/
Автор: Долотенко М.И.
Теги: электромагнетизм электромагнитное поле электродинамика теория максвелла общее машиностроение технология машиностроения электроэнергетика электротехника физика энергетика монография взрывчатые вещества генераторы магнитные поля магнитная кумуляция
ISBN: 978-5-9515-0307-7
Год: 2015
Текст
ФГУП «Российский федеральный ядерный центр — Всероссийский научно-
исследовательский институт экспериментальной физики»
М, И. Долотенко
Магнитокумулятивные генераторы МК-1
сверхсильных магнитных полей
Монография
Саров
2015
УДК 537.852:6213.027*89+621373
ББК 31.24
Д64
Долотенко, М. И.
Д 64 Магнитокумулятивные генераторы МК-1 сверхсильных магнитных полей : моно-
графия. - Саров: РФЯЦ ВНИИЭФ, 2015. - 224 с., ил.
ISBN 978-5-9515-0307-7
В книге обсуждаются вопросы, связанные с разработкой и примене-
нием уникальных устройств — взрывных магнитокумулятивных генераторов
сверхсильных магнитных полей. Описываются содержание и результаты
многолетней работы в РФЯЦ-ВНИИЭФ по развитию предложенной
А, Д. Сахаровым идеи магнитной кумуляции энергии взрывчатых веществ
до уровня физического метода получения магнитных полей многомега-
гауссного диапазона. Приведены описания и параметры физических прибо-
ров — каскадных генераторов МК-1 10- и 20-мегагауссного диапазонов. Рас-
смотрены способы применения созданных приборов в систематических ис-
следованиях в различных областях физики экстремального состояния веще-
ства.
Книга представляет интерес для научных работников и инженеров,
занимающихся исследованиями в области физики высоких плотностей энер-
гии, использующих в своей деятельности сильные магнитные поля,
а также для аспирантов и студентов старших курсов физических и энергети-
ческих специальностей.
УДК 537.852:6213.027.89+621373
ББК 31.24
ISBN 978-5-9515-0307-7
© ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2015
ПРЕДИСЛОВИЕ
Более шестидесяти лет назад возникла идея применения магнитной куму-
ляции, т, е. взрывного сжатия магнитного потока, в качестве способа преобразо-
вания химической энергии взрывчатого вещества в электромагнитную энергию
сверхвысоких амплитуды и плотности. В самом общем виде этот способ реали-
зуется в устройствах двух типов: направленный наружу взрыв используется в
мощных импульсных генераторах электромагнитной энергии, а направленный
внутрь взрыв (имплозия) применяется в генераторах сверхсильных магнитных
полей для увеличения плотности энергии* Довольно скоро целенаправленная
работа многочисленных лабораторий и исследовательских групп в различных
странах мира по развитию этой идеи привела к образованию новых направле-
ний в фундаментальной и прикладной физике — электрофизики высоких плот-
ностей энергии и мегагауссной физики.
Все эти годы, начиная с работ одного из основоположников магнитной
кумуляции, автора самого термина «магнитная кумуляция» и первых схем маг-
нитокумулятивных (МК) генераторов А. Д* Сахарова, в РФЯЦ-ВНИИЭФ не пре-
кращались (хотя и с переменной интенсивностью) работы по созданию, иссле-
дованию и применениям различных конструкций и типов МК-генераторов* Бо-
лее сорока лет назад, студентом Московского инженерно-физического институ-
та на преддипломной практике, автор данной книги был вовлечен в работы по
получению сверхсильных магнитных полей методом взрывной магнитной куму-
ляции и разработке генераторов МК-1 в составе группы сотрудников ВНИИЭФ
под руководством будущего академика Александра Ивановича Павловского* По
результатам этих работ и написана данная монография. Автор рассматривает
различные варианты генератора сверхсильного магнитного поля, объединенные,
во-первых, общим принципом действия — быстрым сжатием магнитного потока
проводящей оболочкой-лайнером и, во-вторых, обязательным наличием источ-
ника начального магнитного поля — того самого сжимаемого магнитного потока*
Первым достижением группы под руководством А* И* Павловского в маг-
нитной кумуляции стал многопроволочный многозаходный соленоид, способ-
ный создавать уникально высокие значения начального магнитного потока.
Затем возникло, было изучено и реализовано второе важное предложение —
каскадный принцип усиления магнитного поля в генераторе МК-1* К концу
1980-х гг* сотрудники группы осознали, что внесли несколько важных измене-
ний в принцип магнитокумулятивной генерации сверхсильных магнитных по-
лей, поняли, как реализовать их практически, создали работающую конструк-
цию генератора МК-1 и научились применять его в различных физических экс-
периментах* Наконец, непрерывные усилия по повышению амплитуды дости-
гаемых в генераторах МК-1 магнитных полей, обобщению и анализу результа-
тов научной деятельности группы позволили в начале 2000-х гг* окончательно
4
сформулировать исходные принципы и определить предельные возможности
метода взрывного магнитокумулятивного генерирования сверхсильных магнит-
ных полей.
Главная цель данного издания - показать истоки проблемы, возникшей на
конкретном этапе работы, ясно сформулировать задачу и показать пути ее прак-
тического решения. При этом строгость изложения теоретических основ рас-
сматриваемых процессов не играла ведущей роли для автора, так как предлагае-
мый материал предназначен в первую очередь физикам-экспериментаторам.
Автор надеется, что книга привлечет внимание специалистов, уже зани-
мающихся и приступающих к изучению фундаментальных и прикладных вопро-
сов физики высоких плотностей энергии и экстремальных состояний вещества.
Возможно, физики-теоретики обнаружат что-то новое и важное в построении
теоретических моделей реальных устройств и протекании в них физических про-
цессов, причем в плохо изученном диапазоне экстремальных значений парамет-
ров, и в требованиях экспериментаторов к теоретическим моделям. А физикам-
экспериментаторам, особенно начинающим, может быть интересно и полезно
познакомиться с нетривиальным устройством, в котором одновременно проте-
кает множество разнообразных, простых и сложных процессов из нескольких
областей физики на верхней границе диапазона параметров и за ней, — генерато-
ром сверхсильных магнитных полей МК-1; а также увидеть, как менялась глу-
бина понимания физики процессов, обеспечивающих и сопровождающих усиле-
ние магнитного поля, какие рождались и как испытывались различные техниче-
ские решения, ставились эксперименты и обрабатывались и анализировались их
результаты.
Пусть книга послужит укреплению «связи времен»: следующее поколение
воспримет наши технологии, решения и достижения и продлит жизнь главному
нашему достижению — каскадному генератору МК-1 воспроизводимых сверх-
сильных магнитных полей, который до сих пор остается единственным в мире
реальным источником полей многомегагауссного диапазона в пригодном для
применения объеме сантиметровых размеров.
Основным материалом для монографии послужили более сотни статей
и докладов, написанных и оформленных в подавляющем большинстве автором
книги, но это результат многолетнего напряженного творческого и часто успеш-
ного труда большого коллектива сотрудников Научно-технического центра фи-
зики высоких плотностей энергии и направленных потоков излучений РФЯЦ-
ВНИИЭФ, ядром которого по рассматриваемой теме является лаборатория
сверхсильных магнитных полей. Много лет лабораторию возглавлял Александр
Иванович Павловский — научный руководитель и наставник автора книги, а за-
тем его друг, коллега и фактический соавтор Александр Иванович Быков.
К этим людям автор относится с огромным уважением и выражает сердечную
благодарность за многолетнюю совместную работу. В монографии упомянуты
и многие другие сотрудники лаборатории, внесшие существенный вклад в ре-
шение различных вопросов.
5
Первым по времени и значению соавтором монографии по праву может
называться старейший, к глубокому сожалению, недавно умерший сотрудник
лаборатории Николай Павлович Колокольчиков, Он не писал отчетов, но благо-
даря своей интуиции, упорству и непрерывному поиску стал автором и соавто-
ром большинства конструкций генератора, соленоидов, проволочного компози-
та, измерительных узлов и т, д. Основной участник постановок и проведения
экспериментов, фактический стержень группы и инициатор большинства совме-
стных действии. Сотрудники НТЦФ бережно хранят память об этом выдающем-
ся человеке.
Автор также благодарит сотрудников лаборатории Ю. Н, Кузнецова,
В, Ф. Коновалова, С* И, Белова, М. В. Ломоносова, В. Г. Беляшкина и сотрудни-
ков взрывного полигона НТЦФ Г. М. Спирова, Н, Б. Лукьянова, С, В. Кирсано-
ва, Н. П. Зинина, А. С* Зайцева, А. А. Кузнецова, В. В Усанова, Е. И, Вешуткина
и многих других.
ВВЕДЕНИЕ
Магнитное поле было всегда и есть везде* Согласно самым последним
представлениям магнитное поле как одна из форм существования материи во
Вселенной возникло сразу после Большого взрыва, одновременно с возникнове-
нием заряженных частиц, Р. Шликайзер из Института теоретической физики при
Рурском университете в Бохуме (Германия) исследовал поведение заряженной
плазмы с плотностью и температурами, соответствующими тем, что существо-
вали во Вселенной до появления первых звезд, и в опубликованной 27 декабря
2012 г. статье [1] показал, как в этой плазме спонтанно возникают и флуктуиру-
ют магнитные поля* Причем если электромагнитная волна флуктуирует во вре-
мени, то фоновые магнитные поля, согласно выкладкам Шликайзера, флуктуи-
руют только в пространстве, но не во времени. Иначе говоря, они существовали
всегда.
Немного подробнее о происхождении магнитного поля и масштабе вели-
чин. Ненамагниченная нерелятивистская тепловая плазма из электронов и про-
тонов спонтанно испускает апериодические турбулентные флуктуации магнит-
ного поля. Для ненамагниченной межгалактической среды сразу после начала
реионизации напряженность поля от этого механизма оценивается в 240 16 Гс
в космических пустотах (войдах) и 240~1П Гс в протогалактиках. Далее сдвиг или
сжатие межгалактической и протогалактической среды при первых взрывах
сверхновых звезд в обширных регионах их звездных метаморфоз усиливают эти
«засеянные» поля. Они становятся неоднородными, и уже магнитные силы вос-
становления воздействуют на газовую динамику, упорядочивая и нивелируя
температуру,
В 2010 г* астрофизики Ш* Андо и А. Кусенко, изучая снимки 170 сверх-
массивных черных дыр, обнаружили [2] следы присутствия «реликтового» маг-
нитного поля* Полученное ими экспериментальное значение магнитного фона
Вселенной и значение, рассчитанное Р* Шликайзером, оказались очень близки —
порядка 1(Г16 Гс.
Переместимся из космоса на Землю* Считается, что экспериментальная
физика в современном понимании началась с опубликования в 1600 г. книги анг-
лийского врача Уильяма Гильберта (William Gilbert) под названием «De Mag-
nete» («О магните, магнитных телах и о великом магните под названием Зем-
ля»)* Многолетним трудом и на собственные средства Гильберт впервые специ-
ально поставленными физическими экспериментами доказывал выдвинутую им
же гипотезу о том, что Земля — это огромный сферический магнит [3]. Его маг-
нитное поле составляет примерно 0,3 Гс*
А теперь совсем близко к нашей сфере интересов. Магнитное поле в каче-
стве одного из наиболее эффективных средств воздействия на материю издавна
привлекало естествоиспытателей* В современной физике множество важных
7
открытий (и Нобелевских премий [4]) тем или иным образом связано с магнит-
ными полями. А поскольку новые эффекты, как правило, удается обнаружить
после расширения основного экспериментального параметра, неустанно пред-
принимаются попытки разработки и изготовления все более сильных магнитов.
По мере развития техники получения магнитного поля возникло естественное
разделение достигаемых полей на сильные (десятки и сотни кГс) и сверхсиль-
ные (единицы и десятки МГс). Если сильные поля (статические или импульс-
ные) получают в неразрушаемых устройствах, то получение сверхсильных по-
лей, давление которых превышает пределы прочности известных конструкцион-
ных материалов, возможно только в импульсном (динамическом) режиме в од-
нократном разрушаемом устройстве.
Исследования веществ в экстремальных условиях воздействия сильных
полей и потоков излучения, сверхвысоких давлений и температур имеют боль-
шое значение для технического прогресса, в области получения новых материа-
лов и овладения новыми источниками энергии. Для достижения научного про-
гресса в различных перспективных для практических применений направлениях
приходится увеличивать энергетические масштабы эксперимента и предназна-
ченных для его проведения установок. В течение последних десятилетий сфор-
мировалась и интенсивно развивается новая отрасль физики — физика высоких
плотностей энергии и непосредственно связанное с нею физическое материало-
ведение при экстремальных плотностях энергии. Прогресс в этой области на-
прямую связан с разработкой методов увеличения концентрации энергии в про-
странстве и времени.
Общий принцип большинства физических экспериментов заключается
в возмущении объекта изучения с последующим наблюдением отклика системы.
На практике наиболее удобным средством для этого оказывается магнитное по-
ле. Причиной относительной силы магнитного поля является отсутствие сво-
бодных магнитных зарядов; в противном случае их движение привело бы к ней-
трализации зарядов и свело бы к минимуму макроскопический эффект (как это
происходит с электрическими зарядами). Известно, что электрическое поле на-
пряженностью 3 кВ/мм приводит к пробою в воздухе с плотностью энергии
40 Дж/м3, а магнитное поле 10 МГс, соответствующее плотности энергии
400 кДж/м3, может создаваться воспроизводимым образом [5].
История проблемы генерирования сильных импульсных магнитных полей
началась с блестящих работ П, Л. Капицы 1920-х гг., в которых он мощным раз-
рядом емкости на одновитковый соленоид получал магнитные поля в сотни ки-
логаусс. Дальнейший существенный прогресс в этой области оказался возмож-
ным в связи с формулировкой новых идей преобразования энергии сильноточ-
ных электрических разрядов и, главным образом, химической энергии взрывча-
тых веществ в энергию магнитного поля. Для создания полей, превышающих
условную границу между сильным и сверхсильными магнитными полями -
1 МГс, потребовались исключительные технические усилия, и необходимые ре-
сурсы оказались доступны лишь очень ограниченному числу крупных научных
организаций.
8
Исторически сложилось так, что наиболее эффективный способ получения
сверхсильных магнитных полей — магнитогидродинамическое преобразование
энергии конденсированных взрывчатых веществ - был практически одновре-
менно предложен и разрабатывался в двух оружейных лабораториях - в Лос-
Аламосской национальной лаборатории США и в СССР во ВНИИЭФ, т* е* в ор-
ганизациях, накопивших к тому времени солидный опыт работы с взрывчатыми
веществами, обладавших необходимыми материальными и людскими ресурса-
ми, и где при создании атомного оружия применялся индукционный метод из-
мерения скорости ударных волн, от которого всего один шаг до идеи взрывного
сжатия магнитного потока.
В опубликованных в 2001 г, выдержках из внутреннего отчета А* Д. Саха-
рова история возникновения идеи магнитной кумуляции и предложения по ее
применению выглядят следующим образом: «В январе и в августе 1952 г. Саха-
ров А. Д. предложил два типа систем для превращения энергии взрывчатых ве-
ществ в энергию магнитного поля (названных впоследствии МК-генераторами. -
А£Д,). Система 1 типа (МК-1) подверглась, начиная со П кв. 1952 г., эксперимен-
тальному изучению... Общим в этих системах является наличие деформируе-
мых силой взрыва контуров с током индуктивность L которых уменьшается
в большое число раз. Как известно, при быстрой деформации контура полный
магнитный поток Ф = JL сохраняется, а магнитная энергия Е = L J2/2 =
возрастает обратно пропорционально L, Требуем 51/ dt» 2?, где R — сопротив-
ление контура. С точностью до численного множителя этому условию эквива-
лентно условие A = 10-Sav?3>l, где о — проводимость материала контура
в Ом-1 см-1, г — скорость сближения, I — характерный размер задачи, в случае
МК-1 - просто радиус цилиндрической полости.[6],
При соблюдении этого условия, т. е* при Ф = const, получаем для на-
пряженности магнитного поля B(t), давления p(t) и энергии магнитного по-
ля IV (Г):
В(Г) = В0(г0/г(г))\
Р(О = Рм0(ъ/г<^4 ’
W = ^(r0/r(f))2-
О t V
Далее А. Д. Сахаров пишет: «Практически возможным представляется по-
лучение полей в несколько мегагаусс.*, если не встретится каких-либо непред-
виденных трудностей*
Обсуждались три различные возможности использования магнитной
энергии:
9
а) Создание в смеси D + Т мощного газового разряда, переходящего в тер-
моядерный взрыв (Сахаров, январь 1952 г.).
б) Использование давления магнитного поля для обжатия активных заря-
дов (Сахаров, июль—ноябрь 1952 г,).
в) Использование переменных магнитных полей для ускорения заряжен-
ных частиц до сверхвысоких энергий — 109эВ и выше (Зельдович Я. Б., август
1952 г.)» [7].
А. Д. Сахаров предложил не просто идею магнитной кумуляции, но также
и реализуемую практически конструкцию генератора МК-1, Воспользовавшись
собственноручным рисунком А* Д. Сахарова (рис, 1) [6], рассмотрим принципи-
альную схему и назовем основные узлы взрывного генератора сверхсильных
магнитных полей МК-1.
Рис, 1. Принципиальная схема генератора МК-1 [6]: Ц - лайнер; Р - про-
дольная щель; СО — соленоид начального поля; ВВ — взрывчатое вещество;
ИК — измерительная катушка; ОК — осциллограф; Кб — конденсаторная
батарея; Н — силовые линии магнитного поля
Работает генератор МК-1 следующим образом. При пропускании по соле-
ноиду электрического тока от источника питания (конденсаторной батареи)
в соленоиде и в металлическом цилиндре-лайнере создается начальный магнит-
ный поток аксиального магнитного поля, В определенный момент с помощью
системы инициирования в заряде ВВ возбуждается сходящаяся волна детонации
с таким расчетом, чтобы она вышла на внутреннюю поверхность заряда в мо-
мент максимума магнитного поля в лайнере. Под действием давления продуктов
детонации лайнер схлопывается к центру и сжимает магнитный поток внутри
него. Измерение усиливаемого тем самым магнитного поля осуществляется дат-
чиками измерительного узла, в котором могут находиться также образцы иссле-
10
дуемого вещества. Необходимыми составными элементами эксперимента, непо-
средственно влияющими на его результат, являются не отмеченные на схеме
система синхронизации, контроля и управления, аппаратура регистрации сигна-
лов датчиков и т, д.
Преобразование кинетической энергии цилиндра (лайнера) в энергию
магнитного поля происходит при его торможении магнитным давлением, В ре-
зультате магнитной кумуляции энергия ВВ (химического или ядерного), перво-
начально распределенная по большому объему, оказывается сосредоточенной
в небольшом объеме в виде энергии магнитного поля. Магнитная кумуляция
энергии основана на законе электромагнитной индукции и принципиально не
отличается от обычного способа получения электрической энергии с помощью
динамо-машины. Однако физические условия, реализующиеся при высокой
плотности энергии, требуют применения мощных и энергоемких источников
энергии. Преобразование энергии наиболее мощного источника — взрыва —
в магнитную и ее концентрация открывают уникальную возможность достиже-
ния в земных условиях магнитных полей напряженностью 108—Ю9 Гс, характер-
ных для таких астрофизических объектов, как белые карлики или области вбли-
зи черных дыр звездных масс [7]*
Согласно официальной (еще советской) истории магнитной кумуляции [8]
в 1952 г, Р, 3. Людаев, Е, А, Феоктистова, Г, А, Цырков и А. А. Чвелева осуще-
ствили первый в СССР эксперимент по получению сверхсильного магнитного
поля. Начальное магнитное поле создавалось в этом эксперименте разрядом кон-
денсаторной батареи на катушку, намотанную на металлический цилиндр, раз-
резанный вдоль образующей для облегчения диффузии начального магнитного
потока. В этом опыте при начальном магнитном поле ~35 кГс было заре-
гистрировано магнитное поле МГс и таким образом продемонстрирована воз-
можность и осуществимость магнитной кумуляции энергии. Очень интересное
описание начала работ по магнитной кумуляции опубликовал Л* Н. Пляшкевич
[9]: он более конкретно и, по-видимому, наиболее близко к действительности
описывает содержание и результаты первых экспериментов по генерированию
сверхсильного магнитного поля, главный из которых — магнитная кумуляция
работает!
Важное для всего последующего содержания замечание (или предупреж-
дение), Следуя установившейся в мегагаусеном сообществе традиции, в даль-
нейшем, используя в основном систему единиц СИ, будем измерять сверхсиль-
ное магнитное поле в мегагауссах, а не в теслах, как это предписывается стан-
дартом, Дело не только в традиции: гораздо приятнее для слуха: «миллионы га-
уссов — мегагауссы», чем «сотни тесла». Коэффициенты перевода в систему
единиц СИ:
1 МГс = 100 Вб/м2 (Тл) — магнитная индукция В\
1 МЭ = 79,58 МА/м - напряженность магнитного поля Н.
Кроме того, так как при мегагауссных уровнях магнитного поля влиянием
намагниченности вещества можно пренебречь, численные значения магнитной
и
индукции В и напряженности магнитного поля Н, измеряемые в МГс и МЭ со-
ответственно, идентичны.
Далее в официальном варианте истории [8] говорится, что работы по раз-
витию исходной идеи взрывного способа генерирования сверхсильных магнит-
ных полей продолжали В. Е* Гурин, Р. 3, Людаев, А* И* Павловский,
Ю* И* Плющев, Е, Н. Смирнов, Е. А* Феоктистова, М* П. Шумаев, В, К. Черны-
шев и другие* Усилия исследователей были направлены на увеличение началь-
ного магнитного потока в генераторе МК-1, в том числе и путем использования
в качестве источника энергии начального магнитного поля магнитокумулятив-
ного генератора МК-2, на улучшение симметрии схлопывания оболочки (при-
менение неразрезной оболочки из плохо проводящей нержавеющей стали с тон-
ким медным покрытием на ее внутренней поверхности), увеличение скорости
сжатия магнитного потока, повышение надежности методик измерения и реги-
страции. В одном из экспериментов с генератором МК-1, обжимающая оболочка
которого имела начальный диаметр ~0,3 м, было зарегистрировано максималь-
ное магнитное поле *-25 МГс в области диаметром около 4 мм. Коэффициент
сохранения магнитного потока (отношение конечного потока к начальному) со-
ставил при этом ~30 % [8]*
Заметную роль в истории магнитной кумуляции сыграла небольшая теоре-
тическая статья Я* П* Терлецкого 1957 г* о сжатии медной сферы с магнитным
потоком внутри взрывом и использовании сверхсильного магнитного поля для
ускорения заряженных частиц [10]* Подробно (в открытой форме) советская на-
учная общественность ознакомилась с идеей магнитной кумуляции и схемами
МК-генераторов по двум более поздним основополагающим статьям (А. Д* Са-
харов и др*, 1965) [11, 12]. Статья Терлецкого, по-видимому, показала американ-
цам, что в СССР известно о взрывном сжатии потока и помогла им в свою очередь
получить разрешение на открытую публикацию результатов уже в 1960 г* [13].
Американская программа работ по генерированию сверхсильных маг-
нитных полей взрывным способом началась независимо примерно в то же
время, что и в СССР, и выполнялась группой GMX-6 в Лос-Аламосской ла-
боратории в составе Кларенса (Макса) Фаулера, Уильяма Гэрна, Роберта
Кэйрда и др, [14]. В своей первой публикации они сообщили о достижении
магнитного поля >14 МГс в эксперименте с разрезной оболочкой с начальным
диаметром ~0,07 м и катушкой начального магнитного поля внутри нее [13]*
Фаулер с коллегами создавал мощный источник нейтронного импульса [15],
для чего было предложено генерировать дейтерий-тритиевую плазму в на-
чальном магнитном поле внутри цилиндрического тонкостенного лайнера,
а последующее взрывное схлопывание лайнера сожмет и поле, и плазму. Ожи-
дался большой нейтронный выход в случае изэнтропического сжатия плазмы*
Публикация в 1960 г* результатов исследователей Лос-Аламосской лабо-
ратории вызвала интенсивное развитие работ по магнитной кумуляции в лабора-
ториях многих стран. По мнению Фаулера, такие планы по созданию «чистого
синтеза» были главным поводом для большинства проектов взрывного сжатия
12
потока: «Говорили, это было мечтой Сахарова, который считается основопо-
ложником русского направления, эта же мечта была в основе работ во Фраска-
ти» (Лаборатория ионизованных газов Евроатома* - МД.) [15]. «Главным сти-
мулом этих работ была надежда на быстрый успех в решении задачи импульс-
ного термоядерного синтеза», — вспоминал А. И. Павловский [16]*
Работы по взрывной генерации сверхсильных магнитных полей некоторое
время вели также группа Ж. Безансона во Франции (Лимейль) [17]» группа
Г. Кнопфеля и Ф, Герлаха в Италии в Лаборатории ионизованных газов (Фрас-
кати) [18], группа .Я. Накагавы в Японии [19]* В частности, в работах француз-
ских исследователей сообщалось о магнитных полях порядка ЮМГс [20]* За
рубежом этот метод генерирования сверхсильных магнитных полей получил
название «взрывное сжатие потока» (explosive flux compression).
Многолетнюю историю развития магнитной кумуляции как одного из на-
правлений современной физики высоких плотностей энергии можно проследить
по многочисленным международным конференциям, В первую очередь это ка-
сается мегагауссных конференций, объединяющих и регулярно собирающих
вместе членов международного мегагауссного сообщества начиная с 1-й конфе-
ренции во Фраскати в 1965 г, и кончая 14-й в 2012 г, на Мауи (Гавайи, США)
[21—34]* К этому списку надо, безусловно, добавить конференцию 2006 г* в Сан-
та-Фе (Нью-Мексико, США), организованную Мегагауссним институтом [35], и
ряд конференций по импульсной мощности (Pulsed Power) последних двух-трех
десятилетий. Конечно, большая часть этого материала представляет сейчас
только исторический интерес: очень часто многообещающие вначале направле-
ния не находили впоследствии развития и применения; с другой стороны, ко
многим нереализованным идеям неоднократно возвращались на более высоком
уровне развития технологий.
На ранних этапах развития магнитной кумуляции зачастую было трудно
или просто невозможно опубликовать сведения о достигнутых результатах
в открытой печати. Некоторые авторитетные и опытные участники многолет-
ней работы в этой области только теперь публикуют свои воспоминания об
этом периоде [36—38], составлены обстоятельные обзоры состояния работ на
момент публикации [39-49]. В последнее время опубликованы результаты,
достигнутые ВНИИЭФ в области магнитной кумуляции [50-53]* Известные
монографии на тему получения сильных и сверхсильных магнитных полей
и применения их в мегагауссной физике [54—61] дают достаточно полное пред-
ставление о состоянии дел в этом направлении* Особого упоминания заслужи-
вают составленный Г* А, Швецовым библиографический указатель литературы
по сверхсильным магнитным полям за 1924—1985 гг, [62] и выдающаяся по
широте охватываемых вопросов и необходимая для начального ознакомления
с техникой получения сильных магнитных полей вообще и с взрывной магнит-
13
ной кумуляцией в частности монография Г. Кнопфеля [63]» переведенная на
русский язык1.
Итоги первого этапа работ по изучению взрывного способа генерирования
сверхсильных магнитных полей и его предельных возможностей подвела
I Международная конференция по мегагауссным магнитным полям, проведен-
ная во Фраскати в сентябре 1965 г, [21]. На конференции было достигнуто по-
нимание того, что магнитные поля <5 МГс соответствуют пределу надежной
работы известных генераторов сверхсильных магнитных полей; об этом напом-
нил Ф* Герлах в обзорном докладе, открывшем следующую, П Мегагауссную
конференцию в 1979 г, в США [22],
Действительно, обзор опубликованных результатов работ показал, что ре-
кордные значения зарегистрированных магнитных полей, о которых сообщалось
в первых публикациях, оказались практически невоспроизводимыми. Показа-
тельными в этом плане являются работы группы Макса Фаулера из Лос-
Аламоса. Если в первой работе (1960 г.) сообщалось о полях >14 МГс, то в ста-
тье, опубликованной через шесть лет (1966 г.) и посвященной физическим ис-
следованиям в сверхсильных магнитных полях, речь шла уже о полях ~4 МГс,
получаемых в объеме диаметром 3,2 мм [64], а в докладе на I Мегагауссной
конференции во Фраскати — о полях 5-6 МГс в объеме диаметром ~2,6 мм [65].
И в более поздних публикациях, например в обзоре, озаглавленном «Мегагаусс-
ная физика», Фаулер не смог сообщить ничего нового и сослался лишь на ту,
самую первую свою работу [66]. Напомним, что осуществленная группой
Г. Кнопфеля попытка воспроизвести рекордные результаты американских авто-
ров, полностью скопировав их генератор, не привела к положительному резуль-
тату. Достигнутые магнитные поля не превышали 5 МГс в объеме диаметром
2,5 мм [46].
Примерно такая же ситуация наблюдалась и с результатами французских
исследователей, еще в начале 1970-х гт. сообщавших о воспроизводимом гене-
рировании полей 10-12 МГс в объеме диаметром 8 мм [20], а в более поздних
публикациях говорилось лишь о возможности получения магнитных полей до
1 В 2001 г. лаборатория сверхсильных магнитных полей НТЦФ получила от
Г, Кнопфеля новую книгу [55], Это расширенный и дополненный в теоретическом ас-
пекте вариант монографии [63], пока не переведенный на русский язык и быстро став-
ший библиографической редкостью. По заявлению Г, Кнопфеля, это учебный курс по
магнитным аспектам классической электромагнитной теории, предназначенный для фи-
зиков и инженеров, работающих с магнитными полями. Это издание - нечто среднее
между теоретической монографией и практическим руководством; оно раскрывает ши-
рокий спектр Практических задач — от генерации магнитных полей различными катуш-
ками, магнитомеханических и термических эффектов в компонентах различных уст-
ройств, магнитогидродинамики генерирования сверхсильных магнитных полей до меха-
низмов магнитного ускорения и траекторий заряженных частиц и снарядов.
Во многом книга дополняет теоретический материал издания «Сильные импульс-
ные магнитные поля# [63], которое остается полезным дополнительным источником
информации при решении многих специфических задач.
14
4 МГс [67, 68], Наконец, в публикациях позже начавших работы в этой области
японской группы Накагавы и польской группы говорится о магнитных полях до
4 МГс [19, 69],
Отдельного разъяснения требует трудный из-за большой временной дис-
танции вопрос о рекордном поле 25 МГс из статьи А, Д, Сахарова и др. [11], Че-
рез много лет в статьях А, И, Павловского [7, 8] повторялось сообщение о полу-
чении такого поля, но при этом приводились параметры генераторов из других
(не рекордного) экспериментов, В недавно вышедшей из печати монографии
коллектива авторов из РФЯЦ-ВНИИЭФ о МК-генераторах энергии [70] сообща-
ется, что публикация Сахарова о рекордных 25 МГс готовилась срочно к пред-
стоящей в Италии конференции и времени на проверку не было. В «рекордном»
опыте Р, 3. Людаева на стальном лайнере диаметром 150 мм наматывался соле-
ноид из широкой ленты медной фольги. Начальное поле в опыте было лишь
20 кГс. «Результата 25 МГс быть не могло* Как выяснилось позже, была допу-
щена ошибка при обработке экспериментальных результатов. При повторении
опыта было зарегистрировано поле всего 1,5 МГс» [70, с. 74].
На П Мегагауссной конференции (1979 г.) взрывному способу генериро-
вания сверхсильных магнитных полей было посвящено лишь два доклада зару-
бежных исследователей, и касались они получения полей порядка 1 МГс [22],
По-видимому, трудности на пути реализации потенциальных возможностей маг-
нитной кумуляции стали причиной свертывания работ в этой области в боль-
шинстве зарубежных лабораторий.
Таким образом, из приведенного краткого обзора работ, посвященных
взрывному генерированию сверхсильных магнитных полей, видно, что на на-
чальном этапе, когда изучались первые конструкции генераторов и основное
внимание уделялось их предельным возможностям, объявлялось о достижении
полей порядка 10 МГс* При этом основной и в подавляющем большинстве работ
единственной методикой измерений магнитного поля была индукционная мето-
дика, которая дает надежные результаты только на раннем этапе работы
МК-генератора, В ряде работ декларируемые авторами максимальные значения
получались экстраполяцией результатов измерений, выполненных на начальной
стадии работы генератора. Дальнейшие исследования в этой области, сопровож-
давшиеся совершенствованием методик измерения, привели к значительному
снижению уровня максимальных значений надежно получаемых магнитных по-
лей и переоценке полученных ранее результатов.
Однако основной причиной сложившейся ситуации является, по-
видимому, плохая воспроизводимость работы известных генераторов. Отраже-
нием этой ситуации является практически полное отсутствие физических иссле-
дований, выполненных в магнитных полях, генерируемых взрывным способом.
Среди них можно отметить впечатляющие для того времени исследования эф-
фекта Фарадея и эффекта Зеемана в полях до 5 МГс [64, 65] и ряд публикаций об
исследованиях изэнтропической сжимаемости веществ, выполненных в Ливер-
морской лаборатории группой Р, Хоука [71—73]. По утверждению авторов, эти
исследования проводились в магнитных полях до 10 МГс с генератором
15
М. Фаулера* Однако единственным основанием для такого утверждения, на-
сколько можно судить по публикациям, являлись результаты одномерных маг-
нитогидродинамических расчетов, точность которых и соответствие реальности
в то время были, по-видимому, невысоки*
В своей лекции, прочитанной в Международной школе физиков
им. Э* Ферми (Варенна, 1969) по вопросам создания высоких концентраций
энергии и изучения свойств вещества при таких концентрациях, Г* Кнопфель
приводит такую же оценку этой ситуации. Далее он указывает: «Создание маг-
нитных полей напряженностью ~10 МГс при конечном диаметре см (размер,
необходимый для обеспечения приемлемой воспроизводимости результатов),
по-видимому, возможно, но это требует колоссальных экспериментальных
и технических усилий» [74].
Именно в это время повсеместного сокращения и прекращения работ по
получению сверхсильных магнитных полей (в начале 1970-х гт.) А* И. Пав-
ловский собрал под своим руководством группу молодых специалистов
(Н* П* Колокольчиков, О* М* Таценко, М* И* Долотенко, А* И. Быков) с целью
поисковых исследований в этой области*
В процессе работы постепенно оформилась основная цель: не просто и не
только изучение процесса магнитной кумуляции и стремление эксперименталь-
но получить и достоверно зарегистрировать как можно большее магнитное поле,
но сделать возможным проведение исследований в этом поле, создать для этого
физический инструмент — источник поля, удобный для применений и обеспечи-
вающий, несмотря на естественную для взрывного устройства однократность
работы, воспроизводимость (повторяемость) в каждом отдельном эксперименте
условий, в которых находится объект исследования* Превратить принцип маг-
нитной кумуляции в физический метод — в этом заключалась основа методоло-
гического подхода группы А* И* Павловского к решению проблемы получения
сверхсильных магнитных полей.
В многолетней, временами очень активной, содержательной и часто ре-
зультативной работе под общим названием «Разработка и применение генерато-
ров МК-1» были задействованы помимо названных членов группы
А. И. Павловского сотрудники многих отделов и отделений ВНИИЭФ — от лабо-
рантов до руководителей подразделений: они участвовали в изготовлении моде-
лей генераторов, разработке измерительных методик, подготовке и проведении
натурных взрывных экспериментов, планировании и подготовке исследований.
Ретроспективный взгляд на выполненную работу позволяет выделить следую-
щие основные этапы изучения и развития магнитокумулятивного метода гене-
рирования сверхсильных магнитных полей:
— изучение возможности повышения напряженности генерируемых маг-
нитных полей за счет увеличения начального магнитного потока;
— цикл исследований, определивший критическое ограничение магнитной
кумуляции, - нарушение устойчивости сжатия потока сверхсильного магнитно-
го поля оболочкой;
16
— решение проблемы стабилизации процесса кумуляции энергии путем
сжатия магнитного потока системой коаксиальных оболочек (каскадов) с не-
обычными свойствами;
— развитие каскадного принципа усиления магнитного поля в конструкци-
ях генераторов рекордных воспроизводимых магнитных полей;
— доведение созданных конструкции до уровня серийного прибора с пре-
дельными характеристиками;
— исследование и анализ предельных возможностей каскадного генератора
МК-1;
— изучение возможности и предложений по реализации магнитной куму-
ляции энергии атомного взрыва;
— проведение исследований в различных областях физики твердого тела
и физики высоких плотностей энергии с использованием разработанных генера-
торов МК-1 в недоступном ранее диапазоне магнитных полей.
Выполнение комплекса исследований по увеличению устойчиво получае-
мых магнитных полей сопровождалось созданием и совершенствованием значи-
тельного объема расчетных и методических разработок, включая совершенство-
вание одномерных магнитогидродинамических расчетов, создание оптической
методики регистрации сверхсильных магнитных полей, основанной на эффекте
Фарадея, с линейными характеристиками и высоким временным разрешением
измерительного тракта, развитие метода импульсной рентгенографии с исполь-
зованием импульсного безжелезного бетатрона и скоростной фотосъемки, в том
числе с применением лазерного излучения, развитие математических методов
обработки полутоновых изображений. Тем самым была решена одна из основ-
ных и принципиальных трудностей, связанная с получением достоверной ин-
формации о процессах при кумуляции энергии в условиях взрыва, быстропере-
менных магнитных полей с помощью датчиков, расположенных в области дав-
лений, сравнимых с давлением в центре Земли, и подвергавшихся воздействиям
интенсивных потоков испаренного вещества, электромагнитного и теплового
излучения, ударных волн. Исключительным преимуществом в этих условиях
обладают оптические методы измерений с использованием лазерного излучения
как для измерения сверхсильных магнитных полей, так и для зондирования
внутренней полости.
Приводимый далее обзор содержания и результатов работы группы
А. И. Павловского показывает, что трудная и важная задача продвижения за
20 МГс верхней границы используемого в фундаментальных и прикладных ис-
следованиях диапазона магнитных полей решена, достигнута плотность элек-
тромагнитной энергии >1,5 МДж/см3, т. е* в сотни раз выше плотности химиче-
ской энергии взрывчатых веществ, - чрезвычайно важный результат для физики
высоких плотностей энергии. Сверхсильные магнитные поля этого уровня по-
зволяют проникнуть в область нелинейных свойств вещества, где теория твердо-
го тела может быть проверена в экстремальных условиях. Широкие перспективы
открывают сверхсильные магнитные поля в области физики плазмы, изучения
различных способов осуществления управляемого термоядерного синтеза, соз-
17
дания сильных ударных волн, генерации электромагнитного излучения, ускоре-
ния тел до больших скоростей. Многомегагауссному магнитному полю соответ-
ствует давление мегабарного диапазона, что в сочетании с изэнтропичностью
процесса сжатия вещества давлением магнитного поля открывает уникальную
возможность поиска новых веществ и изучения свойств веществ при таких экс-
тремальных условиях* Наконец, исследования самой магнитной кумуляции
энергии позволяют понять трудности и ограничения на пути получения высоких
плотностей энергии другими способами.
Подготавливая к печати данную монографию, автор считал своей важной
(и почетной!) обязанностью рассказать о том, что делалось, как делалось, что
получилось или не получилось и почему, поделиться накопленными знаниями
и опытом с настоящими и будущими коллегами по физике высоких плотностей
энергии вообще и в исследованиях в сверхсильных магнитных полях - в частно-
сти* Взрывной магнитокумулятивный метод генерирования сверхсильных маг-
нитных полей, процесс его разработки и результаты его исследования, описание
созданных на его основе каскадных генераторов МК-1 — источников многомега-
гауссных полей — предмет, содержание и главная цель данной книги.
Глава I
ОБЗОР ВАРИАНТОВ КОНСТРУК
II515
ГЕНЕРАТОРОВ МК-1
Рассматривая предложенный А. Д. Сахаровым метод получения сверх-
сильных магнитных полей магнитной кумуляцией (сжатием магнитного потока),
мы увидим, что принципиально он описал очень простое устройство: источник
первичной энергии - узел сжатия лайнера, источник начального магнитного по-
тока и единственный движущийся проводник — лайнер. Тем не менее углублен-
ное рассмотрение отдельных узлов МК-генератора магнитных полей и истории
их создания и исследования позволяет выделить несколько типов (вариантов)
генератора МК-1.
1.1. Невзрывные способы ускорения лайнера генератора МК-1
Почти любой способ ускорения лайнера до достаточно большой скорости
можно, в принципе, применять для сжатия потока. Для оценки нужных для этого
проводимости и скорости лайнера рассмотрим упрощенный до идеальности
процесс сжатия магнитного потока в полости с характерным размером Xq охва-
тывающим полость лайнером с постоянной проводимостью материала лайнера
q0 . Лайнер сжимает полость с постоянной скоростью г0, и одновременно про-
исходит диффузия магнитного поля из полости в лайнер с коэффициентом диф-
фузии =1Даоц). Для оценки сохранения магнитного потока в полости вво-
дится магнитное число Рейнольдса Rem = xovo/&Q, которое можно считать от-
ношением времени диффузии потока из полости ^х^Д0^ ко времени сжатия
(xo/vo)’ Чем больше Rem, тем меньше диффузионные потери. Для хорошего
сохранения потока Rem должно быть на порядки более единицы, лайнер из ме-
талла (с металлической проводимостью) диаметром порядка 10 см должен сжи-
мать магнитный поток со скоростью лайнера более 100 м/с. «Магнитная куму-
ляция предпочитает большие размеры, скорости и проводимости», — говорил
А, Великович [75].
Среди очень небольшого числа невзрывных способов ускорения лайнера,
описанных в научной литературе, есть достаточно экзотический и, по-видимому,
так и не осуществленный практически предложенный Е. П. Велиховым с со-
трудниками [76] способ ускорения тонкостенного медного лайнера давлением
газа с помощью импульсного напуска газа высокого (до 2000 атм) давления.
Еще со времени проведения I Мегагауссной конференции периодически
обсуждаются предложения по так называемому Z-0-пинчу - сжатию потока ак-
сиального магнитного поля цилиндрическим лайнером, сжимаемым магнитным
19
полем тока Z-пинча по лайнеру» являющемуся нагрузкой соответствующего уст-
ройства импульсной мощности [77—82]* Новейший пример - схема подобного
устройства для исследований замагниченного лайнерного инерциального синте-
за MagLIF на установке ZR Сандийских национальных лабораторий (США), ко-
торая в общем виде представлена на рис. 2,а (см* также цв* вкл*), а на рис* 2,6, —
внешний вид нагрузки, на котором выделяется пара катушек начального маг-
нитного поля*
-6-4 -2 0 2 4 6 -
а 6
Рис. 2. Схема (а) и внешний вид (б) устройства MagLIF по сжатию магнитного потока
внутри лайнера током Z-пинча установки ZR* На схеме показаны силовые линии началь-
ного магнитного поля, пара катушек для создания которого видна на фотографии
Главная цель таких предложений — сжимать лайнер с плазмой и с акси-
альным начальным магнитным полем внутри давлением магнитного поля
Z-пинча тока по лайнеру снаружи, тем самым с помощью усиленного до мно-
гомегауссных значений поля (десятки, а лучше сотни МГс — согласно расчетам
авторов) приблизиться к условиям термоядерного зажигания плазмы внутри
лайнера [80-83]. Реальных практических результатов пока нет, напряженность
измеренного в одном из ранних экспериментов [80] магнитного поля не превы-
шала 2 МГс, что намного меньше расчетных 42 МГс.
Еще один требующий хотя бы самого краткого упоминания источник пер-
вичной энергии лайнера — лазерное излучение, т. е. метод достижения десятков
мегагаусс сжатием лайнера давлением абляции материала лайнера с наружной
поверхности под действием высокоинтенсивного (>1014 Вт/см2) лазерного им-
пульса [84]* Готчевым О* В. и др* [85] был предложен «новый» подход к магни-
тоинерциальному термоядерному синтезу, в котором потери на теплопровод-
ность из горячей сжимаемой мишени ограничены усиливаемым магнитным по-
лем* Импульс мощного лазера OMEGA (60 лучей, 30 кДж) Рочестерского уни-
верситета сжимает давлением абляции цилиндрическую мишень из СН, запол-
ненную газом дейтерия, с созданным в ее полости от специального импульсного
генератора (подробнее см* ниже) сильным (>50 кГс) начальным магнитным по-
лем (рис* 3, см* также цв* вкл*)* Это магнитное поле вмораживается в ударно-
20
нагретый газ заполнения и сжимается схлопывающейся с большой скоростью
оболочкой с минимальными резистивными потерями.
Для оценки максимального магнитного поля в области сжатия применен
метод протонной дефлектометр ни с использованием 14,7 МэВ протонов — про-
дуктов реакции синтеза из облучаемой мощным лазерным импульсом D3He ми-
шени. Линейно усредненное значение поля оказалось в пределах 30-40 МГс
(расчетное значение максимального поля - около 100 МГс [86]). В эксперименте
со сферической мишенью и аксиальным начальным магнитным полем 80кГс
зафиксировано увеличение нейтронного выхода на (30 ± 12) % и ионной темпе-
ратуры на (15 ± 4) % несмотря на очевидное ограничение эффекта магнитного
поля его двумерностью для трехмерно сжимаемой сферической мишени [87].
а б
Рис. 3. Схема сжатия магнитного потока испарением внешней поверхности лайнера
мощным импульсом света (а) и снимок лайнера и пары катушек начального поля (б) [85]
Однако самым экзотическим и предельным по своим возможностям ис-
точником энергии до настоящего времени является атомный взрыв, который, как
известно, обеспечивает скорости оболочек 100-500 км/с, и, следовательно, уве-
личивается значение предельно достижимого магнитного поля. Сделанные в
группе А, И. Павловского достаточно реалистичные оценки показывают, что
энергии атомного взрыва эквивалентной мощностью -100 т ТНТ достаточно для
преобразования с эффективностью -0,5 % в энергию магнитного поля -109 Гс в
объеме диаметром 1 мм и длиной 10 см [88]* Разворачивались работы по плани-
рованию, организации и непосредственной подготовке эксперимента с атомным
МК-генератором в качестве сопутствующего к одному из планируемых подзем-
ных испытаний ядерного заряда* Были выполнены необходимые расчеты (груп-
па С. А, Холина), предложена и обоснована схема эксперимента, выбран источ-
ник энергии начального магнитного поля, выпущены чертежи каскадного гене-
21
ратора МК-1 с узлом дожатая, запланированы эксперименты по отработке мето-
дик измерения. К сожалению, эта работа осталась незаконченной из-за прекра-
щения ядерных испытаний.
1.2. Магнитодинамическое сжатие потока
Отдельного внимания заслуживает магнитодинамический (или электро-
магнитный) способ сжатия потока, наиболее успешно развиваемый (и приме-
няемый!) до настоящего времени в Японии. Использовать магнитное поле для
сжатия металлического лайнера впервые предложил Кнейр [89], который ис-
пользовал разряд конденсаторной батареи на массивный одновитковый солено-
ид с соосно расположенной внутри соленоида тонкостенной металлической
трубкой-лайнером. Начальное поле в трубке создавалось либо диффузией поля
соленоида в трубку, либо расположенной снаружи парой катушек Гельмгольца.
Сжатием трубки с полем давлением более сильного вначале поля между трубкой
и соленоидом Кнейр смог получить более 1 МГс.
Эскиз установки для получения сверхсильных магнитных полей электро-
магнитным сжатием потока аксиального магнитного поля, собранной и приме-
нявшейся Нобору Миурой, а затем, после его ухода на пенсию, С* Такеямой [90]
в специально организованной Международной лаборатории мегагауссной науки
Института физики твердых тел (TMGSL-ISSP) при Токийском университете,
приведен на рис. 4.
ток
Рис. 4. Схема устройства электромагнитной кумуляции
сверхсильного магнитного поля [91]
22
Начальный магнитный поток в медном лайнере создается медленной па-
рой катушек Гельмгольца. В момент максимума начального поля разрядом ем-
костной батареи на одновитковый силовой первичный соленоид лайнер сжима-
ется давлением магнитного поля между лайнером и соленоидом. На рис. 5 при-
ведены запись сигнала усиления магнитной индукции, фотография силового со-
леноида в исходном состоянии и несколько фотографий в проходящем свете
схлопывающегося лайнера в разные моменты времени [92],
30 32 34 36 38 40 42 44 46
Время, мкс
Рис, 5. Усиление магнитного поля и схлопывание лайнера
в устройстве электромагнитного сжатия магнитного пото-
ка лаборатории IMGSL-ISSP Токийского университета
Среди достижений лаборатории IMGSL-ISSP - регистрация рекордного
для невзрывных лабораторий магнитного поля 7,3 МГс, тщательная и глубокая
разработка узлов установки электромагнитного сжатия — формы, размеров, кон-
струкции первичного одновиткового соленоида, его крепления и подсоединения
к конденсаторной батареи, методов измерения поля в лайнере и различных ди-
агностик параметров исследуемых образцов, численных моделей устройства
и т. д. Вероятно, самое важное достижение и отличительная особенность этой
организации — систематическое практическое применение созданных в лабора-
тории устройств сильных магнитных полей в исследованиях свойств веществ [93]*
В подробном обзорном докладе С* Такеямы на ХШ Мегагауссной конференции
в Пекине приведен график зарегистрированных значений конечного магнитного
поля в установке в огромном числе разрядов в течение 1985—2010 гг. [91]. По-
строенная на рис. 6 огибающая экспериментальных значений конечного поля
нацелена на достижение верхнего края 10 МГс диапазона к 2020 г. Работы по
совершенствованию установки продолжаются* В частности, показано, что обли-
цовка медью изнутри витка стального первичного соленоида увеличила эффек-
тивность преобразования электромагнитной энергии с 4 до 8 %; приведены за-
висимость конечного поля от начального и зависимость магнитной индукции
23
в полости лайнера от его диаметра для двух размеров первичного соленоида и,
соответственно, лайнера.
1984 1989 1994 1999 2004 2009 2014 2019
Годы
Рис. 6. Максимальные значения магнитного поля в установке электромагнитного
сжатия лайнера лаборатории IMGSL-ISSP, полученные в процессе эксплуатации
Рис. 7. Влияние медного секционированного концентратора потока (1) на симмет-
рию схлопывания тонкого медного лайнера (2) магнитным полем одновиткового
стального (3) соленоида
Принципиальную для этого метода получения сверхсильных магнитных
полей проблему представляет щель между выводами одновиткового соленоида:
она нарушает симметричность магнитного поля в зазоре между витком и лай-
нером, приводя к нарушению симметрии формы схлопывающегося лайнера
и образованию неустойчивостей формы лайнера в конце процесса сжатия потока
(основная причина разброса максимальных значений магнитного поля в устрой-
стве). Совместно с Ф. Герлахом сотрудники лаборатории исследовали возмож-
ность улучшения симметрии схлопывания введением разбитых на несколько
(в данном случае на 6) секций концентратора потока (рис. 7) [91], Влияния щели
не заметно, но концентратор существенно уменьшил полезный объем внутри
витка и, следовательно, максимальное поле.
24
Большое внимание лаборатория IMGSL-ISSP уделяет получению и приме-
нению импульсных магнитных полей умеренных (1—2 МГе) значений в частично
разрушаемых одновитковых соленоидах разных начальных размеров вертикаль-
ного и горизонтального расположения, используемых для криотемпературных
измерений намагниченности и регистрации спектра поглощения соответственно
[93].
1,3. Детонация заряда ВВ во взрывном генераторе МК-1
Краткий обзор возможных способов сжатия лайнера закончим самым тра-
диционным для взрывной магнитной кумуляции источником энергии — кольце-
вым зарядом химического взрывчатого вещества. Для получения общего пред-
ставления о применяющихся во взрывных генераторах взрывчатых веществах
(ВВ) приведем несколько важных характеристик одного из самых мощных ВВ -
РВХ 9501 (в американском обозначении): массовая плотность 1,84 г/см3, ско-
рость детонации 8,8 км/с, энергия детонации 11 кДж/см3, плотность потока энер-
гии (детонационная скорость, умноженная на энергию) 9,7 ГВт/см2, Давление
за фронтом ударной волны (Чепмена - Жуге) 37 ГПа (370 кбар), Подробные све-
Y/DETCNATOR
SHEET EXPLOSIVE
4lELD PROBE
Рис. 8. МК-генератор «Тор-Hat» с одним
детонатором, листами пластического ВВ
и лайнером из нержавеющей стали [92]
дения о российских ВВ можно найти в
справочном издании «Взрывчатые ве-
щества» [94].
Для работы с взрывными уст-
ройствами необходимы развитая взрыв-
ная техника, технология и опыт безо-
пасной работы. Технически наиболее
сложной проблемой является создание
сходящейся цилиндрической детона-
ционной волны, особенно если учесть
требование минимального отклонения
от среднего радиуса детонации (от
круга), определяющее радиальную
симметрию схлопывания лайнера.
Требование к однородности волны де-
тонации вдоль оси цилиндра менее
жесткое, чем по окружности: оно оп-
ределяет продольный размер однород-
ности усиливаемого магнитного поля.
Это снижение требований было ис-
пользовано в одной из самых простых
и дешевых конструкций МК-гене-
раторов, созданных еще в 1960-е гг, в
Иллинойсском технологическом ин-
ституте (рис. 8) [92], На внешнюю по-
верхность цилиндра из нержавеющей
25
стали наматывались несколько витков листового пластического ВВ; первый ви-
ток ВВ был много длиннее лайнера, на дальнем конце он замыкался диском из
такого же листа ВВ; в центре крепился единственный детонатор. Волна детона-
ции двигалась от центра диска к его краю, затем по длинной части первого витка
к основному заряду, инициируя его по окружности. Как видно из рис. 8, лайнер
схлопывался симметрично по окружности, но неоднородно по длине, в резуль-
тате чего однородная область сжатого магнитного поля оказалась очень корот-
кой, Этот факт, а также ограниченный с одной стороны доступ к объему с полем
— основные недостатки конструкции.
В монографии Г. Кнопфеля [63] приведены несколько возможных спосо-
бов инициирования кольцевого заряда ВВ (рис* 9). Практика показала, что са-
мым эффективным, т, е. с наименьшими отклонениями формы волны детонации
от правильного цилиндра, является многоточечное инициирование внешней по-
верхности заряда (например, большим количеством равномерно расположенных
по поверхности точечных детонаторов). Главное требование к такой системе
инициирования - как можно меньший разброс времени срабатывания детонато-
ров. Известны схемы дискретного многоточечного инициирования цилиндра ВВ
небольшим числом детонаторов (рис* 10) [95].
Lmear Generators
Рис. 9. Несколько возможных способов инициирова- Рис. 10, Схема одновременного
ния заряда ВВ для цилиндрического сжатия магнит- многоточечного инициирования
но го потока [63] внешней поверхности цилиндра
ВВ: 1 - заряд ВВ, 2 - полоски
пластического ВВ, 3 — электроде-
тонатор
26
Один из примеров — недавно разработанное достаточно высокотехноло-
гичное устройство, состоящее из 240 так называемых «слапперных» (англ.
slapper — шлепок) детонаторов [96], На рис. 11 показан внешний вид этого уст-
ройства, состоящего из расположенных по окружности четырех квадрантов по
60 детонаторов; каждый квадрант запитывается разрядом емкости 1 мкФ, заря-
женной до 9,5 кВ (пленку с детонаторами можно укладывать на поверхность
произвольной кривизны).
Рис. 11. Устройство, состоящее из «слаппер-
ных» детонаторов, инициирующих цилиндри-
ческую волну детонации [96]
Обращаясь к опыту РФЯЦ-ВНИИЭФ по разработке заряда ВВ для генера-
тора МК-1, рассмотрим процедуру определения одной из важнейших характери-
стик системы инициирования — разновременности моментов инициирования.
В модифицированном заряде ВВ инициирование осуществлялось по 48 обра-
зующим с помощью 16 элементов многоточечного инициирования, в каждом из
которых 192 инициирующие точки (12 линейных инициаторов, депонируемых
в 16 точках). Так как элементы из пенопласта приклеиваются к кольцу ВВ, было
экспериментально определено влияние толщины слоя клея на детонацию ВВ
и разновременность инициирования. На рис. 12, а показаны полученные фото-
хронограммы, из которых видно, что ВВ детонирует даже при толщине клеевого
слоя 0,6 мм.
Разновременность работы элемента инициирования была эксперименталь-
но определена в трех опытах, в которых скоростным фотографированием реги-
стрировался момент выхода волны детонации из каждой точки элемента
(рис* 12,6), Количественные данные о разновременности инициирования — это
результат обработки экспериментальных данных, в ходе которой время сраба-
тывания линейного инициатора усреднялось по 16 точкам, а затем определялось
усредненное время работы элемента в целом после подрыва детонатора 7^
и Д? — максимальная разновременность по всему полю: 7^ =29,77 мкс,
Aij = 0,33 мкс; 7^ - 29,85 мкс, Дг2 = 0,42 мкс; - 29,81 мкс, = 0,40 мкс.
27
Рис. 12, Фотохронограммы выхода ударной волны на поверхность элементов многото-
чечного инициирования: а — инициирование слоя ВВ через слой клея увеличивающейся
сверху вниз толщины; б — моменты выхода ударной волны из всех 192 точек элемента
Что касается собственно заряда ВВ, использовались самые простые кольца
прямоугольного сечения, основные характеристики которых — внутренний
и внешний диаметры, длина, тип ВВ и масса — приводятся ниже в описаниях
конкретных генераторов. Для нас оказалось удобно и наименее затратно приме-
нить заряды, разработанные в свое время другими подразделениями РФЯЦ-
ВНИИЭФ (не для генераторов МК-1).
1.4. Создание начального магнитного поля
Необходимым узлом любого МК-генератора является источник начально-
го магнитного потока* Как правило, это импульсный соленоид, запитываемый от
конденсаторной батареи. Возможны несколько вариантов взаимного расположе-
ния соленоида начального поля, лайнера и окружающего его заряда ВВ
(рис, 13): а — пара катушек Гельмгольца вне лайнера; б — катушка снаружи и лай-
нера, и заряда ВВ; в — катушка между лайнером и зарядом ВВ; г - катушка внут-
ри лайнера, В первых двух вариантах источник начального поля не оказывает
влияния на динамику схлопывания лайнера и процесс усиления поля, но при
этом очень неэффективно используется энергия источника питания соленоида,
поэтому при естественных ограничениях энергии источника питания невозмож-
но получить достаточно большое начальное поле.
Последние два варианта наиболее эффективно используют энергию ис-
точника питания, но возникает труднопреодолимое влияние элементов конст-
рукции соленоида на симметрию формы сжимаемого лайнера: скачкообразные
изменения плотности вещества соленоида в витках и в межвитковой изоляции
приводят к искажениям формы сжимаемого лайнера, образованию струй веще-
ства, движущихся внутрь объема с полем, и даже разрывам и разрушению лай-
28
Шя
Рис. 13. Варианты схем создания начального магнитного
потока в генераторе МК-1 [63]
нера* Причем в последнем случае катушка начального поля занимает полезный
объем с усиливаемым полем и ограничивает степень сжатия магнитного потока.
Этап разработки источника начального поля — необходимая часть работы
по созданию источников сверхсильных магнитных полей. Мы уже видели, как
это делают на установке ZR Сандийских национальных лабораторий (см, рис. 2)
и установке магнитодинамического сжатия в Токийском университете
(см. рис, 3). Устройство M1FEDS - система запитки магнитного инерциального
синтеза, сочетающее миниатюрность нагрузки и большую дистанцию до нее,
разработано в Рочестере (там, напомню, с помощью мощных лазеров OMEGA
и других создается и измеряется сверхсильное магнитное поле) (см. рис* 4), За-
ряжаемое до >100 Дж постоянным напряжением 24 В устройство выдает им-
пульс тока до ПО кА примерно за 350 нс, создавая тем самым поле до 150 кГс
в зависимости от размера и конструкции катушки. На рис. 14 показаны конст-
рукции запитываемых от MIFEDS катушек, точнее, катушечек миллиметровых
размеров — хороший пример разнообразных схем источников начального поля.
Вернемся к проблеме создания начального поля в генераторе МК-1. Наи-
более естественно выбрать схему источника, который максимально эффективно
использует, как правило, ограниченную энергию источника питания при одно-
временном соблюдении жесткого требования к конструкции устройства: не
ухудшать симметрию схлопывания оболочки. Еще одно важное требование,
диктуемое условием достижения воспроизводимости результатов, - достаточная
механическая и электрическая прочность: необходимо, чтобы соленоид сохра-
нял механическую и электрическую целостность вплоть до момента максимума
начального магнитного поля в оболочке* Наконец, последняя группа требований
29
Рис. 14. Источники начального поля для сжатия замагниченной плазмы
лазерной абляцией [85, 87]. Слева направо: пара катушек Гельмгольца;
один виток; виток для сферической мишени; «бейсбольный мяч»
обусловлена спецификой взрывного эксперимента: необходимы простота и де-
шевизна конструкции, технологичность изготовления, удобство монтажа на поле.
Многочисленные испытания самых разных конструкций устройств на-
чального поля — от катушки, выточенной из толстой медной трубы, до пары ка-
тушек «битгеровского» типа, залитых эпоксидным компаундом, показали, что
наиболее часто разрушение катушек происходит вследствие отрыва крайних
витков от токового коллектора и межвиткового пробоя, главным образом, тех же
крайних витков. Как известно, на крайние витки соленоида с полем действует
осевая (сжимающая) сила, пропорциональная произведению магнитного давле-
ния на площадь поперечного сечения всего соленоида и приложенная к много
меньшей площади сечения отдельного витка. Такое сконцентрированное прило-
жение силы приводит к смещению крайних витков (эта сила максимальна на
краях соленоида и равна нулю в его середине), их удару по межвитковой изоля-
ции, межвитковым пробоям. Такие пробои наглядно видны на сигналах индук-
ционных датчиков в виде резко обрывающихся ступенек на производной маг-
нитного поля.
Для борьбы с этим явлением сотрудники группы А. И, Павловского
(Н. П, Колокольчиков, М. И. Долотенко) предложили разбить отдельный провод
витка катушки на большое число заходов так, чтобы осевая сила равномерно
распределилась между проводами заходов: тогда можно уменьшить толщину
изоляции и расстояние между проводами, а для большей однородности катушки
сделать несколько слоев намотки. Если каждый провод (заход) образует на дли-
не соленоида витки с шагом намотки, равным диаметру намотки, и все расстоя-
ние шага заполнено проводами заходов, тогда число заходов максимально и оп-
ределяется диаметром провода. В первых вариантах конструкции соленоида шаг
намотки равнялся 15 см (2 витка на рабочей длине соленоида 30 см), диаметр
провода (ПЭВ-2) 0,3 мм; всего заходов в шаг вместилось около 500, и в резуль-
30
тате катушка из нескольких — для механической прочности и большей инертной
массы — слоев намотки должна состоять из нескольких тысяч тонких проводов!
Для осуществления этой идеи надо было преодолеть несколько конструк-
торских, технологических и психологических препятствий. В качестве провода
заходов был взят стандартный обмоточный медный провод в эмалевой изо-
ляции: этот материал был широко распространен, сравнительно дешев, а самое
главное — исследователи знали, что выбранный вид эмалевой изоляции можно
разрушить кипячением в найденной отдельным исследованием кислотной среде.
Напряжение источника питания соленоида распределяется между проволочками
заходов, поэтому номинальное напряжение пробоя эмалевой изоляции проволо-
чек выбранного диаметра более 1 кВ обеспечивает электрическую прочность
намотки. В качестве основания для намотки проволочных соленоидов было ре-
шено использовать отрезок достаточно прочной бумажно-бакелитовой трубы,
которую после намотки соленоида можно извлечь из него послойным разделе-
нием бумажных слоев. Наконец, перед началом процесса отработки конструк-
ции соленоида и технологии изготовления надо было преодолеть психологиче-
ский страх перед необходимостью как-то справиться с зачисткой и припаивани-
ем к токовым коллекторам запутанной «бороды» из нескольких тысяч концов
проволочек с двух сторон соленоида.
Сначала был изготовлен однослойный соленоид (или катушка) более чем
из 500 отдельных проволочек. Последовательные стадии его изготовления пока-
заны на рис. 15: сверху — бакелитовый цилиндр с намотанными вплотную про-
волочками, закрепленными на краях лавсановой лентой; затем рабочая длина
намотки с помощью герметично закрепленного на намотке кожуха пропитыва-
лась под вакуумом (чтобы пропитка протекла между проволочками и скрепила
их) эпоксидным компаундом. После полимеризации компаунда внешняя по-
верхность залитой части катушки механически обрабатывалась на токарном
Рис. 15. Этапы изготовления проволочного Рис. 16. Соленоид с припаянными
многозаходного однослойного соленоида токовводами
31
станке, затем основание соленоида разбиралось, концы проволочек очищались
от изоляции, облуживались и припаивались к медным токоподводам. Наконец,
на рис* 16 показан соленоид, готовый к испытанию разрядом конденсаторной
батареи.
Новая конструкция многопроволочного соленоида сразу удивила живуче-
стью: в первом же разряде небольшой части конденсаторной батареи было заре-
гистрировано магнитное поле более 30 кГс, и, поскольку внешние признаки раз-
рушения отсутствовали, был произведен второй, более мощный разряд и зареги-
стрировано поле более 45 кГс в соленоиде из тонких медных проволочек!
Следующие варианты проволочных соленоидов состояли уже из несколь-
ких (пяти и более) слоев намотки* Теперь соленоид после пропитки компаундом
представлял собой фактически цилиндрическую оболочку из склеенных между
собой плотноупакованных проволочек, полностью и равномерно заполнивших
объем оболочки, где проволочки одного слоя располагались в углублениях меж-
ду проволочками соседнего слоя.
Как видно из рис* 16, кабель питания соленоида должен охватывать сна-
ружи заряд взрывчатого вещества, что усложняло процесс монтажа генератора
и уменьшало эффективность использования энергии источника питания соле-
ноида* Следующее достаточно важное изменение конструкции проволочного
соленоида заключалось в переводе обратного вывода соленоида внутрь кольца
ВВ, уменьшая до минимума объем между соленоидом и обратным выводом и,
соответственно, затраты энергии на создание поля* Для этого первичная намотка
соленоида выполнялась на длине основания примерно в полтора раза большей,
чем рабочая часть, затем рабочая длина соленоида с одного края намотки укры-
валась герметичным кожухом и пропитывалась компаундом* После полимериза-
ции компаунд на токарном станке обтачивался так, чтобы оставить над намот-
кой некоторое его количество, образующее изолирующий слой* Затем проволоч-
ки непропитанной части намотки на другом краю основания разматывались
и укладывались на изолирующем слое параллельно образующим цилиндра рав-
номерно и однородно по всей поверхности. Закрепленные в таком положении
проволочки обратного вывода снова пропитывались компаундом, внешняя по-
верхность соленоида стачивалась до нужного диаметра (внутреннего диаметра
заряда ВВ). Бакелитовое основание намотки разбиралось, проволочки двух вы-
водов соленоида зачищались, облуживались и припаивались к медным токо-
вводам.
Часть устройства для намотки соленоида пакетами из 12 проволочек
и внешний вид проволочного соленоида на разных стадиях изготовления пока-
зан на рис. 17; на рис* 18 видна «борода» из проволочек выводов соленоида
в более крупном масштабе; на рис* 19 — соленоид генератора МК-1 с подсоеди-
ненными кабелями. Теперь кабели источника питания соленоида подсоединяют-
ся с одной стороны генератора, заряд ВВ надевается на соленоид после монтажа
всего устройства на взрывном поле и в случае отказа от проведения эксперимен-
та легко снимается, а генератор размонтируется.
32
Рис. 17. Устройство для намотки соленоидов (а) и соленоиды на разных
этапах изготовления (б): 1 — намотка на основании соленоида и обратного
вывода, 2 - обратный вывод уложен на изолирующий слой и закреплен
слоем капроновой нити, 3 — соленоид обточен снаружи и проволочки вы-
водов подготовлены к зачистке, 4 — соленоид без бакелитового основания
а б
Рис. 18. Многослойный многозаходный проволочный соленоид с зачищенными
проволочками (а) и припаянными к медным токоподводам (б)
Рис. 19. Соленоид генератора МК-1 с подсоединенными кабелями питания
33
Чертеж готового соленоида приведен на рис* 20,а; на фотографии попе-
речного разреза (рис* 20,6) показана структура соленоида и качество ее одно-
родности* Видно, что соленоид имеет четырехслойную структуру: первый
(внутренний) слой 1 - это собственно соленоид, следом за ним идет изолирую-
щий слой 2, затем слой обратного вывода из проволочек и компаунда 3 и, нако-
нец, тонкий наружный изолирующий слой 4. Проволочки припаяны к медным
токоподводам 6, к которым при подготовке эксперимента присоединяются кон-
цы силовых кабелей 5.
Рис. 20. Чертеж и фрагмент поперечного сечения проволочного соленоида
Многозаходный многослойный проволочный соленоид обладает целым
набором качеств, относящих его к разряду уникальных устройств*
1, Место приложения прежде столь опасной осевой сдвигающей силы
в таком соленоиде распределено между отдельными заходами намотки, а по-
скольку эти заходы равномерно и плотно заполняют всю поверхность соленои-
да, следовательно, эта сила приложена ко всему сечению соленоида, а не к его
отдельному витку* Как показывает опыт, соленоид из металлодиэлектрического
материала успешно противостоит двум давлениям — радиальному внутри и осе-
вому на краях.
2, Электрическое напряжение источника питания здесь делится не только
между витками, но и между отдельными проволочками-заходами. Напряжение
между соседними проволочками при напряжении источника питания 20-30 кВ
составляет всего лишь сотни вольт, что заметно меньше напряжения пробоя
изоляции проволочек. Места же, где сосредоточено почти все напряжение ис-
точника питания, — зазоры между токоподводами и первый изолирующий слой -
при правильно выполненной заливке компаундом выдерживают напряжения
в десятки киловольт.
34
3. Зазоры между проволочками способствуют диффузии магнитного пото-
ка сквозь намотку, что при больших скоростях ввода энергии в соленоид означа-
ет увеличенную по сравнению с витком сплошного металла глубину скин-слоя,
а следовательно, меньшее сопротивление соленоида и меньшие потери энергии
при запитке*
4* Индуктивность соленоида легко регулируется в широких пределах
с сохранением всех свойств простым изменением угла намотки (числа витков
при одинаковой длине)* Как правило, значение индуктивности составляет все-
го 0,2-03 мкГн, но его можно снизить, если шаг намотки будет меньше длины
соленоида* Малые значения индуктивности позволяют сократить импульс за-
питки и тем самым облегчить защиту соленоида от разрушения, а также запи-
тать его от магнитокумулятивного генератора типа МК-2.
5* Коаксиальный характер конструкции соленоида с односторонним под-
соединением кабелей питания делает его особенно удобным для монтажа и при-
менения самых разных методик* Заряд ВВ надевается на соленоид в последнюю
очередь, после выполнения необходимых юстировок, настроек и проверок мето-
дик. Это значительно сокращает длительность и объем работ в условиях повы-
шенной опасности.
Эти свойства объясняют и обусловливают высокие эксплуатационные
характеристики соленоида: удобство и простоту монтажа, надежность и безот-
казность работы. А выполнение основного требования — получение больших
значений начального магнитного поля — обеспечено следующими свойствами:
— однородность структуры соленоида позволяет разместить его внутри
кольца ВВ;
— способ изготовления обратного вывода позволяет максимально прибли-
зить его к соленоиду и осуществить подвод энергии с одной стороны кольца ВВ,
не охватывая объем ВВ и не тратя на это энергию источника питания*
Показанный на рис* 20 многозаходный многослойный проволочный соле-
ноид имеет начальные параметры: внутренний диаметр 139 мм, внешний диа-
метр 151,7 мм, рабочая длина 300 мм, погонная масса -100 г/см, индуктивность
0,23 мкГн, сопротивление по постоянному току — 2 4 О"2 Ом* Соленоид изготов-
лен из медного провода типа ПЭВ-2 диаметром 0,25 мм, шаг намотки 150 мм,
угол намотки ~20°. В одном слое намотки 495—500 проволочек, всего таких сло-
ев у соленоида девять*
В «стандартном» (наиболее часто применявшемся) режиме запитки ток по
соленоиду составляет -2 МА, магнитное поле в центре соленоида 160±5кГс.
Время наступления максимума тока и зарядное напряжение конденсаторной ба-
тареи зависят от ее емкости: при емкости 9000 мкФ зарядное напряжение 18 кВ,
максимум поля наступает на ~81-й мкс процесса разряда батареи* Соленоид ис-
пытывался и в более напряженных режимах: в случае, когда было зарегистриро-
вано максимальное магнитное поле 220 кГс, начальный магнитный поток достиг
рекордного для устройств таких размеров значения 0,33 Вб*
35
Интересно и полезно посмотреть на внешний вид проволочного соленоида
во время запитки. На рис* 21 представлено несколько кадров, снятых скорост-
ным фотохронографом, на которых зафиксировано изображение соленоида при
разряде на него конденсаторной батареи в стандартном режиме и в режиме мак-
симальной запитки* В первом случае еще некоторое время после перехода маг-
нитного поля через максимум отсутствуют внешние признаки разрушения соле-
б
Рис. 21, Скоростная фотосъемка проволочного соленоида и осциллограммы индукцион-
ных датчиков при разряде на соленоид мощной конденсаторной батареи: а — стандарт-
ный режим запитки (максимум тока ^2 МА на ^56-й мкс); б — напряженный режим запит-
ки (максимум тока ^3 МА на ^5 6-й мкс). Метки времени на осциллограммах 10 мкс
ноида; во втором случае процесс разрушения заметнее: светятся участки плохо-
го электрического контакта кабелей с токоподводами, затем начинает светиться
поворот проволочек на обратный вывод, просвечиваются наиболее разогретые
витки намотки; наконец, соленоид разрушается и на краях, и в середине. Важно,
однако, что изображение отдельных разогретых светящихся участков появляется
незадолго до максимума тока на поверхности соленоида* Это подтверждают
и осциллограммы сигналов индукционных датчиков (см. рис* 21), На производ-
ной магнитного поля нет скачков или более гладких искажений формы импульса
(до максимума магнитного поля), что свидетельствует об отсутствии критиче-
36
ских повреждений соленоида, а в напряженном режиме запитки незадолго до
максимума возникло некоторое искажение сигнала.
Для получения наиболее достоверных данных о магнитном поле в соле-
ноиде и его распределении по оси соленоида были выполнены эксперименты,
в которых измерения поля осуществлялись большим количеством индукцион-
ных зондов и одновременно с помощью оптической методики, датчик которой
с увеличенной на порядок чувствительностью имел длину 6 см.
Важным для возможных применений созданного соленоида может ока-
заться распределение магнитного поля по оси соленоида* График на рис. 22
позволяет определить местоположение границы области максимального поля
и по показаниям датчиков начального поля, вынесенным за пределы централь-
ной области (чтобы не влиять на процессы в центре генератора), определить на-
чальное поле в центре. Несимметричный характер графика объясняется влияни-
ем близко расположенных к одному краю массивных токоподводов.
Z, СМ
Рис. 22. Распределение магнитного поля по оси стандартного про-
волочного соленоида (результаты двух экспериментов)
По модели нитевидных токов с помощью специальной компьютерной
программы Н* И* Егоров и Г. В* Борисков построили координатные зависимости
начального магнитного поля в полости соленоида-оболочки* Подбором экрани-
рующего кольцевого тока в токоподводах получено хорошее совпадение теоре-
тической зависимости магнитного поля на оси от расстояния от центра соленои-
да с экспериментальной [97]. Оказалось, что координаты области, где аксиаль-
ная компонента магнитного поля меняется в пределах 5 %, z е [13,5; 22,5],
г е [0; 65], причем при сжатии оболочки вместе со степенью однородности рас-
тет продольный размер области однородности.
37
Таким образом, создано устройство начального магнитного поля амплиту-
дой до 220 кГс, обладающее исключительно высокой надежностью, о чем сви-
детельствуют более 700 экспериментов, проведенных к настоящему времени
с этим устройством, в которых не наблюдалось ни одного случая преждевре-
менного разрушения соленоида во время разряда. По той же технологии изго-
тавливались соленоиды других размеров, подробнее о которых речь пойдет ни-
же, а разговор о созданной конструкции соленоида начального магнитного поля
генератора МК-1 закончим фотографией проволочных соленоидов трех разме-
ров (рис* 23).
Рис. 23. Проволочные соленоиды. Слева направо:
большой, малый (с надетым макетом заряда ВВ), средний
1.5. Лайнер генератора МК-1
Усиление магнитного поля в генераторе МК-1 осуществляется сжатием
магнитного потока цилиндрическим проводником - лайнером - под действием
внешних сил. В истории развития магнитной кумуляции использовались разные
лайнеры: сначала сплошной из металла (меди) с высокой проводимостью —
в этом случае импульс начального магнитного поля должен быть достаточно
длинным, чтобы начальное поле успело продиффундировать в полость лайнера.
Длительное протекание многокилоамперных токов по разрядной цепи чревато
преждевременными пробоями и разрушениями, поэтому начали применять
опять-таки сплошные лайнеры из металла с низкой проводимостью, обычно из
нержавеющей стали типа Х18Н10Т с удельным сопротивлением примерно
в 40 раз хуже, чем у меди. Это облегчило диффузию начального поля, не утратив
способность к эффективному сохранению потока при быстром его сжатии.
38
Еще один вариант — лайнер из металла с высокой проводимостью, но раз-
резанный вдоль образующей, т, е* с продольной тангенциальной щелью, запол-
ненной изолятором. Ясно, что у такого лайнера возникают проблемы с симмет-
рией схлопывания. На заре магнитной кумуляции проверяли и вариант сплош-
ного цилиндра из нержавеющей стали, облицованного изнутри, например, элек-
тролитически тонким слоем меди (по сообщению А. Д. Сахарова, именно в ге-
нераторе с таким лайнером было зарегистрировано поле 25 МГс [8], однако
в этом случае не вызывает сомнения один лишь факт проведения опытов с таким
лайнером, но не их результаты).
В истории магнитной кумуляции известны и другие типы лайнеров (или
способы сжатия потока), что позволило выделить соответствующие устройства
в отдельные типы генераторов, оставляя их в группе источников сильных
и сверхсильных магнитных полей, преобразующих тем или иным способом хи-
мическую энергию ВВ. Вместе с Ларри Альтгильберсом [40] назовем некоторые
типы генераторов, представляющие интерес если не с практической, то с науч-
ной или образовательной стороны. Несколько десятилетий назад Линхарт [77],
развивая тему сжатия плазмы магнитным полем, создал устройство, в котором
начальное магнитное поле сжималось окружающим поле слоем плазмы, образо-
ванным взрывом тонкой металлической фольги током вдоль оси фольги. Лин-
харт получил поле 60 кГс при начальном поле 2 кГс. Затем Фелбер с сотрудни-
ками [78] зарегистрировал 1,6 МГс с помощью Z-пинча в плазме, сжимающего
начальное поле. К идее сжатия поля плазменным лайнером регулярно возвра-
щаются: в некоторых работах, например [79], объявлялось о достижении полей
в десятки МГс, однако, когда дело доходит до реального устройства и реальных
измерений, зарегистрированное поле редко превышает несколько мегагаусс при
субмиллиметровых размерах объема с полем, так что ценность этих работ - раз-
ве что в развитии теоретических представлений о поведении плазмы в сверх-
сильных магнитных полях.
Вот мнение одного из многолетних участников работ по физике сжатия
поля плазмой А. Великовича, который делал соответствующий обзор на совеща-
нии по MagLIF весной 2012 г.: «Возможность есть, но это так трудно, что пока
никто не сделал». Необходимо продемонстрировать реальную возможность сжа-
тия потока до -100 МГс, научиться измерять эти поля, соответствующие темпе-
ратуры плазмы (-10 кэВ) и степень перемешивания материала стенок с плазмой,
а применяемые при планировании экспериментов и предсказании их результатов
расчеты нуждаются в проверке и обосновании [81—83, 98—99].
1.5Л. Ударно-волновые лайнеры с фазовыми переходами
В 1950-1960 гг. некоторое внимание было уделено генераторам, сжимаю-
щим магнитный поток благодаря фазовому переходу в сжимаемой среде под
действием взрывной ударной волны, — ферроэлектрическим, пьезоэлектриче-
ским с включением/выключением поляризации. В качестве рабочих тел приме-
нялась керамика на основе свинцовых и бариевых титанатов и свинцового цир-
коната. Между тыльной стороной керамики и ударной волной возникал импульс
39
напряжения, служивший источником тока в резистивной нагрузке [100]* До сих
пор не решена проблема технологии получения больших однородных поляризо-
ванных листов этих материалов, В последнее время показана оптимальность не
ударных волн, а значительно более низких давлений.
Ферромагнитные системы сжатия потока основаны на ударном размагни-
чивании ферромагнитных материалов; размагничивание изменяло магнитный
поток и наводило ЭДС в выходной катушке, поэтому иногда такие генераторы
предназначались для создания начального тока других взрывомагнитных гене-
раторов. Приведем в качестве примера одну из недавних работ с участием
Л. Альтгильберса [101], описывающую испытание полностью автономного ком-
пактного источника импульсного тока в виде комбинации ферромагнитного ис-
точника начального тока с ударно-волновым размагничиванием ферромагнетика
NdaFeuB (FMG) и спирального генератора сжатия потока FCG. Арматура FCG
была загружена 197 г ВВ, сгенерированный системой ток достиг максимума
33,13 кА с коэффициентом усиления 114 (рис. 24)*
Рис. 24. Схема автономного источника тока FMG-FCG [101]
Особый случай представляют ударно-волновые (полупроводниковые) ге-
нераторы, основанные на изменении проводимости в ударной взрывной волне*
Некоторые диэлектрики или полупроводники с очень низкой удельной электро-
проводностью в обычном состоянии (кремний, германий, серое олово, окись
кремния, иодид цезия, ирдид германия, порошок окиси алюминия) переходят
в проводящее состояние при высоком давлении* Е, И. Биченков [102] и К. На-
гаяма [103—104] впервые сообщили о возможности сжатия магнитного потока
волной фазового перехода в полупроводнике, а также волной включения прово-
димости в непроводящей металлической пудре [105—106]* В течение последую-
щих лет генераторы такого типа изучались в разных странах [107, 108], причем
А, Пршцепенко [109] в России изучал как цилиндрические, так и сферические
версии такого генератора. Многих исследователей привлекало возможное, на
первый взгляд, для таких генераторов отсутствие неустойчивостей границы ве-
щество — магнитное поле? ограничивающих, как известно, максимальное маг-
нитное поле в устройстве. Чрезвычайно подробное, глубокое и интересное экс-
40
периментально-теоретическое исследование физики ударно-волновых генерато-
ров выполнено в Новосибирске Е И* Биченковым, С* Д* Гилевым, А, М. Труба-
чевым [102]* Результаты этой работы аккумулированы в докторской диссерта-
ции С* Д* Гилева [110],
Как указано в [110]* экспериментальные исследования показали, что вол-
ны сжатия в материалах разных типов генерируют резкие изменения электро-
проводности. Переносимые ударной или детонационной волной зоны высокой
или низкой проводимости могут быть использованы для управления потоками
Рис. 25, Сжатие магнитного потока сходя-
щейся ударной волной с образованием про-
водящей фазы
электромагнитной энергии для генера-
ции высоких плотностей электромаг-
нитной энергии и коммутации элек-
трического тока. Схематично физика
процессов в ударно-волновом генера-
торе выглядит следующим образом.
В первоначально непроводящем веще-
стве с поперечным магнитным полем
создается замкнутая (круговая или
в общем случае любой формы) конфи-
гурация сходящейся ударной волны,
под действием которой вещество при-
обретает проводимость. В простейшем
случае (рис* 25) (нулевая толщина
ударного фронта, бесконечная прово-
димость сжатого вещества, постоянное
отношение массовой скорости и к ско-
рости ударной волны D) можно найти
магнитное поле в полости площадью 5:
B(r) = ^(S0/S(r))“/D.
Авторы довольно многочисленных работ в данном направлении называют
преимущества этого способа получения сверхсильных магнитных полей [110]:
а) практически мгновенное введение в полость начального магнитного потока;
б) вещество на границе проводник - поле постоянно обновляется, поэтому рост
магнитногидродинамических (МГД) неустойчивостей подавлен; в) упрощение
системы инициирования и уменьшение массы заряда ВВ; г) рабочее вещество
выполняет функцию защиты центральной области от струй* Физика процесса
усиления поля состоит в том, что граница металлизирующегося вещества дви-
жется со скоростью ударной волны D, а работу против сил магнитного давления
осуществляет вещество, имеющее скорость и* В результате разницы скоростей
часть магнитного потока вмораживается в вещество и теряется для магнитной
кумуляции. Оставшаяся часть вытесняется в область перед ударным фронтом, и,
согласно приведенной выше формуле, для увеличения конечного поля надо
применять сильно сжимаемые вещества с большим отношением u/D,
41
В [110] просуммированы следующие практические результаты многолет-
ней работы по физике и технике ударно-волновой генерации магнитных полей.
Испытаны несколько вариантов конструкции ударно-волновых генераторов,
при этом доказана работоспособность метода, зарегистрированы поля 4-7 МГс,
С помощью компьютерного пакета МАГ (разработка РФЯЦ-ВНИИЭФ) создана
новая численная МГД-модель кумуляции в металлических порошках, и модель-
ная зависимость поля в генераторе хорошо совпадает с экспериментальной
вплоть до прихода ударной волны на датчик. Развитое с помощью численной
модели понимание процесса магнитной кумуляции показало, что при приближе-
нии к оси ударная волна тормозится давлением поля и останавливается, магнит-
ное поле достигает максимума, а затем уменьшается; таким образом, как и в
стандартном генераторе МК-1, существует понятие конечного поля. Это не-
сколько снизило первоначальный оптимизм разработчиков в отношении пре-
дельных возможностей метода и позволило С. Д. Гилеву сказать о «парадоксе»
магнитной кумуляции [110]: 1) увеличение начального магнитного поля или
размера генератора приводит к уменьшению конечного поля; 2) увеличение
проводимости сжатого вещества приводит к уменьшению конечного поля. Та-
ким образом, просматривается эволюция от первоначальных представлений об
отсутствии ограничений максимального поля в ударно-волновом способе сжатия
потока к естественным для лайнерного способа выводам о существовании пре-
дельного поля и зависимости его значения от начальных параметров устройства.
1,5.2, Металлокомпозитные лайнеры
С некоторыми идеями предыдущего раздела смыкается независимо вы-
двинутое и реализованное группой А, И, Павловского предложение отказаться
от дополнительного лайнера генератора МК-1, использовав в этом качестве опи-
санный выше многослойный многопроволочный соленоид. Напомним, что здесь
реализованы как идея наиболее эффективного расположения источника началь-
ного поля между лайнером и зарядом ВВ, так и идея ударно-волнового возник-
новения электропроводности в композитном материале из плотноупакованных
проволочек и эпоксидной связующей в нужный момент в нужном направлении,
И теперь однородность строения соленоида позволяет использовать его в роли
лайнера в результате замыкания проволочек под действием ударной волны. Это
уменьшило затраты энергии на образование начального магнитного поля, суще-
ственно упростило конструкцию всего генератора - теперь это только соленоид
и надетое на него кольцо ВВ, а также упростило процесс его монтажа на взрыв-
ном поле и настроек диагностик с соблюдением жестких требований безопасно-
сти взрывного эксперимента*
Что происходит в таком генераторе после разряда на соленоид конденса-
торной батареи и подрыва заряда ВВ? При прохождении ударной волны по се-
чению соленоида сначала замыкается обратный вывод, сжимается и сжимает
слой изоляции; в это время часть магнитного потока в изолирующем слое об-
ратного по сравнению с потоком в полости катушки направления проникает
в полость и уменьшает поток в полости (отрицательная производная поля); за-
42
тем проходит волна замыкания по сечению соленоидальной намотки с неболь-
шим усилением поля в полости, и, наконец, начинает двигаться к центру вся ка-
тушка (теперь уже лайнер). Производная магнитного поля резко возрастает на
порядок и более* а затем растет плавно (фрагмент осциллограммы сигнала ин-
дукционного датчика, пропорционального производной магнитной индукции,
приведен на рис, 54 в главе 4), Плотность вещества соленоида-лайнера в процес-
се его ускорения возрастает с ~6 г/см3 в исходном состоянии примерно до плот-
ности меди (8 г/см3). Сложная структура соленоида-лайнера в процессе схлопы-
вания к центру заметно не проявляется, он ведет себя как цилиндр из сплошного
металла, и, как показали измерения, на начальной стадии взрывного усиления
поля вплоть до >1,5 МГс коэффициент сохранения магнитного потока в прово-
лочной оболочке не ниже 0,9, что свидетельствует об эффективности захвата и
сжатия потока.
Первый взрывной эксперимент с соленоидом без обратного вывода (см.
рис. 16) был проведен 10.12.1970 г. с начальным магнитным полем 80 кГс. Сле-
дующие полтора десятилетия были посвящены созданию генератора воспроиз-
водимых многомегагауссных магнитных полей, но пока остановимся и посмот-
рим, что уже сделано. Создана новая конструктивная схема генератора МК-1,
в которой функции устройства начального магнитного поля и лайнера совмеще-
ны в одном устройстве, с высокими эксплуатационными характеристиками. Не-
сколько лет, пока создавалась конструкция соленоида и проводились первые
эксперименты с генератором МК-1 на его основе, соленоиды изготавливались
вручную (исключая изготовление медных токопроводов и вакуумную заливку
компаундом). В разное время и в разном объеме этим занимались
Н. П, Колокольчиков (главный «мотальщик» со знаменитым ногтем большого
пальца, разглаживающим намотку), М, И. Долотенко, Ю. Н. Кузнецов,
В. Ф. Коновалов, И. М. Маркевцев. Затем была разработана приспособленная
к условиям мелкомасштабного экспериментального производства (механическо-
го цеха) технология мелкосерийного изготовления соленоидов с внутренним
диаметром 139, 175 и 330 мм с рекордно большими значениями начального маг-
нитного потока в самом простом — всего лишь соленоид-лайнер и заряд ВВ -
генераторе МК-1.
Проволочный соленоид-лайнер — первый, но не единственный пример
реализации идеи металлокомпозитных лайнеров. Ниже будут рассмотрены и
другие варианты реализации этой, как оказалось, важной и плодотворной для
магнитокумулятивного способа получения сверхсильных магнитных полей
идеи.
Глава II
ИДЕОЛОГИЧЕСКИЕ И КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСНОВЫ
МЕТОДА ВОСПРОИЗВОДИМОЙ ГЕНЕРАГ
ИИ
СВЕРХСИЛЬНЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
В предыдущей главе рассматривались различные варианты генератора
сверхсильного магнитного поля, объединенные общим принципом действия, —
быстрым сжатием магнитного потока проводящей оболочкой-лайнером. Второе,
что их объединяет, — необходимость источника начального магнитного поля,
того самого сжимаемого магнитного потока, В конце главы рассказано о первом
достижении группы А. И, Павловского в магнитной кумуляции — многопрово-
лочном многозаходном соленоиде, способном создавать уникально высокие
значения начального магнитного потока* Это была первая цель работы - полу-
чение большого начального поля. Как будет показано далее, реальная зависи-
мость конечного поля от начального далеко не такая простая, как это следует из
формулы Вк = В0(г0/гк)2, однако умение получать большие начальные поля су-
щественно расширило экспериментальные возможности. Дальнейшая многолет-
няя деятельность лаборатории сверхсильных магнитных полей НТЦФ позволила
сформулировать важнейший вывод: есть метод взрывного генерирования вос-
производимых сверхсильных магнитных полей, и он готов к применению
в практике физических исследований* Описание метода — цель и основное со-
держание данной книги* Подробности истории работы над методом — со своими
находками, результативными экспериментами и заблуждениями, множеством
ошибочных направлений исследований — практически не воспроизводятся*
Вкратце перечислим основные ее этапы.
В 1969 г* к Н* П, Колокольчикову в его многочисленных и безуспешных
попытках сделать надежный источник большого начального магнитного поля
присоединились М. Долотенко (пока студент) и Ю. Кузнецов, совместно искали
работоспособную конструкцию соленоида, наматывали и выбрасывали испор-
ченные проволочные катушки* К этому времени у Н* П, Колокольчикова уже
созрела идея и была оформлена заявка на проволочный лайнер (не соленоид) с
продольными проволочками в несколько слоев [111], но технология его изготов-
ления еще несколько лет разрабатывалась* Результатом попыток сделать соле-
ноид с предельно большим числом заходов намотки стал многопроволочный
соленоид (авторское свидетельство [112]), который почти сразу стал применять-
ся в качестве лайнера.
Первые эксперименты с многопроволочным генератором проводили
Н. П, Колокольчиков, М* И, Долотенко, Ю* Н* Кузнецов и обсуждали
с А* И* Павловским непонятный тогда результат - преждевременное прекраще-
ние регистрации усиления поля. Много усилий (и экспериментов) было затраче-
44
но на поиск защиты измерительных датчиков; затем, считая (мнение Н. П, Коло-
кольчикова), что проволочный соленоид-лайнер к концу процесса регистрации
«портится», вспомнили о проволочном лайнере, который сразу стали называть
каскадом. В это время А. И* Павловский поручил Куропаткину Ю. П. сборку
на взрывном полигоне рентгенографического бетатрона [113], с помощью кото-
рого мы увидели причину плохой работы однокаскадного генератора и доказали
стабилизирующую роль каскадирования.
Успешные результаты большой серии экспериментов с трехкаскадным ге-
нератором в разных режимах работы позволили нашей группе уже на П Мега-
гауссной конференции сообщить о воспроизводимом генерировании магнитных
полей 10 МГс диапазона* В дальнейшем и зачастую одновременно с работой над
генераторами разных размеров при участии Н* И* Егорова, Г, В, Борискова,
В. В. Платонова, Ю* Б* Кудасова, И. М. Маркевцева, А, Н. Моисеенко и многих
других коллег проводились различные исследования в сверхсильных полях,
что также расширяло и уточняло представление о создаваемом методе и его ха-
рактеристиках*
В конце 1993 г*, уже после неожиданной и преждевременной кончины
А. И. Павловского, в Лос-Аламосе (США) Максом Фаулером, одним из родона-
чальников взрывного сжатия потока, была выполнена очень успешная серия
экспериментов с привезенным из России каскадным генератором МК-1. Далее
были серии экспериментов «Дирак» в Лос-Аламосе и «Капица» в Сарове с уча-
стием ученых из разных стран и, наконец, эксперименты с генераторами боль-
ших размеров (в некоторых из них регистрировались поля около 20 МГс, а в од-
ном, наиболее удачном, и рекордные 28 МГс)* Численные расчеты по различным
программам позволили в начале 2000-х гг. окончательно сформулировать исход-
ные принципы и определить предельные возможности описываемого метода
взрывного магнитокумулятивного генерирования сверхсильных магнитных полей.
Сотрудники группы А* И. Павловского внесли несколько важных изменений
в принцип магнитокумулятивной генерации сверхсильных магнитных полей, на-
шли способы их практической реализации, создали работающую конструкцию ге-
нератора МК-1 и научились применять его в различных физических экспериментах*
2.1. Аналитические модели магнитной кумуляции
Упомянутая во введении теория возможного происхождения принципа
магнитной кумуляции из студенческой задачи о релаксации тока в проводниках
нашла свое продолжение в довольно многочисленных попытках аналитического
описания процесса сжатия магнитного потока движущимся проводником. Есте-
ственное (и правильное) стремление человека, приступающего к разработке не-
коего устройства, — сначала попытаться понять основные принципы его работы
и начать это с наиболее идеализированного варианта*
При идеальной магнитной кумуляции магнитный поток в полости, огра-
ниченной цилиндром из несжимаемого сверхпроводника, постоянен. В этом
45
случае при уменьшении площади поперечного сечения полости 5 от начального
значения So магнитное поле В увеличивается в Sq/S раз. Усиление поля пре-
кращается, когда вся начальная кинетическая энергия wK лайнера массой
т wK = mv2/2 превратится в энергию магнитного поля (на единицу длины лай-
нера) = B2S/2ц0 , следовательно, конечное поле2 В* = Z?o +1)
(wM{) - Bq S0/2g0 - начальная магнитная энергия в полости). Таким образом,
идеальная кумуляция определяется главным образом кинетической энергией
лайнера и, следовательно t имеет энергетическое ограничение. А настоящим ку-
мулирующим параметром, уменьшение которого при остальных неизменяемых
начальных параметрах приводит к росту поля, является начальное магнитное
поле Bq:Bk ~ (a -pBqJ/Bq , где постоянный для данной конструкции генератора
МК-1 параметр а определяется начальной кинетической энергией и размерами
полости лайнера.
Второй важнейшей характеристикой генератора МК-1 является диаметр
объема конечного поля dK: он определяет постановку эксперимента будущего
исследования с применением генератора. Для идеальной кумуляции
- d0/^l + - 1/В0 , т. е, уменьшая начальное поле Во с целью уве-
личения конечного поля, мы получаем меньший диаметр объема конечного
поля,
В реальности процесс магнитной кумуляции, как, впрочем, любой физиче-
ский процесс, связанный с достижением высоких плотностей энергии, очень
сложен и требует для своего описания привлечения многих разделов современ-
ной физики, от физики ударных волн до физики твердого тела. Возникающие
при этом трудности многократно усугубляются тем, что по мере приближения
к предельным значениям параметров роль свойств материалов устройства ста-
новится определяющей, но как раз свойства веществ при высоких плотностях
энергии, в первую очередь уравнение состояния и зависимость электропровод-
ности, известны наименее полно.
Попытки определить аналитически хотя бы приблизительный вид зависи-
мостей конечных параметров от начальных предпринимались достаточно часто,
особенно на первых этапах развития магнитной кумуляции в условиях недоста-
точно высокого уровня аппаратурной и методической обеспеченности числен-
ных расчетов. Повторять сейчас эти попытки не имеет большого смысла. Цель
и польза от аналитических решений той или иной сложности (в зависимости от
2 Здесь и далее под термином «конечное» понимается максимальное магнитное
поле генератора МК-1 (аналог английского термина «final field»), максимум кривой уси-
ливаемого магнитного поля и диаметр объема с этим полем. Не всегда этот максимум
совпадает с концом процесса кумуляции, с остановкой лайнера (целиком или обращен-
ного к полю внутреннего Слоя).
46
упрощающих допущений), пожалуй, не в конкретном виде функциональных за-
висимостей и числовых значений, а в том, что они позволяют выделить основ-
ные факторы, определяющие предельные значения конечных параметров маг-
нитной кумуляции.
Для автора, впервые познакомившегося с магнитной кумуляцией при по-
ступлении на работу в лабораторию одного из основоположников взрывной
магнитной кумуляции Роберта Захаровича Людаева, естественно начать с его
теории магнитной кумуляции, открытый вариант которой [114] написан по ма-
териалам его кандидатской диссертации и назван «элементарной теорией»,
В первую очередь Р. 3* Людаев рассматривает случай сжатия поля в зазоре
между несжимаемыми слоями вещества с идеальной проводимостью, скачком
ускоренными взрывом до скорости у и далее движущимися по инерции.
С уменьшением зазора между слоями возрастает напряженность магнитного по-
ля и за счет работы слоев против магнитного давления растет энергия поля, при-
чем прирост энергии поля равен убыли кинетической энергии слоев. Когда слои
остановились, у = 0 и вся кинетическая энергия превратилась в магнитную, зна-
чит произошла кумуляция энергии в тонком зазоре между слоями. Затем
Р. 3* Людаев последовательно усложняет задачу, используя разные комбинации
упрощающих предположений, сохраняя возможность ее аналитического реше-
ния и приближая ее к реальности.
Он рассмотрел случаи сжатия поля сжимаемыми слоями разной толщины
идеального проводника и сделал вывод о том, что в этом случае часть кинети-
ческой энергии тратится на сжатие вещества слоя (увеличивает его внутреннюю
энергию) и результат кумуляции (максимальное поле и минимальный зазор) оп-
ределяется толщиной слоя Zo, измеряемой минимальным зазором и соотно-
шением скорости сжатия у и скорости звука с в веществе слоя. Когда слой тон-
кий, т. е* xK(v + <?)/v, максимальная энергия поля равна кинетической
и сжимаемость вещества можно не учитывать. А для толстого слоя и при у > с
уже давление магнитного поля по порядку величины равно начальной плотности
кинетической энергии слоя. Конкретный вид зависимости конечного поля те-
перь уже определяется не только начальным полем и скоростью сжатия, но
и характеристиками вещества сжимающего слоя: скоростью звука, начальной
плотностью и способом аналитического описания уравнения состояния вещества.
При скоростях сжатия в несколько км/с Р, 3, Людаев получил следующую
зависимость напряженности конечного магнитного поля:
где X — коэффициент пропорциональности в зависимости волновой скорости D
от скорости звука с0 и массовой скорости у0: D = с0 + Ху0. Он приводит график
зависимости Нк(у0) для алюминия и меди (рис. 26), где кривые соответствуют
различным аппроксимациям уравнения состояния, а точки - приведенному вы-
ше выражению.
47
Рис. 26. Зависимость напряженности конечного поля от начальной скорости
сжимающего слоя vq для слоев из меди и алюминия [114]
Когда поле сжимается реальным проводником с проводимостью ст, маг-
нитное поле проникает в проводник, вызывает появление токов и выделение
джоуле ва тепла. Это, конечно, влечет дополнительные потери кинетической
энергии сжимающего слоя, И в этом случае самый простой выход - сжатие поля
несжимаемым веществом с постоянной проводимостью. Рассмотрев некоторые
предельные случаи различных комбинации значений характеристик процесса
сжатия поля, Р. 3. Людаев сделал интересные и полезные для понимания физики
магнитной кумуляции выводы. Например, при заданных значениях Vq,?h,Xq,ct
(начальной скорости, массы единицы граничной поверхности слоя, начального
расстояния между сжимающими слоями и проводимости) существует оптималь-
ное значение начального магнитного поля, при котором конечное поле макси-
мально. С дальнейшим увеличением конечное поле падает, но растет объем
с таким полем. При очень малом начальном поле слой не тормозится полем
и сжимается с постоянной скоростью* Этот случай рассмотрел Е. И, Биченков
[115] и показал, что весь магнитный поток обязательно уходит в вещество
и Нк —> 0 при Но —> 0.
Рассмотрев сжатие поля несжимаемым веществом с постоянной прово-
димостью, Р* 3. Людаев нашел аналитические выражения для «эквивалентной»
толщины скин-слоя (глубины проникновения) магнитного поля для нескольких
аналитических (формульных) законов изменения поля на поверхности провод-
48
ника, важные для решения обратной задачи - определения конечного размера
полости по максимальному полю.
Свой вариант приближенной теории создал А* Г* Олейник [116] (до
1967 г. - сотрудник ВНИИЭФ): в качестве основного допущения он выбрал при-
ближенное равенство тепловой энергии в металле на границе с вакуумом плот-
ности энергии магнитного поля в вакууме с другой стороны границы (дельта-
приближение); получил аналитическое выражение зависимости конечного поля
от скорости лайнера г, начального радиуса й0 и начального поля Но для слу-
чая постоянной (!) скорости лайнера (А - численный коэффициент)
Вл*А\^5Н%51$5,
по его мнению, достаточно близкое к такой зависимости, построенной числен-
ными расчетами, В этой формуле свойства конкретного вещества лайнера — на-
чальная (постоянная) проводимость, удельная теплоемкость, начальная темпера-
тура — заключены в коэффициенте А, В численном примере, приведенном
А, Г, Олейником для медной оболочки начального радиуса 7 см при нормальной
температуре, начальном поле 100 кЭ и скорости сжатия 5 км/с, коэффициент
А — 3170, ~ 13 МЭ (запомним эту цифру).
Естественность (и фактически единственность) вариантов упрощающих
предположений в теории Р. 3, Людаева подтверждает и работа Г. Кнопфеля
[63, гл, 9], где рассмотрены те же модели процесса магнитной кумуляции, по-
следовательно перечислены процессы, протекающие при сжатии магнитного
потока, и полученная зависимость конечного поля от начальной скорости
и плотности вещества лайнера совпадает с моделью А. Г, Олейника* Можно бы-
ло бы сослаться еще на несколько опубликованных в разное время подобных
моделей магнитной кумуляции, но в главном их выводы повторяются: для уве-
личения конечного магнитного поля генератора МК-1 необходимо увеличивать
скорость схлопывания лайнера и/или плотность вещества лайнера, т* е, кинети-
ческую энергию лайнера и ее плотность*
Г. А* Шнеерсон [117, 118] рассмотрел чуть более подробно влияние диф-
фузии магнитного поля в реальный проводник (естественно, в приближении по-
стоянной проводимости) в двух предельных случаях: поле быстро меняется,
скин-слой А (глубина проникновения поля) мал по сравнению с диаметром лай-
нера* Можно условно считать, что лайнер имеет на внутренней поверхности
с радиусом гк прослойку толщиной А, «прозрачную» для поля, В рамках такой
модели можно ожидать, что соотношения, описывающие идеальную магнитную
кумуляцию (см, вкппе), остаются в силе, лишь кинетическая энергия итк должна
быть уменьшена, так как энергия, накопленная в слое толщиной А, не передает-
ся полю. Поскольку толщина слоя мала по сравнению с толщиной стенки, а из-
менение незначительно, амплитуда индукции близка к расчетной* Расчетный
конечный радиус - теперь радиус границы поле - проводник, следовательно, ис-
тинная граница оболочки гк — А,
49
Иная картина наблюдается при условии А > , В этом случае возможно
полное захлопывание оболочки, поскольку область поверхностного слоя «про-
зрачна» для поля и слабо тормозится. При полном захлопывании амплитуда ин-
дукции остается конечной. Ее можно оценить, приняв, что магнитный поток
пронизывает окружность радиуса А. Расчеты Г. А. Шнеерсона показали, что
максимум индукции достигается не при полном захлопывании оболочки, а не-
сколько раньше, на некотором радиусе гк, и тогда в полости с этим радиусом
остается лишь ~7 % начального магнитного потока. Еще один неочевидный вы-
вод из этих расчетов, повторяющий результат расчетов Е. И. Биченкова: в отли-
чие от модели идеальной магнитной кумуляции амплитуда индукции не растет
неограниченно при —> 0, а стремится к нулю как В$5.
В рассмотренных до сих пор моделях процесса магнитной кумуляции учи-
тывались ограничения, накладываемые на амплитуду индукции каким-либо од-
ним процессом, тогда как в реальных условиях они выступают совместно. Ана-
лиз совместного действия всех поддающихся учету факторов и их влияния на
амплитуду индукции возможен с помощью численных методов. Настоящее
сверхсильное (многомегагауссное) магнитное поле достигается на последней
стадии процесса кумуляции, когда лайнер эффективно тормозится, его кинети-
ческая энергия быстро переходит в энергию поля и тепловую энергию материала
лайнера. Все упрощающие, идеализирующие задачу положения - постоянства
скорости сжатия и проводимости вещества, сохранение симметрии формы лай-
нера и т. п. - перестают соблюдаться, и реальная польза от них — в обобщающем
выводе: для увеличения конечного магнитного поля генератора МК-1 необхо-
димо увеличивать скорость схлопывания лайнера и/или плотность вещест-
ва лайнера, т. е. кинетическую энергию лайнера и ее плотность.
Что же касается конечного диаметра, то его аналитические оценки в упо-
мянутых выше моделях еще более приблизительные и мало пригодные на прак-
тике. Однако они помогают понять главное: если формально описать процесс
усиления магнитного поля формулой
в(г)=Д»
где ср(г) — коэффициент сохранения магнитного потока, то влияние реально
происходящих процессов в МК-генераторе «запрятано» в зависимости <p(f):
большинство этих процессов ухудшают сохранение магнитного потока в полос-
ти лайнера. На практике, пока магнитное поле меньше ~1 МГс, значение <p(f)
близко к 1; затем, с ростом поля, оно падает до 0,1-0,3 (вспомним расчетные
7 %), но это помогает скомпенсировать потери потока и увеличить конечное по-
ле при существенном сжатии лайнера и уменьшении диаметра объема конечного
поля.
50
2,2. Проблема воспроизводимости в мегагауссной физике
Практическая реализация уникальных возможностей сверхсильных маг-
нитных полей целиком зависит от способности источника таких полей создавать
их достаточно воспроизводимым образом. Требование повторяемости, воспро-
изводимости условии эксперимента является обязательным для изучения зако-
номерностей любого явления. Особенно велика важность этого требования для
однократных по своей сущности экспериментов в сверхсильных магнитных по-
лях — взрывных и невзрывных. Еще в 1968 г. Ф, Герлах писал: «Мало смысла
в том, чтобы взрывать столь тщательно разработанные устройства, если нет хотя
бы 90 %-го шанса получить желаемое поле» [63]* Чем выше степень воспроиз-
водимости условий эксперимента, тем меньше требуется экспериментов для по-
лучения достоверной информации, т. е, можно говорить об уменьшении стоимо-
сти информации,
В проблеме воспроизводимого генерирования сверхсильных магнитных
полей можно выделить два аспекта: первый обусловлен процессами, состав-
ляющими сущность явления магнитной кумуляции энергии и определяющими
стабильность процесса взрывного сжатия магнитного потока; второй определя-
ется надежностью работы всех входящих в эксперимент узлов и устройств,
включая методики измерении и регистрации*
Рассматривая первый аспект проблемы воспроизводимости, напомним,
что явлению магнитной кумуляции энергии, как и любой кумуляции энергии,
внутренне присуща неустойчивость: «Всякая кумуляция неустойчива, притом
так, что в результате она не просто видоизменяется, но и прекращается вообще
(становится ограниченной)» [119], Неустойчивость препятствует не только дос-
тижению неограниченной плотности энергии; ее влияние, по-видимому, начина-
ет сказываться уже при приближении к умеренно высоким значениям степени
концентрации энергии и проявляется именно в ухудшении воспроизводимости
результатов экспериментов, в которых происходит значительное увеличение
плотности энергии* Пока конечные значения плотности энергии невелики, они
достигаются достаточно уверенно, в том числе и в режимах работы устройств
с большим коэффициентом усиления (т. е. с большим значением отношения ко-
нечной плотности энергии к начальной). С повышением же конечной плотности
энергии надежно получаемые в одном устройстве значения коэффициента уси-
ления быстро падают,
В конкретном случае кумуляции сверхсильных магнитных полей в генера-
торах МК-1 на воспроизводимость конечных значений магнитного поля могут
существенно повлиять процессы на внутренней поверхности оболочки, сжи-
мающей магнитный поток. К такому выводу приводит легко просматриваемая
аналогия между поведением в магнитном поле разогретого до жидкого или даже
частично испаренного состояния металла оболочки, сжимающей магнитный по-
ток, и горячей плазмы с присущими ей различными видами магнитогидродина-
мических неустойчивостей* Такая аналогия вместе с результатами нескольких
(в основном теоретических) работ, посвященных изучению неустойчивости
51
внутренней поверхности оболочки, сжимающей магнитный поток, и ее влияния
на конечное магнитное поле [120, 121], позволяют представить следующую ка-
чественную картину явления. Когда магнитное поле в генераторе МК-1 перехо-
дит в мегагауссный диапазон, оболочка генератора начинает тормозиться проти-
водавлением магнитного поля* Ускорение поверхности раздела вещество обо-
лочки — магнитное поле оказывается направленным в сторону более легкой сре-
ды - магнитного поля, что соответствует условию развития рэлей-тейлоровских
(или гравитационных) неустойчивостей формы этой поверхности. Любое произ-
вольно малое начальное отклонение формы этой поверхности от правильного
круга (в сечении, перпендикулярном оси оболочки и направлению магнитного
поля) начинает сначала линейно, затем экспоненциально во времени расти. Осо-
бенно быстро растет амплитуда отклонений, направленных в полость оболочки,
что выражается в образовании струй вещества, значительно опережающих обо-
лочку.
Положение усугубляется тем, что внутренний слой оболочки оказывается
к этому времени разогрет настолько, что часть вещества находится в испарен-
ном состоянии* Этот непроводящий пар теряет связь с магнитным полем, боль-
ше им не тормозится и тоже опережает оболочку* Все это приводит к тому, что
измерительный узел генератора с датчиками, расположенный на оси оболочки,
разрушается еще до того момента, когда наступит максимум усиливаемого маг-
нитного поля, а полость с магнитным полем заполняется веществом. Неустойчи-
вый, случайный характер этого явления объясняет, почему магнитные поля ме-
нее 4 МГс, когда только начинается процесс развития неустойчивостей, получа-
ются достаточно воспроизводимо, а вероятность зарегистрировать большее маг-
нитное поле, близкое к максимальному для данного генератора (когда оболочка
совсем или почти совсем затормозилась), быстро падает по мере приближения
к этому максимуму.
2*3* Принцип использования ограниченной степени сжатия магнитного
потока
Хотя прямые наблюдения описанной выше картины развития неустойчи-
востей до экспериментов группы А* И* Павловского отсутствовали, уже в самых
первых отечественных работах по магнитной кумуляции отмечалось, что имен-
но нарушение симметрии сжатия вследствие динамической неустойчивости обо-
лочки ограничивает возможность многократного уменьшения радиуса оболочки
[11, 12]* Там же указывалось, что, как показывает опыт, практически осущест-
вимо и достаточно надежно воспроизводится от эксперимента к эксперименту
примерно 10-15-кратное уменьшение начального радиуса оболочки (при нали-
чии достаточно сильного магнитного поля в ее полости)*
Улучшить симметрию схлопывания технически очень трудно, поскольку
необходимы мероприятия по увеличению точности изготовления практически
всех узлов генератора, а также меры по увеличению однородности и изотропно-
52
сти гидродинамических свойств оболочки и заряда ВВ. Решение этих вопросов
определяется уровнем соответствующих технологии и представляет достаточно
сложную самостоятельную задачу. Кроме того, с одной стороны, существуют
принципиальные ограничения величины «фокусировки» [119, 122] (как указы-
вал А. Д* Сахаров [12]: «Небольшие остаточные нарушения симметрии возрас-
тают при сжатии из-за динамической неустойчивости фокусировки цилиндриче-
ских оболочек. Поэтому практически возможно иметь изменение радиуса не бо-
лее чем в 10 раз»), а с другой — затраты на улучшение симметрии схлопывания
(при достижении определенного уровня симметрии) начинают резко расти, по-
вышая тем самым, стоимость однократно используемых МК-1-генераторов —
столь важную для применении характеристику.
Приступая к решению основной задачи - разработать мероприятия, с по-
мощью которых процесс генерации многомегагауссных магнитных полей при-
обрел бы воспроизводимый характер, было решено остановиться на достигну-
том уровне стабильности схлопывания оболочки и положить в основу развивае-
мого метода принцип использования малых и поэтому достаточно легко и вос-
производимо получаемых степеней сжатия магнитного потока.
Применение этого принципа влечет за собой необходимость значительно-
го увеличения начальных параметров генератора* Оценим основные исходные
параметры генератора МК-1, т. е* начальный диаметр и массу оболочки, сжи-
мающей магнитный поток, и начальное значение магнитного потока. Для этого
задаем достаточно просто реализуемые на практике значения скорости схлопы-
вания оболочки у = 4-1(Я м/с, коэффициента преобразования начальной кинети-
ческой энергии оболочки wK. в энергию магнитного поля wM: =0,3, ко-
эффициента сохранения начального магнитного потока ср — 0,3 (эти значения
характерны для экспериментов со сверхсильными магнитными полями). Счита-
ем, что генератор должен давать конечное магнитное поле Вк = 10МГс при
15-кратном уменьшении начального диаметра оболочки
Значение конечного диаметра объема полости, в которой кумулируется
магнитная энергия, определяется условиями эксперимента, для которого предна-
значен генератор МК-1 (возможность постановки нескольких образцов, приме-
нение нескольких методик измерения, использование криогенной техники
и т* п.). Выбираем его равным <2^ = 10 мм* Теперь из заданных и выбранных
нами условий следует, что начальная кинетическая энергия оболочки (в пере-
счете на единицу длины оболочки) должна быть не менее
и, ад 3^ ад 106 Дж*
к° 8тг 4
При заданной скорости схлопывания оболочки это означает, что ее погонная
масса должна быть равна
2w
т - —ад 125 г/см.
г2
53
Этому значению соответствует оболочка из меди толпщнлй 1,5 мм и начальным
диаметром = 15 см. Для оболочки таких размеров необходимо начальное маг-
нитное поле
Во = «150 кГс.
<Р
Приведенные оценки показывают, что применение малых степеней сжатия
магнитного потока вызывает необходимость 3—5-кратного увеличения (по срав-
нению с достигнутыми ранее) амплитуды начального магнитного потока и мас-
сы обжимающей оболочки. Увеличение начального магнитного потока дает воз-
можность с помощью его небольшого сжатия получить достаточно большое ко-
нечное магнитное поле, сохраняя при этом надежду достичь высокой эффектив-
ности преобразования кинетической энергии оболочки в энергию магнитного
поля без прерывания процесса регистрации усиления магнитного поля, так как
в этом случае конечный диаметр полости сильно увеличится и результаты раз-
вития динамической неустойчивости оболочки могут не успеть разрушить изме-
рительный узел.
2,4. Принцип каскадирования в генераторе МК-1
Второй принцип, положенный в основу развиваемой концепции, заключа-
ется в применении каскадирования в генераторе МК-1: вместо одного лайнера
используются несколько коаксиальных лайнеров из материала с необычными
свойствами. Принцип каскадирования здесь понимается как последовательная
во времени работа нескольких генераторов, каждый из которых является нагруз-
кой предыдущего*
Сущность и роль эффекта каскадирования в генераторе МК-1 в представ-
лениях авторов претерпели некоторую эволюцию3: сначала предполагалось, что
оболочку, некоторое время осуществлявшую сжатие потока, из-за чего ее свой-
ства ухудшились, надо заменить на новую, продолжающую усиление поля. За-
тем основной целью каскадирования стали считать получение большого коэф-
фициента усиления всего устройства при небольших значениях коэффициентов
усиления каждого каскада. Наконец, стало ясно, что справедливо и первое,
и второе; более того, сущность эффекта каскадирования гораздо глубже, что по-
зволило рассматривать его как способ стабилизации процесса магнитной куму-
ляции энергии. Каждый раз, когда возникает угроза потери устойчивости внут-
ренней границы оболочки, сжимающей магнитный поток, она заменяется новой
3 Отправным пунктом этой эволюции было предложение А, Г. Олейника [116]
поместить в полость лайнера с катушкой второй двухслойный лайнер с разрезами (вто-
рой каскад) с цепью сглаживания возмущений, вносимых катушкой первого каскада.
В работе [116], сделав ссылку на работы группы А, И. Павловского, автор пишет, что
«удачный вариант конструкции разрезного лайнера позволил стабильно получать поля.,.
10-15 МГс. Это явилось рождением каскадного метода магнитной кумуляции».
54
оболочкой, которая осуществляет дальнейшее сжатие потока. Таким образом,
оказывается возможным осуществить устойчивое сжатие магнитного потока при
большом изменении радиуса области существования магнитного поля и соот-
ветственно увеличить амплитуду усиливаемого магнитного поля.
Каждая оболочка, сжимая магнитный поток, усиливает магнитное поле на
величину
где Bz — магнитное поле внутри всех оболочек, начиная с номера i, a — его
значение на наружной границе этой оболочки. При этом генерируемое магнит-
ное поле
и
i=l
Для осуществления такого процесса проводимость материала оболочки
должна в процессе работы генератора меняться необычным образом. В исход-
ном состоянии (пока оболочка неподвижна) она должна свободно пропускать
внутрь себя аксиальный магнитный поток, а при движении к центру — захваты-
вать и сжимать его. Изменение проводимости вещества оболочки происходит
при столкновении движущейся оболочки с неподвижной в момент передачи
функции сжатия потока. При этом происходит и передача части кинетической
энергии от оболочки оболочке*
При ударе схлопывающейся наружной оболочки по неподвижной оболоч-
ке внутренняя граница скин-слоя тока, создающего магнитный поток, переходит
на внутреннюю поверхность подключаемой к сжатию магнитного потока обо-
лочки, а его внешняя граница остается в веществе предыдущей оболочки. Тол-
щина скин-слоя становится больше толщины подключаемой оболочки, что при-
водит к снижению нагрузки на внутренний слой каждой оболочки. Плотность
тепловой энергии в веществе оболочки и испытываемое ею противодавление
магнитного поля оказываются существенно меньше плотности магнитной энер-
гии генерируемого магнитного поля: разогрев вещества внутреннего слоя обо-
лочки, сжимающей магнитный поток, и испытываемое этим слоем противодав-
ление магнитного поля определяются в этом случае величиной (ABf)2/2jiQ, ко-
торая с ростом усиливаемого магнитного поля растет слабее, чем В, как это име-
ет место в случае сжатия потока одной оболочкой.
Поскольку разогрев вещества оболочки и магнитное противодавление яв-
ляются основными факторами, определяющими устойчивость границы вещест-
во — поле (более подробно об этом ниже), оказывается, что сжатие магнитного
потока системой коаксиальных оболочек позволяет обеспечить устойчивость
процесса магнитной кумуляции при высокой плотности электромагнитной энер-
гии. И, как уже отмечено выше, при каждом подключении к сжатию потока но-
вой оболочки на границе вещество - поле происходит замена разогретого веще-
ства на новое, холодное вещество, а также сокращается полное время работы
55
каждой оболочки и, следовательно, интервал времени для развития неустойчи-
востей. Наконец, при подключении каскада возникают дополнительные потери
магнитного потока (часть его заморожена в теле каскада, а часть — в зазоре меж-
ду каскадами, возникшем вследствие роста отклонений формы внутренней гра-
ницы подлетающего каскада от правильного круга), которые увеличивают ко-
нечное поле (ценой уменьшения конечного диаметра).
Для практических применений генератора важным является то, что имен-
но такие свойства должны быть у наиболее эффективной защиты измерительно-
го узла, предохраняющей центральный объем полости генератора с располо-
женными в нем датчиками и объектами исследования от разрушительного дей-
ствия струй и других последствий развития неустойчивостей внутреннего слоя
оболочки. В отличие от различных конструкций защиты (назовем их пассивны-
ми) в виде диэлектрических механических преград, которые уменьшают полез-
ный объем полости оболочки, рассматриваемые нами оболочки-каскады явля-
ются активной защитой, не занимающей полезный объем оболочки, так как от-
вечающий за существование магнитного потока токовый слой переходит на
внутреннюю поверхность продолжающего процесс сжатия магнитного потока
каскада,
2,5. Конструктивно-технологическое осуществление принципов
Практическая реализация принципов, положенных в основу метода вос-
производимой генерации многомегагауссных магнитных полей, потребовала
преодоления ряда трудностей, обусловленных сложными и зачастую противоре-
чивыми требованиями к конструкции отдельных узлов и генератора МК-1
в целом.
Задача создания начального магнитного потока стала еще сложнее из-за
вытекающего из принципа ограничения степени сжатия магнитного потока тре-
бования многократного увеличения начальных параметров генератора. При этом
устройство, создающее начальный магнитный поток в обжимающей оболочке
генератора, должно обладать следующими свойствами: максимально использо-
вать энергию источника питания (с помощью данного источника получать наи-
больший магнитный поток), иметь достаточную надежность срабатывания (вто-
рой аспект проблемы воспроизводимости), оказывать минимальное влияние
на динамику схлопывания обжимающей оболочки генератора.
Принцип каскадирования и активной защиты, в свою очередь, требует,
чтобы наряду с хорошей механической прочностью и электроизоляционными
свойствами оболочка-каскад вначале была непроводящей, а затем приобрела бы
электропроводность, захватив тем самым магнитный поток в своей полости.
Одновременно выполнить большинство из названных требований удалось
благодаря использованию специальным образом изготовленного металлоди-
электрического (композитного) материала, обладающего благодаря своей струк-
туре переменным во времени направлением электропроводности. Было предло-
жено, изготовлено и испытано три варианта композита. Первый и наиболее ис-
56
пользуемый тип композита составлен из плотноупакованных, параллельно рас-
положенных тонких медных изолированных проволочек, скрепленных эпоксид-
ным компаундом. В исходном состоянии такой металле диэлектрический мате-
риал проводит электрический ток только вдоль направления проволочек, а после
прохождения по нему ударной волны (либо от детонирующего ВВ, либо от уда-
ра по нему подлетевшего предыдущего каскада) проволочки замыкаются (сва-
риваются) и возникает проводимость уже во всех направлениях.
Эффективная плотность вещества композита зависит от плотности упа-
ковки проволочек и составляет, как правило, более 5 г/см3. Механические свой-
ства материала по меньшей мере такие, как у эпоксидного компаунда* а так как
он к тому же армирован медными проволочками, его прочности достаточно для
выполнения элементов конструкции генератора МК-1. Электрическая прочность
материала выше, чем электрическая прочность изоляции отдельной проволочки*
которая для наиболее часто применяемого диаметра проволочек 0,25 мм состав-
ляет 800-1200 В. Наконец, очень важным свойством материала является высокая
степень однородности строения: вплотную расположенные проволочки одного
слоя перекрывают зазоры между проволочками соседних слоев, так что верхней
оценкой однородности можно взять отношение толщины элемента конструкции
к половине диаметра проволочки.
Конкретное конструктивное решение различных узлов генератора МК-1 —
соленоида начального магнитного поля и оболочек-каскадов, выполненных из
описанного металлодиэлектрического материала, — будет приведено в соответ-
ствующих разделах работы. Было выяснено, что соленоид начального магнитно-
го поля, выполненный из композита* в котором проволочки образуют многоза-
ходную многослойную катушку, благодаря его хорошей однородности можно
расположить внутри кольца ВВ, обеспечив тем самым наиболее эффективное
использование энергии источника питания. Равномерное распределение по ок-
ружности соленоида механических и электрических напряжений, обусловленное
его строением* обеспечивает очень высокую надежность работы, а однородность
строения и способность к возникновению электропроводности в нужном на-
правлении позволяет использовать соленоид в качестве обжимающей оболочки,
что еще более уменьшает затраты энергии на образование начального магнит-
ного поля.
В оболочках-каскадах проволочки материала расположены вдоль обра-
зующих цилиндра и не препятствуют диффузии потока аксиального магнитного
поля. После удара подлетевшего каскада возникает проводимость в азимуталь-
ном направлении, магнитный поток в полости каскада захватывается и сжимает-
ся последующим схлопыванием вновь образованной обжимающей оболочки.
Так как начальную плотность вещества проволочного композита изменить
невозможно, а для изготовления каскадов измененных размеров необходима но-
вая технологическая оснастка, было предложено в качестве еще одного варианта
материала каскада применить спрессованный до нужной плотности композит из
порошка металла и полимерного связующего, равномерно и однородно переме-
шанных в заготовке [123]. Так как от максимальной плотности вещества каскада
57
зависит плотность кинетической энергии оболочки, и, соответственно, конечное
магнитное поле, и улучшение передачи кинетической энергии от каскада каска-
ду, был взят один из самых тяжелых металлов — вольфрам, а связующее - поли-
пропилен или фторопласт. Начальная плотность вещества порошкового компо-
зита меняется довольно просто - изменением соотношения компонент, механи-
чески композит обрабатывается очень легко; таким образом, достигается столь
необходимая при решении задачи оптимизации свобода выбора начальных зна-
чений параметров.
Еще одно регулируемое качество композита — его начальная электропро-
водность в зависимости от количества металла в смеси меняется от диэлектри-
ческой до металлической. Когда плотность композита уже достаточно велика,
в 1,5-2 раза больше плотности проволочного композита, его проводимость все
еще мала, чтобы свободно пропускать магнитный поток. Из такого композита
можно изготавливать только внутренние каскады генератора, причем, как пока-
зано ниже, небольших начальных размеров, так как частицы металла изотропно
расположены в матрице полимера с относительно большими расстояниями меж-
ду ними, поэтому для хорошего замыкания композита необходимо трехмерное
сжатие материала, что возможно только на малых радиусах цилиндрической
оболочки.
Проволочки в проволочном композите упакованы очень плотно, и для их
замыкания достаточно небольшого (порядка толщины эмалевой изоляции) ради-
ального смещения, поэтому каскады из проволочного композита могут иметь
любой размер, что оправдывает их использование, несмотря на сложную техно-
логию изготовления.
Глава III
КАСКАДНЫЙ ГЕНЕРАТОР МК-1
После первого взрывного эксперимента с генератором МК-1, состоящим
только из проволочного соленоида и кольца ВВ на нем (декабрь 1970 г*), после-
дующие -15 лет были посвящены созданию генератора МК-1 воспроизводимых
многомегагауссных магнитных полей. В данной главе приведены общее содер-
жание и результаты этой работы без соблюдения хронологии*
3*1* Однокаскадный генератор МК-1
Первые эксперименты с разрабатываемым генератором планировала, под-
готавливала и проводила группа А* И* Павловского в основном эмпирически, по
результатам предыдущих экспериментов; изменения в конструкцию генератора
и схему эксперимента вносились иногда из чисто интуитивных соображений,
поскольку отсутствовали самые примитивные теоретические или численные мо-
дели генератора, а тем более описывающие лайнер из проволочного композита*
Конструкция генератора совершенствовалась с развитием измерительных мето-
дик, техники и опыта проведения экспериментов и методов обработки их ре-
зультатов* От опыта к опыту, начиная с первого взрывного опыта с тонким
(5 слоев намотки) проволочным соленоидом без обратного вывода (см* рис* 16),
начальное магнитное поле в котором составило 80 кГс, а конечное (зарегистри-
рованное) — около 2 МГс, соленоид менялся: увеличивалось количество слоев,
появился обратный вывод; и, наконец, он приобрел вид, показанный на рис* 19*
Теперь генератор МК-1 — это простейшее устройство, в котором на соленоид
надето кольцо ВВ и на оси соленоида установлен измерительный узел с датчи-
ками в центре генератора. В полости соленоида-лайнера нет дополнительных
оболочек-лайнеров, поэтому называем такой генератор однокаскадным*
Спустя некоторое время после первых экспериментов возникла необходи-
мость (а после создания на взрывном полигоне рентгенографической установ-
ки - бетатрона БИМ-234-1000 — возможность) регистрации изображения генера-
тора МК-1 в процессе взрывного сжатия магнитного потока* В результате экспе-
рименты по исследованию свойств и изучению характеристик генераторов
сверхсильных магнитных полей разделились на два основных варианта поста-
новки: с измерением магнитного поля и рентгенографические* В первом случае
главной целью эксперимента было измерение амплитуды усиливаемого магнит-
ного поля и его производной, для чего на оси обжимающей оболочки размещал-
ся измерительный узел* Во втором варианте эксперимента проводилось рентге-
нографирование генератора с магнитным полем, причем основное внимание
уделялось состоянию полости оболочки, поэтому измерительный узел, иска-
жающий картину явления, отсутствовал. Связь между результатами эксперимен-
59
тов осуществлялась синхронизацией их по регистрируемому во всех без исклю-
чения опытах моменту начала движения обжимающей оболочки (во втором ва-
рианте датчик производной начального поля крепился на краю соленоида).
Более подробное описание применявшихся измерительных методик и раз-
витых впоследствии численных моделей генератора МК-1 приведено в следую-
щей главе* Пока же очень коротко напомним, что измерение производной на-
пряженности магнитного поля осуществляется индукционной методикой, т, е.
регистрацией сигнала индукционных зондов (датчиков) в виде витка (одного
или нескольких) тонкого изолированного провода, расположенного перпендику-
лярно направлению магнитного поля* А измерение самого магнитного поля (на-
пряженности или, как отмечалось ранее, в нашем случае равной ей по величине
магнитной индукции) осуществлялось интегрированием сигнала индукционного
датчика или оптической методикой на основе эффекта Фарадея (вращение плос-
кости поляризации света).
3.1*1. Результаты экспериментов с измерением магнитного поля
Посмотрим еще раз, как работает генератор МК-14* Во время запитки со-
леноида током от импульсного источника (конденсаторной батареи) в опреде-
ленный заранее момент времени подрываются детонаторы многоточечной сис-
темы инициирования заряда ВВ так, чтобы в момент максимума тока запитки
ударная волна подошла к внешней границе соленоида. Процессы, происходящие
затем в соленоиде-лайнере при прохождении ударной волны по его толщине,
отчетливо воспроизводятся сигналом достаточно чувствительного датчика на-
чального поля, типичная осциллограмма которого приведена на рис. 27.
Вспомним еще раз (см, раздел 2.5*2), что в момент максимума начального
магнитного поля (производная поля равна нулю) под действием давления
в ударной волне замыкаются сначала проволочки обратного вывода, захватыва-
ют часть магнитного потока, обратного по направлению магнитному потоку
внутри соленоида, и затем, двигаясь к центру, сжимают этот поток, вытесняя его
внутрь соленоида* Магнитный поток в соленоиде уменьшается (небольшой от-
рицательный пичок на производной магнитного поля)* Затем замыкаются про-
волочки соленоида, захватывается и сжимается магнитный поток в теперь уже
просто обжимающей оболочке. Отметим, что во время прохождения ударной
волны по композиту в обратном выводе и в соленоиде происходит сжатие маг-
нитного поля волной включения проводимости. Этот процесс впервые изучали
К* Нагаяма (Япония) [103] и Е, И* Биченков с сотрудниками (Новосибирск)
[102]. Волнообразный характер ускорения внутренней (передней по направле-
нию движения) поверхности оболочки, обусловленный реверберацией ударной
волны в оболочке, хорошо виден в численной модели генератора и иногда про-
сматривается на сигнале индукционного датчика (на правой осциллограмме
рис. 27)*
4 Здесь и далее рассматривается так называемый стандартный (малый) генератор
МК-1 с внутренним диаметром соленоида 139 мм.
60
Рис. 27. Сигналы индукционных датчиков разной чувствительности на стадии
замыкания, ускорения и схлопывания лайнера. Вертикальная калибровка — 100 В,
метки времени — 2 мкс
Начальный этап сжатия магнитного потока характеризуется высокой эф-
фективностью захвата потока и очень малыми потерями при сжатии. Даже после
уменьшения начального диаметра оболочки в ~2 раза при ее сжатии потери маг-
нитного потока не превышают 5 %, т. е* находятся в пределах погрешности из-
мерения магнитного поля и размеров оболочки. Течение процесса усиления маг-
нитного поля иллюстрируют осциллограммы сигналов индукционных датчиков
разной чувствительности и оптической методики (рис. 28)* Первый луч осцилло-
граммы (рис. 28,а) воспроизводит начальный этап процесса сжатия магнитного
потока, сигнал на втором луче получен от менее чувствительного датчика* На
такой же двухлучевой осциллограмме (рис* 28,6) показаны сигналы и индукци-
онной, и оптической методик. (В подписях к рисункам, относящихся к осцилло-
граммам сигналов индукционных датчиков, пропорциональных производной
магнитного поля, указывается их чувствительность в Гс/с-В, а к осциллограммам
сигналов оптической методики — значение магнитного поля, соответствующее
повороту плоскости поляризации света на 180°, в МГс*)
Рис. 28. Сигналы датчиков индукционной и оптической методик в однокаскадном гене-
раторе: а —верхний луч К = 1,5-Ю9 Гс/с-В, нижний луч А’ = 2401° Гс/с-В; б — верхний
луч — сигнал оптической методики, нижний луч - индукционной. Вертикальная калиб-
ровка - 50 и 100 В, метки - 2 мкс
61
Регистрация последней стадии процесса усиления магнитного поля закан-
чивается во всех экспериментах с однокаскадным генератором МК-1 одинаково:
сигналы индукционной и оптической методик спадают до нуля; происходит это
в опытах с начальным полем около 160 кГс всегда примерно в один и тот же
момент — на ~13-й мкс процесса (за начало процесса здесь и далее принимается
упоминавшийся выше скачок производной магнитного поля, связанный с уско-
рением оболочки).
Чтобы найти объяснение этому воспроизводимому, а значит, достоверно-
му факту прекращения регистрации сигналов датчиков, было сделано несколько
попыток сфотографировать схлопывание лайнера в проходящем свете взрывной
подсветки скоростным фотохронографом. Из СФР-грамм схлопывающейся обо-
лочки следует, что на ~13-й мкс процесса скорость схлопывания лайнера — около
4 км/с, внутренний диаметр оболочки к этому времени — не менее 30 мм, следо-
вательно, такое прекращение регистрации явно преждевременное, а причина
его - не удар лайнера по датчикам.
Обсуждалось несколько предположений. Во-первых, такой же факт преж-
девременного прекращения усиления поля при взрывном сжатии потока наблю-
дался практически во всех лабораториях мира: максимальное зарегистрирован-
ное поле сильно меньше теоретического максимума. Однако в этих случаях
и сами генераторы, и начальные потоки были малы, так что моменты прекраще-
ния усиления и наступления максимума поля очень близки и не различимы
в измерениях. В нашем случае речь идет о сантиметровых размерах и временах
в несколько микросекунд, что зарегистрировано достаточно отчетливо.
Следующий вариант — ухудшение проводящих свойств композитного ма-
териала лайнера: он перестает сжимать поток. Но в этой ситуации магнитный
поток должен вытекать из полости сквозь плохо проводящую стенку лайнера
и производная поля должна стать отрицательной, а не нулевой, как в опыте.
Наконец, предполагаемой причиной разрушения датчиков может быть не
массивная часть оболочки, а что-то более легкое, например ударная волна в воз-
духе или микрооткольные частички композита, эмалевой изоляции проволочек,
опережающие лайнер. Настойчивыми и изобретательными усилиями Н. П. Ко-
локольчикова были предприняты попытки защитить измерительный узел. Испы-
танию подвергались разные варианты защиты в виде механических непроводя-
щих препятствий. В одном из них такая защита была составлена из тонкопле-
ночного цилиндра, намотанного на диаметре 30 мм из десяти слоев лавсановой
пленки толщиной 0,03 мм. В другом варианте керамическая трубка с датчиками
помещалась внутри другой более толстой керамической трубки с внешним диа-
метром ~9 мм, а зазор между ними заполнялся либо воздухом, либо трансфор-
маторным маслом, либо поролоном. В третьем варианте вместо внешней кера-
мической трубки ставилась еще более прочная трубка из искусственного руби-
на— одного из наименее сжимаемых веществ.
Несмотря на заметное различие механических, электрических свойств
и массы испытанных вариантов защиты, результат их применения оказался оди-
62
наков: процесс регистрации усиления магнитного поля продлился на ~2 мкс,
а максимальное измеренное магнитное поле в однокаскадных генераторах МК-1
с такой пассивной (почему пассивной — об этом ниже) защитой измерительного
узла возросло до ~5 МГс.
Стремление к дальнейшему увеличению длительности процесса регистра-
ции усиливаемого магнитного поля (в идеале — вплоть до перехода поля через
максимум) оправданно как с точки зрения понимания процесса магнитной ку-
муляции и построения его численной модели, так и с точки зрения возможных
применений генератора* поэтому поиски конструкции защиты были продолже-
ны, Наилучший результат был получен с помощью комбинированной защиты
(эскиз сечения измерительного узла с элементами такой защиты приведен на
рис. 29). Отметим, что аналогичная схема размещения и крепления внутренних
узлов генератора МК-1 на пенопластовых фланцах применяется в экспериментах
группы очень часто. Она обеспечивает достаточно точную центровку узлов, дли-
на которых, как правило, меньше длины соленоида (30 см), но на несколько сан-
тиметров длиннее заряда ВВ (18 см у малого генератора МК-1), чтобы края
узлов вышли за пределы неразгруженной схлопывающейся части лайнера
(однородного магнитного поля).
Рис. 29. Эскиз измерительного узла однокаскадного генератора МК-1: 1 — трубка
с датчиками; 2 - трубка защиты; 3 - центрирующая втулка; 4 — эбонитовый
держатель; 5 — рупорный световод; 6, 7 — лавсановые цилиндры; 8 — фланец;
9 - соленоид генератора; 10 - заряд ВВ
63
Итак, на оси измерительного узла помещена керамическая трубка диамет-
ром от 1,5 до 4 мм с датчиками: индукционные зонды намотаны прямо на труб-
ку, оптический зонд в виде цилиндра из тяжелого флинта ТФ-5 расположен
внутри трубки. Коаксиально с центральной трубкой закреплена трубка защиты
из керамики или искусственного рубина. Выше по радиусу расположены два
лавсановых цилиндра из 10 слоев лавсановой пленки толщиной 0,02 мм,
диаметры цилиндров 20 и 40 мм. Все эти трубки и диэлектрические цилиндры
собраны в единую конструкцию с помощью эбонитовых держателей и центри-
рующих втулок (эбонит светонепроницаем и не дает бликов, однако иногда
с успехом применялся менее светонепроницаемый капролон). Во внешние края
отверстий держателей входят узкие концы конусных световодов из непрозрач-
ного и черного пергамина, они предохраняют световой канал от световых наво-
док. Весь измерительный узел крепится и центруется на соленоиде-оболочке
с помощью пенопластовых фланцев. Обратите внимание на однородность струк-
туры генератора на длине, слегка превышающей длину кольца ВВ: это гаранти-
рует отсутствие струй и других возмущений продольной симметрии схлопыва-
ния лайнера.
Комбинация многослойной легкой лавсановой защиты и жесткой трубки
с зазором над датчиками несколько продлила регистрацию усиления магнитного
поля. В генераторах с керамической или рубиновой трубками защи ты зарегист-
рировано одинаковое максимальное магнитное поле — более 6 МГс, Одинаковые
результаты нескольких экспериментов с таким измерительным узлом позволяют
говорить об их надежности и достоверности. Они послужили критерием провер-
ки истинности численной модели генератора МК-1, конкретные данные которой
приведены ниже*
3.1.2, Результаты численного моделирования однокаскадного генера-
тора МК-1
Для объяснения результатов экспериментов с измерением магнитного по-
ля, о которых шла речь в предыдущем разделе, привлечем численную модель
однокаскадного генератора. На определенном этапе развития программного
комплекса SMOG-DISK, когда в моделях на его основе стали учитываться фазо-
вые превращения разогретых материалов лайнера, изменение проводимости ме-
ди в зависимости от введенной энергии (из работ Ю. Д. Бакулина и др. по взры-
вающимся проволочкам [125]), качество модели генератора МК-1 и доверие
к ней значительно возросло. Доверие это основывается на результатах сравнения
расчета с экспериментом на той стадии работы генератора МК-1, когда вещества
еще не разогреты и их свойства известны достаточно хорошо*
При решении вопроса о наборе выходных данных расчета и о форме их
вывода (какие параметры генератора более важны и интересны, в каком виде
они более наглядны и информативны) предпочтение было отдано графическому
представлению найденных в расчете зависимостей: в первую очередь, это вре-
менные зависимости магнитной индукции B(t) и ее производной dBjdt? ди а-
64
метров различных точек обжимающей оболочки D(f) и скорости изменения
внутреннего диаметра оболочки v(f). Для оболочки со столь сложной структу-
рой, как у описываемого генератора, кривые D(f) образуют целое семейство
и показывают, как меняются во времени внутренний и внешний диаметры обо-
лочки, а также диаметры границ всех четырех слоев соленоида-оболочки.
Весь процесс сжатия магнитного потока в однокаскадном генераторе был
условно разбит на два этапа* Начальный этап сжатия протекает одинаково во
всех рассматриваемых далее типах генераторов (при одинаковых начальных
условиях), его ход показан на рис* 30* Здесь же различными значками на кривых
5(f) и D(f) представлены результаты измерений магнитного поля и внутренне-
го диаметра лайнера, выполненных в нескольких экспериментах с однокаскад-
ным генератором. Совпадение расчета с экспериментом на этом этапе сжатия
отличное*
5,10s Гс
dB/dt, 1011 Гс/с
Рис. 30, Графики изменения во времени основных параметров однокаскадного
генератора МК-1: кривые — расчет, точки — эксперимент
65
На последней стадии сжатия магнитного потока интерес представляют
также траектории движения внутренней и внешней границ скин-слоя, на глуби-
не которого магнитное поле затухает в е раз, и траектории границ раздела раз-
личных фаз состояния вещества оболочки: пара (проводящего и непроводящего,
граница между которыми является внутренней границей скин-слоя), жидкости
и твердого состояния. Интересны также графики изменения во времени энерге-
тических характеристик процесса магнитной кумуляции (в пересчете на длину
оболочки): кинетической энергии всей оболочки магнитной энергии в гене-
раторе Wm и части ее, заключенной в объеме, ограниченном снаружи внутренней
границей скин-слоя (в этом объеме магнитное поле постоянно) полной внут-
ренней энергии вещества оболочки
Эти графики можно построить только
с помощью численной модели, как
и так называемые мгновенные ради-
альные разрезы генератора, показы-
вающие изменения по сечению генера-
тора магнитного поля В (г), плотности
вещества р(г) и давления р(г)*
Последний этап сжатия магнит-
ного потока начинается переходом
в диапазон сверхвысоких плотностей
энергии. Он сопровождается измене-
ниями состояния вещества оболочки
и характеризуется заметно меньшей
полнотой и достоверностью сведений
о свойствах вещества в таких услови-
ях. Однако и здесь удалось получить
удовлетворительное согласие расчета
с экспериментом: на рис* 31 добавлены
результаты измерения размеров внут-
ренней границы оболочки (максималь-
ный, средний и минимальный диа-
метр), расчетная кривая сохранения
магнитного потока ср(?) в полости
Рис. 31. Графики изменения во времени
основных параметров однокаскадного
генератора МК-1 на последней стадии
процесса сжатия магнитного потока. Обо-
значения переменных см. в тексте, точки —
эксперимент
с внутренним диаметром, описывае-
мым кривой, обозначенной цифрой 2*
Траектория движения первого слоя
оболочки представлена на графиках
D(f) несколькими кривыми. Нижняя
отображает движение самых первых
66
б
в
Рис. 32, Радиальные разрезы (а) и рентгенов-
ские снимки поперечного сечения однокас-
кадного генератора МК-1 в разные моменты
времени: б — магнитное поле 2,7 МГс, в — маг-
нитное поле более 6 МГс (максимум)
(испарившихся) частиц обо-
лочки; кривые, обозначенные
цифрами 1 и 2, показывают
траекторию внешней и внут-
ренней границ скин-слоя;
пунктиром отмечена внешняя
граница испарившейся части
оболочки.
Обратим внимание на
два важных обстоятельства.
Во-первых, внутренняя (по ра-
диусу) граница скин-слоя
(кривая 2, рис* 31) уходит при
приближении к максимуму
магнитного поля вглубь обо-
лочки, а внутренняя граница
оболочки продолжает двигать-
ся к центру с постоянной ско-
ростью. Вещество оболочки,
заключенное между этими гра-
ницами, имеет малую плот-
ность и находится в непрово-
дящем состоянии. Это означа-
ет, что вещество потеряло
связь с магнитным полем, не
испытывает противодавления
магнитного поля, проникает
в полость оболочки и может
послужить причиной разруше-
ния (преждевременного!) из-
мерительного узла. Кроме то-
го, на рентгеновских снимках
это малоплотное вещество
трудно различимо, что услож-
няет сравнение расчетных
и экспериментальных размеров
оболочки.
Во-вторых, момент мак-
симума магнитного поля в ге-
нераторе характеризуется ос-
тановкой обеих границ скин-
слоя, как и границы испарив-
шейся части оболочки; более
того, расчет показывает, что
67
кинетическая энергия всей оболочки уменьшилась почти до нуля. Если рассмот-
реть баланс энергий в генераторе, то он, на первый взгляд, не выполняется: если
максимум кинетической энергии оболочки составляет ~680 кДж, то в момент
максимума магнитного поля ее значение — 50 кДж, энергия магнитного поля —
550 кДж* а внутренняя энергия вещества оболочки - 300 кДж (на единицу длины
лайнера). Наблюдаемая разница между максимальным значением кинетической
энергии оболочки и суммой энергий в момент максимума поля объясняется тем,
что в отсутствие магнитного поля в генераторе давление продуктов детонации
ВВ непрерывно увеличивает кинетическую энергию оболочки, так что макси-
мум ее наступает непосредственно перед концом процесса схлопывания и со-
ставляет -900 кДж. Торможение оболочки магнитным противодавлением мас-
кирует этот непрерывный рост.
Продолжая изучать результаты численного моделирования однокаскадно-
го генератора и несколько забегая вперед, рассмотрим два моментальных ради-
альных разреза генератора, сделанных с помощью численной модели в разные
моменты времени и совмещенных в одном графике (рис, 32). На левой половине
графика магнитное поле около 2,7 МГс, почти треть толщины первого слоя обо-
лочки расплавлена, а передний (по ходу оболочки) край ее достаточно резкий.
Разрез на правой половине графика сделан вблизи максимума магнитного поля.
Здесь расплавлен уже весь первый слой, а передняя его часть на глубину -6 мм
испарилась. Теперь впереди плотной части оболочки примерно на 5 мм прости-
рается малоплотный и непроводящий пар вещества.
На рис. 32 для сравнения с расчетом и демонстрации возможностей чис-
ленной модели на одном из первых этапов ее разработки помещены два фраг-
мента рентгеновских снимков поперечного сечения генератора, сделанных при-
мерно в те же моменты процесса сжатия магнитного потока. Обратим внимание
на хорошее визуальное совпадение экспериментальных и теоретических границ
структурных составляющих оболочки (масштаб по оси абсцисс графиков приве-
ден в соответствие с масштабом снимков). Это вместе с наблюдаемым хорошим
совпадением теоретических и экспериментальных кривых B(f) и D(f) (там, где
экспериментальные данные имеются) говорит о правильном в целом описании
численной моделью реального МК-1-генератора.
Изображение полости однокаскадного генератора на рентгеновских сним-
ках, особенно на рис. 32,в, сделанном в момент максимума магнитного поля,
наглядно обозначают и пределы применимости одномерной численной модели,
и направление дальнейших экспериментальных исследований. Как будет пока-
зано далее, важнейшую роль в процессе магнитной кумуляции играет устойчи-
вость формы внутренней поверхности раздела вещество — поле, т. е* двумерные
эффекты, которые не могут быть учтены одномерной моделью.
68
3.13. Исследование формы и размеров оболочки однокаскадного
генератора МК-1
Не обладая информацией об амплитудах и характере изменения парамет-
ров, описывающих движение схлопывающейся к центру оболочки* оценить ра-
боту МК-генератора невозможно* Одна из основных характеристик процесса
магнитной кумуляции — внутренний диаметр обжимающей оболочки* Пока диа-
метр оболочки превышает 2-^4 см, его уверенно можно зарегистрировать с по-
мощью СФР с достаточно хорошим длиннофокусным телеобъективом (рис* 33).
Первая СФР-грамма (рис* 33, а) сделана в проходящем свете взрывной подсвет-
ки, на ней зафиксировано схлопывание сплошной медной оболочки, по массе
примерно равной массе проволочного соленоида. Видно* что свечение ударной
волны впереди цилиндра перекрывает по интенсивности свет взрывной подсвет-
ки. На боковой поверхности заряда ВВ заметно движение детонационной волны
от 40 точек инициирования, равномерно размещенных по длине окружности за-
ряда* Круговая форма сечения цилиндра к концу сжатия искажается, но рас-
смотреть его внутреннюю границу не позволяет свет на разгруженной боковой
поверхности цилиндра*
На рис* 33,6 сфотографировано схлопывание проволочного лайнера генера-
тора, полость которого в опыте откачивалась до давления мм рт* ст. (детали
стеклянного диффузионного паромасляного насоса видны на кадрах СФР-граммы
слева)* СФР-граммы на рис. 33,в,г получены в экспериментах с одновременным
рентгенографированием генератора* Съемка выполнялась в режиме самосвечения:
на СФР-грамме зафиксирован свет от ударной волны в воздухе, заполняющем по-
лость оболочки, и от ударной волны со стороны боковой поверхности заряда ВВ,
На начальных кадрах заметно также свечение проволочек соленоида-оболочки,
разогретых током запитки, различающееся в опытах в зависимости, по-видимому,
от качества изготовления обратного вывода соленоида. И на этих кадрах видно
свечение от складок на разгруженной части лайнера, причем число складок соот-
ветствует числу элементов системы многоточечного к
i:i ! in
жирования: на внешней
поверхности заряда ВВ приклеено 10 фокусирующих элементов из пенопласта,
в каждом элементе на внутренней его поверхности равномерно расположены
32 точки инициирования — четыре ряда в направлении вдоль окружности по 8 то-
чек в осевом направлении вдоль заряда ВВ*
СФР-граммы рис* 33 позволяют сделать несколько выводов* Во-первых,
налицо очень близкое соответствие динамики схлопывания сплошной металли-
ческой и проволочной композитной оболочек. Во-вторых, наличие атмосферы
в полости сильно искажает картину последнего этапа схлопывания в видимой
области спектра* В-третьих, даже в отсутствие атмосферы в полости измерение
малых диаметров оболочки практически невозможно* Наконец, в-четвертых,
изображение состояния оболочки на последнем этапе сжатия вызывает большие
сомнения.
Малая помехоустойчивость системы регистрации, сопряженная с необхо-
димостью значительного усложнения эксперимента введением техники высоко-
го вакуума, невозможность измерения малых диаметров, — все эти недостатки
a
б
в
г
Рис, 33, Фрагменты СФР-грамм схлопывания лайнера однокаскадного генератора МК-1, Интервал между кадрами 2 мкс
70
исчезают в случае применения проникающего излучения в качестве носителя
информации о форме и размерах полости оболочки генератора МК-1,
В первых опытах рентгенографирование генератора осуществлялось
в схеме опыта с перпендикулярным расположением осей оболочки и рентгенов-
ского луча (продольное сечение лайнера на снимке)* Оказалось, что внутренний
диаметр оболочки в конце процесса схлопывания тоже очень трудно измерить,
В качестве иллюстрации рассмотрим рентгеновские снимки продольного сече-
ния генератора» сделанные в такой геометрии опыта в момент времени, близкий
к моменту максимума измеренного магнитного поля (рис, 34), Прежде всего от-
метим, что снимок на рис. 34,а сделан специально со смещением оси съемки
(рентгеновского луча) влево на несколько сантиметров относительно центра за-
ряда ВВ (и центральной области генератора) для того» чтобы увидеть вместе
разгруженную и неразгруженную части оболочки и таким образом оценить дли-
ну неразгруженной части оболочки (продольный размер объема конечного маг-
нитного поля), которая составляет, судя по снимкам, не менее 11 см*
Рис, 34, Рентгеноснимки продольного сечения однокаскадного генератора МК-1
Для всех продольных снимков общими характерными особенностями яв-
ляются:
1) несимметричный вид сечения оболочки — толщина оболочки по обе
стороны от оси разная; эта несимметричность на разных снимках проявляется
по-разному и, как правило, выражена отчетливо, как на приводимых снимках;
2) размытое изображение внутреннего края оболочки, причем эту размы-
тость нельзя объяснить одними только свойствами системы регистрации рентге-
новского изображения;
3) наличие продольных полос плотности почернения пленки на изображе-
нии полости оболочки.
Чтобы понять природу этих особенностей рентгеноснимков, являющихся
причиной трудностей определения размеров полости, необходимо было рас-
смотреть поперечное сечение оболочки, ее форму в конце сжатия потока. Но
в такой геометрии эксперимента — рентгеновский луч вдоль оси лайнера - тре-
буется наиболее точная юстировка генератора МК-1 по лучу, а бетатрон и кассе-
71
та с пленкой подвержены воздействию не просто взрыва, но и кумулятивной
струи от схлопывающегося лайнера, поэтому пришлось увеличивать расстояния
от генератора и усиливать защиту бетатрона и кассеты. Уже первые снимки по-
перечного сечения оболочки выдвинули на первый план проблему устойчивости
формы схлопывающегося лайнера, В дальнейших экспериментах в одной редакции,
но с разными моментами рентгенографирования впервые была получена серия
рентгеноснимков, по которым можно проследить динамику схлопывания лайнера,
сжимающего магнитный поток* Течение последней, самой интересной стадии про-
цесса сжатия магнитного потока при многомегагауссных значениях магнитного
поля в полости оболочки представлено ниже рядом рентгеновских снимков.
Сначала посмотрим на снимки, показывающие состояние оболочки, схло-
пывающейся при отсутствии магнитного поля (рис. 35). Они демонстрируют
влияние внутренних свойств материала оболочки и свойств системы взрывного
сжатия на форму схлопывающейся оболочки* На рис. 35>а,б оболочка имеет от-
четливую пятиугольную форму, что объясняется конструкцией десятиэлемент-
ной системы инициирования заряда ВВ (а на СФР-граммах видны именно
10 складок!). Эти же снимки показывают близкое сходство формы внутренней
поверхности сплошной металлической (в данном случае стальной) и проволоч-
ной композитной оболочек, причем более ранний снимок (рис. 35,в) обнаружи-
вает почти идеальную форму проволочного лайнера, а на последнем снимке
(рис. 35,г) показано сечение почти полностью схлопнувшейся проволочной обо-
лочки*
а б
в г
Рис. 35. Рентгеноснимки поперечного сечения оболочек без магнитного поля:
а — стальной цилиндр с линейной массой проволочного соленоида-лайнера;
б-г — проволочный композитный лайнер в различные моменты схлопывания
72
Выполненная Н* И. Егоровым цифровая обработка рентгенограмм позво-
лила получить количественные характеристики формы и размеры внутренней
поверхности оболочек (см. таблицу)* Отметим небольшие отклонения внутрен-
ней поверхности от окружности симметрии: на диаметре 20-25 мм амплитуда
отклонений всего липть -1 мм для обеих оболочек, а на почти вдвое большем
диаметре (рис. 35,в) отклонения от правильного круга едва заметны и не превы-
шают погрешности измерения размеров на рентгенограммах*
А теперь посмотрим, как меняется форма сечения лайнера с ростом маг-
нитного поля в его полости* На рис. 36 приведены 6 рентгеновских снимков по-
перечного сечения генератора МК-1 с магнитным полем стандартного режима
запитки* Уже на первом снимке магнитное поле в полости оболочки — около
2,5 МГс* По данным численной модели внутренний слой оболочки на глубину
более 1 мм расплавился, тем не менее ее внутренняя поверхность на снимке
гладкая, форма повторяет форму волны детонации (номер моды максимальной
гармоники возмущения и здесь равен 5), отклонения внутренней границы от
круга незначительны (около 1 мм).
16,2 мкс; 5,2 МГс 16,7 мкс; 6 МГс 16,9 мкс; 6 МГс
где
Рис. 36. Рентгеноснимки однокаскадного генератора МК-1 с начальным
магнитным полем 160 кГс
73
Далее, когда магнитное поле начинает превышать 3 МГс, конфигурация
внутренней поверхности быстро искажается; исчезает ее прямая связь с формой
волны детонации: номера максимальных мод возмущения отличаются от харак-
терных значении 5 или 10, наблюдавшихся до этого момента и обусловленных
строением системы инициирования, и не кратны им (см, табл,)*
Таким образом, наиболее вероятная причина наблюдаемых деформации
поверхности раздела вещество - сверхсильное магнитное поле - магнитогидро-
динамические неустойчивости типа Рэлея — Тейлора, Неустойчивый (неограни-
ченный) характер развития возмущений формы внутренней поверхности демон-
стрирует рис, 36,г-е* Амплитуда отклонений быстро растет, внутренняя полость
заполняется испарившимся веществом, причем истечение струй происходит как
с мощных, крупных остриёв, так и с мелкомасштабных остриёв на округлых
впадинных участках внутренней поверхности*
На двух последних снимках (рис* 36,д,е), сделанных в непосредственной
близости к моменту максимума магнитного поля, видны катастрофические по-
следствия развития неустойчивостей* Внутренняя поверхность оболочки имеет
совершенно отличную от исходной форму. Высокоплотная, по-видимому, токо-
несущая часть оболочки затормозилась магнитным противодавлением, дости-
гающим 150 ГПа, Это подтверждается и ростом среднего значения диаметра
внутренней границы оболочки, наблюдаемым на еще более поздних снимках.
Но говорить об остановке оболочки в традиционном смысле этого слова
трудно, так как некоторые ее участки продолжают движение к центру. Непрово-
дящая часть оболочки, потерявшая связь с магнитным полем, также движется
к центру; происходит явно двумерное (не только радиальное) перемещение веще-
ства и перемешивание вещества и магнитного поля. В центре генератора наблю-
дается кольцевой слой вещества - результат отражения струй от оси оболочки.
а б
Рис, 37, Рентгеновские снимки однокаскадного генератора МК-1
в режиме малого начального поля
Универсальный характер наблюдаемого поведения внутренней границы
лайнера, сжимающего сверхсильное магнитное поле, доказывают снимки попе-
речного сечения генератора в другом режиме работы — в режиме малого началь-
ного поля (90-100 кГс)* На рис* 37 показаны аналогичные возмущения формы
74
внутренней границы лайнера с отсутствием связи с главным начальным возму-
щающим фактором - формой волны детонации. Результаты обработки снимка
на рис* 37,а также приведены в таблице*
Количественные характеристики формы и размеры внутренней границы лайнера
однокаскадного генератора МК-1
Г5 мкс О ср ММ ММ ^тпах» ММ Номера первых гармоник Относительные амплитуды первых гармоник Магнитное поле в полости
15 24,3 22,4 26,4 2 5 3 6 0,0467 0,0266 0,0208 0,0116 Без поля, сталь
15 20,1 18,4 22,2 5 2 3 4 0,0516 0,0253 0,0129 0,0073 Без поля
16 5,6 4,6 7,0 3 4 2 1 0,1082 0,0574 0,0282 0,0251 Без поля
13,5 42,8 41,1 44,7 2 7 6 9 0,0202 0,0120 0,0100 0,0098 1,75 МГс
14,2 36,5 32,7 40,2 5 4 10 2 0,0579 0,0315 0,0224 0,0149 2,25 МГс
14,7 32,6 30,6 35,2 5 4 3 8 0,0150 0,0112 0,0077 0,0070 2,5 МГс
15,3 28,0 24,2 30,8 4 7 8 6 0,0337 0,0309 0,0275 0,0271 3,5 МГс
15,7 24,9 19,8 29,2 4 6 3 8 0,1169 0,0698 0,0312 0,0309 4,1 МГс
16,2 20,4 13,5 24,6 5 4 1 9 0,1659 0,1420 0,0855 0,0348 5,0 МГс
16,7 17,7 10,5 23,5 2 7 3 1 0,1391 0,1277 0,1162 0,1124 6,0 МГс
16,1 20,0 15,0 23,3 4 2 5 1 0,0700 0,0614 0,0536 0,0428 С лавсаном
16,1 13,3 10,3 16,4 3 4 6 7 0,2048 0,0858 0,0504 0,0409 С малым полем
Рассмотрим влияние описанной выше защиты измерительного узла. На
рис. 38,а приведен полученный в эксперименте с двумя многослойными лавса-
новыми цилиндрами снимок поперечного сечения лайнера вблизи максимума
магнитного поля, а на рис* 38,6 - результат редкого эксперимента с одновремен-
ным измерением магнитного поля и рентгенографированием* В этом экспери-
менте применена полная комбинация многослойной защиты: два лавсановых
многослойных цилиндра и трубка из искусственного рубина (трубки защиты
и измерительный узел видны на снимке)*
а б
Рис. 38. Рентгеноснимки однокаскадного генератора-МК-1 с лавсановыми цилиндрами
защиты измерительного узла (а) и с дополнительной керамической трубкой (б)
75
Изображения на рис* 38 позволяют представить себе следующую картину
влияния защиты* После соударения обжимающей оболочки с первым лавсано-
вым цилиндром на внутренней поверхности оболочки образуется тонкий слой
лавсана (судя по снимкам, он не отлетает от оболочки), изменяющий режим ис-
парения вещества и образования мелких струй. Следующий удар лайнера по
второму цилиндру усиливает слой лавсана и его выравнивающее действие (этот
момент зафиксирован на рис. 38,а: полное отсутствие вещества в центральной
полости, ограниченной правильным кругом схлопывающегося лавсанового ци-
линдра, и сравнительно небольшая амплитуда искажений формы границы),
В конце концов, мощные струи все же образуются, но их разрушительному дей-
ствию еще некоторое время препятствует керамическая трубка защиты, так что,
как видно из рис* 38,6, на оси оболочки нет препятствий зондирующему лучу
лазера и измерение поля оптической методикой продолжается еще некоторое
время* Результаты измерения параметров формы и размеров внутренней грани-
цы лайнера этого эксперимента также приведены в таблице. И в этом случае нет
прямой связи формы лайнера и системы инициирования заряда ВВ, а номера
первых гармоник случайны.
3*1.4, Итоги исследования однокаскадного генератора МК-1
В первых же экспериментах с новой композитной конструкцией лайнера
генератора МК-1 выявилось некое «пороговое» значение конечного магнитного
поля: максимальное магнитное поле, зарегистрированное хорошо защищенными
измерительными датчиками, составило ~3 МГс, что совпадает с реальными дос-
тижениями большинства других исследовательских групп. Это можно считать
свидетельством как универсальности полученных результатов, так и универ-
сальности причины появления этого «порога»: противодавление магнитного
поля достигает такой величины, когда начинается эффективное торможение
передней границы лайнера и развитие неустойчивости внутренней поверхности
оболочки.
Перейти через «порог» удалось, применив комбинированную защиту в ви-
де расположенных на пути лайнера нескольких тонкослойных лавсановых ци-
линдров: несмотря на незначительную погонную массу, они, судя по эффектив-
ности защиты, задерживают на некоторое время частички вещества, опережаю-
щие лайнер. В отсутствие защиты эти частички, в частности в виде струй со сто-
роны внутренней границы лайнера, долетевшие до поверхности измерительного
узла небольшого диаметра, приобретают большую плотность и либо разрушают
измерительный узел, либо создают условия для его экранировки (поверхност-
ный пробой)* А поскольку диаметр лавсановых цилиндров большой, плотность
вещества струй недостаточна для перемещения или разрушения лавсана*
Главный недостаток комбинированной защиты легко увидеть, вычислив ее
толщину при подлете к измерительному узлу. Общая толщина двух лавсановых
цилиндров диаметром 2 и 4 см и толщиной 0,2 мм становится равной -2 мм на
измерительном узле диаметром 4 мм или -1,5 мм на рубиновой защите измери-
тельного узла диаметром 6 мм, заполнив тем самым объем конечного магнитно-
76
го поля веществом защиты. Применять такую защиту стало возможным только
благодаря значительному увеличению начального магнитного потока в прово-
лочном соленоиде и увеличенному вследствие этого объему конечного поля.
Именно благодаря последнему обстоятельству удалось также исследовать кар-
тину явлений, происходящих в недоступной прежде непосредственному наблю-
дению полости оболочки генератора MK-L
Приведенные в таблице (см* с* 74) результаты обработки снимков вклю-
чают размерные характеристики оболочки, что и позволяет ответить на вопрос:
как меняется во времени внутренний диаметр оболочки? Найденные по рентге-
носнимкам размеры проставлены на рис* 31, где показаны также вычисленные
графики 5(f) и D(f)* В отличие от традиционного обозначения погрешностей
измерений вертикальные черточки соединяют здесь максимальное и минималь-
ное значения диаметра возмущенной внутренней поверхности оболочки* На-
помним, что измерения магнитного поля и размеров лайнера осуществлялись
раздельно в разных экспериментах. Что же касается точности определения диа-
метра на снимках, для ее оценки используются размерные характеристики экви-
денсит границ того интервала плотностей почернения, в котором находится изо-
бражение внутренней поверхности оболочки. Оцененная таким образом абсо-
лютная погрешность определения диаметра - около 1 мм, ошибка определения
второй координаты экспериментальных точек ±0,1 мкс*
Как видно из рис* 31, пока амплитуда отклонений формы внутренней по-
верхности мала, ее измеренный диаметр совпадает с вычисленным* Это совпа-
дение к концу процесса ухудшается, что не удивительно для одномерной моде-
ли, не учитывающей наблюдаемые в опыте существенно двумерные явления.
Поэтому вычисленное значение максимального магнитного поля генератора
превышает максимум измеренного (даже с помощью защищенного измеритель-
ного узла) магнитного поля, что позволяет сделать следующий вывод: неустой-
чивость оболочки, сжимающей магнитный поток, — основной фактор, огра-
ничивающий конечное поле генератора МК-1 [126,127]*
Таким образом, благодаря принятому в качестве исходного положению об
увеличенном начальном магнитном потоке и ограниченной степени его сжатия
зафиксировано состояние основных параметров магнитокумулятивного генера-
тора, в котором завершен процесс магнитной кумуляции* Экспериментально за-
регистрированное состояние внутренней поверхности оболочки, сжимающей
многомегагауссное магнитное поле, объясняет трудности, связанные как с по-
пытками увеличить конечное поле уменьшением начального магнитного потока,
так и с проведением экспериментов в магнитном поле, усиленном в генераторе*
Отбор кинетической энергии у оболочки осуществляется ее торможением, что
приводит в действие рэлей-тейлоровский механизм развития неустойчивостей
границы поле — вещество, а развивающиеся вследствие этого выбросы вещества
в полость оболочки препятствуют проведению исследований в магнитном поле
генератора. В этом смысле неустойчивость внутренней границы оболочки, ежи-
77
мающей сверхсильное магнитное поле, повторим, можно назвать основным фак-
тором, ограничивающим используемое магнитное поле генератора МК-1.
3,2. Многокаскадный генератор МК-1
3,2.1, Программа исследования многокаскадного генератора
Обнаружение факта преждевременного прекращения регистрации усиле-
ния поля сжимающимся проволочным лайнером возобновило попытки изгото-
вить цилиндр (не соленоид) из проволочного композита, который мог бы заме-
нить «уставший», «испортившийся» соленоид-лайнер и продолжить сжатие по-
тока. После многократных попыток удалось наладить изготовление достаточно
однородных по строению, прочных и удобных для применения цилиндров раз-
ного диаметра и толщины. Технология изготовления впоследствии совершенст-
вовалась и изменялась, но первый удачный и наиболее длительно использовав-
шийся вариант состоял из следующих операций. Поверхность стального цилин-
дра большого диаметра (например, неиспользованный лайнер генератора МК-1
из нержавеющей стали) покрывается намоткой в один ряд вплотную, виток
к витку, тонкого медного изолированного провода и проклеивается клеем, со-
храняющим гибкость после застывания. Затем склеенная намотка из проволочек,
расположенных перпендикулярно оси цилиндра, прорезалась вдоль образующей
цилиндра, и снятая со стального цилиндра полоса наматывалась в несколько
слоев на цилиндр-оправку будущего проволочного лайнера так, чтобы прово-
лочки полосы лежали вдоль образующей цилиндра. Многослойный цилиндр из
проволочек обматывался прочной капроновой нитью по всей поверхности для
придания ему механической прочности, оправка помещалась в герметичный ко-
жух, и намотанный проволочный слой пропитывался эпоксидным компаундом.
После полимеризации компаунда заготовка обтачивалась снаружи так, чтобы
над проволочками оставался небольшой слой из ниток с компаундом, затем об-
разовавшийся цилиндр снимался с оправки. Такой композитный цилиндр-
оболочку внутри генератора МК-1 сразу стали называть каскадом, хотя наиболее
полное и глубокое понимание роли и функции каскадов в генераторе МК-1 было
достигнуто только после объемного и длительного экспериментального и чис-
ленно-теоретического изучения.
В этой конструкции, предложенной Н. П. Колокольчиковым и др. [111],
развивается одна из самых первых идей оболочки со щелью вдоль образующей
для пропускания начального магнитного потока, но вместо усложнения конст-
рукции самой щели (тангенциальный разрез, разного рода замки, лабиринты и
т. д.) либо использования бесщелевой оболочки из вещества с высоким удель-
ным сопротивлением (нержавеющая сталь) здесь количество щелей в одном
слое увеличено до максимума, а многослойность оболочки обеспечивает отсут-
ствие сквозных радиальных щелей и, соответственно, отсутствие струй вещества
при схлопывании оболочки из-за малой разноплотности вещества по сечению
оболочки.
78
На рис. 39 показаны фрагмент поперечного сечения проволочного каска-
да и внешний вид изготовленных мелкосерийным образом каскадов разных
размеров.
Рис. 39. Фрагмент поперечного сечения проволочного каскада и внешний
вид каскадов разных размеров
Основное внимание в настоящей главе уделено исследованию эффекта
каскадирования, роли и функции каскадов, поиску оптимальной конструкции и
оптимального набора начальных параметров многокаскадного генератора МК-1.
Как обычно, экспериментальная часть программы включала опыты с генерато-
рами МК-1 с числом каскадов от 2 до 4, считая теперь и далее за первый каскад
соленоид-лайнер. Эксперименты выполнялись в упомянутых выше двух вариан-
тах: с измерением магнитного поля и с регистрацией формы и размеров полости
генератора.
3.2.2. Результаты экспериментов с измерением магнитного поля
Исходя из основной идеи каскадирования, местоположение второго каска-
да (радиус) в полости первого определяется главным образом значением маг-
нитного поля в момент соударения оболочек-каскадов. Оптимальным является
такое расположение второго каскада, когда его подключение происходит при
достаточно большом магнитном поле, но не достигшем уровня значительных
потерь магнитного потока и развитых искажений симметрии формы внутренней
поверхности первого каскада. Опыт показал, что для второго каскада это маг-
нитное поле около 2,5 МГс. Во всех созданных генераторах МК-1 применялся
второй каскад с внутренним диаметром 28 мм и внешним диаметром 35 мм (его
размеры стали «стандартными» в процессе дальнейших исследований в области
взрывного сжатия магнитного потока).
Принцип действия двухкаскадного генератора хорошо демонстрирует экс-
перимент с устройством, в котором совмещены одно- и двухкаскадный генера-
торы с общими зарядом ВВ и соленоидом-лайнером. Такое совмещение обеспе-
чивает тождественное равенство начальных параметров, т. е* начального маг-
нитного поля, размеров, массы и скорости лайнера, газодинамических харакге-
79
ристик заряда ВВ (и начальных отклонении симметрии оболочки) и возмож-
ность наблюдения и сравнения параметров генераторов в одном масштабе вре-
мени, буквально на одном осциллографе* Большая длина однородно сжимаемой
части лайнера (см. рис* 34) позволяет сделать это достаточно надежно.
Центральный измерительный узел такого устройства составлен из таких
же, как на рис* 29, эбонитовых держателей и пенопластовых фланцев, но теперь
на оси измерительного узла расположены две фарфоровые трубки, а на полови-
не длины схлопывающейся части соленоида-лайнера размещен второй каскад.
Таким образом, половина лайнера схлопывается как лайнер однокаскадного
генератор а, вторая половина — в качестве первого каскада двухкаскадного
генератора*
Датчики каждой половины (каждого генератора) измерительного узла
должны быть разнесены на такое расстояние друг от друга, на котором взаим-
ным влиянием генераторов можно пренебречь* А так как различие в поведении
генераторов возникает только после удара соленоида-оболочки по второму кас-
каду, поэтому расстояние между датчиками выбрано большим диаметра оболоч-
ки в этот момент времени, а именно 60 мм. С учетом полной длины неразгру-
женной части оболочки (более 100 мм) можно считать, что датчики расположе-
ны в области максимального магнитного поля своего генератора.
В одной трубке измерительного узла находился оптический датчик маг-
нитного поля однокаскадного генератора, в другой — двухкаскадного на соответ-
ствующем расстоянии друг от друга. Известно, что в однокаскадном генераторе
происходит преждевременное разрушение измерительного узла, при котором
перекрывается оптический канал измерения, поэтому канал измерения поля
в двухкаскадной половине нельзя было делать сквозным по всей длине оболоч-
ки* На торец датчика, обращенный к однокаскадной половине генератора, было
нанесено диэлектрическое зеркальное покрытие, поэтому зондирующий луч ла-
зера прошел по датчику два раза - вперед и назад, тем самым избежав пересече-
ния полости однокаскадного генератора* А чтобы отклонить к фотоприемнику
луч лазера, отразившийся от зеркального покрытия на датчике и возвративший-
ся по направлению падающего луча обратно к лазеру, у выходного окна лазера
располагалось полупрозрачное зеркало*
Такая постановка эксперимента позволила осуществить прямое сравнение
работы генераторов с разным числом каскадов или с каскадами разных размеров
и сократить полное число экспериментов*
Осциллограмма двухлучевого осциллографа с одновременной регистраци-
ей двух сигналов (на одном луче — сигнал оптической методики от датчика
в однокаскадном генераторе, на втором - от датчика в двухкаскадном) приведе-
на на рис. 40* Сразу видно, что в двухкаскадном генераторе регистрация усиле-
ния магнитного поля протекала много дольше и максимальное измеренное поле
выше: менее 2 МГс у одного генератора и более 6 МГс у другого*
80
Рис. 40. Осциллограммы сигналов оптической методики в однокаскадной
(внизу) и двухкаскадной (вверху) половинах генгератора МК-1. Метки вре-
мени 2 мкс, верхний луч К = 0,4 МГс/об,, нижний луч К = 0,38 МГс/об,
На рис. 41 приведены сигналы индукционной и оптической методик
разных экспериментов с двухкаскадным генератором. На верхнем луче
осциллограммы сигналов индукционных датчиков (рис. 41,а) зафиксирована
начальная стадия усиления магнитного поля соленоидом-оболочкой,
повторяющая картину однокаскадного генератора; на нижнем луче сигнал
индукционного датчика меньшей чувствительности воспроизводит процесс
передачи обжимающей функции второму каскаду. Момент соударения каскадов
отмечается на производной магнитного поля характерным пичком: рост поля
сначала замедляется (уменьшается производная магнитного поля), а после
выхода ударной волны на внутреннюю поверхность второго каскада он
приходит в движение и сжимает магнитный поток — происходит резкое
увеличение производной магнитного поля. Амплитуда пичка (разность между
величиной сигнала перед падением и в минимуме перед подъемом) в разных
опытах разная и определяется магнитным потоком, который остается в зазорах
между вторым каскадом и внутренней границей с искаженной в той или иной
степени формой подлетевшего первого каскада, а также в теле самого второго
каскада. Эта «отсеченная» часть магнитного потока уже не участвует в процессе
усиления поля в полости второго каскада.
Рис. 41. Осциллограмма сигналов индукционных датчиков разной
чувствительности (а) и сигналов оптической методики (б) двух разных
экспериментов с двухкаскадным генератором МК-1. Метки времени 2 мкс,
синусоида 1 МГц
81
На рис, 41,6 приведены осциллограммы сигналов оптической методики из
двух других опытов с двухкаскадным генератором. Они показывают, что, как
правило, максимальное измеренное магнитное поле в двухкаскадном генераторе
превышает 7 МГс. Но вид сигналов позволяет сделать вывод о том, что процесс
усиления магнитного поля зафиксирован не до конца: на сигналах нет характер-
ной для максимума поля точки, соответствующей повороту плоскости поляри-
зации света в обратную сторону.
В единственном эксперименте с дополнительным защитным цилиндром
внутри второго каскада над измерительным узлом диаметром 15 мм из 7 слоев
лавсановой пленки толщиной 0,03 мм один из миниатюрных (и поэтому недос-
таточно точно откалиброванных) индукционных датчиков зафиксировал пере-
ход магнитного поля через максимум; осциллограмма его сигнала приведена на
рис. 42. На втором луче этой осциллограммы сигнал датчика большей чувстви-
тельности, проинтегрированный с помощью пассивной RC-цепочки (он пре-
рвался на -0,3 мкс раньше). Ниже — сигнал оптической методики с характерной
для максимума усиливаемого поля точкой возврата — начала поворота плоскости
поляризации в обратную сторону. Максимум магнитного поля в этом экспери-
менте составил -7,8 МГс,
Рис, 42. Осциллограммы, полученные в эксперименте с двухкаскадным ге-
нератором МК-1 с регистрацией перехода магнитного поля через максимум.
Метки времени наверху 2 мкс, синусоида внизу 1 МГц
После ряда экспериментов, убедившись в том, что второй каскад сущест-
венно увеличил максимум регистрируемого магнитного поля, и в том, что ко-
нечное поле (переход через максимум) все еще практически не достигается, ес-
тественно было добавить третий каскад. Теперь в состав уже трехкаскадного
генератора кроме соленоида-оболочки и второго каскада с диаметрами 28
и 35 мм входил третий каскад, внутренний и внешний диаметры которого были,
как правило, 12 и 17 мм соответственно. Изготовлен он был из более тонкого
провода типа ПЭВ-2 диаметром 0,19 мм (стандартный второй каскад изготавли-
вался из провода диаметром 0,25 мм). Ситуация с получением сверхсильных по-
82
лей изменилась принципиально! Наиболее типичные сигналы индукционной
и оптической методик, полученные в экспериментах с трехкаскадным генерато-
ром, приведены на рис, 43*
Рис, 43, Осциллограммы, полученные в разных опытах с трехкаскадным
генератором: а—д — сигналы оптической методики; е, ж — сигналы индукци-
онной методики с отметками соударений каскадов
Результаты масштабной серии экспериментов, в которую по праву входят
эксперименты с применением генератора в магнитооптических исследованиях
(они отличаются только присутствием исследуемых образцов в измерительном
узле, что не влияет на процесс генерирования и измерения поля), позволили зая-
вить о том, что трехкаскадный генератор описанной конструкции является ис-
точником воспроизводимых магнитных полей десятимегагауссного диапазона.
Все измеренные значения максимального магнитного поля в этих опытах при
стандартном для данной работы режиме запитки (начальное магнитное поле
160 кГс) находятся в интервале 8,5—9,5 МГс [128] с очень хорошим совпадением
в экспериментах производной усиливаемого магнитного поля вплоть до конца
процесса сжатия магнитного потока,
А вот добавление четвертого проволочного каскада с внутренним и внеш-
ним диаметрами 6 и 8 мм соответственно не отразилось на значении максималь-
ного магнитного поля* Как видно из осциллограмм сигнала оптической методи-
ки, полученных в опытах с таким генератором (рис. 44), регистрация магнитного
поля в четырехкаскадном генераторе, как правило, длится несколько дольше
83
перехода магнитного поля через максимум (в одном эксперименте даже -1,5 мкс
после наступления максимума магнитного поля, рис. 44,6), а присутствие чет-
вертого каскада на осциллограммах индукционных датчиков обнаруживается
только в режиме малого начального поля (рис. 44,в).
6
Рис. 44. Осциллограммы, полученные в разных экспериментах
с четырехкаскадным генератором МК-1
3,2.3, Рентгенографическое исследование многокаскадного генератора
МК-1
Рассмотрение результатов рентгенографического исследования начнем со
сравнения снимков продольного сечения генератора МК-1 - однокаскадного
и двухкаскадного (рис* 45)* Разница в четкости изображения внутренней грани-
цы лайнера очевидна.
Ранее были приведены размеры внутренней границы лайнера однокаскад-
ного генератора, полученные при обработке рентгеновского снимка, момент
экспозиции которого примерно соответствует удару первого каскада по второму
(см* табл, «Количественные характеристики...»5 с. 74). В этот момент времени
магнитное поле в генераторе в стандартном режиме запитки -2,2 МГс. Важней-
шим результатом рентгенографирования является то, что искажения формы
внутренней границы оболочки невелики и целиком определяются свойствами
системы взрывного ускорения оболочки (числом повторяющихся элементов
инициирования) (в табл* «Количественные характеристики.*,» номер основной
гармоники 5).
Серия рентгеновских снимков поперечного сечения двухкаскадного гене-
ратора приведена на рис* 46, и начинается она со снимка столкновения двух кас-
кадов при отсутствии магнитного поля (рис. 46,а). Зазор между каскадами гово-
рит о том, что в отсутствие магнитного противодавления второй каскад отлетает
от первого* Не менее важно, что форма внутренней поверхности отлетевшего
84
второго каскада близка к идеальной: относительная амплитуда максимальных
гармоник — менее 1 % амплитуды нулевой гармоники, а в расположении их но-
меров по амплитуде нет системы.
а б
Рис, 45, Фрагменты рентгеновских снимков продольного сечения однокаскадного (а)
и двухкаскадного (б) генератора МК-1
а б в
где
Рис, 46, Рентгеновские снимки поперечного сечения двухкаскадного генератора МК-1
На рис* 46,6 изображено сечение двухкаскадного генератора в момент
подлета ко второму каскаду, но теперь уже с магнитным полем. В этом экспери-
менте форма первого каскада не очень симметричная и виден зазор между кас-
кадами* На более позднем по времени композиции снимке (рис, 46,в) магнитное
85
поле в полости второго каскада уже около 4 МГс, внутренняя поверхность второ-
го каскада гладкая, форма ее почти круглая, амплитуда отклонении менее 1 мм.
Ситуация начинает резко меняться уже через -ОД мкс. На рис* 46,г видно,
как на внутренней поверхности оболочки появляются тонкие резкие струи-
выбросы, количество их на разных снимках меняется в пределах середины пер-
вого десятка* Источник этих струи удалось обнаружить после специальной про-
цедуры фотообработки такого снимка, которая позволила рассмотреть и внут-
реннюю поверхность первого каскада* Оказалось, что эти тонкие, но плотные
острые струи образуются на внутренней поверхности второго каскада, там, где
выше по радиусу на внутренней поверхности первого каскада расположены «во-
гнутые» (в тело лайнера) отстающие участки* Иначе говоря, после соударения
каскадов изменились и знак отклонения от окружности симметрии, и форма
возмущения конфигурации поверхности* Это явление обращения знака отклоне-
ния при соударении оболочек наблюдалось также в предпринятой некоторое
время назад при участии автора попытке построения двумерной модели разви-
тия возмущений симметрии оболочек каскадного генератора МК-1*
Снимок, сделанный еще через ~1 мкс (рис* 46,д), зафиксировал состояние
оболочек генератора вблизи момента максимума магнитного поля. Видно, как
развитие возмущений формы поверхности раздела вещество - сверхсильное маг-
нитное поле приводит к тому, что полость генератора оказывается пронизанной
несколькими тонкими, но мощными и причудливо изогнутыми кумулятивными
струями* На следующем по времени снимке (рис. 46,е) видно, что в этот процесс
вовлекается все большая масса второго каскада, при этом средний диаметр по-
лости каскада увеличивается.
Сравнивая последовательности рентгеноснимков однокаскадного (см, рис* 36)
и двухкаскадного (рис. 46) генераторов, можно увидеть, что при одинаковых
значениях магнитного поля в полости оболочки в диапазоне 4—6 МГс состояние
внутренней поверхности оболочек резко различается: в однокаскадном генера-
торе возмущения формы поверхности гораздо более развиты* Отсюда следует,
что второй каскад задерживает (но не останавливает окончательно) развитие не-
устойчивостей симметрии схлопывающейся оболочки, чем можно объяснить
обнаруженное в опытах с измерением магнитного поля продление регистрации
усиления магнитного поля в двухкаскадном генераторе* Последние по времени
снимки двухкаскадного генератора показывают, почему не удается зарегистри-
ровать весь процесс усиления магнитного поля: состояние границы вещества
и магнитного поля все же неустойчивое; быстро развивающиеся струйные
выбросы вещества разрушают измерительный узел*
Третий каскад еще больше продлил стабильное состояние внутренней
границы оболочки, сжимающей сверхсильное магнитное поле* Рентгеноснимки
трехкаскадного генератора на многомегагауссной стадии его работы приведены
на рис. 47. Снимок на рис* 47,а этой серии сделан приблизительно в момент мак-
симума магнитного поля. Видно, что внутренняя граница оболочки, находящая-
ся в контакте с магнитным полем, достигающим -9 МГс, достаточно гладкая,
отклонения от симметрии невелики, номер максимальной гармоники 3 (нет кор-
86
реляции с симметрией волны детонации). Следующий снимок (рис. 47,6) сделан
через ~1 мкс: здесь уже граница полости с магнитным полем потеряла свою
устойчивость, образуются струйные выбросы. По-видимому, здесь еще раз из-
менилась форма возмущений: вместо резких острых струй теперь видны круп-
номасштабные отклонения с нерезким краем. Наконец, последний снимок
(рис. 47,в) сделан в режиме малого начального магнитного поля: видно, что
объем конечного поля резко уменьшается, а граница лайнера испытывает все те
же возмущения.
а б в
Рис. 47, Рентгеновские снимки трехкаскадного генератора в момент максиму-
ма магнитно поля (а), через 1 мкс (б) и в режиме малого начального поля (в)
Возвращаясь к рис* 47,а, отметим два важных обстоятельства. Во-первых,
на снимке видны зазоры между всеми каскадами. В этих зазорах, конечно, теря-
ется часть начального магнитного потока. Во-вторых, по снимку можно непо-
средственно измерить диаметр объема максимального магнитного поля: полу-
ченное таким образом значение -И мм подтверждает косвенную оценку, сде-
ланную по результатам экспериментов, в которых зафиксирован переход маг-
нитного поля через максимум датчиками измерительного узла с внешним диа-
метром около 9 мм.
3.2.4. Эффекты каскадирования в генераторе МК-1
Изложенные выше результаты экспериментов с многокаскадным генера-
тором МК-1 показывают, что каскадирование — последовательное во времени
сжатие магнитного потока несколькими оболочками одного генератора — приво-
дит к заметному, в полтора-два раза, росту магнитного поля, получаемого доста-
точно надежно и в объеме, позволяющем проводить исследования в этом поле*
Для выделения эффектов именно каскадирования, т, е* каскадного осуще-
ствления процесса усиления магнитного поля, обратимся к наиболее полному
источнику информации — численной модели. Модель одномерная, не учитывает
и не описывает влияние наблюдаемых в опыте отклонении формы лайнеров от
идеальности. На рис, 48 приведены графики, отражающие изменения во времени
магнитной индукции B(t) в полости, ограниченной внутренней границей скин-
87
слоя, диаметров границ скин-слоя А(?) - внутренней (как отмечалось ранее, она
очень долго практически совпадает с реальной границей плотной части оболоч-
ки) и внешней, а также коэффициента сохранения магнитного потока ср(?) в этой
полости (здесь магнитное поле имеет одинаковую амплитуду). Если двигаться
по шкале времени работы генератора (вправо по оси абсцисс), то сначала мы
увидим, как меняются выбранные нами параметры однокаскадного генератора
(сплошные линии). После удара по второму каскаду каждая кривая расщепляет-
ся на две. Одна из них — сплошная — по-прежнему описывает однокаскадный
генератор, вторая - крупный пунктир - двухкаскадный. После удара по третьему
каскаду к ним добавляется третья кривая (мелкий пунктир), описывающая рабо-
ту третьего каскада.
Рис. 48- Графики магнитного поля В(/), границ скин-слоя A(t), коэффици-
ента сохранения магнитного потока <р(/) однокаскадного генератора МК-1
(сплошная линия), двухкаскадного (крупный пунктир) и трехкаскадного
(мелкий пунктир)
Как следует из этих графиков, каждое подключение следующего по по-
рядку каскада сопровождается следующими событиями:
1) внутренняя граница скин-слоя скачком переходит каждый раз на внут-
реннюю границу нового каскада, а внешняя остается в теле самого первого кас-
када (только в режиме с малым начальным полем она опускается в толщу второ-
го каскада), в итоге толщина скин-слоя сильно увеличивается;
2) магнитный поток в полости, ограниченной внутренней границей скин-
слоя, скачком уменьшается на каждом каскаде почти вдвое;
88
3) скорость уменьшения магнитного потока в процессе сжатия его соот-
ветствующим каскадом (наклон кривой ф(0) У каждого нового каскада меньше,
чем в этот момент времени у генератора с меньшим числом каскадов;
4) максимум конечного магнитного поля с увеличением числа каскадов
увеличивается.
Происхождение отмеченных эффектов каскадирования можно объяснить
следующим образом. При прохождении ударной волны и связанной с нею волны
включения проводимости по толщине каскада магнитный поток остается «вмо-
роженным» в стенке каскада, тем самым поток в полости уменьшается на ту его
часть, которая до удара по каскаду располагалась в сечении непроводящего в то
время каскада. Уменьшение скорости диффузии магнитного потока (наклона
кривой ф(0) из полости оболочки связано с заменой разогретого вещества пре-
дыдущего каскада на холодное вещество следующего. Определенную роль
должно сыграть и не учитываемое пока численными моделями влияние скорости
ввода энергии в вещество на его состояние и проводимость. Подключение каж-
дого нового каскада сопровождается увеличением скорости ввода энергии чуть
ли не на порядок (растет и магнитная индукция, и ее производная). Из экспери-
ментов по взрыву проводников известно [129], что с увеличением скорости вво-
да энергии в вещество растет степень перегрева вещества (введенная энергия
превышает энергию сублимации), поэтому состояние с высокой проводимостью
может сохраняться у нижележащих каскадов более длительное время.
Сравнение количества энергии магнитного поля в момент максимума маг-
нитного поля в объеме с постоянной амплитудой поля wMI (ограниченном внут-
ренней границей скин-слоя) у генераторов с разным числом каскадов показыва-
ет, что добавление каскадов последовательно уменьшает это количество: в од-
нокаскадном генераторе wMI =380 кДж, в двухкаскадном - 330 кДж и в трехкас-
кадном — 250 кДж (в пересчете на 1 см длины оболочки). Но одновременно рас-
тет плотность магнитной энергии, каждый раз примерно в 1,2 раза, т. е. в трех-
каскадном генераторе она в 1,5 раза выше, чем в однокаскадном. Таким образом,
каскадирование усиливает магнитную кумуляцию: плотность магнитной энер-
гии увеличивается ценой уменьшения полного ее количества. Природу этого
эффекта качественно можно объяснить скачкообразным уменьшением магнит-
ного потока внутри оболочки, происходящим в момент подключения следующе-
го каскада. При перемещении внутренней границы токового слоя (скин-слоя)
внутрь на толщину подключившегося каскада магнитное поле почти не меняет-
ся, но заметно уменьшается площадь поверхности токового слоя, обращенная
к магнитному полю и испытывающая его противодавление. Поэтому при одном
и том же импульсе сжимающей силы (снаружи) равный ему импульс тормозя-
щей силы магнитного противодавления (изнутри) достигается при большем
магнитном поле*
Возвращаясь к обнаруженному в рентгенографических опытах влиянию
каскадирования на развитие симметрии схлопывания оболочки, надо отметить,
что для наиболее близкого к реальности строгого объяснения этого влияния не-
89
обходимо полное описание процессов взаимодействия каскадов с привлечением
двумерных расчетов на основе подробного знания свойств вещества при высо-
ких плотностях энергии и скоростях ввода ее в вещество. Для качественного
объяснения стабилизирующего влияния каскадов мы по-прежнему привлекаем
идею замены разогретого, как правило, выше температуры испарения вещества
первого каскада на холодное вещество второго каскада [130-132]* Это сопровож-
дается уменьшением скорости роста возмущений, зависящей среди прочего от
прочности и вязкости вещества, которые выше у холодного вещества нового
каскада, и при этом существенно меньше интервал времени для развития воз-
мущений* Далее на следующем каскаде условия для развития возмущений ста-
новятся еще менее благоприятными. Очень важно место расположения следую-
щего каскада — там, где возмущения формы предыдущего каскада не успели раз-
виться до заметной величины. Изменение условий на поверхности оболочки
может быть связано опять-таки с явлением перегрева вещества: перегретое ве-
щество сохраняет проводимость и связь с магнитным полем, препятствующим
теперь его расширению.
Таким образом, совокупное рассмотрение результатов экспериментальной
и расчетной программ исследования каскадного генератора МК-1 показывает,
что каскады выполняют несколько взаимосвязанных функции, а применение их,
в конечном счете, позволило:
— ограничить развитие неустойчивости границы сверхсильное магнитное
поле - вещество;
- защитить объем полости с магнитным полем от паров и струй вещества;
- увеличить используемое магнитное поле генератора МК-1*
Глава IV
ДИАГНОСТИКИ
В описании экспериментального по своей сущности метода получения
сверхсильных магнитных полей нельзя обойтись без рассмотрения вопросов,
которые можно объединить под общим названием «диагностики». При разра-
ботке нового метода физического исследования недостаточно создать устройст-
во, позволяющее поместить вещество в необычные условия, если при этом не
научиться измерять физические характеристики этих условии, регистрировать
происходящие в веществе изменения и измерять или хотя бы оценивать харак-
теристики вещества в экстремальных условиях. Цель практически любого экс-
перимента - получение максимально возможного объема достоверной информа-
ции о поведении объекта исследования. Поэтому само понятие «эксперимент»
включает вопросы планирования, организации проведения исследования, кон-
троля работы участвующих в нем приборов и установок, применяемых методик
измерений, методов обработки и анализа результатов измерений.
Особые требования к правильному и качественному решению этих вопро-
сов предъявляются при решении задачи получения достоверной информации
о параметрах, характеризующих процесс взрывного сжатия магнитного потока.
Сложность этой задачи обусловлена однократностью процесса, возможным воз-
действием на датчики интенсивных потоков испаренного вещества, электромаг-
нитного и теплового излучений, ударных волн, большими расстояниями между
датчиками и регистрирующей аппаратурой, высоким уровнем электромагнит-
ных и световых наводок, вызванных участием в эксперименте сильноточных
электрофизических устройств и взрывом большого количества ВВ.
Необходимо обратить внимание читателя еще на один важнейший аспект
экспериментальных исследований — обеспечение надежности и точности изме-
рений. Этими вопросами надо заниматься с самого начала постановки экспери-
мента и вплоть до объявления окончательных результатов. Как правило, надеж-
ность измерений достигается применением одновременно нескольких методик
измерений, выбором соответствующей измерительной и регистрирующей аппа-
ратуры, тщательностью в подготовке и проведении измерений. Вынужденно не-
большое число взрывных экспериментов в рассматриваемом нами случае также
налагает повышенные требования к качеству анализа и оценок погрешностей
измерений из-за очень небольшой статистики результатов. Некоторые примеры
самых очевидных оценок погрешностей измерений приводятся в данной главе.
4Д. Постановка эксперимента
Для получения общего представления об эксперименте с генератором
МК-1 рассмотрим «Схему эксперимента», оказавшуюся достаточно удобной
и полезной и внесенную в список обязательных для взрывных экспериментов
91
документов* Форму, общий вид, требования к содержанию «Схемы эксперимен-
та» в свое время разработал Г. М* Спиров.
На рис* 49 (см. также цв. вкл.) приведена схема одного из самых сложных
экспериментов (с наибольшим количеством задействованных устройств и измери-
тельных методик), которая помогает определить содержание и объем диагностик*
В этом эксперименте используются две методики измерения магнитного поля в ге-
нераторе (не считая возможных методик измерения свойств образцов) и рентгенов-
ская методика измерения размеров лайнера* Схематично показано защитное соору-
жение (каземат) экспериментальной взрывной площадки с расположенными внутри
него и снаружи на взрывном поле оборудованием и установками*
Рис. 49. Схема эксперимента с генератором МК-1: МКЕ — мощная конденсаторная
батарея; 1—3, 1-4 - осциллографические секции; Б1-Е4 — силовые коллекторы; ИК-
коллектор измерительных кабелей; Г1—ГЗ — подрывные установки ВУ-19; УБ — уст-
ройство блокировки; ПУ О — пульт управления опытом; УС - устройство синхрониза-
ции; СЦУ— бетатрон; Л — лазеры; РК — рентгеновская кассета; ФП — фотоприемники
Работой всех участвующих в эксперименте устройств, т* е. синхронизаци-
ей моментов включения, измерением параметров и контролем состояния, управ-
ляет ПУ О — пульт управления опытом, соединенный с устройствами, располо-
женными во взрывозащищенном каземате, электрическими и световодными це-
92
пями контроля и управления. Для безопасного проведения работ в эксперимен-
те, т. е. исключения возможности попадания людей в область высокого напря-
жения или взрыва, применяется устройство блокировки, запрещающее несанк-
ционированное включение высоковольтных и подрывных устройств *
Порядок операций при подготовке и проведении эксперимента следую-
щий (он также приводится в «Схеме эксперимента»). Генератор МК-1, закреп-
ленный на подставке с элементами юстировки, устанавливается на соответст-
вующем деревянном столе перед лобовой бронированной стеной каземата.
К фланцам-токоподводам генератора присоединяются силовые кабели питания
начального магнитного поля, вторые концы которых присоединены к силовым
коллекторам мощной конденсаторной батареи. После юстировки генератора по
лазерному лучу оптической методики, световой путь которого (воздушный ка-
нал измерения) образован с помощью установленных на отдельных столах зер-
кал, и по лучу юстировочного лазера бетатрона СЦУ-234 на соленоид генерато-
ра надевается заряд ВВ, Затем в генераторе устанавливается и закрепляется цен-
тральный измерительный узел с образцами, датчиками измерительных методик
и световодами других каналов оптической методики. Устанавливается световая
защита воздушного канала, состоящая из светонепроницаемых экранов
и рупоров, изготовленных из пергамина. Измерительные кабели подсоединяют-
ся к выводам индукционных датчиков. После проверки прохождения зонди-
рующего света по оптическим каналам и измерения сопротивления индукцион-
ных датчиков последовательно с измерительными линиями до осциллографов
(одновременно проверяется целостность линии передачи сигнала) проводится
контрольный цикл пуска всех устройств в заданном порядке, во время которо-
го регистрируется предварительный рентгеновский снимок устройства в ис-
ходном состоянии. Затем подсоединяется подрывной кабель и проводится экс-
перимент,
В нулевой момент временной шкалы эксперимента, задаваемой приборами
синхронизации ПУ О, включается батарея бетатрона, затем батарея начального
поля генератора* Затем происходит инициирование детонаторов системы фор-
мирования цилиндрической волны детонации заряда ВВ в заранее заданный мо-
мент, так чтобы ударная волна вышла на поверхность соленоида в момент мак-
симума тока разряда* Момент начала движения внутренней границы соленоида,
ставшего лайнером, считается началом временной шкалы процесса усиления
магнитного поля (и работы всего генератора МК-1 в целом); он очень отчетливо
виден на осциллограммах индукционных датчиков начального магнитного поля.
Последнее, что запускает ПУ О, — это устройства «сброса», включение которых
приводит к появлению рентгеновских импульсов (одного—трех в модифициро-
ванном СЦУ),
Сигналы измерительных методик регистрируются осциллографами, раз-
вертка которых запускается импульсами синхронизации от устройства синхро-
низации (УС), задерживающего их на предварительно заданное время относи-
тельно импульса от ПУО, Так как длина развертки осциллографа должна быть
немного больше длительности регистрируемого импульса или его наиболее ин-
93
тересующей части, то осциллографы запускаются в разное время: сначала — ре-
гистраторы процесса запитки начального поля, затем - осциллографы усиливае-
мого поля и, наконец, регистраторы рентгеновского импульса. Для приведения
всех зарегистрированных в разное время и с разной длиной развертки сигналов
к одной шкале времени работы МК-генератора применяется регистрация на па-
раллельных каналах осциллографов одного и того же реперного импульса от
УС* Кроме того, так как электрические и световодные пусковые и измеритель-
ные кабели могут иметь разную длину и, соответственно, разное время прохож-
дения импульса от датчика к регистратору и момент запуска регистратора, перед
подрывом необходимо измерить электрические длины измерительных и пуско-
вых кабелей, задержки срабатывания устройств (время от подачи пускового
импульса до появления нужной реакции устройства, скажем, высоковольтного
импульса или импульса рентгеновского излучения и т* п,). Для исключения на-
водок и взаимного влияния УС и регистраторов пусковые цепи между ними
имеют оптические развязки.
Это очень краткое описание современной постановки эксперимента
с генератором МК-1* За тридцать лет развития описываемого метода генериро-
вания полей трижды менялось аппаратурное обеспечение методик измерения
и регистрации. Переход от аналоговых на цифровые методы измерения, регист-
рации и обработки результатов в корне изменил процедуру получения данных,
сократил время на их получение и обработку, существенно повысил точность
измерений*
Информация о предварительно задаваемых параметрах режимов работы
аппаратуры и моментах запуска всех устройств эксперимента, длительности раз-
верток регистраторов, распределении регистрируемых сигналов по осциллогра-
фическим секциям, датчиках измерительных методик, коэффициентах деления
делителей сигналов датчиков, задержках пусковых и сигнальных цепей сведена
в так называемой карте опыта, составление которой завершает постановку экс-
перимента, В настоящее время все используемые регистраторы — цифровые за-
поминающие, в графе «развертка» указывается число точек отсчета на развертке
и интервал времени между ними* Отдельно выделяются на карте измеряемые и за-
писываемые перед опытом характеристики датчиков и измерительных цепей.
После эксперимента данные переносятся в персональный компьютер и об-
рабатываются любой подходящей программой (например, программным ком-
плексом HP VEE). Процедура обработки включает преобразование каждого
зарегистрированного сигнала во временные зависимости измерявшегося мето-
дикой параметра с учетом чувствительности датчика, коэффициента деления
делителей, сдвига сигнала по времени из-за задержек пуска регистратора и сиг-
нала* Конечная цель обработки — временные зависимости магнитной индукции
и ее производной, полученные с помощью рентгенографической методики дан-
ные о размерах частей устройства в моменты экспонирования снимков и, если
в эксперименте изучались свойства вещества, зависимость измеренного при
этом параметра от магнитного поля* Перечислим физические величины, измере-
ние которых в эксперименте с генератором МК-1 обязательно: начальное маг-
94
нитное поле генератора» усиленное магнитное поле и его производная во време-
ни, временные интервалы между различными событиями процесса кумуляции
(временная шкала). Методики измерения этих величин наряду с очень информа-
тивной и важной для изучения магнитной кумуляции рентгеновской методикой
описываются далее. К средствам диагностики справедливо относится и числен-
ная модель генератора МК-1, которая помогает разобраться в проблемах полу-
чения сверхсильных магнитных полей, определить необходимый для выполняе-
мого исследования режим работы генератора и тем самым уменьшить затраты
на дорогостоящую экспериментальную программу.
4.2. Индукционная методика измерения магнитной индукции
и ее производной
Измерение магнитной индукции в процессе ее усиления и ее производной
осуществляется датчиками, расположенными в полости оболочки на ее оси
и находящимися (на конечной стадии сжатия магнитного потока) в условиях
воздействия сильных быстропеременных магнитных полей (dB/dt до 1013 Гс/с);
кроме того, датчики подвергаются интенсивным механическим воздействиям,
излучению плазмы. Для обеспечения надежности и достоверности результатов
измерений магнитного поля в каждом эксперименте одновременно применяются
две независимые методики измерения: индукционная и оптическая.
Индукционная (традиционная) методика. Индукционные датчики пред-
ставляют собой миниатюрные катушки связи с одним или несколькими витками
из изолированного медного или константанового провода диаметром 0,25—
0,07 мм, намотанные на жестком непроводящем (стекло, керамика) основании.
Концы проволочек свиваются и выводятся за пределы центрального объема ге-
нератора к месту подсоединения к сигнальному коаксиальному радиочастотно-
му кабелю.
При помещении датчика в переменное магнитное поле с производной
dBldt (в Гс/с) на концах катушки индуцируется ЭДС:
У = 1о-8 — пЗ,
dt
где 5 = Цг>2 — d2 j/4, см2 — площадь сечения катушки, перпендикулярная на-
правлению магнитного поля; п — число витков катушки; D и d, см — диаметры
витка и провода. Обычно одновременно используются датчики разной чувстви-
тельности, чтобы перекрыть весь диапазон изменения производной магнитного
поля (более трех порядков), при этом совпадение результатов измерений разны-
ми датчиками повышает уверенность в регистрируемых сигналах и точность
измерений. Сигналы датчиков регистрируются широкополосными осциллогра-
фами, Измерение амплитуды магнитной индукции производится интегрирова-
нием сигнала.
95
Максимальное напряжение сигнала датчика определяется электропрочно-
стью проволочки, из которой он изготовлен, и линии передачи сигнала к осцил-
лографу. Хотя эмалевая изоляция обычных намоточных проводов выдерживает
порядка 1 кВ и более, у скрученных и свитых проводов вероятность пробоя рез-
ко увеличивается и при более низких напряжениях. Практика применения таких
датчиков показывает, что датчики с диаметром витка более 1 мм из провода диа-
метром -0,2 мм выдерживают напряжение до 500-700 В. Для того чтобы подать
этот сигнал на вход цифрового осциллографа, его сначала делят пассивным де-
лителем в 20-30 раз. Самые маленькие датчики с диаметром витка, сравнимым
с диаметром провода, гораздо менее надежны и требуют обязательной калиб-
ровки по показаниям датчиков большей площади.
Для измерения начального магнитного поля на наружной поверхности
второго каскада (чтобы тонкая проволочка датчика не влияла на работу генера-
тора) в диаметрально противоположных точках в центре области максимального
сжатия крепятся два (или больше при необходимости увеличения точности
и надежности измерений) одновитковых индукционных датчика большой
(*-1,5 см2) площади. Большой и поэтому измеряемый с хорошей точностью диа-
метр датчика, слабая зависимость его чувствительности от угла между направ-
лением магнитного поля и плоскостью витка (когда этот угол близок к 90°)
обеспечивают хорошую точность измерения начального поля. Типичное значе-
ние ошибок, оцениваемое сверху по разбросу показаний датчиков, составляет
±4 кГс, т. е. для начального магнитного поля -150 кГс это всего -3 %.
Сигналы датчиков начального магнитного поля нужны еще и для опреде-
ления нуля шкалы времени работы генератора, и с них начинается каскад калиб-
ровок датчиков меньшей чувствительности. Типичная осциллограмма сигнала
такого датчика приведена на рис. 50 - полностью и увеличенный фрагмент, со-
ответствующий прохождению ударной волны по слоям соленоида и включению
процесса усиления поля. Отчетливо видно, что началу схлопывания лайнера со-
ответствует резкий скачок сигнала. Момент перехода от плавного изменения
к резкому росту определяется графически пересечением двух касательных
и обозначается и считается нулем шкалы времени процесса сжатия потока.
Далее на этой же осциллограмме еще на протяжении 5-7 мкс видно, как
усиливается магнитное поле (см. также рис. 41-44). Сравнивая сигналы этого
датчика и датчика меньшего диаметра и меньшей чувствительности и добиваясь
их наилучшего совпадения на этом отрезке времени, поправкой чувствительно-
сти меньшего датчика мы калибруем следующий по размерам (после датчика
начального поля) датчик (в большинстве случаев это только проверка, так как
менять чувствительность меньшего датчика, определенную по его размерам,
часто оказывается не нужно).
Типичный найденный опытным путем диапазон диаметров датчиков на-
чинается с 1—1,5 см (начальное поле и начало усиления), затем 3-5 мм (от начала
усиления до включения второго каскада) и 1 мм и менее (от второго каскада и,
если повезет, до максимума сжатия). Процесс взаимной калибровки датчиков на
96
более позднем интервале времени повторяется со следующим датчиком и т, д.
Когда очередь доходит до датчиков диаметром менее 1 мм, площадь витка ока-
зывается сравнимой с площадью сечения самой проволочки и витков скрутки,
поэтому его чувствительность иногда приходится менять достаточно сильно,
причем и в большую, и в меньшую сторону. Такая взаимная калибровка датчи-
ков, с одной стороны, увеличивает точность измерения поля, но с другой —
в случае отказа одного из датчиков калибровка следующего сильно затрудняет-
ся, ухудшая точность измерений.
Рис, 50, Осциллограмма сигнала датчика начального магнитного поля (а) и ее увеличен-
ный фрагмент (б). Шкала времени отсчитана от реперного импульса (а) и от найденного
показанным способом момента начала усиления магнитного поля (б)
Если индукционных датчиков несколько, они перекрывают весь диапазон
изменения магнитного поля, их чувствительности различаются в 20-30 раз и все
они сработали, то погрешность измерения магнитного поля только этой методи-
кой с внедрением цифровых методов регистрации можно с уверенностью оце-
нить величиной не хуже -10 %. Этого, как правило, достаточно при отработке
конструкции генератора и определении оптимального режима работы. При про-
ведении исследований свойств веществ в магнитных полях нужна более высокая
точность измерений, поэтому необходимо увеличивать статистику, т, е* количе-
ство датчиков, и помимо описанных выше измерений активных резистивных
параметров измерительной цепи (сопротивлений по постоянному току датчика,
сигнального кабеля и делителей) необходима также оценка частотных характе-
ристик сигнальной цепи в целом и, может быть, зависимости материала датчика
от магнитного поля.
97
4.3. Оптическая методика измерения магнитной индукции
Максимальное магнитное поле генератора МК-1 индукционными датчи-
ками измерить очень трудно, во-первых, из-за малой их защищенности от пере-
численных выше видов разрушающего воздействия и, во-вторых, вследствие
того, что огромные значения производной магнитного поля в конце процесса
сжатия при вполне понятных ограничениях на допустимое значение индуцируе-
мой в датчике ЭДС требуют применения очень маленьких и поэтому очень не-
надежных датчиков. (Изготовление таких миниатюрных зондиков граничит
с искусством. Макс Фаулер рассказывал, что у него в лаборатории был искус-
ник, изготавливавший такие датчики из специального высоковольтного провода,
но к моменту совместных экспериментов он уже умер.)
В значительной степени трудности регистрации максимального значения
генерируемого магнитного поля были преодолены благодаря применению опти-
ческой методики измерения, основанной на магнитооптическом эффекте Фара-
дея. Работы над этой методикой начались в группе А. И. Павловского в конце
1960-х гг. с появлением первых промышленных гелий-неоновых лазеров — ма-
ломощных, ненадежных, требовавших ручной юстировки. В разработке оптиче-
ской методики вместе с автором активное участие принимали О. М. Таценко,
Н. П, Колокольчиков, Б. Г. Кудасов, И. М. Маркевцев, А. Н. Моисеенко, много-
летний труд которых позволил создать надежную, практически безотказную ме-
тодику измерения магнитного поля (и сверхсильного тока).
Датчик оптической методики практически не меняет своих свойств под
воздействием производной магнитного поля и существенно менее, по сравнению
с индукционными датчиками, чувствителен к механическим воздействиям.
К основным достоинствам методики относятся также оптическая связь датчика
и регистрирующей аппаратуры, позволяющая удалять последнюю от исследуе-
мого объекта и тем самым защитить ее от электромагнитных наводок, и отсутст-
вие электромагнитной связи регистрирующей аппаратуры с магнитокумулятив-
ным генератором.
Эффект Фарадея проявляется в виде двойного лучепреломления, возни-
кающего в прозрачном веществе под действием магнитного поля. Напряжен-
ность магнитного поля рассчитывается по формуле
VZcosy
где 0 — угол поворота плоскости поляризации в магнитооптическом датчике,
V — постоянная Верде, I - длина датчика, у — угол между оптической осью дат-
чика и силовыми линиями магнитного поля. Обобщенная блок-схема магнито-
оптической методики приведена на рис. 51 и состоит из следующих элементов:
1 — источник света, излучающий свет требуемой интенсивности 7, с длиной вол-
ны X, шириной линии спектра АЛ и угловой направленностью излучения; 2,4 —
две части оптического тракта, позволяющие направить зондирующее световое
излучение от источника света на магнитооптический датчик 3 и от магнитооп-
98
тического датчика на фотоприемник 5; 5 — магнитооптический датчик магнитно-
го поля или тока» обладающий требуемыми габаритами, чувствительностью
и необходимым временным разрешением; 5 — фотоприемник, позволяющий ре-
гистрировать изменение интенсивности света и обладающий необходимой для
этого чувствительностью» электрической полосой пропускания; 6 — регистратор,
обладающий необходимой чувствительностью и электрической полосой про-
пускания.
Рис. 5L Блок-схема магнитооптической методики измерения магнитного поля:
1 — источник света; 2, 4 - части оптического тракта; 3 — магнитооптический
датчик; 5 - фотоприемник; 6 — регистратор
Наиболее подходящим источником зондирующего света является газовый
гелий-неоновый лазер с характерными параметрами: длина волны излучения
X = 0,633 мкм, ДХ ~ 0,03 см-1, практически 100 %-ная линейная поляризация,
В качестве альтернативы или источника для второго независимого канала изме-
рения можно применять и лазерные диоды. Сигнал фотоприемника в процессе
изменения магнитного поля в образце представляет собой чередование макси-
мумов и минимумов: в максимуме плоскость поляризации света, прошедшего
через датчик, совпадает с плоскостью поляризации анализатора» в минимуме
угол между ними 90°. Каждый поворот плоскости поляризации на 180°, т, е, рас-
стояние между соседними максимумами или минимумами, называется оборо-
том, (Примеры сигналов оптической методики приведены на рис* 41—44,)
Во взрывных экспериментах с генератором МК-1 использовались откры-
тый (по воздуху) и волоконно-оптические тракты, В открытом оптическом трак-
те для прокладывания необходимой траектории луча используются поворотные
зеркала, не вносящие по своим свойствам и расположению заметных поворотов
плоскости поляризации. Основные различия между воздушным и световодным
каналами измерения, которые вызывают необходимость одновременного при-
менения и того, и другого, в следующем. В световодном канале собственно дат-
чик поля — ячейка Фарадея — состоит из оптически активного элемента с прикле-
енными к нему с двух сторон поляризаторами: в этом случае исключается влия-
ние вращения плоскости поляризации в самих световодах» но добавляется необ-
ходимость использования только тонкопленочных поляризаторов и проверки
отсутствия вращения в них под воздействием магнитного поля, А вращением
плоскости поляризации в воздухе можно пренебречь и размещать поляризаторы
(более высокого качества) в каземате. Второе — разница в поперечных размерах
ячейки Фарадея: из-за расходимости света, трудностей юстировки и больших
потерь света диаметр ячейки Фарадея в воздушном канале, как правило, >2 мм,
99
а в световодном канале диаметр ячейки ограничен снизу диаметром волокна све-
товода (примерно сотня мкм), а сверху - только технологией изготовления.
В-третьих, световодные каналы проще монтировать на взрывном поле, но, как
показала практика, их необходимо защищать даже от слабых волн давления
в воздухе, действие которых на большой длине световода может привести
к преждевременному прекращению прохождения света. В-четвертых, на фото-
приемники воздушного канала в момент взрыва может попасть мощное световое
излучение от ударных волн. Чтобы этого избежать, на входе и выходе соленоида
генератора МК-1 располагаются светонепроницаемые экраны и защитные кону-
сы из пергамина и экраны-коллиматоры на входе фотоприемника (рис* 59).
В экспериментах были опробованы несколько вариантов датчиков магнит-
ного поля, разработанных на базе известных технических решений [133-135]*
Для регистрации модулированного по интенсивности света, прошедшего магни-
тооптический датчик, использовались сначала вакуумные ФЭУ в специальном
автономном фотоприемном устройстве (АФУ) разработки Б. Г. Кудасова, затем
фотоприемники New Focus 1801 FC, фотоприемник на базе микросборки
HFBR-2416* Сигналы с фотоприемников регистрировались аналоговыми ос-
циллографами типа ОК-33 (эти сигналы приводились в предыдущей главе),
а сейчас - цифровыми запоминающими осциллографами фирм «Tektronix»,
«Agilent» и др.
Посмотрим на эскиз одного из вариантов центрального измерительного
узла генератора МК-1 (рис* 52). Измерительный узел — это все магнитооптиче-
ские датчики магнитного поля, три индукционных датчика и оптоволоконный
датчик тока; размещен он внутри третьего каскада генератора, закреплен и от-
центрован на краях каскада пенопластовыми фланцами. Основа узла - прозрач-
ная для магнитного поля фарфоровая трубка с наружным диаметром 3,5 мм
и внутренним диаметром 1,5 мм. Внутри этой трубки располагалась ячейка Фа-
радея воздушного канала, изготовленная из стекла ТФ-5 (тяжелый флинт) диа-
метром 1,5 мм* Снаружи вплотную к трубке крепились трубки ячеек Фарадея
двух световодных каналов, а между трубками - маленькие индукционные
датчики.
Снаружи все магнитооптические и внутренние индукционные датчики за-
крывались непрозрачной стеклопластиковой пленкой для защиты от внешнего
светового потока, возникающего во время взрыва* Наружный диаметр всего узла
составил 6,4 мм. Остальные индукционные датчики расположены на внешней
поверхности внутренних (второго и третьего) каскадов: один диаметром ~2 мм
на третьем каскаде и два датчика начального поля на втором каскаде* Результа-
ты измерений, выполненных с помощью такого измерительного узла, приводят-
ся ниже.
Расположенный в измерительном узле датчик оптической методики изме-
рения тока лайнера генератора МК-1, детальное описание и аналитическое рас-
смотрение принципа работы которой приведены в работе [136], позволил изме-
рить усиление полного тока лайнера до —100 МА и даже оценить с помощью
этих измерений динамику продольного сечения (изменение формы) лайнера.
100
Рис. 52. Эскиз измерительного узла в трехкаскадном генераторе МК-1: 1 -
оптический канал № 1 (воздушный) — фарфоровая трубка с флинтом
I = 2,99 мм; 2 - оптический канал № 2 (волоконно-оптический на излучение
0,69 мкм); 3 — оптический канал №3 (волоконно-оптический на излучение
0,85 мкм); 4 — одномодовое волокно SM800 5,9/125 мкм токового датчика; 5 -
индукционный датчик диаметром 0,43 мм; 6 — индукционный датчик диамет-
ром 0,95 мм; 7 - индукционный датчик диаметром 0,28 мм; 8 — тонкая светоне-
проницаемая пленка; 9 — сечение третьего каскада генератора МК-1
4,4. Анализ погрешностей оптической методики измерения
магнитного поля
Практически любой физический эксперимент включает процедуру изме-
рения, а следовательно, и анализ погрешности измерений. Пока разрабатывался
метод получения сверхсильных магнитных полей, создавались и испытывались
генераторы МК-1, исследователи занимались в основном сравнением конструк-
ций, режимов и т. д., поэтому было достаточно определить только реальность
результатов, оценить верхнюю границу погрешности измерений.
Погрешности измерения магнитного поля индукционной методикой рас-
сматривались выше. Следует отметить, что переход к цифровым методам изме-
рений и регистрации, применение высокоточных осциллографов, тщательные
измерения параметров измерительных цепей перед экспериментом часто позво-
ляют добиться заметно лучшего совпадения результатов измерений отдельными
индукционными датчиками, чем объявленная выше 10 %-ная погрешность.
Погрешности измерения магнитного поля оптической методикой оценить
сложнее, а при совмещении результатов измерений обеими методиками добав-
ляются погрешности построения общей шкалы времени. При вычислении маг-
нитного поля В по углу поворота плоскости поляризации 0 подразумевается,
что поле однородно по всей длине датчика (несколько мм), а длина однородно
сжимаемой части лайнера более 10 см, В таком случае относительная погреш-
101
ностъ В является суммой относительных погрешностей измерений угла
0(Д0/О), длины ячейки Фарадея I (AZ/Z) и константы Верде V (AV/V), а так-
же погрешности, связанной с неточной ориентацией датчика в магнитном поле
(несоосностью датчика и
силовых линий поля), (АВ/В)^
В процессе вычисления 0 по зарегистрированному сигналу определяется
начальный угол 0О между поляризатором и анализатором. Далее сосчитывают-
ся только минимумы и максимумы интенсивности света, возникающие при каж-
дом следующем повороте плоскости поляризации на 90°. Полный угол поворота 0
вычисляется по формуле
®-0о +9О°п + 0ь
где п — число соответствующее числу минимума или максимума, a 0j - не-
большой угол, на который повернулась плоскость поляризации после последне-
го экстремума, если сигнал оптического датчика (максимум поля) не закончился
на таком экстремуме. Величина угла 02 с хорошей точностью оценивается
отношением амплитуды сигнала в момент максимума поля к разнице сигналов
в максимуме и минимуме. Погрешность определения углов 0О и 0j зависит от
флуктуаций и шумов сигнала. Обычно ошибка их определения ограничивается
-5°, а п является достоверно известным (ошибка возникает главным образом
в определении моментов времени, которым соответствуют минимумы и макси-
мумы интенсивности регистрируемого света)* Относительная погрешность оп-
ределения угла 0 уменьшается с ростом 0 (числа л), и достаточно легко до-
биться того, чтобы в конце регистрации эта погрешность не превышала
А0/0 = 1—3 % в зависимости от типа датчика и используемого источника света*
Ячейки Фарадея изготавливаются из кварца и имеют длину I ® 10 мм, ко-
торая измеряется микрометром с относительной погрешностью не хуже
A//Z = 0,15%* Согласно литературным данным [135, 136] точность определения
константы Верде для кварца на длине волны X — 0,633 мкм составляет 1,5 %.
При использовании источников света с длиной волны, отличной от
X = 0,633 мкм, возникает дополнительная погрешность, связанная с неточно-
стью определения X зондирующего света* При использовании монохроматора
МДР-4 относительная погрешность определения X составляет 0,2 %. Так как
зависимость постоянной Верде от длины волны света определяется выражением
V ~1/Х2, суммарная относительная погрешность определения постоянной Вер-
де в данном случае AV/V = 1,9 %.
Относительная погрешность измерения напряженности магнитного поля,
связанная с неточной ориентацией датчика в магнитном поле, вычисляется по
формуле (АВ/В) = у < tgy* При типичных значениях угла у = 0,5 * * * 1 °, опреде-
ляемых конструкцией датчика, (АВ/В)^ не превышает 0,01 %.
102
Учитывая все выше сказанное, погрешность измерения максимума уси-
ленного поля кВ) В в конце процесса кумуляции составляет 2,5 %* Погрешность
определения поля в промежуточные моменты времени — от начала усиления до
максимума — больше этого значения, так как возрастает роль погрешности опре-
деления угла 0О’ ПРИ обработке осциллограмм, когда строится кривая роста
магнитного поля во времени, появляется неточность определения времени ми-
нимумов и максимумов интенсивности регистрируемого света. Одной из основ-
ных причин этого являются флуктуации интенсивности света, попадающего на
фотоприемник. Флуктуации интенсивности связаны с оптическими шумами.
Электрический сигнал U(t) на выходе фотоприемника можно представить
в виде
17(г) = П(г) + А(г)со82(0(г)],
где Z>(f) — сдвиг сигнала от нулевого положения, связанный с деполяризацией
света в датчике и подсветкой, A(f) — множитель, связанный с изменением про-
пускания оптического тракта и флуктуациями мощности излучения полупро-
водникового лазера, а множитель cos2 (0(f)) связан с вращением плоскости по-
ляризации излучения в ячейке Фарадея.
Минимумы и максимумы функции U(t) не совпадают по времени с соот-
ветствующими экстремумами функции cos2 (0(f))* Это несовпадение будет тем
значительнее, чем больше будет значение производных функций D(f) и A(f).
Измерить значение функций D(f) и A(f) в опыте невозможно. Моменты време-
ни, соответствующие минимумам и максимумам регистрируемой интенсивности
света, не совпадают с моментами, соответствующими значениям 0 = (л/2)и.
Разность моментов времени A(f) приводит к увеличению погрешности опреде-
ления напряженности магнитного поля в данный момент времени на
ABf = Af(dB/df) (но это значение не может быть больше значения магнитного
поля, соответствующего повороту плоскости поляризации на 90°).
Корректно определить АВГ в общем случае нельзя. В каждом опыте можно
оценить A(f) по общей картине изменения интенсивности регистрируемого све-
тового излучения. Например, в одном из экспериментов в магнитооптическом
устройстве на базе лазерного диода с X — 0,85 мкм значение Af изменялось от
0,25 мкс (при f =10,5 мкс и В = 0,7 МГс) до 0,03 мкс (при f = 16,7 мкс
и В = 7,7 МГс). Соответственно, значение АВГ изменялось от 0,09 МГс до
0,186 МГс, а значение — от 13 до 2,4 %. Общая погрешность измерения
напряженности магнитного поля в этом канале составила от 15 % в начале уси-
ления до 5 % в конце усиления.
103
Так как в правильно организованном эксперименте по получению (и при-
менению) сверхсильных магнитных полей используется несколько независимых
методик измерения усиливаемого магнитного поля, то погрешность определения
магнитного поля в каждый момент времени процесса усиления (кривая В(/))
определяется известными правилами совокупной точности независимых мето-
дик. В каждом эксперименте наряду с оптической методикой применяется ин-
дукционная методика, причем, в отличие от оптической методики, точность ин-
дукционной максимальна на начальном этапе процесса усиления, когда приме-
няются датчики больших размеров и погрешность измерения чувствительности
датчика не более 2—3 %. Комбинация результатов измерений магнитного поля
двумя методиками ограничивает погрешности измерения поля в течение всего
процесса усиления поля 3-5 %.
4.5. Регистрация формы обжимающей оболочки
Внутренний диаметр обжимающей оболочки является таким же важным,
как и амплитуда магнитного поля, параметром взрывомагнитного генератора
МК-1, в значительной степени определяющим применение генератора в практи-
ке научных исследований. Информация о скорости схлопывания оболочки, диа-
метре ее полости в течение процесса сжатия и особенно в момент максимума
магнитного поля очень важна для понимания физики процесса магнитной куму-
ляции и определения предельных возможностей конкретной конструкции гене-
ратора. А в связи с высказанными ранее соображениями о роли симметрии схло-
пывания оболочки особое значение приобретает регистрация формы внутренней
поверхности оболочки в разные моменты процесса схлопывания.
Самым известным способом регистрации формы и размеров полости об-
жимающей оболочки является съемка в проходящем свете с помощью сверхско-
ростных фоторегистраторов (СФР). Источник света при этом, как правило,
взрывной — объем с прозрачным окном, заполненный аргоном, по которому
пропускается ударная волна. Он располагается на оси съемки за генератором,
ось оболочки которого совпадает с осью съемки. Режим съемки либо кадровый,
либо хронографический.
Хорошо известны и недостатки этого метода, основные из которых - све-
чение ударной волны в газе, заполняющем полость оболочки, и свечение сильно
разогретой внутренней поверхности обращенного к регистратору разгруженного
края оболочки, совершенно искажающие картину явления на самой интересной
последней фазе схлопывания оболочки. Предпринимались попытки преодолеть
этот недостаток с помощью лазерной подсветки, чтобы увеличить спектральную
яркость зондирующего света по отношению к фоновым засветкам. Особую при-
влекательность в этом случае приобретает возможность использования того же
зондирующего лазера для оптической методики измерения магнитного поля,
т. е. совмещение во времени регистрации магнитного поля и диаметра оболочки.
Однако мощности излучения аргонового лазера (~1 Вт) оказалось недостаточно
104
для преодоления помех, вызванных произведенными взрывом неоднородностя-
ми коэффициента преломления атмосферы внутри и снаружи генератора МК-1,
Для регистрации формы оболочки в момент подлета к определенному ра-
диусу А. И. Быков и М. И. Долотенко попытались использовать цилиндрическое
зеркало, однако и в этом случае требуется очень тщательная защита от самых
слабых сторонних засветок, а самое главное — нельзя уменьшить радиус регист-
рации из-за большого расстояния до объекта съемки.
Таким образом, основным методом регистрации формы и размеров обо-
лочки, сжимающей магнитный поток, был и остается метод импульсного рент-
генографирования генератора МК-1, Съемка генератора в проникающем рентге-
новском излучении свободна от влияния ударных волн и световых наводок
и позволяет получить вместе с изображением полости оболочки совершенно
недоступные для других методов данные о структуре схлопывающейся оболоч-
ки и распределении плотности вещества по ее сечению.
Схема эксперимента, в котором осуществляется рентгенографирование
генератора, была приведена на рис. 49, Источником излучения, способного про-
светить многослойные толстые оболочки генератора и продукты взрыва заряда
ВВ, является импульсный безжелезный бетатрон [113] (рабочее название уста-
новки СЦУ-234-1000) с максимальной энергией ускоренных электронов 65 МэВ
и радиусом равновесной орбиты 23,4 см. Число частиц в импульсе 54О11, ток
пучка на орбите 20 А. Длительность импульса излучения на полувысоте
40 нс, но имеется возможность организации длинного импульса — от 1 до
10 мкс. Можно работать также в режиме многоимпульсной генерации с чис-
лом импульсов генерации 1—3. Основную роль в создании бетатрона, разме-
щении его в каземате и проведении большинства успешных рентгенографиче-
ских экспериментов сыграли сотрудники НТЦФ Ю* П, Куропаткин, В. Д, Ми-
роненко, Н, Б, Лукьянов,
Бетатрон снабжен очень важным для взрывных экспериментов устройст-
вом автоблокировки, отменяющим подрыв устройства при отсутствии или не-
достаточном количестве ускоряемых в бетатроне электронов, благодаря чему
резко сокращается число неудачных экспериментов. Рентгенографические ха-
рактеристики: размеры фокусного пятна в короткоимпульсном и длинноим-
пульсном режимах - 1x2 мм с вертикальным расположением длинной оси; плот-
ность квантов тормозного излучения за свинцовым фильтром толщиной 5 мм на
расстоянии 1 м от мишени — 2-109 см-2; максимальная толщина просвечиваемого
свинца на расстоянии 4 м от мишени — 135 мм (регистрация на пленке «Kodak»
с усиливающими экранами).
Генератор МК-1 установлен на пути рентгеновского луча, а за генерато-
ром располагается подставка с рентгеновской кассетой. Кассета представляет
собой массивную стальную раму, собираемую из двух половин. В отверстие
в раме вкладываются две кассеты из алюминия, внутри которых плотно уложе-
ны рентгеновские пленки и усиливающие экраны, преобразующие рентгенов-
ское излучение в видимый свет. Используются кальций-вольфраматные и иг-
105
трий-тербиевые люминесцентные экраны разной толщины и усиливающих
свойств. В качестве экранов применяются также танталовые пластины толщи-
ной 0,5-1 мм. Таким образом, имеется набор регистраторов рентгеновского изо-
бражения разной чувствительности и с разным пространственным разрешением.
На амбразуре каземата и перед кассетой крепятся металлические и деревянные
листы защиты от взрывной волны и осколков. Съемка генератора осуществля-
лась в двух геометриях: с продольным и перпендикулярным расположением
осей генератора и рентгеновского луча, В первом случае предпринимались до-
полнительные меры по усилению защиты кассеты и СЦУ от действия кумуля-
тивной струи.
Задача обработки снимков, восстановления изображения и извлечения ко-
личественной информации уже давно считается одной из самых сложных и по
существу является самостоятельным научным направлением. Любая процедура
обработки негатива начинается с оцифровки его на сканирующем микроденси-
тометре с шагом сканирования на проходе и между проходами порядка 100 мкм.
Последующая численная обработка полученного цифрового массива осущест-
вляется различными компьютерными программами, разработке, непрерывной
модернизации и применению которых для каждой конкретной схемы экспери-
мента, геометрии расположения объекта съемки и его структурного строения
много времени и усилии уделяли и уделяют Н, И. Егоров и В. Н, Павлов, Как
правило, промежуточным результатом обработки является денситограмма сним-
ка — распределение плотности почернения вдоль одного выбранного направ-
ления, по ней определяют положения границ слоев лайнера генератора МК-1
и извлекают количественные (размерные) характеристики.
Источниками случайных погрешностей в процессе измерения плотности
почернения являются квантово-статистический шум в излучении, а также зерни-
стость пленки и усиливающих экранов, для уменьшения их влияния применяют-
ся разнообразные операции усреднения и фильтрации. Затем на первый план
выдвигаются факторы, затрудняющие определение границ слоев или искажаю-
щие соответствие денситограммы реальному объекту съемки. Ухудшение кон-
траста изображения и различимости на снимке мелких деталей вызвано влияни-
ем рассеянного излучения, геометрической нерезкостью (из-за конечных разме-
ров фокуса), экранной нерезкостью, повышенной у более эффективных экранов,
рассеянием света в самой пленке и т, д. Все это в совокупности можно учесть
в виде так называемой функции размытия системы регистрации. Полная функ-
ция размытия системы регистрации была определена опытным путем — построе-
нием функций нерезкости края изображения и частотно-контрастных характери-
стик. Оказалось, что в гауссовом виде эта функция размытия имеет полуширину
на полувысоте 0,62 мм. Численным решением уравнения Фредгольма I рода эта
функция размытия устранялась из опытной денситограммы.
Когда на снимке изображается поперечное сечение устройства (продоль-
ная геометрия съемки), тогда во время обработки снимка сначала выравнивается
фон излучения, выполняются усреднение и фильтрация, затем по проходящей
через центр изображения диагональной денситограмме находится численное
106
т, мм
В
Рис. 53- Рентгеноснимок о дно каскадного
генератора МК-1 (а); ден сито граммы, прохо-
дящие через центр полости, с отмеченным
горизонтальными линиями положением гра-
ницы полости (б); соответствующие отмечен-
ным уровням двумерные эквиденситы (не
в масштабе) (в)
значение плотности почернения в точке, соответствующей искомой границе,
и строится эквиденсита двумерного изображения. Процедуру построения дву-
мерной денситограммы иллюстрирует рис* 53, где показаны снимок, денсито-
граммы в двух взаимно перпендикулярных направлениях, проходящих через
центральную область полости лайнера, на которых горизонтальными линиями
отмечено предположительное положение границы полости, и двумерные экви-
денситы для этих плотностей почернения и средняя между ними, выбранная для
количественного определения.
Специальная программа определяет центр контура, образованного экви-
денситой, и его средний диаметр, далее анализируется форма контура разложе-
нием в ряд Фурье и нахождением номеров первых нескольких гармоник и их
относительных амплитуд* Эти данные для средней эквиденситы, а также сред-
ние диаметры внешней и внутренней эквиденсит, рассматриваемые в качестве
максимального и минимального диаметра внутренней границы лайнера, приве-
денью табл. «Количественные характеристики*.*» (см* с* 74),
107
4,6. Погрешности временной шкалы эксперимента
Упоминавшаяся ранее проблема построения шкалы времени процесса маг-
нитной кумуляции и точности размещения на ней (синхронизация) различных
событий в экспериментах с рентгенографией особенно важна. Заключается она
в том, что некоторые события задаются с вполне определенной точностью перед
экспериментом согласно карте опыта, а другие происходят в эксперименте с не-
которым разбросом из-за случайных погрешностей срабатывания аппаратуры,
величину которого надо учитывать при планировании эксперимента. В частно-
сти, после подачи инициирующего импульса на подрывную установку интервал
времени до начала схлопывания оболочки генератора МК-1, т. е. начала собст-
венно процесса сжатия потока, имеет некоторый требующий оценки и измере-
ния разброс. Он складывается из разбросов срабатывания самой подрывной
установки, прохождения подрывного импульса по кабелю, срабатывания детона-
торов, скорости волны детонации, длительности прохождения волны детонации
по заряду ВВ и ударной волны по соленоиду-оболочке* Второй важный интервал,
также имеющий случайный разброс величины из-за разброса времен срабатыва-
ния узлов рентгеновской установки, — от момента инициирования рентгенографи-
ческой установки до момента появления самого рентгеновского импульса*
Знать оба интервала и их разбросы очень важно, так как в ходе экспери-
мента требуется получить именно заранее заданную длительность интервала по
шкале времени работы генератора, между началом сжатия и моментом экспози-
ции снимка* Иногда попасть в запланированный момент процесса сжатия - глав-
ная цель эксперимента, и от того, насколько успешно она достигается, зависят
полное число экспериментов и, следовательно, объем и стоимость исследования.
Для измерения временных интервалов между различными событиями
процесса сжатия и приведения их к шкале времени процесса сжатия использован
метод двух реперов (рис. 54). В большой репрезентативной выборке из более
40 экспериментов проводились тщательные измерения интервалов времени ме-
жду первым репером и началом работы генератора МК-1 Ао (по сигналу датчи-
ка начального поля) и между вторым репером и рентгеновским импульсом А^.
Рис. 54. Измерение разброса во времени двух событии по методу двух
реперов. Метки времени на осциллограммах 0,5 мкс
108
Моменты подачи реперных импульсов, как и моменты инициирования
других устройств, задавались в эксперименте задержками устройства синхрони-
зации с точностью (разброс времени между реперами) А —±10 нс. Алгебраиче-
ская сумма интервалов Ао и А? и интервала времени между обоими репера-
ми Л и будет искомым моментом, в данном случае - экспозиции рентгеновского
снимка -А — А0+Д7* А погрешность единичного измерения временного ин-
тервала описанным методом двух реперов, измеряемая доверительной границей
общей погрешности измерения всех трех интервалов для определенного значе-
ния доверительной вероятности Р = 0,95, определяется по формуле
В каждом эксперименте выполняется не менее четырех независимых из-
мерений интервалов Ао и А^ (два датчика и по два осциллографа)* При стати-
стической обработке полученных выборок проверялось соответствие экспери-
ментального закона распределения нормальному, вычислялись наиболее вероят-
ное значение интервала (для нормального распределения это среднеарифмети-
ческое), среднеквадратическое отклонение и доверительная граница случайной
составляющей погрешности измерения с коэффициентом доверия 3,182 для вы-
борки из четырех измерений и вероятности 0,95. Неисключенные остатки сис-
тематической погрешности измерений, куда входят погрешности из-за толщины
луча, нелинейности развертки в промежутках между метками времени и т. д*,
оценены интервалом +10 нс* Доверительная граница общей погрешности опре-
делялась по особой формуле, ее типичные значения оказались равными: для ин-
тервала Ао — = +30 нс, для интервала А7 — 07 = ±20 нс, а погрешность измере-
ния момента экспозиции 0Г7 = +40 нс*
Для оценки вероятности попадания в предварительно заданный момент
времени процесса сжатия статистически обработаны две представительные вы-
борки из примерно четырех десятков измерений длительности интервалов Ао
и А? * При этом определялись вид закона распределения измеряемых случайных
величин, важнейшие численные характеристики распределения— первый на-
чальный момент (оценка математического ожидания), второй центральный мо-
мент (оценка дисперсии) и т* д.; при определенных предположениях, справедли-
вых для обнаруженных законов распределения, найдены доверительные значе-
ния этих интервалов* С 95 %-ной вероятностью можно утверждать, что начало
процесса сжатия наступает на 27,71 + 0,12 мкс после запуска подрывной уста-
новки, а середина рентгеновского импульса приходится на 1,32 + 0,06 мкс после
подачи пускового импульса на рентгеновскую установку*
Для определения суммарного разброса значений момента экспозиции 0^
сначала была показана независимость случайных величин Ао и А?: коэффициент
109
корреляции обеих выборок р — 0,14 «с 1. Затем по специальным аппроксими-
рующим формулам для расчета квантильного множителя для различных уров-
ней доверительной вероятности и разных классов распределения были найдены
характеристики и, соответственно, суммарный разброс значений временных ин-
тервалов по шкале времени процесса сжатия 0^ = + 0,13 мкс.
Таким образом, если запланировано сделать рентгеновский снимок уст-
ройства сжатия на £-й мкс процесса сжатия, то с 95 %-ной вероятностью изме-
ренное после эксперимента значение этого интервала времени окажется в интер-
вале £+0,13 мкс, но измерен он будет с точностью +0,04 мкс. Момент экспо-
зиции рентгеновского снимка здесь рассмотрен лишь в качестве наиболее оче-
видного примера; аналогичный вывод можно сделать для любого события, про-
исходящего в процессе работы генератора МК-1. Важно отметить также, что ко-
личественные результаты описанной процедуры определения точности времен-
ной синхронизации процессов в эксперименте относятся к конкретному этапу
существования экспериментального комплекса и могут (и должны) существенно
изменяться при замене и модернизации устройств и аппаратуры комплекса,
4,7. Численная модель генератора МК-1
Необходимой составляющей методической части работы по созданию ме-
тода воспроизводимого генерирования сверхсильных магнитных полей является
построение численной модели реальной конструкции генератора МК-1, Моде-
лирование генератора, устройств на его основе и физического эксперимента со
сверхсильными магнитными полями в целом имеет очень большое значение,
поскольку углубляет и расширяет понимание физики процессов и в то же время
сокращает дорогую экспериментальную часть программы исследований. Разра-
ботанные к настоящему времени численные модели генератора МК-1 способны
описать экспериментальное устройство на основе генератора МК-1 практически
любой конструкции, но пока в одномерном приближении и в рамках имеющихся
сведений о поведении вещества при высоких плотностях энергии. Трудоемкую
задачу создания достаточно полной магнитогидродинамической численной мо-
дели взрывомагнитного генератора SMOG-DISK начинали решать В, И, Ма-
мышев, А. А, Карликов, К, Н, Сульг и продолжают Г, В, Борисков, В, И. Ти-
марева и др.
Смоделировать все процессы, происходящие при взрывном сжатии маг-
нитного потока, даже при наличии очень мощных вычислительных машин пока
не представляется возможным. Существует совокупность разумных упрощений
задачи, которые не слишком сужают область применимости таких более про-
стых численных моделей. Прежде всего рассматривается движение сжимаемой
вязкой среды без учета внутреннего момента импульса. Среда считается изо-
тропной и электронейтральной, ее поляризацией и намагниченностью можно
пренебречь, так как начальные диэлектрическая и магнитная проницаемости не
110
сильно отличаются от единицы и нет пока никаких указаний на существование у
рассматриваемых веществ аномалий диэлектрических и магнитных свойств
в интересующем диапазоне температур и давлений. Второе важное упрощение —
рассматривается чисто осесимметричное (есть выделенная ось, нет зависимости
от азимутального угла) движение вещества; оно также не слишком сужает класс
решаемых задач, потому что начальные и граничные условия моделируемого
генератора имеют осевую симметрию.
В рамках одномерного варианта задачи генератор МК-1 состоит из набора
коаксиальных цилиндрических оболочек разных размеров из различных мате-
риалов с конкретным набором определяющих соотношений, описывающих
свойства материала. В момент времени t на внешней границе ВВ инициируется
детонация и начинается расчет газодинамики в ВВ и прилегающих к нему слоях
первого каскада генератора МК-1 (г ф 0 в случаях, когда важно учесть процесс
запитки начального магнитного поля). При выходе ударной волны в композит-
ный слой оболочки включается проводимость в сжатом композите (критерий
включения — определенное значение сжатия 8 = р/р0 ), происходит захват маг-
нитного потока и последующее его сжатие.
Осесимметричное движение сжимаемой среды с отличными от нуля проч-
ностными характеристиками описывается одномерной системой уравнений маг-
нитной гидродинамики для упругопластического течения. В цилиндрической
системе координат уравнения для плотности вещества р, скорости г, удельной
внутренней энергии е и магнитной индукции В записываются в виде [50,63,137]:
dt 8тг J 8г г
dt Р р’
1 8 z
— — “-----—
dt\p) рг 8г
Ill
где q - псевдовязкое давление по Нейману - Рихтмайеру [138], и е09 - ком-
поненты тензора девиатора напряжений, а— удельная проводимость вещества,
d S ( 5 А
— ——I- v — - субстанциональная производная
dt dt {dr)
В упругой области компоненты девиатора напряжений удовлетворяют
уравнениям [139]:
dsrr + 1
dt Зр dt >
<fcea ---2c[V । 1 dp>
dt Зр dt J
В пластической области движения среды выполняется условие
2. 2 / \2 2 п
S>T + ^00 + (S/т + >See) •
Здесь G - модуль сдвига, Y — предел текучести материала. При нарушении этого
условия в пластической области использовалась известная процедура приведе-
ния к пределу текучести [139]. Для замыкания полученной системы к ней добав-
ляются определяющие соотношения, связывающие давление, проводимость, мо-
дуль сдвига и предел текучести с плотностью и удельной внутренней энергией.
Уравнения газодинамики аппроксимировались конечно-разностными уравне-
ниями по явной схеме «крест», а уравнения для магнитного поля аппроксимиро-
вались по неявной схеме и рассчитывались с помощью потокового варианта ме-
тода прогонки [140, 141] на регулярной счетной сетке, вообще говоря, неравно-
мерной. Контактные границы физических областей совпадают с границами
счетных ячеек. Скорости, координаты, напряженность электрического поля,
плотность тока и электромагнитная сила рассчитываются в узлах счетной сетки
(на границах ячеек), остальные величины относятся к центрам ячеек.
Композитный характер вещества оболочек генератора, выполненных из
металлодиэлектрического композита, учитывался смесевым уравнением состоя-
ния, составленным из уравнения состояния металла и связующего, взятых в экс-
периментально найденном соотношении. При этом к системе МГД-уравнений
добавлялась система алгебраических уравнений для плотностей pj и р2 и внут-
ренних удельных энергий и е2 соответственно металла и компаунда при ус-
ловии одинакового давления в компонентах смеси. Проводимости композитов
описывались по-разному, например, в предположении, что проводимость наибо-
лее широко применяемого меднопроволочного композита хуже проводимости
чистой меди не только потому, что она является только частью композита, но
и «загрязнена» в смеси. Проводимость смеси определялась по формуле
°Cu = CTI »₽>
112
где — удельная проводимость меди, а - объемная доля меди в композите,
а учитывающий «загрязненность» меди коэффициент р подбирается по совпа-
дению результатов расчетов сжатия магнитного потока в однокаскадном генера-
торе МК-1 с экспериментом. При температуре меди выше температуры испаре-
ния полагается р — L Проводимости других типов композитов описываются бо-
лее простыми зависимостями, подбираемыми сравнением с экспериментом, так
как поведение проводимости металла (вольфрама) в этих композитах в зависи-
мости от введенной энергии и давления известно недостаточно хорошо.
Для решения одномерных задач магнитной гидродинамики во ВНИИЭФ
была разработана и на протяжении ряда лет модернизировалась программа
SMOG-DISK, которая включает в себя также постоянно пополняемую и уточ-
няемую библиотеку широкодиапазонных определяющих соотношений (уравне-
ния состояния, законы проводимости для различных веществ, калорические
уравнения, упругие модули и т. д.). В последние годы создается и успешно при-
меняется учебно-исследовательский программный комплекс Master Pro, предна-
значенный для численного моделирования в одномерном приближении в цилин-
дрической и плоской геометрии быстропротекающих процессов, моделирующих
эксперименты с импульсными источниками высокой плотности энергии. В этот
комплекс входит программа MAG [137, 142—145] для ПЭВМ — программный
комплекс для численного моделирования одномерных магнитогидродинамиче-
ских явлений. Программа разрабатывалась для проведения исследований в таких
областях физики, как гидродинамика, магнитная гидродинамика, упругопластика,
и предназначена для исследователей, студентов, аспирантов и преподавателей.
Несмотря на то, что в основе программ SMOG и MAG — одна и та же сис-
тема МГД-уравнений и близкие по содержанию определяющие соотношения,
существуют различия в конкретных численных методиках решения системы
уравнений (разностная аппроксимация, математические параметры счетной схе-
мы, критерии сходимости итераций и др.), А после того как программа SMOG
была переведена на ПЭВМ (программа MAG изначально разрабатывалась в виде
пользовательского комплекса [142]), на первый план выдвинулась степень со-
вершенствования пользовательского интерфейса и адаптации программ к требо-
ваниям конкретного исполнителя — пользователя программы. По степени при-
ближенности к пользователю программы отличаются довольно сильно* Напри-
мер, в комплексе SMOG-DISK вся выходная информация выдается в цифровом
виде и делится на две части:
1) временной разрез с выдачей величин по всем счетным точкам (так на-
зываемые большие выдачи): 7? — радиус, V — скорость, Т — температура, В - маг-
нитное поле, Р — давление, U — удельная внутренняя энергия, о — проводимость,
Е — электрическое поле, Q - джоулево тепло, р - плотность;
2) информация о состоянии границ физических областей (так называемые
малые выдачи): Г - время, Z? - радиус, V - скорость, - ускорение границы,
Р - давление, Т - температура, В - магнитное поле, А — работа на границе
и среднеобластные величины на заказанные моменты времени, А — толщина об-
из
ласти, Рср — средняя плотность области, 17^ — средняя внутренняя энергия об-
ласти, - среднее давление, 7^ - средняя температура, К - кинетическая
энергия области, М — магнитная энергия области.
Интерфейс первой версии MAG представляет собой визуальную диалого-
вую среду для подготовки и проведения численных расчетов исследовательских
задач, позволяющую пользователю:
- вводить и редактировать начальные данные задач;
- управлять счетом задачи;
- изображать моделируемые явления в процессе вычислений в форме ди-
намической научной графики;
- обрабатывать результаты расчетов, создавая отчетные графики и таблицы;
- передавать результаты в документы MS Office и Excel;
- проводить синхронные расчеты нескольких задач в режиме динамиче-
ского визуального сравнения.
На рис. 55 показано общее графическое окно программы MAG, предна-
значенное для визуализации в процессе счета в графическом виде любых пере-
менных из одной или нескольких одновременно считающихся задач.
Программы SMOG И MAG развиваются практически непрерывно и пре-
доставляют широкие возможности для творчества при построении численных
моделей различных конструкций МК-генераторов. Например, в состав комплек-
са MAG входит библиотека уравнений состояния (УРС) веществ, содержащая:
Рис. 55. Общее графическое окно визуализации процесса счета по программе MAG
114
— уравнение состояния идеального газа [146];
— уравнение состояния Ми - Грюнайзена для ряда веществ [146—149];
— широкодиапазонное уравнение состояния меди и алюминия [150» 151];
— уравнение состояния меди с учетом фазовых переходов [152];
— кубическое уравнение состояния взрывчатых веществ и продуктов взры-
ва [147];
— уравнение состояние смеси двух веществ с УРС Ми — Грюнайзена [148];
- вакуум (р = 0» Р = 0).
Каждое уравнение состояния содержит редактируемые пользователем па-
раметры» например, у — показатель адиабаты для идеального газа - или
р0, с0, п, h для УРС Ми - Грюнаизена и т. д.
Проводимости веществ в программе MAG могут задаваться пользовате-
лем, а также выбираться из соответствующей библиотеки данных. Пользователь
Я Р /
может задать проводимость вещества в виде <j =— -, где о = — (Ро — кри"
1+bjSr Ро
сталлическая плотность), &т — тепловая внутренняя энергия, - задавае-
мые параметры.
Библиотека проводимостей содержит следующие данные:
— широкодиапазонную проводимость меди и алюминия, согласованную
с соответствующими УРС [150, 151];
— матричную проводимость меди [152];
- проводимость вольфрама [45, 153],
Параметры проводимости» выбираемой из библиотеки, могут редактиро-
ваться пользователем. Аналогичными возможностями варьирования параметров
описания устройства, может быть, в несколько другой формулировке, обладает
и программа SMOG-DISK.
Однако получив значительную свободу в выборе параметров УРС и зако-
нов изменения проводимости, конструктор численной модели, прежде чем
использовать ее для создания и описания реальной конструкции генератора, обя-
зан протестировать свою модель и проверить степень ее соответствия действи-
тельности. Неправильно было бы сравнивать расчет с экспериментом только по
значению максимального конечного магнитного поля (даже вместе с моментом
времени наступления максимума). Правильнее всего сравнивать всю картину
событий во время сжатия потока (а в некоторых случаях — и создания начально-
го поля, например, если медленная по сравнению с взрывным сжатием запитка
начальным полем существенно влияет на начальное состояние объекта исследо-
вания), т. е* сравнивать расчетные и экспериментальные зависимости, описы-
вающие поведение основных параметров, характеристик генератора МК-1,
Так как максимум поля главным образом зависит от энергетики устройст-
ва (скорости лайнера) и слабо — от свойств материала лайнера, от которых силь-
но зависит второй основной конечный параметр — диаметр объема максимально-
го поля, начинать надо именно с энергетики. Для того чтобы правильно описать
115
энергетику устройства, прежде всего следует проверить и в случае необходимо-
сти подобрать параметры, описывающие применяемое в экспериментах взрыв-
чатое вещество так, чтобы в расчете получалась совпадающая с экспериментом
траектория схлопывания лайнера. Пример такой операции представляют графи-
ки экспериментальных и расчетных траекторий внутренней границы первого
каскада на рис. 56 (см. также цв, вкл,)-
Рис. 56, Пример подбора параметров ВВ в численной модели МК-гене-
ратора: 0 — эксперимент; К, 3, Ст — различные модели ВВ типа ТГ 50/50;
К* и 3* — результаты изменения параметров модели
Экспериментальные данные достаточно надежны, так как получены фото-
графированием скоростным фоторегистратором и дополнены результатами из-
мерений магнитного поля. Мы уже видели ранее, что на сигналах индукционных
датчиков, пропорциональных производной магнитного поля, заметны моменты
соударений каскадов генератора, четко определяющие соответствующие точки
кривой r(f\ Во-вторых, положение промежуточных точек траектории r(t) дос-
таточно жестко определяется значением измеренного магнитного поля В: ком-
бинация этих параметров в каждый момент времени не может быть произволь-
ной; она выражается коэффициентом сохранения магнитного потока
— Вг^/в^. В начальный момент времени ускорения лайнера ср = 1, затем
он должен плавно уменьшаться (нигде не увеличиваясь!), при этом скорость
уменьшения зависит от проводимости материала лайнера (как показывает опыт,
она резко возрастает в полях более 1 МГс), В расчетах «правильная» кривая ср(?)
получается автоматически, а при обработке результатов экспериментов, когда
нет данных о траектории лайнера (обычно на последней стадии работы генера-
116
тора МК-1), размеры лайнера можно оценить по измеренным значениям магнит-
ного поля и разумно проведенной монотонной кривой <р(Г),
Далее, обращаясь уже к модели генератора в целом, в качестве критерия
истинности модели правильней всего выбрать обе измеряемые в эксперименте
зависимости — изменение во времени магнитной индукции 5(f) и изменение во
времени ее производной После того как варьированием соответст-
вующих параметров (например, изменяя вид и параметры зависимости прово-
димости материала лайнера) достигнуто достаточное совпадение этих экспери-
ментальных и расчетных кривых, с помощью численной модели можно выпол-
нять численные эксперименты, дополняющие, предваряющие или объясняющие
результаты экспериментальной программы.
В качестве примера, иллюстрирующего процесс тестирования модели,
рассмотрим рис* 57 (см. также цв* вкл*), где продемонстрирован подбор одного
из параметров численной модели. В данном случае речь идет о коэффициенте by
в формуле проводимости материала лайнера с помощью которого
учитывается уменьшение проводимости чистого металла в составе композита*
На рисунке показано семейство кривых усиленного магнитного поля для значе-
нии Ь = 0,003-1 и экспериментальная кривая 5(f), полученная и надежно изме-
Рис. 57. Зависимость процесса усиления магнитного поля в генераторе МК-1
от параметра Ь, определяющего проводимость медного композита
117
ренная в опыте с увеличенным до 190 кГс начальным полем. Видно, что числен-
ная модель совпадает с экспериментом для b - 0,1.
После каждой серьезной модификации программы, а тем более при разра-
ботке нового варианта, необходимо тестировать расчетные модели на степень
соответствия опыту. Повторим, что расчет должен описывать не только конеч-
ные значения магнитного поля и конечного радиуса, но и поведение во времени
основных характеристик процесса сжатия потока, которыми являются внутрен-
ний диаметр оболочки, магнитное поле на оси, его производная от времени
и коэффициент сохранения магнитного потока в полости.
Глава V
КАСКАДНЫЙ ГЕНЕРАТОР МК-1 -
ИНСТРУМЕНТ ФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВА
SISIS
5.1. Каскадный генератор МК-1 магнитных полей 10 МГс диапазона
Теперь, когда решена одна из основных задач разработки метода получе-
ния сверхсильных магнитных полей, — создан реальный работающий генератор
таких полей, обратимся к проблеме разработки приемов применения этого уст-
ройства в разнообразных физических исследованиях (напомним, что наряду
с решением проблемы получения полей мы с самого начала ставили перед собой
не менее важную цель: научиться проводить исследования в сверхсильных маг-
нитных полях).
Наиболее удобным в применении к настоящему времени оказался генера-
тор с зарядом ВВ умеренных размеров и стоимости. Рассмотрим еще раз сово-
купность параметров и характеристик генератора, но теперь с точки зрения по-
требителя, в качестве физического прибора — исследовательского инструмента.
Коснемся и некоторых изменений, внесенных в конструкцию генератора* необ-
ходимых для выполнения конкретных исследований. Итак, внутренний и внеш-
ний диаметры заряда ВВ 152 и 300 мм, длина 181 мм, масса 16 кг. Внутренний
и внешний диаметры соленоида-оболочки 139 и 151,7 мм, длина намотки
300 мм, погонная масса около 100 г/см, максимальная скорость схлопывания
4 км/с (ВВ - сплав тротил-гексоген ТГ 50/50). Внутренний диаметр второго кас-
када 28 мм, толщина (вместе со слоем эпоксидного компаунда поверх намотки)
3,75 мм, погонная масса 19 г/см. Соответствующие данные для третьего каска-
да — 12 мм, 2,5 мм, 5 г/см.
В результате длительной и объемной (несколько десятков опытов) серии
экспериментов с трехкаскадным генератором описанной конструкции сложилась
следующая обобщенная картина работы генератора в качестве источника сверх-
сильного магнитного поля (рис, 58)* Основными параметрами генератора, опре-
деляющими возможность его применения в этом качестве, являются магнитная
индукция 5(/), диаметр объема с полем - внутренний диаметр лайнера D(t)
и важный для понимания физики работы генератора коэффициент сохранения
магнитного потока Fi(t). Для простоты картины на рис. 58 нет графика зависи-
мости производной магнитной индукции dB/dt, ее можно увидеть ниже,
например на рис, 108. В режиме с начальным магнитным полем 160 кГс генера-
тор позволяет получать магнитное поле 9 ±0,5 МГс в объеме -10 см3 (диаметр
около 1 см, длина однородного поля более 10 см)* Большой диаметр и длина объ-
ема максимального поля дают возможность одновременного исследования не-
скольких образцов* Высокая воспроизводимость получаемых полей - ±0,5 МГс
119
Рис. 58. Графики внутреннего диаметра лайнера D(i), магнит-
ного поля B(t) (точки — данные оптической методики) и коэф-
фициента сохранения магнитного потока Fi(t) трехкаскадного
генератора МК-1
и почти буквальное совпадение зависимостей производной магнитного поля от
времени — подтверждена сотнями экспериментов. Надежность работы генерато-
ра определяется надежностью внешних систем: инициирования заряда ВВ, ис-
точника питания соленоида-оболочки и диагностик. Конструкция генератора
сочетает удобство монтажа генератора и настроек диагностик с соблюдением
жестких требований безопасности взрывного эксперимента.
Генератор может располагаться на взрывном поле горизонтально или вер-
тикально. На рис. 59 приведена фотография трехкаскадного генератора МК-1
в горизонтальном положении, подготовленного к взрывному эксперименту
с оптической методикой измерения магнитного поля и исследования магнитооп-
тических свойств образцов: слева расположен стол с зеркалом воздушного оп-
тического канала, справа от стола с генератором отходят измерительные кабели
индукционной методики и находятся светозащитные экраны и рупоры из свето-
непроницаемого дешевого пергамина.
120
Рис. 59. Трехкаскадный генератор МК-1 в оптическом эксперименте: слева — зеркало оп-
тического канала, генератор окружен светозащитными экранами и рупорами (см. гл, 4)
На рис* 60 (см. также цв. вкл.) показан генератор МК-1 без снаряжения и
подготовленный к взрывному эксперименту. На рис, 60,6 справа к соленоиду
подсоединены силовые кабели запитки начального поля, надето кольцо заряда
В В, на планках спереди и сзади - места присоединений датчиков к измеритель-
ным кабелям. На рис* 61 (см. также цв. вкл.) показан общий вид эксперимента с
одновременным применением рентгеновской и оптической регистрации* На от-
дельном столе расположена кассета с рентгеновской пленкой, видны также при-
крепленные к столу с генератором измерительные кабели и проложенные вокруг
генератора светопровода оптической измерительной методики. Генератор и за-
ряд ВВ опираются на подставки с юстировочными винтами.
Рис, 60. Каскадный генератор МК-1 перед снаряжением (а)
и полностью подготовленный к взрывному эксперименту (б)
121
Рис. 61. Общий вид подготовленного эксперимента с трехкаскадным генератором МК-1
с одновременным применением рентгеновской и оптической методик
В ряде исследований (например, с необходимостью охлаждения образцов)
более удобно вертикальное расположение генератора* В этом случае под столом
с генератором устанавливается емкость с криожидкостью (сосуд Дьюара), к ней
подсоединяется криопровод из коаксиальных трубок с вакуумной изоляцией
между ними (из магнитопрозрачного стекла или из особо тонкостенных трубок
из нержавеющей стали). Охлаждающая жидкость (или газ) подается по криопро-
воду вверх до центра генератора и охлаждает образцы. Отработанные пары
жидкости выходят далее вверх за пределы генератора* Также вверх выходят вы-
воды датчиков измерительных методик. Фотография и схема подобного экспе-
римента с генератором МК-1 приведена на рис. 62,
За два десятка лет существования каскадного генератора стандартной кон-
струкции (с описанными ранее элементами крепления внутренних каскадов
и измерительного узла) он (впервые в мировой практике) многократно исполь-
зовался для исследования свойств различных веществ в сверхсильных магнит-
ных полях. Принципиально новым физическим фактом стало обнаружение в па-
рамагнитном стекле, легированном Ег(РОз)ъ осцилляций (смена знака) эффекта
Фарадея и наблюдение электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) в оптиче-
ском диапазоне, что позволило продвинуть такое важное и широко используе-
мое на практике явление, как ЭПР, в недостижимую ранее область частот [154,
155]* В тонких пленках висмута в полях 1,5 МГс и вплоть до 10 МГс впервые
обнаружен циклотронный резонанс на электронах проводимости в оптическом
(т, е. на три порядка выше ранее зафиксированных частот) диапазоне [156, 157].
Сверхсильные магнитные поля позволили измерить намагниченность в полях,
превышающих энергии обменного, а в большинстве случаев и спин-орби-
тального взаимодействии, и непосредственно определить критические точки на
фазовых диаграммах [157, 158]*
122
а б
Рис. 62. Схема (а) и фотография (б) эксперимента с вертикально располо-
женным генератором МК-1 и охлаждением образца до криогенных темпе-
ратур потоком жидкого гелия
Эффективность использования генераторов сверхсильных магнитных по-
лей особенно проявилась при исследованиях высокотемпературных сверхпро-
водников (ВТСП). Только благодаря использованию генератора МК-1 удалось
измерить значения верхнего критического поля сверхпроводника УВаэСщОу во
всем температурном диапазоне [159]. Результаты исследовании ВТСП, выпол-
ненных в сверхсильных магнитных полях, были отмечены на годовых отчетных
заседаниях Академии наук в 1990 и 1995 гг. Довольно подробный и объемный
обзор исследований, выполненных в сверхсильных полях, приведен в докладе на
сессии РАН, посвященной 65-летию ВНИИЭФ, и в юбилейном сборнике работ
ВНИИЭФ [52, 53, 160].
5.2. Международное сотрудничество.
Серии экспериментов «Дирак» и «Капица»
Международное сотрудничество в области применений каскадного гене-
ратора МК-1 сыграло важную роль в развитии описываемого метода получения
сверхсильных магнитных полей в целом, поэтому заслуживает подробного рас-
сказа. Реальным началом сотрудничества стали международные эксперименты
с каскадным генератором в Лос-Аламосской национальной лаборатории на экс-
123
периментальной площадке одного из основоположников магнитной кумуляции
Макса Фаулера.
В начале 1990-х гг, в нашей стране сложились условия, способствовавшие
выходу научного сотрудничества между учеными ядерных центров России
и США на новый, трудно вообразимый ранее уровень непосредственных кон-
тактов, Большую роль в установлении этих контактов сыграл А, И, Павловский,
который еще в 1983 г, на Ш Мегагауссной конференции в Новосибирске лично
познакомился с Максом Фаулером. Между учеными возникло взаимопонима-
ние, послужившее в дальнейшем основой долговременного взаимовыгодного
сотрудничества* Серия встреч 1992 г, руководства ЛАНЛ и ВНИИЭФ при уча-
стии А* И* Павловского открыла путь к научному сотрудничеству, а конкретные
формы этого сотрудничества намечались уже на переговорах ведущих ученых
обеих стран. По обоюдному согласию было решено, что обсуждению подлежат
лишь открытые фундаментальные и прикладные вопросы, представляющие вза-
имный общенаучный интерес. Этот принцип наряду с принципом соблюдения
постепенности развития отношений («step-by-step») всегда неукоснительно со-
блюдался не только обеими сторонами, но и другими участниками, подключав-
шимися к международному сотрудничеству позднее.
Во время переговоров в Сарове 22—26 июня 1992 г* делегация ЛАНЛ при-
сутствовала на взрывном эксперименте с генератором МК-1 (рис* 63)* Максу
Фаулеру доверили нажать кнопку пуска подрывной установки в эксперименте*
с чем он уверенно справился и получил за успешно проведенный опыт «зарпла-
ту» — бутылку русской водки. Фактически это и был первый совместный экспе-
римент ВНИИЭФ - ЛАНЛ*
Рис. 63. Члены делегации ЛАНЛ М, Фаулер, С, Янгер, Р. Реиновскии и И. Линдемут
вместе с Р. 3. Людаевым (крайний справа) слушают рассказ А. И, Павловского
о готовящемся эксперименте с генератором МК-1
124
Стороны подписали первое в истории соглашение между ВНИИЭФ и ЛАНД
послужившее началом долговременного взаимовыгодного научно-технического
сотрудничества ядерных центров России и национальных лаборатории США. По
условиям подписанного в ноябре 1992 г* меморандума (во время визита нашей
делегации в Лос-Аламос после конференции в Альбукерке, рис. 64) намечалось
провести две серии экспериментов: первую — в Сарове (в то время еще Арзама-
се-16) по сжатию плазменного лайнера током дискового взрывомагнигного ге-
нератора, вторую — в Лос-Аламосе по исследованиям в сверхсильных магнитных
полях генератора МК-1. (К сожалению, внезапная преждевременная смерть
А. И. Павловского 13 февраля 1993 г, не позволила ему участвовать в работе
и разделить заслуженную гордость за успешные результаты работы генератора
и достижения сотрудников его группы. Глубокую печаль и сожаления россий-
ских ученых о постигшей утрате искренне разделяли американские коллеги. )
Рис. 64. Совещание ВНИИЭФ - ЛАНЛ, ноябрь 1992 г. На снимке слева (справа налево)
А. И, Павловский, С. Янгер, В, К. Чернышев, Е. А. Гердова (переводчик); на снимке
справа — российские и американские участники переговоров
Конкретные детали организации и проведения серии экспериментов
в ЛАНЛ были согласованы в июне 1993 г. в ходе визита нашей делегации в Лос-
Аламос, закончившегося подписанием соглашением ВНИИЭФ — ЛАНЛ руково-
дителями делегаций В. Д. Селемиром и С* Янгером. В соответствии с соглаше-
нием и составленным на его основе контрактом мы должны были поставить
в Лос-Аламос 5 генераторов МК-1 без заряда ВВ, неснаряженные (без ВВ) блоки
системы инициирования заряда ВВ и обеспечить профессиональное проведение
экспериментов, а ЛАНЛ взяла обязательства оплатить поставленные генераторы
и эксперименты, изготовить взрывчатое вещество, снарядить систему иниции-
рования заряда ВВ, принять нашу экспериментальную группу и провести экспе-
рименты.
Последовавшие затем титанические усилия позволили преодолеть много-
численные ограничительные и организационные трудности и препятствия и от-
править генераторы МК-1 и необходимые узлы в США. Следом за генераторами
125
в Лос-Аламос в ноябре 1993 г, прибыли А. И, Быков, М* И* Долотенко, Н. П. Ко-
локольчиков, Ю* Б* Кудасов, В. В. Платонов, О. М, Таценко и переводчики
Е* И* Паневкина и Е. А. Гердова (рис, 65). В итоговом отчете ЛАНЛ [161] аме-
риканские коллеги примерно очертили круг обязанностей каждого российского
участника эксперимента и очень высоко оценили их (т. е. наш) профессиональ-
ный уровень.
Рис. 65. Группа сотрудников ВНИИЭФ - участников первых совместных
экспериментов ВНИИЭФ — ЛАНЛ в музее Лос-Аламоса. Слева направо:
А. И, Быков, М, И. Долотенко, О. М. Таценко, Н. П. Колокольчиков,
Е, А. Гердова, Ю, Б. Кудасов, В. В, Платонов, Е. И, Паневкина
Примерно за полтора месяца на взрывной площадке в Анчо Каньоне была
исключительно успешно выполнена большая программа взрывных эксперимен-
тов, включавшая пять опытов с генератором МК-1 и опыт с двухкаскадным по-
лосковым генератором М. Фаулера, Сначала в двух экспериментах с МК-1 с за-
рядами из разных ВВ было продемонстрировано, как монтируется и насколько
эффективно работает каскадный генератор, и тем самым доказано (американ-
ской стороне), что в каскадном генераторе действительно получаются поля
10 МГс диапазона [161], Для максимальной достоверности результатов измере-
ний первый эксперимент был перенасыщен диагностиками, включающими из-
мерения начального тока обычными петлями Роговского, тока в лайнере генера-
тора фарадеевским поясом Роговского, 12 индукционных датчиков производной
поля разной площади (чувствительности), три датчика фарадеевского враще-
ния - два кварцевых, один из тяжелого флинта* Внутренний объем третьего кас-
када почти полностью был занят датчиками. На рис. 66 показан эскиз разреза
третьего каскада, воспроизведенный из отчета ЛАНЛ [161]*
126
Рис. 66. Расположение датчиков измери-
тельных методик внутри третьего каскада:
заштрихованы три керамические трубки
с фарадеевскими датчиками поля, без
штриховки— трубки со световодом токо-
вых фарадеевских датчиков и один из
индукционных зондов
Несмотря на очевидный боль-
шой внешний размер измерительно-
го узла, в целом результаты измере-
нии оказались очень успешными.
Измеренный ток в лайнере достиг
85 МА, причем измерения тока
в лайнере прекратились лишь на 150 нс
раньше измерений поля (датчики
тока расположены дальше от оси,
чем датчики поля). Результаты изме-
рений поля разными датчиками сов-
пали в пределах нескольких процен-
тов, усредненное значение макси-
мального поля в генераторе (за-
регистрированное) составило 9 МГс.
Во втором опыте использовался за-
ряд более мощного ВВ, поэтому,
процесс усиления поля был короче,
а максимальное поле достигло почти
11 МГс.
В трех следующих экспериментах с МК-1 измерялось критическое поле
высокотемпературного сверхпроводника YBCO при температуре 4, 30 и 60 К.
Переход сверхпроводника в нормальное состояние при достижении критическо-
го для данной температуры магнитного поля регистрировался микроволновой
диагностикой. Эскиз измерительного узла в этих опытах приведен на рис. 67.
В последнем (пятом) опыте произошел редчайший для всей серии отказ микро-
волновой диагностики, но зато дополнительными измерениями зарегистрирова-
но нелинейное фарадеевское вращение в охлажденном кристалле CdS, поме-
щенном в измерительный узел вместо оптического датчика поля (измерения по-
ля выполнены индукционной методикой).
Рис. 67, Схема измерительного узла на оси МК-1-генератора [161]: А — тре-
тий каскад, В — направление магнитного поля, С — криостат, D - диодные
датчики температуры, Н - гелиевый канал охлаждения, S — образец, W -
диэлектрический волновод. Фарадеевский и индукционные датчики поля
расположены вблизи D
127
Первые совместные эксперименты регулярно посещало руководство
ЛАНЛ - директор 3. Хеккер и начальник одного из отделений С. Янгер. Они
присутствовали во время подготовки опыта, изучали смонтированный для экс-
перимента генератор (рис. 68), По результатам серии экспериментов было сде-
лано несколько докладов на международных конференциях и опубликованы ста-
тьи в соавторстве [162—169],
Рис. 68. Участники первой серии экспериментов ВНИИЭФ - ЛАНД 1993 г.
Убедившись в высокой надежности генератора МК-1 и стабильности по-
лучения сверхсильных магнитных полей 10 МГс диапазона, американские кол-
леги предложили участвовать в экспериментах с магнитными полями, генери-
руемыми МК-1, ученым из университетов США и других стран. В 1996 и 1997 гг.
128
в Лос-Аламосе и Анчо Каньоне были проведены две серии международных экс-
периментов, организованных и названных Максом Фаулером «Дирак-1» и «Ди-
рак- 2», в которых приняли участие представители четырех стран и семи лабора-
торий: ЛАНЛ, ВНИИЭФ, Университета Флориды, Университета Луизианы,
компании «Бектел Невада» (США), Токийского университета, Университета
Нового Южного Уэльса (Австралия), Было проведено пять экспериментов с ис-
пользованием оплаченных ЛАНЛ и изготовленных во ВНИИЭФ генераторов
МК-1 и четыре — с полосковыми генераторами ЛАНЛ (все при температуре 4 К).
Так как конечное магнитное поле генератора МК-1 имеет большой цилиндриче-
ский объем, то в каждом эксперименте с МК-1 одновременно исследовались ха-
рактеристики нескольких образцов,
В процессе исследований австралийские участники предложили достаточно
оригинальную схему экспериментального устройства, где генератор МК-1 за-
креплен в специальном монтажном приспособлении (этажерке), обеспечиваю-
Рис. 69. Экспериментальное устрой
Ство для опытов серии «Дирак-1»
щем необходимую точность соосности лай-
нера генератора и криогенного измеритель-
ного узла в эксперименте серии «Дирак-2»
(и, соответственно, магнитного поля и осей
симметрии образца). Жидкий гелий для ох-
лаждения образца поступал по криопроводу
из стеклопластиковых трубок сверху вниз из
расположенного выше сосуда Дьюара (так-
же из стеклопластика). Фотография устрой-
ства приведена на рис, 69 (см. также цв.
вкл,), а на рис, 70 — интернациональная
группа участников серии экспериментов
«Дирак-1»,
В публикациях, посвященных резуль-
татам этих исследований [170-173], зару-
бежные ученые восхищались удобством и
безотказностью работы генератора МК-1.
В экспериментах серии «Дирак», в частно-
сти, впервые было осуществлено измере-
ние квантового предела на квази-
двумерных молекулярных проводниках
a-(BEDT-TTF)2NH4(SCN)4 и (TMTSF)2C1O4
в магнитных полях до 7 МГс [173], Интересные результаты получены при ис-
следовании образцов проводимости Al^Ga^/GaAs с квантовыми ямами [174],
Несколько следующих лет совместная работа российских и американских
ученых проводилась в рамках контрактов ВНИИЭФ — ЛАНЛ, организованных
с американской стороны С, Янгером: ему была интересна физика возникновения
металлизации в сжатом благородном газе, он очень внимательно и дружелюбно
относился к российским коллегам и совместной с ними работе* Основным ее
129
содержанием были эксперименты на взрывной площадке ВНИИЭФ (при уча-
стии сотрудников ЛАНЛ), направлена она была на изучение проводимости кон-
денсированных благородных газов (аргон, ксенон и криптон в твердом и жидком
состоянии) при их изэнтропическом сжатии до давления 1—8 Мбар сверхсиль-
ным магнитным полем генератора МК-1. При измерении металлизации конден-
сированных газов заострялась проблема изоляторов схемы измерения, располо-
женных в камере сжатия. Были изучены изоляционные свойства сапфира, кера-
мики и тефлона в мегабарной области давлений. Оказалось, что лучшими
изоляционными свойствами обладает тефлон, который позже применялся в экс-
периментах в качестве изолятора* Во всех исследованных газах зафиксировано
возникновение проводимости при воздействии мегабарных давлении, причем
в криптоне — на уровне жидкого металла* Результаты всех исследовании, кото-
рые, к сожалению, не удалось довести до логического завершения вследствие
перехода С* Янгера на другую работу, подробно описаны в научной литературе
[175-177]*
Рис. 70. Интернациональная группа участников экспериментов серии «Дирак-1#
Плодотворное, интересное и взаимовыгодное сотрудничество существен-
но сократилось после постепенного ухода из проекта заинтересованных в нем
американских ученых (М. Фаулера, С* Янгера, К. Экдала и др*), еще некоторое
время продолжалось под эгидой Международного научно-технического центра
(МНТЦ) при участии видных американских и европейских специалистов
(Ф. Герлаха, М* Шеппарда, Л* Бисера и др*), привлеченных в качестве коллабора-
торов проекта* Но в 2012 г* участие России в проектах МНТЦ было прекращено*
Умеренный объем финансирования со стороны МНТЦ позволил (и мог бы позво-
лить в дальнейшем) выполнить некоторые важные для развиваемого метода ис-
следования и разработки, о содержании и результатах которых рассказано ниже.
130
Еще одно направление международного сотрудничества возникло по ини-
циативе директора НТЦФ ВНИИЭФ В. Д. Селемира, предложившего, организо-
вавшего и поддержавшего проведение регулярного научно-практического семи-
нара «Капица». Цели семинара — предоставить иностранным и российским уче-
ным ранее закрытую для них экспериментальную базу РФЯЦ-ВНИИЭФ для
фундаментальных исследований в магнитных полях мегагауссного диапазона
и создать школу молодых ученых в области мегагауссной физики путем привле-
чения студентов и аспирантов для участия в исследованиях.
Примерно за десять лет (до 2005 г.) удалось профинансировать, организо-
вать и провести семь семинаров «Капица», в которых принимали участие уче-
ные из российских городов — Москвы, Санкт-Петербурга, Нижнего Новгорода,
Новосибирска, Ярославля, Воронежа, Брянска, Зеленограда - и ученые из Гер-
мании, Франции, Англии, Бельгии, Японии. На рис. 71 представлены участники
семинаров «Капица», известные своим вкладом в магнитную кумуляцию. На
семинарах прочитаны десятки лекций по различным вопросам мегагауссной фи-
зики и физики твердого тела (например, на семинаре «Капица-6» было пред-
Рис. 71, Участники семинаров «Капица» разных лет: а — Е, И. Биченков, Г. А. Швецов,
Г. А. Шнеерсон (слева направо), 1999 г.; б - Н. Миура (Япония), В. Д. Селемир (Россия),
Ф. Герлах (Бельгия), М. фон Ортенберг (Германия) (первый ряд, слева направо), 2000 г,;
в — А. И. Быков общается с участниками семинара, 2001 г.; г — участники семинара
перед экспериментом, 2003 г.
131
ставлено 17 лекгщй-докладов) , выполнено 18 взрывных экспериментов с генера-
тором МК-1, в которых различными диагностиками исследовалось 64 образца
[178].
5.3. Автономный источник многомегагяуссного магнитного поля
Необходимыми условиями проведения исследований с помощью магнито-
кумулятивных генераторов является наличие полигона для взрывных работ
и размещенных в защищенном от последствий взрыва помещении мощного ис-
точника питания начального магнитного поля и комплекса измерительно-
управляющей аппаратуры. Выполнение этих условий возможно только в очень
ограниченном числе научных организаций. Для создания начального магнитного
поля стандартного каскадного генератора МК-1 в диапазоне 160 кГс в стацио-
нарном варианте необходима конденсаторная батарея с энергоемкостью около
1 МДж - это громоздкая дорогостоящая установка в толстостенном железобе-
тонном сооружении. Снизив требования к энергетике батареи до нескольких
килоджоулей в мобильном варианте и используя передвижные комплексы кон-
трольно-измерительной аппаратуры, расположенные на значительном удалении
от места взрыва, можно достичь существенной автономности эксперимента и
проводить исследования в любом месте, где разрешается взрывать несколько
десятков килограмм ВВ.
Наиболее подходящим альтернативным источником энергии начального
поля генератора МК-1 является спиральный МКГ с большим коэффициентом
усиления энергии [179]* Из-за достаточно высокой индуктивности соленоида
генератора МК-1 (-0,3 мкГн) для достижения большого усиления энергии необ-
ходима высокоиндуктивная спираль МКГ, диаметр которой определяет его мак-
симальную выходную энергию (для интервала 600-1000 кДж характерен диа-
метр спирали 120-160 мм).
В испытанном варианте автономного источника сверхсильных магни тных
полей [180] спиральный генератор с диаметром спирали 160 мм и длиной спира-
ли 900 мм подсоединялся к коллектору генератора МК-1 короткой (2 м) кабель-
ной линией (рис* 72, см* также цв. вкл*)* Спираль МКГ - секционированная мно-
гозаходная, распределение ее индуктивности по длине рассчитано так, чтобы
напряжение при работе МКГ не превышало пробойного напряжения изоляции
провода, которым намотана спираль, а напряжение на выходе МКГ — электро-
прочности кабельной линии и коллектора МК-1 (-30 кВ)* Центральная труба с
наружным диаметром 85 мм и толщиной стенки -10 мм выполнена из алюми-
ниевого сплава АМЦ, масса заряда ВВ ТГ 30/70 - 7 кг* Общая длина МКГ
1200 мм, масса -30 кг.
Начальная индуктивность МКГ 127 мкГн, конечная -0,3 мкГн* При работе
на соленоид генератора МК-1 при начальном токе 10,2 кА, энергии 6,6 кДж по-
лучен ток 2,15 МА (энергия -700 кДж), коэффициент усиления энергии 105*
Важная отличительная особенность применения МКГ вместо батареи в том, что
при одной и той же амплитуде тока импульс от МКГ дает существенно меньшее
132
значение токового интеграла действия, определяющего тепловые и механиче-
ские последствия действия прохождения тока по соленоиду. Из приведенных на
рис* 73 кривых интеграла действия для конденсаторной батареи емкостью
6000 мкФ и испытанного МКГ видно, что воздействия тока МКГ существенно
слабее тока батареи, т. е. при необходимости увеличения начального поля мож-
но увеличить ток запитки соответственным изменением параметров МКГ [180].
Рис. 72. Генераторы МКГ (слева) и МК-1 перед экспериментом
Рис. 73. Изменение интеграла действия в соленоиде генератора МК-1 при
питании от конденсаторной батареи МКБ и МКГ. Кривые синхронизиро-
ваны по моментам максимума тока: /мкг = 2,15 МА, Тмкб = 2 МА
5.4. Управление формой импульса магнитного поля генератора МК-1
Процесс усиления магнитного поля во взрывомагнитном генераторе МК-1
делится во времени на 3 этапа: этап создания начального магнитного поля (ти-
пичные значения магнитного поля 100-150 кГс) — длительность 50-100 мкс, этап
медленного усиления магнитного поля (рост магнитного поля до 2 МГс) —
10-15 мкс, этап быстрого роста магнитного поля с переходом магнитного поля
через максимум — длительность около 1 мкс* Для ряда применений сверхсиль-
ных магнитных полей, в частности в исследованиях по физике плазмы в таких
133
полях (адиабатическое сжатие, ускорение плазменных оболочек и т. д*), сущест-
венным моментом является возможность контрастирования импульса магнитно-
го поля, действующего на объект исследования, - отсечение медленного этапа
усиления магнитного поля, укорочение пьедестала импульса. Такой режим на-
растания магнитного поля в центральной области генератора МК-1 можно осу-
ществить с помощью специального ключа, экранирующего центральный объем
генератора на этапе медленного нарастания магнитного поля. При достижении
определенного значения магнитного поля этот ключ открывается, и магнитное
поле начинает воздействовать на образец* В качестве ключа могут быть исполь-
зованы электрически взрываемые проводники, плазменные переключатели, по-
добные исследованным в работе [181].
В экспериментах с ключом начальное магнитное поле двухкаскадного ге-
нератора МК-1 уменьшено до 90-120 кГс. Кроме того, благодаря одному из пре-
имуществ применяемого генератора МК-1 -
большой продольной длине объема маг-
нитного поля — в одном и том же экспери-
менте измерялось магнитное поле внутри
объема, окруженного изучаемым ключом,
и в объеме генератора без ключа* В двух
экспериментах ключ представлял собой
вручную плотно намотанные 12 витков
медной фольги толщиной 35 мкм прямо на
втором каскаде генератора. Край фольги
совпадал с центром двухкаскадного гене-
ратора МК-1* Измерительный узел — кера-
мическая трубка диаметром 3,5 мм, внутри
которой помещен датчик оптической фа-
радеевской методики измерения магнитно-
го поля, а индукционные датчики распо-
ложены внутри и снаружи трубки: одна
группа датчиков под фольгой на расстоя-
нии 25 мм от края (и центра генератора),
другая идентичная группа датчиков - вне
фольги (взаимным влиянием этих объемов
на расстоянии диаметра фольги от ее края
Рис. 74. Магнитное поле и его про-
изводная (пунктир) в опыте с трех-
каскадным генератором МК-1
и фольгой общей толщиной 0,5 мм,
намотанной на второй каскад
пренебрегаем). В одном из опытов использовался третий каскад, для того чтобы
зафиксировать возможные ранние перемещения второго каскада, однако в целом
результаты двух опытов оказались близки. На рис. 74 приведены кривые маг-
нитного поля и его производной из опыта с трехкаскадным генератором. Они
наглядно демонстрируют достижение поставленной цели - сокращение полного
времени роста магнитного поля от нуля практически до 8 МГс менее чем за
4 мкс [182],
Магнитное поле в объеме, окруженном медной фольгой, определяется,
в принципе, двумя процессами: диффузией внешнего для этого объема магнит-
134
ного поля генератора МК-1, которая резко усиливается при взрыве медной
фольги, и усилением магнитного поля, про диффундировавшего сквозь фольгу
до того, как она начала схлопываться, если фольга под действием давления
магнитного поля снаружи (магнитное поле снаружи больше, чем внутри) схло-
пывается.
В экспериментах с ключом эти процессы происходят, по-видимому, одно-
временно и выделить в явном виде эффект взрыва фольги не удается, хотя он,
несомненно, имеет место. На это указывают, во-первых, отмеченный факт более
раннего разрушения датчиков под фольгой и, во-вторых, максимальное зареги-
стрированное обеими методиками магнитное поле под фольгой, которое нельзя
объяснить только усилением магнитного поля схлопывающейся фольгой. Мож-
но с уверенностью сказать, что фольга до начала быстрой диффузии магнитного
поля не движется, иначе произошло бы замыкание композитного вещества вто-
рого каскада до подлета к нему оболочки первого каскада, поэтому единствен-
ная возможная причина быстрого роста магнитного поля под фольгой — взрыв
фольги. В этом случае достигнуто резкое сокращение длительности импульса
магнитного поля, причем время роста магнитного поля в е раз вблизи максиму-
ма импульса составляет 0,5 мкс.
Таким образом, показана принципиальная возможность сокращения пол-
ного времени нарастания сверхсильного магнитного поля в магнитокумулятив-
ных генераторах МК-1 с помощью простейшего ключа в виде тонкостенного
металлического цилиндра на внешней поверхности второго каскада генератора.
Цилиндр-ключ электрически взрывается при диффузии сквозь его стенку маг-
нитного поля генератора МК-1. Изменением толпрпты цилиндра можно управ-
лять формой импульса магнитного поля генератора МК-1.
Подобный узел был использован в устройстве, предложенном для изуче-
ния поведения высокотемпературной плазмы в сверхсильном магнитном поле
[183]. Взаимодействие достаточно горячей энергоемкой плазмы с магнитным
полем 10 МГс диапазона, плотность энергии которого достигает ~0,5 МДж/см3,
может привести к неожиданным и интересным результатам, полезным для изу-
чения и применения различных устройств импульсной мощности. Только с по-
явлением каскадного генератора МК-1 возникла реальная возможность помес-
тить плазму в достаточно сильное магнитное поле. Для этого необходимо ввести
в конструкцию генератора изменения, позволяющие соединить его с источником
начальной плазмы, и разместить нужные для исследования поведения плазмы
диагностики. Для первого и одного из самых простых вариантов генератора
МК-1 для плазменных исследований выбрана двухкаскадная схема генератора
с увеличенным вторым каскадом (рис, 75). Присутствие второго каскада необ-
ходимо, так как он предотвращает преждевременное заполнение центрального
объема с плазмой веществом схлопывающейся оболочки. Размеры второго
каскада несколько увеличены по сравнению со стандартной конструкцией ге-
нератора, и начальные поперечные размеры плазмы достигают ~4 см, что по-
зволяет изучать эффекты, связанные, например, с адиабатическим сжатием
плазмы и т. п.
135
Рис. 75. Схема двухкаскадного генератора МК-1 с плазменной камерой
Для того чтобы хотя бы в исходном состоянии иметь плазму с контроли-
руемыми начальными свойствами, в полости второго каскада генератора поме-
щена плазменная камера в виде тонкостенной трубки из нержавеющей стали,
стенки которой можно подвергнуть операции обезгаживания, а внутренний объ-
ем вакууммироватъ до необходимой степени чистоты. Исходная плазма либо
впрыскивается в камеру, либо создается в ней тем или иным способом с помо-
щью располагаемого в камере узла создания начальной плазмы. Поверх второго
каскада устанавливается узел укорочения импульса в виде медного фольгового
цилиндра. Цилиндр изготавливается намоткой вручную на второй каскад тонкой
(15-20 мкм) медной фольги до полной толщины 0,4—0,5 мм.
Металлическая плазменная камера, несомненно, влияет на параметры им-
пульса магнитного поля в камере; кроме того, датчики магнитного поля в камере
могут помешать экспериментам с плазмой. Поэтому были выполнены три экс-
перимента с предложенным устройством для его изучения и калибровки. На-
чальное магнитное поле в первых двух экспериментах создавалось разрядом
конденсаторной батареи емкостью 1350 мкФ, зарядное напряжение батареи
35 кВ, что почти в два раза больше стандартного значения, но, как показал опыт,
в пределах электропрочности конструкции соленоида из плотноупакованных
тонких изолированных проволочек. Магнитное поле в полости плазменной ка-
меры и его производная измерялись с помощью измерительного узла из керами-
ческих трубочек (одной в первом опыте и двух во втором), в которых помеща-
лись датчики и световоды каналов оптической методики измерения магнитного
поля, а между трубками — несколько индукционных датчиков субмиллиметро-
вых размеров. Внешний диаметр измерительного узла в целом менее 6 мм.
В первом эксперименте обостряющий узел отсутствовал, во втором экспе-
рименте с такой же конденсаторной батареей испытывался двухкаскадный гене-
ратор с обострителем и чуть большим — 155 вместо 140 кГс — начальным полем.
Результаты экспериментов приведены на рис, 76 (см. также цв. вкл.).
136
а мгс
Рис. 76. Обработанные сигналы индукционных датчиков и их интегралы
в экспериментах с обострителем (£2) и без (Z?i)
Так как генератор с обострителем более интересен для плазменных иссле-
дований, эксперимент с ним был повторен при других параметрах конденсатор-
ной батареи и с измерением магнитного поля в плазменной камере с самого на-
чала запитки, чтобы облегчить задачу численного моделирования такой конст-
рукции генератора и воспроизведения процессов диффузии магнитного поля
сквозь медный цилиндр-обостригель и стальную плазменную камеру. Емкость
конденсаторной батареи в третьем эксперименте 9000 мкФ, зарядное напряже-
ние 15 кВ? начальное магнитное поле 135 кГс (длительность процесса запитки
почти в два раза больше, значит, больше продиффундировавшее сквозь фольго-
вый цилиндр поле). Измерительный узел состоял из трех керамических трубочек
и, соответственно, трех каналов оптической методики измерения поля. Внешний
диаметр узла менее 6 мм.
На рис. 77 приведены зависимости магнитного поля и его производной
в плазменной камере, построенные по сигналам датчиков двух методик (обрати-
те внимание на отличное совпадение кривых, полученных с помощью индукци-
онной и оптической методик). И в третьем эксперименте индукционные датчики
разрушились до максимума поля, а оптический датчик зарегистрировал почти
5 МГс. Напомним, что впереди второго каскада летела стальная стенка плазмен-
ной камеры, удар которой по датчикам прервал процесс регистрации усиления
поля.
137
Рис. 77. Магнитное поле и его производная в плазменной камере двухкас-
кадного генератора МК-1 с обострится ем. Результаты измерений индукци-
онной (датчик № 3) и оптической методиками
Таким образом, экспериментально показана готовность предложенного
источника сверхсильного импульсного магнитного поля к проведению исследо-
ваний физики плазмы в магнитных полях амплитудой до 7 МГс и до ~5 МГс при
укорочении импульса магнитного поля до ~4 мкс* Полученные в эксперименте
временные зависимости магнитного поля и его производной являются основой
для расчетно-теоретического моделирования, планирования и обработки резуль-
татов будущих экспериментов с плазмой. Важно, что согласно выполненным
измерениям к моменту начала роста поля в генераторе с обострителем продиф-
фундировавшее магнитное поле не превысило 20 кГс, а к моменту начала быст-
рого роста поля оно было не более 45 кГс.
5.5. Устройство изэнтропического сжатия вещества давлением
сверхсильного магнитного поля
Интересная и перспективная область исследований связана с применением
импульсных сверхсильных магнитных полей для создания больших давлений
в веществе* Благодаря тому, что усиливаемое магнитное поле генератора МК-1
играет роль промежуточной среды, преобразующей детонационную волну
в плавно нарастающую волну сжатия, достигается высокая степень изэнтропич-
ности процесса сжатия вещества* Особенно привлекателен этот способ для дос-
тижения мегабарных давлений в легкосжимаемых веществах, где известные ди-
намические методы не позволяют достичь больших сжатий из-за сильного разо-
грева вещества.
138
Первое конкретное предложение по применению давления импульсного
магнитного поля для сжатия вещества сделал Ф Битгер в обзоре [184]* Он же
указал на одно из основных достоинств метода — регулируемую плавность на-
растания импульса давления, чем достигается изэнтропичность процесса сжатия
и предотвращается чрезмерный разогрев вещества, присущий другим динамиче-
ским методам.
Среди очень небольшого числа источников сверхсильных — более 1МГс -
магнитных полей выделяется магнитокумулятивный генератор МК-1. Многоме-
гагауссный уровень достигаемых в таком генераторе магнитных полей означает
возможность получения давлений в сжимаемом веществе в диапазоне 5-10 Мбар.
Давления этого уровня позволяют воздействовать на состояние внешней элек-
тронной структуры атомов и получать таким образом не только новую инфор-
мацию о веществе (именно в этом диапазоне давлений имеется острый недоста-
ток экспериментальных данных о веществах), но и создавать материалы с новы-
ми свойствами.
Впервые устройство сжатия на основе генератора МК-1 применила группа
Р* Хоука, опубликовавшая несколько работ [71-73], описывающих метод изэн-
тропического сжатия и содержащих результаты изучения, в частности, проводя-
щих свойств сапфира и твердого водорода, но после 1978 г* она прекратила рабо-
ты в этом направлении, остановившись на начальном, в сущности, этапе развития
метода. Сжатием вещества, в том числе изотопов водорода, давлением магнитного
поля, но в другом магнитокумулятивном генераторе - типа МК-2 с неподвижным
источником магнитного поля — занималась группа Макса Фаулера [66, 185].
Если во многих институтах и лабораториях мира - в США, Канаде, стра-
нах Европы, Китае, Индии, Бразилии — запланированы и ведутся исследования
свойств веществ в экстремальных условиях, в том числе при сверхвысоких
давлениях на стационарных и взрывных устройствах высокой плотности энер-
гии, то в настоящее время группа сотрудников ВНИИЭФ, которой руководил
А* И. Павловский, остается единственной, использующей устройство на основе
генератора МК-1, которое превосходит имеющиеся в мире аналоги по комби-
нации размеров исследуемых образцов и диапазону достигаемых давлений.
5*5.1* Конструкция устройства изэнтропического сжатия
В принципиальном смысле устройство изэнтропического сжатия давлени-
ем магнитного поля очень простое: внутри объема с магнитным полем В созда-
ется замкнутая полость, заэкранированная от магнитного поля снаружи. Если
внутри полости магнитное поле остается равным нулю, на стенку полости дей-
ствует давление магнитного поля рм — В2/2ц0. В устройствах с импульсным
магнитным полем экранировку полости, в которую помещается образец сжи-
маемого вещества, выполняет проводящая металлическая стенка, толщина кото-
рой больше толщины скин-слоя диффузии переменного магнитного поля в эту
стенку* Соображения симметрии, вытекающие из топологии магнитного поля,
и естественное требование однородности условий сжатия по объему образца оп-
139
ределяют простейшую форму экранирующей стенки: цилиндрическая трубка
с образцом внутри с закрытыми или открытыми торцами. Последнее допустимо
для трубки, длина которой много больше ее диаметра.
Для превращения каскадного генератора МК-1 в устройство сжатия веще-
ства на его оси в области максимального сжатия магнитного потока - у средин-
ной линии заряда ВВ — располагается металлическая трубка с толщиной стенки
1,5—2 мм и внутренним диаметром 10—15 мм [186]. Численная модель устройства
показывает, что толщина трубки 1,5 мм является практически минимально до-
пустимой: границы скин-слоя и расплавленного состояния вещества трубки
подходят близко к внутренней границе трубки.
Важный результат изучения этого самого простого устройства сжатия
с однокаскадным генератором МК-1 — обнаружение на рентгеновских снимках
связи между формой внутренней поверхности оболочки и формой поперечного
сечения трубки сжатия. Оказалось, что мощности образовавшихся в результате
роста возмущений внутренней поверхности оболочки струй вещества достаточ-
но для того, чтобы, несмотря на довольно большую толщину стенки трубки, ис-
казить правильную круговую форму поперечного сечения образца (рис* 78,д,е).
Важно, что рис. 79 подтверждает сделанный ранее вывод о нарушении симмет-
рии границы лайнера, сжимающего сверхсильное магнитное поле*
Рис. 78. Серия рентгеновских снимков сжатия медной трубки, заполненной
алюминием, давлением магнитного поля однокаскадного генератора МК-1:
начальный внутренний диаметр трубки 13 мм, толщина стенки 2 мм
Добавление уже только второго каскада приводит к тому, что внутренняя
поверхность второго каскада гладкая, без сильных искажений формы внутрен-
ней поверхности второго каскада, струи и какие-либо искажения из-за них фор-
мы трубки сжатия в поперечном направлении полностью отсутствуют (рис. 80).
140
5.5.2. Динамика схлопывания трубки сжатия
Следующий комплекс изучавшихся вопросов связан с описанием процесса
схлопывания трубки сжатия. Это, прежде всего, динамика формы трубки в про-
цессе сжатия. Сохраняется ли правильная круговая форма поперечного сечения
трубки, возникают ли нестабильности формы трубки, как ведут себя края трубки
и зависит ли их поведение от длины трубки — это важно как для понимания
и правильного описания процессов в устройстве сжатия в целом и особенно
в сжимаемом веществе, так и для обоснования применимости развиваемых ме-
тодик измерения размеров.
Оказалось, что края трубки на длине примерно одного диаметра схлопы-
ваются иначе, чем остальная часть трубки (см, рис. 79): если трубка короче об-
ласти кумуляции магнитного поля, то края трубки схлопываются быстрее и по-
этому приобретают вид остро заточенного карандаша, длина «заточки» которого
примерно равна диаметру трубки. Если же трубка выступает за края области ку-
муляции (в исходном состоянии длиннее заряда ВВ), то ее края отстают от цен-
тральной части трубки. Отсюда существенная двумерность явлении на краях
трубки, которая влияет и на состояние сжимаемого вещества в этом месте, и на
возможность применения различных методик измерения свойств сжатого веще-
ства, требующих вывода информации из центральной области трубки, когда
приходится пересечь эту двумерную краевую область. Кроме того, хотя край
Рис. 79. Рентгеновские снимки продольного сечения сжатия медной трубки разной дли-
ны в двухкаскадном генераторе МК-1: а — предварительные и опытные снимки трубок
с реперными вставками, б-г - длинные трубки; в-г — трубка с тремя разными образцами
141
трубки имеет вид заточенного карандаша, т. е* края сжаты сильнее середины, это
не означает, что вещество в трубке на краях сжато сильнее, чем в середине: про-
сто здесь сжимаемое вещество вытекает из трубки в осевом направлении. Спе-
циальными экспериментами с размещением в сжимаемом образце реперов уста-
новлено, что уже на расстоянии чуть больше начального радиуса осевые смеще-
ния вещества внутри трубки отсутствуют, можно считать, что трубка на
большей своей длине сжимается одномерно.
Исследование схлопывания пустой трубки сжатия — важный этап в про-
цессе разработки метода изэнтропического сжатия, когда было получено не-
сколько важных и полезных результатов. В таком простейшем варианте устрой-
ства сжатия более отчетливо выделяется влияние свойств самой трубки сжатия,
и можно получить в эксперименте информацию, позволяющую с помощью чис-
ленного моделирования выделить наиболее существенные для процесса изэн-
тропического сжатия свойства трубки и правильно описать их в модели. Таким
параметром, по которому модель сравнивается с реальным устройством и кото-
рый можно измерить в эксперименте, является траектория схлопывания внут-
ренней границы стенки трубки сжатия.
Измерения внутреннего радиуса трубки сжатия и построение траектории
ее схлопывания (зависимости радиуса от времени) были выполнены нескольки-
ми методиками: непрерывным фотографированием в проходящем свете взрыв-
ной подсветки методом щелевой развертки (пунктир Гф, рис. 81), импульсным
рентгенографированием устройства сжатия в разные моменты времени (непре-
рывная кривая и экспериментальные точки г? с интервалом погрешности изме-
рения, рис. 81) и индукционным методом (индукционной регистрацией произ-
водной магнитного поля в трубке сжатия). Но сначала рассмотрим приведенные
на рис* 80 последовательные во времени рентгеновские снимки поперечного се-
чения двухкаскадного устройства изэнтропического сжатия пустой медной
трубки, демонстрирующие, во-первых, необходимость присутствия второго кас-
када и, во-вторых, сохранение симметричности внутренней границы сжимаемой
трубки вплоть до самого конца сжатия.
На рис* 81 представлены результаты этих экспериментов, полученные
с помощью всех трех методик, откуда видно, что экспериментальная траектория
схлопывания пустой медной трубки имеет два отчетливо выраженных участка:
медленный, где скорость схлопывания трубки почти постоянна и равна 0,3 км/с,
и быстрый (после 14-й мкс), где скорость схлопывания резко увеличивается до
значений, превышающих 5 км/с.
В нескольких опытах в полости трубки на ее оси располагались индукци-
онные датчики разной чувствительности, что позволило оценить прежде всего
типичные значения про диффундировавшего в трубку магнитного поля* Оказа-
лось, что к началу схлопывания оболочки генератора МК-1 (момент «0» времен-
ной шкалы процесса сжатия) магнитное поле в полости достигает примерно
5 кГс (режим запитки генератора с начальным полем 160 кГс)*
142
Рис. 80. Рентгеновские снимки поперечного сечения пустой медной трубки,
сжимаемой давлением магнитного поля двухкаскадного генератора МК-1:
начальный внутренний диаметр трубки 16,4 мм, толщина стенки 1,7 мм
Рис. 81, Траектория внутренней границы медной трубки, сжимаемой дав-
лением магнитного поля двухкаскадного генератора МК-1: начальный
внутренний диаметр трубки 16,4 мм, толщина стенки 1,7 мм
Затем при последующем медленном сжатии трубки происходит поджатие
этого магнитного потока и увеличение его из-за продолжающейся диффузии
магнитного поля снаружи, так что магнитное поле внутри возрастает примерно
до 7,5 кГс к моменту быстрого сжатия трубки. С этого момента времени изме-
ряемое в полости магнитное поле быстро растет, достигая, в зависимости от
размеров индукционных датчиков, сотни килогаусс. Кроме того, считая магнит-
ный поток в полости трубки в течение этого быстрого роста постоянным и от-
талкиваясь от найденного с помощью других методик значения радиуса полости
в этот момент времени, можно построить зависимость радиуса от времени на
143
этапе быстрого схлопывания (кружочки на рис. 81). Поскольку точность полу-
чаемых данных не определялась и, вероятно, не очень велика, то приведены они,
главным образом, для иллюстрации возможности применения такого метода ре-
гистрации траектории и качественного подтверждения полученных эксперимен-
тальных результатов.
При попытке воспроизведения экспериментальной траектории трубки
в численной модели устройства сжатия оказалось, что хотя самая интересная
заключительная стадия процесса магнитного обжатия характеризуется мегабар-
ными значениями давлений, многократно превышающими прочностные пара-
метры меди, однако на начальном этапе процесса именно прочностные свойства
меди и их зависимость от динамики нагружения являются определяющими. Так
как эта стадия процесса длится много дольше, эффект накопления малых сме-
щений приводит к существенному изменению состояния медной трубки к нача-
лу мегабарного этапа процесса* Эти вопросы требуют дальнейшего изучения,
а пока достаточно точного совпадения расчетной и экспериментальной траекто-
рии трубки добиться не удалось [182,188].
Численная модель устройства сжатия позволяет оценить состояние сжато-
го вещества* Это, прежде всего, распределение давления по радиусу образца, его
поведение во времени и зависимость от режима сжатия* Степень однородности
этого распределения качественно характеризует изэнтропичность процесса сжа-
тия и возможность оценки значении термодинамических параметров состояния
вещества по измерениям внешнего диаметра образцов исследуемого и эталонно-
го веществ*
Как показывают расчеты, кривые распределения имеют волнообразный
характер, причем амплитуды волн вблизи максимума сжатия уменьшаются. При
переходе к режимам с более острым импульсом давления — от режима с боль-
шим начальным магнитным полем к режиму с малым начальным полем, от од-
нокаскадного генератора к двухкаскадному - неоднородность распределения
давления увеличивается* Например, в сжимаемом алюминии за 2 мкс до наступ-
ления максимума сжатия расчетные колебания давления достигали 43 %,
а в максимуме сжатия перепад давления по радиусу образца падает на ~15 %.
Очень маленький перепад давления — всегда меньше 1 % — в трубке сжатия ма-
лого начального диаметра (конкретно 6 мм)* Однако в этом случае резко возрас-
тают погрешности рентгенографического измерения размеров сжатого образца.
Если измерять давление в веществе по его сжатию, можно сказать, что методи-
ческая погрешность таких измерений меняется в процессе сжатия, зависит от
режима сжатия и может достигать 20 %, но к максимуму сжатия уменьшается*
Второй очень важный вопрос: какова степень изэнтропичности процесса
в разных вариантах устройства сжатия? Результаты численных расчетов и най-
денные значения термодинамических параметров сжатого вещества в максиму-
ме сжатия показывают, что обострение импульса давления с уменьшением на-
чального магнитного поля увеличивает степень отклонения от изэнтропичности,
характеризуемую разностью температур сжатого в устройстве алюминия и тем-
пературой на адиабате Пуассона* В самом напряженном режиме эта разница дос-
144
тигает 600 К, но и в этом случае доля тепловой составляющей в давлении всего
лишь около 1 %*
Режим работы устройства сжатия, т. е. в конечном счете импульс давления
в веществе p(f) определяется набором начальных значений большого числа па-
раметров: массой и мощностью ВВ, значением начального магнитного потока,
размерами и массой каскадов генератора МК-1, размерами и массой трубки сжа-
тия, свойствами материалов каскадов и трубки сжатия и, наконец, свойствами
самого сжимаемого вещества. Но при рассмотрении конкретного устройства
сжатия очень многие из этих параметров являются величинами постоянными,
другие могут незначительно меняться и/или незначительно влиять на импульс
р(£), и имеется совсем небольшой набор параметров, изменением которых можно
управлять импульсом давления достаточно просто и эффективно.
Самую важную (и надежную) информацию о состоянии сжатого вещества
получают с помощью импульсного рентгенографирования устройства сжатия.
По измеренным на снимке размерам образца и трубки можно не только изме-
рить сжатие вещества образца, но и оценить давление в нем. Исходя из большой
длины однородно сжимаемой части трубки, было предложено размещать
в трубке несколько образцов разных веществ. В самом деле, если начальная
длина образца 30 мм, то на длине ~20 мм можно не учитывать вероятное влия-
ние краев и считать, что каждый образец сжимается однородно и независимо.
Таким образом, в каждом опыте можно изучать несколько (до трех) разных ве-
ществ; к тому же возникает возможность оценить давление в одном образце по
сжатию вещества другого образца, принимаемого за эталон давления. Ясно, что
оба вещества, эталон и исследуемое, должны сжиматься примерно одинаково и
эталон должен быть достаточно хорошо известен.
В специально выполненной серии экспериментов исследовалась возмож-
ность применения предложенного метода измерения давления. С этой целью
сжимались два хорошо известных металла с близкими в мегабарной области
кривыми изэнтропической сжимаемости — алюминий и титан. Диаметр образцов
13 мм, длина 30 мм, Устройство сжатия двухкаскадное с начальным магнитным
полем 160 ± 4 кГс, трубка сжатия двухслойная — снаружи медь толщиной 1 мм,
внутри вольфрамовый сплав плотностью 17 г/см3 и толщиной 1 мм. Возмож-
ность одновременного сжатия трех образцов (третьим был графит) и качество
снимков устройства с контрастированием иллюстрирует рис* 79,в,г.
Давление р в образце по его сжатию о определялось по аппроксимиро-
ванному квадратным трехчленом вида р = 1,6501152 - 3,52864о + 1,93895 урав-
нению изэнтропы сжатия алюминия из одной из последних работ Л* Альтшулера
[189], а в титане - по кривой холодного сжатия из работы [190]*
Для каждой выборки экспериментальных данных построены кривые рег-
рессии, представляющие собой временные зависимости давления в алюминии
/?А1(0 и титане рт$). Нижняя граница доверительного интервала коэффициента
регрессии экспериментальных данных относительно построенных кривых со-
ставляет более 0,95* Для ответа на вопрос, можно ли по сжатию эталонного ве-
145
щества измерить давление в другом
веществе, сравнивались две выборки
отклонений от построенной кривой
экспериментальных значении
давления в алюминии и титане. С по-
мощью F-критерия Фишера найдено,
что дисперсия отклонений экспери-
ментальных данных от кривой регрес-
сии для обоих веществ с вероятностью
более 0,97 одинакова* То есть с этой
вероятностью кривая р±м(Ю в пределах
погрешности эксперимента, которая
оценивается значением дисперсии а2,
достаточно хорошо описывает поведе-
ние давления в титане* По измерениям
сжатия эталонных веществ - алюми-
ния и титана - построен импульс дав-
ления в признанной изобретением
трубке сжатия с тяжелым слоем [191],
амплитуда которого составила 5 Мбар
(рис. 82)*
Возможности метода и степень
его разработанности продемонстри-
рованы на примере изучения уравне-
ния состояния графита в диапазоне
давлений 0,5-5 Мбар. Построена кри-
вая сжимаемости графита в этом диапа-
р, мбар
Рис. 82, Импульс давления в устройстве
изэнтропического сжатия, построенный по
сжатию алюминия и титана, и изменение
плотности сжимаемого в том же устройст-
ве графита
диапазоне давлений, показано, что до давлений 5 Мбар графит сжимается, как
алмаз, и переход его в более плотную фазу (металлический алмаз?) не наблюда-
ется [192]* Однако сообщение об обнаружении возможного фазового перехода
монокристаллического кварца в высокоплотный ~10 г/см3 в первой публикации
группы А. И. Павловского [193] в дальнейших экспериментах с более надежной
рентгеновской методикой не подтвердилось*
5*5.3* Изэнтропическое сжатие изотопов водорода
К разработке метода изэнтропического сжатия вещества, причем имея
своей конечной целью именно водород, группа А* И* Павловского приступила
через некоторое время после научного семинара В* А* Цукермана, на котором он
рассказывал о проблеме металлического водорода, последних достижениях
Р, Хоука по сжатию водорода давлением сверхсильного магнитного поля и об-
наружении электропроводности сжатого водорода [71-73]. Водород - самый
распространенный химический элемент во Вселенной* Практический интерес
к его свойствам в экстремальных условиях сверхвысоких плотностей и темпера-
146
Рис. 83. Рентгеновское изображение камеры
сжатия и схема измерения проводимости
образца в экспериментах по изэнтропиче-
скому сжатию замороженных газов: 1 -
верхний конус из изолятора, 2 — угольный
термометр, 3 - верхний электрод схемы, 4 -
медная трубка сжатия, 5 - замороженный
сжимаемый газ, 6 — нижний электрод, 7 -
зазор для потока криожидкости, 8 - стенки
криостата из особотонкостенных нержа-
веющих трубок с вакуумным зазором между
стенками
тур впервые проявили астрофизики,
они же стимулировали многочис-
ленные теоретические работы на
тему перехода водорода в метал-
лическое состояние.
Уже 20 января 1982 г, был по-
лучен рентгеновский снимок стерж-
ня из оргстекла со свинцовыми ре-
перами внутри, сжатого в медной
трубке давлением магнитного поля
однокаскадного генератора. Далее
одновременно с разработкой собст-
венно метода изэнтропического
сжатия в экспериментах с разными
веществами группа А. И, Павловско-
го изучала и осваивала криогенную
технологию, так как сжимать надо
было газ, замороженный до конден-
сированного состояния. Если сжи-
мать водород, то охлаждать его надо
жидким гелием. Первым приемам
работы с жидким гелием сотрудников
труппы обучал академик А* И, Шаль-
ников, жидкий гелий возили авто-
машиной из Москвы, первыми сосу-
дами Дьюара были вытащенные из
подвала промышленные десятилит-
ровые емкости, заказанные еще акаде-
миком Ю. Б. Харитоном в 1950-х гг.,
создавались и испытывались раз-
личные стеклянные, металло-стек-
лянные и металлические варианты
криостатов. Наконец, 28 января 1983 г.
был осуществлен первый взрывной
эксперимент с водородом.
За последующие десятилетия
было проведено большое количество
экспериментов по сжатию заморо-
женного водорода, в которых, как
правило, регистрировалось сжатие
образца в определенный момент времени сжатия и поведение электропроводя-
щих свойств образца в процессе сжатия [194—199], Общий вид и схема устрой-
ства сжатия показаны на рис, 62, а снимок собранной камеры сжатия в мягком
рентгене и схема измерения проводимости приведены на рис* 83.
147
Импульсная методика измерения
сопротивления образца заключается в ре-
гистрации падения напряжения на распо-
ложенном снаружи генератора эталонном
резисторе номиналом порядка 1 Ом, по
которому пропускается импульс тока
в несколько ампер. При возникновении
проводимости в образце ток по образцу,
путь которого показан на схеме рис, 83
стрелками, шунтирует резистор и умень-
шает напряжение на нем. Чувствительность
методики составляет порядка Ю2 Ом. Д ля
определения проводимости сжатого об-
разца необходимо знать геометрические
характеристики пути тока по образцу —
в общем случае в приближении посто-
янного тока площадь сечения и длину.
Для образца сантиметровых начальных
размеров максимум измеряемой мето-
дикой электропроводности составляет
порядка 102 Ом-см-1, Для измерения ме-
таллической проводимости требуется
уменьшать поперечные размеры элек-
тродов и образца с помощью изолято-
ров. Многообразные и многократные
попытки очертить и ограничить путь
тока по образцу с помощью различных
Рис. 84, Графики изменения во вре-
мени сжатия а и сопротивления /?
образцов протия и дейтерия
в устройстве изэнтропического сжа-
тия на основе двухкаскадного гене-
ратора МК-1 с начальным магнитным
полем 140 кГс
изоляторов не дали достоверных воспроизводимых результатов: изолятор,
надежно остающийся изолятором при мегабарных давлениях, не найден.
Тем не менее, многолетняя объемная серия экспериментов с водородом
позволила уверенно говорить о возникновении проводящего состояния в сжатом
примерно в 7 раз водороде, построить соответствующие кривые зависимости
сжатия образцов изотопов водорода от времени и (с некоторой меньшей долей
определенности) кривые изменения их сопротивления (рис, 84). Если
в экспериментах этой серии давление в образце не измерялось, то в серии экспе-
риментов 2000-х гг. введенные Г, В. Борисковым и Н. И. Егоровым изменения
в конструкцию камеры сжатия позволили одновременно измерять сжатие водо-
рода и эталонного вещества и затем по методике Г. В. Борискова с привлечени-
ем результатов численного моделирования устройства сжатия измерить давле-
ние в сжатом образце [200, 201]. Полученные к настоящему времени экспери-
ментальные данные позволили построить нулевые изотермы изотопов водорода
(сплошные линии на рис* 85), На рис* 85 пунктиром показана нулевая изотерма,
предложенная в [202] для молекулярной фазы протия; видно, что в мегабарной
области экспериментальная кривая заметно менее жесткая. Полученные экспе-
148
Рис. 85. P-а-диаграммы изотопа водорода протия: сплошная линии выше
5,5 Мбар — экстраполяция;-----нулевая изотерма, предложенная в [202]
для молекулярной фазы протия;... — полуфеноменология; точки - экспе-
римент
риментальные точки (см, рис. 85) не указывают на какие-либо серьезные откло-
нения в поведении исследуемой изотермы, однако их расположение не противо-
речит и предположению о существовании относительно небольших скачков
плотности и сжимаемости, вызванных теми или иными полиморфными пере-
ходами.
5,6, Сохранение образцов в экспериментах
с устройством сжатия на основе генератора МК-1
Каскадный генератор МК-1 и устройство сжатия на его основе позволяют
поместить образцы различных веществ в труднодостижимые или недостижимые
другими методами экстремальные условия сверхсильных магнитных полей
и/или сверхвысоких давлений и изучать свойства и поведение веществ в этих
условиях. Не менее важными и интересными могут оказаться свойства вещества
после его пребывания в экстремальных условиях, после снятия нагрузки. Одна-
ко каждому, кто видел состояние взрывного поля после эксперимента с генера-
тором МК-1 и присущего ему взрыва нескольких килограмм (для стандартного
генератора — 16 кг) мощного ВВ, очень трудно представить возможность сохра-
нения какой-либо части исследуемого образца после взрыва. Тем не менее, зада-
чу сохранения образца в эксперименте с устройством изэнтропического сжатия
можно поставить и, как будет показано ниже, достаточно успешно решить.
149
Когда исследуются свойства вещества в сверхсильных магнитных полях,
защитить образец вещества, помещенный на оси генератора МК-1 в области, где
концентрируется, кумулируется и в конце концов выделяется значительная
часть энергии взрыва заряда ВВ, невозможно, тем более что защита образца не
должна влиять на импульс магнитного поля в образце. Положение существенно
изменяется в случае устройства изэнтропического сжатия, где образец принци-
пиально помещается в массивную металлическую трубку. Очевидно, что если
поместить на оси генератора достаточно большой кусок металла, то за короткое
время взрыва, сопровождающего работу генератора МК-1, полностью уничто-
жить - испарить, распылить и т. п. - весь кусок нельзя и значительная его часть
(или несколько частей) разлетится вместе с другими осколками взрываемого
устройства. Однако найти после взрыва нужный осколок или попытаться пой-
мать его, полностью окружив взрываемое устройство какой-то неразрушаемой
системой улавливания осколков, представляется невозможным либо слишком
затратным.
Основная идея предлагаемого решения задачи сохранения заключается
в таком изменении конструкции трубки сжатия, которое обеспечивало бы выде-
ленное направление разлета осколков трубки с резко уменьшенной зоной их
разлета и, соответственно, заниженными требованиями к размерам и конструк-
ции улавливающей системы [203]. В измененной конструкции сжимаемый обра-
зец помещается в трубку сжатия с увеличенной толщиной стенки, чтобы при
любом режиме нагружения гарантировать сохранность центральной части труб-
ки с образцом от разрушения магнитным полем и взрывом. Начальная длина
трубки сжатия выбирается больше длины объема максимального магнитного
поля генератора МК-1 (фактически более высоты кольца ВВ). В средней (по
длине) части трубки ее диаметр уменьшается до 2—3 мм; этого достаточно для
сохранения прочности трубки и крепления ее в генераторе при монтаже устрой-
ства сжатия. Такое намеренное снижение прочности трубки выполняется в виде
обращенных вершинами друг к другу конусов суммарной высотой порядка на-
чального диаметра трубки. В этом случае внутри трубки по обе стороны утон-
ченной части помещают два сжимаемых образца, отступив несколько милли-
метров от оснований конусов. Большая — более 11 см — длина объема макси-
мального магнитного поля генератора позволяет разместить и утонченную часть
трубки, и образцы длиной в несколько начальных диаметров (в этом случае сжа-
тие образца будет однородным на значительной его длине).
Следствием этого локального уменьшения диаметра трубки сжатия будет,
во-первых, изменение распределения магнитного поля в области утоныпения:
однородно распределенное прежде магнитное поле проникает в область утонь-
шения, искривляется, а давление магнитного поля на трубку приобретает на-
правленную вдоль оси составляющую. Во-вторых, менее прочное место соеди-
нения частей трубок разрушится в первую очередь, разделяя обе части трубки.
Наконец, само взрывное схлопывание лайнера генератора МК-1 становится
в центральной области неоднородным вдоль оси с образованием движущихся
вдоль оси продуктов взрыва. Все это в совокупности должно привести к тому,
150
что две разделившиеся части трубки станут двигаться вдоль оси в обе стороны
генератора МК-1, Теперь, когда известно направление движения частей трубки,
их можно ловить известными способами, например мешками с сыпучим мало-
плотным материалом.
Безусловно t масса (толщина стенки) трубки сжатия влияет на режим на-
гружения образца: утолщение трубки удаляет режим нагружения от оптималь-
ного. Зависимость параметров импульса давления в образце от толщины стенки
трубки и других начальных параметров устройства сжатия и режима его работы
(например, очень важным параметром является начальное магнитное поле гене-
ратора МК-1) можно с хорошей степенью близости к эксперименту определить
с помощью имеющихся полномасштабных численных моделей устройства сжа-
тия. В рассматриваемом случае главный вывод из расчетов таков: максимальное
создаваемое давление в образце остается в мегабарном диапазоне величин.
На рис. 86 показан эскиз трубки сжатия с локальным уменьшением диа-
метра в середине трубки. В левой половине трубки расположен один образец по
оси трубки, в правой половине - две пары образцов разных размеров, располо-
женные симметрично относительно оси. На рисунке обозначены границы коль-
цевого заряда ВВ генератора МК-1.
Рис. 86. Эскиз трубки сжатия с локальным уменьшением диаметра
(сжимаемые образцы выделены штриховкой)
Поперечные размеры (диаметры) трубки сжатия и сжимаемых образцов
в начальном состоянии для наиболее интересного случая одновременного сжа-
тия нескольких образцов (правая часть трубки на рис, 86) приведены на рис* 87*
В качестве сжимаемого вещества выбран графит реакторной чистоты* В том же
масштабе на рис, 87 приведена фотография поперечного разреза сохранившего-
ся после взрыва фрагмента трубки сжатия с образцами. Наконец, на рис* 88 (см.
также цв* вкл.) приведены фотографии сохраненных фрагментов трубки сжатия
двух экспериментов - виды сверху, сбоку и снизу*
Фотографии на рис, 87, 88 доказывают, что образцы вещества, сжатого во
взрывном устройстве изэнтропического сжатия давлением порядка мегабара,
можно сохранить для последующего изучения. Даже беглый взгляд на приве-
денные фотографии сохраненных фрагментов говорит о том, насколько такое
изучение интересно. В частности, это касается воспроизведенного в обоих экс-
периментах сохранившегося после снятия нагрузки уменьшения диаметра
трубки и образцов примерно в полтора раза. Однако вопросы, касающиеся
свойств вещества сохраненных образцов и трубки сжатия, здесь не рассматри-
ваются, так как цель настоящего краткого сообщения — предложить способ со-
151
хранения образцов и продемонстрировать его практическую осуществимость.
Ясно, что для такого глубокого и достаточно полного исследования необходимо
привлечение специалистов многих разделов физики и материаловедения с соот-
ветствующим оборудованием.
25
Рис. 87. Эскиз поперечного сечения трубки сжатия с несколькими образцами
в исходном состоянии и фотография сечения (в том же масштабе) сохраненного
в эксперименте фрагмента трубки сжатия
Рис. 88. Фотографии сохраненных в двух экспериментах фрагментов трубки сжатия
с образцами — виды сверху (а), сбоку (б) и снизу (в). Выделенные — разрезанные
по диаметру части одного сохраненного фрагмента трубки сжатия
Глава VI
КАСКАДНЫЙ ГЕНЕРАТОР МК-1 МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
20 МГс ДИАПАЗОНА
6.1. Большой генератор МК-1
Из содержания предыдущих глав следует, что благодаря предпринятым
мерам по совершенствованию метода взрывного сжатия магнитного потока
можно считать освоенным, т, е. открытым для проведения исследований недос-
тупный ранее (да и сейчас, но другими методами) десятимегагауссный уровень
магнитных полей. Даже небольшой шаг за пределы границ освоенного диапазо-
на приобретает особую важность и означает существенное расширение области
возможных научных применений, И такой шаг вперед стал целью продолжения
работы по развитию метода магнитной кумуляции, один из этапов которой -
создание генератора воспроизводимых магнитных полей вдвое большей ампли-
туды, до 20 МГс, а следующий — достижение предельных значений магнитных
полей, получаемых с помощью химической энергии взрывчатых веществ.
Мы видели, что совокупность эффектов каскадирования привела к пре-
одолению основного фактора, ограничивающего кумуляцию, - влияния неус-
тойчивостей границы вещество — магнитное поле. В опытах с описанным ранее
«стандартным» каскадным генератором в режиме с достаточно большим на-
чальным магнитным полем неоднократно регистрировался переход усиливаемо-
го поля через максимум; это говорит о том, что первоначальный запас кинетиче-
ской энергии оболочки исчерпан. Тем самым на первый план выдвигается глав-
ное и естественное для любого генераторного процесса ограничение — энергети-
ческое, когда предельное значение усиленного магнитного поля генератора при
заданных размерах полости с этим полем целиком определяется запасом хими-
ческой энергии заряда ВВ. Более того, выше уже отмечалось, что для увеличе-
ния конечного магнитного поля необходимо увеличивать начальное значение
кинетической энергии оболочки путем именно увеличения скорости ее схлопы-
вания.
Самым простым способом увеличения скорости разгоняемой с помощью
ВВ оболочки является увеличение количества ВВ; в случае цилиндрической
оболочки генератора МК-1 это соответствует увеличению внешнего диаметра
заряда ВВ. В предельном случае бесконечного диаметра скорость схлопывания
цилиндра вдали от оси кумуляции достигает скорости детонации, что примерно
в два раза больше обычно реализуемых значений скорости схлопывания
(~4 км/с),
Но этот столь простой внешне и очевидный способ увеличения конечного
магнитного поля генератора МК-1 - увеличением количества взрывчатого веще-
ства — оказывается одним из самых дорогих, трудоемких и длительных, если нет
153
возможности использовать готовый, разработанный для каких-то других целей
заряд ВВ. Во ВНИИЭФ такая возможность имелась: созданная в 1960-х гг. ли-
нейка кольцевых зарядов ВВ разных размеров заканчивалась зарядом с внешним
диаметром 650 мм. Другие параметры этого заряда, принятого за основу буду-
щих разработок: внутренний диаметр 360 мм, длина 360 мм, масса ВВ типа
ТГ 50/50 — около 140 кг. Для этого заряда имелась и разработанная система мно-
готочечного инициирования.
Под этот заряд ВВ был изготовлен большой проволочный соленоид (см.
рис, 23). Длина соленоида (проволочной катушки) 550 мм, шаг намотки 450 мм,
индуктивность собранного соленоида -0,23 мкГн. Генератор МК-1 с большим
зарядом ВВ и большим соленоидом, называемый также большим генератором
МК-1, монтировался на взрывном поле на специальной подставке с элементами
юстировки, облегчающими пропускание зондирующего луча лазера оптической
методики вдоль оси генератора. Эскиз конструкции большого четырехкаскадно-
го генератора МК-1 с габаритными размерами приведен на рис* 89*
Рис. 89. Эскиз конструкции большого генератора МК-1: 1 - соленоид-лайнер, 2 - заряд
ВВ, 3 - кабели питания соленоида, 4 - фланец крепления внутренних каскадов,
5 - светозащитный конус, 6 — подставка
154
Несколько экспериментов, выполненных с трех- и четырехкаскадным
большим генератором в 1976-1977 гг., помогли приобрести опыт проведения
намного более сложных экспериментов со сверхсильными магнитными полями,
дополнительно включающих еще один взрывомагнитный генератор — спираль-
ный ВМГ типа СМК-320 [70, с* 242], требующих применения грузоподъемной
техники при монтаже генератора, предъявляющих повышенные требования
к безотказной работе всех устройств эксперимента из-за его многократно воз-
росшей стоимости.
Оказалось, что в этих экспериментах ожидавшиеся большие значения ко-
нечного поля не достигаются, а в некоторых экспериментах результаты измере-
ний просто не находили объяснения и отвергались как ошибочные. В частности,
в эксперименте с трехкаскадным генератором с достаточно большим (—130 кГс)
начальным полем оптической методикой было зарегистрировано поле более
8 МГс, но затем сигнал не прервался, как обычно, а продолжался, и на нем, как
теперь стало ясно, видны два момента изменения направления роста поля: сна-
чала поле уменьшалось, а затем через -1,5 мкс снова стало расти. И только по-
том запись сигнала оборвалась. Второй неожиданный момент: на сигналах ин-
дукционных датчиков вообще не обнаружен удар второго каскада по третьему.
Сейчас эти результаты нашли свое подтверждение и объяснение в числен-
ной модели большого генератора. Расчеты большого генератора подробно и на-
глядно показали, что в этом генераторе с увеличением заряда одновременно
в том же масштабном соотношении увеличились размеры лайнера, что не при-
вело к увеличению скорости схлопывания лайнера. Но тогда и конечное магнит-
ное поле осталось в расчете и в экспериментах близким к значениям конечного
поля малого генератора МК-1. Полная кинетическая энергия лайнера возросла,
но не увеличилась плотность кинетической энергии. Зато увеличился диаметр
объема конечного поля, причем, действительно, когда начальное поле достаточ-
но большое, второй каскад не долетает до третьего: его внутренний слой неко-
торой толщины затормозился и остановился (сжатие потока прекратилось), но
затем второй каскад снова стал сжиматься подлетевшим снаружи и не истра-
тившим полностью кинетическую энергию первым каскадом. Дополнительное
подтверждение описанных событий вытекает из построенных с помощью чис-
ленной модели графиков, отражающих зависимость конечного поля и конечного
радиуса от начального поля (рис, 90), На графике зависимости Z?fm(Bo) имеется
разрыв: часть кривой справа описывает поведение внутреннего радиуса второго
каскада в режимах с большим начальным полем (третий каскад неподвижен),
слева - когда начальное поле менее -65 кГс и третий каскад продолжает сжи-
мать магнитный поток.
Зависимость конечного поля от начального на рис* 90 показывает, что воз-
можность достижения больших значений конечного поля в большом генераторе
имеется: для этого надо уменьшать начальное поле до очень малых значений,
чтобы лайнер не успел затормозиться до наступления присущего цилиндриче-
скому случаю гиперболического роста скорости. Однако в этом режиме конеч-
ные размеры очень маленькие (конечный диаметр менее 4 мм для конечного по-
155
ля порядка 20 МГс), и риск преждевременного прекращения работы генератора
из-за нарушений симметрии лайнера резко возрастает [204]*
Во, МГс
Рис. 90. Зависимости конечного магнитного поля (А) и радиуса объема конечного
поля () от начального магнитного поля BQ трехкаскадного большого генератора МК-1
Эксперименты и расчеты показали, что у большого генератора есть оче-
видное и, не исключено, важное достоинство: хотя с его помощью трудно полу-
чить увеличенные по сравнению с малым генератором значения магнитного по-
ля, зато удвоенный размер объема с таким полем и увеличенное время его суще-
ствования могут найти применение в физических исследованиях, например при
больших размерах образцов или измерительных узлов для некоторых измери-
тельных методик. А главная польза от выполненной работы по созданию боль-
шого генератора МК-1 в том, что он был положен в основу конструкции гипоте-
тического, как показало время, атомного магнитокумулятивного генератора*
6*2. Каскадная газодинамическая система ускорения лайнера
Настоящее увеличение энергетики генератора МК-1 - это увеличение мас-
сы заряда ВВ, или, точнее, отношения массы ВВ к массе лайнера в стандартном
(малом) генераторе 10 МГс диапазона, т* е. объединение в одной конструкции
малого генератора МК-1 и большого заряда ВВ. Напрямую сделать этого нельзя
хотя бы из-за разницы габаритов: соленоид (первый каскад) генератора должен
быть длиннее заряда ВВ, а внутренний диаметр заряда ВВ должен быть равен
156
внешнему диаметру соленоида. Увеличить длину соленоида, оставаясь в рамках
существующей технологии изготовления, оказалось достаточно просто. А так
как изменить внутренний диаметр большого заряда ВВ — это фактически разра-
ботать новый заряд ВВ, то возникла идея собрать систему из двух вложенных
зарядов с промежуточным ударником-инициатором между ними. Идею сжатия
соленоид а-лайнера непосредственно цилиндрическим ударником, разгоняемым
большим зарядом, пришлось отклонить, так как ударник должен быть непрово-
JBIIII
тм, чтобы не «заталкивать» магнитный поток обратного направления (сна-
ружи соленоида) внутрь соленоида, уничтожая магнитный поток внутри соле-
ноида, и обладать большой плотностью вещества, чтобы отобрать необходимое
количество энергии у заряда ВВ; такой плотностью обладают только проводя-
щие металлы. А металлический ударник в зазоре между кольцами ВВ передаст
детонацию внутреннему кольцу и не подлетит близко к соленоиду, не уменьшая
заметно начальный магнитный поток в соленоиде*
Так как для более длинного соленоида такого генератора необходимо бы-
ло изготавливать новую оснастку, было решено немного увеличить внутренний
диаметр соленоида — со 139 до 175 мм (площадь полости увеличилась на ~60 %,
и, соответственно, вырос начальный магнитный поток при одинаковом началь-
ном поле), чтобы увеличить запас по конечному диаметру* Остальные парамет-
ры нового соленоида таковы: длина 600 мм, наружный диаметр 200 мм, шаг
намотки 300 мм, индуктивность -0,2 мкГн. Этот соленоид промежуточных раз-
меров (см. рис. 23) стал основой генератора МК-1, который поэтому назвали
средним* А так как максимальные поля, генерируемые средним генератором,
превысили 20 МГс, то впоследствии он также назывался генератором магнитных
полей 20 МГс диапазона*
Зазор между внутренним диаметром заряда и внешним диаметром соле-
ноида полностью заполнить взрывчатым веществом не удалось из-за отсутствия
подходящего готового заряда ВВ, поэтому пришлось применить комбинацию из
ударника и дополнительного кольцевого заряда ВВ: в этом случае металличе-
ский ударник не подлетает близко к соленоиду и влияние его на магнитный по-
ток внутри соленоида минимально* Этот внутренний заряд ВВ также взят из ли-
нейки готовых кольцевых зарядов, его диаметры 200x300 мм, длина 242 мм,
Инициирование внутреннего заряда (передачу детонации от внешнего заряда
внутреннему) осуществляет стальной ударник, разгоняемый большим зарядом
ВВ* Комбинация двух зарядов ВВ с ударником между ними является однокас-
кадной системой газодинамического ускорения.
Исследованию разгона металлических лайнеров в слоистой системе вло-
женных друг в друга оболочек путем столкновения через промежуточный слой
посвящено очень много работ. Наиболее близкие к обсуждаемым здесь вопросы
рассматриваются в работах [205, 206]* Знание зависимостей динамики слоистой
системы от большого числа параметров, ее задающих (геометрии, выбора веще-
ства, числа слоев и др*), позволяет оптимизировать систему* При свободе выбора
всех начальных параметров задача оптимизации практически необозрима, по-
этому в расчетах варьировались далеко не все параметры, а только те, которые
157
сравнительно просто воспроизвести при изготовлении (например, толщина
ударника) или при эксплуатации (например, начальное магнитное поле)* В не-
изменном виде сохранены наиболее дорогие и сложные элементы конструкции —
заряды ВВ и оболочка-соленоид генератора МК-1* Выполненные расчеты позво-
лили найти оптимальную толщину стального ударника — 6-7 мм, при которой
соленоид приобретает максимальную скорость 6,6 км/с и кинетическую энергию
Ек = 1,96 МДж/см [207] (рис* 91, см* также цв. вкл.).
Из расчетов также следует, что максимальные скорость и энергия лайнера
в слоистой системе почти равны аналогичным характеристикам традиционного
МК-генератора со сплошным кольцевым зарядом за счет более эффективного
использования энергии промежуточного заряда ВВ, поджатого ударником*
Рис, 91. Зависимости скорости лайнера у и его кинетической энергии Ек
от толщины стального ударника и начального магнитного поля генератора Во:
— -100кГс;— -120кГс;— -150кГс
6.3. Конструкция и монтаж среднего генератора МК-1
Сборочный чертеж среднего генератора МК-1 на подставке представлен
на рис* 92, где не показаны только внутренние каскады и измерительный узел.
Для полноты описания конструкции генератора импульсных магнитных полей
20 МГс диапазона и получения представления об условиях и порядке проведе-
ния экспериментов с ним далее приведены фотографии отдельных узлов генера-
тора и с их помощью описывается порядок его монтажа на взрывном поле*
158
Ударник
___________________________________________________________________________________________.
Основной
заряд ВВ
заряд ВВ
Генератор МК-1
Рис. 92. Сборочный чертеж среднего генератора МК-1 на подставке
На рис, 93 показан внешний вид первого каскада генератора — проволоч-
ный соленоид-оболочка с внутренним диаметром 175 мм, длиной до коллектора
-500 мм; здесь же приведена фотография внутренних каскадов генератора* соб-
ранных вместе с соответствующими установочными деталями, изготовленными,
как правило, из пенопласта. Можно увидеть закрепленные на поверхности вто-
рого каскада индукционные датчики начального поля большой чувствительно-
сти (площадью ~1 см2).
159
Рис. 93. Внешний вид первого каскада — соленоида-оболочки генератора МК-1 (а)
и внутренних каскадов генератора (б)
На рис* 94 (см* также цв. вкл,) показан порядок монтажа генератора: сна-
чала - основной заряд ВВ, установленный на подставке, и вставленный в него
стальной ударник (рис* 94,а), на следующем снимке к ним добавлен внутренний
заряд ВВ и соленоид-оболочка (рис. 94,6)* На рис. 94,в - собранный генератор
с подсоединенными к коллекторам коаксиальными кабелями питания и смонти-
рованной снегозащитой канала оптической методики*
Рис. 94. Последовательность монтажа генератора МК-1: а — основной заряд и ударник;
б — основной заряд, ударник, внутренний заряд и соленоид-оболочка;
в — собранный генератор
На рис. 95 показаны фотографии экспериментов с подготовленным к под-
рыву генератором, сделанные в различных погодных условиях в разные годы.
На снимках виден источник энергии начального магнитного поля генератора
МК-1 - взрывомагнитный генератор СМК-320, запитываемый разрядом конден-
саторной батареи. Генераторы МК-1 и СМК-320 соединены комплектом коакси-
альных силовых кабелей большого сечения длиной ~5 м. На нижнем снимке ви-
160
ден масштаб противопожарных мероприятий, необходимость проведения кото-
рых была вызвана засушливой погодой, что привело к увеличению объема
и сложности экспериментов с МК-генератором с большим зарядом ВВ.
Рис. 95. Эксперименты с генератором МК-1 20 МГс диапазона
161
6.4. Результаты испытаний среднего каскадного генератора МК-1
Хотя в процессе создания генератора эксперименты чаще опережали рас-
чет, сначала рассмотрим результаты численного моделирования среднего гене-
ратора МК-1* Зависимости основных параметров среднего генератора от време-
ни в режиме с начальным магнитным полем 120 кГс и с тремя каскадами из мед-
нопроволочного композита для одного из вариантов численной модели приведены
на рис. 96 (см. также цв. вкл*): кроме траекторий внутреннего диаметра трех кас-
кадов Di и магнитного поля В на оси генератора на рисунке показаны скорости
внутренней границы трех каскадов г, и коэффициент сохранения магнитного
потока в полости лайнера Fi.
t, мкс
Рис. 96. Расчетные временные зависимости основных параметров среднего
трехкаскадного генератора МК-1 с начальным полем 120 кГс
Графики свидетельствуют о том, что в среднем генераторе существенно
возросла скорость первого каскада - при ударе о второй она более чем в полтора
раза выше, чем в малом генераторе, а внутренние границы второго и третьего
каскадов ускоряются до еще больших скоростей — в максимуме до -11 км/с.
Именно это было целью увеличения энергетики генератора, и именно увеличе-
ние энергетики является причиной увеличения максимального поля генератора
(в данном варианте расчета - примерно в три раза), тем самым доказывается воз-
можность получения полей более 20 МГс в эксперименте. Рис. 96 также указы-
162
каст на основную трудность — небольшой размер полости с максимальным по-
лем и наличие малоплотного слоя взорванного вещества впереди третьего кас-
када, из-за которого расчетный коэффициент сохранения падает почти до нуля.
Эксперименты со средним генератором проводились небольшими сериями
с перерывом между сериями в несколько лет. Эксперименты первой серии, вы-
полненные в конце 1980-х гг. [208], убедили в реально достигнутом увеличении
скорости схлопывания лайнера (для более точного определения траектории лай-
неров число каскадов в одном из опытов увеличивалось до четырех), позволили
приобрести навык проведения этих сложных и громоздких опытов и показали
необходимость применения особо надежных измерительных методик (главным
образом, оптических). Именно отсутствие в 1980-е гг. такой методики ограничи-
вало максимальное значение зарегистрированного поля.
Результаты двух наиболее успешных экспериментов серии приведены на
рис, 97 (см, также цв. вкл.), В первом эксперименте с трехкаскадным средним
генератором толщина стального ударника равнялась 2 мм, а начальное магнит-
ное поле составляло около 100 кГс, Сигнал оптической методики измерения
(единственного канала) очень отчетливый до -16,5 МГс, затем его амплитуда
упала почти до уровня шума. Однако совпадение сигналов двух фотоприемни-
ков с разными характеристиками позволило выделить полезный сигнал на фоне
шума и продлить сигнал измерения усиления поля до ~22 МГс.
Во втором эксперименте толщина стального ударника увеличена до 7 мм,
что исключило влияние разнотолщинности стенки ударника и искривления тон-
кого цилиндра в поле силы тяжести на симметрию схлопывания и позволило
увеличить отбор энергии от заряда ВВ. Увеличено также начальное магнитное
поле, добавлен четвертый каскад с диаметрами 54x64 мм с целью получения
еще одной реперной точки на траектории лайнера генератора. Максимум изме-
ренного поля в эксперименте составил ~17 МГс, переход магнитного поля через
максимум не зафиксирован. По результатам серии экспериментов сделан вывод
о том, что в новой конструкции генератора МК-1 достигнуто увеличение скоро-
сти схлопывания лайнера примерно в 1,5 раза, т. е, в данном генераторе возмож-
но воспроизводимое получение магнитных полей диапазона 20 МГс [209].
Вторая серия испытаний среднего генератора была выполнена в конце
1990-х гг. Отнюдь не все эксперименты серии оказались достаточно успешными.
Приведенные выше снимки (см, рис. 95) внешнего вида взрывного поля таких
опытов дают представление о сложности, трудоемкости и, в конце концов, вы-
сокой стоимости каждого эксперимента. Поэтому представляется важным и по-
лезным для читателей чуть более подробный рассказ о содержании и результа-
тах этих опытов.
В экспериментах второй серии изучалась возможность увеличения конеч-
ного поля генератора применением порошкового композитного материала высо-
кой начальной удельной плотности (подробнее см, в главе 7), Результаты экспе-
риментов с внутренними каскадами из вольфрамополипропиленового, а затем
и вольфрамофторопластового композита с начальной плотностью 10 г/см3 ока-
зались неудачными: в одном эксперименте измеренное поле не превысило
163
15 МГс, во втором достигло липгь 8 МГс с явными указаниями на преждевре-
менное замыкание композита внутренних каскадов (несмотря на то, что напря-
женность электрического поля в области расположения каскадов не превышала
значении, достигнутых в аналогичных, но успешных экспериментах с малым
генератором). Только в одном эксперименте, в котором второй каскад был из
вольфрамофтороластового композита, а третий остался меднопроволочным,
максимум измеренного магнитного поля превысил 20 МГс (и это несмотря на
увеличенные размеры измерительного узла). Измерительный узел в этом экспе-
рименте трехканальный (три фарфоровые трубочки с оптическими датчиками),
в каждом канале датчик выполнен из тяжелого флинта, но разной длины, причем
самый короткий (наименее чувствительный) располагался в воздушном канале.
Кроме того, на поверхности третьего каскада равномерно по окружности были
размещены пять одинаковых индукционных датчиков диаметром 1 мм. Их пред-
назначение - оценить симметрию подлетевшего второго каскада по моменту
прекращения сигнала (о результатах ниже).
Рис. 97, Результаты двух экспериментов первой серии испытаний среднего генератора
МК-1 в виде траектории внутренней границы каскадов усиленного магнитного поля
B(t) и его производной dB/dt и коэффициента сохранения магнитного потока cp(t). Точки
на кривой B(t) — экстремумы сигнала оптической методики измерения поля
164
В последнем эксперименте серии испытывался трехкаскадный генератор
с каскадами только из меднопроволочного композита. Измерительный узел од-
ноканальный, чтобы позволить продлить регистрацию усиления поля до мини-
мально возможного размера оболочки (в данном случае диаметр измерительного
узла чуть меньше 4 мм). Сигнал оптической методики регистрировался двумя
оптическими приемниками, причем плоскость поляризации анализатора одного
канала была повернута на некоторый угол относительно другого - так количест-
во точек измерения (моментов поворота плоскости поляризации на 180°) удваи-
вается. Свет к оптическому датчику из тяжелого флинта направлялся по возду-
ху. Остальные характеристики конструкции генератора те же, включая пять дат-
чиков симметрии схлопывания второго каскада.
На рис* 98 (см. также цв. вкл*) приведены графики, построенные по ре-
зультатам измерений симметрии каскада в двух экспериментах: на рис. 98,а
представлена разновременность замыкания датчиков, а на рис. 98,6 показана
форма второго каскада в момент удара по датчикам (среднее значение диаметра
= 20 мм, скорость оболочки условно взята равной 4 км/с).
Разновременность
а
Рис. 98. Симметрия схлопывания второго каскада в двух опытах: а - разновременность
замыкания датчиков на поверхности третьего каскада; б — вероятная форма оболочки
Видно, что в первом опыте второй каскад несколько смещен относительно
центра третьего и отклонения от правильной окружности здесь больше* Во вто-
ром опыте симметрия второго каскада оценивается разновременностью порядка
±0,2 мкс* Сразу отметим, что примененный способ определения симметрии
очень приблизительный, направленный в основном на регистрацию вероятных
сильных нарушений симметрии (одно из объяснений неудачных предыдущих
экспериментов)* Кроме того, напомним о выравнивающей роли третьего каска-
да, к тому же движущегося медленнее*
Выдающийся результат последнего эксперимента, в котором максимум
измеренного магнитного поля превысил 28 МГс, требует наиболее подробного
описания. На рис* 99 (см* также цв. вкл*) показаны обработанные осциллограм-
мы (приведенные к одному масштабу по осям абсцисс и ординат) сигналов ин-
165
дукционных датчиков, регистрирующих различные этапы процесса работы всех
устройств эксперимента, включая запитку генератора СМК-320 (рис* 99,а), за-
питку генератора МК-1 (рис. 99,6), начало работы генератора МК-1 (рис* 99,в) и
большую часть процесса усиления поля почти до удара по третьему каскаду
(рис* 99 ,г)* Из приведенных осциллограмм видно, что в процессе запитки гене-
ратора СМК-320 разрядом конденсаторной батареи на его спираль магнитное
поле в соленоиде генератора МК-1 достигло 7 кГс (рис* 99,а); на осциллограм-
мах рис* 99,6 видна работа СМК-320 на МК-1, причем сначала в соленоиде поле
росло до -140 кГс, а затем во время схлопывания стального ударника и детона-
ции внутреннего заряда ВВ оно упало до -120 кГс (вытеснение магнитного по-
тока обратного направления в полость соленоида). Остальные осциллограммы
приведены для демонстрации хорошего совпадения результатов измерения поля
датчиками разной чувствительности.
Время, мкс Время, мкс
В Г
Рис. 99. Магнитное поле и его производная в генераторе МК-1
на разных этапах работы генератора в опыте 10.04.98
166
На рис. 100 (см, также цв, вкл.) показаны отрезки осциллограмм сигналов
оптической методики, охватывающих весь процесс усиления магнитного поля,
а также фрагмент осциллограммы индукционного датчика, показывающий мо-
мент начала схлопывания первого каскада («0» шкалы времени процесса работы
генератора МК-1). Видно, что начиная с некоторого момента около 15-й мкс ам-
плитуда сигнала обоих каналов упала, однако при рассмотрении растянутой ос-
тавшейся части сигнала видны достаточно отчетливые максимумы и минимумы
сигналов, которые достаточно хорошо коррелируют по обоим каналам регист-
рации, и различим момент удара по измерительному узлу, когда закончился
процесс регистрации (сигнал становится хаотическим).
1.5
-0.5
----Far 1
Far 2
^“№4. dBfdi
пГ
l.S
1.6
1.4
1.2
ФМ1*
ло>*
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
-0.2
&
-1JOID
kWIWJiOllWI
'Л
-2 0 2 4 й I JO 12 14 Jfl Jg 20
14.5 ]4.7 ]4.9 15.1 15,3 15,5
2Д
2
I
0.5
О
3
Время, мкс
Время, мкс
Рис. 100. Сигналы оптической методики и сигнал индукционного датчика, отмечающий
начало движения оболочки опыта 10.04.98. Справа - растянутая часть сигналов
оптической методики в области конца работы генератора МК-1
Обработка результатов экспериментов по получению сверхсильных маг-
нитных полей не заканчивается построением временных зависимостей магнит-
ного поля и его производной по сигналам измерительных методик. Полный на-
бор характеристик работы генератора МК-1 включает также траекторию схло-
пывания оболочек D(f) и график изменения коэффициента сохранения магнит-
ного потока ф(Г)* Для построения графика D(f) пользуемся видимыми на осцил-
лограммах dBidt моментами ударов каскада по каскаду и конца регистрации
усиления поля и разумным образом соединяем полученные точки на плоскости
г—L Затем строим кривую cp(f) = B(r)/B0(Z)0/Z>(£))2 и проверяем, является ли она
монотонно спадающей. Заканчивается проверка надежности полученных экспе-
риментальных кривых сравнением с расчетом.
167
В результате этой процедуры получаем семейство кривых (рис, 101) - рас-
четные и экспериментальные зависимости B(t)9 D(f) и cp(f), На кривой B(t) точка-
ми отмечены экстремумы сигнала оптической методики измерения поля.
Совокупное рассмотрение экспериментальных и расчетных данных, в том
числе представленных выше, показало, что три измеренных в эксперименте па-
раметра достаточно хорошо согласуются друг с другом и, что особенно приятно,
с расчетом. Совсем небольшое расхождение расчетных и экспериментальных
кривых, накопившееся к концу процесса, можно объяснить как неучитываемыми
одномерным расчетом нарушениями симметрии схлопывающегося лайнера
(очень небольшими в данном эксперименте, судя по результатам измерений),
так и остающимся расхождением между экспериментом и расчетом в описании
соударения каскадов. Важно также, что кривая усиления магнитного поля этого
эксперимента очень хорошо совпала с кривой усиления поля эксперимента пре-
дыдущей серии с четырехкаскадным генератором МК-1, Таким образом, можно
сказать, что впервые реально сгенерировано и измерено магнитное поле более
28 МГс и получена достаточно полная картина явлений в каскадном генераторе
МК-1 на уровне полей более 20 МГс [210-212],
Рис, 101 - Графики основных параметров генератора сверхсильных магнитных полей
20 МГс диапазона:------------------эксперимент, — - расчет
Глава VII
ПРЕДЕЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ВЗРЫВОМАГНИТНОГО МЕТОДА
ПОЛУЧЕНИЯ СВЕРХСИЛЬНЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
7.1. Исходные положения
Многолетние усилия по экспериментальной и расчетно-теоретической
проработке реальных конструкции магнитокумулятивных генераторов сверх-
сильных магнитных полей и анализ их результатов, достигнутый уровень пони-
мания физики магнитной кумуляции неизбежно приводят к необходимости оце-
нить предельные возможности метода получения сверхсильных магнитных по-
лей сжатием магнитного потока взрывом обычного (химического) взрывчатого
вещества.
Прежде чем ответить на вопрос о максимальном магнитном поле, которое
можно получить с помощью указанного метода преобразования химической
энергии обычного ВВ в энергию магнитного поля, надо разумно ограничить об-
ласть возможных начальных и конечных значений параметров гипотетического
магнитокумулятивного генератора. Во-первых, еще раз отметим, что при созда-
нии генератора сверхсильных магнитных полей основной целью является не
просто значение конечного поля, но, в качестве обязательного условия, обеспе-
чение возможности проведения в этом поле исследований. Отсюда вытекают
требование воспроизводимости, особенно важное для однократного по своей
природе взрывного эксперимента, и ограничение снизу на размеры (главным
образом, на диаметр) объема конечного поля, в котором размещаются исследуе-
мые образцы и датчики измерительных методик. Надо помнить и учитывать, что
схлопывание лайнера генератора, сжимающего магнитный поток, происходит
с нарушениями правильной круговой формы границы между лайнером и полем
из-за начальных нарушений идеальности формы и внутренней структуры заряда
ВВ и оболочек генератора, которые могут неограниченно возрастать, например,
в результате развития неустойчивостей типа Рэлея — Тейлора. Поэтому для дос-
тижения удовлетворительной для применений воспроизводимости конечных
параметров необходимо защищать образцы и датчики от преждевременного воз-
действия на них потерявшего правильную форму лайнера. Следовательно, про-
гнозируемый диаметр конечного поля должен быть больше диаметра измери-
тельного узла (с защитой) на амплитуду отклонений формы границы лайнера от
круговой (и/или на толщину защиты узла). Прогнозируя возможность дальней-
шей миниатюризации датчиков измерительных методик и исследуемых образ-
цов, можно достаточно обоснованно ограничиться внешним диаметром измери-
тельного узла -5 мм, при этом надо обеспечить более чем 50 %-ную вероятность
того, что измерительный узел не разрушится до момента максимума поля. Это
первая опорная точка последующего рассмотрения.
169
Второе ограничение касается начальных параметров устройства* Естест-
венно, на изготовление взрываемого устройства однократного действия жела-
тельно затратить минимум усилий, материалов и финансов. Хотя и существует
легко объяснимая пропорциональность между конечным полем и количеством
ВВ, размеры заряда нельзя увеличивать бесконечно* Кроме того, если не услож-
нять конструкцию генератора различными утонченными способами увеличения
скорости оболочки, скорость ее схлопывания ограничена скоростью детонации
ВВ даже в случае бесконечно большого заряда ВВ. Опыт работы с зарядами ВВ
разных размеров показывает, что все еще достаточно удобно, технологично
и безопасно можно работать с зарядами ВВ массой до нескольких сотен кило-
грамм, т. е* диаметром не более 1 м, — и это второй предельный параметр буду-
щего генератора.
Конструктивные и технологические ограничения на начальные размеры
собственно генератора МК-1 (заряда ВВ, лайнеров и т* п*) дополняются ограни-
чением начального магнитного потока в лайнере. Для создания большого на-
чального магнитного поля в лайнере больших размеров необходим источник
тока с большим энергозапасом* Это либо мощная конденсаторная батарея в за-
щищенном от взрыва месте с линией передачи энергии, либо магнитокумуля-
тивный генератор типа МК-2, Их выходные параметры и определяют макси-
мальный ток запитки источника начального магнитного поля генератора
МК-1, а затраты на разработку и изготовление увеличивают стоимость будущего
генератора сверхсильных магнитных полей и экспериментов с ним.
Достигнутый во ВНИИЭФ уровень разработки метода взрывной генера-
ции сверхсильных магнитных полей позволяет говорить о том, что институт рас-
полагает необходимыми условиями для изучения предельных характеристик
метода — подробными и хорошо описывающими эксперимент численными мо-
делями и экспериментальной техникой на базе небольшого семейства каскадных
генераторов МК-1. Напомним, что это семейство состоит их разработанных
и испытанных генераторов МК-1 трех размеров (см. рис* 23), которые, как пока-
зано на эскизе поперечных сечений всех трех генераторов (рис. 102), отличаются
размерами заряда ВВ и первого каскада (соленоида). Исследование предельных
характеристик метода включало изучение различных режимов работы генерато-
ров, а также предложенных сотрудниками группы А* И, Павловского изменений
в конструкции генератора МК-1, направленных на увеличение конечного поля
генератора* Часть результатов этой работы получена расчетным образом, а ос-
новой для большинства экспериментальных исследований был стандартный ма-
лый генератор магнитных полей 10 МГс диапазона.
170
Рис. 102. Эскиз поперечного сечения каскадных генераторов МК-1 трех размеров:
большого (а), малого (6) и среднего (в)
7,2, Генератор МК-1 магнитных полей 10 МГс диапазона
В опытах с каскадным МК-генератором магнитных полей 10 МГс диапа-
зона (т. е. «малым», «стандартным») при достаточно большом начальном маг-
нитном поле неоднократно регистрировался переход усиливаемого поля через
максимум, в том числе с многоканальным измерительным узлом большого (поч-
ти 9 мм) внешнего диаметра, что говорит о большом диаметре объема макси-
мального поля. Это, конечно, удобно для различных применений, но здесь же
заключена и возможность увеличения конечного поля генератора за счет
уменьшения конечного диаметра полости, для чего необходимо максимально
уменьшить внешний диаметр измерительного узла с помощью световолоконной
техники.
171
Были предложены и исследованы несколько способов увеличения конеч-
ного поля каскадного генератора МК-1 стандартной конструкции - изменением
режима работы, т* е* уменьшением начального магнитного поля, применением
схемы «МК-1 в МК-1», увеличением плотности вещества материала каскадов
и увеличением мощности (энергоемкости) ВВ*
7.2.1. Режим работы генератора МК-1 с малым начальным магнит-
ным полем
Рис. 103. Временная зависимость маг-
нитного поля B(t) эксперимента с трех-
каскадным генератором МК-1 с на-
чальным полем 70 кГс, Точки — экс-
тремумы сигнала оптической методики
(врезка)
Исследование режима работы гене-
ратора МК-1 с уменьшенным начальным
магнитным полем осуществлялось в виде
достаточно объемной серии экспериментов
[213]. В этом режиме торможение лайнера
наступает позже и ускоряемый давлением
продуктов детонации ВВ лайнер успевает
прибрести большую скорость, поэтому
выше максимальные значения производ-
ной магнитного поля* Этот режим потре-
бовал дополнительных изменений в мето-
дике измерений поля, поскольку регистра-
ция индукционной методикой оказалась
практически невозможной: при характер-
ных значениях производной магнитного
поля 1013 Гс/с в данном режиме на датчике
диаметром -1 мм индуцируется напряже-
ние ~1 кВ* Поэтому основной упор в изме-
рениях усиливаемого магнитного поля был
сделан на оптическую методику, причем
для расширения частотного диапазона ре-
гистрируемых сигналов аппаратурное обес-
печение методики было модифицировано.
Маломощный гелий-неоновый лазер был заменен на импульсный рубиновый,
работающий в беспичковом режиме с длительностью импульса генерации
-500 мкс* Усиление интенсивности зондирующего света позволило использо-
вать высокочастотные фоторегистраторы с линейной до ~2 А токовой характе-
ристикой* Осциллограмма фарадеевского вращения и временная зависимость
магнитного поля, построенная с помощью этой осциллограммы, приведена на
врезке рис. 103 с графиком временной зависимости усиливаемого магнитного
поля, полученным в эксперименте с трехкаскадным генератором МК-1
в режиме с начальным магнитным полем 70 кГс (напомним, что «стандартным»
для этого генератора является начальное поле 160 кГс)*
Вся совокупность выполненных в 1980-е гг* экспериментов с генератора-
ми МК-1 с разным числом каскадов и с различными начальными полями собра-
на в виде точек на плоскости параметров Во — Вт^ (рис* 104). Число каскадов ге-
172
нератора отображено на графике числом сторон многоугольника вокруг точек,
представляющих результаты соответствующих экспериментов. Отметим, что
под максимальным полем Вшах в данном случае понимается максимум измерен-
ного в эксперименте магнитного поля. Только в двух экспериментах с малым
начальным полем зарегистрирован переход усиливаемого поля через максимум,
а в нескольких отмечено замедление роста поля, предшествующее максимуму.
Эксперименты со стандартным генератором в стандартном режиме запит-
ки (150-170 кГс) образовали ограниченную часть плоскости графика, обозна-
ченную I*
На рентгеновских снимках каскадно-
го генератора с малым начальным магнит-
ным полем в целом повторилась картина
взаимодействия лайнера со сжимаемым им
магнитным полем (см, рис. 47,в): внутрен-
няя граница лайнера нерезкая, отчетливо
видны искажения формы границы в виде
струйных образований.
Рассматривая расположение экспе-
риментальных точек на рис. 104, можно
уверенно разделить выполненные экспери-
менты на удачные, когда максимум изме-
ренного поля совпадает или близок макси-
мально возможному, и неудачные, когда
произошло явно преждевременное разру-
шение измерительного узла с датчиками
(и образцами). Рис. 104 демонстрирует, что
с уменьшением начального поля число не-
удачных экспериментов растет, достигая
уровня ~50 %-ной воспроизводимости ре-
зультатов (число удачных опытов равно
Рис. 104, Максимальные значения
измеренного в экспериментах маг-
нитного поля в зависимости от на-
чального поля для генераторов МК-1
С разным числом каскадов (по чис-
лу сторон значка). Зачерненные
значки соответствуют уменьшен-
ным размерам второго (18x25 мм)
и третьего (6x9 мм) каскадов;
I — область стандартного режима
запитки
числу неудачных) в режиме с начальным
полем около 75 кГс. Максимальное измерен-
ное поля в удачных экспериментах с таким начальным полем около 12 МГс. Ка-
жется очевидным, что проводить дорогой взрывной эксперимент, не надеясь по-
лучить нужный результат хотя бы в одном опыте из двух, не имеет смысла. По-
этому есть основания говорить о предельном значении коэффициента усиления
магнитного поля малого каскадного генератора МК-1, равном —160 (хотя не ис-
ключена возможность получения в единичных экспериментах и больших значений).
Диаметр объема максимального поля в этом случае можно оценить по рентгенов-
ским снимкам и по размерам измерительных узлов, он составляет <5 мм.
Численные модели каскадного генератора МК-1 позволяют достаточно
подробно исследовать зависимости выходных параметров генератора от режима
начальной запитки. Важность результатов численного моделирования заставляет
еще раз напомнить процедуру тестирования модели. В главе 4 рассматривался
173
начальный этап тестирования модели, когда подбирались параметры взрывчато-
го вещества и проводящих свойств композитного материала первого каскада.
В таком численном эксперименте сначала проверяется (или подбором парамет-
ров модели достигается) наилучшее соответствие модели эксперименту, т. е* для
режима работы генератора с измеренным в опыте начальным магнитным полем
достигается совпадение расчетных и экспериментальных кривых магнитной ин-
дукции B(t) и ее производной dB(t)/dt и траектории движения лайнера D(t)
(вспомним, что в каждом эксперименте мы регистрируем три точки траектории
г(?) — начало схлопывания лайнера и моменты удара каскада по каскаду). В каче-
стве примера такого достигнутого соответствия в дополнение к графикам
рис. 58 (гл. 4) на рис. 105 приведены расчетные и экспериментальные кривые
еще для одного из достаточно подробно и достоверно зарегистрированных экс-
периментов с трехкаскадным генератором в режиме с начальным магнитным
полем 90 кГс.
Рис. 105, Расчетные и экспериментальные
кривые производной магнитного поля dB/dl
и расчетные траектории внутреннего диамет-
ра первого Z>i(r) и второго Z>2(t) каскадов
Согласие расчета с экспери-
ментом для внутренних каскадов
несколько хуже, главным образом,
из-за неустраненных пока отличий
в расчетном описании процесса
соударения каскадов. Это видно
уже на графиках производной поля —
расчетные кривые более резкие,
с большим размахом амплитуды,
а экспериментальные сильно сгла-
жены из-за неодновременности
замыкания композита, вызванной
неровностью формы налетающего
лайнера. Кроме того, в экспери-
менте в отличие от расчета на
рентгеноснимках наблюдается за-
зор между первым и вторым кас-
кадами и, соответственно, неуч-
тенные в расчете потери потока
в нем. Наконец, на производной
магнитного поля при схлопывании
второго каскада наблюдается не-
монотонность - замедление роста
производной и дальнейшее ускорение, которые можно объяснить торможением
отлетевшего каскада и последующим ускорением его после второго удара пер-
вого каскада* Получить это в численной модели пока не удается. Поведение
проводимости материала внутренних каскадов в расчете отличается от первого:
наилучшее совпадение с экспериментом достигается при другом значении ко-
эффициента Ь\ (см* гл* 4) - порядка 0,6*
174
Учитывая очевидные отклонения формы лайнеров от идеального круга,
трудности описания соударения композитных каскадов и поведения электро-
проводящих свойств композитного материала, критерием соответствия расчета
эксперименту теперь становится амплитуда магнитной индукции, не такая чув-
ствительная к изменениям параметров, как ее производная* В качестве примера
такого достигаемого соответствия расчета эксперименту после соответствующе-
го подбора параметров проводимости материала внутренних каскадов на
рис. 106 приведены расчетные кривые магнитной индукции для двух режимов
работы трехкаскадного генератора с начальным полем 95 и 120 кГс и точками
показаны экспериментальные результаты измерений магнитного поля оптиче-
ской методикой.
Рис. 106. Экспериментальные и расчет-
ные кривые В(г) для трехкаскадного ге-
нератора МК-1 с начальным полем 95
(---расчет, 0 — эксперимент) и 120 кГс
(----расчет, о — эксперимент)
Рис. 107, Зависимости конечных параметров
трехкаскадного генератора МК-1 стандарт-
ной конструкции (поле 10 МГс) - конечного
магнитного поля 2?fin (♦) и конечного радиу-
са полости (а) от начального магнитного
поля BQr, а — экспериментальные точки
Теперь, когда доказана достоверность численной модели, изменим в ней
только начальное магнитное поле и построим зависимости от него выходных
параметров — максимального поля и радиуса полости с этим полем ггш
(рис. 107). Здесь же проставлены экспериментальные точки зависимости B^Bq),
часть которых присутствует на рис* 104 (удачные опыты!). То, что результаты
измерений поля лежат достаточно близко к расчету, подтверждает справедли-
вость сделанных ранее оценок неизмеряемого напрямую размера объема конеч-
ного поля. Отметим, что в режимах с начальным полем более —180 кГс размер
полости превышает минимальный диаметр третьего каскада — факт, также обна-
руженный экспериментально (правые две точки на кривой ггшО)).
175
7,2.2, Увеличение мощности ВВ
Еще один путь увеличения конечного поля генератора МК-1 — увеличение
мощности взрывчатого вещества - рассматривается чисто теоретически, хотя
очень небольшой опыт применения более мощных ВВ был получен в совмест-
ных экспериментах с ЛАНЛ (см, раздел 5,2).
Результатом экспериментов в ЛАНЛ стало не только налаживание и рас-
ширение международных научных связей, но и новые данные о характеристиках
генератора с зарядами из более мощных ВВ: в первом эксперименте заряд ВВ
был изготовлен из ВВ типа Comp-В (близкий, но чуть более мощный аналог
ТГ 60/40), во втором — из РВХ-9501 (близкий аналог октогена). Увеличение
мощности ВВ привело к увеличению скорости лайнера и конечного магнитного
поля. Зарегистрировать переход магнитного поля через максимум в этих экспе-
риментах не удалось, но во втором опыте конечное поле превысило 10 МГс.
Результаты испытаний трехкаскадного генератора с начальным магнит-
ным полем 160 кГс и с разными ВВ в Сарове и в Лос-Аламосе собраны на рис* 108
в виде экспериментальных зависимостей магнитного поля B(t) (точки — экстре-
мумы сигнала оптической методики) и его производной dB(f)/dt (по сигналам
индукционной методики) и траекторий лайнера генератора £>(?), которые по-
строены по характерным для соударений каскадов отметкам на производной
магнитного поля. Они подтверждают описанную выше закономерность: увели-
чение энергетики лайнера (в данном случае - скорости схлопывания) при про-
чих равных условиях приводит к увеличению максимального магнитного поля
и существенному уменьшению диаметра объема с этим полем,
В, МГс
Рис, 108. Зависимости магнитного поля В(г), его производной dB(t)/dt и внут-
реннего диаметра лайнера D(t) трехкаскадного генератора с разными ВВ:
1 - РВХ-9501,2 - Comp В, 3 - ТГ 50/50; П, Ш - номер каскада
176
Основные препятствия на этом пути увеличения максимального поля ге-
нератора — материальные, включающие, кроме более высокой стоимости самого
мощного ВВ, затраты на изготовление высокоточной технологической оснастки
для изготовления заряда. Прежде чем осуществлять такие затраты, необходимо
оценить их целесообразность, В качестве примера такой оценки выполнена се-
рия расчетов с помощью численной модели трехкаскадного генератора МК-1
стандартной конструкции в стандартном режиме работы и получено семейство
кривых B(t) с зарядами из разных ВВ (рис* 109, см. также цв, вкл*)* На рисунке
показан результат одного из экспериментов с зарядом из ТГ 50/50, три кривые
представляют различные формы описания ВВ типа ТГ 50/50 (обозначены как
«степ», «куб», «Зуб») и четыре кривые — продукты разной мощности: ПБС, 710,
ОФТОР и 973* Видно, что применение самого мощного продукта 973 увеличи-
вает конечное магнитное поле на -20 %* Скорость лайнера увеличилась до
-5 км/с* Естественно, это происходит при одновременном уменьшении диаметра
объема конечного поля с -9,5 до -7,5 мм* Важно, однако, что в отличие от ана-
логичного эффекта от уменьшения начального магнитного поля уменьшение
конечного диаметра в рассматриваемом случае существенно меньше: согласно
расчетным данным конечный диаметр в режиме с уменьшенным начальным по-
лем (при таком же значении конечного поля) порядка 6 мм. Поэтому переход
к более мощному ВВ — наиболее перспективный и эффективный способ увели-
чения конечного поля генератора МК-1*
Рис. 109. Семейство кривых магнитного поля трехкаскадного генератора
с зарядами ВВ разной мощности
7*2.3* Сжатие магнитного потока давлением магнитного поля генера-
тора МК-1
Цилиндрическую проводящую оболочку с магнитным потоком внутри
можно сжимать не только давлением взрыва, но и давлением внешнего магнит-
ного поля. В первой главе приведены примеры подобных устройств, сжимаю-
177
щих магнитный поток в геометрии Z-пинча или 0-пинча. Располагая источником
воспроизводимых магнитных полей 10 МГс диапазона в виде каскадного гене-
ратора МК-1, можно попытаться сжать токонесущий металлический цилиндр
давлением магнитного поля, созданного другим генератором МК-1. Особенно
интересно рассмотреть тот случай, когда и начальный магнитный поток, захва-
ченный лайнером внутреннего МК, тоже создается внешним генератором МК-1
за счет диффузии его магнитного поля в полость цилиндра. В этом случае рас-
сматриваемое устройство, которое можно назвать «МК-1 в МК-1», состоит из
двухкаскадного генератора МК-1 (внешний генератор), на оси которого распо-
ложен тонкостенный (8 < 1 мм) цилиндр (или внутренний генератор), изготов-
ленный из электропроводящего высокоплотного материала с большим пределом
текучести.
Начальное для цилиндра магнитное поле диффундирует в его полость
в течение всего времени запитки соленоида генератора МК-1, а также некоторое
время в течение последующего сжатия генератором (внешним) магнитного по-
тока, заключенного между цилиндром и лайнером генератора* Для эффективной
работы устройства в его исходном состоянии прочностные свойства материала
цилиндра должны быть по возможности максимально высокими, а его удельная
проводимость — сравнительно низкой, для того чтобы цилиндр сначала сопро-
тивлялся давлению поля и в его полость до начала его быстрого схлопывания
мог проникнуть магнитный поток, достаточный для получения мультимегага-
уссных полей в объеме приемлемых для возможных применений размеров,
С другой стороны, проводимость цилиндра должна быть достаточно высокой,
чтобы, во-первых, обеспечить формирование импульса магнитного давления за
счет эффективного сжатия магнитного потока между цилиндром и каскадом,
т, е. ограничить диффузию внешнего магнитного поля внутрь цилиндра во время
его медленного (благодаря прочности и инерции) схлопывания, и, во-вторых,
чтобы обеспечить удержание потока, продиффундировавшего во внутреннюю
полость цилиндра, в процессе его последующего быстрого сжатия. Можно по-
пытаться удовлетворить указанным требованиям, если в качестве материала ци-
линдра выбрать вольфрам или сплав на его основе (например, В НМ или ВНЖ),
Таким образом, отчетливо выделяются две стадии работы устройства -
медленная фаза запитки магнитного потока, когда размеры цилиндра почти не
меняются, и фаза быстрого, но плавного и безударного сжатия цилиндра маг-
нитным давлением при отсутствии контакта с лайнером генератора внешнего
МК-1. Цилиндр должен набрать скорость и «оторваться» от наружного магнит-
ного поля, сжимая магнитное поле внутри до значении, намного превышающих
магнитное поле снаружи* Так это происходит в установке электродинамического
сжатия потока Токийского университета, где достаточно надежно регистрируют
поля до -7 МГс [42] (магнитное поле снаружи много меньше).
Для получения представления о принципе работы такого устройства и оп-
ределения его возможностей сначала была создана его численная модель и вы-
полнен ряд численных экспериментов [214]. В расчетах с помощью программ-
ного комплекса SMOG-DISK предполагалось, что цилиндр изготовлен из сплава
178
типа ВНМ, прочностные свойства и сжимаемость которого близки к таковым
для вольфрама, поэтому использованы уравнение состояния, предел текучести
и сдвиговый модуль вольфрама. Но проводимость материала взята близкой
к проводимости сплава типа ВНМ, которая меньше проводимости чистого
вольфрама.
В серии предварительных расчетов в широких, но разумных пределах
варьировались все основные входные параметры устройства: значение началь-
ного магнитного поля внешнего генератора (МК-1), время запитки его соленои-
да, начальные размеры второго каскада генератора МК-1 и, наконец, начальные
размеры цилиндра. Начальное магнитное поле генератора МК-1 менялось от
100 до 190 кГс, время запитки — от 50 до 400 мкс. Начальный зазор между вто-
рым каскадом генератора МК-1 и цилиндром был не менее ОД мм, но ни
в одном из вариантов не превышал 10 мм. Толщина композитного второго кас-
када выбиралась в пределах 3—5 мм с учетом технологии его изготовления. Ин-
тервалы изменения начальных размеров цилиндра были таковы: [25 мм; 50 мм]
для внешнего диаметра цилиндра и [0,25 мм; 1,5 мм] для его толщины.
Обобщенный результат этого расчетного исследования выглядит следую-
щим образом. В режиме с одинаковым начальным полем генератора МК-1
уменьшение начального диаметра цилиндра приводит к увеличению конечного
поля при меньшем радиусе полости. К этому же приводит увеличение толщины
цилиндра при сохранении его диаметра. С уменьшением начального поля ко-
нечное поле увеличивается медленно при практически неизменном конечном
диаметре. Если начальный зазор между вторым каскадом и цилиндром — милли-
метр и более, то удара каскада по цилиндру нет при любом начальном диаметре
цилиндра. А в целом оказалось, что в указанных диапазонах изменения входных
параметров значения максимального поля лежат в диапазоне от 13 до 37 МГс,
а значения соответствующего этому полю диаметра полости - в диапазоне от
4,5 до 0,5 мм.
На рис. ПО приведены рассчитанные графики некоторых временных зави-
симостей и пространственных профилей, характеризующие работу рассмотрен-
ного устройства: зависимости поля на оси генератора и поля в зазоре между кас-
кадом и цилиндром от времени, R-t-диаграммы центрального цилиндра и обоих
каскадов генератора МК-1. Они показывают, что рассмотренное устройство яв-
ляется истинным обострителем импульса магнитного поля генератора МК-1, так
как позволяет сократить длительность импульса и при этом увеличить его ам-
плитуду.
К сожалению, результаты выполненного экспериментального исследова-
ния устройства «МК-1 в МК-1» полностью разрушили построенную с помощью
численной модели картину работы устройства.
Целью первых экспериментов со сжатием магнитного потока вольфрамо-
вым цилиндром было доказать существование предсказываемого расчетной мо-
делью увеличения максимального магнитного поля генератора, поэтому в упро-
щенной редакции экспериментов только измерялось усиленное поле* Так как
в расчетах эти поля получаются при миллиметровых размерах объема конечного
179
Рис. 110, Временные зависимости магнитного
поля снаружи (5нар) и внутри (5ИН) вольфрамо-
вого цилиндра и траектории внутренней
и внешней границ каскадов генератора МК-1
и цилиндра в режиме с начальным полем
генератора МК-1130 кГс
поля, для минимизации поперечно-
го размера измерительный узел со-
стоял из единственной керамиче-
ской трубки с датчиком оптической
методики измерения поля и двух
индукционных датчиков субмилли-
метрового размера на ней. Однако
максимальное измеренное магнит-
ное поле сильно отличалось от рас-
четного — от 3 до 6 МГс в разных
экспериментах.
Для поиска причины этого
явления последующие эксперименты
были усложнены рентгенографиро-
ванием устройства, а когда стало
ясно, что поведение самого мате-
риала цилиндра также сильно отли-
чается от модели, то в последнем
эксперименте основное внимание
было уделено процессу диффузии
магнитного поля сквозь цилиндр —
измерениям магнитного поля внут-
ри и снаружи цилиндра с самого
начала запитки генератора МК-1.
Дополнительную уточняющую ин-
формацию в этом случае должны были дать измерения тока оптической методи-
кой [215], Один такой датчик, проходящий по оси устройства, измерял суммар-
ный ток во всех оболочках устройства (в каскадах генератора МК-1 и в цилинд-
ре), второй — в зазоре между вторым каскадом и цилиндром — измерял ток толь-
ко в оболочках генератора МК-1. Внешний и внутренний диаметры второго кас-
када из меднопроволочного композита равнялись 54 и 44 мм соответственно,
внутренний диаметр цилиндра из ВНМ - 40 мм, толщина стенки - 0,7 мм.
В двух экспериментах осуществлен двухимпульсный режим рентгеногра-
фирования, в результате чего на интегральном рентгеновском снимке содержит-
ся информация о положении цилиндра и обоих каскадов генератора в два мо-
мента времени процесса работы МК-генератора [216]. На рис, 111 приведены
рентгеновские снимки поперечного сечения второго каскада с вольфрамовым
цилиндром: в исходном состоянии (рис, Ш,а) и два двукратно экспонирован-
ных снимка (рис. 111,6,в). В первом опыте моменты экспозиции снимка
(рис. 111,в) равны 11,3 и 13 мкс от начала движения первого каскада генератора
МК-1, Во втором опыте, как и отмечено выше, моменты экспозиции снимка
(рис. 111,6) выбраны вблизи максимума начального поля генератора с интерва-
лом 3,1 мкс между ними: еще до начала схлопывания первого каскада генерато-
ра вольфрамовый цилиндр заметно передвинулся к центру.
180
Рис. 111. Рентгеноснимки поперечного сечения второго каскада генератора МК-1
с вольфрамовым цилиндром: а - предварительный снимок, б — двухкадровый в момент
окончания запитки, в — двухкадровый до и после удара первого каскада по второму
На рис* 112 приведены
важные для последующего ана-
лиза графики производной и ин-
теграла начального магнитного
поля снаружи и внутри цилинд-
ра, полученные в последнем
эксперименте, когда подрыв
заряда ВВ генератора МК-1 не-
запланированно запоздал и пер-
вый каскад генератора начал
схлопываться не в момент на-
ступления максимума поля за-
питки, а на -20 мкс позже этого
момента — в этом случае про-
цесс диффузии начального поля
в цилиндр записан полностью
вместе с переходом поля через
максимум (этим кривым соот-
ветствует рис* 111,в). Картину
диффузии дополняют графики
производной и интеграла поля
в цилиндре другого опыта
с увеличенным начальным по-
лем и началом работы генерато-
ра МК-1 точно в момент макси-
мума начального поля (цифра
«2» в обозначениях кривых).
Сравнение процесса запит-
ки начального магнитного поля,
В, кГс
Г, мкс
Рис. 112. Графики производной и интеграла на-
чального магнитного поля снаружи (индекс «ех»
у кривых) и внутри (индекс «in») вольфрамового
цилиндра, построенные по результатам двух экс-
периментов (цифры «1» и «2» в обозначениях
кривых)
подробно и полно зарегистрированного в эксперименте, с расчетным показыва-
ет, что сначала диффузия начального поля сквозь стенку цилиндра описывается
проводимостью сплава вблизи табличного значения, но после ~70-й мкс возни-
кает существенное различие между расчетом и экспериментом.
181
Еще более сложный вопрос - сравнение расчетной и экспериментальной
траекторий движения стенки цилиндра, так как в этом случае надо правильно
учитывать упругопластические свойства материала. Расчеты с табличными зна-
чениями модуля Юнга и пределов прочности не совпадают с экспериментом:
экспериментально найденные точки положений цилиндра в момент экспозиции
снимков для случая запитки начального поля и для случая взрывного сжатия
потока не совпадают с расчетом. Источники этого несовпадения - недостаточно
точное описание упругопластических и проводящих свойств использованного
вольфрамового сплава и, соответственно, поведения цилиндра в начале процесса
схлопывания.
На рис. 113 показаны увеличенные рентгеноснимки, демонстрирующие
разрушение симметрии поперечной формы цилиндра, причем именно во время
запитки (рис* ИЗ,а). На рис* 113,6,в выделяется крупномасштабное нарушение
симметрии в виде морщины в экваториальной области сечения. Рис* 113,6 -
двухкадровый снимок - демонстрирует несколько лучшую симметрию, и имен-
но в этом опыте конечное измеренное поле достигло 6 МГс* Точные положения
цилиндра в моменты рентгеновских импульсов определить по двухимпульсным
снимкам оказалось сложно из-за того, что смещение двух изображений было
меньше расчетного.
а б в
Рис. ИЗ. Увеличенные рентгеновские снимки поперечного сечения цилиндра из вольф-
рамового сплава: а - двухимпульсныи снимок вблизи окончания процесса запитки на-
чального поля; б — двухимпульсным снимок с моментами экспозиции 11,3 и 13 мкс
от начала работы генератора МК-1; в — одноимпульсный снимок положения цилиндра на
10,8 мкс процесса работы генератора МК-1
Совместный анализ результатов измерений и рентгенографирования при-
водит к следующей последовательности событий при работе устройства. В про-
цессе запитки начального магнитного поля цилиндр под действием разницы
давлений магнитного поля снаружи и внутри сначала упруго, а потом неупруго
сжимался, причем с искажением симметрии формы поперечного сечения. Дви-
жение цилиндра к центру сопровождалось уменьшением проводимости мате-
риала стенки цилиндра (и, возможно, изменением его фазового состояния),
в результате чего разница магнитных полей снаружи цилиндра и продиффунди-
ровавшего внутрь цилиндра оказывается гораздо меньше расчетной. Поэтому на
цилиндр действует слабое давление усиливаемого магнитного поля генератора
МК-1, он продолжает медленно схлопываться к центру до непосредственного
182
удара по нему подлетевшего второго каскада. После удара быстрое схлопывание
цилиндра приводит к некоторому усилению магнитного поля в центре устройства,
конечное значение которого, несомненно, ограничено ростом неустойчивости по-
терявшего симметрию цилиндра. Рентгеновские снимки убедительно доказывают,
что говорить об объеме конечного поля диаметром 2—3 мм не имеет смысла.
В настоящее время открытым остается вопрос о возможности уменьшения
или исключения наблюдаемых искажений симметрии цилиндра во время запит-
ки увеличением толщины цилиндра и/или скорости запитки начального поля. На
принципиальную возможность сохранения симметрии лайнера указывает ус-
пешная работа похожей по принципу действия японской установки [41, 42, 91].
Конечно, это должно привести к уменьшению конечного поля, но если это ко-
нечное поле будет больше конечного поля самого генератора, то такой способ
может найти свое применение.
Необходимо отметить перспективность еще одного направления расчетно-
экспериментальных исследований описанного типа — с измерениями магнитного
поля внутри и снаружи металлического цилиндра и с регистрацией его размеров
хотя бы в некоторые моменты времени работы генератора МК-1. В таком иссле-
довании подбором параметров материала цилиндра в численной модели можно
было бы найти близкие к эксперименту зависимости, например, проводящих
свойств материала от введенной энергии в условиях высоких плотностей энергии,
7.2.4. Увеличение плотности вещества композитных материалов
Эффективность работы магнитокумулятивного генератора МК-1, оцени-
ваемая значением конечного магнитного поля и размерами его (поля) объема,
зависит от количества отобранной у заряда ВВ кинетической энергии лайнера
и ее плотности. Для каждого конкретного заряда ВВ определенных размеров
и типа ВВ существует оптимальный в этом смысле лайнер, а среди таких лайне-
ров разной толщины и плотности вещества материала лайнера оптимальным яв-
ляется лайнер наименьшей толщины из максимально плотного вещества. Изго-
тавливать внутренние каскады генератора МК-1 из меднопроволочного компо-
зита довольно трудно: сложно менять его начальные размеры и вовсе невозмож-
но — начальную плотность вещества* Поэтому были предприняты попытки изго-
товить другие варианты материала каскадов. Главное требование к материалу —
он должен быть вначале непроводящим, чтобы свободно пропускать внутрь маг-
нитный поток, а в нужный момент стать проводящим, захватить магнитный по-
ток и сжимать его дальше*
7*2.4* L Композит из вольфрамового порошка* В качестве первой по-
пытки было предложено в качестве материала каскада применить спрессован-
ный до нужной плотности композит из порошка металла и полимерного свя-
зующего, равномерно и однородно перемешанных в заготовке [123]. В данном
случае наиболее привлекательна максимальная плотность вещества каскада -
это увеличивает плотность кинетической энергии оболочки и, соответственно,
конечное магнитное поле и улучшает передачу кинетической энергии от каскада
183
каскаду. Поэтому был взят один из самых тяжелых металлов — вольфрам, а свя-
зующее - полипропилен или фторопласт. Начальная плотность вещества порош-
кового композита меняется довольно просто — изменением соотношения компо-
нент, механически композит обрабатывается очень легко* тем самым приобрета-
ется необходимая свобода выбора начальных значений параметров.
Еще одно свойство композита — его начальная электропроводность в зави-
симости от количества металла в смеси меняется от диэлектрической до металли-
ческой. Когда плотность композита уже достаточно велика, в 1,5—2 раза больше
плотности проволочного композита* его начальная проводимость все еще доста-
точно мала, чтобы свободно пропускать магнитный поток; насколько эффективно
лайнер из этого композита в сжатом во время схлопывания состоянии будет сжи-
мать магнитный поток, изучалось в специальной серии экспериментов.
После первого успешного эксперимента с полипропилено-вольфрамовым
композитом с начальной плотностью 7 г/см3 были проведены четыре взрывных
эксперимента с генератором МК-1 в различных комбинациях материала внут-
ренних каскадов: в двухкаскадном генераторе со вторым каскадом из вольфра-
мового композита плотностью 10 г/см3 зарегистрировано максимальное магнит-
ное поле более 8 МГс и получен рентгеновский снимок продольного сечения
генератора в момент, когда внутренний диаметр второго каскада составлял
21 мм. В трехкаскадном генераторе, в котором только третий каскад был из
вольфрамового композита, получено конечное магнитное поле более 10 МГс,
а в трехкаскадном генераторе с обоими внутренними каскадами из такого же
вольфрамового композита конечное поле составляло почти 11 МГс, Таким обра-
зом, во всех экспериментах с каскадами из порошкового материала максималь-
ное магнитное поле на ~1 МГс выше, чем в аналогичных экспериментах с каска-
дами из проволочного композита, что можно объяснить большей плотностью
кинетической энергии в каскадах из порошкового материала.
Выполнены также эксперименты по гаммаграфической регистрации сим-
метрии схлопывания второго каскада генератора МК-1 из вольфрамового ком-
позита с фторопластовым связующим и одновременной регистрацией усиленно-
го магнитного поля. Получен рентгеновский снимок второго каскада в момент,
близкий максимуму магнитного поля, и зарегистрировано магнитное поле около
8 МГс* Рентгеновские снимки продольного и поперечного сечений двухкаскад-
ного генератора с порошковым вторым каскадом приведены на рис, 114.
Рентгеновские снимки продольного и поперечного сечений порошкового
каскада показывают, что схлопывающаяся оболочка - второй каскад из вольф-
рамового композита — летит компактно; на снимке поперечного сечения оболоч-
ки, сделанном вблизи момента максимального магнитного поля, не видно струй
вещества, характерных для проволочного каскада* Фурье-анализ внутренней
границы каскада на снимке его поперечного сечения свидетельствует о сохране-
нии до ~ 17-й мкс процесса сжатия хорошей симметрии схлопывания: амплитуда
максимальной гармоники с номером 1 менее 7 % от нулевой гармоники (около
0*5 мм в абсолютном значении)* следующей за ней второй гармоники — менее
4 %, остальные гармоники — менее 2 %,
184
a
б
в
Рис. 114. Рентгеновские снимки продольного (а) и поперечного (б) сечения
второго каскада генератора МК-1 из вольфрамового порошкового композита
и микрофотография композита в исходном состоянии (в)
Поведение производной магнитной индукции вблизи моментов передачи
усиливающей функции от каскада каскаду (рис. 115) отличается от ее поведения
в генераторе с проволочным композитом. По-видимому, в части порошкового
материала еще до непосредственного удара по каскаду возникает заметная про-
водимость, в результате чего пунктирная кривая dB/dt для порошкового компо-
зита перед ударом по второму каскаду проходит ниже сплошной кривой, соот-
ветствующей проволочному каскаду, и на ней нет характерного для проволочно-
го каскада провала. Это, вероятно, вызывает поджатие внешней части порошко-
вого каскада, но не приводит к замыканию всего каскада и движению его внутрь
до непосредственного удара первого каскада.
Причиной возникновения проводимости может быть поджатие материала
слабым давлением воздуха впереди первого каскада и/или пробоем изолятора
между частичками металла под действием напряженности электрического поля
при быстром изменении магнитной индукции. Траектория схлопывания второго
порошкового каскада построена по измеренным на рентгеновских снимках раз-
мерам внутреннего диаметра каскада.
Хотя эксперименты показали эффективность применения порошкового
композита в качестве материала для внутренних каскадов генератора МК-1, во-
прос о значении проводимости композита во время сжатия лайнером магнитного
потока остается открытым. Для ответа на него проведены два эксперимента
с трехкаскадным МКГ, постановка и результаты которых позволили наиболее
185
отчетливо выделить эффект и с помощью численной модели оценить проводи-
мость композита [217]*
В первом эксперименте изучалось усиление магнитного поля в трехкас-
кадном генераторе с утяжелением первого каскада МК-1 добавлением слоя по-
рошкового композита на внутреннем радиусе каскада. Идея изменения конст-
рукции генератора была в том, что ценой некоторого уменьшения скорости
схлопывания это должно было увеличить концентрацию кинетической энергии
на внутреннем слое лайнера и увеличить эффективность передачи энергии пер-
вого каскада внутренним каскадам, также изготовленным из порошкового ком-
позита*
dB/dt* МГс/мкс
7 8 9 10 И 12 13 14 15 16 17 18 4 мкс
Рис, 115* Параметры каскадного генератора
МК-1: внутренний диаметр оболочки D(f),
магнитное поле B(t)9 производная магнит-
ного поля dB/dt — в двух масштабах; коэф-
фициент сохранения магнитного потока
ф(г) умножен на 10, Сплошные линии -
опыт с трехкаскадным генератором, 2-й
каскад — проволочный, 3-й - порошковый;
пунктир — опыт с двухкаскадным генерато-
ром, 2-й каскад — порошковый
Конструкция трехкаскадного ге-
нератора имела следующие характе-
ристики: стандартный соленоид-обо-
лочка с внутренним диаметром 139 мм,
внутри него через воздушный зазор
толщиной 0,5 мм — цилиндр из вольф-
рамово-фторопластового композита
начальной плотностью 10 г/см3, тол-
щиной стенки 2 мм и погонной массой
-85 г/см (немного меньше массы всего
первого каскада), а затем второй и тре-
тий каскады из вольфрамово-фторо-
пластового композита начальной
плотностью 8 г/см3 с диаметрами
30,7x36,7 и 12x17,5 мм. Начальное
магнитное поле к моменту начала
движения внутренней границы перво-
го каскада - 170 кГс, затем усилив-
шееся при сжатии зазора и собственно
композита к моменту начала движе-
ния внутренней границы тяжелого
слоя до -190 кГс* Но конечное маг-
нитное поле этого генератора, изме-
ренное индукционной и оптической
методиками, оказалось всего лишь
немногим более 6,5 МГс*
На рис. 116 приведены кривые
магнитного поля на оси генератора и его
производной в разных масштабах для начала процесса сжатия потока, где видны
начало движения первого каскада, его удар по слою утяжеления, замыкание слоя
и его разгон. Для остальной фазы работы генератора на индукционных сигналах
видны характерные особенности, интерпретируемые ударами каскада по каска-
ду. Совокупность этих точек на плоскости радиус - время позволила построить
обобщенную траекторию лайнера (имеется ввиду оболочка, сжимающая маг-
186
нитный поток независимо от того, какой это каскад на данный момент) и кри-
вую сохранения магнитного потока внутри порошкового цилиндра.
Во втором эксперименте со стандартным трехкаскадным генератором
с каскадами из проволочного композита начальное магнитное поле было увели-
чено до того же значения, как внутри порошкового цилиндра, - 190 кГс, разме-
ры каскадов стандартные: 28x35 и 12x18 мм. В этом опыте максимальное маг-
нитное поле немного меньше — 6,2 МГс, но процесс регистрации поля продол-
жался еще 1,5 мкс и удар по третьему каскаду не обнаружен, т. е* объем макси-
мального поля не менее 12 мм.
0 5 10 15 20
Г, мкс
Рис. 116. Внутренний диаметр лайнера 22(0, магнитное поле 5(0, его производная dB/dt
в разных масштабах и коэффициент сохранения потока ф(г) опыта с цилиндром-
утяжелением из порошкового композита. Трехкаскадный генератор (I—ПТ), утяжеляю-
щий слой из вольфрамового порошкового композита (W), точки на кривой B(f) — данные
оптической методики
Теперь по результатам обоих экспериментов можно напрямую сравнить
проводящие свойства проволочного и порошкового композитов для лайнера
большого начального диаметра и, привлекая результат описанного выше экспе-
римента с двухкаскадным генератором со вторым каскадом из порошкового
композита, для лайнеров малого диаметра. Это сделано на рис* 117, где приве-
187
дены отнормированные зависимости диаметра d = D/Da, магнитного поля
b = В/Вц и коэффициента сохранения магнитного потока ср(<£) для этих экспери-
ментов и ясно видно сильное затухание магнитного потока в порошковом лай-
нере большого диаметра и примерно одинаковое — в лайнерах небольшого (по-
рядка размеров второго каскада и менее) диаметра. Как следует из рис. 117, со-
хранение магнитного потока лайнером из вольфрамового порошка хуже, чем из
меднопроволочного композита, что можно объяснить только его меньшей про-
водимостью. Обнаруженная экспериментально плохая проводимость порошко-
вого композита в лайнерах большого диаметра становится понятной, если по-
смотреть на поперечное сечение обоих композитов (см. рис* 20, 114), При сжа-
тии проволочного композита для перемыкания проволочек необходимо, чтобы
проволочки слоя сдвинулись в радиальном направлении относительно соседнего
слоя на очень небольшое расстояние, равное толщине эмалевой изоляции про-
волочек* Это легко достигается при прохождении даже слабой ударной волны
у лайнеров любых размеров. А для хорошего замыкания частичек металла в по-
рошковом композите необходимо сжатие в двух направлениях — радиальном
и азимутальном* Такое двумерное сжатие композита происходит только на ма-
лых радиусах лайнера при высокой степени цилиндричности*
Рис. 117. Графики отнормированных зависимостей магнитного поля b = B/BQ и коэффи-
циента сохранения магнитного потока Ср ОТ относительного диаметра лайнера d = D/DQ
двух опытов с порошковым (сплошная линия) и проволочным (пунктир) композитами
каскадов: 1 - 1-й каскад МК-1, BQ = 190 кГс, D^ =139 мм, Dow = 134 мм; 2 - 2-й каскад
МК-1, Bow= 2,94 МГс, Воен = 2,31 МГс, Do = 28 мм
188
Таким образом, наиболее удобный и технологичный композит на основе
порошка металла можно эффективно применять в качестве материала лайнера
генератора МК-1 только для лайнеров (каскадов) небольшого (2-4 см) диаметра,
А для утяжеления 1-го каскада можно изготовить его из изолированных вольф-
рамовых проволочек (об этом в следующем разделе).
Вторая цель эксперимента с тяжелым слоем внутри проволочного соле-
ноида-оболочки - определить возможность увеличения конечного поля генера-
тора увеличением плотности вещества лайнера - в данном случае не была дос-
тигнута. А до тех пор, пока можно будет оценить эту возможность эксперимен-
тально, были выполнены расчеты каскадного генератора МК-1 в режиме без
магнитного поля, для того чтобы в чистом виде выделить влияние размерных
и массовых параметров каскадов генератора МК-1 на динамику их соударения
и схлопывания. Цель расчета — определение оптимального соотношения масс
каскадов генератора, при котором передаваемое от каскада каскаду количество
кинетической энергии максимально.
Как известно [218], для цилиндрического заряда ВВ со свободной наруж-
ной поверхностью оптимальная масса mi внутренней цилиндрической оболочки,
при которой достигается максимальный коэффициент преобразования энергии
ВВ в кинетическую энергию оболочки (около 35 %), составляет половину массы
ВВ. Поэтому в оптимальном по отбору энергии стандартном генераторе с соле-
ноидом из медных проволочек надо увеличить полную массу оболочки
в -4 раза. Увеличение массы оболочки до оптимальной путем увеличения числа
слоев проволочек нецелесообразно, так как это приведет к сильному увеличе-
нию толщины оболочки, уменьшению эффективности передачи энергии сле-
дующему каскаду, увеличению потерь магнитного потока и энергии в оболочке*
Увеличить массу первого каскада (соленоида-оболочки из плотноупако-
ванных медных проволочек с начальной плотностью около 6 г/см3) решили
добавлением слоя вольфрамового порошкового композита с начальной плотно-
стью 10 г/см3 (это значение предельное из-за резкого ухудшения электропрочно-
сти композита) непосредственно на внутренней поверхности каскада* Внутрен-
ние каскады генератора логично изготовить из такого же вольфрамового компо-
зита* В расчетах оптимальной конструкции варьировались толщина добавочного
слоя внутри первого каскада, наружный диаметр второго каскада, толщина
и диаметры третьего каскада* Критерием оптимальности является передача наи-
большей энергии последнему каскаду, т. е, чтобы после столкновения первого
каскада со вторым и второго с третьим переданная третьему каскаду кинетиче-
ская энергия была максимальна.
Сначала были выполнены численные газодинамические (без магнитного
поля) расчеты для генератора МК-1 10 МГс диапазона с цилиндрическим заря-
дом ВВ с погонными значениями массы твв = 880 г/см и энергии Евв =
= 4 МДж/см. Оптимальная по передаваемой кинетической энергии суммарная
погонная масса первого каскада (оболочки и слоя утяжеления) оказалась равной
mi = 300 г/см, при этом масса оболочки из проволочно-эпоксидного композита
100 г/см, масса утяжеления толщиной 2,4 мм 200 г/см* В варианте с легкой (без
189
утяжеления) оболочкой и каскадами из проволочного композита к моменту со-
ударения первого каскада со вторым погонная кинетическая энергия первого
каскада достигает 0,5 МДж/см, но второму каскаду после соударения передается
не более 70 кДж/см, а третьему — не более 25 кДж/см* В оптимальном случае
с вольфрамовыми каскадами и утяжелением на момент соударения первого кас-
када со вторым погонная кинетическая энергия оболочки с утяжелением почти
в два раза меньше (0,25 Мдж/см), но второму каскаду после соударения с ним
передано почти в два раза больше (130 кДж/см), а третьему каскаду - в два раза
больше (50 кДж/см) энергии*
Уточненная по результатам экспериментов с вольфрамовым композитом
численная модель генератора МК-1 теперь уже с магнитным полем позволила
найти оптимальную конструкцию и режим работы генератора с каскадами из
наиболее плотного композита, в том числе с тяжелым внутренним слоем перво-
го каскада [217], В этих расчетах была выбрана сравнительно простая зависи-
мость проводимости металл-полимерного композита от плотности тепловой
энергии и плотности вещества без учета влияния теплопроводности, эффекта
Холла и фазового состояния среды на проводимость; в уравнении состояния по-
лимерной компоненты композита пренебрегли фазовыми переходами из-за их
слабого влияния. Расчеты по данной модели показали, что сжатие магнитного
потока каскадами из плотного металл-полимерного композита эффективнее, чем
каскадами из менее плотного композита, состоящего из металлических проволо-
чек в эпоксидном компаунде.
Графики, приведенные на рис* 118, показывают, что в таком генераторе
конечное магнитное поле на 15—20 % больше, чем в стандартном каскадном ге-
нераторе с каскадами из композита на основе медных изолированных проволо-
Г, мкс
Рис. 118, Временные зависимости магнитного поля B(t) и линейной плотности кинетиче-
ской энергии Egft) для трех вариантов генераторов: стандартного (1), с тяжелым слоем
из медного композита (2) и с тяжелым слоем из вольфрамовою композита (3)
190
чек* Приведенные здесь же графики кинетической энергии третьего каскада по-
казывают, что увеличение конечного поля достигнуто увеличением кинетиче-
ской энергии* переданной третьему каскаду (для непосредственного выделения
роли тяжелого слоя здесь приведены результаты расчета генератора с таким же
по толщине дополнительным слоем из меднопроволочного композита).
Описанный порошковый материал очень технологичен, легко обрабатыва-
ется, его исходные параметры (главным образом, начальная плотность) регули-
руются очень просто, надо только следить за тем, чтобы электропроводность
материала в исходном состоянии была достаточно мала. Данный материал мож-
но применять и в других устройствах, использующих схлопывание проводящих
оболочек для преобразования кинетической энергии оболочки в другие виды
энергии [219],
7.2.4.2. Композит из изолированных вольфрамовых проволочек* Так
как увеличение плотности вещества первого каскада генератора МК-1, отби-
рающего энергию у взрывчатого вещества (которая затем должна быть преобра-
зована в энергию магнитного поля), остается привлекательной возможностью
увеличения максимальных значений магнитного поля, получаемых взрывом хи-
мического ВВ, то для реализации этой возможности приходится вернуться к ва-
рианту проволочного композита, но не из медных, а более тяжелых проволочек.
Практически единственным промышленно изготавливаемым вариантом такой
тяжелой изолированной проволочки является вольфрамовая, которую произво-
дит ограниченное число фирм, в том числе американская California Fine Wire
Со*, у которой было закуплено некоторое количество провода нужного диаметра
(0,008 дюйма) с формваровым (H.Formvar) изолирующим покрытием*
К сожалению, механические свойства такой проволоки - жесткость и уп-
ругость, которые намного выше, чем у медного провода, заставили полностью
изменить технологию изготовления узлов из такого композита* Наилучшим ва-
риантом было бы изготовление соленоида-оболочки (или его хотя бы несколь-
ких внутренних слоев) из вольфрамовой проволоки, но для этого надо разрабо-
тать новую или кардинально переделать существующую технологию намотки
соленоидов и технологическую оснастку, что при существующей ограниченно-
сти финансирования оказывалось до сих пор просто невозможным. В качестве
паллиатива было решено разработать технологию изготовления только компо-
зита, применяемого для внутренних каскадов генератора — из проволочек, плот-
но уложенных параллельно образующим цилиндра [220, 221]* Первым шагом
было изготовление второго каскада генератора МК-1 по новой технологии сна-
чала из медных, а затем из вольфрамовых проволочек.
Эксперименты по исследованию работы каскада из вольфрамовых прово-
лочек проводились с двух- и трехкаскадным генератором МК-1, первый и тре-
тий каскады которого изготовлены из медной проволоки* Режим запитки генера-
тора также стандартный с начальным магнитным полем 160 кГс* Цель экспери-
ментов - определение характеристик разных композитных материалов каскадов —
обосновала необходимость проведения в опыте надежных количественных из-
191
мерений несколькими методиками и каналами измерении. Основное изменение
конструкции генератора — второй каскад из вольфрамовой проволоки: внутрен-
ний и внешний диаметры 28 и 36 мм соответственно, длина -250 мм, масса
-780 г — почти в 2 раза больше массы меднопроволочного каскада. Оцененная
по этим данным (не измеренная непосредственно) удельная плотность вольфра-
мового композита —10 г/см3. Внешний вид каскада из вольфрамовых проволочек
отличается от медного лишь цветом проволочек; внутреннее строение каскада,
сделанного по новой технологии, было проконтролировано по разрезу изготов-
ленного по этой же новой технологии каскада из медных проволочек (разрезать
каскад из вольфрамовых проволочек жалко — дорого и технологически затруд-
нительно).
Эти эксперименты заслуживают более подробного рассказа и являются
гордостью экспериментальной группы благодаря тщательности подготовки
и проведения опыта, количеству методов диагностики и, самое главное, резуль-
тативности измерений и их совпадением. Традиционно в экспериментах произ-
водная магнитной индукции измерялась с помощью индукционных датчиков
начального (два датчика на наружной поверхности второго каскада) и усиливае-
мого магнитного поля (индукционные датчики в измерительном узле и на внеш-
ней поверхности третьего каскада в опыте с трехкаскадным генератором), ин-
дукция усиливаемого магнитного поля измерялась в трех каналах оптической
методики измерения на основе эффекта Фарадея на разных длинах волн зонди-
рующего света и в разных вариантах схемы измерения. Кроме того, оптической
методикой регистрировался также полный ток оболочки генератора. Схемные
характеристики оптических каналов приведены на рис. 119, Внешний диаметр
измерительного узла <6,5 мм.
Рис. 119. Схема каналов оптической методики: 1 — гелий-неоновый лазер ЛГ-38; 2 — по-
лупроводниковый лазер 0,85 мкм; 3 - полупроводниковый лазер 0,69 мкм; 4 — одномо-
довый полупроводниковый лазер 0,85 мкм; 5 — воздушный канал с зеркалами; 6 — свето-
вод 50/125; 6а — ступенчатый световод 50/125; 7 — флинт; 8, 9 - кварцевые датчики; 10 —
световод «панда»; 11 — одномодовый световод 6/125; 12 — одномодовый световод
100/140; 13 — полосовой фильтр; 14 — интерфилыр; 15 — фотоприемники
192
После совместной обработки всех сигналов (рис. 120) была получена кри-
вая усиления магнитного поля в исследуемом генераторе МК-1 (рис. 1211 см.
также цв. вкл.), где результаты интегрирования сигналов индукционной методи-
ки показаны непрерывной линией, а данные оптической методики — точками,
соответствующими экстремумам сигналов фарадеевского вращения.
Рис. 120. Осциллограммы сигналов оптической методики
Рис. 121, Усиление магнитного поля в трехкаскадном генераторе МК-1, второй каскад
которого выполнен из вольфрамовых проволочек: dB, ВВВЯ1 и 5НЕД2 — данные индукцион-
ной методики, точки — экстремумы сигналов оптической методики
193
Чтобы оценить эффективность работы нового композита* т. е, захвата им
и последующего усиления магнитного поля, надо сравнить результаты экспери-
ментов с имеющимися данными для каскадов из других материалов. Анализиро-
вались результаты трех экспериментов с трехкаскадным генератором МК-1
с одинаковыми первым и третьим каскадами, а для исключения влияния некото-
рых небольших различии в режиме работы генераторов анализируемые данные
приводились к относительным значениям,
В этом случае в качестве начальных данных были взяты внешний диаметр
второго каскада (Z>q) и значение магнитного поля в момент удара первого каска-
да по второму (Bq) и затем, используя наиболее разумную траекторию внутрен-
ней границы оболочки (второго каскада и затем третьего), строилась кривая из-
менения коэффициента сохранения магнитного потока внутри этой границы
ср(/) — BD2/в зависимости от ее относительного диаметра D/Dq. И в дан-
ном случае для построения «разумной» траектории внутренней границы за
опорные точки траектории взяты определяемые по перелому сигнала ин-
дукционных датчиков (переход к резкому росту) моменты начала движения
внутренней границы соответствующего каскада. Эти точки траектории соеди-
няются линией, физичность («разумность») которой проверяется кривой сохра-
нения магнитного потока: он, по идее, должен по мере схлопывания оболочки
монотонно уменьшаться.
Рис. 122. Кривые сохранения магнитно-
го потока при схлопывании второго
и третьего каскадов трехкаскадного ге-
нератора МК-1, Второй каскад изготов-
лен из медных проволочек (Си), вольф-
рамовых проволочек (W) и композита из
вольфрамового порошка и фторопласто-
вого связующего (W + Фтпп)
Результаты описанной процедуры
приведены на рис. 122 в виде кривых
сохранения магнитного потока для кас-
кадов из медных и вольфрамовых про-
волочек и из порошкового композита.
Там же показаны начальные границы
каскадов. Рисунок демонстрирует, что
если захват магнитного потока всеми
тремя материалами происходит одинако-
во эффективно, то вторые каскады сжи-
мают магнитный поток по-разному: кас-
кады из проволочек — с одинаковой ско-
ростью падения магнитного потока, кас-
кад из порошка — с заметно худшим со-
хранением потока. Таким образом, рабо-
тоспособность нового материала из
вольфрамовых проволочек доказана, есть
прямой смысл изготовить и испытать
утяжеляющий слой из нового композита.
194
7.3. Возможности каскадных генераторов МК-1 с большим зарядом ВВ
Два описанных в предыдущей главе генератора МК-1 с большим зарядом
ВВ различаются не только размерами первых каскадов-соленоидов, но и диапа-
зонами конечных полей и, соответственно, областью применения. Генератор
с большим соленоидом и большим зарядом ВВ («большой» генератор) по сути
является источником полей того же 10 МГс диапазона, но в увеличенном в разы
объеме* Средний генератор, как убеждают результаты его численного модели-
рования и экспериментального тестирования, является источником магнитных
полей 20 МГс диапазона. В принципе, к обоим генераторам применимы рас-
смотренные выше приемы увеличения конечного поля (при очевидном и объяс-
нимом преобладании расчетов над экспериментальной проработкой). Самый
простой прием - изменение режима работы, конкретно - уменьшение начально-
го магнитного поля. Результаты соответствующего численного моделирования
режимов работы этих генераторов с разными начальными полями приведены
на рис* 123* Оказалось, что диапазон реально пригодных для применений маг-
нитных полей в этих генераторах примерно одинаков и ограничен сверху
-20 МГс: в большом генераторе - чуть меньше, в среднем — чуть больше* Даль-
нейшее увеличение конечного поля приводит к существенному уменьшению
диаметра объема конечного поля и, соответственно, увеличению вероятности
преждевременного разрушения измерительного узла*
Рис. 123. Зависимости конечного магнитного поля и радиуса объема конечного поля
гап от начального магнитного поля BQ для большого (а) и среднего (б) трехкаскадных
генераторов МК-1
195
Численная модель генераторов позволяет оценить механизм и результаты
использования и других способов увеличения конечного магнитного поля* Рас-
сматривая режимы работы генераторов с предельными конечными полями, от-
метим общее свойство каскадных генераторов: основное усиление магнитного
поля на мегагауссном уровне - с единиц до десятков МГс — в этом случае осу-
ществляет третий, самый маленький каскад генератора. Именно его кинетиче-
ская энергия определяет максимальное поле в генераторе* Поэтому эффектив-
ность любого способа увеличения конечного поля генератора можно оценивать
количеством кинетической энергии, приобретаемой третьим каскадом, которая
затем преобразуется в энергию магнитного поля. Сравнение способов облегча-
ется тем, что во всех генераторах внутренние каскады одинаковы по размерам,
меняется только материал каскада.
На рис* 124 приведены зависимости линейной плотности энергии третьего
каскада разных генераторов от диаметра внутренней границы каскада — это по-
зволяет не только сравнить значения кинетической энергии, но и проследить
динамику ее накопления и преобразования в энергию магнитного поля (и, ко-
нечно, внутреннюю энергию вещества каскада)* Кривые I и 2 для малого гене-
ратора с начальным полем 160 и 80 кГс объясняют, почему конечное поле
во втором случае больше, и показывают, что достигается это большее поле
§
*
Рис. 124* Погонная кинетическая энергия третьего каскада генераторов разных размеров
в зависимости от внутреннего диаметра каскада: 1 — малый генератор с начальным по-
лем 160 кГс; 2 — малый генератор с начальным полем 80 кГс; 3 - средний генератор
с начальным полем 100 кГс; 4 - средний генератор с начальным полем 100 кГс и тяже-
лым первым каскадом из вольфрамового композита; 5 - средний генератор с начальным
полем 100 кГс и тремя каскадами из вольфрамового композита; 6 — большой генератор
С начальным полем 20 кГс и тремя каскадами из вольфрамового композита
196
на существенно меньших рад иусах лайнера, но все еще в пригод ном д ля примене-
нии диапазоне - более объявленного выше предельного значения конечного ра-
диуса -2,5 мм. Кривые 3-5 - для среднего генератора с каскадами из меднопро-
волочного композита, с первым каскадом из вольфрамового композита и всеми
тремя каскадами из вольфрамового композита соответственно (в расчетах пред-
полагается, что соленоид-лайнер изготовлен из изолированного вольфрамового
провода); они демонстрируют, что, во-первых, кинетическая энергия третьего
каскада этого генератора больше, чем у малого генератора, и, во-вторых, что она
последовательно растет с заменой меднопроволочного композита на более тя-
желый вольфрамовый. Важно также, что полное преобразование кинетической
энергии заканчивается близко от практически разумных значений конечного ра-
диуса. Наконец, наибольшее значение кинетической энергии приобретает третий
каскад в большом генераторе с начальным полем 20 кГс и каскадами из вольф-
рамового композита (кривая 6). Максимальное поле в этом случае приближается
к 30 МГс, но и конечный радиус полости с этим полем уже предельно мал —
менее 2 мм.
Анализ результатов применения рассмотренных в данной главе изменений
конструкции и поиска оптимальных режимов работы каскадных генераторов
МК-1 уже на данном этапе позволяет выделить основные закономерности, опре-
деляющие значения предельно достижимых магнитных полей [222, 223]*
1. Для увеличения конечного поля генератора МК-1 можно уменьшать на-
чальное магнитное поле и/или увеличивать плотность вещества каскадов, но при
этом уменьшается радиус объема конечного поля, поэтому такими приемами
можно пользоваться только при наличии достаточного «запаса» по конечному
радиусу.
2. Увеличение энергетики генератора увеличением диаметра и массы за-
ряда ВВ также приводит не только к увеличению конечного поля, но в условиях
естественного ограничения размеров заряда ВВ и минимального радиуса лайне-
ра значение конечного магнитного поля находится в пределах 20 МГс*
3. Уменьшение начального поля в генераторах с увеличенными габарита-
ми приводит не только к увеличению конечного поля, но и к существенному
уменьшению конечного радиуса* В этом случае придется набором количества
экспериментов дожидаться редкого случая сочетания необходимого режима
работы генератора и уникально высокой степени симметрии схлопывания кас-
кадов генератора, позволяющей продлить процесс измерения поля датчиком
небольшого диаметра до конца (или почти до конца) процесса усиления, как, по-
видимому, это произошло в эксперименте 1998 г„ когда было зарегистрировано
магнитное поле более 28 МГс.
Продвигаясь к границе диапазона полей, генерируемых с помощью хими-
ческого ВВ, приходится находить оптимальное соотношение между техниче-
ской и практической возможностями. Иначе говоря, в случае возникновения не-
обходимости в проведении большого объема исследований в экстремально
сильных магнитных полях, полученных в настоящее время только в единичных
экспериментах с рекордными результатами, ценность получаемых результатов
197
должна превышать материальные и финансовые затраты на создание и изготов-
ление генераторов и проведение экспериментов.
Очень заманчивой и многообещающей по широте области применений
и предполагаемым результатам является рассматриваемая в последнее время
возможность объединения в один комплекс взрывозащищенной камеры и сис-
темы из нескольких расположенных вокруг нее рентгеновских установок с мно-
гократной экспозицией снимка. Затраты на такой комплекс окупятся многократ-
но возросшей информативностью отдельного эксперимента» в котором можно
получить данные сразу обо всем быстропротекающем процессе. Разумно и целе-
сообразно дополнить такой комплекс специально сконструированным для него
взрывомагнитным генератором МК-1 с его сверхсильными магнитными полями
и/или мегабарными давлениями, отвечающим критерию максимальности вы-
ходных параметров при естественном для взрывной камеры ограничении на ко-
личество ВВ в эксперименте (хотя такое ограничение либо уменьшение количе-
ства ВВ максимально сокращает расстояние от объекта исследования до средств
измерений). Конечно, хотелось бы, чтобы это был генератор полей 20 МГс диа-
пазона, так как это существенно расширит возможности экспериментальных ис-
следований свойств веществ в экстремальных условиях. Например, переход
к 20 МГс полям позволит вчетверо — примерно до 15-20 Мбар — увеличить пре-
дельные значения давления в веществе, изэнтропически сжатом давлением
сверхсильного магнитного поля.
В этом случае уже не избежать затрат времени и ресурсов на проектирова-
ние, создание технологии изготовления и тестирование нового семейства заря-
дов ВВ, скорее всего, из новых мощных энергетических материалов, разработку
технологии изготовления всех каскадов генератора из вольфрамовой изолиро-
ванной проволоки и т, п. Можно в какой-то степени говорить о новом поколении
генераторов, предназначенных для более широкого применения в физических
исследованиях.
Работы в этом направлении только начинаются, поэтому основной упор
делается на предварительные оценки, расчеты и численное моделирование, при-
чем тоже на более высоком уровне, используя дву- и трехмерные численные
полномасштабные МГД модели, успешно разрабатываемые группой программи-
стов В. В. Руденко* Обращение к многомерным моделям вызвано в том числе
необходимостью уменьшать массу заряда ВВ за счет уменьшения его длины
и определения оптимальной (в смысле продольного размера) области однород-
ного конечного поля длины заряда.
В наиболее близком к практическому осуществлению начальном варианте
нового генератора 20 МГс полей для уменьшения материальных и временных
затрат целесообразно использовать все-таки изготавливаемый во ВНИИЭФ за-
ряд из ВВ типа 973 в виде диска диаметром 480 мм, толщиной 70 мм, в котором
сверлится отверстие под лайнер нужного диаметра* Задачей начального этапа
работы (в данном случае — эскизного проектирования) является определение ко-
личества используемых дисков и диаметра отверстия в них для лайнера.
198
Двумерные газодинамические расчеты генератора со стандартным (ма-
лым) соленоидом-лайнером показали, что применение коротких зарядов ВВ
с увеличенным до 48 см диаметром позволяет ограничить массу ВВ примерно до
25 кг, но область однородного поля очень короткая - не более 3—5 см. Это не
очень страшно, так как диаметр объема максимального поля в планируемом ге-
нераторе также сильно уменьшен (по сравнению с ~1 см малого генератора)
и отношение длина/диаметр объема максимального поля, определяющее одно-
родность поля, будет большое. Масса ВВ вдвое более длинного заряда ВВ диа-
метром 48 см даже из наиболее мощного ВВ - не более 40 кг, продольный раз-
мер объема однородного максимального поля достигает 8—10 см, что позволит,
например, получать более отчетливые и информативные рентгеновские снимки
или одновременно изучать два и более образцов.
Расчеты — пока одномерные — стандартного генератора с полем и увели-
ченным зарядом ВВ показали, что для достижения цели запланированной разра-
ботки — 20 МГс диапазона поля в диаметре не менее 5 мм - малый генератор не
подходит. Поэтому, оставаясь в жестких условиях ограничения количества ВВ,
был взят средний генератор с зарядом самого мощного ВВ диаметром 48 см
и тяжелыми каскадами из вольфрамового композита, причем в первом каскаде -
соленоиде-лайнере — это просто внутренний утяжеляющий слой толщиной 3 мм.
Максимальное расчетное магнитное поле в таком генераторе достигло 21 МГс
на диаметре 5 мм. Таким образом, этот вариант генератора можно взять за осно-
ву конструкции будущих генераторов МК-1 магнитных полей 20 МГс диапазо-
на. Для полноты картины состояния этого генератора в максимуме поля приве-
дем на рис. 125 соответствующие радиальные распределения плотности вещест-
ва и магнитной индукции [224, 225].
На графике радиального
распределения плотности вещест-
ва рй(г) отчетливо видны плотные
металлокомпозитные слои всех трех
каскадов, но главный результат рас-
чета — наличие достаточно плотного
(—2,5 г/см3) и непроводящего (маг- Д
нигное поле в нем постоянно) слоя J
разогретого вещества впереди
третьего каскада* Несколько уди-
вительно, но из графика распреде-
ления магнитного поля по сечению
Рис. 125. Фрагмент радиального распределе-
ния плотности вещества р0 и магнитной ин-
дукции В сразу после максимума магнитного
поля в малом генераторе МК-1 с зарядом ВВ
диаметром 48 см и каскадами из вольфрамо-
вого композита
каскадов следует, что и материал
второго каскада непроводящий —
вопрос для продолжения работы
над численной моделью и экспе-
риментов для ее уточнения.
Учитывая непревзойденную
до настоящего времени (и, скорее
199
всего, в обозримом будущем) уникальную комбинацию предельных характери-
стик взрывомагнитного метода генерирования сверхсильных магнитных полей:
значение магнитного поля, размеры объема с полем, намного меньшая по срав-
нению со стационарными установками стоимость, есть смысл оценить парамет-
ры гипотетического генератора с самым большим, но технически осуществимым
зарядом ВВ*
Исходные параметры такого заряда уже оценивались в начале главы: на-
чальный диаметр заряда ВВ -1м, масса ВВ менее 500 кг. Начальные конструк-
тивные размеры каскадного генератора можно взять у большого генератора МК-1,
первый каскад-соленоид и внутренние каскады изготовить из вольфрамопрово-
лочного композита с начальной плотностью вещества 10 г/см3, внешний диаметр
заряда ВВ, например, 90 см, начальное магнитное поле 50 кГс,
Результаты численного моделирования этого гипотетического (пока?) ге-
нератора приведены на рис. 126 в предельно упрощенном виде графиков изме-
нения во времени магнитного поля на оси генератора и радиуса объема с полем
(внутреннего радиуса третьего каскада). Расчеты показали, что предложенный
гипотетический генератор является источником полей теперь уже 30 МГс диапа-
зона, конечные поля этого диапазона достигаются в объеме диаметром -5 мм.
Результаты расчетов еще раз дока-
Рис. 126, Магнитное поле B(t) и внут-
ренний радиус гз(0 третьего каскада
гипотетического большого трехкаскад-
ного генератора МК-1 с зарядом мощ-
ного ВВ массой -500 кг, каскадами из
вольфрамового композита и начальным
магнитным полем 50 кГс
зывают, что предельные значения даже
в таком высокоэнергетичном варианте
генератора МК-1 не превышают достиг-
нутых в настоящее время величин (ско-
рость лайнера не может превысить скоро-
сти детонации!), но увеличенный размер
полости с этим полем позволяет надеять-
ся на меньшую зависимость результатов
экспериментов от симметрии схлопыва-
ния каскадов и, следовательно, более вы-
сокую воспроизводимость результатов.
Для преодоления данного порога дости-
жимых магнитных полей требуется пере-
ход к другим видам взрывчатых веществ,
например, к атомному взрыву или лазер-
ной абляции.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Создание высоких концентраций энергии и изучение свойств вещества
в экстремальных условиях определяют прогресс во многих областях современ-
ной физики. Сверхсильные магнитные поля предоставляют для этого уникаль-
ные возможности. Проблема воспроизводимого генерирования сверхсильных
магнитных полей (более ~1 МГс) имеет достаточно четко выраженное практиче-
ское значение* Надежно работающий источник многомегагауссных полей явля-
ется очень полезным прибором, позволяющим проводить исследования свойств
веществ на пределе доступных в настоящее время значений плотности энергии,
взаимодействующей с веществом (плотность энергии поля в 20 МГс составляет
16 МДж/см3)* Среди очень небольшого набора возможных источников таких по-
лей выделяются взрывные устройства сжатия магнитного потока (магнитокуму-
лятивные генераторы типа МК-1)*
Вспомним еще раз основные этапы работы группы А. И. Павловского по
созданию источника сверхсильных магнитных полей, конечным результатом
которой стал метод магнитокумулятивной генерации воспроизводимых сверх-
сильных магнитных полей* В качестве исходной предпосылки для создания ме-
тода получения сверхсильного магнитного поля в полости относительно боль-
шого диаметра был взят принцип ограничения степени сжатия магнитного пото-
ка, который следовал из возможности нарушения динамической устойчивости
оболочки при большом изменении ее диаметра. Создание генератора с необхо-
димыми для этого начальным диаметром и отношением кинетической энергии
оболочки к энергии начального магнитного поля было связано с решением
сложной задачи получения начального магнитного поля порядка 150 кГс в дос-
таточно большом объеме* Принципиально новый подход к решению этой задачи
был найден на пути объединения функций соленоида начального магнитного
поля и оболочки, сжимающей магнитный поток, в едином устройстве — соленои-
де-оболочке из меднопроволочного композита с управляемой электропроводимо-
стью* Конструкция соленоида-оболочки защищена авторским свидетельством.
Исследование генератора с МК-1 с увеличенными начальными параметра-
ми впервые экспериментально показало, что критическим ограничением кумуля-
ции магнитной энергии является потеря устойчивости границы вещество — поле.
В условиях сильного разогрева внутреннего слоя вещества и ускорения противо-
давлением магнитного поля появляется канал более быстрого, чем сжатие магнит-
ного потока, преобразования кинетической энергии оболочки в тепло. В результате
процесс магнитной кумуляции прекращается, и ответственными за это являются,
по-видимому, быстро развивающиеся неустойчивости типа Рэлея — Тейлора*
Дальнейшее развитие метода генерации сверхсильных магнитных полей
базировалось на сформулированном и осуществленном способе стабилизации
процесса магнитной кумуляции энергии методом каскадирования — сжатия маг-
201
нитного потока не одной оболочкой, а системой коаксиальных оболочек-
каскадов также из композитного материала с управляемой проводимостью. Пер-
вым каскадом при этом считается соленоид-оболочка. Предложено, изготовлено
и изучено несколько вариантов композитного материала, в том числе с увели-
ченной начальной плотностью вещества, для внутренних каскадов генератора
и утяжеления первого каскада* На один из вариантов композита получен патент
РФ. Их применение в ряде случаев приводит к увеличению конечного поля кас-
кадного генератора*
В результате цикла исследований, включавшего большой объем расчет-
ных и экспериментальных работ, изучены физические процессы при магнитной
кумуляции в каскадном генераторе, экспериментально показана стабилизирую-
щая роль каскадирования, определено число и место расположения каскадов,
созданы серийно изготавливаемые конструкции каскадных генераторов трех
размеров: малого, ставшего надежным источником воспроизводимых магнит-
ных полей 10 МГс диапазона, среднего - источника магнитных полей 20 МГс
диапазона — и большого, который стал основой атомного магнитокумулятивного
генератора*
Наличие нескольких конструкций каскадных генераторов, охвативших
большой диапазон начальных параметров, позволило исследовать предельные
возможности магнитокумулятивного способа генерирования сверхсильных маг-
нитных полей в условиях рационального сочетания объемов экспериментальных
и расчетных этапов. Расчетные этапы исследований проводились с помощью
двух модернизированных численных моделей, учитывающих полученные в спе-
циально выполненных экспериментах с генераторами трех разных размеров
данные об уравнении состояния и проводимости новых композитных материа-
лов* Это позволило сократить дорогостоящую экспериментальную часть про-
граммы исследований, получить большой объем данных о возможностях генера-
торов разных конструкций в широком (иногда практически труднодостижимом)
диапазоне режимов их работы*
Для увеличения конечного поля генератора МК-1 можно уменьшать на-
чальное магнитное поле и/или увеличивать плотность вещества каскадов, но при
этом уменьшается радиус объема конечного поля. Поэтому такими приемами
можно пользоваться только при наличии достаточного «запаса» по конечному
радиусу (существующего у малого генератора).
Увеличение энергетики генератора увеличением диаметра и массы заряда
ВВ в среднем и большом генераторах МК-1 также привело к увеличению конеч-
ного поля, но в условиях естественного ограничения размеров заряда ВВ и ми-
нимального радиуса лайнера значение конечного магнитного поля оказалось
в диапазоне 20 МГс. Уменьшение начального поля и в увеличенных генераторах
приводит к увеличению конечного поля, но также к существенному уменьше-
нию конечного радиуса* В этом случае придется дожидаться редкого случая со-
четания необходимого режима работы генератора и уникально высокой степени
симметрии схлопывания каскадов генератора, позволяющей продлить процесс
измерения поля датчиком небольшого диаметра до до конца (или почти до кон-
202
ца) процесса усиления (как, по-видимому, это произошло в эксперименте
1998 г,, когда было зарегистрировано магнитное поле более 28 МГс)*
Проанализированы результаты расчетно-экспериментального исследова-
ния некоторых возможностей увеличения конечного поля генераторов МК-1 до
предельных значений при условии достижения необходимых для применений
стабильности генерирования и объема конечного магнитного поля* Показано t
что предельные значения конечного магнитного поля при минимально допусти-
мом значении конечного радиуса (-2,5 мм) составляют -13 МГс в малом кас-
кадном генераторе МК-1, >20 МГс в среднем и большом генераторах МК-1, но
в большом генераторе они достигаются при большей степени сжатия лайнера
и поэтому требуют лучшей симметрии схлопывания лайнера. Самостоятельный
интерес для возможных применений большого генератора может представлять
экспериментально изученный режим его работы с большим начальным полем,
когда в объеме диаметром порядка 2 см достигаются поля более 8 МГс и при
этом время существования магнитного поля амплитудой более 6 МГс превыша-
ет 3 мкс* Более высокие значения могут быть получены в условиях редкого со-
четания необходимого режима работы и улучшенной симметрии сжатия каска-
дов, поэтому вероятность воспроизводимого получения таких полей для практи-
ческих применений недостаточно высокая*
Дальнейшее увеличение максимального магнитного поля возможно лишь
с переходом от обычного ВВ к более мощному источнику энергии - атомной
энергии. Рассмотрение двух схем атомных МК-генераторов показало реальную
осуществимость этой идеи, а подготовленные схемы демонстрационных экспе-
риментов по получению полей >100 МГс в подземных взрывах небольшой мощ-
ности могут оказаться своевременными и полезными при отмене моратория на
ядерные испытания хотя бы в интересах чисто фундаментальных исследований*
В результате проделанной работы предложенная А. Д. Сахаровым идея
магнитной кумуляции энергии развита до уровня физического метода получения
сверхсильных магнитных полей с присущими методу глубиной понимания сущ-
ности физических процессов и закономерностей при магнитной кумуляции,
взаимосвязей начальных и конечных параметров применяемых устройств* Раз-
работаны конструкции физических приборов - каскадных генераторов сверх-
сильных магнитных полей 10 и 20 МГс диапазонов. Разработаны приемы внед-
рения созданного метода в практику научных исследований, что позволило про-
водить систематические исследования в фундаментальных направлениях физи-
ки: физике твердого тела (оптические, магнитные, транспортные свойства ве-
ществ), физике свойств веществ в экстремальных условиях (изэнтропическое
сжатие давлением мегабарного диапазона)*
Параллельно с непрекращающейся работой по разработке новых конст-
рукций и модернизации имеющихся генераторов МК-1 проводились интенсив-
ные систематические исследования свойств веществ в экспериментах с генера-
тором МК-1* При этом в конструкцию генератора вносились необходимые для
конкретного исследования изменения, например: изменялся размер внутреннего
каскада для размещения внутри него криостата для охлаждения образца, вноси-
203
лись элементы управления формой импульса поля, подбирался режим работы
генератора и т* п* Большие усилия были затрачены на создание устройства для
изэнтропического сжатия вещества давлением сверхсильного магнитного поля
генератора МК-1 при нормальной и криогенной температурах. К началу
XXI века во ВНИИЭФ проведено более семисот экспериментов с малым каскад-
ным генератором МК-1, два десятка со средним и несколько взрывных экспери-
ментов с большим генератором* Получен большой объем экспериментальной
информации как о физических процессах, происходящих при магнитной куму-
ляции, так и о свойствах веществ в сверхсильных магнитных полях и при сверх-
высоких давлениях* Описания конструкций генераторов сверхсильных магнит-
ных полей, содержание и результаты исследовании, выполненных с их помо-
щью, полностью опубликованы в статьях и докладах на международных конфе-
ренциях* В 1999 г* группе под руководством А. И. Павловского (посмертно) бы-
ла присуждена Государственная премия Российской Федерации (указ подписал
Б. Н* Ельцин, дипломы вручал В* В* Путин, рис. 127)*
Рис. 127. Лауреаты Государственной премии РФ после награждения.
Слева направо: А* А. Карпиков, М. М. Харламов, О. М* Таценко, Н. П. Колокольчиков,
президент В. В, Путин, А* И. Быков, М. И. Долотенко
Среди ограничений, а точнее, препятствий, которые необходимо будет
учитывать и стараться преодолевать при планировании исследований, можно
назвать взрыв, сопровождающий каждый эксперимент, необходимость импульс-
ного источника начального тока генератора МК-1 амплитудой несколько мега-
ампер, однократный характер эксперимента, что требует либо использования
непрерывных методик регистрации, либо многократного повторения экспери-
мента с регистрацией в различные моменты процесса сжатия* При выводе ин-
формации из объема сжатия необходимо учитывать наличие переходных облас-
204
тей из объема с максимальным воздействием на вещество (нагружением) в сво-
бодное пространство, что может оказаться критическим, например, для прохож-
дения зондирующего излучения.
Конечно, эксперимент с магнитокумулятивным генератором МК-1 доста-
точно сложен и дорог, обладает присущими взрывному однократному экспери-
менту недостатками, но достигнутый уровень развития метода магнитокумуля-
тивной генерации позволяет при условии рационального планирования, тща-
тельной подготовки и безошибочного проведения эксперимента с почти стопро-
центной вероятностью получать запланированные результаты. Ценность этих
результатов, невозможность их достижения другими средствами оправдывают
стоимость эксперимента.
Наконец, еще одна особенность метода магнитной кумуляции, являющая-
ся следствием, с одной стороны, сложности и дороговизны эксперимента и,
с другой стороны, научной ценности результатов эксперимента со сверхсильным
магнитным полем при проведении фундаментальных исследований (на нее не-
однократно указывали основатели магнитной кумуляции), — это возможность
и целесообразность организации международного сотрудничества в данной
области, в том числе с применением атомных магнитокумулятивных генерато-
ров, Открывшаяся возможность применения каскадного генератора МК-1
в проведении фундаментальных исследований в сверхсильных магнитных по-
лях и отсутствие предложений по его применениям в работах по оружейной
тематике позволили (одновременно с известными изменениями в стране нача-
ла 1990-х гг.) научному руководителю группы академику А. И. Павловскому
создать новый, международный аспект деятельности — то, что не удалось сде-
лать ни А, Д, Сахарову, ни Ю* Б, Харитону. Работы в этом направлении после
неожиданной смерти А, И. Павловского в феврале 1993 г. были продолжены и
интенсивно развиваются под руководством и при непосредственном участии
директора НТЦФ В. Д. Селемира.
Реальность такого сотрудничества доказали успешные результаты россий-
ско-американской серии экспериментов «Дирак» (США, ЛАНЛ), а затем —
регулярно проводившихся во ВНИИЭФ по инициативе В. Д. Селемира между-
народных научно-практических семинаров «Капица» с участием российских
и иностранных физиков (с обязательным проведением двух-трех экспериментов
с генератором МК-1 в течение семинара). Сотрудниками НТЦФ были организо-
ваны и блестяще проведены две международные конференции по вопросам по-
лучения и применений мегагауссных магнитных полей Мегагаусс-УП (1997 г.)
и Мегагаусс-1Х (2002 г.).
В заключение хочется напомнить еще об одном очень перспективном по
результатам направлении международного сотрудничества - мечте А. Д. Саха-
рова и А. И. Павловского о возможности осуществления магнитной кумуляции
атомной энергии. Экспериментальное осуществление такого способа преобра-
зования ядерной энергии могло бы стать существенным вкладом в фундамен-
тальные основы физики высоких плотностей энергии, открыть возможности для
широкого спектра применений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1, Schlickeiser R. Cosmic magnetization: from spontaneously emitted aperiodic
turbulent to ordered equipartition fields И Phys* Rev. Lett* 2012* Vol* 109* P. 26110L
2, Shin'ichiro Ando, Kusenko A* Evidence for gam ma-ray halos around active
galactic nuclei and the first measurement of intergalactic magnetic fields // Astro-
physical J. 2010. Vol. 722(1)* P. L39*
3* Physics World* November 2003 [Electronic resource]* - http://www. physic-
sweb.org/toc/wordl/16/11 *
4, Самый мощный в мире магнит для исследований может быть создан
в РФ (РИА-Новости) [Электронный ресурс]* — http://ria.ru/science/20130530/
940331706*html#ixzz2WNtgTRi4.
5* Сильные и сверхсильные магнитные поля и их применения / Под ред.
Ф. Херлаха* - М.: Мир, 1988* С. 10.
6. Сахаров А. Д. Взрывомагнитные системы и некоторые возможности их
использования И Атом, 2001. С* 40—43*
7* Павловский А* И. Воспоминания разных лет И «Он между нами жил.*.»
Воспоминания о Сахарове. — М.: Практика, 1996*
8* Павловский А. И*, Людаев Р. 3. Магнитная кумуляция энергии (история
и современное состояние) И Вопросы атомной науки и техники. Сер. Матем. мо-
делирование физ. процессов. 1992. Вып, 4* С. 3—18.
9* Пляшкевич Л. Н, Начала магнитной кумуляции И Атом, 2006, № 32*
С, 6-10,
10* Терлецкий Я. П* Получение сверхсильных магнитных полей путем бы-
строго сжатия проводящих оболочек И ЖЭТФ, 1957. Т* 32* Выл* 2* С. 387-388*
И, Сахаров А* Д., Людаев Р, 3*» Смирнов Е, Н* и др. Магнитная кумуля-
ция//ДАН СССР, 1965. Т, 165, № 1. С* 65-68*
12, Сахаров А. Д. Магнитная кумуляция И УФН. 1966. Т, 88. Вып, 4.
С, 725-731,
13, Fowler С* М*, Gam W, В., Caird R. S. Production of very high magnetic
fields by implosion // J* Appl* Phys, 1960. Vol, 31, No 3* P, 588-594,
14, Fowler С* M, Megagauss field application. LANL Informal Report
LA-5065-MS, October 1972*
15, Fowler С* M, Viewpoint of an aging physicist on achievements and pros-
pects of explosive sources of energy and magnetic fields // Гидродинамика высоких
плотностей энергии / Под ред. Г* А. Швецова* — Новосибирск: Изд-во Института
гидродинамики СО РАН, 2004, С* 37-44*
16* Павловский А. И* Воспоминания разных лет И УФН. 1991* Т* 161* Вып. 5*
С. 137-152,
17, Brin А„ Besancon J. Е., Champetier J. L. et al. Magnetic field compres-
sion // Proc, conf* on Megagauss magnetic field generation by explosives and related
206
experiments* Frascati, 21—23 September, 1965 / Eds. Knoepfel H., Herlach F* — Brus-
sels: Euratom, 1966* P. 21.
18. Knoepfel H., Herlach F, Megagauss magnetic field generation by flux com-
pression // Ibid* P* 147*
19. Nakagava Y*, Syono Y*, Miura S* et al. Production of ultrahigh magnetic
fields by explosive driven flux-compression //Sci, Rep* Res. Inst* Tohoku Univ* A.
1974. Vol* A25, Nol*P* 1*
20. Besan^on J, A*, Morin J*, Vedel J* M. et al* Production de champ magneti-
que intense par implosion e tubes en cuivre non fendus // C.r* Acad* Sci. 1970*
Vol* 271, No 7* P. 237.
21. Megagauss magnetic field generation by explosives and related experi-
ments / Eds, Knopfel H*, Herlach F. — Brussels: Euratom, 1966.
22. Megagauss physics and technology / Ed. by P* J. Turchi. - N.Y-London:
Plenum Press, 1980*
23. Сверхсильные магнитные поля: физика, техника, применение / Под
ред. В, М* Титова, Г. А. Швецова. — М*: Наука, 1984,
24. Megagauss technology and pulse power applications / Eds* Fowler С* M*,
Caird R, S*, Erickson D* J, - N.Y -London: Plenum Press, 1987.
25, Megagauss fields and pulsed power system / Eds, Titov V* M„ Shvetsov G. A, -
N.Y*: Nova Sci. Publ* Inc*, 1990.
26. Megagauss magnetic field generation and pulsed power application I Eds.
Cowan M*, Spielman R* B. - N*Y.: Nova Sci* Publ. Inc., 1994*
27. Мегагауссная и мегаамперная импульсная технология и применения /
Под ред. В, К* Чернышева, В, Д, Селемира, Л* Н* Пляшкевина* — Саров: РФЯЦ-
ВНИИЭФ, 1997*
28. Megagauss magnetic field generation, its application to science, and ultra-
high pulsed-power technology I Ed* by Schneider-Muntau H* J* - Singapore: World
Sci* Publ, Co* Pte* Ltd, 2004.
29. Megagauss IX: Proc, of the Int* conf* on Megagauss magnetic field genera-
tion and related topics I Eds* Seiemir V* D*, Plyashkevich L* N* — Sarov: RFNC-
VNUEF, 2004*
30. Megagauss X: Proc, of the Int* conf, on Megagauss magnetic field genera-
tion and related topics / Ed* by M* von Ortenberg, - Berlin: Humboldt Univ, at Berlin,
2005,
31. Megagauss XI: Proc, of the Int* conf* on Megagauss magnetic field genera-
tion and related topics / Eds. Smith I„ Novac B* — London: Loughborough University,
2007,
32* Megagauss-ХП: Proc* of the Int* conf, on Megagauss magnetic field genera-
tion and related topics / Ed. by Shvetsov G, A* — Новосибирск: Изд-во Института
гидродинамики СО РАН, 2011.
33* Megagauss-ХШ: Proc* of the Thirteenth Int, conf* on Megagauss magnetic
field generation and related topics / Eds. Sun Chengwei, Liu Cang. - Suzhou, China,
2010.
207
34, Megagauss-XIV: Proc, of the Int* conf, on Megagauss magnetic field gen-
eration and related topics* Wailea, Maui, Hawaii, USA, 14-19 October, 2012 / Eds*
Kiuttu G. F*, Struve K* W*, Degnan J* H* - Sarov: RFNC-VNUEF, 2015*
35* Proc* of the 2006 Int. Conf* on Megagauss magnetic fields generation and
related topics* Santa Fe, NM, USA, 5-10 November, 2006* IEEE Catalog Number:
CFP06MEG-CDR, 2008.
36* Fowler С* M* Overview of the Los Alamos flux compression program H
Megagauss magnetic field generation and pulsed power application I Eds* Cowan M.,
Spielman R* B* - N.Y*: Nova ScL Publ. Inc*, 1994* R 3-8.
37* Fowler C*, Thomson D., Gam W* Explosive flux compression: 50 years of
Los Alamos activities H Megagauss magnetic field generation, its application to sci-
ence, and ultra-high pulsed-power technology I Ed. by Schneider-Muntau H* J. - Sin-
gapore: World Sci. Publ* Co. Pte* Ltd, 2004* P. 21-28.
38* Pavlovskii A* I* Magnetic cumulation — a memoir for Andrey Sakharov //
Megagauss magnetic field generation and pulsed power application I Eds* Cowan M.,
Spielman R* B* - N.Y*: Nova Sci. Publ. Inc*, 1994* P. 9-24.
39* Fowler С. M., Altgilbers L. L* Magnetic flux compression generators: a tu-
torial and survey И Электромагнитные явления* 2003* T* 3, № 3(11)* С. 306-357.
40* Altgilbers L* L. Recent advances in explosive pulsed power // Там же* T* 3,
№ 4(12)* C* 497-520*
41* Miura N*, Matsuda Y* H*, Uchida K. et al* Generation and application of
megagauss magnetic fields // Мегагауссная и мегаамперная импульсная техноло-
гия и применения / Под ред* В* К* Чернышева, В* Д* Селемира, Л. Н. Пляшкеви-
ча* - Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 1997. С* 58-67.
42* Takeyama S* Recent topics of the Megagauss Science Laboratory at ISSP,
Japan // Megagauss-ХШ: Proc, of the Thirteenth Int. conf, on Megagauss magnetic
field generation and related topics / Eds* Sun Chengwei, Liu Cang. — Suzhou, China,
2010* MG-Plenary-2-2*
43* Павловский А* И*, Людаев P* 3* Магнитная кумуляция И Вопросы со-
временной экспериментальной и теоретической физики / Под ред. А* П* Алек-
сандрова. - Л*: Наука, 1984. С* 255*
44* Caird R* S., Fowler С. М*, Erickson D. J* et al* A Survey of recent work on
explosive-driven mgnetic fux compression generators И Energy Storage, Compression,
and Switching. Vol. 2 / Eds. Nardi V., Sahlin H., Bostick W. H* - Plenum Publishing
Corp*, 1983. P* 1-18*
45* Novac В* M., Smith I* R* Brief history and classification of magnetic flux
compression generators // Electromagnetic Phenomena. 2003* Vol* 3, No 3(11)*
P. 358-365.
46* Herlach F* Megagauss magnetic fields U Reps* Prog, in Phys. X. Part 1*
1968* P. 34 W17.
47* Сильные и сверхсильные магнитные поля и их применения / Под ред.
Ф* Херлаха* - М.: Мир, 1988. (См* также: Strong and ultrastrong magnetic fields and
their applications / Eds* Herlach F., Dransfeld K*, Hajdu J. - Springer-Verlag, 1985.)
208
48* Биченков Е. И*, Швецов Г. А, Мегагауссные магнитные поля* Физика*
Техника* Применения И ПМТФ* Т. 38, № 4, 1997* С* 90-101*
49* Herlach F. Pulsed magnets И Reps* Prog* in Phys* 1999* Vol* 62* P. 859.
50 * Павловский А. И,, Быков А. И,, Долотенко M. И. и др* Кумуляция
сверхсильных магнитных полей И Высокие плотности энергии: сб* науч, трудов. —
Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 1997* С* 446-468*
51 * Гриневич Б, Г., Демидов В. А*, Ивановский А. В., Селемир В. Д, Взры-
вомагнитные генераторы энергии и их применение в научных экспериментах И
65 лет ВНИИЭФ. Физика и техника высоких плотностей энергии* Вып. 1* — Са-
ров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2011* С. 266—311.
52, Борисков Г* В., Быков А. И*, Долотенко М* И* и др* Физические иссле-
дования в сверхсильных магнитных полях И УФН* 2011* Т. 181» № 4* С. 441—447.
53* Boriskov G. V., Bykov A. L, Dolotenko М* I, et al. Research in ultrahigh
magnetic field physics H Physics Uspekhi* 2011* Vol* 54(4). P. 421-427.
54, Altgilbers L* L*, Brown M. D, J*» Grishnaev I. et al. Magnetocumulative
generators* - N.Y*: Springer-Verlag, 2000,
55. Knoepfel H, Magnetic fields. A Comprehensive theoretical treatise for prac-
tical use, - N.Y*: John Wiley & Sons, Inc*, 2000.
56. Физика высоких плотностей энергии / Под ред, П. Кальдиролы,
Г, Кнопфеля. - М,: Мир, 1974*
57. Вопросы современной экспериментальной и теоретической физики /
Под ред* А* П* Александрова, — М*: Энергоатомиздат, 1984.
58. Высокие плотности энергии / Под ред* В* Н. Мохова, Р. Ф* Трунина,
В. М* Горбачева, Л. А. Илькаевой. - Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 1997,
59. Физика и техника высоких плотностей электромагнитной энергии /
Под ред* В. Д. Селемира, Л* Н* Пляшкевича, - Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2003*
60, Гидродинамика высоких плотностей энергии / Под ред. Г* А* Швецо
ва. — Новосибирск: Изд-во Ин-та гидродинамики им. М* А* Лаврентьева СО
РАН, 2004.
61* High magnetic fields. Science and technology / Eds. Herlach F*, Miura N* —
World Scientific Publishing Co., 2003,
62, Сверхсильные магнитные поля. Библиографический указатель за
1924—1985 гг* / Сост* Г* А. Швецов, Л* Д, Вакуленко. — Новосибирск: Изд-во Ин-та
гидродинамики им. М* А, Лаврентьева СО АН СССР, 1986*
63. Кнопфель Г, Сверхсильные магнитные поля, — М.: Мир, 1972*
64. Gam R. S*, Caird R. S., Thomson D, B. et al. Technique for measuring
megagauss magnetic fields using Zeeman effect // Rev, Sci* Instr, 1966* Vol, 6, No 37*
P* 762*
65. Caird W* B„ Caird R* S*, Fowler С. M. et al. Measurement of Faraday rota-
tion in megagauss fields over the continuous visible spectrum // Rev* Sci* Instr. 1968.
Vol. 39, No 9* P. 1313.
66. Fowler С, M* Megagauss physics // Science* 1973, Vol. 180, No 4083.
P* 261*
209
67, Guillot M., Lenoir J,-C., Signoret R, Un appareillage de mesure de rotation
Faraday en champs magnetique intense transitoires: 4 Moe // Tp, Междунар. конф,
по магнетизму МКМ-73* - Мл Наука, 1974. Т, 1, С. 268.
68, Guillot М., Besancon J., Signoret R. The «megagauss» magnetic field labo-
ratory in Grenoble H Proc, IEEE Int, pulsed power conf, - N.Y,, 1976. P, ТИП 1/1,
69, Farmski A„ Karpinski L„ Nowak A. Generation of pulses of intense mag-
netic field up to 350 Tesla induction by the method of explosive-produced compres-
sion//Pol. J, Tech, Phys, 1981, Vol, 22, No 4, P, 183,
70* Магнитокумулятивные генераторы — импульсные источники энергии /
Под ред* В, А, Демидова, Л. Н, Пляшкевина, В, Д, Селемира* — Саров: РФЯЦ-
ВНИИЭФ, 2012. С, 74,
71* Hawke R, S„ Duerre D, E„ Huebel J, G, et al. Method of isentropically
compressing materials to several megabars // J* Appl. Phys, 1972, Vol. 43, No 11*
P. 2734,
72, Hawke R, S„ Duerre D, E„ Huebel J, G, et al. Electrical properties of AL2O3
under isentropic compression up to 500 GPa (5 Mbar) // J. Appl. Phys* 1978, Vol. 49,
No 6, P, 3298,
73, Hawke R, S* Design and analysis of isentropic compression experiments //
Megagauss physics and technology / Ed. by P. J. Turchi, — N.Y,—L,: Plenum Press,
1980. P, 117,
74, Кнопфель Г, Кумуляция электромагнитной энергии И Физика высоких
плотностей энергии / Под ред* П. Кальдиролы, Г, Кнопфеля, М,: Мир, 1974,
С, 207-304,
75, Velitovich A, L, Some comments on physics of magnetic field compression
in plasmas // 1st MagLIF Workshop, SNL, Albuquerque, NM, USA, 5-8 February,
2012 [Electronic resource], - http ://www. sandia, gov/pulsedpower/ Workshop/ Veliko-
vich_DiscussionSlides *pdf.
76, Velikhov E, P„ Vedenov A. A„ Bogdanets A, D. et al* Generation of mega-
gauss magnetic fields using a liner compressed by high-pressure gas // Sov. Phys,
Tech. Phys. 1973. Vol, 18, No 2, P, 274-279,
77, Linhart J. G. Plasma and megagauss fields // Megagauss magnetic field gen-
eration by explosives and related experiments / Eds. Knopfel H„ Herlach F, — Brus-
sels: Euratom, 1966* P, 387-396,
78, Felber F. S., Wessel F. J„ Wild N* G. et al* Magnetic flux compression by
plasmas: experiments on a gas-puff Z-pinch // Megagauss physics and technology /
Ed* by P* J. Turchi, - N,Y-London: Plenum Press, 1980. P, 117-124,
79, Rahman H. U,, Ney P„ Wessel F. J, et al* // Proc, 2nd Int. Conf, Dense
Z-pinches (Laguna Beach), 1989. P* 351,
80. Wessel F. J., Wild N, C„ Fisher A, et al* H Rev, Sci* Instrum. 1986* Vol. 57.
P, 2247,
81. Альмстрем X., Бьярнхольт Г„ Гольберг С* М„ Либерман М. А, Методы
генерации сверхсильных импульсных магнитных полей И Мегагауссная и мега-
210
амперная импульсная технология и применения / Под ред. В. К. Чернышева,
В. Д. Селемира, Л* Н, Пляшкевича* - Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 1997* С. 146-153.
82. Slutz S* A., Herrmann М* С*, Vesey R. A, et al* Pulsed-power-driven cylin-
drical liner implosions of laser preheated fuel magnetized with an axial field II Phys,
of Plasmas. 2010* Vol* 17* P* 056303*
83. 1st MagLIF Workshop, SNL, Albuquerque, NM, USA, 5-8 February, 2012
[Electronic resource]* -http://www*sandia*gov/pulsedpower/Workshop*html.
84* Gotchev О* V*, Chang P, Y., Knauer J* P. et al* Laser-driven magnetic-flux
compression in high-energy-density plasmas И Phys* Rev, Lett, 2009. Vol, 103*
P. 215004.
85* Gotchev О. V., Knauer J. P*, Chang P, Y* et al. Seeding magnetic fields for
laser-driven flux compression in high-energy-density plasmas // Rev* Sei. Instrum*
2009, Vol. 80(4)* P* 043504*
86* Knauer J* P., Gotchev О. V., Chang P. Y. et al* Compressing magnetic
fields with high-energy lasers ll Phys* Plasmas* 2010* Vol* 17* P* 056318*
87* Fiksel G. В field effects on ICF implosion // MagLIF Workshop, Albuquer-
que, New Mexico, USA, Monday, February 6th, 2012 [Electronic resource]. -
http://www. sandia* gov/pulsedpower/Workshop*html.
88* Pavlovskii A. I*, Kholin S* A*, Bykov A* L et al* Magnetic cumulation of the
nuclear explosion energy — a possible experiment on the generation of magnetic fields
higher than 100 MG // Megagauss magnetic field generation and pulsed power appli-
cation / Eds, Cowan M*, Spielman R, B. - N.Y*: Nova Sci. Publ. Inc*, 1994*
P. 149-156.
89* Cnare E, C. Magnetic flux compression by magnetically imploded metallic
foils//J, Appl* Phys* 1966* Vol* 37, No 10, P. 3812-3816.
90* Miura N., Matsuda Y* H*, Uchida K* et al* Generation and application of
megagauss magnetic fields // Megagauss IX: Proc* of the Int. conf* on Megagauss
magnetic field generation and related topics / Eds* Seiemir V* D„ Plyashkevich L* N* -
Sarov: RFNC-VNUEF, 2004* P, 58-67.
91* Herlach F, The generation and use of pulse magnetic fields // Proc, of the
2006 Int. Conf* on Megagauss magnetic fields generation and related topics. Santa Fe,
NM, USA, 5-10 November, 2006* IEEE Catalog Number: CFP06MEG-CDR, 2008*
P. 1-7.
92* Takeyama S* Recent topics of the Megagauss Science Laboratory at ISSP,
Japan И Megagauss-ХШ: Proc, of the Thirteenth Int. conf, on Megagauss magnetic
field generation and related topics / Eds, Sun Chengwei, Liu Cang. - Suzhou, China,
2010* P. 163-169.
93* Miyata A„ Takeyama S, Magnetization of a frustrated spinel oxide meas-
ured up to 600 T by the electro-magnetic flux compression // Ibid. P. 170-177.
94* Взрывчатые вещества / Под ред Р, И* Илькаева* — Саров: РФЯЦ-
ВНИИЭФ, 2001. (См. также: Explosives. Effects and Applications / Eds, Zucas J. A.,
Walters W* P* - Berlin: Springer-Verlag, 1998.)
211
95, Селиванов В, В,, Кобылкин И, Ф., Новиков С, А. Взрывные техноло-
гии. - М.: Изд-во МГТУ им, Баумана, 2008*
96, Tasker D., Goforth J*, Oona H* Recent progress with high explosive pulsed
power isentropic compression experiments // Megagauss-ХП: Proc* of the Int* conf, on
Megagauss magnetic field generation and related topics / Ed. by Shvetsov G* A* — Но-
восибирск: Изд-во Института гидродинамики СО РАН, 2011. Р. 706—714,
97* Борисков Г* В., Быков А, И*, Долотенко М* И. и др. Новый композит-
ный материал каскадов генератора МК-1 И Megagauss IX: Proc, of the Int* conf, on
Megagauss magnetic field generation and related topics I Eds* Seiemir V. D*,
Plyashkevich L* N* - Sarov: RFNC-VNUEF, 2004, P* 44-48*
98, Liberman M. A., Velikovich A, L, // J* Plasma Phys* 1984* Vol, 31* P* 381*
99, Felber F* S., Fowler С. M., Goforth J* H. et al. H Appl. Phys. Lett. 1985*
Vol* 46* P, 1042.
100, Besancon J. E*, David J*, Vedel J, Ferroelectric transducers // Megagauss
magnetic field generation by explosives and related experiments / Eds, Knopfel H.,
Herlach F, — Brussels: Euratom, 1966*
101, Shturatov S, I*, Talantsev E* F*, Baird J, et al. Compact autonomous com-
pletely explosive pulsed power system based on transverse shock wave demagnetiza-
tion of NdaFeuB and magnetic flux compression // Proc, of the 2006 Int. Conf, on
Megagauss magnetic fields generation and related topics, Santa Fe, NM, USA, 5-10
November, 2006* IEEE Catalog Number: CFP06MEG-CDR, 2008. P. 37-342.
102* Биченков E* И*, Гилев С. Д., Трубачев A. M* МК-генераторы с исполь-
зованием перехода полупроводникового материала в проводящее состояние И
ПМТФ. 1980. № 5* С. 125-129.
103* Nagayama К, New method of magnetic flux compression by means of the
propagation of shock-induced metallic transition in semiconductors H Appl* Phys*
Lett. 1981. Vol, 38, No 2* P* 109-110*
104* Nagayama K*, Oka T., Mashimo T* Experimental study of a new mecha-
nism of magnetic flux cumulation by the propagation of shock-compressed conductive
region in silicon // J* Appl, Phys. 1982. Vol. 53, No 4* P, 3029-3037.
105, Гилев С, Д., Трубачев A* M, МК-генераторы на порошковом алюми-
нии// Нестационарные проблемы гидродинамики* — Новосибирск, 1980. С. 30-32,
106* Nagayama К„ Mashimo Т. Explosive-driven magnetic flux cumulation by
the propagation of shock-compressed conductive region in highly porous metal pow-
ders // J. Appl, Phys. 1987. Vol. 61, No 10, P* 4730-4735*
107* Prishchepenko A. B., Barmin A* A., Markov V. V*, Mel’nik О. E. Mag-
netic field compression by converging ionizing spherical shock wave in alkali halo-
genide single crystal ll Мегагауссная и мегаамперная импульсная технология
и применения / Под ред, В. К* Чернышева, В, Д. Селемира, Л* Н, Пляшкевича* —
Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 1997* С, 154-158,
108, Novac В, М., Smith I* R„ Rankin D, F, et al* An insulator-metallic cascade
for improved electromagnetic flux compression // Proc* of the IEE Pulsed Power
Symposium 2003. Loughborough University, 23 September, 2003.
212
109* В;irmin A, A*, Prishchepenko А, В. Compression of a magnetic field in
a single crystal by a strong converging ionizing shock wave // Megagauss magnetic
field generation and pulsed power application I Eds* Cowan M., Spielman R. B, -
N*Y.: Nova Sci* Publ. Inc., 1994, P* 35-40*
110* Гилев С. Д. Электродинамические процессы при ударном сжатии
конденсированных сред: Дисс. д-ра физ*-мат, наук, Новосибирск: Ин-т гидроди-
намики им* М. А, Лаврентьева СО РАН, 2009*
111* А, с. 311582 СССР, МПК Н 05 Н 7/04. Взрывомагнитный генератор /
Н* П* Колокольчиков, Г* И, Иванов^ Ю* И* Плотников* В* Н* Рубашкин И Изо-
бретения* Промышленные образцы* Товарные знаки* 1979, № 32. С. 239.
112* А, с. 683510 СССР, МПК Н 02 N 11/00, Взрывомагнитный генератор /
М. И, Долотенко, Н* П* Колокольчиков, Ю. Н, Кузнецов И Изобретения. Про-
мышленные образцы* Товарные знаки* 1980* № 30. С, 357.
ИЗ, Павловский А, И., Кулешов Г. Д., Склизков Г. В* и др* Сильноточные
безжелезные бетатроны И ДАН СССР, 1965* Т. 160, № 1. С. 68-72,
114* Людаев Р. 3. Элементарная теория магнитной кумуляции И Мега-
гауссная и мегаамперная импульсная технология и применения / Под ред,
В, К* Чернышева, В* Д. Селемира, Л* Н. Пляшкевича, - Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ,
1997* С. 87-114,
115* Биченков Е. И. Влияние конечной проводимости на получение силь-
ных магнитных полей путем быстрого обжатия проводящих оболочек И ТТМТФ*
1964* № 6. С, 3-5.
116* Олейник А* Г* На пути к созданию каскадного метода магнитной ку-
муляции И Мегагауссная и мегаамперная импульсная технология и применения /
Под ред* В* К, Чернышева, В, Д, Селемира, Л, Н. Пляшкевича. — Саров: РФЯЦ-
ВНИИЭФ, 1997. С, 36-40,
117* Шнеерсон Г. А* Конструирование генераторов импульсных токов,
Типы генераторов импульсных токов, Генерирование сильных магнитных полей
И Технология сильных импульсных токов и полей / Под ред. В. С. Комелькова* —
М.: Атомиздат, 1971,
118* Шнеерсон Г. А* Сильные электромагнитные поля. — С*-Пб*: Изд-во
СПбГУ, 1985*
119* Забабахин Е* И. Неустойчивость неограниченной кумуляции И Пись-
ма в ЖЭТФ* 1979, Т. 30, Вып, 2* С. 97.
120* Somon J* Р, The dynamical instabilities of cylindrical shells // J* Fluid*
Meeh. 1969. Vol* 38, No 6. P* 769*
121, Harris E. G, Rayleigh-Taylor instabilities of a collapsing cylindrical shell
in a magnetic field // Phys. Fluids, 1962. Vol. 5, No 10* P, 1057*
122* Забабахин E* И. Кумуляция энергии и ее границы И УФН. 1965. Т. 85*
Вып. 4, С* 721*
123* Пат. 2065247 РФ, МПК Н 02 N 11/00. Магнитокумулятивный генера-
тор / М* И. Долотенко, А. И, Быков, Н* П. Колокольчиков, О. М. Таценко И Изо-
бретения* 1996* № 8. С* 107,
213
124* Калиткин Н* Н*, Кузьмина Л. В,, Рогов В* С. Таблицы термодинами-
ческих функций и транспортных коэффициентов плазмы. Препринт Ин-та
прикл. математики АН СССР. - М., 1972.
125* Бакулин Ю. Д*, Куропатенко В* Ф., Лучинский А* В* Магнитогидро-
динамический расчет взрывающихся проводников И ЖТФ. 1976* Т* 46, № 9.
С. 1963.
126* Павловский А* И., Долотенко М. И*, Колокольчиков Н* П* и др. Неус-
тойчивость схлопывающейся цилиндрической оболочки при магнитной куму-
ляции энергии И Письма в ЖТФ* 1983* Т* 9, № 22* С. 1360-1364.
127* Павловский А* И*, Долотенко М* И*, Колокольчиков Н. П* и др. Ис-
следование динамики схлопывания оболочки магнитокумулятивного генератора
сверхсильных магнитных полей И Сверхсильные магнитные поля: физика, тех-
ника, применение / Под ред. В* М* Титова, Г. А* Швецова* — М.: Наука, 1984.
С* 14-18*
128* Pavlovskii A. I*, Dolotenko М* I*, Kolokol’chikov N* Р* et al. Generation
of reproducible multi-megagauss magnetic fields // Megagauss magnetic field genera-
tion by explosives and related experiments / Eds. Knopfel H., Herlach F. — Brussels:
Euratom, 1966* P* 627-639*
129* Столович H. H* Электровзрывные преобразователи энергии* — Минск:
Наука и техника, 1983*
130* Павловский А* И., Долотенко М* И., Колокольчиков Н. П* и др* Ста-
билизация неустойчивости схлопывающейся оболочки при магнитной кумуля-
ции энергии И Письма в ЖЭТФ* 1983* Т. 38. Вып* 9* С. 437-439.
131* Павловский А* И*, Долотенко М* И*, Колокольчиков Н. П* и др. Ис-
следование динамики схлопывания оболочки магнитокумулятивного генератора
сверхсильных магнитных полей И Сверхсильные магнитные поля: физика, тех-
ника, применение / Под ред. В* М* Титова, Г* А* Швецова* — М.: Наука, 1984.
С. 14-18.
132* Павловский А* И., Долотенко М. И*, Колокольчиков Н* П* и др* Кас-
кадный магнитокумулятивный генератор сверхсильных магнитных полей //Там
же* С. 19-22.
133* Hertz Н* М*, Thomsen Р* Optical wideband high-voltage measurement sys-
tem // Rev. Sci* Instr* 1987* Vol* 58, No 9. P* 1660*
134* Intrator T., Marshall B*, Clark D* et al* High sensitivity Faraday rotation
technique for measurements of magnetic fields with immunity to X-ray effects // Rev*
Sci* Instr. 2002. Vol* 73, No 1* P. 141.
135* Gam W* B*, Caird R. S*, Fowler С* M*, Thomson D* B. Measurement of
Faraday rotation in megagauss fields over the continuous visible spectrum // Rev* Sci.
Instr. 1968. Vol. 39, No 9* P* 1313*
136* Veeser L* R., Chandler G* I*, Day G* W. Fiber optic sensing of pulsed cur-
rents* LANL Report LA-UR-1212 // Submitted to SPIE, 1986. Vol* 648* Photonics:
High Bandwidth Analog Applications.
214
137* Boriskov G* V., Dolotenko M, I., Rudenko V. V., Shaburov M. V* User
software MAG for personal computers as a tool for numerical simulation of one-
dimensional magneto-hydrodynamic flows // Program of VIIIth Int* conf, on Mega-
gauss magnetic field generation and related topics (18-23 October, 1998, Tallahassee,
USA), WE-14. P, 166*
138* Neumann J*, Richtmyer R. A method for numerical calculation of hydro-
dynamic shocks H J. Appl. Phys, 1950* Vol* 21, No 3. P* 232-237*
139* Уилкинс M, Л* Расчет упругопластических течений И Вычислитель-
ные методы в гидродинамике. — М.: Мир, 1967*
140* Самарский А. А*, Попов Ю. П, Разностные методы решений задач га-
зовой динамики. — М.: Наука, 1980*
141, Рихмайер Р., Мортон К* Разностные методы решения краевых задач. —
М*: Мир, 1972.
142, Tchekhounov Е*, Roudenko V., Chabourov М. Tutorial and research pack-
age MASTER on continuum mechanics // Proc, 2nd European conf, «Physics teaching
in engineering education»* Budapest, Hungary, 2000*
143, Aseeva V. V*, Boriskov G* V., Dolotenko M* I* et al* Numerical models of
magnetocumulative MC-1 generator testing // The 28th IEEE Int, conf* on Plasma Sci-
ence and The 13th IEEE Int, Pulsed Power Conf* Digest of technical papers. Las Ve-
gas, USA, 17-23 June 2001 / Eds. Reinovsky R., Newton M. - IEEE, 2001.
P, 1185-1188,
144, Aseeva V. V., Boriskov G* V*, Dolotenko M* I. et al. Computational inves-
tigation of operating conditions of the cascade generator MC-1 with large HE charge //
Ibid. P* 1182-1184.
145, Roudenko V*, Chabourov M*, Tchekhounov E* Virtual physics laboratory
of the package MASTER // Proc. Int. conf. «Physics teacher education beyond 2000»,
Barcelona, 2000,
146* Зельдович Я. Б*, Райзер Ю, П* Физика ударных волн и высокотемпе-
ратурных гидродинамических явлений. — М,: Наука, 1966*
147* Забабахин Е* И, Некоторые вопросы газодинамики взрыва. — Сне-
жинск: РФЯЦ-ВНИИТФ, 1997.
148* Лобойко Б. Г* Сборник задач по газодинамике* — Снежинск: РФЯЦ-
ВНИИТФ, 1997*
149, Копышев П. О простейшем уравнении состояния твердых тел И Во-
просы атомной науки и техники. Сер, Теор* и прикл* физика* 2002. Вып* 1—2.
С. 30-35.
150, Гаранин С* Ф*, Мамышев В. И* Остывание замагниченной плазмы на
границе со взрывающейся металлической стенкой И ПМТФ* 1990* № 1. С, 30-37.
151. Buyko А. М*, Garanin S* F*, Demidov V, A. et al. Investigation of the dy-
namics of cylindrical exploding liner accelerated by a magnetic field in megagauss
range // Megagauss technology and pulse power applications / Eds* Fowler С, M*,
Caird R* S„ Erickson D, J* - N*Y.-London: Plenum Press, 1987. P* 743*
215
152* Елисеев Г. М*, Клинингов Г* Е. Уравнение состояния твердых веществ
и его сплайн-аппроксимация. Препринт № 173 Ин-та прикл. математики АН
СССР*-М*, 1982*
153. Burgess Т* J. Electrical resistivity model of metals // Megagauss technol-
ogy and pulsed power applications I Eds* Fowler С* M., Caird R. S*, Erickson D* J* -
N*Y*-London: Plenum Press, 1987. P* 387*
154* Павловский А. И*, Колокольчиков H. П*, Дружинин В* В* и др* Изуче-
ние резонансного эффекта Фарадея в импульсном магнитном поле до 10 МГс И
Письма в ЖЭТФ. 1979. Т* 30* Вып* 4* С* 211-215*
155* Павловский А. И., Дружинин В* В*, Таценко О* М* и др. Осцилляции
знака фарадеевского вращения, обусловленные ионами Ей, в сверхсильном маг-
нитном поле до 11 МГс И Письма в ЖЭТФ. 1980. Т* 31* Вып* IL С* 659-653*
156* Дружинин В* В., Павловский А* И., Таценко О. М* и др. Циклотрон-
ный резонанс на оптической частоте в висмуте в сверхсильном магнитном поле
И Письма в ЖЭТФ. 1980* Т* 32* Вып* 8* С* 523-525*
157* Павловский А* И*, Дружинин В. В*, Таценко О. М* и др* Магнитооп-
тические исследования в сверхсильных магнитных полях И Сверхсильные маг-
нитные поля: физика, техника, применение / Под ред* В* М* Титова, Г* А* Шве-
цова* — М*: Наука, 1984* С* 130-135.
158* Павловский А. И., Дружинин В* В*, Таценко О* М* и др. Квантование
Ландау и интенсивность межзонного поглощения в арсениде галлия в сверх-
сильном магнитном поле И Письма в ЖЭТФ* 1984* Т. 40. Вып* 3* С. 108-110.
159* Быков А* И., Долотенко М. И*, Фаулер К* М* и др. Комплексная про-
водимость и фазовая диаграмма УВаэСи^О? в магнитных полях до 500 Тл И
Сверхпроводимость: физика, химия, техника. 1995. Т* 8, № 1. С* 37—46*
160. Борисков Г* В., Быков А* И., Долотенко М. И* и др* Магнитокумуля-
тивные генераторы сверхсильных магнитных полей и их применение в физике
высоких плотностей энергии И 65 лет ВНИИЭФ* Физика и техника высоких
плотностей энергии* Вып* 1* - Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2011* С. 192-265.
161. Fowler С* М., Freeman В* L. The Los Alamos Arzamas-16 high magnetic
field shot series, Ancho Canyon Site, December 1993* LANL Report LA-UR-94-
2895, August 1994* P* 28*
162. Fowler С* M., Christian J* M., Freeman B* L* et al* The Russian-American
high magnetic field collaboration. LANL Report LA-UR-94-4285,1994.
163. Fowler С* M., Christian J* M., Freeman B* L* et al* The Russian-American
high magnetic field collaboration II Int* conf. «Pulsed Power-95»* Albuquerque, USA,
1995. P* 15-26*
164. Sheppard M. G*, Brownell J. H*, Christian J* M* et al. MC-1 generator per-
formance with higher-energy explosives. LANL Report LA-UR-9502,1995.
165. Goettee J., Kudasov Yu., Zerwekh W* et al* Complex microwave conduc-
tivity of УВаэСизО? in magnetic fields up to 500 T. LANL Report LA-UR-94-2197,
1994.
216
166, Goettee J*, Kudasov Yu., Zerwekh W. et al. Complex microwave conduc-
tivity of YBaaCu^O? in magnetic fields up to 500 T // Physica. C. 1994. Vol* 235,
No 40* P* 2090-2099*
167* Druzhinin V* V., Tatsenko О. M*, Bykov A. I* et al. Nonlinear Faraday
effect in CdS semiconductor in an ultrahigh magnetic field // Physica. B* 1995*
Vol* 211* P* 392-395.
168* Bykov A. Ls Dolotenko M. I., Kolokolchikov N* P* et al* Measurement
of the de Haas-van Alphen oscillations in YBCO using pulsed ultra-high magnetic
fields//Ibid. P* 241-243*
169* Dzurak A* S*, Clark R. G., Kane В* E* et al. Extreme quantum limit of 2D
& 3D electron sys in semiconductor hetero structures // Conf, on Optoelectr* & Micro-
electr. Mater* & Devices (New Jersey)* IEEE Conf, on Optoelectr* & Microelectr.
Mater. & Devices (Canberra)* 8-11 December, 1996 I Ed* by Jagadish C* - 1997.
P* 187-197.
170* Солем Дж. С*, Фаулер К. М., Готти Дж. Д и др* Дирак: серия экспери-
ментов по изучении физики и химии в сверхсильных магнитных полях И Мега-
гауссная и мегаамперная импульсная технология и применения / Под ред.
В. К. Чернышева, В* Д. Селемира, Л* Н. Пляшкевича* - Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ,
1997* С. 772-777.
171. Goettee J. D*, Rickel D* G., Fowler С* M* et al* Utilization of megagauss
fields for basic research И 11th IEEE Int* Pulsed Power Conf. Digest of Technical Pa-
pers / Eds* Cooperstein G*, Vitkovitsky I* - IEEE, 1997* P. 1146*
172* Solem J. C., Fowler С. M„ Goettee J* D* et al. Faraday rotation in
Cdi xMnxTe in high magnetic field // Research in high magnetic fields* Sydney, Aus-
tralia, 4-6 August, 1997* P* MP24*
173. Брукс Дж* С*, Куоллс Дж* С*, Энгел Л* В* и др* Поиск квантового
предела в металлах малой размерности И Мегагауссная и мегаамперная им-
пульсная технология и применения / Под ред. В* К. Чернышева, В* Д* Селемира,
Л. Н. Пляшкевича. - Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 1997. С* 778-786*
174. Кейн Б* Е., Дзурак А. С.* Кларк Р* Г и др* Экстремальное значение
квантового предела в разбавленных 2D и 3D электронных системах И Там же*
С. 787-794.
175. Долотенко М* И., Быков А* И., Колокольчиков Н. П. и др. Сжатие ар-
гона до многомегабарных давлении: переход в проводящее состояние //Там же*
С. 805-810.
176. Veeser L* R., Ekdahl С* Е., Oona Н* et al. Isentropic compression of argon
and krypton // Report on JOWOG 37, LA-UR-98-399, Los Alamos, February 2, 1998*
177. Solem J* C*, Ekdahl С. E*, Oona H* et al. Isentropic compression of argon
//11th IEEE Int* Pulsed Power Conf. Digest of Technical Papers / Eds* Cooperstein G*,
Vitkovitsky I. - IEEE, 1997* P* 384-389*
178. Selemir V* D., Tatsenko О* M*, Platonov V. V* Investigations in solid state
physics in ultra-high magnetic fields - experimental results of Kapitza series // Mega-
gauss X: Proc* of the Int* conf* on Megagauss magnetic field generation and related
217
topics / Ed* by M. von Ortenberg. — Berlin: Humboldt Univ, at Berlin, 2005*
P* 219-226*
179. Демидов В. А*, Жаринов E. И*, Казаков С. А., Чернышев В* К* Высо-
коиндуктивные взрывомагнитные генераторы с большим коэффициентом уси-
ления энергии//ПМТФ. 1981* №6. С* 106-111*
180. Демидов В, А*, Быков А* И., Пляшкевич Л. Н* и др. Питание генера-
торов сверхсильных магнитных полей от спиральных МКГ И Мегагауссная
и мегаамперная импульсная технология и применения / Под ред, В. К. Чернышева,
В* Д, Селемира, Л* Н* Пляшкевича. - Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 1997* С. 137-139*
181. Павловский А. И*, Васюков В, А*, Попков Н* Ф* и др* Исследование
накопления и коммутации высоких плотностей энергии И Сверхсильные маг-
нитные поля: физика, техника, применение / Под ред. В* М* Титова, Г* А. Шве-
цова. - М.: Наука, 1984* С. 410-415*
182. Pavlovskii A* L, Dolotenko М* L, Kolokol’chikov N. Р, et al* Magnetic
field rising time shortening in magnetocumulative generator MC-1 // Megagauss fields
and pulsed power application I Eds* Cowan M., Spielman R. B* - N.Y*: Nova Sci.
Publ* Inc., 1994, Part I* P. 751-756,
183. Boyko B. A*, Boriskov G* V., Bykov A. I. et al* Cascade ultra-high mag-
netic fields generator MC-1 for research on plasma physics // 11th IEEE Int. Pulsed
Power Conf. Digest of technical papers / Eds* Cooperstein G*, Vitkovitsky I. - IEEE,
1997. P* 1486-1490*
184. Биттер Ф. Сверхсильные магнитные поля И УФН, 1966, Т* 88, № 4,
С* 735-749.
185. Fowler С, М, Overview of the Los Alamos flux compression program //
Megagauss magnetic field generation and pulsed power application / Eds, Cowan M*,
Spielman R* B. - N*Y,: Nova Sci* Publ* Inc,, 1994, P* 3-9*
186. Pavlovskii A. L, Bykov A* I„ Dolotenko M, I* et al. On ultrahigh magnetic
field pressure application for isentropic substance compression // Megagauss technol-
ogy and pulse power applications I Eds* Fowler С* M., Caird R* S*, Erickson D. J* —
N.Y-London: Plenum Press, 1987, P* 243-254*
187. Pavlovskii A* I„ Bykov A* I„ Dolotenko M. I* et al* EOS study by isen-
tropic compression method with the ultrahigh magnetic field pressure // Megagauss
fields and pulsed power system / Eds* Titov V, M„ Shvetsov G. A* - N,Y*: Nova Sci*
Publ* Inc*, 1990. P* 155-162*
188. Pavlovskii A* L, Karpikov A. A., Mamyshev V. I* et al. Analysis of metal
tube compression by ultrahigh magnetiv field pressure in cascade MC-1 generators //
Megagauss fields and pulsed power system / Eds* Titov V* M*, Shvetsov G. A* - NY*:
Nova Sci* Publ, Inc., 1990* P* 163-168*
189. Альтшулер Л. В*, Брусникин С. Е„ Кузьменков Б. А. Изотермы
и функции Грюнайзена для 25 металлов И Журнал прикладной механики и тех-
нической физики. 1987* № 1. С* 134-146*
218
190* Калиткин Н, Н*, Говорухина И, А. Интерполяционные формулы хо-
лодного сжатия веществ И Физика твердого тела* 1965* Т, 7* Вып* 2* С. 355—362,
191* Пат, 1588243 RU, МПК Н 02 N 11/00, Устройство для сжатия вещест-
ва / А* И, Павловский, М, И. Долотенко, А, И* Быков, А, А* Карликов И Изобре-
тения* 1995* № 4.
192, Bykov A* I., Dolotenko М, I*, Kolokol’chikov N* Р. et al. Isentropic com-
pression of substances by the pressure of ultra-high magnetic fields // Proc, of the
Physical Phenomena at High Magnetic Fields-Ш: Tallahassee, Florida, 24—27 Octo-
ber, 1998 / Eds, Fisk Z*, Gor’kov L*, Schrieffer R, - World Sci, Publishing Co. Pte*
Ltd., 1999* P. 630-633.
193* Быков А. И„ Долотенко M, И., Колокольчиков Н. П,, Павловский А*
И* Изэнтропическое сжатие кварца давлением сверхсильного магнитного поля И
Письма в ЖЭТФ. 1978. Т* 27* Вып, 5. С* 283-285*
194* Pavlovskii A, I., Bykov A, I„ Boriskov G. V. et al* Solid hydrogen isen-
tropic compression with the megabar range ultrahigh magnetic field pressure // Mega-
gauss technology and pulse power applications I Eds* Fowler С. M., Caird R* S.,
Erickson D. J, - N.Y*-London: Plenum Press, 1987* P. 255-262,
195* Асеева В. В., Борисков Г, В., Быков А* И, и др* Оптимизация устрой-
ства сжатия в экспериментах по исследованию вещества в области мегабарных
давлений И Мегагауссная и мегаамперная импульсная технология и применения
/ Под ред. В, К* Чернышева, В. Д, Селемира, Л. Н. Пляшкевича* — Саров:
ВНИИЭФ, 1997. С* 510-515*
196, Pavlovskii A. I*, Dolotenko М* L, Bykov A, I, et al* Production of megabar
pressures by means of ultrahigh fields // High Pressure Res, 1991. Vol* 7, Is. 1—6,
P, 381-384,
197* Bykov A, I., Egorov N* I*, Boriskov G. V. et al. Isentropic compression of
crystal phase of hydrogen isotopes in megabar pressure range И Proc, of the 2006 Int*
Conf* on Megagauss magnetic fields generation and related topics. Santa Fe, NM,
USA, 5-10 November, 2006. IEEE Catalog Number: CFP06MEG-CDR, 2008*
P. 473-478.
198* Boriskov G., Bykov A*, Egorov N, et al. Building zero isoterm of hydro-
gen isotopes taking into account experimental results of isentropic compression up to
pressures of several megabars // J* of Phys* Conf* Series. 2008, Vol. 121. P* 072001*
199* Борисков Г* В., Быков А, И*, Егоров Н, И. и др* Экспериментальное по-
строение нулевой изотермы изотопов водорода до давлений в несколько мегабар И
Сб. докл. Международ* конф* «XI Харитоновские тематические научные чтения» /
Под ред, А. Л* Михайлова, - Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2009* С* 771-782*
200* Борисков Г* В., Тимарева В. И, Моделирование процесса изоэнтропи-
ческого сжатия водорода в одномерном МГД приближении и оптимизация уст-
ройства сжатия И Сб. докл* Международ, конф* «УШ Харитоновские чтения по
проблемам физики высоких плотностей энергии», — Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ,
2006* С* 516*
219
201* Борисков Г. В„ Быков А. И*, Егоров Н, И. и др. Эксперименты по изо-
энтропическому сжатию изотопов водорода в мегабарной области давлений И
Megagauss-ХП: Proc, of the Int, conf* on Megagauss magnetic field generation and
related topics / Ed. by Shvetsov G* A* — Новосибирск: Изд-во Института гидроди-
намики СО РАН, 2011, С* 732-736*
202* Копышев В, П., Урлин В* Д. Изоэнтропическая сжимаемость и урав-
нение состояния водорода до давления 1 ТПа И Ударные волны и экстремальные
состояния веществ / Под ред. В* Е* Фортова, Л* В, Альтшулера, Р* Ф* Трунина,
А* И, Фунтикова* - М*: Наука, 2000. С* 297*
203* Пат. RU 2372980, МПК В 01 J 3/08, В 21 D 26/14* Устройство для
сжатия вещества / М И. Долотенко И Изобретения* Полезные модели. 2009*
№ 32 (приоритет от 26*02,2008).
204* Асеева В. В*, Быков А* И., Бойко Б. А, и др. Каскадная газодинамиче-
ская система разгона оболочки МК-генератора магнитных полей 20 МГс-ного
диапазона И Мегагауссная и мегаамперная импульсная технология и применения
/ Под ред* В, К. Чернышева, В. Д* Селемира, Л. Н* Пляшкевича* — Саров: РФЯЦ-
ВНИИЭФ, 1997, С* 129-132*
205, Забабахин Е. И* Явления неограниченной кумуляции И Механика
в СССР за 50 лет, - М.: Наука, 1970* Т* 2, С* 313-342*
206, Bagrowski J., Fruczek М., Grygoruk L* Experimental investigations of ex-
plosive driving of cylindrical metal liner systems // J. of Tech* Phys, 1983. Vol, 24,
No 3. P, 259-267,
207* Асеева В. В*, Быков А* И., Бойко Б. А, и др. Каскадная газодинамиче-
ская система разгона оболочки МК-генератора магнитных полей 20 МГс-ного
диапазона И Megagauss IX: Proc* of the Int* conf* on Megagauss magnetic field gen-
eration and related topics I Eds. Seiemir V, D„ Plyashkevich L* N, - Sarov: RFNC-
VNUEF, 2004* P. 129-132.
208* Павловский А. И., Долотенко M. И., Быков А* И* и др. Получение
магнитных полей 15 МГс в каскадных генераторах сверхсильных магнитных
полей (МК-1) И Megagauss fields and pulsed power system I Eds. Titov V* M.,
Shvetsov G* A* - N,Y,: Nova Sci, Publ. Inc., 1990* P* 29-32*
209* Павловский А. И„ Долотенко M, И., Быков А* И. и др* Генерация вос-
производимых импульсных магнитных полей до 20 МГс И Докл. РАН* 1994,
Т. 334, №3* С. 300-303.
210, Bykov A. I., Dolotenko М. I„ Kolokol’chikov N. Р. et al. VNUEF
achievements on ultra-high magnetic fields generation // Physica, B. 2001* Vol* 294—295.
P, 574-578.
211, Boyko B* A*, Bykov A. I., Dolotenko M,I * et al* With record magnetic
felds to the 21st century // 12th IEEE Int* Pulsed Power Conf. Digest of technical pa-
pers / Eds, Stallings C*, Kirbie H* - IEEE, 1999* P. 746-749.
212, Aseeva V. V., Boriskov G* V*, Dolotenko M* I. et al. Computational inves-
tigation of operating conditions of the cascade generator MC-1 with large HE charge //
The 28th IEEE Int. conf, on Plasma Science and The 13th IEEE Int. Pulsed Power
220
Conf, Digest of technical papers / Eds. Reinovsky R., Newton M* - IEEE, 2001.
P* 1182-1184,
213. Pavlovskii A. L, Bykov A, I., Dolotenko M* I. et al. Limiting value of re-
producible magnetic field in cascade magnetocumulative MC-1 generator // Mega-
gauss technology and pulse power applications / Eds. Fowler С* M., Caird R. S.,
Erickson D. J* - N.Y-London: Plenum Press, 1987* P* 159-166*
214. Boriskov G* V*, Bykov A* I*, Dolotenko M. I. et al. On one possibility of
cascade MC-1 generator final magnetic field increasing // Physica* B* 2001. Vol. 294—295*
P* 665-668*
215. Kozlov M* B*, Bykov A. I*, Dolotenko M* I* et al. Optical measurement of
multi-МА current in ultrahigh magnetic fields explosion generator //15 th Optical Fiber
Sensor Conf* Technical digest, OFS-2002 (Portland, USA, 6-10 May, 2002). P. 503-506*
216. Boriskov G. V*, Bykov A. L, Dolotenko M* I. et al* First results of multi-
radiography with MC-1 generator // Program of VIIIth Int. conf, on Megagauss mag-
netic field generation and related topics (18-23 October, 1998, Tallahassee, USA)*
WE-22* P* 174*
217* Aseeva V* V*, Boyko B* A*, Bykov A* I. et al. Investigation of effective-
ness of MC-1 generator cascades material made from powder composite // Megagauss
magnetic field generation, its application to science, and ultra-high pulsed-power
technology / Ed* by Schneider-Muntau H. J. - Singapore: World Sci* Publ* Co* Pte.
Ltd, 2004. P. 80-84.
218. Физика взрыва / Под ред* К* П. Станюковича. — М*: НаукаД975*
219. Быков А. И*, Долотенко М* И., Колокольчиков Н* П. и др. МК-1-
генератор сверхсильных магнитных полей с каскадами из порошкового компо-
зитного материала И Мегагауссная и мегаамперная импульсная технология
и применения / Под ред. В* К* Чернышева, В. Д. Селемира, Л* Н. Пляшкевича. —
Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 1997* С. 133-136.
220. Пат* RU 2253165 С2, МПК Н 02 N 11/00* Способ и устройство для из-
готовления оболочки для захвата и сжатия магнитного потока / А* И. Быков,
М* И. Долотенко, Д* И. Зенков, М. Б* Козлов, Н* П. Колокольчиков И Изобрете-
ния* Полезные модели* 2005* № 15 (приоритет 11.07*2003).
221. Пат* RU 2253166 С2, МПК Н 01 F 41/02. Способ изготовления цилин-
дрической оболочки / А* И* Быков, М. И* Долотенко, Д. И* Зенков, Н* П* Коло-
кольчиков, О. М* Таценко И Изобретения* Полезные модели. 2005. № 15 (при-
оритет от 14*07.2003).
222. Dolotenko М* I*, Kozlov М* В*, Seiemir V* D* Analysis of possibilities to
increase final magnetic field of magnetocumulative MC-1 generator // Megagauss X:
Proc* of the Int* conf* on Megagauss magnetic field generation and related topics / Ed.
by M* von Ortenberg. - Berlin: Humboldt Univ, at Berlin, 2005. P* 99-102*
223. Долотенко M* И., Козлов M. Б*, Селемир В* Д. Анализ возможностей
увеличения конечного магнитного поля магнитокумулятивного генератора МК-1 И
Гидродинамика высоких плотностей энергии* — Новосибирск: Изд-во Ин-та гид-
родинамики им* М. А. Лаврентьева СО РАН, 2004* С* 24-36*
221
224* Селемир В* Д*, Быков А. И*, Долотенко М* И. Численное моделирова-
ние каскадного генератора МК-1 магнитных полей 20 МГс-ного диапазона И Сб.
тез. докл* Междунар. конф* «XIV Харитоновские тематические научные чте-
ния». - Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2012* С* 42*
225. Bykov A* I*, Dolotenko М. L, Selemir V* D* Numerical simulation of
MC-1 cascade generator for generating 20-megagauss range magnetic field И IEEE
Transactions on Plasma Science* 2015* Vol* 43, No 1. P* 355-359.
СОДЕРЖАНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ................................................... 3
ВВЕДЕНИЕ....................................................... 6
Глава I* Обзор вариантов конструкций генераторов МК-1.......... 18
1.1. Невзрывные способы ускорения лайнера генератора МК-1 .... 18
1.2, Магнитодинамическое сжатие потока..................... 21
1.3, Детонация заряда ВВ во взрывном генераторе МК-1........ 24
1.4, Создание начального магнитного поля................... 27
1.5* Лайнер генератора МК-1................................ 37
1.5,1, Ударно-волновые лайнеры с фазовыми переходами..... 38
1.5,2, Металлокомпозитные лайнеры......................... 41
Глава П. Идеологические и конструктивные основы метода
воспроизводимой генерации сверхсильных магнитных полей......... 43
2,1, Аналитические модели магнитной кумуляции............... 44
2,2, Проблема воспроизводимости в мегагауссной физике....... 50
2.3, Принцип использования ограниченной степени сжатия
магнитного потока.............................................. 51
2.4, Принцип каскадирования в генераторе МК-1............... 53
2.5, Конструктивно-технологическое осуществление принципов , . . 55
Глава Ш. Каскадный генератор МК-1.............................. 58
3.1 * Однокаскадный генератор МК-1.......................... 58
3.1,1. Результаты экспериментов с измерением магнитного поля . * 59
3.1*2. Результаты численного моделирования однокаскадного
генератора МК-1............................................63
3,1.3, Исследование формы и размеров оболочки однокаскадного
генератора МК-1................................................ 68
3,1,4, Итоги исследования однокаскадного генератора МК-1...75
3.2 , Многокаскадный генератор МК-1......................... 77
3.2,1, Программа исследования многокаскадного генератора..77
3.2*2. Результаты экспериментов с измерением магнитного поля . * . 78
3.2*3. Рентгенографическое исследование многокаскадного
генератора МК-1................................................ 83
3.2*4. Эффекты каскадирования в генераторе МК-1........... 86
Глава IV, Диагностики.......................................... 90
4.1* Постановка эксперимента................................ 90
4.2* Индукционная методика измерения магнитной индукции
и ее производной............................................... 94
4,3, Оптическая методика измерения магнитной индукции....... 97
223
4,4. Авал из погрешностей оптической методики измерения
магнитного поля................................................ 100
4,5, Регистрация формы обжимающей оболочки.................. 103
4,6, Погрешности временной шкалы эксперимента............... 107
4,7, Численная модель генератора МК-1....................... 109
Глава V. Каскадный генератор МК-1 — инструмент физических
исследований................................................... 118
5.1, Каскадный генератор МК-1 магнитных полей 10 МГс диапазона . , 118
5.2, Международное сотрудничество. Серии экспериментов «Дирак»
и «Капица»..................................................... 122
5.3* Автономный источник многомегагауссного магнитного поля * , , 131
5.4. Управление формой импульса магнитного поля генератора МК-1 . . 132
5,5, Устройство изэнтропического сжатия вещества давлением
сверхсильного магнитного поля.................................. 137
5,5,1, Конструкция устройства изэнтропического сжатия..... 138
5,5,2, Динамика схлопывания трубки сжатия..................140
5.5,3, Изэнтропическое сжатие изотопов водорода........... 145
5.6* Сохранение образцов в экспериментах с устройством сжатия
на основе генератора МК-1.......................................148
Глава VI* Каскадный генератор МК-1 магнитных полей 20 МГс диапазона . 152
6.1* Большой генератор МК-1................................. 152
6.2* Каскадная газодинамическая система ускорения лайнера.. 155
6,3, Конструкция и монтаж среднего генератора МК-1.......... 157
6.4, Результаты испытаний среднего каскадного генератора МК-1 * . * 161
Глава VH, Предельные возможности взрывомагнитного метода получения
сверхсильных магнитных полей................................... 168
7.1* Исходные положения..................................... 168
7.2* Генератор МК-1 магнитных полей 10 МГс диапазона........ 170
7.2*1. Режим работы генератора МК-1 с малым начальным
магнитным полем................................................ 171
7.2*2. Увеличение мощности ВВ............................. 175
7.2*3. Сжатие магнитного потока давлением магнитного
поля генератора МК-1............................................176
7,2.4* Увеличение плотности вещества композитных материалов * . 182
7*2.4* 1. Композит из вольфрамового порошка.............. 182
7,2.4,2. Композит из изолированных вольфрамовых проволочек . * 190
7.3, Возможности каскадных генераторов МК-1 с большим зарядом ВВ , . 194
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................... 200
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................205
Научное издание
Долотенко Михаил Иванович
Магнитокумулятивные генераторы МК-1
сверхсильных магнитных полей
Редактор, корректор Зимакова Н. Ю.
Компьютерная подготовка оригинала-макета Моисеева Е. В., Лештаева Н. А.
Обложка Соседка Е, Л.
Подписано в печать 16.1L2015 Формат 70 х 100/16
Тираж 150 экз. Уел. печ. л. 18,2 Уч.-изд. л. 18,4
Печать офсетная Заказ тип. 27-2015
Отпечатано в Изд ательско-полиграфическом
комплексе ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ»
607188, г. Саров Нижегородской обл., ул. Силкина, 23