 3-4) раза превышал эрозию при плазменной арматуре. Соответственно ресурс канала в таком режиме резко уменьшился (с п >5 при плазменной арматуре до 2-3). При этом выходные характеристики ускорения в каждом последующем цикле значительно снижались, и в первую очередь из-за сильной эрозии контакта уменьшалась масса арматуры-снаряда. Кроме того, часть распыленного материала арматуры осаждалась на поверхности стенок канала. Благодаря последнему эффекту в серии экспериментов с рельсами из А120з и \V-Cu-Ni в отдельных местах наблюдалось сужение канала В целом динамика переноса вещества в данном режиме представляет достаточно сложную картину.

Число циклов ускорения на металлической арматуре с одним из лучших материалов электродов (Си+Мо+ЬаВ6) было доведено до максимума с целью определения предельного ресурса работы рельсов. Срыв режима ускорения металлического тела наступил в 6 цикле по причине разрушения арматуры в канапе ускорителя. Впрочем, надо заметить, что постановка задачи для всех экспериментов с металлическим якорем изначально была не совсем корректна по причине явно высокой линейной плотности тока ^45-50 кА/мм, по сравнению с типичными рабочими параметрами других рельсотронов, работающими при величине,]<30 кА/мм.

7.2 Некоторые результаты и оценки поведения плазменной арматуры в канале рельсотрона.

Описанные выше сравнительные эксперименты имели узкую цель сравнительного исследования электродных материалов.' П силу ограниченной в экспериментах скорости У< 3 км/с существенное различие выходных характеристик ускорителя от характера распределения тока в канале не обнаружилось. Тем не менее, представлялось интересным хотя бы качественно определил» механизм влияния электродного материала на наиболее характерные следующие параметры, измеренные в эксперименте: форму и временную последовательность сигналов эондопых измерений, а следовательно, и на реальную длину ПА и величину электроэрозионного износа рельсов. Была разработана полукачественная численная программа ускорения. Форма и амплитуда тока для расчета задавалась с помощью считанного в эксперименте с помощью электронной системы «Аметист» файла данных, поэтому электротехнические параметры источника тока в расчет не вводились, и в программе ке учитывалось влияние акзивных имподансов рельсов, расчет которых сложен и связан с 3-х мерной картиной диффузии и распределения магнитных полей. Цель создания программы - путем сопоставления расчетных данных с результатами экспериментов оценить неизмеряемую в эксперименте абляционную массу электродов, присоединяемую к ускоряемой с телом плазменной токовой перемычке. Эта масса определяющим образом влияет на режим ускорения. Реализовывалась привязка по временным показаниям магнитных зондов и выходной скорости. Программа восстанавливала сигналы маг ;.глшх зондов, в предположении согласованного распределения тока вдоль плазменного поршня, исходя из динамического равновесия магнитного и газокинетического давления плазмы в ускоряемой системе. Параметры плазмы задавались температурой и количеством частил, определяемым интегралом тока с варьируемым коэффициентом абляции, начальные параметры плазмы рассчитывались но электрическому взрыву «затравочной» фольги.

Рис.25 Расчетные данные сигналов зондов, длины плазменной перемычки и положения диэлектрического тела в канале рсльсотрона. Экспсрименталыю полученные сигналы зондов показаны для сравнения в нижней правой части рисунка со сдвигом по оси времени на 500 мкс.

Электродинамические силы ускорения рассчитывалась через токи и погонную индуктивность канала, корректность использования этого приема подвергнута специальному анализу. Процедура численного расчета сигнала магнитных зондов была отработана при сравнении результатов с экспериментальными данными, полученными на металлическом снаряде. На рис. 25 приведен пример рассчитанных данных процесса ускорения в режиме с плазменной перемычкой (Си-электроды), где величина электроэрозии электродов К-1,6 10" 5кг/Кул выбрана из условия наилучшего совпадения расчетных и экспериментальных сигналов магнитных зондов.

В результате «обкатки» модели по различным экспериментам было установлено, что температура плазмы в нашем каппе с малым калибром не превышала 2.0-2.1эВ, характерная длина ускоряющего плазменного якоря находилась в пределах 15-20 см к концу ускорения, а тем» ускорения существенно замедляется после максимума тока. Однако самым существенным моментом является то, что массовый коэффициент абляции, имеющий размерность [Ка6л]= кг/Кл не зависел от используемого материала электрода и :

Мб

А Б

Рис.26 Фотографии поперечных срезов электродов после экспериментов с

плазменной токовой арматурой. А- Си, Б- Си-Мо-ЬаВб составлял 1,2-1,8 10'5 кг/Кл. Данное утверждение не является абсолютно доказанным фактом. Однако в связи с тем, что с хорошим подобием удалось воспроизвести экспериментальные результаты как с медными (Си64), так и с вольфрамовыми (90У«ЛУ|,6+10,/вСи) электродами при трехкратной разнице в атомных весах, можно полагать, что данное предположение соответствует реальной физической картине с большой степенью вероятности. В этой связи необходимо было объяснить причину .установленного большого абсолютного износа медных рельсов, превышающего в 4-5раз износ рельсов, изготовленных порошковой технологией. Для этого исследовались образцы поперечных срезов отработавших рельсов, показавшие отличие в качественной картине эрозии поверхностей. Срезы сечений с увеличением в 400 раз показаны на фото рис.26.

Объяснение сильной эрозии медных электродов заключается в том, что при высокой плотности тока 45 кА/мм в наших экспериментах при прохождении ПА на поверхности электрода образуется расплав. Слой застывшего расплава толщиной ~50мкм хорошо виден на поверхности медного электрода рис.26А, в отличие от рис.26Б. Расплавле1шая пленка сама по себе.не играет ; заметной роли для . формирования ускоряющей ПА, однако интенсифицирует формирование вторичного слаботочного токового канала, под действием которого расплав разбрызгивается и выносится потоком плазмы га канала в капельной фазе после окончания ускорения. Интенсификация развития вторичных пробоев над зоной расплава электродов ранее была

экспериментально подтверждена в модельных опытах других авторов. Таким образом, значительный вклад в величину износа сравнительно легкоплавких электродов (Си) вносит распыление расплавленной поверхности вторичными токовыми структурами, в то время, как в композиционном материале молибденовая решетка "удерживает" поверхность от распыления.

Применительно к рельсотрону был рассмотрен один из возможных способов борьбы с появлением вторичных токовых стуктур, ранее ' предложенный В.Е. Осташевым в [И]. Экспериментально показано, что изменение направления подвода тока к рельсам ускорителя (так называемая «muzzle-fed» структура канала) создает благоприятное распределение потенциалов вдоль канала. При токах более 200 кА удалось не только предотвратить развитие вторичных эффектов, но и «собрать» плазменную перемычку в единое образование, когда ее развал был намеренно инициирован в самом начале ускорения плазмы.

8. Большие рельсотроны: структура ввода энергии ■ тока в канал, магнитная геометрия канала и 3-D моделирование в зоне токоиереноса.

В последней главе представлены результаты проработки системы питания больших рельсотронов, учитывающие определенные успехи в создании в мире нескольких работоспособных машин с мультимегаджольной кинетической энергией ускорения. Давно обсуждаемая возможность электродинамического запуска с поверхности Земли малых искусственных спутников [12] требуст увеличения КПД ускорителей и освоения новых, более совершенных концепций ввода электрической энергии. Определенный оптимизм автора базируется ш двух основных моментах, вытекающих из выводов глав 3 и 7: - энергетическая часть больших рельсотронов должна быть построена < использованием прогрессивных структурных решений и иметь высоки? электрический КПД;

- характерный размер плазменного якоря может быть ограничен системой электропитания канала, задающей характерный продольный размер токового распределения;

- физические проблемы сверхскоростного (У>10 км/с) ускорения могут

решаться на малых экспериментальных лабораторных устройствах 1гри поддержке развивающегося 3-х мерного числетгаго моделирования. 8.1 Структура электрической части систем питания больших рельсотроиов.

Рассмотрена схема питания рельсотрона от системы ИН, которая

показана на рис. 27. В этой схеме участки рельсотрона, отработавшие в

*

режиме ускорения, автоматически включаются в состав секционированного индуктивного источника питания. Тогда «перекачка» магнитной энергии в зону ускорения осуществляется не только из исходного индуктивного накопителя, но и из всей стартовой зоны канала рельсотрона. Таким образом, при согласованной работе выключателей тока в канале формируется локализованный бегущий магнитный поршень!

6)

В(х)

в)

да

Рис.27 а) Принципиальная схема распределенного ввода тока в канал рсльсотрона, б)- ток через перемычку в зависимости от координаты снаряда, в) - распределение индукции магнитного поля по участкам канала.

х

Проведены аналитические исследования характеристик ускорителя с распределенным (секционированным) по каналу ИН. Предложен универсальный метод решения соответствующих систем уравнений. Было показано, что в пренебрежении активными импедансамн системы эффективность системы высока и КПД ведет себя аналогично КПД систем, передачи магнитной энергии, рассмотренных в главе 3. Величина КПД асимптотически стремится к 1,0 при увеличении числа секций N накопителя:

Л = ь/ ^о) = - \У„Ч(„)/ >№„= 1-

где Ь, - некоторая эквивалентная индуктивность системы источников тока, вычисляемая относительно скользящих контактов ускоряемого тела

Для учета активных импедансов рельсов и контактов при ускорении металлического тела выполнены оценка их критической величины Кч>~2,5 10'3 Ом, нарушающая механизм эффективного формирования бегущего магнитного поршня. Разработана программа численных расчетов токов и ускорения в системах такого типа. Рассмотрена возможность использования ИН не только в качестве источников питания, но одновременно как индукторов, создающих внешнее магнитное поле в канале. Показано, что последнее предложение улучшает характеристики системы в том случае, если активные импедансы в контактах снаряда велики и превышают величину

8.2 О коммутации тока индуктивного накопителя в. реяъсотроннам ускорителе с распределенным вводом энергии.

Отдельно обсуждался вопрос работы выключателей тока ИН, питающего канал рельсотрона. Как и в главе 4 для систем перед ачи магнитной энергии в первом приближении рассматривалась «идеальная» модель. Аплелируя к формулировке принципа эффективной передачи энергии, введенного в главе 2(т.<< Теисте«,), можно было лишний раз убедиться и его справедливости. Анализ процессов ввода тока при отклонении от «идеальной» модели в данном

Ч

случае привел к неожиданному результату: сама система может способствовать выключению тока в коммутаторе. Это качественно показано на рис. 28.

Если начало выключения тока ИИ начинается до подхода сняряда к месту присоединения токоподводов, то при дальнейшем приближении снаряда к гокоподводам обязательно существует точка Хь где ток размыкателя обращается в ноль. Такой простой МГД механизм способствует автоматической генерации «паузы» тока в выключателе. В других случаях использование известного приема создания «паузы» тока требует специальных дополнительных контуров и импульсных источников токов включаемых при обратной полярности.

Получено условие работоспособности такого механизма: ЬУ>К, где Ь-погонная индуктивность канала, У-скорость проводящего зела и Я,- импеданс его контактов. Оно указывает, что скорость вытеснения магнитного потока из встречной токовой петли должна превышать соответствующие потери магнитного потока.

Разработана численная модель «автоматической» паузы тока, учитывающая рехтьные величины активных импедансов цепей, погонную индуктивность каната, длину снаряда и величины паразитных сопротивлений

I

> X, Ха I

Рис 28 Упрощенная схема коммутации магнитного накопителя с каналом. На графике токои 1-ток накопителя, I, - ток выключателя.

ХГ

IX

\

А U » 8.12ЕЧИ

\ * У '-»

V/C

/\ w.

-

в .2

ВДЮачбЛ ^-OJH.«*

Начальные условия: Сопр. выкл. R=2e-4 Ом Коэфф. роста 500 Точка включения -0.2м Нач. ток I- 1е+6А Масса тела 2 кг Инд. ИН L=1.2e-6 Гн Параз.инд. 5е-8 Гн Сопр. якоря 1е-4 Ом Длина якоря 0.15 м

Рис.29 Результат численных расчетов с учетом «паразитных» импедансов. I-ток ИН, 1р-ток выключателя, 1х- ток через ускорительный канал, Wp-расчет потерь энергии в выключателе.

соединений. Типичная характеристика 1троцесса выключения тока в рельсотроне с килограммовым снарядом показана на рис. 29. 8.3 Геометрия ускорительного канала. Трехмерное моделирование зоны ускорения.

В рельсотроне есть, по крайней мере, три характерных размера, отличающихся между собой. Длина / токоподводящих рельсов и их ширина h различаются на порядки величины. Кроме того, обычно ширина рельса в два-три раза превышает калибр якоря, замыкающего электрическую цепь. В силу последнего обстоятельства вычисление поперечных к скорости компоненты плотности тока в контактной зоне при использовании двумерной модели невозможно даже в случае сплошного металлического якоря. Зона протекания тока между рельсами трехмерна и может быть адекватно смоделирована только с использованием трехмерных расчетных кодов. Очевидные трудности разработки и использования соответствующих программ частично могут быть преодолены, если в канале выделить ограничишую трехмерную область с поперечным токоперспосом. Остальную часть канала, где токи текут практически в продольном направлении по рельсам-электродам, можно рассматривать в двумерном приближении. Поэтому трехмерное описание полей можно вести в пространственной области, жестко связанной со скользящим якорем. Длина этой области (в направлении оси у) составляет несколько калибров ускорителя в обе' стороны от якоря. R.Marshal в работе [13J

рекомендует пользоваться «правилом 4-х калибров», возможности вычислительной системы ограничивают эту область 2-мя калибрами. 11ри таком подходе возникает проблема задания граничных условий для 3-х мерной области. На боковых границах области этой проблемы нет, так как канал рельсотрона обычно заключен в проводящим (считаем, идеально проводящий) силовой бандаж. Решение этой проблемы, было найдено М.П. Галаниным и обсуждалось в работе [14].

Ниже приведен пример расчета достаточно сложной системы типа muzzle-fed рельсотрона, который использован . в. представленных ниже экспериментах по ускорению металлического якоря с набором стержневых перемычек. Использование «muzzle-fed» канала, показанного на рис.30, исходило из предпосылки, высказанной М. Кованом в работе [15] о возможности подавления скоростного скин-эффекта и оценок увеличения «критической» скорости металлического контакта, выполненных

1/-Л « „ Г1С1 ТТ.,,.

о L'^'J* 1 'frl omwjiv vntuvriiwiii

конфигурация, показанная также на этом рисунке, предварительно

•1 Г'| lin'l 1ЧЛ

Рис.30 Поперечное сечение канала рельсотрона с обращенным подводом тока. Калибр I)110 мм Показана 1/4 часть магнитной конфигурации, где силовые линии построены из точек г~0, х=К<15 мм .

. 9.4 ии X

10 «ч V?

Рис.31 Якорь: 1- Д1 стержни в j матрице из поликарбона га, 2.облегченный цельномегаллич. !

1ML_:_______i

рассчитывалась по двумерному численному коду SAM (Новосибирск, ИЯФ, авторы В.Яковлев, М.'Гиунов). Определялись величины погонных индуктивностей: Ь'ти^ перед якорем и Ь'ьпсл за ним. Из полученных данных следовало, что в данной конфигурации канала направление ускорения (знак величины L'y„ = Ь'ыихь - Ь'уш,^) может быть различным и зависит от выбора размеров электродов. Оценочная величина L'ycit ~ 1,5 10'7 Гн/м.

При конструировании канала одновременно преследовалась другая цель, достижение которой не менее важно, чем увеличение «кризисной» скорости металлического контакта В экспериментах главы 7 отмечались трудности сохранения физического контакта твердого якоря с поверхностью электродов, расстояние между которыми растет с увеличением тока (и давлением магнитного поля). В muxxle-fed канале при очень узкой щели dj=0,5 мм, выбранной для обеспечения электрической прочности изоляции (листовой СТЭФ), давление в ней магнитного поля превышает давление в канале. При этом можно ожидать, что нормальное давление на контакт может осуществляться за счет упругого прогиба внутреннего рельса

Основной результат нескольких проведенных экспериментов состоял в следующем. При максимальной величине разрядного тока 300-350 кА на начальной стадии роста тока происходил разгон якоря при сохранении идеального металлического контакта между якорем и рельсом. Длительность этой стадии сохранения металлического контакта и скорость тела в 1,5-3 раза превышали полученные ранее величины на рельсотроне обычной конфигурации (глава 7). После этого ускорение заметно уменьшалось. В некоторых случаях наблюдалось торможение якоря, в отдельных случаях - его остановка в канале. Торможение якоря сопровождалось сто разрушением с последующим выбросом «осколков» из канала

Числсннос моделирование показало, что ток протекает по внутренним поверхностям токовой петли, образованной щелыо между прямым и обратным токопроводами. Это показано на рис. 32. В результате для замыкания через

У,

............

й н- ы- 111--V

Рис. 32 Картина течения токов в рельсотроие с обратным токоподподом якорь ток должен перетечь с внутренней поверхности этой петли на контактную поверхность обратного токопровода-рельса, обращенную к ускорительному каналу. Перетекание осуществляется как по боковым поверхностям токопровода, так и путем диффузии тока через токопровод. Течение является существенно трехмерным. Перетекание тока по поверхности ведет к попаданию значительной доли тока не в переднюю (как планировалось), а заднюю по ходу движения, часть якоря. Типичное распределение индукции магнитного поля в плоскости сечения /--согЫ, проходящего по каналу ускорителя через 2 средних стержня (см. якорь 1 на рис.31), показано на рис.33 при полном токе ускорителя 1=10кА.

На рис.ЗЗА показана компонента В„ ортогональная направлению движения. Хорошо видно наличие сильного магнитного поля впереди ускоряемого тела. Это поле вызывает уменьшение ускоряющей силы но сравнению с силой в рельсотроне обычной конструкции. Поле с большой величиной индукции генерируется между прямым и обратным токопроводом. Здесь наличие поля ведет к появлению дополнительного магнитного давления, поджимающего нижний рельс к якорю и улучшающего электрический контакт. Р»г 33В и ЗЗС показывают, соответственно, распределения компонент Вх н В, в том же сечении. Два отрицательных экстремума на рис.ЗЗВ соответствуют полю от у-ой компоненты плотности тока, протекающего через крайние (по х и г) стержни, и являющейся максимальной в якоре. Две пары экстремумов на рис. ЗЗС для Ву соответствуют подтекающим к стержням по нижней поверхности

А

В

9 С

С

о

£

г

I

Рис.33 Распределения компонент вестора магнитной индукции и плотности тока рельсов х-ой компоненте плотности тока и г-ой компоненте того же вектора (отрицательной по величине). Рисунки показывают существенную разницу амплитуд компонент. Максимальные значения соответствуют рис. ЗЗА. На рис. 330 показано распределение продольной (вдоль стержней) компоненты плотности тока в сечении х^мЫ, лежащем вблизи плоскости симметрии х=0. Уже данный рисунок показывает, что большая часть тока проводится первой (по стволу и направлению движения) парой стержней. Интересно отметить некоторые особенности результатов предварительных численных экспериментов, характерных для рельсотрона с обратным токоподводом. Магнитное поле В* перед якорем и позади него создается как токами, протекающими через стержни якоря, так и токами обоих токоподводов. При этом, поскольку собственное поле токов якоря не участвует в формировании ускоряющей силы, тормозящее поле Вг от токоподводов можно оценивать по его величине на передней границе области, в которой ищется решение. На рис.33а видно, что величина В^ там мала по сравнению с аналогичной

еличиной на задней Гранине. Тем не менее, распределения полей на передней и здней (по х) границах области меняются со временем из-за диффузии агнитного поля (и токов) в тело токопроводов. Анализу этого вопроса, оторый по существу определяет жизнеспособность muzzle-fed системы, как нектромагнитного ускорителя, было уделено особое внимание. На рнс.34 риведена зависимость ускоряющей силы F(t)=([Bj]dv от времени, вычисленная пя якоря (в канале рис.30) по трехмерному коду и величина «ускорительной» огонной индуктивности Цаг=Ььге«|, - Limuzie, вычисленная на границах сшивки фехмсркой» зоны с двумерными областями канала. Для удобства доставления величин значение F(t) нормировано на квадрат величины тока.

По графикам видно, что ускоряющая сила F и «ускоряющая» погонная ндуктивность ведут себя синхронно, уменьшаясь со временем. Причем при асширении зоны трехмерного анализа с 2 до 4 калибров якоря, совпадение гзультатов становится лучше. Поскольку в двумерных зонах решалась полная щача диффузии магнитного поля, 11риведе>гнь1с рассчитанные величины LV-«* L'mu/yic позволяют детально разобраться с таким резким снижением ускорения, а графике 5 рис.34 видно, как резко растет индуктивность хотя с самого

зчала мы ее предельно уменьшили, положив минимальную толщину изоляции

ГЛ2 (10~7 Гн/м)

О 100 200 300 400 500 1мкс

10.34. 1-ускоряющая сила Р(0=1[ВЛ(1у/1! при размере трехмерной зоны счета, равном 2 либрам канала, 2-то же при размере зоны 4 калибра, 3- «ускоряющая» погонная щуктивность Ьус^* 1-Ьгес<Л- ЬдютЬ, ЦтосЬ . 5- Ь1ПЦЛ1С

ё|=0,5мм на рис.30. С течением времени узкая щель, определяющая величин; магнитного потока в канале впереди якоря, расширяется «диффузионным) способом до величины df, а магнитное поле впереди якоря, согласно расчетам через 500 мхе может начать активно тормозить ускоренный якорь. Проведенньи дальнейшие расчеты показали, что изменение толщины внутреннего рельс существенной роли не играет, т.к. диффузия поля во внешний рельс сводит «н; нет» простые попытки улучшить ситу ацию. Поэтому muzzle-fed система в о оригинальной трактовке, как лабораторный ускоритель с длиной ~ 1-3 метра! миллисекундным временем ускорения, не имеет перспективы.

Подводя итоги материалу раздела 8.3 , автор вовсе не хотел бы сказать что концепция «muzzle-fed» канала порочна в своей основе. Его идеолога стала обсуждаться именно потому, что в нем есть рациональные предпосылю повышения «планки» физического ограничения - кризисной скоросп контактов, поставленного электродинамикой. Конструкция металлическоп якоря с автоматически поддерживаемым контактным давлением также проще г легче, чем исполненная в обычном варианте. И если в реализации длинной «muzzle-fed» канала лабораторного ускорителя выявились вполш определенные недостатки, то можно посмотреть, насколько они универсальны и как от них можно избавиться.

В этой связи из скейлинговых соотношений, приведенных в начале I главы диссертации можно видеть, что при увеличении калибра канала i времени ускорения относительный размер dr «диффузионной» щели на рис.31 может быть уменьшен. Однако возможно более радикальным способов устранить основной недостаток «muzzle-fed» канала,' выполнив обратные токопрог.оды в виде коротких отрезков, как это показано на рис. 35. В этод случае по каждому отрезку обратного токопровода так протекает коротко время, так что размер «диффузионной» щели всегда остается малым.

Рис.35 «Лепестковая» конструкция рельса с обратными токопроводами

Малы и потери энергии, которые выделяются на кромках при разрыве онтактов якоря и отдельного лепестка токопровода. Этот вопрос имеет днозначный ответ и рассмотрен в главе 3. Однако это - уже другая система, одлсжашая подробным оценкам и экспериментальному тестированию, оторые автор надеется выполнить в дальнейшем с номощыо аинтересованных коллег.

Хочется заметить только, что и здесь мы приходим к реализации систем с искретной структурой, как и в других приложениях мощных импульсных стройств, рассмотренных в главах 3-6. аключенне

1. Экспериментальный опыт работы с секционированным /и- мдж~лым ндуктивным накопителем при умножении тока секций на ускоряющей атушке показал, что успешная работа коммутаторов тока зависит, как от ыполнения аналитически сформулированных условий согласования системы, граничивающих разрывное напряжение на выключателях, так и от инхронизма действия последних.

2. Предпринятый анализ влияния рассинхропизации работы ыключателей секционированного ИН привел к неожиданному результату, (оказана возможность высокоэффективной передачи магнитной энергии ИИ в идуктивную1. нагрузку без введения согласующих элементов. Превышение звестного предела по КПД системы, равного 0,25 гтодсмонстрировано пытным путем и.объяснено тем, что в многоконтурной системе с дискретным ереключеннем контуров не должен выполняться закон сохранения начального агнитного потока. Вместо этою на каждом шаге процесса передачи

сохраняется нотокосцепленне, что не препятствует получению величины КПД передачи магнитной энергии 0,7-0,8 при использовании ИН с числом секций-катушек N-16-32.

3. На базе предложенной автором концепции «управления» потоками электромагнитной энергии построена теория систем слабодиссигштивной передачи магнитной энергии, обладающих, как показано, более высокой мощноегью, нежели ИН, работающие »о обычной схеме. Обобщенная .теория передачи магнитной энергии включила обычную «прямую» передачу, как частный случай. На базе теоретических построений разработан алгоритм расчета импульсной передачи энергии в слабодиссипагивных системах, который позволяет одновременно учитывать особенности схемных построений ИН и статистически вероятную картину исполнения прерывания токов в размыкателях устройства (если их соответствующие характеристики известны).

4. Проведен анализ использования новых возможностей ИН в известных типичных задачах мощной электрофизики. Для получения высокой мощности разряда (~1 ТВт и более) предложено использовать машины с последовательным усилением на нескольких каскадах ИН, у которых промежуточные магнитные накопители компактны в силу быстрой импульсной зарядки. Приведены некоторые оценки для импульсных систем питания 11Ф-100 (плазменный фокус) и БАЙКАЛ, базирующихся на первичном каскаде накопления - ТИН-900 ( ГРИНИТИ), имеющего первоначальное назначение, как источник тока для токамака ТСП.

5. Проведен большой цикл сравнительных испытаний эрозионной стойкости электродов в электроразрядном устройстве - рсльсотроне с током свышс 450 кА. Экспериментально показано, что специальные материалы типа псевдосплава W-Cu и композитов Си-Мо-1.аВ(, имеют в 5-6 pat меньший эрозионный износ, чем обычная медь. Экспериментальные измерения динамики движения разряда, численное моделирование ускорения плазменного «поршня» и последующие исследования поверхности электродов позволили установить

гекоторые характерные особенности механизма эрозионного износа. Для <едных электродов оснонная причина износа - образование на поверхности олстой пленки расплава, распыляемой и разбрызгиваемой в капельной фазе гри формировании в канале вторичных токовых структур, отделенных от вгоняемого плазменного поршня.

6. Рельсотроны большого масштаба должны снабжазься энергией от истемы источников тока, подводящих электромагнитную энергию при помощи окоподводов, распределенных по длине канала. В этом случае резко возрастает ЛД преобразования электромагнитной энергии в кинетическую, а при спользовании плазменного якоря практически подавлено развитие вторичных оковых структур, ограничивающих предельные скорости разгона. В канале с аспределенным вводом энергии, питаемом от системы индуктивных акопителей, проблема коммутации тока может быть решена с помощью ормирования «паузы» тока в выключателях. Последнее не требует введения икакнх дополнительных устройств и автоматически обеспечивается МГД еханизмом, встроенным в систему.

7. При анализе электромагнитного процесса ускорения в рсльсотроне знал можно разбить на две зоны, существенно различающиеся по длине, ороткая зона с длиной, равной 3-4 калибра канала, перемещается вместе с гремычкой-якорем и полностью отвечает за динамику распределения токов :реноса между электродами. Длинная зона в «вакуумной)» части канала не »держит замыкающих токов и определяет электромагнитную эффективность огона. В этих предположениях создана первая в России 3-х мерная кодовая ю-гамма, оттестированная по результатам рельсотронных экспериментов. Дня »авнения выбрана усложненная схема магнитной конфигурации канала с нгалнитсльным обратным токоподводом. С помощью численного эделирования объяснено поведение ускоряющей сазы, наблюдаемой в сперименте и распределение тока в стержневом якоре специальной инструкции.

Как было видно из анализа слабодиссипативных систем передач магнитной энергии, работающих в пошаговом режиме и в распределении системах питания рельсотронов, мы имеем в общем случае единую систем передачи и преобразования энергии в отличие от общепринятого деленх-системы на источник и нагрузку. Такая трактовка ближе соответству« действительности, при которой один и тот же элемент контура передачи играе различную роль на различных этапах процесса. Например, начальные участк канала обычного рельсотрона, отработав свою нагрузочную функцию, зате выступают, как магнитный накопитель. А в системе с распределенным вводо эти же участки играют роль «нагрузки» для внешних накопителей, которь принудительно выкачивают из них энергию, перераспределяя ее в зон

I * ■ ■. ■

ускорения. Автор видит свой основной вклад в том, что ему удалось отойти с стандартного сложившегося восприятия импульсного питанл

электрофизической установки как электротехнической задачи. Физически анализ процессов транспортировки магнитной энергии привел к формировали идеологии качественно новых слабодиссипативных систем, которые, п< видимому, в ближайшем будущем должны занять соответствующее место срс,я устройств мощной импульсной электрофизики. Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1 Э.А.Зотова, И.А.Иванов, А.П.Лотоцкий, В.А.Трухин. О согласовали индуктивного накопителя и катушки с лайнером при ограничении разрывно! напряжения. Известия Академии Наук СССР. Сер: Энергетика и транснор 1978, №6, с.9-14.

2 И.А.Иванов, А.П.Лотоцкий, В.А.Трухин. Мощный трехступенчаты выключатель для злектроразрядного устройства с индуктивны накопителем энергии. Приборы и техника экспсриме«гга, 1982, N'4, с. 10108. ' '

3 А.П.Лотоцкий. Генерация сильных магнитных полей в • каме[ термоядерной установки с адиабатическим сжатием плазмы. Доклады рсесокпн. конф. но инженерным проблемам термоядерных реакторе (Ленинград, май, 1984), ЦНИИатоминформ, 1984,т.З, с.127-133.

А.ПЛотоцкий. О перспективах использования индуктивных накопителей энергии для Италия мощных магнитных систем. Препринт ИАЭ-3714, ИАЭ, -М, 1982, -20с.

А.П.Логоцкий. Об эффективности передачи магнитной энергии из индуктивных накопителей. Электричество, 1985, N 6 с.64 А.П.Лотоцкий. Высокоэффективная импульсная передача магнитной энергии для ТЯ установок с магнитным удержанием. Препринт ИАЭ-4920, -М, Цнииатоминформ, 1986.

Э.А.Азгаов, А.П.Лотоцкий.. Структура и оптимальные параметры секционированных индуктивных накопителен для импульсного питания больших магнитов. Электричество, 1990,N 3, с.25-31

Э.А.Азизов, А.П.Лотоцкий, А.Ф.Настоящий, Н.В.Фшншпов, Т.И.Филиппова. Мощный импульсный самостоятельный разряд с пространственным обострением тока. Материалы 1 всесоюзного семинара но динамике сильноточных дуг в мши. поле, Новосибирск, 10-13 апреля , 1990. All СССР, СО АН СССР, Ин-т теплофизики, Новосибирск, 1990, с 280-295.

А.П.Лотоцкий, М.К.Крылов, В.В.Кузнецов. Обобщенная модель системы импульсной передачи магнитной энергии. MG-VH. Мегагауссная и мегаамперная импульсная технология и применения. Труды 7 международной конференции по генерации мегагауссиых магнитных полей и родственным экспериментам. (Саров, 5-10 августа, 1996). Саров, ВНИИЭФ, 199?, т.2, с.902-906 ..",;.

0 A.Lototsky, A.Lebedev, N.Grabchak, M.Krylov. Research of lailguri with distributive input of energy from magnetic storages. 5-th Europ. Symposium on FML technology, Toulouse, April 10-13, Proc. Conf., Report N 82

1 А.П.Логоцкий, М.К.Крылов, М.Г.Ямщиков. Особенности коммутации юка индуктивных накопителей в рельсотроне с распределенным по длине вводом энергии. MG-VII. Мегагауссная и мегаамперная импульсная технолоi ия и применения. Труды 7 международной конференции по генерации мегагауссиых магнитных полей и родственным экспериментам. (Саров, 5-10 августа, J996). Саров, ВНИИЭФ, 1997, т.2, с.902-906

I А.Р. Lototsicy-, V I. Kraus, N.V. Filippov, Е.А. Azizov, М.К. Kiylov, V.V. Kuznetsov. Preliminary Estimations of a Possibility of Creation of Inductive Current Source with Power 10t2 W for a Large Plasma Focus Device with Energy ~ 100 MJ. 1997. ШЕЕ International Conference on Plasma Science, May 19-22 4!997s San-Diego, California, USA. IEEE Conference Record -Abstracts, p. 177 S A, P.Lototsky, A.Lebedev, Yu.A.HalimulIin. The systematic analysis of various electrodes in a railgun accelerator with linear current density j~500 kA/cm. 6-th Europ.Symposium on EML Technology. Hague, 25-27 May, 1997. Proceeding, TNO-PLM, DELFT, Netherlands, p.306-313.

1 М.Г1. Галанин, А.П.Логоцкий, Ю.П. Попов, С.С. Храмцовский. Численное моделирование пространственно трехмерных явлений при электромагнитном

ускорении проводящих макротел. Математическое моделирование , т. 11, 1999, №8, с.3-22

ЛИТЕРАТУРА

[1] Л.Ландау, Л.Пятигорский. Механика. Гос.изд-во технико-теретнч. литературы, -М., 1940

[2] Э.А.Азизов, Ю.А.Алексеев, Н.Н.Бревнов и др. Основные физические и инженерные проблемы • создания токамака с сильным полем и адиабатическим сжатием плазмы. Атомная энергия, 1982, т.52, с. 108-112.

[3] А.II. Лотоцкий. Изобретение " Способ генерации импульсных магнитных полей и устройство для его осуществления ". А.С.СССР N 1342305 , Б.И.№ 24,1988

[4] А.С. Дружинин, В.Г. Кучинский, Б.А Ларионов, A.M. Столов, А.П. Лотоцкий, В.А. Ягнов. Проблемы высокоэффективной передачи энергии из индуктивного накопителя в индуктивную нагрузку. Вопросы атомной науки и техники, Сер.: ТЯ синтез, 1987,N 1, с. 50-56.

[5] О. Zucker ct al. Inductive energy transfer circuit proof of principle experiment. Review Scientific Instrument, 1986, vol.57, №5,p.859-862.

[6] Ж. Обер, M. Дюбуа, Б. Йосс, P. Краггц, В. Кучинский. Импульсные системы питания для создания сильных магнитных полей. MG-VU. Труды 7 международной конференции по генерации мегагауссных магнитных нолей и родственным экспериментам. (Саров, 5-10 августа, 1996). Саров, ВНИИЭФ, 1997, т.2, с.607-611.

[7J D.Cook. New Developments and applications of Intense Poised Radiation Sources at Sandia Nat. Lab. 11-th IEEE International Pulsed Power conf. Baltimore, Mariland USA, June 29-July 2, 1999. Digest of Technical Papers, p.25.

[8] А.П. Лотоцкий, И.А. Иванов. Каскадная система с индуктивным накопителем энергии. Отчет о работе совещания "Мощные импульсные системы питания" 19-21 января, 1982, ИЯФ, Новосибирск, 1982, с.9

[9] Н.В.Филиппов. Обзор экспериментальных работ, выполненных в ИАЭ им. И.В.Курчатова по исследованию плазменного фокуса. Физика плазмы, т.9, 1983,№1, с.25-44.

[10J E.Grabovski, E.A.Azizov, А.Р. Lototsky, S.L.Ncdosccv, G.M.OIeinik, V.P.Smimov, V.A.Yagnov, A.M.Zhitluhin, H.P.Vclikhov, V.A.Glukhih, V.G.Kuchinsky. Supcrfast Liner Implosion Physics Study and Development of X-Ray Facility Based on 900-MJ Inductive Store. 12-th IEEE Int. Pulsed Power Conf. (June 27-30,1999) Abstract, paper M-l 28

[11]О.В.Фатьянов, В.П.Осташев, Е.Ф.Лебедев, Ф.В.Ульяиов. Электромагнитные конфигурации рельсотроиов. Препринт ИВ'ГАН №3-357, РАН, Москва, 1993,-28 с.

[I2| R.S. Havvke, A.L.Brooks, G.M.Fowler, D.R.Pcterson. Electromagnetic Railgun Launchers: Direct Launch Feasibility. AIAA Journal, 1982,V.20, No 7, p.978-985.

[13] R.A.Marshall. Factors Influencing of Bore Geomelry for Rail Launchers. 6-th Europ.Symposium on EML Technology. Hague, 25-27 May. 1997. Proceeding, TNO-PLM. DELFT, Netherlands, p. 170-177

[14] Mil. Галанин, Ю.П. Попов. Квазистационар! ii.ie электромагнитные поля в неоднородных средах. -М.,Наука. Физмат пи, 1995, - 319 с.

[15] М.Cowan. Solid Armature Railgun without (he Velocity-skin effect. IEEE Transaction on Magnetics, v.29, No 3, p.462-468

[16] Yu.A. Kareev, R.M. Zayatdinov. Transition Conditions for Solid Armature in Railgun with Muzzle Current Feed. . IEEE Transaction on Magnetics, v.3i, No3, p. 180-182

ФИЗИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ПРИ ВЫВОДЕ МАГНИТНОЙ ЭНЕРГИИ ИЗ ИНДУКТИВНЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ В МОЩНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ СИСТЕМАХ

А.П.Лотоцкий

Автореферат

Подписано в печать 17.01.2000 Печать офсетная Тираж 100 экз.

Уч.-изд.л. 3.56 Заказ N 13

Формат 60x84/16 Усл.-печ.л. 3.25 Бесплат но

АП "Шанс". 127412, Москва, Ижорская ул., 13/19

ВВЕДЕНИЕ. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ В РАЗРАБОТКАХ ИМПУЛЬСНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРЕИИ И ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЙ.2

1. Общие характеристики импульсных источников энергии.4

2. Кшостные накопители .5

3. Индуктивные накопители энергии.8

4. Взрывомагнитные генераторы токов. 17

Электромашины-компульсаторы.20

6. Мощные драйверы на основе РИНов и формирующих линии.22

7 Лругие источники питания.23

Мощные импульсные источники тока всегда привлекали интерес исследователей в самых разнообразных областях прикладной физики. Сильные магнитные поля и магнитное удержание плотной плазмы, инерциальный термоядерный (ТЯ) эксперимент и электродинамическое ускорение макротел, создание сверхзвуковых плазменных потоков и сильноточных электронных пучков - это лишь малая доля из существующего многообразия развивающихся направлений физического эксперимента, где в успех в значительной мере определяется возможностями используемой мощной импульсной техники.

Собственно говоря, по этой причине большинство международных физических научных симпозиумов и конференций уделяют проблемам развития и совершенствования мощных импульсных устройств электропитания огромное внимание. Таковы международные конференции по генерации мегагауссных полей, проводимые поочередно в США и России, международная конференция «Puise Power», проводимая регулярно учеными США, европейские и американские симпозиумы по технологии электромагнитных ускорителей, российская конференция по сильноточной электронике с участием иностранных ученых и многие другие.

Для инженера-физика, начинающего свой научный путь в быстропротекающем импульсном эксперименте, например, с плазменного разряда, с искрового разряда в жидкой среде или с экспериментов с импульсными магнитными полями при индукции В> 20 Тл, вряд ли может быть понятно, насколько сложны электрофизические проблемы получения высоких и сверхвысоких мощностей. Зачастую возможное решение этих проблем лежит в области, выходящей за рамки современного уровня техники« технологии. Обращаясь к периоду 15-летней давности, приведем в таблице 1 некоторые сведения о потребностях в импульсной электрической мощности для предполагаемых ТЯ реакторов разного типа [1]. За истекшее время получено зажигание реакции на токамаке JET (Калэм, Англия) и завершена разработка первой версии токамака ИТЕР. Однако на импульсных направлениях, где существуют высокие мощностные и энергетические пороги для получения положительного эффекта

WT51/W,/r> 1, успехи не столь значительны. В частности лайнерные варианты с магнитным удержанием перешли в программу МАГО (в США - программа MTF) [3,4], ориентированную на удержание замагниченой плазмы материальной стенкой и реализуемую пока на взрывных установках. Новая концепция инерциальных систем с нагревом мишени низкотемпературным (100-200 эВ) излучением плазмы (АНГАРА, PBFA2) [5,6] потребовала очень больших токов с величиной 1~ 20 МА при напряжении 10 МВ, получение которых и сейчас представляет значительные трудности.

Таблица 1

Тип термоядерной системы Характ. время импульса, с Энергия в имульсе, Дж - Мощность, Вт Индукция магн. поля, Тл

Инерциальный ТЯ синтез и РЭП 10"8 107 (5.107) 1015

Имп. магн. системы (лайнеры и в -пинчи) ю-3 109 - 1013 10п-1012 10

Квазистационарные системы (токамаки и стеллараторы) 10 Ю10 108-109 5-10

По-видимому, в близком будущем верхняя планка необходимой электрической мощности импульсных ТЯ установок может быть поднята на порядок величины. Это может быть связано не столько с принципиальной проблемой получения ТЯ реакции, сколько с рациональными и экологически чистыми технологиями ее использования. Например, в настоящее время уже оценивается применение безнейтронных циклов

3 11 реакции ( Б+ Не, р+ В) [2], которые требуют для осуществления ядерной реакции в плазме температуры нагрева 90-100 кэВ вместо ЮкэВ для обычного (0-0,0+Т) цикла. Увеличение температуры в 10 раз приведет к значительному увеличению мощности излучения плотной плазмы (и в континууме, и из-за примесей), и потребует согласовать мощность, вводимую в плазму или сжимаемую «мишень» с ростом ее потерь.

Разработки в области импульсных источников питания выродились в настоящее время в ряд самостоятельных направлений электрофизических исследований. Каждое из них соответствует некоторому выбранному принципиальному решению импульсной системы, а также соответствует определенному диапазону в шкале выводимых в нагрузку энергии и мощности Рэл.

В ряду разрабатываемых и совершенствуемых импульсных систем индуктивные накопители энергии, которым в основном посвящена диссертационная работа, занимают определенную нишу. С целью представления общей ситуации ниже предлагается короткий обзор достижений в разработке импульсных источников питания различного типа. Выбор типа схемотехнического решения и конструкции импульсного источника тока для питания конкретного опытного устройства-нагрузки всегда является результатом многофакторного анализа ожидаемых выходных параметров и условий работы.

1. Общие характеристики источников импульсной электрической энергии;

Импульсный источник электрической энергии имеет в своем составе минимальный набор устройств, показанный на рис.1.: первичный источник напряжения или тока, накопитель энергии (аккумулятор), коммутатор или переключатель цепи нагрузки.

Рис. 1 Общая структура импульсного источника электрической энергии

Нагрузка - потребитель импульсного тока хотя и не входит в комплекс источника, но в значительной мере определяет рабочий режим импульсной системы, т.е. величину тока, напряжения и длительность импульса. Являясь частью разрядного контура (или частью системы передачи электромагнитной энергии) она в существенной мере определяет мощность, развиваемую импульсным источником. Поэтому всегда необходима процедура оптимизация всей разрядной цепи, известная обычно под названием "согласования" нагрузки. Исключение составляет случай, когда внутренний импеданс источника во много раз превышает импеданс нагрузки, и не влияет на величину и форму тока. Последний случай встречается сравнительно редко, но его используют, когда нужно выдержать форму тока, независимо от различных особенностей происходящих процессов. Такой прием, обусловленный необходимостью проведения сравнительных исследований электрического разряда, использован, например, в экспериментах, описанных в 7 главе диссертационной работы.

Вероятно, не надо пояснять, что в представленном наборе устройств определяющим является аккумулятор. Для него есть три характерных параметра, по которым различные накопители можно сравнить между собой:

• время т0 , в течение которого накопитель может хранить энергию, полученную от первичного источника,

• удельная энергоемкость ш запасенной энергии,

• удельная мощность р, которую накопитель может отдать при импульсном разряде на нагрузку в оптимальном случае.

Удельные величины мы будем использовать для характеристики как объемных параметров накопителей, так и весовых. В последнем случае будем снабжать их подстрочным индексом:

2. Емкостные накопители.

Автору в течение многих лет довелось работать в различных областях импульсного плазменного эксперимента. На основании собственного опыта он с полным основанием может заявить, что емкостной накопитель энергии в лабораторных условиях является наиболее распространенным и удобным источником тока. Самым ответственным элементом конденсатора является изоляция между накопительными обкладками. В большинстве импульсных конденсаторов изоляция обкладок выполнена из бумаги с масляной пропиткой и работает при напряженности электрических полей Е « 100-120 МВ/м. На рис.2 показана зависимость предпробойной величины Е от толщины бумажной изоляции.

Рис.2 Зависимость предпробойной величины напряженности электрического поля от толщины бумажно-масляной изоляции.

Это определяет максимальную объемную плотность запасенной энергии в

2 1 диэлектрике = ее0Е 12 = 250-500 кДж м~ при относительной диэлектрической проницаемости е = 3-5, а также оптимальную величину разности потенциалов 10 кВ на обкладках конденсатора. При специальной отбраковке материалов, использовании пакета изоляции (4-5 слоев) с дополнительными синтетическими пленками и высококачественной пропитке жидким диэлектриком значение величины \¥ комбинированной бумажно-пленочной изоляции может быть увеличено в 2-3 раза [7].

Замена минерального масла на касторовое, которое при отличном качестве пропитки бумаги образует химические связи с целлюлозой, в 80-х годах стало общим правилом.

Это позволило получить те конденсаторы, которые сегодня составляют основу эксплуатируемых мощных сильноточных батарей. Их конструктивная (корпус, выводы, краевые участки пакетов снижают параметры) удельная энергоемкость в 2-3 раза меньше указанной выше величины.

Некоторые данные о серийно изготавливаемых конденсаторах приведены в таблице 2. При малых токах утечки (10-50 мкА/модуль) конденсаторы обладают прекрасным показателем хранения энергии: то = десятки мин и очень высокой удельной мощностью, которая даже для сравнительно низковольтных типов достегает величин р = 100 Мвт м".

ТАБЛИЦА 2 Тип конденсатора Напряжение кВ Емкость мкФ Энергия кДж Ресурс имп. Удельная энергия Дж/м3 (Дж/г) Макс. ток кА Источник данных ИК-6-140 6 150 2,7 Ю4 98(0,03) 50 *

1 ! ИКМ-25-12 25 12 3,75 5. 103 60 (0,03) 250 *

ИКМ -50-3 50 3 3,75 5 .10л 60 (0,03) 250 *

ИК-100-0,4 100 0,4 2,0 2 ,103 90 (0,07) 50 *

КМ-30-10 30 10 4,5 104 65 (-) 400 *

КМК-60-2 60 2 3,6 103 160 ( -) 300 * 1

ЕС (США) 20 15 3,0 75 (-) [23] !

СО-11 148 (Англия) 100 0,6 3,0 2. 104 55 (-) - [23]

I Конденсаторы с форсированным режимом работы (апериодический разряд) ИКМ-50-6 50 6 7,5 > 103 110 (0,06) - [22] **

1 ИКМ-50-12 1 1 50 12 15 > 102 220 (0,13) - [22] **

ИКМ-50-27 50 27 33 <500 490 (0,22) **

ИКМ-100-1,2 100 1,2 6 >102 270 (0,20) **

ИКМ-100-2.4 100 2,4 12 <500 540 (0,40) **

ММ #32511 24 175 2.10я 920 (0,6) [241

Аегоуох (США) 8 *** 50 103 - (0,7) 7,5 [25]

Аегоуох (США) *** (1,5) 2,5 [48]

Конденсаторы с «молекулярной» изоляцией

12ПП-15/0,001 14. Ю"3 **** 7 >103 2400(1,3) 12 *

24ПП-30/0,004 26 10"3 **** 40 >103 3100(1,5) 8 *

Примечания: * - Данные заводских инструкций для конденсаторов, изготовленных в России - Мелкосерийное производство (разработка ВЭИ , Москва), конденсаторы с квазибиполярным режимом разряда (не выше 10-20% тока прямого направления) - величина емкости зависит от напряжения.

Известно, что фирма "Максвелл" (США) выпускает конденсаторы с удельной энергоемкостью до 1 МДж/м1 . Однако стоит отметить, что такой напряженный режим работы изоляции резко отрицательно сказывается на ресурсе работы конденсаторов. Этот .момент является особенно острым при компоновке энергоблока из большого числа элементов. В России считается приемлемым гарантированный заводами- изготовителями ресурс работы отдельного конденсатора 10 ООО импульсов на предельных параметрах.

В последнее десятилетие велись интенсивные работы по созданию энергоемких конденсаторов с большой удельной энергоемкостью (1 кДж/кт), но с ограниченным разрядным током (до 10 кА). Они базируются на пленочной изоляции с металлическим слоем, наносимым с помощью способа «рулонной» технологии. Фирма Aerovox Inc. выпускает конденсаторы (см. таблицу 2) с «сегментированным» напылением токопроводящего слоя. Каждый сегмент слоя защищен от токов короткого замыкания сформированным на поверхности пленки плавким предохранителем, поэтому конденсатор самозащищен от аварии при пробое. При 104 импульсах фирма гарантирует падение емкости из-за внутренних пробоев не более чем на 2%.

Также развиваются работы по конденсаторам особого типа, имеющим новый тип изоляции, называемой "молекулярной". Такая изоляция формируется с помощью специальной электрохимической технологии в очень тонком слое на поверхности раздела проводников с различным типом проводимости: Большая напряженность электрического поля позволяет поднять на порядок удельный энергозапас. Тем не менее, такие конденсаторы (это название здесь применено условно) имеют значительное внутреннее сопротивление, а разрядные токи не превышают единиц кА, что ограничивает их разрядную мощность. Кроме того, в отличие от масляных конденсаторов здесь допустим только однополярный импульс тока во избежание разрушения изоляции. В России налажено мелкосерийное производство этих накопительных устройств. Их параметры также помешены в таблице 2. Низкая удельная мощность конденсаторов этого типа обычно требует использования в составе импульсного источника дополнительного каскада обострения мощности. Им может являться магнитный накопитель энергии.

3. Индуктивные накопители энергии.

3.1 Характеристики индуктивных накопителей.

Индуктивный накопитель энергии представляет собой катушку (в простейшем случае соленоид), заряжаемую от внешнего источника тока. Его удельную энергоемкость можно получить, исходя из прочности проводников обмотки, которая удерживает давление магнитного поля. Предположим, что обмотка соленоида на рис.3 достаточно тонкая (порядка 0,1 от радиуса катушки) и выполнена из обычной стали или бронзы с пределом текучести ат=3.108 Н м.

Рис.3 Поперечное сечение накопительной магнитной катушки Чтобы не допустить разрыва обмотки надо удовлетворить очевидному соотношению: а, с1 г/г > В2 /(2 - (1)

Соответствующая максимальная удельная энергоемкость для выбранного нами материала \умакс = 6 10' Дж м- . Последняя величина почти на 4 порядка превышает удельный энергозапас конденсаторов, в чем и заключается привлекательность их использования.

Однако за высокую удельную энергоемкость приходится платить снижением величины другого важного параметра - т0 . Положим, что соленоидальная обмотка на рис. 2 содержит п витков, а ее длина 1 значительно превышает радиус г.

Пусть удельное сопротивление материала обмотки р>0, иона будет нагреваться при зарядке.

Тогда ее индуктивность Ь и сопротивление К легко оценить: Ь= и<) п г "п2 //; К=2л: г п2 р / (/ <3г), а затем определить т0: т0 Ь/К ^ г с!г / (2р).

Для катушки с радиусом 1 м при р= 1.7 ](Г Ом м (техническая медь) будем иметь ти =3 с. За это время начальная амплитуда тока в катушке уменьшится в с раз, и три четверти начальной энергии будет превращено в тепло. Поэтому цикл зарядки такой катушки должен быть коротким, таким, чтобы время зарядки удовлстворяло условию ^ < т0 . Очевидно, что мощность источника зарядки должна быть достаточно велика для индуктивного накопителя с теплой резистивной обмоткой. На практике для этих целей используют либо зарядку от преобразователей, питаемых от специальной трансформаторной подстанции, подключенной к ЛЭП, либо электромашинные генераторы ударного действия с маховиками.

В практике физического эксперимента известны примеры использования индуктивных накопителей различного масштаба с запасом энергии от десятков кДж до сотен МДж. Первые часто служат обострителями мощности для емкостных источников тока. Такой прием впервые был использован Мезонье [8] и получил дальнейшее развитие в технике импульсных термоядерных установок [9,10]. Самый крупный импульсный магнитный накопитель в мире был разработан в НИИЭФА и построен в России (ГНЦ ТРИНИТИ) для токамака ТСП с адиабатическим сжатием плазмы. Катушка накопителя - электромагнит тороидального типа, ее эскиз приведен на рис.4 вместе с фрагментом обмотки токамака ТСП, максимальная величина индукции магнитного поля, в которой на малом радиусе может достигать 20

Рис.4 Поперечный разрез индуктивного накопителя ТИН-900 для питания тороидальной обмотки токамака ТСГ1 (Т-14).

Запас энергии в 32 катушках около 900 МДж при максимальном генерируемом токе во вторичной обмотке до 1,8 МА. Характерная величина длительности фронта тока в нагрузке- электромагните токамака (проектная) около 30 мс при полной длительности импульса около 0,5 с [11]. Для зарядки такого крупного накопителя используются два генератора переменного тока (модернизированный вариант турбогенератора типа ТКД-200 для электростанции), снабженные дополнительно цилиндрическими маховиками с весом около 100 тн (см. рис.5). Такой накопитель, а точнее импульсный энергокомплекс является уникальным сооружением, и в настоящее время рассматриваются альтернативные варианты его использования. Поскольку резистивные индуктивные накопители в основном используют зарядные устройства на базе электромашин с маховиками, анализ их удельных весовых характеристик и аналогичных характеристик маховиков целесообразно провести по единой схеме.

Генератор ТКД-200 Юм Махоеик

Мотор для разгона

Рис.5 Общий вид одного из 4-х генераторов ТКД-200 с инерционным накопителем

Удельная энергия для соленоида с поперечным сечением на рис.2 \vh = w V/M, где V и М объем и масса катушки. Если у - удельный вес материала обмотки, то из (1) получим:

W}, =■ от dr/r [ ет21(2 г dr у}] = ] /2 а/у.

Это выражение имеет общий характер для различных устройств, энегосодержание которых определено выдерживаемыми механическими напряжениями в материале. В частности, рассматривая рис.2, как вращающийся обод маховика, и полагая, что механические напряжения а, в материале обода обеспечивают центростремительное ускорение при угловой скорости вращения та, получим запасенную на единицу длины маховика кинетическую энергию:

W™, - у (г V /2)Ar 2тгг, с максимальной величиной то, определенной из аналогичного (1) соотношения: аАг< у Дг г(

Комбинируя два последних выражения с величиной погонного веса обода Р=уАг 2 яг, получим, как и в [7], что с точностью до некоторого коэффициента kf <], отражающего геометрию маховика (наше условие Лг«г - частный случай), Wh = kt- af/ у] , где aj и Yi относятся к высокопрочным материалам маховиков. Для легированных сталей CF|/ Yi= 100 кДж/кг. Для электропроводных материалов обмоток накопителей на основе меди величина w на порядок меньше. Для алюминия и его сплавов а/ у

24 кдж/кг, поэтом}' из него изготавливается большинство катушек магнитных накопителей.

Из приведенных оценок видно, что использование тандема магнитный накопитель- машина с маховиком оправдано высокими и соответствующими по порядку величины удельными характеристиками компонентов.

3.2 Схемы индуктивных накопителей и коммутаторы тока.

Собственно индуктивный накопитель энергии является промежуточным звеном в цепи передачи импульса энергии к нагрузке и выполняет обычно две функции - I. усиление мощности импульса; 2. согласование импульсного источника с нагрузкой, причем не только по заданному току и напряжению, но и по КПД использования энергии.

Простейшая схема индуктивного накопителя показана на рис.6, где в - генератор зарядного тока, 3 - замыкатель нагрузки, а К- выключатель, обеспечивающий переключение тока в нагрузку Ъ. ъ

Рис.6 Простейшая схема включения индуктивного накопителя и нагрузки (рельсотрон)

Обычно формирование коротких импульсов тока не требует выключения генератора при выводе энергии в нагрузку ввиду его малого импеданса. Исполнение замыкателя тока может быть различным в зависимости от величины разрядных токов и длительности импульса.

Разновидности их конструкций в достаточной степени отработаны в процессе создания и эксплуатации мощных емкостных накопителей энергии. Используются разрядники различных типов, замыкатели с твердотельной разрушаемой изоляцией, в последнее время применяют удобные в работе, но дорогие и пока менее надежные полупроводниковые тиристоры.

Ключевым элементом схемы является выключатель, прерывающий ток за время тк , меньшее времени тн вывода энергии в нагрузку. Для обострения мощности в к раз индуктивным накопителем на рис.6 необходимо, чтобы разрядное напряжение на нагрузке в к раз было больше напряжения зарядки накопителя от генератора О. Такое напряжение ин > К)4 возникает на разрыве контактов выключателя, поэтому "гашение" тока и предохранение от пробоя контактного промежутка составляет известную проблему. Быстродействие срабатывания выключателя с одной стороны определяется его конструкцией, а с другой стороны типом и параметрами нагрузки, однако высокий КПД передачи энергии в нагрузку можно получить только при условии тк<< %ц. Это условие имеет фундаментальный смысл для импульсных систем [12], подробный анализ данного вопроса содержится во второй главе работы.

В отличие от нагрузки-электромагнита, где тк = тн и максимальная величина КПД<0,25 [13], в рельсотронном ускорителе на рис.6 время хк ввода тока определяется начальным индуктивным импедансом канала, а время гн - динамикой ускорения, поэтому условие тк«тц может быть удовлетворено, а КПД теоретически может быть большим. Однако повышение быстродействия выключателя требует усложнения его конструкции, и на практике используются двух- и трехступенчатые выключатели с параллельными нормально включенными контактами. Это позволяет при повышении быстродействия выключения тока минимизировать энергию привода, необходимую для быстрого механического перемещения контактов.

Например, в [14] для коммутации токов 10 500 кА использовался двухступенчатый размыкатель с пневмоприводом первой ступени и токопроводящей мембраной во второй ступени, которая разрушалась взрывом детонирующего шнура. В [15] были приведены результаты успешных испытаний выключателя тока с дополнительной третьей ступенью в виде электрически взрывающегося проводника при переключениям токов ~ 100 кА за более короткие времена тк =10-1 с.

Принципиальные проблемы при создании сильноточных выключателей тока магнитных накопителей разрешимы с помощью целого ряда опробованных приемов. Один из них заключается в использовании сменных контактных групп, принудительно разрушаемых с помощью взрывных (или электровзрывных) приводных элементов. Однако разработка конструкции и доводка выключателей под конкретные параметры индуктивного накопителя и импульсной нагрузки это достаточно длительная и дорогостоящая работа. Вместе с тем существует пока неразрешенная проблема работы таких выключателей в частотно-периодическом режиме. Ранее предлагались и опробовались конструкции с периодическим размыканием контактов вращающимся ротором [16]. Для генерации короткой серии импульсов магнитный накопитель можно снабдить системой параллельных коммутаторов, которые полностью перезаряжаются после окончания серии. Прототип такого устройства представлен в [17] и представляет собой универсальный коммутатор, содержащий кассету для 6 (или более) независимо срабатывающих выключателей. Каждый из них снабжен отдельным управляемым замыкателем, осуществляющим присоединение к потенциальной шине. Приводные элементы взрывного типа изготовлены из отрезков детонирующего шнура (содержание ВВ -0,15 кг м~1). Система запуска позволяла управлять как одновременным, так и последовательным стартом выключателей. Проведены испытания при коммутации тока 2,1 МА из накопителя в рельсотрон при напряжении до 5 кВ. В этих опытах была получена кинетическая энергия снаряда =2,5 Мдж, а пробой размыкателя наблюдался при вылете снаряда из канала и зажигании "свободной" дуги на выходе ускорительного канала.

Попытки другими способами обеспечить периодичность работы магнитных накопителей были связаны с использованием промышленных выключателей многоразового действия, например, серийно выпускаемых вакуумных выключателей [18]. Однако такие выключатели не рассчитаны на большие токи, и при этом в схему индуктивного накопителя нужно включать усилитель тока нагрузки.

В практике физического эксперимента нашли применение два типа магнитных накопителей с усилением тока нагрузки: 1. накопители с трансформаторной схемой и 2. секционированные кату шки с умножением тока (по принципу обращенного генератора Маркса). Вариант, показанный на рис.7 - с вторичной трансформаторной обмоткой.

Здесь прерывание тока осуществляется по первичной цепи, при этом магнитный поток "перехватывается" вторичной понижающей обмоткой. Выключатель прерывает ток в первичной обмотке при повышенном напряжении, определяемом коэффициентом трансформации. К конструкции и исполнению катушки накопителя в данном варианте предъявляются высокие требования по двум причинам. Паразитная индуктивность Ь„, соответствующая магнитному потоку рассеяния обмоток является дополнительной нагрузкой для коммутаторов тока, которые должны рассеять при отключении соответствующую дополнительную энергию Д\¥Р = Ь„ 12/2. Поэтому геометрия обмоток должна быть оптимизирована, а зазор между обмотками предельно уменьшен. С другой стороны в этом зазоре должна размещаться высоковольтная изоляция, разделяющая потенциалы обмоток. Учитывая значительные ударные электродинамические нагрузки на катушки, которые

Рис. 7 Индуктивный накопитель с трансформаторным усилением тока возникают при зарядке и выводе энергии, эти требования противоречивы и удовлетворяются при достижении некоторого компромисса. По аналогичной схеме выполнен накопитель ТСП на рис.4, однако при столь больших размерах катушек (0~ 4 м) влияние зазоров оказалось относительно мало. При выборе этой схемы усиления тока следует учитывать, что весовые характеристики накопителя ухудшаются примерно вдвое из-за добавочной массы намотки. Здесь также необходимо предусмотреть некоторый дополнительный первоначальный запас энергии из-за неполной магнитной связи обмоток. В большинстве случаев величина коэффициента связи не превышает 0,85 и может быть увеличена лишь при использовании специальной технологии чередования намотки первичных и вторичных витков [19].

В схеме рис.8 усиление тока осуществляется переключением обмоток катушек ЬГЦ; после зарядки из последовательного соединения в параллельное с последующим срабатыванием выключателей К. .

Очевидно, что конструктивно она сложнее, чем трансформаторная, однако использование большого числа коммутирующих модулей делает систему более "гибкой". Здесь можно получить произвольную величину тока в нагрузке Ъ, начиная от величины зарядного тока 10 и до Ы1() в зависимости от числа приводимых в действие модулей. Кроме того, при определенной последовательности их включения есть возможность формировать желаемым образом форму тока в нагрузке, например, в канале рельсотрона или другом электромагнитном устройстве [21]. Ранее автором

I—I—Г Z

Рис. 8 Индуктивный накопитель с умножением тока. работы были предложены новые принципиальные решения по эффективному использованию таких схем магнитных накопителей для питания токамаков [12,20 ] и мощных импульсных электромагнитов. Дальнейшее развитие таких систем питания мы будем рассматривать в основном тексте.

4. Взрывомагнитные генераторы токов.

В отличие от рассмотренных выше накопителей энергии, которые являются промежуточным звеном между источником энергии и нагрузкой взрывомагнитный генератор производит электрическую энергию, используя вложенный в него заряд топлива - взрывчатого вещества. Для импульсных источников питания используются два различных типа устройств: 1. Магнитокумулятивный (МК) и 2. Магнитогидродинамический (МГД) взрывные генераторы.

Принцип действия МК-генератора, впервые предложенного А.Д.Сахаровым, заключается в осуществлении быстрой деформации индуктивности с начальным магнитным потоком, в результате которой индуктивность уменьшается, а увеличивающийся ток переключается в цепь нагрузки. В зависимости от импеданса нагрузки начальная индуктивность контура МК-генератора может быть различной. Она определяется исходной геометрией деформируемой обмотки: полосковая линия, коаксиальные проводники или спираль с коаксиальным обратным токопроводом.

Форму деформируемой части контура всегда стремятся выполнить наиболее простой, чтобы избежать его разрывов или развития гидродинамических неустойчивостей в самом проводнике. Последнее часто приводит к появлению поверхностных волн и "захвату" части магнитного потока в зоне схождения проводников. С помощью МК-генераторов можно получать даже очень большие токи с рекордной амплитудой [27] (50 МА не является здесь пределом), поэтому их используют для питания практически всего спектра нагрузок от ускорителей макротел до плазменных пинчей. В настоящее время все чаще используют последовательно размещенные МК генераторы, включенные в последовательную каскадную схему усиления тока.

На рис.9 приведена типичная схема МК-генератора полоскового типа для рельсотрона. аналогичная той, которая была использованной в работе [28]. Здесь один из электродов полосковой линии выполнен из отожженной меди и залит слоем отвердевшей взрывчатки. Старт МК генератора осуществляется с помощью детонатора, расположенного на конце полосковой линии, противоположном выводам нагрузки. С этой же стороны предварительно подается импульс тока "зарядки" генератора, обеспечивающий начальный магнитный поток.

Рис.9 ВМГ полоскового типа.

Сразу после старта ввод тока "зарядки" закорачивается. Скорость распространения волны детонации вдоль заряда обычно составляет 5-7 км с"'. Это позволяет привести в соответствие скорость волны схождения полосковой линии, •распространяющейся вдоль генератора, и скорость движения снаряда в рельсотроне. При этом можно обеспечить желаемую форму импульса тока для разгона снаряда. Например, профилирование величины зазора и ширины полосковой линии позволяет получить переменную погонную индуктивность Ьс, генератора, согласованную с режимом разгона снаряда постоянным током. Коэффициент усиления тока генератора по отношению к току, создающему начальный магнитный поток, может превышать 102 а коэффициент усиления энергии -несколько десятков. Для снижения габаритов и энергоемкости источника затравочного тока возможно использование двухкаскадного МК-генератора с предварительной ступенью. Ввиду использования взрывчатки с удельной энергоемкостью более 4 МДж/кг МК-генератор отличается очень высокими удельными параметрами. В [27] приведено значение объемной энергии \\; > 2.10^ Дж м\ а может быть более 50 кДж/кг при сравнительно простом и технологически доступном устройстве.

Несмотря на ограниченный КПД МК-генератора, который для разных их типов находится в рамках 0,12-0,20 его использование целесообразно и экономически полностью оправдано для ключевых экспериментов с большими энергиями, токами и мощностями. К сожалению, полная уничтожаемость генератора, а зачастую и нагрузки делает невозможным его широкое использование в систематических исследовательских работах. Установка лабораторных взрывозащитных камер на 3 порядка снижает величину параметра , а стоимость изготовления сменных генераторов согласно простым оценкам может сравняется со стоимостью альтернативного генератора уже при числе рабочих импульсов, равном 100. По оценке средняя удельная стоимость генерируемой с помощью МК импульсной электрической энергии составляет ~ 1000 $/ МДж.

Магнитогидродинамические (МГД) генераторы принципиально отличаются от магнитокумулятивных (МК) генераторов тем, что имеют воспроизводимую токовую арматуру, в которой наводится ЭДС при ее движении в магнитном поле. В МГД генераторах роль движущегося проводника исполняет горячий, частично ионизованный газ. Движение его обеспечивается давлением продуктов детонации (или горения) сменного заряда, в тело которого обычно добавлены легкоионизуемые присадки соединений щелочных металлов. Длительность генерируемых импульсов зависит от типа и количества срабатывающего топлива и находится в диапазоне от 10 мке до 3 с. Неразрушаемость МГД генератора обусловлена работой при умеренных магнитных полях, индукция которых не должна превышать 15-20 Тл, однако при этом удельные параметры генератора становятся близки к параметрам лучших емкостных накопителей. Поэтому их применение оправдано в тех случаях, когда по условиям эксплуатации нет возможности использовать стационарные первичные источники энергии для зарядки накопителей, а МГД генераторы приспособлены к работе в режиме самовозбуждения. Это реализовано, например, в крупных МГД машинах для исследований земной коры с помощью электромагнитного зондирования [29]. Исследования лабораторных источников подобного типа ведутся в течение последних 20 лет [30,31]. Однако, как показывают эксперименты и расчеты, при использовании резистивной магнитной системы возбуждения трудно рассчитывать на КПД этих генераторов, превышающий величину 0,03-0,05, а энергия, передаваемая в нагрузку, примерно в 1,5 раза превышает энергию магнитного поля возбуждения [32]. Поэтому по удельным энергетическим показателям вряд ли взрывной МГД генератор может быть лучше, чем индуктивный накопитель, однако он сохраняет такое важное преимущество, как способность к периодической работе при минимальной подготовке к каждому импульсу.

Оригинальная комбинация совмещения МГД генератора с рельсотронным ускорителем была предложена и разрабатывалась в работе [33]. Здесь планировалось совместить канал МГД и канал рельсотрона для организации подпора задней границы магнитного ускоряющего "поршня" скоростным потоком проводящего газа. Известны эксперименты [34] и проекты [35,36,37] взрывных МГД генераторов с неразрушаемой твердотельной арматурой, близких по концепции к МК устройствам. Однако эти машины, в ряду мощных импульсных источников тока еще не заняли определенного места.

5. Электромашины-компульсаторы.

Выше уже отмечалось, что по удельному запасу энергии инерционные накопители обладают высокими показателями. Униполярные генераторы с ротором-маховиком, имеющим простую конфигурацию, привлекательны для использования в качестве первичных источников тока, но при больших токах (~ МА) имеют малое выходное напряжение. Его типичная величина, достигаемая в быстроходных машинах с частотой вращения ротора ~ 5000 об мин обычно не превышает 100-150 В. При необходимости повышения напряжения такие генераторы можно включить в последовательную цепь. Так, например, для импульсного питания тороидальной обмотки токамака ЮМТЕХ в Техасском университете смонтирован блок из 6 униполярных генераторов. Рекордная величина выходного напряжения ~ 450 В достигнута в очень крупном генераторе [38] с энергозапасом 1

Гдж.

Однако возможность непосредственного питания ускорителей макротел от электромашины была и остается настолько привлекательной, что появились и в течение последних лет интенсивно исследуются роторные генераторы нового типа -компульсаторы. Принцип действия компульсатора аналогичен принципу работы МК генератора, т.е. вытеснение магнитного потока из источника в нагрузку при изменении его геометрии и, соответственно, его индуктивности. Однако здесь работа совершается без деформации проводников с током при изменении взаимного расположения двух обмоток электромашины, расположенных на роторе и статоре как показано на рис. 10.

Высокая мощность машины и передача значительной части энергии при малом угле поворота ротора а (зависит от числа п полюсов а= л/п) приводит к большим тангенциальным напряжениям в материале магнитопровода. В силу этого компульсатор - более напряженная машина, чем обычный генератор ударного действия. Далее, необходимость синхронизации подачи серии импульсов с нагрузкой обуславливает потребность в импульсном питании обмоток возбуждения и его корреляции с углами поворота ротора. По этим причинам компульсатор того сложнее, а его удельные параметры ниже, чем у других импульсных электромашин. Например, при расчете на один импульс для униполярной машины [38] \у=15 кДж кг"1, а для компульсаторов [39]

Рис. 10 Два характерных положения обмоток в электромашине типа компульсатор у= 0,07-0,2 кДж/кг. Таким образом даже для серии из 10 импульсов энергия, выводимая из компульсатора на порядок ниже.

Тем не менее, это может окупиться отсутствием дополнительного обострителя мощности типа индуктивного накопителя и, что самое главное, способностью к периодической работе без замены каких-либо элементов За достаточно короткое время компульсаторы прошли от стадии макетирования [40,41] на уровне энергии 100 кДж до создания рабочих проектов импульсных устройств питания больших (калибр 0,09 м) ускорителей макротел с кинетической энергией 5-7 МДж [42]. В России проблемы компульсаторов исследовались В.Г. Кучинским в НИТ4ЭФА им. Ефремова [7].

6. Мощные драйверы на основе ГИНов и формирующих линий.

Развитие УТС с «инерциальным» удержанием плазмы стимулировало в 70-х годах приложение значительных усилий к созданию сверхмощных (~10ТВт) импульсных ускорителей заряженных частиц - электронов и ионов, получаемых в плазменных диодах. Ярким примером реализации этой достаточно сложной технологии получения большой мощности является комплекс АНГАРА [7] в ТРИНИТИ (г. Троицк). Импульсные источники электрической энергии здесь построены по схеме последовательного усиления мощности: первый каскад - генератор Аркадьева-Маркса (зарядное напряжение до ЮОкВ), второй - водяная формирующая линия (деионозованная очищенная вода), и третий - вакуумная передающая линия. Восемь модулей установки синхронно разряжаются на плазменный эрозионный обостритель тока, позволяя получать на нагрузке ток величиной 3-4 МА с фронтом нарастания 60-70 не при напряжении свыше 2 МБ. За последние 15 лет произошли кардинальные изменения в идеологии нагрева ТЯ мишени, и сейчас во многих лабораториях мира исследуется микролайнерный способ получения рентгеновского излучения. Это излучение может абляционным способом сжать и нагреть Б-Т мишень, как в лазерном варианте УТС.

Надо отметить, что на этом направлении мощной импульсной энергетики получены впечатляющие результаты. Установка следующего поколения РВРА-2 (Ъ) [6] за счет увеличения числа модулей в настоящее время развивает мощность до ЮОТВт, и есть все основания считать, что следующий новый более мощный вариант такого устройства обеспечит зажигание термоядерной мишени. В США обсуждаемый проект установки с током 20 МА и напряжением 10 MB имеет условное название Х-1, а в России - Байкал. Основная и принципиальная трудность увеличения импульсной энергии - размеры водяной формирующей линии, дстигающие 40-50 м из-за ограничения плотности потока электромагнитной энергии и коммутация электрических цепей. Коммутаторы такого устройства должны иметь время включения меньше, чем длительность импульса. Такие же требования предьявляются к синхронности работы модулей между собой.

7. Другие источники питания.

Дадим короткую характеристику источникам питания других типов, которые могут быть использованы в системах энергоснабжения импульсного физ и чес ко го экс пери ме нта.

7.1 Электрохимические аккумуляторы.

Электрохимические аккумуляторы, подобные тем, что используются в качестве стартерных пусковых источников тока на автомобилях или для питания ходовых электродвигателей подводных лодок и наземного транспорта давно привлекают внимание инженеров-электрофизиков, работающих с большими токами [43]. Они отличаются большим временем хранения энергии и при правильной эксплоатации постоянно готовы к работе, в отличие от электромашины, требующей цикла разгона ротора. Для ряда приложений весьма важным качеством является возможность работы в автономном режиме от первичного энергоисточника и способность к периодической работе. Поэтому неоднократно рассматривалась целесообразность их использования для питания магнитных обострителей мощности [44,45]. В последней работе представлен проект очень большого энергоблока с запасом энергии 500 МДж и ипульсным током до 5 МА. Батарея аккумуляторов BUS (Batteiy Upgraded Supply) предполагает размещение 5.104 кислотно-свинцовых аккумуляторов. Схема их соединений выбрана на основе экспериментов [46] из условия получения максимальных токов. Изучены эксплуатационные характеристики отдельного аккумулятора в условиях 10-кратного превышения тока (до 2,5.10 А/модуль) относительно номинальной рабочей величины и изменение этих характеристик в процессе периодической работы.

Эти низковольтные источники обладают низкими мощностными характеристиками. Даже усовершенствованная конструкция аккумуляторов (технология "PULSAR") [47] позволяет получить удельную мощность не более 1 кВт кг"1. В этом отношении аккумуляторы проигрывают конденсаторам с "молекулярной" изоляцией практически на порядок величины. Низкая мощность определила значительный диаметр катушки 0>4,6 м индуктивного накопителя в [45] при зарядном напряжении ~ 200 В.

Можно предположить, что аккумуляторы этого типа, обладая большой энергоемкостью w ~ 1 МДж кг 1 (как и другие электрохимические источники -топливные элементы) могут быть эффективны при совместном использовании со сверхпроводящими индуктивными накопителями.

7.2 Криорезистивные и сверхпроводящие индуктивные накопители.

Характеристики индуктивных накопителей энергии могут быть существенно улучшены при охлаждении до температуры -196 °С сжижения азота. Уменьшение активного сопротивления алюминия при этом в 5-7 раз резко снижает требования к мощности зарядного импульса. Работа при температуре жидкого неона или водорода уменьшила бы сопротивление чистого (0,9999) алюминия примерно в 500 раз. Однако следует учесть, что для частотно-периодического режима работы эти оценки не имеют прямого приложения, т.к. время отвода джоулевого тепла от обмотки к хладагенту определяется скоростью тепловой диффузии, т.е. это сравнительно медленный процесс.

Сверхпроводящие магнитные накопители, несмотря на развитую промышленную технологию изготовления намоточных проводов с традиционными материалами (NbTi и Nb Sn) пока не нашли широкого применения в мощной импульсной технике. Эксперименты с быстрым выводом магнитной энергии при сохранении проводимости ограничены скоростью изменения магнитной индукции В<

20 Тл с"1 . Это следствие тепловыделения из-за вихревых токов, наводимых в кабеле намотки, и механических деформаций силовой структуры катушки, которые сопровождаются "трением" (friction). Стоит только надеяться, что разрабатываемые в настоящее время высокотемпературные сверхпроводники окажутся более приемлимыми для питания сильноточных импульсных нагрузок.

8. Заключение к введению

На диаграмме рис. 11 приведены энергетические характеристики импульсных источников тока, которые обсуждались в данном разделе. Использование тех или иных накопителей энергии зависит от конкретного назначения создаваемой физической установки и условий ее эксплоатации.

Рис 11 Сводная диаграмма энергетических характеристик импульсных источников тока, использующих различную технологию.

Вместе с тем необходимо разделить проблемы создания источников энергии для электрофизических установок утилитарного исследовательского характера и перспективных физических комплексов для получения принципиальных физических результатов. Для первой группы установок определяющими являются техникоэкономические аспекты зксплоатации, поэтому они должны аккумулировать оптимальные решения на момент создания.

Эти решения могут быть материализованы в технически совершенные устройства только при соответствующей опытно-конструкторской проработке и вложениг достаточно ограниченных денежных затрат. Вто{ \я группа установок требует особого внимания и тщательной оценки возможности получения принципиально новых результатов на базе освоения нового уровня импульсной энергии и электрической мощности.

По первой группе в качестве примера приведем реализованные проекты энергоустановок для питания электромагнитных пушек [25] и [48]. Для каждого из них разрабатывались специальные устройства, узлы и элементная база накопителей, обеспечивающих продвижение вправо (увеличение энергозапаса) по диаграмме рис.12. Продвижение же по оси ординат не требовалось по простой причине: в других приложениях импульсной техники, в частности, в упомянутых ранее термоядерных исследованиях, потолок оказался достаточно высоким.

Для обеспечения энергопитания при решении задач второй группы ситуация по-видимому должна отличаться. Из рассмотренных на диаграмме импульсных источников энергии увеличение энергозапаса не представляет принципиальной проблемы только для индуктивных накопителей. Вместе с тем задачу увеличения мощности можно решить, используя для магнитных накопителей принцип усиления на последовательных каскадах. Для этого уже созданы все предпосылки в виде аналитического обоснования [50,51] и выполненных проверочных экспериментов по высокоэффективной передаче магнитной энергии [52,53]. Эти пионерские научные исследования автора работы ранее нашли свое практическое развитие в эскизном проекте токамака ТСП-2АС ( НИИЭФА, 1986г.), и в настоящее время реализуются в системе питания мощного магнита для получения поля 100 Тл в Гренобле (Франция) [54]. В последнее время в проектируемой в России супермощной установке Байкал [55] предполагается использовать предложенную автором индуктивную каскадную схему усиления мощности. Задача, которая поставленная в процессе написания данной работы, - обосновать возможность и своевременность шага на пути развития индуктивных накопителей энергии: от систем с большим энергозапасом (100 МДж) -к системам с большой мощностью (>1012Вт).

О содержании диссертации.

Диссертация содержит 317 страниц текста с 173 рисунками и таблицами, состоит из введения, 8-ми глав и заключения.

8.5 Выводы к главе 8

8.5.1 Рельсотроны большого калибра для невоенных применений должны иметь модульную систему из N»1 источников питания с распределенным вводом энергии по длине ускорительного канала.

8.5.2 Показано, что при распределенном вводе энергии и тока электрическая эффективность системы питания возрастает с числом модулей, по закону г|— 1 -A/N.

8.5.3 Система с распределенным вводом тока обладает свойством умножения ускорительного тока по отношению к величине тока модуля - источника.

8.5.4 При использовании индуктивных накопителей энергии их катушки могут играть роль внешних индукторов магнитного поля канала, увеличивая ускоряющую погонную индуктивность при меньшем токе. Это свойство системы оправдано только в случае больших контактных импедансов якоря и рельса.

8.5.5 Для выключения тока индуктивных накопителей, питающих ускорительный канал рельсотрона предложен МГД механизм автогенерации пузы тока в выключателях.

8.5.6 Для детального моделирования токопереноса в канале рельсотрона с металлическим скользящим контактом с участием автора разработан 3-х мерный код электродинамических и тепловых расчетов, оттестированный на примере рельсотрона с обращенным подводом тока.

8.5.7 Проведенные эксперименты и 3-х мерные расчеты показали хорошее соответствие результатов и объяснили наблюдаемое торможение якоря в канале.

8.5.8 На основе первых результатов расчетов показано, что для получения хороших ускорительных характеристик система с обращенным токоподводом должна быть модернизирована.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В конце каждой главы содержатся подробные выводы, поэтому ниже перечислены основные из них без детальных подробностей, а также сформулированы дополнительные положения, вытекающие из обобщения результатов различных разделов работы:

1. Создан, введен в эксплуатацию индуктивный накопитель ТИН-1 (18 МДж) с 30-ти кратным умножением тока и проведены эксперименты по ускорению лайнера металлических лайнеров на модельной системе (500 м/с) и на метровом ускоряющем узле (250 м/с) с питанием мегаамперным током от ИН ТИН-1.

2. Сформулированы и экспериментально проверены условия оптимального согласования ускоряющей катушки с индуктивным накопителем энергии для получения удовлетворительной эффективности разгона лайнера при ограничении разрядного напряжения системы.

3. На основе полученных экспериментальных результатов аналитически сформулирован новый подход к процессу импульсной передачи магнитной энергии, включающий прямое переключение тока между индуктивностями, как частный случай. Исследован механизм эффективного «управления» потоком электромагнитной энергии, введено понятие «слабодиссипативных» систем передачи.

4. Выполнены успешные эксперименты по эффективной передаче магнитной энергии (15-ти и трехступенчатая передача) и построена общая теория процесса, учитывающая особенности магнитной конфигурации системы передачи и статистический разброс в последовательности срабатывания выключателей тока.

5. Проведен анализ использования слабодиссипативных систем для трех типичных прикладных задач мощной электрофизики: 1. формирование в индуктивности импульса тока с плоской вершиной, 2. получение максимальной амплитуды тока и 3. получение большой мощности разряда. На базе систем слабодиссипативной передачи магнитной энергии предложена новая концепция мощного импульсного генератора тока: каскадный магнитный усилитель мощности. Сформулирован общий подход к решению задачи согласования такого каскада с нагрузкой при учете предъявленных требований к мощности и величине разрядного тока.

6. На базе 32-секционного накопителя ТИН-900 проведен анализ перспективы создания установок: 100 МДж установки ПФ-100, использующей индуктивный каскад с разрядной мощностью ~1012 Вт и установки БАЙКАЛ (суперАНГАРА) Сделаны о цен к. структуры и параметров энергокомплекса, согласованного с камерой установки ПФ-100 и с динамикой разгона плазменной оболочки. Показано, что с помощью токо-плазменной оболочки ПФ в камере фокуса Филипповского типа молено реализовать дополнительный обостритель тока для специальных нагрузок типа излучающий лайнер. При этом ввиду большой плотности тока кумулирующего тока надо решить проблему эрозионной стойкости анода.

7. Проведен большой цикл сравнительных испытаний эрозионной стойкости электродов в электроразрядном устройстве - рельсотроне с током свыше 400 кА. Показано, что специальные материалы типа псевдосплава \V-Cu и композитов Си-Мо-ЬаВ6 имеют в 5-6 раз меньший эрозионный износ, чем обычная медь. Экспериментальные измерения динамики движения разряда, численное моделирование ускорения плазменного «поршня» и последующие исследования поверхности электродов позволили установить, что основной механизм износа медных электродов - это распыление пленки расплава вторичными токовыми образованиями в канале ускорителя, не связанными с основным процессом ускорения. В композитных материалах с тугоплавкой основой-решеткой (\¥,Мо) распыление резко затруднено.

8. Рельсотроны большого масштаба должны снабжаться энергией от системы источников тока, подводящих электромагнитную энергию с помощью токоподводов, распределенных по длине ускорительного канала. В этом случае резко возрастает КПД преобразования электромагнитной энергии в кинетическую, а при использовании плазменного якоря практически подавлено развитие вторичных токовых структур, ограничивающих предельные скорости разгона. В канале с распределенным вводом энергии, питаемом от системы индуктивных накопителей, проблема коммутации тока может быть решена с помощью формирования «паузы» тока в выключателях. Последнее не требует введения никаких дополнительных устройств и автоматически обеспечивается МГД механизмом, встроенным в систему передачи магнитной энергии.

9. Показано, что при анализе электромагнитного процесса ускорения в рельсотроне канал можно разбить на две зоны. Короткая зона (3-4 калибра канала) перемещающаяся вместе с перемычкой-якорем полностью отвечает за динамику распределения токоъ переноса между электродами. Длинная зона в «вакуумной» части канала не содержит замыкающих токов, но определяет электромагнитную эффективность разгона. В этих предположениях совместно ИПМ им. Келдыша создана первая в России 3-х мерная кодовая программа для расчета электродинамического ускорения. Она оттестирована по результатам проведенных экспериментов, в которых выбрана усложненная схема магнитной конфигурации канала с дополнительным обращенным токоподводом. С помощью численного моделирования найдено объяснение аномального поведения ускоряющей силы, полученного в эксперименте, и распределение тока в стержневом якоре специальной конструкции.

В подавляющем большинстве случаев было принято разделять импульсную электрофизическую систему на две части: источник тока и нагрузку, характеризуя в отдельности параметры каждой из них. Это следует воспринимать как условность, которая, быть может, имеет терминологический смысл, но при которой пренебрегают физикой происходящих в системе процессов. В этом, вероятно, лежит причина периодически возникающих обсуждений об использования плазменного фокуса, как высоковольтного выключателя токов или упоминаемого автором на стр. 66 «парадокса» электротехники. В большинстве случаев устройства мощной импульсной электрофизики - это единая система передачи и преобразования электромагнитной энергии, где один и тот же элемент системы играет различную роль на разных стадиях процесса.

Автор видит свой основной вклад в том, что ему удалось отойти от стандартного сложившегося восприятия импульсного питания электрофизической установки, как электротехнической задачи. Физический анализ процессов транспортировки магнитной энергии, привел к появлению идеологии качественно новых «слабодиссипативных» систем, и каскадных магнитных усилителей, которые, по-видимому, в обозримое время займут соответствующее место среди устройств мощной импульсной энергетики. Не исключена возможность использования полученных результатов по дискретной передаче энергии в других, может быть, «не электрофизических» областях науки и техники, поскольку эти результаты базируются на общефизическом лагранжевом подходе к передаче энергии произвольного вида (г.¡.за 3) .

Выполнение экспериментальных исследований, представленных в настоящей работе, оказалось возможным благодаря помощи и поддержке научных коллективов, в составе которых довелось работать автору. Автор выражает благодарность коллективу лаборатории ЛИЭС, где совместно с коллегами создавался индуктивный накопитель ТИН-1, и группе установки Эмма-6. Персональную благодарность автор приносит с.н.с. В.Ф. Левашову за техническую помощь в работах на стенде «Коммутатор», с.н.с. Ю.А.Халимуллину и в.н.с. И.Н.Макашину за большой труд, вложенный в ускорительные эксперименты на рельсотроне .

Многолетняя поддержка, обсуждение различных результатов и новых идей с д.ф.м-н., профессором Э.А.Азизовым и д.т.н. В.Г. Кучинским были для автора незаменимым источником творческих сил, а научное сотрудничество с Т.И.Филипповой, В.И.Краузом (РНЦ «КИ») и д.ф.-м.н М.П.Галаниным (ИМП им М.В.Келдыша) постоянно освещало перспективы практического использования результатов.

Невозможно перечислить всех научных сотрудников, которые в той или иной степени способствовали появлению данного труда. Автору очень жаль, что он лишен возможности поблагодарить безвременно ушедших начальника ОМС д.ф.-м.н Ю.В.Скворцова, которого он считает своим учителем и д.ф.-м.н, заслуженного деятеля науки Н.В.Филиппова, который для автора является ярчайшим примером беззаветного служения науке.

1. Е.П.Велихов, И.А.Глебов, В.А.Глухих. Некоторые электротехнические проблемы управляемого термоядерного синтеза. Электротехника, 1981,№1, с.2-6

2. И.Н.Головин. Малорадиоактивный управляемый термоядерный синтез (реакторы с D3He).Препринт ИАЭ 4885/8, ИАЭ, - М.ДНИИатоминформ, 1989

3. S.V. Garanin. The MAGO system. Dense Z-Pinches: Fourth International Conference, 1997, The American Institute of Physic, 1997, p. 94-98

4. A.B. Браницкий, С.А. Данько, A.B. Герусов и др. Проникновение азимутального магнитного потока внутрь неустойчивого лайнера. Физика плазмы, 1996, т.22, №4,с307-317.

5. D.Cook. New Developments and applications of Intense Pulsed Radiation Sources at Sandia Nat. Lab. 11-th IEEE International Pulsed Power conf. Baltimore, Mariland USA, June 29-July 2, 1999. Digest of Technical Papers, p.25.

6. Физика и техника мощных импульсных систем. Сборник статей под редакцией академика Е.П.Велихова. ИАЭ им. И.В.Курчатова. Энергоатомиздат, 1987, -352 с.

7. Ч.Мезонье, Дж. Линхарт, К.Гурлан. Быстрая передача энергии с помощью взрывающихся фольг, ПНИ, 1966, т.36,с.96-98.

8. В. А.Бурцев, В.П.Литуновский, В.Ф.Прокопенко. Исследование электрического взрыва фольг. ЖТФ,1977,т.47, вып. 8,с. 1642-1661.

9. Э.А.Азизов, Ю.А.Алексеев, НН.Бревнов, Е.П.Велихов и др. Основные физические и инженерные проблемы создания токамака с сильным полем и адиабатическим сжатием плазмы. Атомная энергия,1982,т.52,в.2,с. 108-112.

10. Э.ААзизов, И.А.Иванов, А.П.Лотоцкий. Каскадные системы с индуктивными накопителями Электричество, 1990, N4, с. 25-31

11. Г.А.Кнопфель. Сверхсильные импульсные магнитные поля. -М., МИР, 1972.

12. Rech В.М., Zowarka R.C. Design and construction of a two-stage opening switch. IEEE Trans. Magn.,1986, v.22., N 6, p. 1706-1710

13. И.А.Иванов, А.П.Потоцкий, В.А.Трухин. Мошный трехступенчатый выключатель для электроразрядного устройства с индуктивным накопителем энергии. Приборы и техника эксперимента, 1982, N 4, с. 104-108.

14. Т. McConnick, J.Barber. А 500 kA repetitive opening switch. IEEE Trans, fviagn., 986,v.22,No 6,p. 1613-1618.

15. R.D. Ford, N.E. Johnson, F. Christopher et al. Evolutionary Development of Multifunction "RAP" Explosive Operated Switching Cartridge. IEEE Trans. Magn. 1993, v.29, No 1, p.943-948.

16. W.M. Parsons, J.V. Parker, P. Thullen. Railgun power supply system utilizing traction motor and vacuum interrupters. "5-th IEEE Pulsed Power Conf., Arlington, 10-12 June,1985. Dig. techn. pap." New York, N.Y.,1985, p.542-544.

17. А.П. Лотоцкий. Еенерация сильных магнитных полей в камере термоядерной установки с адиабатическим сжатием плазмы. Доклады 3 всесоюзн. конф. по инженерным проблемам термоядерных реакторов (Ленинград, май, 1984), ЦНИИатоминформ, 1984,т.З, с, 127-133.

18. M.R. Palmer. Motivation for Near Term Gun Launch to Space Demonstration and Variable Inductance Power Supply Concept to Minimize Initial Demonstration Costs. IEEE Trans. Magn., 1993,v.29, No 1, p.478-483.

19. Электротехническое оборудование для электрофизических и термоядерных установок. ВЭИ, Внешторгиздат,1992.

20. В.В.Савичев. Основные элементы энергосиловых комплексов. МГТУ им. Н.Е.Баумана. Издательство МЕТУ, 1991.

21. T.Coradeschi, G.Colombo, A.Davis et al. 52 Megajoule Electric Gun Test Facility. IEEE Trans. Magn.,1993,v.29,Nol, p.923-928.

22. B.D. Goodell, R.S. Ricci. BTEAnny Pulse Power Module. Там же, где 24., p.958-962.

23. А.Д. Сахаров, Р.З. Людаев. Магнитная кумуляция. ДАН, т. 165,1965,с.725

24. И.Д. Морохов, Е.П. Велихов, Ю.М. Волков. Импульсные МГД-генераторы и глубинное электромагнитное зондирование земной коры. Атомная энергия, 1978, т.44, N 3, с.213-219.

25. Е.С. Сш^е, W.P. Brooks, М. Cowan. Pulsar: an Inductive Pulse Fower Sourse. 2-nd IEEE Int. Pulse Power Conf. Lubbock, Texas, 1979. Dig. Technical Papers. IEE Catalog Number 79 CHI 505-7.

26. Г.А. Швецов. Взрывные МГД-генераторы. Физика и техника мощных импульсных сислем. Сборник статей под редакцией академика Е.П.Велихова. ИАЭ им. И.В.Курчатова. Энергоатомиздат, 1987, с.253-264.

27. В.М. Титов, Г.А. Швецов. Генерация электрических импульсов высокой мощности с помощью кумулятивного взрыва. Физика горения и взрыва. 1980,т.5,с.47-56.

28. R.A. Marshall. Railguns. Proc.9-th US nat. Conf. \ Appl.Techn., Ithaca,N 4,21-25 June, 1982, p.361-366.

29. J.D. Powell, J. Keith. Analysis of an inverse railgun power source. IEEE Trans. Magn., 1986, v.22, No 6, p. 1669-1674.

30. M. Summerfield. Development of a Linear Piston-Type Pulse power Electric Generator for Powering Electric Guns. IEEE Trans. Magn., 1993,v.29,p. 1066-1069

31. G.R. Headifen, J.A. Pappas, J.M. Weldon et al. Preliminary'' Design of a 1 Gigajoul Homopolar Generator. IEEE Transaction on Magnetics, 1993, v 22, No 1, p.980-985.

32. A.C. Дружинин, В.Г. Кучинский, Б.А. Ларионов. Компрессионные генераторы. Физика и техника мощных импульсных систем. Сборник статей под редакцией академика Е.П.Велихова. ИАЭ им. И.В.Курчатова. Энергоатомиздат, 1987, с.280-295.

33. J.D. Herbst, K.G. Cook, R.A. Kuenast. 9 MJ Range Gun Compulsator Stator Design and Fabrication. IEEE Transaction on Magnetics, 1993, v 22, No 1, c.986-991.

34. П.Л. Капица. Экспериментальные исследования в магнитных полях. Успехи физических наук,1931,т.11,вып.4,с.533-553.

35. J.P. Joseph, L.T. Skvarenina. An Evaluation of Battery Power Supplies for Electric Railguns. 4-th IEEE Pulsed Power Conf., Albuquerque, 6-8 June,1983. Dig.Techn. Pap. New-York,N.Y.,1983, p.15-18.

36. J.A. Pappas, G.R. Headifen, J.M.Weldon, J.C.Wright. Design of a 500 MJ, 5 MA Power Supply. IEEE Transaction on Magnetics, 1993, v 22, No 1, p. 1027-1032.

37. J.P. Kajs, R.C. Zowarka. BUS High Current Battery Model. IEEE Transaction on Magnetics, 1993, v 22, No 1, p. 1003-1008.

38. J.P. Lippert. Battery Supply for the New Electromagnetic Torpedo Launcher. IEEE Transaction on Magnetics, 1993, v 22, No 1, p. 1009-1012.

39. T. Pfenning, C. Marinos, T. Howard, M. Hendrickson, J. Hargeaven. Mobile Pulse Power Systems For Electric Gun Tests. IEEE Transaction on Magnetics, 1993, v 22, No 1, p. 958-962.

40. J.J. Hahne, R.J. Hayes. Operating Experience with the 90 mm Railgun at CEM-Ut. IEEE Transaction on Magnetics, 1993, v 22, No 1, p.407-412.

41. А.П. Лотоцкий. О перспективах использования индуктивных накопителей энергии для питания мощных магнитных систем. Препринт ИАЭ-3714, ИАЭ, -М., 1982, -20с.

42. А.П. Лотоцкий. Об эффективности передачи магнитной энергии из индуктивных накопителей. Электричество, 1985, N 6 с.64

43. А.П. Лотоцкий. Высокоэффективная импульсная передача магнитной энергии для ТЯ установок с магнитным удержанием. Препринт ИАЭ-4920, -М.,Цнииатоминформ, 1986.

44. А.В. Мазулин, И.И. Панков, Г.В. Рябцев и др. Питание индуктивной нагрузки от индуктивного накопителя по схеме удвоения тока. Препринт ИАЭ-4543/8, Москва, ЦНИИатоминформ, 1987.

45. Л.М. С ТОЛ ов и др. Эскизный проект термоядерной установки ТСП-2АС. НИИЭФА, 1986.

46. Э.А. Зотова, И.А. Иванов, А.П. .Потоцкий, В.А. Трухин. О согласовании индуктивного накопителя и катушки с лайнером при ограничении разрывного напряжения. Известия Академии Наук СССР. Сер: Энергетика и транспорт, 1978, № 6, с.9-14.

47. И. А. Иванов, А. П. Потоцкий . Потери энергии при переключении тока индуктивного накопителя в катушку с лайнером. Препринт ИАЭ-3498/14, ИАЭ им. И.В.Курчатова, — М., 1981.

48. В.Г. Белан, И.А. Иванов, А.П. Лотоцкий. Особенности разряда индуктивного накопителя на катушку с лайнером. Электричество, 1983, № 10, стр. 26-29

49. А.П. Лотоцкий. Об эффективности секционированных индуктивных накопителей энергии в системах генерации магнитных полей. Тезисы докл. 1 всесоюзн.конф. по импульсным источникам энергии для физич. и ТЯ исследований. Юрмала, 17-21 января, 1983г. -М, 1983

50. А.П. Лотоцкий, И. А.Иванов. Переключение тока индуктивного накопителя в катушку с лайнером нелинейным сопротивлением. Тезисы докл. 1 всесоюзн.конф. по импульсным источникам энергии для физич. и ТЯ исследований. Юрмала, 17-21 января, 1983г. -М, 1983

51. А.П. Лотоцкий, И.А. Иванов. Каскадные накопители энергии. Тезисы докл. 1 всесоюзн.конф. по импульсным источникам энергии для физич. и ТЯ исследований. Юрмала, 17-21 января, 1983г. -М, 1983

52. А.П. Лотоцкий. Передача и кумуляция магнитной энергии. Тезисы докладов 3-й Международн. Конф. по генерации мегагауссовых полей и родств. Экспериментам. Тезисы докл. СО АН СССР, Новосибирск, с.75

53. А.П. Лотоцкий, И.А. Иванов. Каскадная система с индуктивным накопителем энергии. Отчет о работе совещания "Мощные импульсные системы питания" 19-21 января, 1982, ИЯФ, Новосибирск, 1982, с. 9

54. А.П. Лотоцкий. Изобретение "Способ передачи электромагнитной энергии. A.C. СССР №1001200. Б.И. 1983, №8.

55. А.И. Кольченко, А.П. Лотоцкий, В.А. Трухин, Г.Н. Хомутинников. Изобретение "Взрывной выключатель". A.C. СССР № 957670. Б.И. 1983, № 15.

56. И.А. Иванов, А.П. Лотоцкий. Потери энергии при трехступенчатом переключении тока индуктивного накопителя в катушку с лайнером. Препринт ИАЭ 3498, Москва, ИАЭ, 1981г.,-20с.

57. А.П. Лотоцкий, И.А. Иванов. Изобретение "Индуктивный накопитель". A.C. N 10229402, Б.И. 1983 N26

58. А.П. Лотоцкий, А.И. Кольченко, Ю.П. Мельников, С.А. Сергеев Изобретение" Устройство для передачи магнитной энергии". A.C. N 1012759, Б.И. 1983, N 47

59. А.П. Лотоцкий. Изобретение " Способ кумуляции магнитной энергии". А.С.СССР N 1178237, Б.И 1985, №13.

60. А.П. Лотоцкий. Изобретение " Способ генерации импульсных магнитных полей и устройство для его осуществления ". А.С.СССР N 1342305 , Б.И. 1988, № 24.

61. А.П. Лотоцкий, В.А. Ягнов, В.Н. Щербицкий, К.П. Рязанов. Изобретение "Способ импульсной передачи магнитной энергии". А.С.СССР N 1440289

62. А.П. Лотоцкий, Э.А. Азизов, В.А. Чуянов, В.А. Ягнов, В.Н.Щербицкий, А.С.Дружинин, В.Г.Кучинский, Б.А.Ларионов и А.М.Столов. Изобретение "Электромагнитная система ТЯ установки с адиабатическим сжатием плазмы". А.С.СССР N 1440289

63. П.И.Дойников, А.П.Лотоцкий, В.А.Чуянов. Компенсация гофрировки магнитного поля в системе, состоящей из отдельных катушек. ВАНТ, Сер.ТЯ синтез, 1987, N 4, с. 22-28.

64. А.П. Лотоцкий, Н.В. Торохова, Н.М. Умрихин. Двухкаскадный источник питания плазменного ускорителя. Расчет эффективности ускорения. Тезисы докл. 6 всесоюзн конф. по плазменным ускорителям, Днепропетровск, 16-18 сент., 1986

65. А.П. Лотоцкий. Теоретические основы высокоэффективной передачи магнитной энергии. Сборник: "Преобразование различных видов энергии в электрическую", 1986, №4.

66. А.С. Дружинин, В.Г. Кучинский, Б.А. Ларионов, А.М. Столов, А.П. Лотоцкий, В.А. Ягнов Проблемы высокоэфективной передачи энергии из индуктивного накопителя в индуктивную нагрузку. Вопросы атомной науки и техники, Сер.: ТЯ синтез, 1987,N 1, с. 50-56.

67. Э.А. Азизов, А.П. Лотоцкий. Выбор структуры и параметров мощных импульсных систем передачи магн. энергии. Тезисы докл. 4 всесоюзн. конф. по ИПТР, Ленинград, 2022 мая,1988 -М.,Цнииатоминформ, 1988, с. 175.

68. Э.А.Азизов, А.П.Лотоцкий. Структура и оптимальные параметры секционированных индуктивных накопителей для импульсного питания больших магнитов. Электричество, 1990,ЫЗ, с.25-31

69. А.П.Лотоцкий. Теоретические и экспериментальные исследования импульсной передачи магнитной энергии. Тезисы докл. 5 междунар. конф. по генерации мегагауссовых полей и родств. экспериментам, Новосибирск, 1990.

70. А.П.Лотоцкий. Индуктивные накопители энергии. Учебное пособие для студентов МИФИ. ГК РФ по высшему образованию, МИФИ, 1992, -50с.

71. A.P.Lototsky, A.Lebedev, N.Grabchak, M.Krylov. Research of railgun with distributive input of energy from magnetic storages. 5-th Europ. Symposium on EML technology, Toulouse, April 10-13, Proc. Conf. Report N 82

72. Yu.A. Karccv, A.P. Lototsky, Yu.A. Halimulhn. Metal projectile acceleration in muzzie-fed railgun. 6-th Europ.Symposium on EML Technology. Hague, 25-27 May, 1997. Proceeding, TNO-PLM, DELFT, Netherlands, p.314-321

73. V.l. Kraus, N.V. Filippovj, T.I. Filippova, E.A. Azizov, A.P. Lototsky, A.F. Nastoyahchy,

74. А.П.Лотоцкий, Ю.А.Кареев Ю.А.Халимуллин Электродинамические ускорители макротел. Учебное пособие. Часть 1. ЕК РФ по высшему образованию, МИФИ, 1999 (в печати).

75. М.П. Гатанин, А.П.Лотоцкий, Ю.П. Попов, С.С. Храмцовский. Численное моделирование пространственно трехмерных явлений при электромагнитном ускорении проводящих макротел. Математическое молелирование. 1999, т. 11,№ 8,с.З-22.

76. А.П.Лотоцкий, В.В.Савичев, Ю.А.Халимуллин, Ю.И.Беляков. Исследование эрозии металлических контактов в рельсотронном ускорителе. Вестник МГТУ, сер: Естеств. науки, №1(2), 1999, с.46-60

77. B.C. Пресняков, В.Ф.Левашов, И.А.Иванов. Взрывной размыкатель. А.С. СССР №408386 по заявке №1690706 от 16.08.1971г.

78. А.В.Комин, В.Г.Кучинский. Мощные импульсные источники питания. Обзор ОК-21. НИИЭФА,-Л.,1978.

79. Разрывные элементы НИИЭФА. А.В.Комин, В.Г.Кучинский. Мощные импульсные источники питания. Обзор ОК-21, Ленинград, НИИЭФА, 1978.

80. У. М. Сиборг. Цепи, сигналы, системы. Часть 2 . стр. 57. Перевод с англ. под редакцией В. А. Усика и И. С. Рыжака. Москва, МИР, 1988.

81. Е.А.Шнеерсон. Поля и переходные процессы в аппаратуре сверхсильных токов.2.-е издание, Энергоатомиздат, Москва, 1992, 413 стр.

82. Белан В.Г., Иванов И.А., Лотоцкий А.П. Особенности разряда индуктивного накопителя на катушку с лайнером. Электричество, 1983,№10, с.26-29.

83. В.А.Бурцев, В.Н.Литуновский, В.Ф.Прокопенко. Исследование электрического взрыва фольг. ЖТФ, 1977, т. 47, № 8, с. 1653-1661

84. МН.Быстров, Л.В.Дубовой, Б.А.Ларионов, Н.А.Моносзон и др. Термические нелинейные сопротивления в системах вывода энергии из индуктивных накопителей. Доклады всссоюзноро си вещания по ИПТР. (Ленинград, 26-28 июня 1974), т.З, НИИЭФА, 1975, с. 95-104.

85. А.И.Павловский, В.А.Васюков, А.С.Руссков. Письма в ЖТФ, т.З,вып. 16, 1977.

86. О.С.Цукер, У.Г.Бостик. Теоретические и практические аспекты накопления и сжатия энергии. В книге: "Накопление и коммутация энергии больших плотностей", МИР, Москва, 1979

87. Carrol Т.А. et al. Electromagnetic capacitor for energy transfer: LA-UR-83-1598. N.M.: Los Alamos Nat. Lab., 5p. Conf. 830621-35, 1983 (IEEE power electronic specialist conf. , Albuquerque, N.M., 6-9 June, 1983).

88. A.M. Столов и др. Эскизный проект токамака ТСП-2АС. НИИЭФА, 1985.

89. Л.П.Побережский. Об индуктивных накопителях энергии. Труды МЭИ, вып.45, 1963

90. Е.И.Биченков, В.А.Лобанов. Динамика сплошной среды, 1973, вып. 13, стр. 140

91. Л.Ландау, Л.Пятигорский. Механика. Еос.изд-во технико-теретической литературы, -М„ 1940.

92. В.В.Корнеев, В.А.Трухин. Особенности вывода энергии из секционированного индуктивного соленоидального накопителя всхеме умножения тока. Электричество, 1983, №3, с.53-55.

93. А.И.Кольченко, Н.П.ПугачевЮ В.А.Трухин. Центробежный выключатель. А.С. № 754505.

94. О. Zucker et al. Inductive energy transfer circuit proof of principle experiment. Review Scientific Instrument, 1986, vol.57, №5, p.859-862.

95. Э.ААзизов, Ю.А.Алексеев, Н.Н.Бревнов и др. Основные физические и инженерные проблемы создания токамака с сильным полем и адиабатическим сжатием плазмы. Атомная энергия, 1982, т.52, с. 108-112.

96. А.М.Прудников, Ю.А.Брычков,О.И.Маричев. Интегралы и ряды. -М.,Наука,1981

97. Х.Шнайдер-Мунтау, Х.Дж. Бениг, Л.Дж. Кемпбелл и др. Основные идеи конструкции неразрушаемой магнитной системы США до 100 Тл. Мегагауссная и мегаамперная импульсная технология и применения. Том 1, Саров, ВНИИЭФ, 1997, с. 192-205

98. W.L.Baker, J.H.Degnan, R.E. Reinovsky. High Energy Pulsed Power Development and Applicaition to Fast Imploding Plasma Liners. Сверхсильные магнитные поля.

99. Физика.Техника.Применение. Труды третьей международной конференции по генерации мегагауссных магнитных полей и родственным экспериментам (Новосибирск, 13-17 июня 1983г.). Москва, Наука, 1984, с.39-49.

100. В.А.Бурцев, В.А.Желтов, Н.В.Калинин и др. Быстрый 9-пинч с индуктивно-емкостным накопителем энергии. Вопросы атомной науки и техники. Сер. .Термоядерный синтез,!981, №1, 1981, с.68-76.

101. H.Blumb, K.Bohnel, Р.Норре et al. Results from Inductive Store Plasma Optn Switch Experiments at the 1,5 TW Generator KALIF. 6-th Int. Pulsed Power conf., Washington, 1987, D.C., v.2, p. 422-425

102. L.R.Lindemuth, D.G.Rickel, R.E.Removsky. Analysis of an MCG/FUSE/PFS Experiment. 6th Int. conf. on megagauss magnetic field generation and relative topics (November 8-11, 1992). Albuquerque ,New-Mexico (USA), Book of Abstract, p.206

103. Г.И.Долгачев, Л.П.Закатов, М.С.Нитишинский, А.Г.Ушаков. Особенности плазменных прерывателей тока, применяемых в мощных частотно-импульсных генераторах. Физика плазмы, т.24, 1999,№12,с. 1078-1087

104. D.Conte,R.D.Ford, W.H.Lupton, LM.Vitkoviysky. Trident a Megavolt Pulse Generator Using Inductive Energy Storage. 2-nd IEEE Int. Pulsed Power Conf, Lubbock, Texas, 1979^p.276-283

105. К.М.Фаулер, Дж.Х.Гофорт. Эволюция некоторых программ Лос-Аламоса по сжатию потока. Мегагауссная и мегаамперная импульсная технология и применения. Том 1, Саров, ВНИИЭФ, 1997, с. 19-28

106. В.П.Смирнов и др. Исследование сверхбыстрого дейтериевого z-пинча на установке АНГАР A3-1. Физика плазмы, 1990, №9, с.

107. Мокеев А.И. Экспериментальное исследование динамики плазменной оболочки bz-пинче. Диссертация к.ф.-м.н. РРЦ Курчатовкий институт, Москва, 1998, 137с.

108. Н.В.Филиппов. Обзор эксперименталтьных работ, выполненных в ИАЭ им. И.В.Курчатова по исследованию плазменного фокуса. Физика плазмы, т.9, 1983,№1, с.25-44.

109. E.A.Azizov. Study of plasma and Electrophysical processes in pulsed-high current-discharges the development of the M1N1K-conceptual high neutron source design, using the inductive cascade storage. ISTC , Project N 734

110. Э.Ю.Хутиев, П.С.Анциферов, Л.А.Дорохин, К.Н.Кошелев, Ю.В.Сидельников. Плазменный фокус, как коммутатор тока для капиллярного разряда. ЖТФ, 1998, т.68,№11, с.110-113.

111. Openii g switch for interrupting current using a plasma focus devLe. Molen George M., Cox James L. Патент 4406952 США. Заявл.07.01.82, №337761, опубл. 27.09.83. МКИ Н01 127/42, Н 03 КЗ/86, НКИ 307/104.

112. L.Karpinncki, M.Sholz, W.Stepnitwski et al. Plasma focus current shell implosion onto foam liner. Symp. PLASMA97, Jarnoltowek near Optole, June 1997. Vol.1,p. 117

113. V.P.Smirnov, E.V.Grabovskii, V.I.Zaitsev et al. Progress in Investigations on a Dense Plasma Compessionon ANGARA-5-1. Proc. OfBEAMS'90. World Scientific, 1990, V.l,p. 61

114. V.P.Bakhtin, Yu.V.Skvortsovj, N.M.Umrikhin. MJ Capacitive Energy Store Matching with Dynamic Load at PUMA Installation. Plasma Devices and Operations, 1992,Vol.2, p. 141 -153.

115. A.W.Molvik, J.L.Eddleman, J.H.Hammer, C.W.Hartman, H.S.McLean. Quasi-Static Compression of a Compact Torus. LLNL, UCRL-JC-104816 PREPRINT. September 24, 1990, -9 p.

116. П.Л.Калантаров, Л.А.Цейтлин. Расчет индуктивностей, Энергоатомиздат, 1986, стр. 241.

117. P.S. Sincerny, S.R. Ashby, F.K. Childers et al. Inductive Energy Store (EES) Technology for Mulyi-Terrawatt Generators. Beam'92: Proc. 9-th Int. Conf. High-Power Part. Beams. Washington, May 23-29, 1992. Vol.1 p.385-391

118. T.G.Engel, M.Kristiansen, E.O'Hair, J.N.Marx. Estimating the Erosion and Degradation on Performance of ceramic and Polimeric Insulator Materialsin High Current Arc Enviroments. Trans. Magn.,v.27,No l,p.533-537.

119. Л.А.Арцимович. Управляемые термоядерные реакции. ГИФМЛ,Москва, 1963, -496 с.

120. S.C.Rachleig, R.A.Marshall. Electromagnetic Acceleration of Macroparticles to High Velocities. " J.Appl. Phys.,1978,v.49, p.297

121. D.C. Haugh, D.J.Kirkpatrick, A.P.J.Argyie, M.D.Bennet. Recrnt Firing at DRA 32 MJ Kirkcudbright Facility. 5-th Europ. Symposium on EML technology, Toulouse, April 10-13, Proc. Conf., Report N 7

122. T. Pfenning, C. Marinos, T. Howard, M. Hendrikson, J. Hargreaves. Mobile Pulse Power for Electric Gun Test. Transaction on Magnetics, V.29, N1,1993, p/1037-1042

123. PI. Fair. Electromagnetic Launch Technology-: A Reviev of the U.S. National Program. 6-th Europ.Symposium on EML Technology. Hague, 25-27 May, 1997. Proceeding, TNO-PLM, DELFT, Netherlands, p.453-460

124. G.A.Shvetsov, V.I.Mali, A.G.Anisimov et al. High-Current Arc Erosion of Explosively Compacted Mo/Cu and W/Cu Electrodes. 6-th Europ.Symposium on EML Technology. Hague, 25-27 May, 1997. Proceeding, TNO-PLM, DELFT, Netherlands, p. 117-123

125. R.S. Hawke, A.L.Brooks, G.M.Fowler, D.R.Peterson. Electromagnetic Railgun Launchers: Direct Launch Feasibility. AIAA Journal, 1982,V.20, N 7, p.978-985.

126. A.S.Anshakov, A.I. Fedorenko. High velocity Acceleration of Macrobodies: Theory, Practice and Perspectives. Nova Science Publisher, Inc. (NY, USA), 1994, 337pp.

127. G. Long, W.F. Weldon. Limit to the Velocity of Solid Armature in Railguns. IEEE-Transaction on Magnetics, 1989, V.25, N1, p. 347-352.

128. М.ГТЕаланин, А.В.Плеханов, В.В.Савичев. Изучение поведения контакта проводящего тела с рельсом при электродинамическом разгоне. Мегагауссная и мегаамперная импульсная технология и применения. Том 1, Саров, ВНИИЭФ, 1997, с.883-889

129. М.Cowan. A Momentum Limit for Electromagnetic Rialgun. IEEE Transaction on Magnetics, v.29, N1, 1993, p.391-396

130. J.V.Parker. Perfomance Loss to Electrical Breakdown of Pre-accelerator Gas. IEEE Transaction on Magnetics, v.29,No 1,1993, p.490-495

131. P.Kulhanek, J. Maloch, R. Valenta et al. Acceleration of Solid Bodies in Rail Plasma Araxature. Acta Phisica Slovaca, 1987, v.37, N 2, p. 130-134

132. J.V.Parker. Why plasma armature railguns don't work (and what can be done about it).

133. EE Transaction on Magnetics, v.25, No 1,1991, p.176-180

134. G. Shvetsov, Yu. Bashkatov, A. Anisimov, I. Stadnichenko. Structure and dynamics of plasma armature of railgun macroparticles accelerators. IEEE Transaction on Plasma Science, 1989,v.l , N3, p.365-370.

135. А.Д.Лебедев, Б.А.Урюков. Импульсные ускорители плазмы высокого давления. СО АН СССР, ин-т теплофизики, Новосибирск, 1990, -290с.

136. В.Е.Осташев, О.В.Фатьянов. Эволюция плазмодинамического разряда в МПУ -канале. ТВТ, т.30,1992, с. 1061-1068

137. E.M.Drobyshevsky, S.I.Rogov, B.G.Zhukov, R.O.Kurakin, V.M.Sokolov. Experiments on Simple Railgun with the Compacted Plasma Armature. IEEE Trans.Magnetics,v.31,No 1, p.295-298.

138. R.S.Hawke, W.J. Nellis, G.H.Newman et al. Summary of railgun development for ultrahigh-pressure research. IEEE Transaction on Magnetics, 1986, V.22, N 6, p. 1510

139. O.Fitch, M.F.Rose. Limiting facktors in perfomance of rail guns. 4-th Pulsed Power Conf. Albuquerque, N.M., June 6-8, 1883. DigTechn. Pap. New-York, N.Y., 1983, p.75-79

140. W.F.Weldon, S.K.Marty. Multiphase Railgun System: A new Consept. IEEE Transaction on Magnetics, v.29, 1993, Nol, p/472-477

141. E.Cardelli. Electromagnetic and Thennal Analysis of Muzzle-Fed Railgun. IEEE Transaction on Magnetics, 1995, V.31, N 1, p. 113-117

142. О.В.Фатьянов, В.Е.Осташев, Е.Ф.Лебедев, Ф.В.Ульянов. Электромагнитные конфигурации рельсотронов. Препринт ИВТАН №3-357, РАН, Москва, 1993, -28 с.

143. R.A.Marshall. Factors Influencing of Bore Geometry For Rail Launchers. 6-th Europ. Symposium on EML Technology'. Hague, 25-27 May, 1997. Proceeding, TNO-PLM, DELFT, Netherlands, p. 170-177

144. J.Taylor, R.Crawford and D.Kufer. "Muzzle fed railgun experiments with 3-d electromagnetic simulations ". IEEE Trans, on magn. 1995. V.31. N.l. P.360.

145. J.L.Brown, K.A.Jamison, N.E.Jonson et al. Earth-To-Orbit Railgun Launcher. . IEEE Trans. Magn., 1993,v.29,No l,p.373-378

146. M.L.Palmer. Midterm to Far Term Applications of Electromagnetic Guns and Associated Power Technjlogy. IEEE Trans. Magn., 1993,v.29. No l,p.345-350

147. Из магнитной пушки в космос. Общая газета, 1998, 42(272), с. 8.

148. M.Koops, A.Schoolderman. On scaling relation for hypervelocity launch processes. 6-th Europ.Symposium on EML Technology. Hague, 25-27 May, 1997. Proceeding, TNO-PLM, DELFT, Netherlands, p. 124-132

149. J.V. Parker. Electromagnetic Projectile Acceleration Utilizing Distributed Energy Sourse. J.Appl.Phys.,1982, v.53, No 6,p.6710-6723.

150. Г.А.Шнеерсон. Поля и переходные процессы в аппаратуре сверхсильных токов. Энергоатомиздат,-М., 1992

151. Е. Spain, M. Lichtenberger, F. Hatterer. Pulse Forming Network for the 10-MJ-Railgun PEGASUS. 5-th Europ. Symposium on EML technology, Toulouse, April 10-13, Proc, Conf. Report N 81

152. В.В.Железный, А.Д.Лебедев, А.В.Плеханов. Воздействие на динамику разгона якоря в РЭУ. . Материалы 2-го всесоюзн. семинара по сильноточным дугам в магнитном поле, Новосибирск, 4-6 декабря 1991г. СО АН СССР, Ин-т теплофизики, Новосибирск, 1992,с. 16-32

153. A.E.Poltanov, А.К. Kondratenko, V.N. Ryndin et al. Experimental Study of Multi-rail Launchers with High Inductance Gradient. IEEE Transaction on Magnetics (в печати).( 6-th USA conf. on EML, Edinburg, 1998, paper #143H)

154. I.E.Shrader, A.J.Bohn, J.C.Thompson. Rail Guns Experimental Results due to Varying Bore and Arc Materials, and Varying Number of Barrel turns. IEEE Transaction on Magnetics, V.22, 1986, No 6, p. 1739-1741

155. Ch.H. Haight, N.M.Tower. Distributed Energy Store (DES) Railgun Development. IEEE Transaction on Magnetics, 1986, v.22, No 6, p.1499-1502

156. K.Ikuta. Electromagnetic Acceleration of Macroparticles to Hyperveloities in Axisymmetric Geometry. Res. Rept. Inst. Plasma Phys. Nagoya Univ. 1984, N 696, 13 p.

157. M.Cowan. Solid Armature Railgun without the Velocity -skin effect. IEEE Transaction on Magnetics, v.29, No 3, p.462-468

158. Yu.A. Kareev, R.M. Zayatdinov. Transition Conditions for Solid Armature in Railgun with Muzzle Current Feed. . IEEE Transaction on Magnetics, v.31, No 3, p. 180-182