Разработка специализированных мощных источников энергии и исследования процессовразрушения твердых тел под воздействиемкратковременных ударных нагрузок, создаваемых сильным и сверхсильным импульсным магнитным полем тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

РГ6 од

- 8 ОПТ 1998

На правах рукописи

Кривошеее Сергей Иванович

* Разработка специализированных мощных источников энергии и исследования процессов разрушения твердых тел под воздействием кратковременных ударных нагрузок, создаваемых сильным и сверхсильным импульсным магнитным полем

01.04.13 - Электрофйзика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург, 1098

Работа выполнена на кафедре "Инженерная электрофизика и тех ника высоких напряжений* Санкт-Петербургского государственного технического университета.

Ведущая организация - институт инновационных и термоядерных

исследований, г. Троицк Московской обл.;

Офиямаяьаы* оппоненты«

доктор технических наук Кучиносий В. Г., кандидат технических наук Фридман Б. Э.

на заседании диссертационного совета № К063.38.21 при Санкт-Петербургском государственном техническом университета (195251, С.-Петербург, Политехническая, 29).

С диссертацией можно ознакомиться а библиотеке Санкт-Петербургского государственного технического университета.

Ученый секретарь ' •

диссертационного соаоТэ М» K0S3.38.21. кандидат

технических нагук Кутков СЛ.

Защита состоится

996 г. в

Автореферат разослан

1996 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Большой ИНТЗр-ЗС К МЗПЩ'ГННМ ПОЛЯМ, как К янструмэкту, Н03В0ЛЯВД0--му изучать свойства материалов н кзмзкетпя их внутренней структуры и связей, проявляется специалистам по физике високи^; плотностей энергии, физике твердого тела и ускорителям йчрятошеце частиц. Толчок развитию физике и технике получения еялькчх нмпульашх магнитит полеЯ дели работы по кре&геме украслязмэго торчоядорпого синтеза. Сильные импульсные магагошз поля присоли и к появления нови технологических процессов. К ним относятся мапягоммпучьсная обработай металлов дазлэниэм, магнитоимлу.чьсизя евзркй и др.

В занят,кости от амплитуда индукции маг:штш.:о поля условно делятся на отиоситэльио слабые - до Ю Тл, сгслызде(СИМП)- до 100 Тл, свврхскльше (ССИШ) - белое 100 Тл.

Проводимые з последние гели иссяедоззв-.я указывай? на возмояюеть испсльзозалия сильных якгеульсних нзгшгпшх полой с биология, медицине.

Высокое давление, темпзрзтура. плотность токз, сопроьо:адав:а:то получение сверхсилышх :м;ульсних магнитных полай, характерам для котсрнх является высокая плотности зяергаи (например, ошлятуде индукции магшгагого поля т 00 Тл соответствует плотность энергии магнитного поля 4 кД'й/с;.^), позволяет преподать работу по изучению сбоЗств моталдоп, при давлениях, Еоспп-аис-х мсгабарз к шло и гря плотности энергии превышающей эпертшю сублимации. Создай» материалов, обладающих вдсокотекдарагургоД сверхпроводимость;:. показало необходимость использования сверх сильных импульсных ¡,опытных полей в экспериментах по изучении свойств зглх материалов.

Не менее интереснее воидалЗ'^ста открипает йог;ольяование сильных штульсных магнитных полэй (с шдукцяей порядка ю Тл а шее) для создания весьма кратковременная (ударных) нагрузок с целью изучения процессов хрупкого разрушения. ВаязюЗ особенность.": этого метода нагру:::ешш является возкокность создания импульсов давлэшгя со строго регулируемыми амплитудой; и длительностью при заданном закона изменения давления "во времэли, что необходимо для количественной интерпретации экспериментов

Большой интерес к генерации. сверхсилышх импульсных магнитных полей привел к интенсивным разработкам в области высоковольтной импульсной техники и в технике физического эксперимента.

Сильнее ыагшт;ж поля могут приводить к уморенным разрушениям магнитной системы, позвэляодам неоднократно (6 - Ю импульсов) генерировать магнитное полв требуемой амплитуды до ее разрушения.

Сверхсмльние доля характеризуются полным или частичным разрушением системы всяэдешж высокой плотности энергии. Быстрое разрушение материала соленоида при таких нагрузках неизбежно ведет к требованию еысокой скорости ввода энергии в магнитную систему. В 50 - 70 годах било разработано 3 метода получения сверхсильных импульсных магнитных полай (ССИМП): скатив магнитного потока взрывом, быстрый разряд конденсаторной батареи через одновитковый соленоид, электромагнитное сжатие потока.

00ращ8от на себя внимание тот факт, что область достижимых ССИМП, получаемых путем прямого разряда конденсаторной батареи и электромагнитного сжатая потока, ограничена в настоящее время сверху на уровне 400 Гл. Сжатие магнитного потока взрывом с использованием взрывчатых веществ с высокой плотностью энергии (выше Ю -кДж/смЗ) и большим полным энергозапасо^ (до Ю^-тО8 Дж) позволяет воспроизводимо получать магнитный шля с амплитудой 1000 - 1500 Тл, однако сопровождается полным разрувением магнитной системы. С учетом простоты и мобильности оборудования, ' применяемого б методах прямого разряда и, что . особенно вазою, сохранности исследуемого объекта, можно полагать, что интерес к этому способу получения ССИМП будет неуклонно расти.

В последние годи интерес к ССИМП, как к инструменту для изучения фундаментальных свойств материала, привел не только к увеличению числа физических исследований проводимых в этих полях, но и к разработке проектов крупных источников питания магнитных систем с большим объемом магнитного поля.

Цели и задачи работа. Получение сильных и сверхсилышх импульсных магнитных полей яаиется комплексной задачей, включающей в себя создание оиоцкалшзгроюншго источника питания и магнитной систе-ш, при этой параметры и конструктивные особенности ::сточкика и нагрузки должни быть согласованы друг с другом. В данной работе такой комплексной подход реализуется для двух экспериментов, в которых используются иовдшо малоювдуктивныэ емкосгниа накопители •энергия о существею:о рззлпавдимкся характеристика™. Ода из них

- исследование порога хрупкого разрушения при кратковременных нагрузках - является примером, в котором реализуется гэлорагор, у которого главным требованием является малое время нарастания тока и регулируемые параметра импульса. Амплитуда тока и энергия накопления при этом относительно невелики (Ю2 - Ю3 Дк). Тагами характеристиками должны обладать многие генераторы "общего назначения". Другой эксперимент - получение мегагауссного поля в малом объеме.' Здесь требуется соверкеггно другое решение задачи, поскольку наряду с требованием малого времени нарастания должно быть выполнено требование получения достаточно большого тока (порядка Ю6 А) при ограниченной энергии (порядка Ю4 Ди).

Таким образом, перЕой целью данной работа является разработка к исследование конструктивных элементов источников питания и создание таких источников применительно к экспериментам по. изучению удоргшх воздействий сильных и сверхсильнкх магнитных полей на твердые тела.

Второй целью работы является исследование процесса взаимодействия ССШ1 с проводниками и объяснен;:;? физической картины этого процесса на основе этих исследований в сочетании с числвннтга методами.

Третьей целью работы является создание экспериментальных установок, разработка методик и проведение исследосашШ по изучению процесса хрупкого разрушения при регулируемом импульсном воздействии.

В 80-е года появились новые предложения по сялиении индуктивности ГИТ, путем использования прострянстпеккых кокфпгуращтя длл некоторых ого элементов. Поэтому естествешо возникает задача использовать новые конструктивнее схемы на практике, проверить ах реализуемость для ГИТ малых энергий.

| Важность этой задачи выходит за рамки создания установок да генерации мегагауссного магнитного ноля. Примером июкет быть создз-£ше установок для генерирования интенсивных кратковременных ударных нагрузок с целью изучения процессов хрупкого рззрушет:я твердых тел. Эта проблема весьма актуальна, а .средства ое решения (в части источника питания) близки к той, которые используются в эксперимэитаг. по получению ССИШ. Поэтому целесообразно включить в задачи работн разработку и исследование мощных ударных систем, используодих ГИТ малых энергия, включая постановку экспериментов по изучению влияния длительности импульса на.порог хрупкого разрушения .

1. поведений исследоьажй кокструктаишх ааешнтов генераторов импульсных токов и на кгс основе разработка генератора с прода-ja.no мотай индуктивностью применительно & аксперякентаы по получению мегагаусспого поля в соленоидах малого объема.

г, Зклпориманташше исследования разрушения соленоидов в поле с индукцией 300-400 Тл.

3. Сравнение результатов эксперимента с численными расчетами с целью проверки применимости комбинированной модели гидродкнимичвеко-го течения при взрывном разрушении соленоидов в мегагоуссном поле.

4.- Разработка системы коммутации и конструкции малоиндуктивного генератора малой энергии применительно к эксперименту по исследованию порога хрупкого разрушения твердых тел, разработка методики эксперимента к исследования влияния формы импульса давления на порог хрупкого разрушения при кратковременном ударном воздействии.

Научная новизна состоит в следующем.

1. Для ГИТ 'галых энергий обосновано и реализовано на практике применение пространственной ошиновки для снижения собственной индуктивности, при этом задачи уменьшения индуктивности генератора и повншения. плотности компановки могут быть разделены.

Я..Проведена экспериментальные исследования по получению магнитных полей с амплитудой до 350 Тл, показавшие возможность исполь-зопанин для описания начальной стадии процессов разрушения соленоида МГД-модели с учетом реального уравнения состояния.

З.Д-зко объяснения поведения геометрического фактора соленоида и задержки изменения его внутреннего радиуса в. нолях 300-350 Тл.

Л. Показана возможность использования генераторов импульсных токоз для создания кратковременных ударных механических нагрузок программируемой длительности и амплитуды применительно к изучению разрушения пороговыми нагрузкам!. Подтверждена правомерность использования етруктуркс-гременного критерия разрушения для определения критических напряжений в ?,жкро секундном интервале длительностей импульса нагрузки. Определено структурное время разрушения оргстекла.

Практическая ценность работы. •

I.'Разработан я согдан ;аинретор импульсных токов с запасаемой энергией 38 кДж с еоСспмяой идпук'шжютыз 12 иРн, позволяйся в

индуктивной нагрузке 3 нГн сформировать шпульс тока с амплитудой до 2.25 МЛ с временем нарастания около I мхе.

2. Разработан метод определения индуктиглостой элементов ГИТ на уровне Ю-9 Гн с учетом реального токораенределэния.

3. Разработана методика определения порога Хрупкого разруиения материалов и создан прототип испытательной установки.

На защиту вииосятсп следующие основные положения.

1. Применение объемных иин позволяет обеспечить малую индуктивность в генераторах малых анергий с предельно плотной компоновкой конденсаторной батареи.

2.Подтверждается возможность получения в миниатюрных соленоидах полой с индукцией свым 300 Тл при использовании емкостного накопителя малых рнергий с малым Бременем яарастышя тока.

3. Дана интерпретация наблюдавшейся в экспериментах зздержке начала роста внутреннего радиуса соленоида, по отношения к расчи-.танному по модели идеально проводящей кздкости, при рлзк^ри^еском взрыве последнего п мегагаусснои поле.

4. Процессы .ЧГД-теченпя при расширении одновигкових соленоидов малого объема могут быть описаны с удовлетворительней точностью в. рамках модели, использующей уравнения гидродинамики и общепринятое уравнение состояния без привлечения искусственных реологических моделей.

5. Использование сильных импульсных токов для создания ударных механических нагрузок позволяет осуществить испытания материалов при коротких импульсах с варьируемыми параметрам: импульса.

Апробация рзботи и публикации. Основные результаты работы опубликованы в 23 печатных работах (п том числа 3 авторскш: свидетельства на изобретения) и были.представлонн на 4 мехдунерод-1шх конференциях.

Структура и объем работы.Работа состоит из введения, вдти глав, заключения, списка литературы (123. названия). Общий объем работы 1Я0 е., рисунков- 52,'таблиц -2.

Краткое содержание работы.

Во введении показана актуальность работы, сформулирозаны цели работы и дана их общая характеристика.

В период глава проведен анализ физических процессов, солровоа-деадах получение СС1Ш, и рассмотрены математические модели, используемые авторами различных работ для объяснения экспериментальных результатов. Проведен обзор-э»-<спериметов по получению сверхсильных импульсных магнитных полей. Отмечена общая тенденция роста амплитуда достижимых полей с ростом мощности, подво.цимой к соленоиду, коррелирующая с М?Д-модбдь!о течения. Многопараметрическое разнообразие, характерное для экспериментов*по получение ССИМП, затрудняет использование простых моделей для адекватного описания процессов течения соленоида в таких полях. Сформулированы задачи работы.

Во второй главе проведен анализ требований к источнику тока.применительно к получению магнитных полей мегагаусспого диапазона. Показано, что для получения полей с индукцией 300-350 Тл в соленоидах с большим значением начального геометрического фактора необходимо иметь генератор импульсных токов с запасаемой энергией порядка Ю4 Ди с предельно малой собственной индуктивностью, обеспечивающий в соленоиде формирование импульса тока с амплитудой А л временем нарастания о. Малая индуктивность генератора обеспечивается

использованием мадоиндуктивных элементов, входящих в состав ГИТ. В качестве накопительных элементов использовано 8 импульсных конденсаторов типа КЩ-йО-4, обеспечивающих при напряжении 50 кВ уровень запасенной энергии порядка 40 кДж. Требование предельно малой индуктивности ГОТ г£ри его относительно небольших габаритах и предельно плотной установке конденсаторов делает целесообразным использование объемных шин в качестве токоведуцих элементов. Для этих условий рассмотрено несколько вариантов объемных шин, позволяющих существенно снизить индуктивность токоведущого тракта по сравнении) с традиционным расположением конденсаторов по краям плоской шины.

Для обоснования расчета индуктивности пространственных ошиновок произведена оценка влиянии изменений токораспроделения в местах сгиба на величину индуктивности. Показано, что определение индуктивности пространственных 'ошиновок с погрешностью не превышающей отношения 1г/ь, где ь,ь-зз&ор между винами и их ширина, мо.*ет быть выполнено путем расчета индуктивности их плоских разверток.

Окрнчатольный вариант компоновки генератора импульсных токов, cocTcrais.ro иа 4 модулей, показан на рис Л. В качестве коммутаторов использован» обдадашде лучших с течки зрения минимальной ивдух •

Ряс.1. ббщкй вид генервторк I - еоадзнитср 1 - объ-

ект* оишиовка, I ы 4 - нтеогольтиьй к еъкогаюлячка »тс^троды разряд Г. и«!, 1 - коллектор, в - иагруж», 7 я « - «лгогтео/апил н нг»-кссольтная шикы; изоляция не яохв^не^

тквности и управляемости твердотельные разрядники с управлением перонапряяэниэм. Импульс подагра подавался с двойной формирующей плоской линии с полиэтиленовой изоляцией. Волновоэ сопротивленио линии I Ом. На подхигащих электродах разрядников .формируется импульс напряжения амплитудой до 70 кВ с фронтом >3*10 В/с, обеспечивающий многоканальный рэгим пробел изолчцйя разрядаикоз. Пря работе на нагрузку 3 нГЯ генератор обеспечивал пмпульс тока о амплитудой до 2.25 МЛ и временем нарастания шньаэ I мкс.

. Для измерения индунтивностей элементов ГИТ бил разработан метод, позволяющий .производить измерение этого парамэтра с учетом' реального гокораспредаления в измеряемом элементе. При этом численные значения индуктивности имели порядок едпкц нГгг. Суть мэтодэ заключается во введении в цепь разряда дополглтельксго блока, состоящего из плоских шин и разрядного узла. Конфигурация ниш блока отвечает требованию обеспечения реального токорвепредэления в измеряемом элементе. Разрядный узел .выполнен в виде твердотельного разрядника с флеейровашшми зазором ^ и местом формирования канала разряда. Индуктивность блока ь^ зависит только от расстояния мезду шинами ж где а-козф!ицй9нт пропорциональности, зависящий от

геометрии блока. Проведение опытов при различном . расстоянии, между шинами (Ь»^) и экстраполяция полученной зависимости х(1г) в область ь -О позволяет определить искомую индуктивность. При этом

мс»ет быть исключена погрешность, обусловленная конечным значением глубины" проникновения поля в материал шиш. Значения собственной индуктивности ГИТ, определенные этим методом и из опыта короткого замшсанля, составляют соответственно 12 и 11.3 нГн.

В третьей глава описаны методики изготовления и калибровки соленоидов и индукционных датчиков, методика калибровки измерительного тракта. Реализованные методики позволяют проводить измерения электрически сигналов, пропорциональных току и индукции магнитного ноля б центре соленоида с погрешностью не более 3#. Для визуализации процесса ьзрыва соленоида разработана методика импульсной рентгеновской фотографии, позволяющая получить фотографию соленоида в заданный момент времени. Эффективная «есткость излуче гам 60 кэВ, длительность импульса ~ 10~® с. Погрешность в определении размеров соленоида не превышает 2%.

В четвертой главе описаны эксперименты но получению импульсных магнитных полей на уровна ЗОО-ЗЬС Тл,. проводимые с использованием описанных выше генератора импульсных токов и методик измерения. Проведен анализ результатов с использованием моделей диффузии поля в неподвижней проводник, МРД-тбченяя идеально проводящего соленоида и МГД-течония соленоида с реальной проводимостью.

Эксперименты проводились с использованием одноаитковых медных соленоидов с внутренним диаметром 2 мм, толщиной стенки около 2 мм и длиной 1 от 1.5 до 3.5 мм. Основные экспериментальные результата приведены на рис. 2. Обобщенная зависимость вт(.г), построешая для тока с амплитудой I МА, имеет максимум в районе 2 мм. Спад в области малых длин объясняется интенсивными взрывными процессами. Анализ рентгеновских фотографий показывает, что почти до момента максимума тока отсутствует заметная деформация соленоида, внутренняя граница остается гладкой. Позже кн ней образуется складки, а затем возникают неоднородности почернения в радиальном и азимутальном направлении, сввдетнльсггуэдие о расслоении сред;, и образовании радиальных струй. Развитие кеустойчивостэй в определенной мэре сходно с аналогичным процессом при электрическом взрыве тонких проволок. Характерно, что,азимутальная мода неустойчивости стабильна на всех снимка?: число саэдок и струй равно 8-10, хотя снимки получены для разил образцов и в разные момеш-ц врошни.

1С0 50

0 20 25 ^ 3.0 ( иу

Рйо. 2. Основные гзссперяыеатальзые рюультвты со пояучгзяк» ССИМП а ииаяатюраых оояеяоядая о внутренний дизыегрои 2 ми а обобщенная зависимость Вт(/)даа тока МА,/-дявва оолевоада.

0 0,5 1,0 15

икс

Ркс. 1. Иэмеиеине Еиутртапего радеуса сспеновда з аолс с индужцагЗ ~ 320 Тя:

1 -зхспгрчнситадъвис давние;

2 - расчет по МГД-аодели о идсальяоЗ проасдяксстыэ.

Обобщенная зависимость изменения внутреннего радиуса соленоида от времони в полях 300-350 Тл демонстрирует, как и в оксгоркмантах' других авторов, задержку начала движения по отношении к расчету по гидродинамической модели с идеальной проводимостью, рис.3.

Процессы точения материала соленоида в мегагауссных магнитных полях могут Сыть описаны уравнениями гидродинамики, решаемыми совместно с равнениями состояния и уравнениями Максвелла, при этом н!обходамо учитывать зависимость . сопротивления от температуры и плотности. Алгоритм численного решения такой системы уравнений двухмерной постановке был реализован В.В.Титковым с использовэ*' трехчленного уравнения состояния Ки-Гршайзэна и простейшей Брзшт, опасиващей зависимость проводимости от тешорат"" ности.

200

,—^

/ \

/

/ J

у [" ^ и

/ ч ч|о

/

/

МА 1.0*

0.2

0.4

а*./ 'ъ

во ¿0,

Га "и

0.

Т/МА 300

200 100

и*

0.9

МКС

Рис.4, Зависимости тока I я иидуВДЕН Е,, геометрического фактора внутреннего радиуса г, для соленоида 19*1.8ик'ии: О- эксперниевтфаечм по:1-МГД-модада пли конечной проводимости; 2 - модели днффузнн в неподвижный проводник; 3-МГД-иодспл при идеальной проводимости; 4- МГД-модиш при конечной проЕОдаыости с" ашстючеивыыа" злех-гроиагнитныын салаив..

На рис.4 приведены осциллограммы тока I и индукции в центре соленоида в^цля соленоида длиной 2.2 мм и расчетные зависимости индукции, геометрического фактора и внутреннего радиуса соленоида, построенные с использованием модели диффузии поля, в неподвижный проводник (В2,^), МГД-модели с идельной проводимости (в3,г3,е3) и полной МГД-модели (в1 .г^ ), учитывающей реальные проводимость и уравнения состояния. Там ш показано значение внутреннего радиуса соленоида, определенное по рентгеновской фотографии. Наиболее полное соответствий расчетных и экспериментальных данных наблюдается при использовании полной модели, Спад геометрического фактора ^ объясняет недополучение поля по сравнению с расчетным.

Поскольку рост радиуса начинается вблизи максимума тока, допустимо предположение, что распределение плотности тока по сечению соленоида мало отличается от того, которое соответствует неподвижной среде, иначе: полная модель, например, .

При этом за- ■

В действительности дело обстоит дает другое распределение плотности тока по радиусу метна деформация витка, имеет место осевое течение, сопровождающееся появлением зон пониженной плотности вблизи вблизи углов, а позже и в центральной части соленоида. Эти факторы вмэсте с влиянием

составляющей [7,в] в напряженности электрического поля и делают картину токорвепределения в реальных условиях отличной от той, что дает модель диффузии поля в неподвижную среду. Вследствии электрического взрыва и потери проводимости вблизи углов ток быстрее поки-

дает периферию соленоида, при этом имеет место более интенсивный ро;аш нагрева средней части сечения, чем это _ следует из модели диффузии поля в■неподвижную катушку, приводящий к более быстрому смещению пика плотности тока в радиальном направлении по. сечению витка. Так, к моменту времени I мкс модель диффузии в неподвижную среду дсзт смещение области максимальной плотности тока в центральном сечении соленода на расстояние 0.35 мм от внутренней границы, в то время как полная модель приводит к смещению этой области на 0.7 мм.

Модель идеальнопроводящей среда дает существенно более быстрый рост радиуса соленоида, чем наблюдается в опытах и следует из полной модели. Однако, несмотря не это, кривая близка к экспериментальной вследствие того, что ток в этой модели сосредоточен на границе соленоида. Изменеште формы и размеров соленоида в этой модели дает эффект, близкий к тому, который имеет место в реальных условиях вследствие роста эффективного' радиуса в результате диффузии поля б проводящую среду.

Анализ пространственных распределений плотности тока, давления-, температуры и плотности среды позволяет, описать физическую картину взрыва соленоида в шлях 300-350 Тл. Высокая плотность тока обуславливает интенсивный нагрев проводника. Поэтому ток, сосредоточенный в ранние моменты вблизи поверхности, перемещается в более глубокие слои вследствие потери электропроводности поверхностного слоя. Этот процесс продолжается в течение всего времени нарастания тока. На пространственное распределение тока существенно влияет двухмерный характер диффузии и более быстрое проникновение шля вбллзч углов. Для распределения электромагнитных сил в плоскости г-0 характерен резкий максимум, местоположение которого смещается вместе с волной тока. Вблизи углов плотность среды резко снижается, а температура растет. К моменту времени 1.2 мкс температура в огой ооласти достигает 12000 К. В центральной части радиальный размер зош, где плотность ниже 80?, начальной к 1.2 мкс составляет 0.5 мм. Таким образом, имеет место "распухание" среды, несмотря на то, что она подвержена интенсивному магнитному давлению. Этот эффект является основной причиной наблюдаемой н эксперименте задержки движим внутренней границы соленоида. Гидродинамическая трактовка этого эффекта состоит в тем, что на некото-

ром расстоянии от границы формируется пик давления, а в области меазду этим пиком и границей, где давление равно 0, создается перепад давления, существенно снижающий действие амперовой силы. При этом, движение элементов среда, Слизких к границе, замедляется. Определяющую роль в формировании пика давления играет нагрев материала, что иллюстрируется численным экспериментом с выключенными электромагнитными силами. Расширение поверхностного слоя приводит при этом к уменьшению внутреннего радиуса со скоростью порядка 400 м/с ( кривая г4 рис.4). Особенностью взрыва коротких витков является сильно выраженное осевое течение, приводящее к изменению формы соленоида. Смещение среды в зоне скин-слоя приводит к ослаблению связи этого слоя с остальной частью среда. Это проявляется в образовании зоны пониженного давления, которая'начинается у угла на поверхности соленоида и доходит до плоскости 2=0. В результате происходит разделение пика давления на две части.

■ Из рентгенограмм видно существенной влияние на характер течения изоляционной цели соленоида. В используемой модели не учитывается это влияние, однако она позволяет построить логически завершенную картину течения материала соленоида в начальной стадии разрушения, когда процессы электрического взрыва и МГД-неустойчивости не успевают развиться .

В пятой главе изложены результаты исследования порога хрупкого разрушения оргстекла при кратковременных (микросекундный диапазон) ударных нагрузках. Определение предельных динамических нагрузок представляет интерес и с практической точки зрения, и для разработки моделей разрушения материалов.

В качестве источника нагрузки использовались токоведущие шины, установленные в пазу образца из оргстекла. Реализованная схема нагружения позволяла использовать для анализа результатов плоское напряженное состояние. Размеры образца 200«200*10 мм определились из условия отсутствия влияния границ, образца на напряженное состояние в окрестностях вершины трещины. Токоведущие . шины устанавливались в разрезе образца длиной 100 мм и шириной 3 т.. Индуктивность шин -порядка 50 нГн, заданные по условиям эксперимента время нарастания импульса "Ю-5 с и его амплитуда 109-10*° Па определяют требования к источнику тока. Требуемый- диапазон

параметров бнд достигнут , путем использования двух, генераторов имлульсш« токов: о максимальной частотой 125 кГц и 250 1сГц, псзволягадекз генерировать ккпульсы давленая на берегах паса 1000 Ша н 250-400 ¡Я1а. Формирование, униполярного импульса тока обеспечизалось установкой в г*епь разряда нелинейного сопротизлэния (три пари параллельно вклвчешшх еилптовых дисков диаметром 730 ММ).

Коммутация генераторов осуществлялась специально разработашем шюгоканальшш разовым коммутатором под давлением. Индуктивность коммутаторов 8 пГн. При напряженности в рабочем промежутке 3 ~20 КВ/см задеркка срабатывания разрядника не превышает 0.1 икс' и уменьшается при увеличении Е. Пропускная способность по току до 600 кА. При широком диапазоне управляемой работы, низкой собственной индуктивности и больной пропускной способности разработанный разрядник близок к рельсовта разрядникам, Однако для его управления требуется более простая схема поджига,конструктивное решение

подвигающего электрода обеспечивает формирование заданного числа каналов.

Основные экспериментальные результаты по изучению роста трещин при динамическом нагруаении приведены на рис,5. Определение порогового значения разрушающего давления проводилось акстраполящгей зависимости длины трещины 1 от амплитуда импульса Р в область 1 - 0.

Полученные экспериментальные результаты были проанализированы с использованием структурно-временного критерия, предложенного Морозовым Н.Ф. и Петровым Ю.В.:

Рис. 5. Зависимости дднва развившейся трещзны от амплитуды импульса ¡хагружения а оргстекпяпкых образцам толщиной 10 мы. Првеедеаы форма я время карастания до цакгамуиа заяульса нагружен ня.

1 <1 1 г 1

— — | а (г.в.Ь') аг <1Г < а0 , где

й, т - структурные размер и время разрушения, о0 - статическая прочность материала, о(г,ОД') - растягивающее напрякение у вериины трещины, г,9 - полярные .координаты в вершине трещины.

Для плоского напряженного состояния структурный размер определяется а. = 2 к^с/(тот£), где' К1о, ас~ критический коэффициент интенсивности и статическая прочность материала.

Проведанный анализ позволил определить структурное время для используемого в экспериментах оргстекла т - 32 мкс, показал возможность использования для анализа процессов разрушения структурно-временного критерия, а также применимость генераторов импульсных токов для создания ударных механических нагрузок для

тестирования свойств материалов.

заключение ' ' •

В диссертации"проведены исследования, связанные о разработкой установок для создания мощных электродинамических и тепловых воздействий с помощью импульсных магнитных полей, а- также выполнены экспериментальные исследования, в которых эти воздействия реализуются при взрыве соленоидов в магагауссном магнитном пола и в процессе образования трещин при хрупком разрушении.

Основные результаты работы можно сформулировать следующим образом.

1. Проведены исследования.подтвердившие используемые методы расчета индуктивности пространственных ошиновок накопителей энергии. Показана возможность использования пространственных ошиновок как средство уменьшения индуктивности генераторов с плотной компоновкой конденсаторов. На основе этих исследований разработан и сослан генератор импульсных токов с запасаемой энергией 38 кДк (при зарядном напряжении до 50 кВ), собственной индуктивностью 12 нГн, что позволяет при работе на индуктивную нагрузку 3 нГн обеспечить амплитуду тока 2.25*Ю6 А со скоростью нарастания А/с.

2. Разработан и экспериментально проверен метод измерения

малой (порядка 10 Гн) индуктивности элементов генератора. Предложенный метод позволяет учесть,реальное токораспределение в в измеряемых элементах."

3. Разработаны методики изготовления и калибровки индукционных датчиков и соленоидов, позволяющие с погрешностью не более 3% осу-

щоствлять измерение начальных параметров датчиков и соленоидов, а такие методика шпульсиой рентгеновской фотографии соленоида с длительностью экспозиции не более 10 нсек, при эффективной жесткости излучения 60 к&В, обеспечивающая точность измерения "радиуса соленоида нз уровне 2%.

4. Проведены экспериментальные .исследования разрушения ми-1шатюр!шх соленоидов (внутренний диаметр - 2 мм, толщина стеш<и ~ 2 мм, длина 1.5-3.2 юл) в полях с амплитудой индукции до 360 Тл, что близко к рекордным значениям, получаемым в лабораторных условиях. Виявленц наиболее важные зависимости, характеризующие процесс разрушения: ход .геометрического фактора и зависимость от времени внутреннего радиуса.

■5. Показано, что разрушение мишгатярных соленоидов в мегагаус-сном поле при времени нарастания тока около I мкс в начальной стадии процесса достаточно точно может быть описано моделью двухмерного МГД- течения с общепринятыми уравнениями состояния, учитывающими, как движение среды, так и 'нелинейную, диффузию поля. Установлено, что для интерпретации наблюдаемых результатов нет необходимости пользоваться усложненными реологическими схемами.

6. Подтверждено, что в поле с.индукцией выше 300 Тл имеет место задержка начала роста внутреннего радиуса по сравнению с теченизм в идеально проводящем соленоиде. Показано, что задержка является следствием Езрыва скин-слоя в результате теплового расширения среда, имеющего характер встречного течения под действием перепада газодинамического давления, пик которого находится в глубина скин-слоя. . .-

7. Показана возможность создания и подтверждены преимущества испытательных установок с регулируемой омиплитудой и фермой импульса давления.с характерной длительность около Ю-с> с.

8. Разработана методика и проведены эксперименты по изучению порога хрупкого разрушения оргстекла, год действием кратковременных ударных нагрузок, создаваемых с помощью сильного импульсного магнитного поля. В результате экспериментов найдены характерные параметры, ошгеивакщие характеристики среды в рамкйх существующих моделей хрупкого разрушения.

Основное содержагае диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Бочаров Ю.К., Кривошеев СЛ., Кручиннн А.И., Чечель А.Н., Шнесрсон ГА., Шутов BJI. Получение мсгагаусных магшглгых полей и оценка возможности их использования для удержания плотной плазмы з линейном © -пинче. //Доклады 2 Всесоюзной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов. Л., 1981.

2. Бочаров 10.Ы., Кривошеев С.И., Кручиннн А.И., Чечель А.Н., Шнесрсон ГА. Получение мегагауссного магнитного поля в соленоидах малого об"сма.// Сб. Мсгзгауссная физика и технология. 1980. Тр. 2 международной конференции по мегагауссным магнитным полям.-на англ. языке.

3. Бочаров Ю.Н., Кривошеев СЛ., Шнесрсон ГА. Задержка начала разрушения одновиткового соленоида. U "Письма в ЖТФ",т. S, в. 4, февраль I9S2.

4. Бочаров Ю.Н.. Кривошеев СЛ., Чураев ВА. Твердотельный разрядник. // Авт.св-во №1212265, 1984.

5. Бочаров Ю.И., Кривошеев С.И., Кручинин 'АЛ!., Титков В.В., Шнесрсон Г.А. Получение сверхсппъных шпульсиш'магнитных полей в одновятхо-вых тонкостенных соленоидах. //Сверхсильыые магнитные поля. Физика. Техника. Применение. Москва,"Наука",1984, с.77-33.

6. Бочаров Ю.Н. , Кривошеев С.И., Кручиннн А.И., Чураев В.А. Многошгг-ковый соленоид для создания сильных импульсных магнитных полей. //Авт.св-во № 1349578, 1985.

7. Бочаров Ю.Н., Кривошеев С.И., Шнеерсон ГА. Малаиндуктивный фольговый коммутатор в цепи разряда кондгнеагорной батареи с высокой Скоростью нарастания тока.// Тезисы докладов совместного заседания научных советов АН СССР "Научные основы электрофизики и злектраэнергетиг.:!" и "Проблемы мощной импульсной энергетики". Томск, 1986.

8. Бочзров Ю.Н., Кривошеев СЛ., Кручиннн А.И. Малоиндуктивный коммутатор на скользящем разряде.// Тезисы докладов совместного заседания научных советов АН СССР "Научные основы электрофизики н электроэнергетики" и "Проблемы мощной импульсной энергетики". Томск, 1986.

9. Бочаров Ю.Н., Кривошеев С.И., Кручиннн А.И.. Лапин Н.Г., Ттков Б.В., Шнесрсон ГА. Numerical and experimental studies of distruction of coiis in high-speed megagauss magnetic field.// Megagauss tcchnoloy and Puke power applications, New-York, 1987, 4 Int. conf.on Megagauss magnetic field generation, Plenum Press, pp . 65-77.

10.Бочаров Ю.Н., Кривошеев С.И., Кручиннн А,И. н др. Емкостной накопитель с об"емнон ошиновкой и коммутаторами на скользящем разряде.// Высоковольтное-электрооборудование, энергетическое и электрофизическое оборудование и линии электропередач. Межвузовский сборник. Л., [987.

1 ¡.Бочаров Ю.Н., Кривошеев С.И., Лапин Н.Г., Тнчков В.В., Шнесрсон ГА. Исследование отрывного разрушения соленоидов малого объема в мегага-уссном магнитном поле .// Тезисы докладов 5 международной конференции по генерации мегагаусных магнитных полей и родственным экспериментам. Новосибирск, 1989.

к'.

ЩБочаро» ЮЛ, Kgmaossrca СЛ. ФашсшЗ сбоарятггь юа в цепи раз-рщ шэотфхгавоЗ коцтпорвоб &а$еаЛ Лч Трупы ЛПИ,1939, Кг 431 » с.107-110.

l3J(p)moiats СЛ, Латан HI, йбпга ЕА. Икаудпмй выешсмятныЯ трансформатор// Авгхвчю ¿6 I56S0S9,1939.

l4i<ni(K» X)JL, Грунряа OJO, {^мияет СЛ. я ср. Прсастныс возможности погостных шпяшкасЗ 'мщя кя с ючвш ареш воедгчеята мсгага-уссного «шчапиого ш» в ¡шрудшзиа адашппзш есанощи// Тезисы ДИМГТЦУЭД! Ш Висавяо! мм^щивди "Ишркяис иеппинхи эдяргдаГ, Ленинград. »989, Моапва. ЦНИИАТОМИНФОРМ, J 989.

IJicwpcB ЮЛ, КршюшогСЛ, Чурата ЕА. Твф«тши1 шмпяа-нзптыД pxs~z3ts!xJ¡ Аапгхаыю M121ВД1ЯВ.

16JKp«30iBtr8 СЛ, Лхязея Hi*. У^яшоа^ Авт. св-во

№1552967, J 939.

17J5cmpoa ЮЛ, Щяшявва СЛ, Лшя IIJT_» Шигдюм ГА. Маоовндуг-тиышЯ гакраггср водвасаа тпяка с обшвв9 сиадиажойЛ ШЭ.1993. 162, е. 92-9?.

(КАяшш ЮЭ, Берега АЛ, бюезвш^ ВМ, Крхвооает СЛ. н яр. Стенд да» сощша еизишх ввдзкшх мапшпеих доэей/ЯПЭ, 1991. №5, с.134-139.

19-Ада»олн ЮЭ, Bsssmaaé ВМ, Кривеете» СЛ, Щука BJI. Малшвд-

- дустйиыД «яаостшгкаггыгаД шакЗ есекмуотср тага /ЯПЭ, 1995, №2, с.122-125;

ЗОДктров ЮЛ, Ксезпггая СЛ, Кремижз СЛ, Лапка НХ, Tamm BJ. Шп^хш ГА. Study cf EipSoswe Dstnscíksi cTSbbS Vohast Cbtb in Ultrahigh Magsue Fitfeh. ,<Mcg*gib» fieSdbt atad pubrd perrrer fjmeaiNovi Science Pub&her, New York. 1990, pJ3-43-

21 .Бочаров ЮЛ, Доен ДЛ, Каясрсхая ГЛ., Крвямзкдан» СЛ. н др. Dynamics cf soknoid expantkin га a etegijgauss magnetic ficSdV Mtgsgaim magnetic Add pmation and pubed poner ippöcaitop. Non Setenes Publisher Inc. New Yodc. 1994, p.4l-SI.

77Лпяыуш ЮЗ, Береэхия АЛ, ВаасязеасзхЗ ELM, Кршжха СЛ. н др. Magnetic жу&вт for fc^jh tesspeniuxe 1црсшпЬс№ яяз№Ь in ж magnetic fickL// Mcgagaua aaagrattc fvdd вижт»<яи1 and pufeyd powrr appikattioa. Nova Science Pub&sher Inc. New Yode. «594. pJS-35.

ilS7.it. iHai Т»чи» f30. 3milkJ»f

Омя»» ь И шкастк «лва |У ИЯ251.Сакг-№*йК НсяиямонГ».af i*

ït