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

РГ6 од

Им правах рукопмсн

- 8 ОКТ 1996

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 - Электрофизика

". ' - ■ • ! Автореферат диссертации

; на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург, 1996

Работа выполнена на кафедре "Инженерная электрофизика и тех' ника высоких напряжений" Сансг-Петербургсгого государственного технического университета.

Ведущая организация - институт инновационных и термоядерных

исследований, г. Троицк Московской обл.;

Официальны* оппоаенты;

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

.еД^л^^л 1Q9Q р. в

Защита состоится г. в

на заседании диссертационного совета N9 К063.38.21 при Санкт-Петербургском государственном техническом университете (»95251, С.-Петербург, Политехническая, 29).

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

Автореферат разослан * *___1996 г.

Ученый секретарь .

диссертационного coacta Мг K0S3.38.21. кандидат

технических наук Кулахов С.Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Большой интерес к магнитным нолям, как к инструменту, попролякщв-му изучать свойства материалов и изменения их внутренней структуры и связей, проявляется специалистам! по физккз високпх плотностей энергии, физике твердого тела и ускорителям йаряжепчнх частиц. Толчок развитию физике и тешке получения сильных млпульсгшх магнитная полей доли работы по проблеме управляемого термоядерного синтеза. Сильные импульсные магнитные поля привели и к появлению новых технологических процессов. К ним относятся магнчтоимтульсгая обработка металлов давлением, маиитоишульспая сварка и .др.

В ЗаЬИСПЫОСТИ от омплитудо ИНДУКЦИЯ нйгш1т1ш0 поля -условно делятся па относительно слабко - до Ю Тл, сильная(СИМП)- до 100 Тл, сьзрхсильше (ССИМТ) - более ЮО Тл.

Прсводктыз в послэдаиэ года исслодевэнал указываю? гее Еозмогзюсть использования сильчкх ишульстгих гагкиппюс поло« в биологии, медицине.

Высокое даелешо, температура, плотность тока, сопрозскдаккю получение сверхсклышх импульсных магниких полей, характерным дзя которых является высокая плотность энергии (например, амплитуде индукции магнитного поля ЮО Тл соответствует пленюсть энергии магнитного поля 4 кДг</см^), позволяет провэдго. работу по пзуче/пв сво1гств металлов, при давлэнттох, достигающих ^«габара к виню и при плотности энергии превмащой энергию сублимации. Создание материалов, обладавших шсохсогзгаературной еворизроводаостш, показало необходимость использования езерхеилышх импульсных ногшшшх полой в экспериментах по изучению свойств этих материалов.

Но менее интересные возможности открывает использования сильный импульсных магнитных шлей (с индукцией порядка 10 Тл и вда») для создания весьма кратковременных (ударных) нагрузок с целью изучения процессов хрупкого разрушения. Важной особенностью этого метода нагружения является возможность создания импульсов дэшюнпи со строго регулируемыми амплитудой; и длительностью при задашом законе изменения давления' во времени, что необходимо для количественной интерпретации экспериментов

Большой интерес к генерации сверхсильных импульеннх магнитных полей привел к интенсивным разработкам в области высоковольтной импульсной техяию! и в технике физического эксперимента.

Сильные магнитшв поля могут приводить к умеренным разрушениям Магниткой системы, позволяющим нооднократно_ (6 - Ю импульсов) генерировать магнитное попе требуемой амплитуды до ее разрушения.

Сверхсильные поля характеризуются полным или частичным разрушение« системы вслбдствии высокой плотности энергии. Бистрае разрушение материала соленоида при таких нагрузках неизбежно ведет к требованию шсокой скорости ввода энергии в магнитную систему. В 50 - 70 годах было разработано 3 метода получения сверхсильных импульсных магнитных полей (ССИМП): статна магнитного потока взрывом, быстрый разряд конденсаторной батареи через одновитковий соленоид, электромагнитное сжатие потока.

Обращает на себя внимание тот факт, что область достижимых ССИМП, получаемых путем прямого разряда конденсаторной батареи и электромагнитного сжатия потока, ограничена в настоящее время сверху на уровне 400 1'л. Скатке магнитного потока взрывом с использованием взрывчатых веществ с высокой плотностью энергии (выше Ю -кДж/смЗ) и большим полным энергозапасом (до Ю7-Ю® Дж) позволяет воспроизводимо получать магнитные поля с амплитудой 1000 - 1500 Тл, однако сопровождается полным.разруавниам магнитной системы. С учетом простоты и мобильности оборудования, применяемого в методах прямого разряда и, что . особенно важно, сохранности исследуемого объекта, можно полагать, что интерес к этому способу получения ССИМП будет ьеуклонно расти.

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

Цели и задачи работы. Получение сильных и сверхсильных импульсных магнитных полей валяется комплексной задачей, включающей в себя создание специализированного источника питания и магнитной системы, при этом параметры и конструктивные особе'ннссти источника и нагрузки должны бить согласованы друг с другом, в данной работе такой комплексна подход реализуется для двух экспериментов, в которых используются мондао мзлоиндуктивние емкостные накопители энергия с существенно расличаидишои характеристиками. Одан из них

- исследование порога хрупкого разрушения при кратковременных нагрузках - является примером, в котором реализуется генератор, у которого гласным требованием является малое время нарастания тока и регулируемые параметры импульса. Амплитуда тска и энергия накопления при этом относительно невелики (102 - Ю3 Дж). Такими характеристикам! должны обладать многие генераторы "общего назначения". Другой эксперимент - получение мегагауссного поля'в малом объеме.' Здесь требуется совершенно другое решение задачи, поскольку наряду с требованием малого времени нарастания долито быть выполнено требование получения достаточно большого тока (порядка Ю6 А) при "ограниченной энергии (порядка 104 Дя).

Таким образом, первой целью данной работы является разработка и исследование конструктивных элементов источников питания и создание таких источников применительно к экспериментам по. изучению ударных воздействий сильных и сверхсильных магнитных полей на твердые тела.

Второй целью работы является исследование процесса взаимодействия ССЮТ с проводниками и объяснение физической картины этого процесса на основе этих исследований в сочетании с численными методами.

Третьей целью работа является создай« экспзриментальпшс установок, разработка методик и проведение исследований по изучению процесса хрупкого разрушения при регулируемом импульсном воздействие

В 80-е годы появились новые предложения по снижению индуктивности ГИТ, путем использования пространственных конфигураций для некоторых его элементов. Поэтому естественно возникает задача использовать новые конструктивные схемы на практике, проверить ах реализуемость для ГИТ малых энергий.

» Важность этой задачи выходит за ршеи создания установок для генерации мегагауссного магнитного поля. Примером гюкет быть создаете установок для генерировать интенсивных кратковременных ударных нагрузок с целью изучения процессов хрупкого разрушения твердых тол. Эта проблема весьма актуальна, а средства еэ решения (в части источника питания) близки к тем, которые ислользуютоя в экспериментах по получению ССИМП. Поэтому целесообразно включить в задачи работы разработку и исследование,мощных ударных систем, использующих ГИГ малых энергий, включая постановку экспериментов щэ изучению влияния длительности шотульса на.порог хрупкого разрушения .

Задачи работы.

1. Проведение исследований конструктивных элементов генераторов тку ль сны токов и на их основе разработка генератора с предельно малой индуктивностью прлмонительно к экспериментам по получению мегагауссного псля в соленоидах малого объема.

2. Эйсперимев'халыше исследования разрушения соленоидов в поле с индукцией 300-400 Тл.

3. Сравнение результатов эксперимента с численными расчетами с целью проверки применимости комбинированной модели гидродинамического течения при взрывном разрушении соленоидов в мегагаусснои поле.

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

Научная новизна состоит в следующем.

1. Для ГИТ кадих энергий обосновано и реализовано на практика применение пространственной ошиновки для снижения собственной индуктивности, при атом задачи уменьшения индуктивности генератора и повышения плотности компановки могут быть разделены.

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

3.Дано объяснение поведения геометрического фактора соленоида и задержки изменения его внутреннего радиуса о полях 300-350 Гл.

4. Показана возможность использования генераторов импульсных токов для создания кратковременных ударных механических нагрузок программируемой длителгности к амплитуды применительно к изучению разрушения пороговыми негрузками. Подтверждена правомерность .использования структурно-греме.нного критерия разрушения для определения критически напряжений в мккросекундном интервале длительностей импульса нагрузки. Определено структурное время разрушения оргстекла.

Практическая ценность работы..-

Г.'Разработан и согден ¡енвратор ммпульшшх токов с запасаемой зноргмйй 38 ¡:Л?. с сооатмной илдуктетаосгью 12 нГн. позволяйся р

индуктивной нагрузке 3 нГн сформировать импульс тока с амплитудой до 2.25 МА с временем нарастания около I тс.

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

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

На защиту выносятся следующие основные полокеиия.

1. Применение объемных шин позволяет сбзспечить малую индуктивность в генераторах малых энзргий с предельно плотной компоновкой кснденсаторноЯ батареи.

2. Подтверждается возможность получения в ыишаткршх соленоидах полей с индукцией свыше 300 Тл при использовании емкостного накопителя малых энергий с калым временем нарастания тока.

3. Дана интерпретация наб.едзшейся я экспериментах задержке начала роста внутреннего радиуса соленоида, ¡га отаоиетаэ к раскатанному по модели идеально проводящей жидкости, при электрическом взрыве последнего в мегагауссаом полз.

4. Процессы МГД-течяния яри расширении одковиткобых соленоидов малого объема могут быть описаны с удовлетворительная точностью и рамках модели, использующей уравнения гидрединамжи п общепринятое уравнение состояния Оез привлечения искусственных реологических моделей.

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

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы опубликованы в 23 печатных . работах (в том числе 3 авторских Свидетельства на изобретения) и были.представлены на 4 меядународ-1шх конференциях.

Структура и объем работа.Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литература (!23. названия). Общий объем работы 180 е., рисунков- 52,'таблиц -2.

Краткое содержание работы.

Во введении показана актуальность работы, ефорлулированы цели работы и дача их общая характеристика.

В первой глава проведен анализ физических процессов, сопровождающих получение ССШП, и рассмотрены математические модели, используемые авторами различных работ для объяснения экспериментальных результатов. Проведен обзор эксшриметов по получению сверхсильных импульсных магнитных полей. Отмечена общая тенденция роста амплитуды достижимых полей с ростом мощности, подводимой к соленоиду, коррелирующая с МГД-моделью течения. Многопараметрическое разнообразие, характерное для экспериментов по получеши ССИШ, затрудняет использование простых моделей для адекватного описания процессов течения соленоида в таких шлях. Сформулированы задачи работы. Во второй главе проведен анализ требований к источнику тока применительно к получению магнитных полей мегагауссиого 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 10^ Дж с предельно малой собственной индуктивностью, обеспечиваний в соленоиде, формирований импульса тока с амплитудой ~1 о6 А л временем нарастания ~ю"° с. Малая индуктивность генератора обеспечивается использованием малсиндуктившх элементов, входя!оих в состав ГИТ. В качестве накопительных элементов использовано 8 импульсных конденсаторов типа КМК-50-4, обеспечивающих при напряжении 50 кВ уровень запасенной энергии порядка 40 кДас. Требование предельно малой индуктивности Ш ггри его относительно небольших габаритах и предельно плотной установке конденсаторов делает целесообразным использование объемных шин в качестве токоведущих элементов. Для этих условий рассмотрено несколько вариантов объемных шин, позволяющих существенно снизить индуктивность токоведущего тракта по сравнении с традиционным расположением конденсаторов по краям плоской шины.

Для обоснования расчета индуктивности пространственных ошиновок произведена оценка влияния изменения токораопроделения в местах сгиба на величину индуктивности. Показано, ч.то определение индуктивности пространственных ошиновок с погрешностью не превышающей отношения ь/ь, где ь.ь-зазор между пинами и их ширина, может быть выполнено путем расчете индуктивности их плоских разверток.

Окончательный вариант компоновки генератора импульсных токов, состоящего ик 4 модулей, покапан на рис Л. В качестве коммутатороз использованы оОладащие лучтши с точки зрения минимальной ивдук-

Ркс.1. &ЩНЙ им ггиергор« / - ¡¡овдеятатор ХМК-ЛК 2 - объемная оыияоэка, } и 4 - и»з»оволляый и аысскогюльтный »лсстродк рмрядяюге, 5 - «млопэц 6 - кггруж«, 7 я в- сшжтти и ки> сооольтнад шжы; изоляция к« показана^

тивности и управляемости твердотельные разрядники с управлением перенапряги ниэм. Импульс подаята подавался с двойной формирупцей плоской линии с полиэтиленовой изоляцвдй. Волновое сопротивление линии I Ом. На подкигапдих электродах разрядников .формируется импульс напряжения .амплитудой до 70 кВ с фронтом >3*10 В/с, обеспечивающий многоканальный рейса! пробоя изоляции разрядников. При работе на нагрузку 3 нГн генератор обеспечивал ямпульс тока о амплитудой до 2.25 НА и временам нарастания шньше I мкс.

Для измерения индуктивностей элементов ГКТ был разработан метод, позволяющий .производить измерение этого параметра о учетом' реального токораспределекия в измеряемом элемента. При этом численные значения индуктивности имели порядок единиц нГн. Суть метода заключается во введении в цепь разряда дополнительного блока, состоящего из плоских шин и разрядного узла. Конфигурация шин блока отвечает требованию обеспечения реального токораспределения в измеряемом элементе. Разрядный узел .выполнен в взде твердотельного разрядника с фиксированными зазором и местом формирования канала разряда. Индуктивность блока зависит только от расстояния между шинами Ь: 1^=011, где а-коаМвдиент пропорциональности, зависящий от геометрии блока. Проведение опытов при различном . расстоянии, медцу шинами (Ь»!^) и экстраполяция полученной зависимости Ь(п) в область п -О позволяет,определить искомую индуктивность. При этом

мскет бить исключена погрешность, обусловленная конечным значением глубины проникновения поля в материал шины. Значения собственной индуктивности ГИТ, определенные этим методом и из опыта короткого зашкания, составляют соответственно 12 и 11.3 нГн.

В третьей глава описаны методики изготовления и калибровки соленоидов к индукционных датчиков, котодика.калибровки измерительного тракта, реализованные методики позволяют проводить измерения электрических сигналов, пропорциональных току и индукции магнитного поля б центре соленоида с погрешностью не более ЗЯ. Для визуализации процесса взрыва соленоида разработана методика импульсной рентгеновской фотографии, позЕолящая получить фотографию соленоида в заданный момент времени. Эффективная жесткость излучения 60 кэВ, длительность кягульса ~ ю-8 с. Погрешность в определении размеров соленоида не. превышает 2%.

В четвертой главе описаны эксперименты по получению импульсных магнитных полей на урознэ 300--3&С Тл, проводимые с использованием описанных выше ган&ратора импульсных токов и методик измерения. Проведен анализ результатов с использованием моделей диффузии поля в неподвижный проводник, МГД-течения идеально проводящего соленоида з МГД-течояия солоноида с реальной проводимостью.

Эксперименты проводились с использованием одновиткоеых модных соленоидов с внутренним диаметром 2 мм, толщиной стенки около 2 мм и длиной х от 1.5 до 3.5 ми. Основные экспериментальные результаты приведены на рис. 2. Обобщенная зависимость Вт(.1), построенная 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 кя ней образуются складки, а затем возникают неоднородности почернения ь радиальном и,азимутальном направлении, свидетельствующие о расслоении среды и образовании радиальных струй. Развитие коустойчивостей в определенной мэре сходно с аналогичным процессом при электрическом взрыве тонких проволок. Характерно, что азимутальная мода неустойчивости стабильна на всех снимке,число складок и струй равно 8-10, хотя снимки получены для разных обрькцов и в разкыа моменты времени.

О 20 И и |Ш

Рпг. 2. Основные эксаериигвтвлыше результаты по пояучеянзо ССИМП з аинеатюрпых оолгяокдая с внутрениин даметроа 2 ии в сбобаедвая зазисн-нссть Зш(/> для гока 1о~1 МА, /- дпняа соленоида.

0 0,5 1.0 15

Рис. 3. Шыеаезяг ввутрсааего радяуса содетоида в голе с вндукциеЗ - 320 Тд:

1 -зксяерныептадьаые давнне;

2 - расчгт по МГД-иодаш с ядеаскаоЭ проводавостью.

Обобщенная зависимость изменения внутреннего радиуса соленоида ст врэмэни в шлях 300-350 7л демонстрирует, как и в экспериментах ' других авторов, задержку начала движения по отношению к расчету по гидродинамической модели с идеальной проводимость», рис.3.

Процессы течения материала соленоида в мегагауссных магнитных полях могут быть опясанн уравнениями гидродинамики, решаемыми совместно с уравнениями состояния и уравнениями Максвелла, при этом необходимо учитывать зависимость сопротивления от температуры и плотности. Алгоритм численного решения такой система уравнзниЗ в двухмерной постановке был реализован В.В.Титловым с использованием трехчленного уравнения состояния Ми-Гркнайзена и простейшей модели Браяиа, описывающей зависимость проводимости от температуры.и плотности.

/ N

/ \

/л -■4s ч

/ гС Г

IA ч чЗо

/

I

MA

0.2

0.4

OB

MKC

<

9а > ¿С,

Га 'г,

0 4

9.

T/MA 300

200 100 0

На рис.4 приведены осциллограммы тока I и индукции в центре соленоида в^цля соленоида длиной 2.2 ш и расчетные зависимости индукции, геометрического фактора и внутреннего радиуса соленоида, построенные с использованием модели диффузии поля в неподвижный проводник (В2,е2), МГД-модели с идельной проводимости

(Вт р.

3" э

■g3)

Рис.4. Завцсииосгп тока I а пвдуккии Б,, геоиетрвческого фактора gi, ввутреангго радиуса г, для соленоида 1.9*1.8 tm'tsir. О- эксперииспт^асчм по:1-МГД-ысделн пчв конечной проводимости; 2 - исдсзш диффузии в неподокжвый проводник; 3-МГД-нодсде при идеальной провода-мости; 4- МГД-ыодедв прн конечной проводимости с" выюдоче&вымн" элсх-тронагнкгньши сшхакн..

и полной МГД-модели (в1), учитывающей реальные проводимость и уравнения состояния. Там же дайазано значение внутреннего радиуса соленоида, определенное по рентгеновской фотографии. Наиболее полное соответствие, 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,

этом за- .

В действительности дело обстоит

дает другое распределение плотности тока по радиусу. При метна деформация витка, имеет место осевое течение, сопровождающееся появлением зон пониженной плотности вблизи вблизи углов, а позке и в центральной части соленоида. Эти факторы вместе с влиянием

составляющей С»,в] в напряженности электрического поля и делают картину токораспределения 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-

.8

дает периферию соленоида, при этом имеет место болов интенсивный релсим нагрева средней части сечения, чем это следует из модели диффузии поля в неподвижную катушку, приводящий к Солее быстрому смещению пика плотности тока в радиальном направлении по сечению витка. Так, к моменту времени I мкс модель диффузии в неподвижную среду дас-т 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 среды дает существенно более быстрый рост радиуса соленоида, чем наблюдается в опытах и следует из полной модели. Однако, несмотря не это, кривая в^и) близка к экспериментальной вследствие того, что ток е этой модели сосредоточен на границе соленоида. Изменешад формы и размеров соленоида в этой модели дает эффект, близкий к тему, который имеет место в реальных условиях вследствие роста эффективного радиуса в результате диффузии поля б проводящую среду.

Анализ прострацетвеншх распределений плотности тока, давления, температуры и, плотности среда позволяет описать физическую картину взрыва соленоида в полях 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 болео быстрое проникновение шля вблизи углов. Для распределения электромагнитных сил в плоскости 2-0 характерен резкий максимум, местоположение которого смещается вместе с волной тока. Вблизи углов плотность среда резко снижается, а температура растет. К моменту времени 1.2 мкс температура в этой ооласти достигает 12000 К. В - центральной части радиальный размер зоны, где плотность ниже 80% начальной к 1.2 мкс составляет О.Б мм. Таким образом, имеет место "распухание" среды, несмотря на то, что она подвержена интенсивному магнитному давлению. Этот эффэкт является основной причиной наблюдаемой и эксперименте задержки движения внутренней границы соленоида. Гидродинамическая трактовка этого эффекта состоит в тем, что на некото-

ром расстоянии от границы формируется пик давления, а в области между этим пиком и границей, где давление равно 0, создается перепад давления, существенно снижающий действие амлеровой силы. При этом,' движение элементов среды, близких 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 среда в зоне скин-слоя приводит к ослаблению связи этого слоя с остальной частью среды. Это проявляется в образовании зоны пониженного давления, которая' начинается у угла на поверхности соленоида и доходит до плоскости г---О. В результате происходит разделение пика давления на две части.

• Из рентгенограмм видно существенное влияние на характер течения изоляционной щели 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 исследований 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 качество источника нагрузки использовались токоведущие шины, установленные в пазу образца из оргстекла. Реализованная схема нагружения позволяла использовать для анализа результатов плоское напряженное состояние. Размеры образца 200200*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 мм. Индуктивность шин-порядка 50 нГн, заданные по условиям эксперимента время нарастания импульса ~1СГ 6 с. и его амплитуда ~ Ю9~Ю10 Па определяют требования к источнику тока. Требуемый диапазон

параметров Сил достигнут. путем использования двух генераторов ssunyjibcmix токов: с максимальной частотой 125 кГц и 250 кГц, позволяющей генерировать импульсы давления на берегах паза 1000 МПа и 250-400 МПа, Формирование униполярного импульса тока обеспечивалось установкой в цзпь разряда недииэйного сопротивления (три пари перадпэлыго вклвчешшх e&jbitoblc дисков диаметром 730 км).

Кошутацяя генераторов осуществлялась специально разработанным многоканальным газовым коммутатором под давлением. Индуктивность кошутатороа 8 нГя. При напряженности в рабочем промежутке Е ~20 кВ/см задержка срабатывания разрядника на превышает О Л ¡же и уменьшается при увеличении Е. Пропускная способность по току до 600 кА. При широком диапазоне управляемой работы, низкой собственно»! индуктивности и большой пропускной способности разработанный разрядник близок к рельсовым разрядникам. Однако для его управления требуется более простая схема подаига,конструктивное решение

поджигающего электрода обеспечивает формгрсваиие задшшого числа каналов.

Основные экспериментальные результаты по изучению роста трещин при динамическом нагруаении приведены на рис.5. Определение порогового значения разрушающего давления проводилось экстраполяцией зависимости длина трещины 1 от амплитуды импульса Р в область 1 -> 0.

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

2-0 р,Па*!(Р

Рве. 5. ЗавЕсаыоста длани раздевшейся грещваш от авшштуда аипульса нагружены а оргстаашавых образная тоищшгоЙ 10 ин. Приведем форна и Ереия нарастания до махетмуиа и'лпупьса кагружепяя.

t d

— Í — Г а (r.B.t') от dt' К ап , где х J d i 0

Х-Х о

d, t - структурные размер к время ■ .разрушения, а0 - статическая прочность материала, a(r,0,t') - растягивающее напряжение у вершины трещины, г,0 - полярные .координаты в вершине трещины.

Для плоского напряженного состояния структурный размер определяется d = 2 к^с/(ТОр), где KJo, ac- критический коэффициент интенсивности и статическая прочность материала.

Проведенный анализ позволял 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 с 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 мегагауссном магнитном поле и в процессе образования трещин при хрупком разрушении.

Основные результаты работы можно сформулировать следующим образом.

1. Проведены исследования,подтвердившие используемые метода 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 создан 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*106 А со скоростью нарастания ~3.3»1012 А/с.

2. Разработан и экспериментально проверен метод измерения

-9

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-

щаствлять измерение ночалышх параметров датчиков и соленоидов, а также методика импульсной рентгеновской фотографии соленоида с длительностью экспозиции не более 10 нсек, при эффективной гсост-кости излучения 60 кэВ, обеспечивающая точность измерения радиуса солэноида на уровне 2%.

4. Проведены экспериментальные исследования разрушения миниатюрных соленоидов (гнутренний диаметр - 2 мм, толщина стенки ~ 2 мм, "Длина 1.5-3.2 мм) в полях с амплитудой индукции до 360 Тл, что близко к рекордным значешмм, получаемым в лабораторных условиях. Выявлены наиболее важные зависимости, характеризующие процесс разрушения: ход геометрического фактора и зависимость от времени внутреннего радиуса.

5: Показано, что разрушение миниатюрных соленоидов в мегагаус-сном поле при времени нарастания тока около I мкс, в начальной стадии процесса достаточно точно кокет 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 течением "в идеально проводящем соленоиде. Показано, что задержка является следствием Езрыва скин-слоя в результате топлоеого расширения среды, имеющего характер встречного течения под действием перепада газодинамического давления, . пик которого находится в, глубине скин-слоя. . ,

7. Показана возможность создания и подтверждены преимущества испытательных установок с регулируемой амиплитудой и формой импульса давления с характерной длительность около Ю_е> с.

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

Основное содержагае диссертации опубликовано в сл-эдукмих работах:

\

1. Бочаров Ю.Н., Кривошеев С.И., Кручиннн А.И., Чечель А.Н., Шнеерсон Г.А., Шутов BJI. Получение мегагаусных магнитных полей и оценка возможности их использование для удержания плотной плазмы в линейном 0 -иииче. //Доклады 2 Всесоюзной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов. Л., 1981.

2. Бочаров Ю.Н., Кривошеей С.Н., Кручишш А.И., Чечель А.Н., Шнеерсон ГЛ. Получение мегагауссного магнитного поля в соленоидах малого об"сма.// Сб. Мегагауссная физика и технология. 1980. Тр. 2 международной конференция по мегагауссным магнитным полям.-на англ. языке.

3. Бочаров Ю.Н., Кривошеев С.И., Шнеерсон Г.А. Задержка начала разрушения одновигкового соленоида. I/ "Письма б ЖТФ", т. 3, в. 4, февраль 1982.

4. Бочаров Ю.Н., Кривошеев С.Н., Чураев В.А. Твердотельный разрядник. // Авт.св-во №1212265, 1984.

5. Бочаров Ю.Н., Кривошеев С .И., Кручинин "А.Н., Титков В.В., Шнеерсон Г.А. Получение сверхсильных импульсных магнитных полей в одновитко-вых тонкостенных соленоидах. //Сверхсильные магнитные тюля. Физика. Техника. Применение. Москва,"Наука",1924, с.77-83.

6. Бочаров Ю.Н. , Кривошеев С.И., Кручишш А.И., Чурйсв'В.А. Многовнт-ковый соло; о ид для создания сильных импульсных магнитных полей. //Авт.св-во Ка 1349578, 1985.

7. Бочаров Ю.Н., Кривошеев СЛ., Шнеерсон ГЛ. Малоиндуктшзный фольговый коммутатор в цепи разряда конденсаторной батгреи с высокой скоростью нарастания тока.//Тезисы докладов совместного заседания научны;; советов АН СССР "Научные основы электрофизики и электрсэпгргстпки" и "Проблемы ыощноГ) импульсной энергетики". Томск, IS86.

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

9. Бочаров Ю.Н., Кривошеев С.И., Кручнннн А.И., Лапин Н.Г., Титков В.В., Шнеерсон Г.А. Numerical and experimental studies of disiruciion of coils in high-speed megagauss magnetic field.// Megagauss iechnoloy and Puise power applications, New-York, 1987, 4 Int. conf.on Megagauss magnetic field generation, Plenum Press, pp. 65-77.

Ю.Бочаров Ю.Н., Кривошеев С.И., Кручинин А.П. н др. Емкостной накопитель с об"емной ошиновкой и коммутаторами на скользящем разряде.// Вы- ' соковольтное электрооборудование, энергетическое и электрофизическое оборудование и линии электропередач. Межвузовский сборник. Л., 1987.

11.Бочаров Ю.Н., Кривошеев С.И., Лапин Н.Г., Тюков В.В., Шнеерсон ГЛ. Исследование взрывного разрушения соленоидов малого объема в мегага-уссном магнитном поле .1/ Тезисы докладов 5 международной конференции по генерации мегагаусных магнитнЬ|х полей и родственным экспериментам. Новосибирск, 1989. с

12.Бочаров Ю.Н., Кривошеее С.И. Фольговый обостритель тока в цепи разряда малоиидукгивной конденсаторной батареи Л Л., Труды ЛПИ.1989, № 43 Г, с. 107- ПО.

13.Кривошеев С.И., Лапин Н.Г., Рабкина ЕА. Импульсный высоковольтный трансформатора/ Авт.св-во № 1568089,1989. '

14.Бочаров Ю ЛГрущина 0.10., Кривошеее С.И. и др. Предельные возможности емкостных накопителей энергии с точки зрения получения мегага-уссного магнитного поля в разрушающихся одновитковых соленоидах.// Тезисы докладов Ш Всесоюзной конференции "Импульсные источники энергии", Ленинград, 1989, Москва, ЦНИИ АТОМИНФОРМ, 1989.

15.Бочаров Ю.Н., КрнвошеевС.И., Чураев ВА. Твердотельный многоканальный разрядник^/Авт.св-во № 1212265,1985.

16.Кривошеев С.И., Лапин Н.Г. Управляемый разрядник. Авт. сп-во №1552967,1989. ?

17.Бочаров Ю.Н., Кривошеее С.И., Лапин Н.Г., Шнеерсон ГА. Малоиндук-тнвный генератор импульсных токов с объемной ошиновкой.// ПТЭ, 1993, №2, с. 92-97. • ; .

18Адамьян ЮЭ., Берсзкин АЛ., Василевский В.М., Кривошеее С.И. н др. Стенд для создания сильных импульсных магнитных полей7/ПТЭ, 1994, №5, с.134-139.

19Адамьян ЮЗ., Василевский В.М., Крнвошеев СЛ., Шутов ВЛ. Малоиндуктивный многоканальный газовый коммутатор тока. //ПТЭ, 1995, Н>2, с.122-125;

20.Бочаров Ю.Н., Колгатин СЛ., Кривошеее СЛ., Лапин Н.Г., Тнтков В.В., Шнеерсон ГА. Study of Explosive Distniction of Small Volume Coils in Ultrahigh Magnetic Fields. //Megagauss fields and pulsed power syatems.Nova Science Publiher, New Voik, 1990, p33-43.

21.Бочаров Ю.Н., Доев Д.В., Капорская Г.Н., Кривошеее С.И. и др. j Dynamics of solenoid expantion in a mega gauss magnetic field// Megagauss . magnetic field generation and pulsed power application. Nova Science Publisher Inc, New York, 1994, p.41-51.

22Адамьян ЮЭ., Березкнн АЛ., Василевский В.М., Кривошеее С.И. н др. Magnetic system for high temperature superconductor tesearth in a magnetic field Л Megagauss magnetic field generation and pulsed power application: Nova Science Publisher Inc. New Yoik, 1994, pJ5-35.

Подписано к псчпн 4-07. 96 Печ. л. 1 Тира* ЮО. Змсш № 3i>5"

- Огпе'шгяо ь И щатетстес СПБГТУ 195251, Сагоя-ПгтчЛурк, Пслггехиичоска* ул.. а.' 2»