Физическая энциклопедия Том 4 - Порохов А.М.
Скачать (прямая ссылка):
I
зкивают большие напряжённости поля. В полях ;> 400 кЭ определяемое магн. полем давление ~Н2/8л. создаёт в элементах конструкции соленоидов механич, напряжения, превосходящие предел текучести Os большинства традиционно используемых для их изготовления материалов (Cu, разл. бронзы, Al и др.). Пондеро-моторные силы стремятся разорвать витки обмотки соленоида в радиальном направлении и сжимают их в осевом, разрушая изоляцию. Уменьшением длительности импульса поля можно добиться того, чтобы материал обмотки не претерпел за время импульса значит. деформации. Квазистационарные соленоиды — многовитковые системы, обладающие, как правило, большим отношением собственной индуктивности к сопротивлению, и их легко согласовать с любыми использующимися источниками тока: конденсаторными батареями, мотор-генераторами, униполярными генераторами.
Существует большое кол-во конструкций квазистацио-нарных соленоидов: однослойные и многослойные, секционированные, спиральные, часто используется конструкция биттеровского типа. Для повышения прочности конструкций применяют пропитку обмоток компаундами и используют наружные бандажи нз прочной стали и композитных материалов. Рабочие объёмы ноля соленоидов колеблются от неск. CM8 до неск. сотен см3, длительность импульсов у криогенных соленоидов, как правило, на 1 ~ 2 порядка выше, чем в тёплых. Ресурс соленоидов определяется не только механич. прочностью и тепловой стойкостью материала обмоток, но и качеством межвитковой электрич. изоляции. Из-за накопления неизбежных остаточных деформаций в материале обмоток н изоляции в процессе работы соленоидов их ресурс ограничен и составляет от неск. импульсов при макс. полях до неск. тысяч импульсов.
В ряде конструкций предложены способы, облегчающие решение проблем механич. прочности соленоидов. В конструкции с самоподдерживающимися обмотками соленоид разбивается на секции, в каждой из х-рых механич. напряжения не превышают предела прочности материала и не передаются от одной секции к другой. Суммарное воспроизводимое поле в таком соленоиде может быть МЭ. Однако при такой
конструкции резко увеличиваются размеры и вес системы и снижается эффективность использования источника энергии (доли %)- Для «бессиловых» конфигураций обмоток векторы плотности тока j и поля Я параллельны. В этом случае понде ром ото рные силы [;Н], приводящие к механич. напряжениям в витках, обращаются в иуль (для бесконечных систем). Для реальных (конечных) обмоток можно добиться существ. уменьшения действующих сил в одной части магнита, а другая его часть будет -«удерживать» (обжимать) первую. Такие «бессиловые» конфигурации преобразуют высокое давление в малой области в низкое давление, распространённое на большую область, что приводит к увеличению размеров всей системы. Простейшая «бессиловая» конфигурация представляет собой обмотку, навитую на цилиндрич. каркас под углом 45° к образующей цилкндра. В такой системе наружное азимутальное поле равно внутреннему аксиальвом у.
Сверхсил ьиые кмпульсиые магнитные поля получают чаще всего при разряде ёмкостных накопителей энергии иа одновитковые соленоиды (рис. 3). Одновптко-sue катушки, разрушающиеся при однократном исполь-аоваиии, являются иаиб. простой конструкцией для получения импульсных магн. полей в диапазоне
1-^4 МЭ. Внутр. диаметр н длина катушек обычно ее превышают 1 см. Индуктивность их мала (L ~ нГн), поэтому для генерации в иих сверхсильных полей требуются токи мегаамперного уровня. Их получают с помощью высоковольтных конденсаторных батарей с низкой собств. индуктивностью н запасаемой энергией
Рис. 3. Одновитковый соленоид, включённый в цепь конденсаторной батареи: С — конденсаторная батарея; P — разрядник; Я — сопротивление контура; L — внутренняя индуктивность контура.
W ~ IO4-T-IO8 Дж. Длительность импульсов получаемого поля т ~ 10-в~Ю-5 с, а время иарастаиия поля до макс. значения составляет обычно 0,5 н- 2 мке. Существ, роль в процессе генерации таких полей играет скин-эффект: ток концентрируется в толком слое б иа внутр. поверхности соленоида. Плотность тока может достигать очень больших величин j 3-Ю7 А/см2. Следствием этого является возникновение в материале соленоида значит, градиентов темп-ры и магн. давления. Большие величины маги, давления H2J8л, преобразующиеся в пределах глубины скин-слоя о в механич. напряжение, инициируют ударно-волновое сжатие и плас-тич. течение материала соленоида за фронтом ударной волны. Из-за мощного энерговыделения /2р в скии-слое растёт уд. сопротивление р, проникновение поля в материал соленоида приобретает нелинейный характер, токовый слой с внутр. поверхности перемещается в глубь проводника. Процесс нагрева носит адиабатич. характер. Темп-ру поверхности в этом случае можно оценить по ф-ле T = H2/8cvy я 3000 Я2, где cv — уд. теплоёмкость при пост, объёме, y — плотность материала катушки (величина // выражена в МЭ). Уже при Я — 1 МЭ поверхностный слой катушки, выполненный из тугоплавких металлов, начинает плавиться. С дальнейшим ростом поля область плавления распространяется в глубь проводника, а на его поверхности начинается испарение материала. «Волна испарения» проникает внутрь проводника, вследствие чего он теряет проводимость. Одновременно создаются условия для развития неустойчивостей на границе поле — проводник и электрич. пробоя слоя металлич. паров, образующихся вблизи поверхности соленоида (характерные времена этих процессов сравнимы с длительностью импульса поля т, а их интенсивность резко нарастает с увеличением Я). В нтоге происходит взрывообразиое разрушение материала соленоида («взрыв скин-слоя»). За время т возрастает размер области, занимаемой полем в соленоиде, увеличиваются индуктивность и сопротивление соленоида. Это приводит к нарушению линейной зависимости между Я и I (рис. 4) и пространст-
