Генераторы электромагнитного импульса на основе взрывного сжатия магнитного потока.
Explosively pumped flux compression generator
Генераторы электромагнитного импульса (EPFCG): принцип работы, применение в исследованиях и разработке неядерного оружия. Мощные импульсы без радиации.
Non nuclear device that creates an electromagnetic pulse
Генератор сжатия потока с взрывным накачиванием (EPFCG) – это устройство, используемое для генерации мощного электромагнитного импульса путем сжатия магнитного потока с помощью взрывчатых веществ. EPFCG генерирует только один импульс, поскольку устройство физически разрушается в процессе работы. Для его работы требуется начальный импульс тока, обычно обеспечиваемый конденсаторами. Генераторы сжатия потока с взрывным накачиванием используются для создания сверхвысоких магнитных полей в физических и материаловедческих исследованиях, а также чрезвычайно интенсивных импульсов электрического тока для приложений импульсного питания. Они исследуются в качестве источников энергии для устройств радиоэлектронной борьбы, известных как устройства создания переходных электромагнитных импульсов, которые генерируют электромагнитный импульс без затрат, побочных эффектов или огромной дальности ядерного электромагнитного импульсного устройства. Первые работы над этими генераторами были проведены в начале 1950-х годов в центре ядерных исследований ВНИИЭФ в Сарове в Советском Союзе, а затем в Лос-Аламосской национальной лаборатории в Соединенных Штатах.
An explosively pumped flux compression generator (EPFCG) is a device used to generate a high power electromagnetic pulse by compressing magnetic flux using high explosive. An EPFCG only ever generates a single pulse as the device is physically destroyed during operation. They require a starting current pulse to operate, usually supplied by capacitors. Explosively pumped flux compression generators are used to create ultrahigh magnetic fields in physics and materials science research and extremely intense pulses of electric current for pulsed power applications. They are being investigated as power sources for electronic warfare devices known as transient electromagnetic devices that generate an electromagnetic pulse without the costs, side effects, or enormous range of a nuclear electromagnetic pulse device. The first work on these generators was conducted by the VNIIEF center for nuclear research in Sarov in the Soviet Union at the beginning of the 1950s followed by Los Alamos National Laboratory in the United States.
История
В начале 1950-х годов советские ученые, проводившие исследования в области ядерного синтеза, осознали необходимость в очень коротких и мощных электрических импульсах. Генератор Маркса, накапливающий энергию в конденсаторах, был единственным устройством, способным в то время генерировать импульсы такой высокой мощности. Запретительно высокая стоимость конденсаторов, необходимых для достижения требуемой мощности, стимулировала поиск более экономичного решения. Первые магнито-взрывные генераторы, разработанные на основе идей Андрея Сахарова, должны были решить эту задачу. Поскольку магнитный поток равен произведению напряженности магнитного поля на площадь поверхности, уменьшение площади поверхности приводит к увеличению напряженности магнитного поля внутри проводника. Процесс сжатия частично преобразует химическую энергию взрывчатых веществ в энергию интенсивного магнитного поля, окруженного сопоставимым по величине электрическим током. Генератор потока может быть предназначен как для генерации чрезвычайно сильного импульса магнитного поля, так и для генерации чрезвычайно сильного импульса электрического тока; в последнем случае замкнутый проводник подключается к внешней электрической цепи. С помощью этой технологии были созданы самые мощные искусственные магнитные поля на Земле; поля напряженностью до 1000 тесла (примерно в 1000 раз превышающие напряженность типичного неодимового постоянного магнита) могут быть созданы на несколько микросекунд.
At the start of the 1950s, the need for very short and powerful electrical pulses became evident to Soviet scientists conducting nuclear fusion research. The Marx generator, which stores energy in capacitors, was the only device capable at the time of producing such high power pulses. The prohibitive cost of the capacitors required to obtain the desired power motivated the search for a more economical device. The first magneto explosive generators, which followed from the ideas of Andrei Sakharov, were designed to fill this role. Since flux is equal to the magnitude of the magnetic field multiplied by the area of the surface, as the surface area shrinks the magnetic field strength inside the conductor increases. The compression process partially transforms the chemical energy of the explosives into the energy of an intense magnetic field surrounded by a correspondingly large electric current. The purpose of the flux generator can be either the generation of an extremely strong magnetic field pulse, or an extremely strong electric current pulse; in the latter case the closed conductor is attached to an external electric circuit. This technique has been used to create the most intense manmade magnetic fields on Earth; fields up to about 1000 teslas (about 1000 times the strength of a typical neodymium permanent magnet) can be created for a few microseconds.
Элементарное описание сжатия потока
Внешнее магнитное поле (голубые линии) пронизывает замкнутое кольцо, изготовленное из идеального проводника (с нулевым сопротивлением). Общий магнитный поток через кольцо равен произведению магнитного поля на площадь поверхности, охватывающей кольцо. Девять линий поля изображают магнитный поток, проходящий через кольцо. Предположим, кольцо деформируется, уменьшая площадь его поперечного сечения. Магнитный поток, пронизывающий кольцо и представленный пятью линиями поля, уменьшается в той же пропорции, что и площадь кольца. Изменение магнитного потока индуцирует ток (красные стрелки) в кольце согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, который, в свою очередь, создает новое магнитное поле, циркулирующее по проводу (зеленые стрелки) согласно закону Ампера. Новое магнитное поле противодействует внешнему полю, но усиливает поле внутри, так что общий поток внутри кольца остается неизменным: четыре зеленые линии поля, добавленные к пяти синим линиям, дают исходные девять линий поля. Сложив внешнее магнитное поле и индуцированное поле, можно показать, что результирующий эффект заключается в том, что линии магнитного поля, первоначально проходящие через отверстие кольца, остаются внутри него, таким образом, поток сохраняется, и в проводящем кольце возникает ток. Линии магнитного поля "сжимаются", поэтому (средняя) напряженность магнитного поля внутри кольца возрастает в отношении исходной площади к конечной площади.
An external magnetic field (blue lines) threads a closed ring made of a perfect conductor (with zero resistance). The total magnetic flux through the ring is equal to the magnetic field multiplied by the area of the surface spanning the ring. The nine field lines represent the magnetic flux threading the ring. Suppose the ring is deformed, reducing its cross sectional area. The magnetic flux threading the ring, represented by five field lines, is reduced by the same ratio as the area of the ring. The variation of the magnetic flux induces a current (red arrows) in the ring by Faraday's law of induction, which in turn creates a new magnetic field circling the wire (green arrows) by Ampere's circuital law. The new magnetic field opposes the field outside the ring but adds to the field inside, so that the total flux in the interior of the ring is maintained: four green field lines added to the five blue lines give the original nine field lines. By adding together the external magnetic field and the induced field, it can be shown that the net result is that the magnetic field lines originally threading the hole stay inside the hole, thus flux is conserved, and a current has been created in the conductive ring. The magnetic field lines are "pinched" closer together, so the (average) magnetic field intensity inside the ring increases by the ratio of the original area to the final area.
Различные типы генераторов
Простой основной принцип сжатия потока может быть применен множеством различных способов. Советские ученые из ВНИИЭФ в Сарове, пионеры в этой области, разработали три различных типа генераторов:
The simple basic principle of flux compression can be applied in a variety of different ways. Soviet scientists at the VNIIEF in Sarov, pioneers in this domain, conceived of three different types of generators:
В первом типе генератора (МК 1, 1951), разработанном Робертом Людаевым, магнитный поток, создаваемый обмоткой проводника, заключен внутрь полой металлической трубы, окруженной взрывчатым веществом, и подвергается сильному сжатию при взрыве; аналогичное устройство было разработано в Соединенных Штатах через дюжину лет командой К. М. (Макса) Фаулера в Лос-Аламосе. Во втором типе генератора (МК 2, 1952) магнитный поток, заключенный между обмотками внешнего проводника и центральной проводящей трубой, заполненной взрывчатым веществом, сжимается коническим "поршнем", образующимся при деформации центральной трубы под воздействием детонационной волны, распространяющейся по устройству. Третий тип генератора (DEMG), разработанный Владимиром Чернышевым, имеет цилиндрическую форму и содержит стопку вогнутых металлических дисков, расположенных друг напротив друга парами для создания полых модулей (количество которых варьируется в зависимости от требуемой мощности) и разделенных взрывчатым веществом; каждый модуль функционирует как независимый генератор. Такие генераторы могут, при необходимости, использоваться независимо друг от друга или даже собираться в цепочку последовательных ступеней: энергия, вырабатываемая каждым генератором, передается следующему, который усиливает импульс, и так далее. Например, предполагается, что генератор DEMG будет питаться от генератора типа МК 2. Также, эти генераторы могут быть либо уничтожены сразу после эксперимента, либо использованы многократно, соблюдая допустимое время эксплуатации.
In the first type of generator (MK 1, 1951) developed by Robert Lyudaev, the magnetic flux produced by a wound conductor is confined to the interior of a hollow metallic tube surrounded by explosives, and submitted to a violent compression when the explosives are fired; a device of the same type was developed in the United States a dozen years later by C. M. (Max) Fowler's team at Los Alamos. In the second type of generator (MK 2, 1952), the magnetic flux, confined between the windings of the external conductor and a central conductive tube filled with explosive, is compressed by the conical 'piston' created by the deformation of the central tube as the detonation wave travels across the device. A third type of generator (DEMG), developed by Vladimir Chernyshev, is cylindrical, and contains a stack of concave metallic disks, facing each other in pairs, to create hollow modules (with the number varying according to the desired power), and separated by explosives; each module functions as an independent generator. Such generators can, if necessary, be utilised independently, or even assembled in a chain of successive stages: the energy produced by each generator is transferred to the next, which amplifies the pulse, and so on. For example, it is foreseen that the DEMG generator will be supplied by a MK 2 type generator. Also, these can be either destructed just after a experiment, or used again and again while complying acceptable time to use.