폭발적으로 펌핑된 플럭스 압축 발생기

Explosively pumped flux compression generator
플럭스 압축 발생기의 컷어웨이 뷰.알루미늄 튜브는 구리-와이어 나선의 끝부분에서 폭발합니다.반면 변압기는 발전기가 전기 부하에 대해 보다 효율적으로 작동할 수 있도록 합니다.

EPFCG(폭발 펌핑 플럭스 압축 발생기)는 고폭약을 사용하여 자속을 압축함으로써 고출력 전자펄스를 발생시키는 장치이다.

EPFCG는 동작 중에 디바이스가 물리적으로 파괴되기 때문에 1개의 펄스만 생성합니다.사람이 쉽게 운반할 수 있는 EPFCG 패키지는 수백만 암페어와 수십 테라와트의 [citation needed]펄스를 발생시킬 수 있습니다.일반적으로 캐패시터를 통해 공급되는 시작 전류 펄스가 작동해야 합니다.

폭발적으로 펌핑된 플럭스 압축 발생기는 물리 및 재료 과학[1] 연구에서 초고도의 자기장과 펄스 전력 애플리케이션을 위한 초고강도 전류 펄스를 생성하는 데 사용됩니다.그것들은 핵 전자기 펄스 장치의 비용, 부작용 또는 방대한 범위 없이 전자기 펄스를 발생시키는 과도 전자파 장치로 알려진 전자전 장치의 전원으로 조사되고 있다.

이 발전기에 대한 첫 번째 작업은 1950년대 초에 소련의 사로프에 있는 핵 연구를 위한 VNIIF 센터에 의해 수행되었고, 그 후 미국의 로스 알라모스 국립 연구소에 의해 수행되었다.

역사

1950년대 초에, 핵융합 연구를 수행하는 소련 과학자들에게 매우 짧고 강력한 전기 펄스의 필요성이 명백해졌다.전기 콘덴서에 에너지를 저장하는 마르크스 발전기는 이러한 고출력 펄스를 생성할 수 있는 유일한 장치였다.원하는 전력을 얻기 위해 필요한 콘덴서의 엄청난 비용이 더 경제적인 장치를 찾는 동기가 되었습니다.안드레이 사하로프의 아이디어에 따른 최초의 자기 폭발형 발전기는 이 [2][3]역할을 충실히 하도록 설계되었다.

메카닉스

표면 S를 횡단하는 일정 강도 B의 자기장에 대해 플럭스 δ는 B 곱하기 S와 같다.

자기 폭발형 발전기는 아래에 자세히 설명된 "자기속 압축"이라고 불리는 기술을 사용합니다.이 기술은 장치가 작동하는 시간 척도가 충분히 짧아서 저항 전류 손실을 무시할 수 있고 표면의 크기와 모양이 변경될 수 있지만 도체(예를 들어 구리 와이어)로 둘러싸인 표면을 통과하는 자속이 일정하게 유지될 때 가능합니다.

이 플럭스 보존은 Maxwell의 방정식에서 입증될 수 있다.밀폐된 플럭스의 보존에 대한 가장 직관적인 설명은 전기 회로를 통한 플럭스의 변화가 회로에 전류를 발생시켜 변경에 반대한다는 렌즈의 법칙에 따른 것입니다.이러한 이유로 자기장이 통과하는 닫힌 루프 도체에 의해 둘러싸인 표면의 면적을 줄이면 전기 도체에 전류가 유도되어 밀폐된 플럭스가 원래 값으로 유지되는 경향이 있습니다.자기폭발발전기는 도전성 튜브 또는 디스크 주위에 충전된 폭발물을 폭발시킴으로써 면적의 감소를 달성하므로 내폭은 튜브 또는 [4]디스크를 압축한다.플럭스는 표면적을 곱한 자기장의 크기와 같기 때문에 표면적이 줄어들면 도체 내부의 자기장 강도가 높아집니다.압축 프로세스는 폭발물의 화학 에너지를 그에 상응하는 큰 전류로 둘러싸인 강한 자기장의 에너지로 부분적으로 변환합니다.

플럭스 제너레이터의 목적은 매우 강한 자기장 펄스 또는 매우 강한 전류 펄스의 생성일 수 있습니다. 후자의 경우 닫힌 도체가 외부 전기 회로에 부착됩니다.이 기술은 지구상에서 가장 강렬한 인공 자기장을 만들기 위해 사용되었습니다; 몇 마이크로초 동안 약 1000테슬라 (일반적인 네오디뮴 영구 자석의 약 1000배 강도)의 자기장을 만들 수 있습니다.

플럭스 압축의 기본 설명

그림 1: 원래 자기장 라인

외부 자기장(파란색 선)은 완벽한 도체(저항 제로)로 만들어진 닫힌 링을 나사산합니다.링을 통과하는 총 자속style \는 링을 가로지르는 표면의 A A를 곱한 B(\ B와 같습니다.9개의 필드 라인은 링을 통과하는 자속을 나타냅니다.

그림 2: 링 직경 축소 후의 구성

링이 변형되어 단면적이 감소한다고 가정합니다.링을 통과하는 자속은 5개의 필드 라인으로 나타나며 링 면적과 동일한 비율로 감소합니다.자속의 변화는 패러데이의 유도 법칙에 의해 링에 전류(빨간 화살표)를 유도하고, 이는 암페어의 회로 법칙에 의해 와이어를 도는 새로운 자기장(녹색 화살표)을 생성합니다.새로운 자기장은 링 바깥의 자기장과 반대되지만 안쪽의 자기장에 추가되므로 링 내부의 전체 플럭스가 유지됩니다. 즉, 5개의 파란색 라인에 4개의 녹색 필드 라인이 추가되어 원래 9개의 필드 라인이 생성됩니다.

그림 3: 압축 후의 자기장선

외부자기장과 유도계를 합산함으로써 본래의 나사산 자계선이 구멍 내에 머물러 플럭스가 보존되어 도전링에 전류가 생성되었음을 알 수 있다.자기장 라인은 서로 "고정"되기 때문에 링 내부의 (평균) 자기장 강도가 최종 면적에 대한 원래 면적의 비율만큼 증가합니다.

다양한 유형의 발전기

플럭스 압축의 간단한 기본 원리는 다양한 방법으로 적용될 수 있습니다.이 분야의 선구자인 사로프의 VNIIEF의 소련 과학자들은 세 가지 유형의 발전기를 [5][3][6]고안했습니다.

  • 로버트 류다예프가 개발한 첫 번째 유형의 발전기(MK-1, 1951년)에서, 권상 도체에 의해 생성된 자속은 폭발물에 둘러싸인 중공 금속 튜브의 내부에 국한되어 폭발물이 발사될 때 격렬한 압축에 노출된다. 같은 유형의 장치가 12년 늦게 미국에서 개발되었다.로스앨러모스에 있는 C. M. (Max) 파울러 팀의 r.
  • 두 번째 타입의 발전기(MK-2, 1952)에서는 외부 도체의 권선과 폭발물이 충전된 중앙 도전관 사이에 협착된 자속이 폭발파가 장치를 통과할 때 중앙관의 변형에 의해 생성되는 원추형 '피스톤'에 의해 압축된다.
  • Vladimir Chernyshev에 의해 개발된 세 번째 유형의 발전기(DEMG)는 원통형으로 오목한 금속 디스크 스택을 포함하고 있으며, 쌍으로 마주보며 중공 모듈(원하는 전력에 따라 숫자가 다름)을 생성하며, 폭발물에 의해 분리된 각 모듈은 독립된 발전기 역할을 합니다.

이러한 발전기는 필요에 따라 독립적으로 사용하거나 연속적인 단계의 연쇄로 조립할 수 있습니다. 즉, 각 발전기에서 생성된 에너지가 다음으로 전달되어 펄스를 증폭시키는 등의 방법이 있습니다.예를 들어 DEMG 발전기는 MK-2형 발전기에 의해 공급될 것으로 예상된다.

중공관 발전기

1952년 봄, R. Z.류다예프, E.A. Feoktistova, G.A.Tsyrkov와 A.A. Chvileva는 매우 높은 자기장을 얻기 위해 이러한 유형의 발전기로 첫 번째 실험을 수행했다.

중공 튜브 제너레이터

MK-1 제너레이터의 기능은 다음과 같습니다.

  • 중공 금속 도체 내부에서 세로 자기장이 발생하며, 실린더를 둘러싼 솔레노이드로 캐패시터 뱅크를 방전한다.필드의 실린더에서 급속한 침투하는 것은, 실린더의 실린더 deforms 급속하게 닫히는 슬릿, 있다.
  • 그 폭발적인 혐의는 튜브 주변에 놓일 때, 솔레노이드를 통해 전류 최대에 있어서 실린더를 압축한 경우를 확인하기 위한 방법으로;폭발시킨 바 있다.
  • 폭발에 의해 방출되는 수렴 원통형 충격파는 중앙 실린더의 빠른 수축(1km/s 이상)을 생성하며, 위의 설명에 따라 자기장을 압축하고 유도 전류를 생성합니다(수축 속도는 첫 번째 근사치까지, 줄 손실의 무시와 t의 고려를 허용합니다).완벽한 도체로서 실린더를 사용한다.)

첫 번째 실험은 H = B/μ0 = (3s V/m2) / (4µ × 10−7s V/Am) = 2.387×106 A/M (약 2.4 MA)과 동일한 "공기"에 있는 30 kG(3 T)의 초기장이 주어졌을 때 수백만 가우스(테슬라)의 자기장을 얻을 수 있었다.

헬리컬 발전기

헬리컬 발전기는 주로 안전한 거리에 위치한 부하에 강한 전류를 공급하는 것으로 생각되었다.다단 발전기의 첫 번째 단계로 자주 사용되며, 두 번째 발전기에서 매우 강한 자기장을 생성하는 데 출구 전류가 사용됩니다.

헬리컬 제너레이터의 기능.

MK-2 제너레이터는 다음과 같이 동작합니다.

  • 금속 도체와 주변 솔레노이드 사이에 축전지의 축전지를 솔레노이드에 방전함으로써 종방향 자기장이 발생한다.
  • 전하가 점화되면 중앙 금속관 내부에 배치된 폭발물로 폭발파가 전파된다(그림의 왼쪽에서 오른쪽으로).
  • 폭발파의 압력에 의해 튜브가 변형되어 나선형으로 감긴 코일에 접하는 원뿔이 되어 단락되지 않는 회전 수를 줄이고 자기장을 압축하여 유도 전류를 생성합니다.
  • 최대 플럭스 압축 지점에서 로드 스위치가 열리며, 로드 스위치는 최대 전류를 부하로 공급합니다.

MK-2 발전기는 폭발 에너지의 최대 20%가 자기 에너지로 변환될 수 있고 전계 강도가 2 × 106 가우스(200T)에 이를 수 있기 때문에 매우 높은 에너지 자기장과 최대 108 A(100MA)의 강한 전류를 생성하는 데 특히 유용합니다.

고성능 MK-2 시스템을 실제로 실현하기 위해서는 대규모 연구팀의 기초 연구가 필요했다. 이는 1952년 최초의 MK-2 발전기의 생산과 1953년 100메가암페어 이상의 전류 달성에 이어 1956년까지 효과적으로 달성되었다.

디스크 생성기

디스크 제너레이터

DEMG 제너레이터는 다음과 같이 작동합니다.

  • 전도성 금속 디스크에 직면해 쌍으로 텅 빈 모듈, 모듈의 쌍 사이에 꽉 차 폭발적인 실린더 안에 쌓여 있과 줄무늬 원환체의 형태를 가지고 있는 것을 만들기 위해 조립되고, 모듈들의 수가 원하는 힘(수치는 15들은 기기), 뿐만 아니라 디스크의 순서에 대한 반경(에 따라 달라질 수 있[7].20(40cm까지)
  • 전류는 MK-2 제너레이터에 의해 공급되며 각 모듈 내부에 강한 자기장이 생성됩니다.
  • 시작되었을 때, 폭발은 축에서 시작하여 방사상으로 바깥쪽으로 전파되며, 삼각형 단면을 가진 원반 모양의 돌기를 변형시키고 축에서 밀어냅니다.도체의 이 섹션의 바깥쪽 움직임은 피스톤의 역할을 합니다.
  • 폭발이 진행됨에 따라 도전성 피스톤과 내면의 동시 인출에 의해 각 모듈 내부에서 자기장이 압축되어 유도전류가 생성된다.
  • 유도 전류가 최대치에 도달하면 퓨즈 개방 스위치와 로드 스위치가 동시에 닫히므로 부하에 전류가 공급됩니다(부하 스위치 작동 메커니즘은 사용 가능한 문서에서 설명되지 않음).

최대 25개의 모듈을 사용하는 시스템은 VNIIF에서 개발되었습니다.256 MA에서 100 MJ의 출력은 3개의 모듈로 구성된 직경 1m의 제너레이터에 의해 생성되었습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Solem, J. C.; Sheppard, M. G. (1997). "Experimental quantum chemistry at ultrahigh magnetic fields: Some opportunities". International Journal of Quantum Chemistry. 64 (5): 619–628. doi:10.1002/(sici)1097-461x(1997)64:5<619::aid-qua13>3.0.co;2-y.
  2. ^ Terletskii, Ia. P. (August 1957). "Production of Very Strong Magnetic Fields by Rapid Compression of Conducting Shells" (PDF). JETP. 5 (2): 301–202.
  3. ^ a b Sakharov, A. D. (7 December 1982). Collected Scientific Works. Marcel Dekker. ISBN 978-0824717148.
  4. ^ 폭발물에 의존하지 않는 다른 기술들이 존재한다.특히, 2002년 7월 8일, Gramat 연구 센터, 박사 논문, Mathias Bavay에서 사용된 플럭스 압축 스킴을 참조하십시오.
  5. ^ 사하로프, A.D.(1월 1966년)."Взрывомагнитные генераторы"(PDF).Uspekhi Fizicheskikh Nauk(러시아어로).88(4):725–734. doi:10.3367/UFNr.0088.196604e.0725.사하로프, A.D.(1966년):."Magnetoimplosive 발전기".소련 물리 Uspekhi.9(2):294–299.Bibcode:1966SvPhU...9..294S. doi:10.1070/PU1966v009n02ABEH002876.사하로프, A.D.;(알.(1991년):Republished."Взрывомагнитные генераторы"(PDF).Uspekhi Fizicheskikh Nauk(러시아어로).161(5):51–60. doi:10.3367/UFNr.0161.199105g.0051.사하로프, A.D.;(알.(1991년):."Magnetoimplosive 발전기".소련 물리 Uspekhi.34(5):387–391.Bibcode:1991SvPhU..34..385S. doi:10.1070/PU1991v034n05ABEH002495.
  6. ^ Younger, Stephen; Lindemuth, Irvin; Reinovsky, Robert; Fowler, C. Maxwell; Goforth, James; Ekdahl, Carl (1996). "Lab-to-Lab Scientific Collaborations Between Los Alamos and Arzamas-16 Using Explosive-Driven Flux Compression Generators" (PDF). Los Alamos Science (23).
  7. ^ 실제로 각 조립된 소자는 실린더로 조립될 예정인 2개의 디스크로 둘러싸인 폭발 장치에 대응하고 있으며, 이는 디스크 라인이 중공 하프 모듈에 의해 양 끝에서 종단되는 이유를 설명한다.

외부 링크