Сильные импульсные магнитные поля в физическом эксперементе - Лагутин А.С.
ISBN: 5-283-03910-2
Скачать (прямая ссылка):
локальные перегревы материала витка, которые могут привести к его
разрушению. Например, в полях с Вт "
90 Тл и тот " 5 мкс в одновитковом медном соленоиде проявляется
67
''эффект пилы" [75], связанный с неоднородностью металла: участки с чуть
большим сопротивлением сильнее нагреваются, их сопротивление еще более
возрастает, и, наконец, достигается температура плавления. Расплавленный
металл выбрасывается магнитными силами, на его месте остаются следы в
виде дыр и зазубрин, похожих на зубья пилы. После нескольких импульсов
эти деффекты становятся столь большими, что приводят к разрушению
соленоида. Кроме того, малая собственная индуктивность одновиткового
соленоида требует создания малоиндуктивных источников энергии (чаще всего
специальных конденсаторных батарей), а характерные длительности
генерируемых полей невелики и, как правило, не превышают Юмкс.
Основная проблема, возникающая у экспериментаторов при генерации полей с
Вт " 100 Тл, - обеспечение ''стабильности" импульсного соленоида, т.е.
неизменности его геометрических размеров, что необходимо для
воспроизводимой генерации СМП. В огромной степени это зависит от
прочности и тугоплавкости материала одновиткового соленоида. Как правило,
изготавливают такие импульсные магниты в виде массивных, т.е. с большим
отношением r2Ai, витков из меди, бронзы или (и) различных сталей. К
настоящему времени в деталях известны свойства одновитковых соленоидов в
полях с Вт = 100 т 150 Тл - именно этим диапазоном ограничивается сейчас
область амплитуд, получаемых воспроизводимым образом СМП.
Воспользуемся результатами работы [76], в которой достаточно полно
изучена стабильность одновитковых соленоидов в полях с Вт до 100 Тл. В
качестве источника энергии использовалась конденсаторная батарея,
состоящая из 16 малоиндуктивных конденсаторов, каждый из которых через
собственный вакуумный разрядник подсоединялся к общему коллектору с
помощью коаксиального кабеля. Исследуемые од-новитковые соленоиды
крепились внутри массивной стальной обоймы с использованием специальных
приспособлений. Основные параметры установки таковы:
Суммарная емкость, мкФ.................... 128
Максимальное напряжение, кВ .............. 30
Запасаемая при этом энергия, кДж.......... 58
Индуктивность батареи и проводящих проводов,
нГн.................................. 5
Максимальный ток, МА ........................ 3,5
Характерная форма разряда - затухающие осцилляции с ''периодом" 2т00 *"11
мкс. Типичное значение постоянной затухания по амплитуде 2 -10s с-1.
Внутренний диаметр исследуемых соленоидов 5 мм, высота витка тоже 5 мм.
Измерения магнитного поля проводились индукционным способом (см. гл. 4).
При выборе материала, соленоида необходимо учитывать эффекты
взаимодействия интенсивного нестационарного поля с проводником. Известно,
что воздействие очень короткого импульса СМП на металл но-68
сит характер ударной нагрузки. Помимо того, возникает существенный
перегрев внутренних участков витка, что зачастую приводит к их плавлению.
Поэтому материалы, работающие в таких условиях, должны сочетать в себе
высокую стойкость к ударным нагрузкам с устойчивостью к тепловым ударам.
Чтобы сравнить ''импульсную теплостойкость" различных металлов, оценим
амплитудное значение Вт, при котором их поверхность нагревается до точки
плавления за время импульса. С достаточной степенью точности (погрешность
10-20%) для этой цели можно воспользоваться соотношением [76]
_____________
/ тгу \ Ао3ус Тцо
Вт = exp - - ]V , (2.68)
\ 2со I со
где у - коэффициент затухания; со = 7г/т00 - угловая частота; су -
теплоемкость в расчете на единицу объема; Т - температура. Это выражение
получено без учета зависимости электрического сопротивления и
теплоемкости металла от температуры. Рассчитанные по формуле (2.68)
значения Вт для различных материалов приведены в табл. 2.8.
Вещества, обладающие хорошими динамическими характеристиками, такими как
высокий предел текучести, большое сопротивление ударной нагрузке asfl
(ударная вязкость) и критическая скорость ударной нагрузки Vc (см.
подробнее в гл. 3), имеют, как правило, большую стойкость к механическим
деформациям, возникающим при ударной нагрузке. На значения этих
параметров очень сильно влияют степень чистоты материала, а также
предварительные механическая и термическая обработка. Наблюдается (см.
табл. 2.8) определенная корреляция между значениями ash и Vc. Разрушение
металла под воздействием ударной нагрузки начинается в тот момент, когда
скорость смещенная материала превысит Vc. Эту величину можно определить
либо экспериментально, либо расчетным путем из диаграммы напряжение -
деформация, полученной в статических экспериментах:
где о - механическое напряжение; е - относительная деформация,
соответствующая статической нагрузке. Зная Vс, можно определить индукцию
поля, приводящего к механическому разрушению витка:
где Vs - скорость звука в металле. Вычисленные по этой формуле значения
