Аналіз еквівалентної ланцюга вибухо-магнітного генератора частоти

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Онучін В.В.

Взривомагнітний генератор частоти (ВМГЧ) складається з спірального магнетокумулятівного генератора, гальванічно пов'язаного з конденсатором невеликої ємності. Для опису функціонування цього приладу використовують концепцію еквівалентної схеми (ЕС). При цьому, емпірично підбираючи параметри еквівалентної схеми ВМГЧ, можна обчислити струм в котушці ВМГЧ і отримати хороше узгодження з експериментальними даними для струму, отриманими від пояса Роговського, що дозволяє зробити висновок, що концепція ЕС досить вірно описує поведінку електричного струму в приладі. Однак, концепція ЕС не дозволяє описати механізм високочастотного випромінювання, що генерується ВМГЧ. У даній статті аналізуються як еквівалентна схема приладу, так і можливі механізми високочастотного випромінювання. Результати аналізу порівнюються з експериментальними даними, отриманими в тестах, проведених у червні 1997 і серпні 1998 рр..

Введення

Магнетокумулятівние генератори були розроблені багато років тому, проте, лише невелика кількість модифікацій цих пристроїв, в тому числі і ВМГЧ, здатні генерувати високочастотне радіовипромінювання [1] (зовнішній вигляд приладу подано на рис. 1. Це тим паче видається дивним, оскільки в конструкцію стандартних моагнетокумулятівних генераторів доданий єдиний новий елемент, а саме, конденсатор. Але саме завдяки наявності конденсатора електродинамічна система ВМГЧ набуває ряд нових властивостей, одне з яких v високочастотне випромінювання в смузі від 1 до 150 ГГц (результати тестів викладені в [2, 3], хоча в роботі [3] стверджується, що виміряний рівень випромінювання значно нижче, ніж той, про який повідомляють творці приладу).

Рис. 1

Однак, перед будь-якими дискусіями про рівень високочастотного випромінювання від ВМГЧ бажано визначити фізичний механізм такого випромінювання, особливо гармонік вище 10 МГц. Після серії експериментів з результатів вимірювань струму від пояса Роговського можна вважати встановленим той факт, що осциляції струму в ланцюзі ВМГЧ не перевищують 10 МГц, в той час як характерні частоти (вірніше, близький до безперервного спектр частот) радіовипромінювання знаходяться в смузі від 10 до 150 ГГц. Якраз наявність таких високих частот радіовипромінювання і є основною загадкою роботи ВМГЧ.

Рис. 2.

Вперше пристрій і робота ВМГЧ була описана в статті Пріщепенко і Щелкачева [4]. Автори також представили теоретичну модель функціонування ВМГЧ, засновану на роботі еквівалентної схеми. Проте модель ЕС не пояснює деяких експериментальних даних, а саме, наявності ВЧ випромінювання і форми? У вигляді риби | струму в котушці приладу (рис. 2). Незважаючи на це, більш критичний аналіз еквівалентної схеми проділу дозволяє, принаймні, описати порушуваний? У вигляді риби | струм в котушці.

Модель ЕС не здатна пояснити, чому ВМГЧ випромінює гармоніки вище ніж 10 МГц. Між тим, дані спектрометрів, розроблених в ФТБ? Сіріус |, свідчать про те, що більша частина енергії радіовипромінювання знаходиться в смузі частот від 10 до 150 ГГц. У цій статті ми не обговорюємо причини такого частотного розподілу енергії, однак, відзначаємо можливі підходи до пояснення цього загадкового, з точки зору радіофізики, факту.

Обгрунтування еквівалентної схеми для ВМГЧ.

Конструкція ВМГЧ досить проста (рис. 3). Прилад складається з так званого лайнера v алюмінієвої труби (діаметром 40 v 50 мм), що розширюється за діаметром під дією вибуху, котушки мідного дроту (діаметром 1 мм), намотаною на лайнер і ізольованою від лайнера шаром лаку, і конденсатора (ємності 0.1 - 1 мкФ) гальванічно з'єднаного одним контактом з лайнером і іншим v з котушкою.

Рис.3.

Процес функціонування ВМГЧ здійснюється наступним чином: при детонації вибухової речовини усередині лайнера електричним імпульсом одночасно на котушку розряджається зовнішній конденсатор великої ємності (? Живить | котушку). Таким чином, між котушкою і лайнером з'являється магнітне поле, яке породжене струмом у котушці. При розширенні лайнера вибухом це магнітне поле стискається, посилюючи струм в котушці, як це відбувається у звичайних магнетокумулятівних генераторах. Однак, в момент контакту краю лайнера і крайнього витка котушки (шар ізолятора при цьому механічно руйнується краєм лайнера) відбувається замикання ланцюга:? Котушка - конденсатор - лайнер - котушка |. Тепер, на відміну від звичайних магнетокумулятівних генераторів, електричний ланцюг ВМГЧ містить конденсатор, завдяки якому в ланцюзі відбуваються коливання струму. Більш точно, в ланцюзі є два струму, перший, тобто Ii, що циркулює навколо лайнера і паралельний струму в котушці, і другий, тобто I, поточний вздовж лайнера, потім через конденсатор, в котушці. Але так як площа провідного шару лайнера в зрізі по діаметру багато менше площі бічної поверхні лайнера, то щільність струму I буде багато більше щільності струму Ii і тому струм Ii і всі пов'язані з ним ефекти можна виключити з розгляду.

Тепер ми здатні сформувати еквівалентну схему для ВМГЧ. У цій статті ми не розглядаємо координатну залежність електричних параметрів приладу, тому ми будемо описувати котушку одним параметром, тобто її індустівностью L, що залежить, однак, від часу. Повний опір кола ми позначимо як R (t) і ємність конденсатора як С, яка не залежить від часу. Крім того, в схеми необхідно ввести елемент, який відповідає за посилення струму в приладі. Як правило, при розгляді магнітокумулятівних генераторів процес посилення струму досить описати завданням потрібної тимчасової залежності повної індуктивності приладу [5]. Однак, таке занадто спрощений опис процесу посилення струму застосовується для ВМГЧ, хоча б тому, що струм і, отже, магнітне поле всередині котушки осцилюючих з досить високою частотою 10 МГц. Завдання часової залежності індуктивності, що забезпечує настільки швидкі осциляції струму, можливо, однак, таке завдання індуктивності буде носити занадто штучний характер і в результаті деякі ефекти, викликані стисненням магнітного поля, буде неможливо описати. Тому ми введемо в схему деякий генератор напруги G (оскільки зміна магнітного потоку породжує е.р.с., а струм є вторинний ефект). Тоді еквівалентна схема опише наступної діаграмою:

|---- L ---- C ---- R --- |

| |

|------ G ------------ |

Рівняння Кірхгофа для ЕС може бути записано як:

; (1)

де Ф є повний магнітний потік, укладений між лайнером і котушкою (в електродинаміки магнітний потік визначається як число силових ліній магнітного поля, що перетинають деякий замкнутий контур, тому величина Ф відповідає сумі всіх магнітних потоків для кожного витка котушки, що беруть участь в процесі стиснення), LC (t) є самоіндукція котушки і IC є струм в котушці.

Тепер ми повинні ввести зв'язок між магнітним потоком і струмом у котушці. Слід врахувати, що в приладі магнітний потік створюється двома струмами, струмом у котушці IC і струмом в лайнері IL. Це викликано певним ефектом втрати? Дифузійного опору | котушки. Розглянемо цей ефект більш докладно.

Відомо, що при перетині магнітним потоком витків котушки, в останніх, відповідно до рівняння Максвелла, створюється електричне поле:

Це електричне поле створює додатковий струм d I, що перешкоджає проникненню магнітного поля крізь матеріал проводу котушки. Для звичайних магнетокумулятівних генераторів перетин магнітного потоку крізь зовнішню котушку завжди призводить до зростання струму в останній. Однак, в ланцюзі ВМГЧ є конденсатор, який при зарядці його струмом котушки, створює власне електричне поле в проводі котушки. Тоді при певному значенні напруги в проводі перетин матеріалу дроти магнітним потоком вже не буде породжувати додатковий струм d I, оскільки створюване, відповідно до закону Фарадея, електричне поле буде скомпенсировано електричним полем конденсатора. А так як немає збільшення струму в проводі, то не буде і екранування проникаючого у провід магнітного потоку. Іншими словами, глибина дифузії магнітного поля стає нескінченною і магнітний потік? Випливає | з області між котушкою і лайнером, при цьому тим швидше, чим більше напруга на конденсаторі.

Незважаючи на те, що струм IC в котушці дорівнює нулю в певні моменти часу, струм IL в лайнері (який збігається з Ii) описується рівнянням виду

і очевидно, що нулі IL не збігаються з нулями IC. Але лайнер може бути наближено описаний як соленоїд, для якого якщо? Зовнішня сила |, тобто полі зовнішньої котушки зникає, струм прагне розподілитися так, що магнітне поле, створюване струмом IL, концентрується тільки всередині соленоїда. Тому струм IL буде перерозподілятися з зовнішньої поверхні лайнера на внутрішню і тому воно буде виключено з подальшого процесу стиснення потоку.

Слід сказати що строго описати процес перерозподілу струму IL досить важко, таке суворе опис нам і не потрібно (воно не дасть нам певної значущої інформації), тому ми використовуємо для опису цього процесу наступну апроксимацію:

IL (t) = a IC (tt)

тобто поведінку струму на лайнері повторює з деякою тимчасовою затримкою повоеденіе струму в котушці (тут a <1 і величина параметра t визначається часом проникнення струму IL з зовнішньої поверхні лайнера на внутрішню). Тоді магнітний потік в області між котушкою і лайнером може бути описано як:

, (2)

де параметр c залежить тільки від геометричних розмірів лайнера і котушки, і від швидкості детонації V таким чином, що магнітний потік повинен бути рівний нулю в кінці процесу роботи ВМГЧ. Це відображає той факт, що більша частина втрат магнітного потоку обумовлена ​​крайовими ефектами: коли лайнер входить в контакт з витками котушки, частина магнітного потоку,? Затиснута | між сусідніми витками,? Вимикається | з подальшого процесу компресії потоку. Наприклад, ми можемо прийняти для c залежність, вперше введену Павловським і Людаевим [6]:

де R радіус витків котушки, h (x) крок витків, r (x, t) координатна залежність поверхні лайнера у момент t і l? робоча довжина | котушки. Величина r (x, t) обчислюється як

r (x, t) = max [R v (xv Vt) tg (a); r0]

де V є швидкість детонації, a кут розширення конуса лайнера і r0 початковий радіус лайнера.

Зробимо наступну апроксимацію

беручи до уваги те, що точні обчислення стиснення магнітного потоку у формі (2) можуть давати? биття | (або подвоєння - через малу тимчасової затримки t) частоти, що може призводити до змазування чіткої картини осциляцій струму Роговського. Тоді після простих обчислень ми отримуємо наступне рівняння:

, (3)

де ми врахували, що L = LC + c, і спустили малий член d2c / dt2.

Коефіцієнт при другої похідної не має нулів, тому згідно теоремі Пікара [7] рівняння, як лінійне диференціальне рівняння не має особливостей. Отже, рівняння (3) подібно рівнянню Шредінгера для хвильової функції в квантовій механіці і ми маємо право поширити методи квантової механіки для аналізу цього рівняння. З експериментальних даних по вимірюванню струму за допомогою поясу Роговського відомо, що струм в котушці має багато осциляцій, тому рішення для IC повинно мати багато (більше 50) нулів на розглянутому інтервалі дійсної осі змінної t. Відомо, що чим більше нулів має хвильова функція, тим краще вона описується ВКБ наближенням. Відповідно, це ж твердження вірно і для ур-ня (3), і ВКБ рішення для IC є:

IC = Ienv * Ioscill

де Ienv обвідна струму і Ioscill безрозмірний осциллирующий член. Обидва члени виражаються як:

; (4)

; (5)

де; (6)

Очевидно, що огинає струму не залежить від ємності конденсатора, а тільки від двох параметрів приладу, R і L. Так що ми можемо порівняти залежність (4) з експериментальними даними, тобто обвідної на осцилограмі струму Роговського. Щоб отримати форму струму? У вигляді риби |, ми повинні припустити, що індуктивність, а саме, параметр c спадає дуже швидко на часах T 25

Shot # 4 0.5 5.3 0.5 10.8
Shot # 5 0.5 - 0.2 2.5
Shot # 6 0.4 29.4 0.2 2.0
Shot # 7 - - 2.5
Shot # 8 0.3 - - > 25
Shot # 11 0.35 17.5 - > 25
Shot # 12 0.8 4.7 0.3 -

Таблиця 2. Щільність енергії D (E) [у пікоДж/cм2], Тест 1998 року, радіовипромінювання від ВМГЧ. Відстань між ВМГЧ і датчиками 60 м.

Як вже було зазначено, з аналізу рівняння Кірхгофа для ЕС випливає, що навіть незважаючи на можливий ефект подвоєння частоти струму в котушці, цей струм не може містити вищих гармонік, відповідних гегагерцовим осциляція. Тому і випромінювання, яке обчислюється як похідна від струму, не може містити таких гармонік. На думку більшості авторів, котрі аналізували роботу ВМГЧ, гегагерцовие гармоніки в ЕМ поле могли б бути викликані якимось електричним пробоєм між котушкою і лайнером або між сусідніми витками котушки. Передбачається, що пробій можливий завдяки високій напрузі, створюваному конденсатором. Але навіть просте обчислення напруги між двома сусідніми витками котушки, або між лайнером і крайнім витком котушки (для якого шар ізолятора найбільш зруйнований) показує, що значення цієї напруги багато нижче порогового напруги пробою.

Однак тут було б цікаво проаналізувати деякі експериментальні дані, які ніколи раніше не аналізувалися, але які могли б бути ключем до пояснення можливої ​​появи електричного пробою і відповідно, високочастотного ЕМ випромінювання.

У тесті 1997 крім одноканальних спектрометрів, що реєструють сигнал у смузі частот вище 10 ГГц (крім одного, налаштованого на частоту 2.3 Ггц), використовувалися трбохканальні спектромети, реєструючі сигнал при значенні частоти 1.4, 2.8, 5.6 та 9.4 ГГц, і вимірюють не тільки повну енергію в ЕМ імпульсі, а й пікову потужність, а також і число осциляцій потужності в одному імпульсі (? посилці |). Оскільки повний імпульс, випромінюваний ВМГЧ, має дуже складну тимчасову залежність, сучасною вимірювальною базою вдається виміряти лише деякі параметри імпульсу. Зокрема, було поставлено завдання вимірювання кількості осциляцій потужності в сигналі. При випробуваннях різних джерел було виявлено, що в сигналах від двох джерел, від ВМГЧ і іншого, що має схожу конструкцію, кількість осциляцій потужності більш ніж 50 (для великої кількості випробувань частина даних мала значення 99, але так як шкала спектрометрів була обмежена значенням 99, то точне значення кількості осциляцій потужності невідомо; можна лише сказати, що це значення перевершує 99). Слід зазначити, що такі дані по кількості осциляцій потужності в сигналі суперечили існуючим концепціям функціонування ВМГЧ, тому ці дані не були опубліковані і містяться лише в тестових звітах (вони були інтерпретовані як результати збоїв у роботі спектрометрів після впливу на них сигналу від джерела, а проте, необхідно вказати, що рівні потужності і енергії в сигналах від ВМГЧ були нижчі, ніж відповідні рівні від інших джерел, тому припущення про збої в роботі спектрометрів некоректні).

Однак, така кількість осциляцій потужності в сигналі може бути пояснено ЕМ випромінюванням від електричного пробою, що виникають між поверхнею лайнера і найближчим до поверхні незруйнованим витком котушки (але ще не мають прямого гальванічного контакту в лайнером, хоча цей виток з'єднаний гальванічно з лайнером через сусідні витки) .

Електрично пробою, якщо він є, повинен бути викликане якимсь електричним полем, і тут ми вкажемо можливу причину виникнення такого поля, яка не залежить безпосередньо від напруги на конденсаторі. Вперше це було висловлено Лоренцем в його парадоксі теорії Ейншетейна. Лоренц показав, що струм в прямому нескінченно довгому дроті викликає електричне поле, направлене перпендикулярно дроту, і це порушує принцип еквівалентності систем відліку. У даній статті ми не будемо аналізувати цей парадокс, проте, зазначимо, що були проведені експерименти по виявленню такого струму (хороший огляд та експериментальні дані містяться в роботі [8], недавні результати з цього питання дано в [9]). Причина появи такого електричного поля досить прозора: ефект викликаний різницею між кулонівською полем нерухомих іонів і полем Льенарда v Віхерта рухомих електронів провідності. Проте, для коректної експериментальної перевірки ефекту потрібно виконання наступних умов:

підтримання протягом досить довгого часу (достатнього для вимірювань) квазістаціонарного струму в ланцюзі;

електронейтральності і замкнутість ланцюга, тобто ланцюг не повинна бути приєднана до зовнішнього джерела живлення. В іншому випадку, заряди від джерела можуть пройти в ланцюг і порушити розподіл електронної щільності, створюваної квазістаціонарним струмом [9].

Тому досліди з перевірки ефекту можливі лише для кілець з надпровідним струмом, а для таких об'єктів можливий ефект дуже малий. У той же час обидві умови виконуються в ВМГЧ. Тому поява Лоренцева електричного поля і, відповідно, пробій можливі в цій системі, особливо, коли ізолюючий шар проводів котушки знаходиться в предразрушаемом стані і струм в котушці проходить точку екстремуму.

Тут може бути поставлено питання: чому такий механізм випромінювання не реалізується у звичайних магнетокумулятівних генераторах (МКГ)? Відомо, що у багатосекційних МКГ струм може досягати значень до 0.5 МА і представляється, що в таких МКГ умови для виникнення пробою краще. Проте, відзначимо, що в звичайних МКГ струм наростає досить повільно в порівнянні з ВМГЧ, при цьому наростання струму монотонне. Тому якщо такий пробій відбувається, то він одиничний і на тлі пробоїв у МКГ (відомо, що від деяких МКГ спостерігається слабке рентгеновсое випромінювання, яке також може бути викликано прискоренням електронів потужним електричним полем) не помітний. У той же час, умови для пробою в ВМГЧ можуть створюватися стільки разів, скільки разів струм в котушці приладу проходить точки максимумів і мінімумів, тобто не менше 100 разів. Далі, при обчисленні різниці кулонівських і льенард-віхертових полів зазвичай розглядаються рівномірно рухаються (на тлі іонів) електрони. Однак, в ВМГЧ електрони коливаються з частотою близько 10 МГц, тобто прискорюються. Слід очікувати, що член з прискоренням вносить певний внесок в різницю кулонівських і льенард-віхертових полів і умови для пробою в ВМГЧ більш сприятливі, ніж для МКГ, в яких струм квазістаціонарний.

Зазначимо, що описаний вище механізм пробою може розглядатися лише як гіпотеза, і необхідна експеріментальния перевірка цієї ідеї.

Висновок

Оскільки з обчислень, заснованих на моделі ЕС, випливає, що найвища частота струму навантаження для котушки як антени, не може бути вище 10 МГц, (тобто частота радіовипромінювання не може суттєво перевищувати цю величину, і в той же самий час частота зареєстрованого в тестових випробуваннях радіовипромінювання лежить в смузі від 10 до 150 ГГц) то ми змушені зробити висновок, що модель ЕС не здатна пояснити функціонування приладу. Тут необхідно зазначити, що розвинена вище модель ЕС має такі недоліки:

При переході від опису реального приладу до ЕС ми внесли спрощення в опис процесу стиснення магнітного поля. Ефекти, загублені в ході такого спрощення, можуть бути істотні.

Для частот вище 100 МГц котушка вже не може бути представлена ​​як ідеальний соленоїд. Більш суворе опис вимагає розгляду котушки (як основного вузла приладу) як системи з розподіленими параметрами.

Однак, на думку автора, модель ЕС, навіть з урахуванням двох вишеуказнних пунктів, не здатна буде пояснити наявності випромінювання в смузі від 10 до 150 ГГц, і для коректного пояснення потрібне якийсь принципово інший підхід.

Незважаючи на те, що модель ЕС не здатна описати наявність гегагерцового випромінювання, що генерується ВМГЧ, ця модель дозволяє описати два нових ефекту, які, на думку автора, раніше не були описані в науковій літературі: ефект проникнення магнітного поля крізь котушку. Для частоти магнітного поля всередині котушки близько 10 МГц і для геометричних розмірів котушки мідного дроту глибина скін-шару повинна бути не більше 0.1 мм, у той час, як товщина шару металу в котушці в 10 разів більше. Тобто, процес проникнення магнітного поля через котушку не може бути описаний в рамках концепції скін-шару.

Ця система електрично нейтральна, ізольована від зовнішніх джерел струму і в той же час у ній підтримується квазістаціонарний (у порівнянні з ефектами розповсюдження ЕМ полів) струм. Таким чином, у цій системі реалізуються на макроскопічному рівні умови для перевірки припущення Лоренца про існування електричного поля, порушує еквівалентність систем відліку в спеціальній теорії відносності.

Список літератури

Prishchepenko AB, VK. Kiseljov, and LS Kudimov., Radio Frequency Weapon at the Future BattleField, Proceedings of the EUROEM Conference, Bordeaux, France, June 1994.,

L. Altgilbers et al., Compact explosive driven sources of microwaves: test results, Proceedings of the Megagauss VIII Conference, Talahassee, USA, October, 1998

VASoshenko and VCIvanov, Investigation of the Parameters of Explosive Driven Magnetic Generators of Frequency, Proceedings of EUROEM Conference, Jerusalem, Izrael, August 1998.

Пріщепенко А.Б., Щелкачев М.В. Дисипативні і дифузійні втрати в спіральному взривомагнітном генераторі. Електрика, | 9, стор 31-36, 1993.

Кнопфель, надсильні магнітні поля, М.? Світ |, 1968. Гол. 4.

Павловський А.І., Люда Р.З. та ін, Багатосекційний генератор МК-2, Матеріали конференції Мегагаусс III, М.? Наука |, 1984, стор 312-320.

Джеффрі Р., Свірлс Б. Методи математичної фізики, М.? Світ |, 1970. Гол 16.

WF Edwards, CS Kenyon, and DK Lemon, Continuing investigation into possible electric fields arising from steady conduction currents, Physical Review D, Vol. 14, No. 4, pp. 922-938, 1976.

L. Baroni, E. Montanari, and AD Pesci, Some remarks on the question of charge densities in stationary current-carrying conductors Nuovo Cimento B 109, p. 1275, 1994.


Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Виробництво і технології | Реферат
41.9кб. | скачати


Схожі роботи:
Дослідження двоконтурної ланцюга зв`язку генератора з навантаженням
Аналіз ланцюга в тимчасовій області різними методами Аналіз ланцюга
Аналіз шкідливих чинників при роботі дизель генератора поблизу АЕС
Аналіз частоти післяопераційних ускладнень при апендициті за 1990 рік
Аналіз САР регулювання частоти обертання приводного електродвигуна стенду для обкатування ДВС
Імітатор генератора
Будова генератора
Розрахунок RC-генератора на терморезистор
Неймінг Розробка генератора
© Усі права захищені
написати до нас