Как создать сильное магнитное поле

Мощный электромагнитный импульсный генератор — реальность или вымысел?

Периодически то в одном, то в другом фильме мелькает интересный девайс, который позволяет за доли секунд выключить: всю электронику в окрестностях, свет во всём городе, «победить всех роботов разом» и т.д. и т. п. Да, речь пойдёт о «мифическом» генераторе электромагнитного импульса. Но насколько он реален на самом деле?

И для начала вот эти фильмы: например, тот же самый фильм «Одиннадцать друзей Оушена», в котором с помощью подобного генератора выключается свет во всём городе:

Или, например, тот фильм «Матрица», в котором с помощью подобного импульса поражается армия машин, нападающая на людей:

Так как с каждым днём проникновение электроники в нашу жизнь увеличивается, человечество становится всё более зависимым от электронной среды, которая, в свою очередь, имеет критическую слабость в виде зависимости от электромагнитного излучения.

Причём началось это далеко не вчера — ещё во времена появления самых первых телефонных линий, магнитные бури вызывали помехи в линиях, большинство из которых было расположено над землёй. Например, у американских фермеров 19 века, для экономии провода, в качестве телефонных линий использовалась колючая проволока, ограждающая загоны со скотом, прямо по которой пускался телефонный сигнал.

И такие линии воздушного расположения были особо подвержены помехам, возникающим в результате магнитных возмущений. В настоящее время эта проблема в большей степени нивелирована, так как телефонные линии обычно пролегают под землёй.

Однако вернёмся к нашему генератору. Уже в XX веке совершенно случайно, при испытаниях атомного оружия было выявлено сопутствующие ему мощное электромагнитное излучение, влияние которого было отмечено даже на расстояниях в сотни километров от точки взрыва.

Со временем учёные стали исследовать этот вопрос целенаправленно и стало понятно, что ядерный взрыв не является идеальным кандидатом на роль генератора электромагнитного импульса — слишком загрязняется окружающая среда, энергия атомного распада или синтеза только в малой степени преобразуется в электромагнитное излучение (до 5% энергии взрыва).

По сей день не существует никакого компактного хранилища подобного излучения. Поэтому все более-менее эффективные генераторы представляют собой тот или иной способ преобразования энергии, как правило, энергии взрыва — в электромагнитное излучение соответствующей мощности и частоты, так как именно взрывчатые вещества могут хранить в себе в сжатом объёме достаточную энергию, которая может резко выделиться в ограниченном объёме и за весьма небольшое время.

Вне зависимости от конкретной конструкции, принцип действия подобных устройств основывается на так называемом «сжатии магнитного потока», который позволяет создавать очень мощные магнитные поля за микросекунды.

Одним из учёных, который работал над подобной проблемой, был академик Сахаров. Его генератор представляет собой катушку из медного прутка, которая окружена взрывчатым веществом. Катушка связана с мощной конденсаторной батареей.

Работает устройство следующим образом: батарея подаёт накопленный заряд на катушку, после того как магнитный поток достиг максимума, происходит подрыв заряда, который сжимает огромным давлением катушку снаружи, что приводит к запиранию магнитного поля внутри катушки, после чего вся система продолжает сжиматься, уменьшая длину волны электромагнитного излучения, одновременно увеличивая его напряжённость.

Как правило, подобное устройство получается достаточно компактным, поэтому его даже называют «генератор электромагнитного импульса для бедных».

Однако подобное название не должно вводить в заблуждение,- несмотря на свою простоту, устройство является весьма эффективным, так как сила тока в импульсе может достигать миллионов ампер и сам импульс — развивать мощность в десятки тераватт. Подобная мощность развивается из-за уменьшения сечения системы, что в свою очередь, повышает индукцию и ток в устройстве.

Чтобы устройство было достаточно эффективным, сжатие поля до максимального значения должно происходить примерно за период времени, равный 10 в минус девятой степени секунд.

Первые исследования подобных устройств в Советском Союзе проводились ещё в пятидесятых годах XX века.

Американцы тоже проводили подобные исследования в Лос-Аламосской лаборатории, результате которых возникли устройства, подобные показанному ниже.

Установка устройства представляла собой медную трубку, заполненную быстродействующим взрывчатым веществом. Ударная волна распространялась в устройстве от одного конца к другому, как показано на рисунке. Для предотвращения нежелательного (слишком быстрого) разрушения, устройство было залито бетоном или использовалась обмотка стекловолокном и заливка эпоксидной смолой.

Для начального пуска электромагнитного потока использовалась высоковольтная батарея Маркса. Расширяющаяся ударная волна постепенно замыкает катушку снаружи, запирая ток внутри оставшихся витков, и сжимает магнитное поле. При этом максимальный импульс генерируется практически перед полным разрушением самого устройства. При этом пиковые токи достигают значений в десятки мегаампер и энергии в десятки мегаджоулей. Типичным разбросом значений выходного тока (в зависимости от размеров и конструкции устройства) является интервал в 10-1000 раз превышающий ток, который регистрируется при обычных природных ударах молний.

Если некоторым образом попытаться обобщить значения энергии, которая может храниться в подобном химико-электромагнитном хранилище, то её можно примерно охарактеризовать как 100 Дж/г. Ряд экспериментов с подобными генераторами показал достижение токов до 250 мегаампер и энергию импульса более 1 мегаджоуля.

В качестве подобного устройства можно назвать плоский генератор:

При испытании его с объёмом взрывчатого вещества весом в 1 кг, мощность составила 100 000 000 000 ватт, энергия порядка 1 мегаджоуля и сила тока в 14 мегаампер. Вес генератора не превышал 10 кг. Именно на этом генераторе было получено магнитное поле, сила индукции которого составляла около 2500 Тесла.

Кому интересно подробнее почитать об этом генераторе, может ознакомиться со следующими монографиями:

• Долотенко М. И.: Магнитокумулятивные генераторы МК-1 сверхсильных магнитных полей.
• «Магнитоимпульсные генераторы — импульсные источники энергии»: Под ред. В.А.Демидова, Л.Н.Пляшкевича, В.Д.Селемира. /Саров, 2012.

Картинка: vk.com

Подобный генератор позволил получить весьма высокие показатели импульса -ток составил порядка 250 мегаампер и энергию достигла порядка 30 мегаджоулей.

Проблемой генератора Сахарова и рассмотренных выше ему подобных являлось то, что сила противодействия магнитного поля, запертого в механической катушке, на каком-то этапе становилась настолько большой, что дальнейшее сжатие было невозможным: происходила остановка процесса сжатия и разрушение катушки, причём не внешним взрывчатым веществом, как можно было бы подумать, а внутренним магнитным полем катушки.

Это привело к необходимости дальнейшего исследования этого вопроса, так как было выяснено, что для максимальной эффективности конвертации энергии взрывчатого вещества в электромагнитное излучение, необходимо магнитное поле сжать ещё сильнее, примерно в 1000 раз больше, чем в генераторе, который предложил Сахаров!

Что явилось толчком к дальнейшей эволюции генератора, в котором уже не физическая катушка сжимала поле, а была использована ударная волна, движущаяся прямо внутри вещества. Для этого была разработана следующая конструкция:

Устройство состоит из пластиковой сферы, внутри которой находится взрывчатое вещество, в центре взрывчатого вещества, находится кристалл йодида цезия. Кристалл установлен таким образом, что к нему с двух сторон подходят металлические конусы, которые проводят магнитное поле от постоянных магнитов.

Работает устройство следующим образом: вся поверхность пластиковой сферы покрыта сложной сетью канавок, изготовленных методом сверхточной ЧПУ фрезеровки и заполненных взрывчатым веществом с высокой стабильностью скорости детонации. Их основное назначение – сделать так, чтобы детонация распространилась по всей сфере внутри канавок, что вызвало, в свою очередь, одновременную, со всех сторон – детонацию основного вещества в центре. Каждая канавка заканчивается отверстием, через которое детонация от канавки — передаётся основному заряду взрывчатого вещества в центре (сфера с этими отверстиями выглядит как покрытая со всех сторон кучей отверстий. Как примерно шарик-ситечко, для заваривания чая).

Цель всей этой затеи — чтобы создать максимально сферическую волну давления, сходящуюся к центру — прямо кристаллу. Почему именно йодид цезия: было выявлено, что ударная волна в твёрдом теле, максимально сферической формы, достигается именно в монокристаллах подобного типа.

Так как плотность самого кристалла существенно больше, чем газообразные продукты взрыва, на поверхности кристалла накапливается избыточное давление, которое может превышать значение в миллион атмосфер. После некого порогового момента, сферическая волна давления с огромной скоростью начинает своё продвижение внутрь кристалла, одновременно со всех сторон. На пути её прохождения кристалл как таковой прекращает существовать, распадаясь в атомарную форму.

Кстати, именно этот момент объясняет, почему ударная волна сжимает магнитное поле: позади её фронта, вещество атомарного состояния — обладает практически металлической проводимостью! И можно сказать, что фактически сжатие происходит, условно говоря, «металлическим шаром».

На конечной стадии сжатия, размер поля, запертого внутри кристалла, составляет всего одну тысячную от того размера, который был изначально.

Ударная сферическая волна, сжавшись в точку, останавливается и начинает обратное движение, высвобождая запертое внутри поле. Точные цифры по эффективности подобной конструкции найти не удалось, но, так как она превышает по эффективности аппарат конструкции академика Сахарова, следует полагать, что цифры будут более чем впечатляющими!

Если попытаться сравнить предыдущие конструкции и более новый вид с распространением ударной волны внутри вещества — то явным плюсом электромагнитных импульсных генераторов со сжатием магнитного потока физическим устройством (лайнером) – является гораздо более простое устройство, хорошая повторяемость результатов и высокая надёжность (это становится хорошо понятно, если мы вспомним сложность устройства с ударной волной в твёрдом теле, где одна только сверхточная фрезеровка сферы чего стоит! Это явно не массовый аппарат.

Ещё одним альтернативным способом, который позволяет развивать большую мощность и высокую скорость сжатия — является сжатие с помощью магнитного поля. Для этого используется мощный одновитковый соленоид, который позволяет сжимать находящийся внутри соленоида лайнер, со скоростями, позволяющими достигать полей до 300 Тесла. Взрывные же генераторы позволяют получить поля до 2500 Тесла (и, наверное, сейчас уже даже поболее!).

Так что, как можно было видеть по изложенным в этом рассказе фактам — импульсный генератор электромагнитного излучения не является досужим вымыслом киношников, а представляет собой ряд вполне конкретных конструкций, параметры которых впечатляют. Мало того — существуют и сверхмощные импульсные микроволновые генераторы. Обо всём этом можно почитать тут.

• эми
• эми-генератор
• магнитокумулятивный генератор
• ударно-волновой излучатель
• ruvds_статьи

• Блог компании RUVDS.com
• Читальный зал
• Физика

Магнитокумулятивные генераторы — источники сверхсильных магнитных полей и импульсного питания

С 50-х годов XX века в мире начало активно развиваться направление взрывомагнитных генераторов сверхсильных магнитных полей, представляющих собой импульсные генераторы, в основу которых был положен принцип магнитной кумуляции, то есть сжатия магнитного потока.

В предыдущей статье тема подобных генераторов уже освещалась более обзорно, эта же статья несколько глубже погружает в тему.

Небольшой спойлер от автора: дальше последует некоторый результат моих исследований этой любопытной темы, так как экстремальные проявления устройств и способов генерации различных физических явлений всегда довольно любопытны. Суждения в тексте ниже могут быть где-то верны, где-то ошибочны, а где-то лютым бредом и расходиться со здравым смыслом 🙂 В любом случае, надеюсь, будет интересно!

Общие понятия

Взрывомагнитные генераторы представляют собой устройства, которые преобразуют энергию взрывчатого вещества в электромагнитную энергию.

Они отличаются большой энергоёмкостью и мощностью, вследствие чего могут выступать импульсными источниками питания, а также в качестве средства генерации сверхсильных магнитных полей (1 МГс и более).

Их работа основана на увеличении плотности магнитной энергии, которая изначально распределена по большему объёму магнитного потока, в меньшем объёме используя сжатие.

В общем случае работа устройства выглядит следующим образом:

• внешнее устройство создаёт изначальный магнитный поток (конденсаторная батарея подключается к электромагнитной катушке);
• при последующем взрыве происходит запирание магнитного потока внутри токопроводящих частей, физически быстро сжимающихся в процессе.

Подвижные части генератора принято называть арматурой или лайнером, неподвижную же — статором. Сам же класс подобных устройств в России, ещё со времён СССР, принято называть «магнитокумулятивными генераторами» (МКГ).

Одним из первых, кому пришла в голову идея сжатия магнитного потока и получения сверхсильных магнитных полей и токов является академик А.Д.Сахаров, который предложил разработанные им конструкции подобного генератора: МК-1, МК-2.

Именно на генераторе МК-2 были получены и зарегистрированы в 1953 году токи в 100 МА.

В дальнейшем исследователи использовали наработки Сахарова для улучшения и развития заложенных идей. Например, были предприняты попытки использовать МК-2 для разгона физических предметов до высоких скоростей, в частности тонких алюминиевых колец весом в 2 грамма, которые набирали скорость (более 100 км/сек) в кольцевом зазоре под воздействием давления магнитного поля:

Картинка: Схема устройства для метания кольца. «Взрывомагнитные генераторы» — А.Д.Сахаров, 1966 г.

Однако эти опыты закончились неудачно, так как кольца просто-напросто испарялись во время ускорения.

Со временем установки вышли на генерацию полей в 10-14 МГс, затем — порядка 25 МГс. При этом скорость движения цилиндрических оболочек составила 10-20 км/сек.

Тогда же исследователи заинтересовались возможностью использовать подобные генераторы в качестве импульсного источника энергии.

В результате концентрации исследователей на данном направлении были разработаны тороидальные кабельные трансформаторы, которые были особо полезны для компактных МКГ, существенно расширяя диапазон сфер их применения.

Например, МКГ диаметром 40 мм, соединённый с тороидальным трансформатором, обеспечивал порядка 50 кДж энергии, из которых в нагрузку могло быть передано 10 кДж:

Картинка: «Магнитокумулятивные генераторы — импульсные источники энергии», Том 1

Разработка эффективных трансформаторов позволила создавать системы, имеющие очень высокий коэффициент усиления энергии. Например, была создана каскадная система, основанная на МКГ диаметром 30 мм, обеспечивающая коэффициент усиления энергии порядка 3.000:

Картинка: «Магнитокумулятивные генераторы — импульсные источники энергии», Том 1

Типология подвижной части (лайнера) МКГ

Несмотря на то, что лайнер может быть выполнен в разных видах, широко распространены только несколько вариантов.

▍ Цилиндрический лайнер

Наиболее используемым типом является трубчатый вариант, с расположенным внутри зарядом ВВ.

На рисунке ниже показана такая трубчатая конструкция с инициацией ВВ с одного торца (левая картинка) и по всей оси (правая картинка).

Во время срабатывания ВВ в первом случае фронт продвигается слева направо и труба всё более начинает приобретать конусовидную форму. Во втором же случае происходит ускорение всей стенки трубы в радиальном направлении (проще говоря, увеличивается её диаметр на всём протяжении):

Похожим подвидом является следующий, где заряд ВВ как бы намазан по внутренней поверхности трубы и инициация происходит по всей внутренней поверхности.

Однако движение трубы может быть направлено не только наружу, но и внутрь, к её оси. В таком случае труба выглядит как бы покрытой ВВ с внешней стороны:

▍ Плоский лайнер

Известен также и вариант с плоской арматурой:

▍ Дисковый лайнер

Существует также вариант и с дисковым лайнером, где ВВ расположена либо с одной стороны диска (левая картинка), либо внутри полого диска (правая картинка):

Кроме того, известен также и вариант с шарообразным лайнером, где заряд ВВ располагается в центре.

Как можно было заметить по иллюстрациям выше, для ускорения с помощью ВВ металлических проводников используется либо режим скользящей детонации, когда волна распространяется по заряду вдоль поверхности проводника, либо режим, где детонационная волна плоско падает на проводник и определяющим параметром здесь является скорость движения проводника, где нужно учитывать, что проводник не приобретает свою скорость мгновенно, а разгоняется на протяжении деформации определённого участка своей длины, что соответствующим образом должно учитываться конструкторами генераторов.

Здесь определённые сложности (в случае конструкции, где используется плоское падение волны на проводник) вызывает создание плоского фронта детонационной волны, что решается конструкторами с помощью так называемых «активных линз». Они представляют с собой конусы, состоящие из двух слоёв — внешний слой из основного ВВ, а внутренний слой из ВВ с меньшей скоростью детонации.

Регулируя углы конусов, добиваются того, чтобы волна, выходящая из основания их общего конуса, имела плоский вид.

Кроме активных линз, существуют ещё и «пассивные», у которых внутренняя часть конуса представляет собой легкосжимаемые материалы: полиэтилен и т. д.

Существует и отдельный тип линз, представляющих собой пустотелый конус, внутренняя часть которого покрыта металлом. Здесь также происходит подбор всех параметров таким образом, чтобы после срабатывания ВВ металл, облицовывающий внутреннюю поверхность конуса, подлетал к основанию конуса одновременно, представляя собой плоскость.

Виды МКГ

Как уже было сказано ранее, учёными было создано и протестировано достаточно большое количество МКГ. Тем не менее, видов, которые могут эффективно работать по сжатию магнитного потока, не так уж много.

Кроме того, некоторые из них используются для создания сверхсильных магнитных полей, в то время как другие, — в качестве источника энергии. Рассмотрим оба вида.

▍ МКГ сверхсильных магнитных полей

В этом классе первым известным устройством является уже упомянутая ранее разработка Академика Сахарова — генератор МК-1 (см. картинку выше).

Работало устройство следующим образом: соленоид изначального поля, расположенный по внешней стороне заряда ВВ подключался к батарее конденсаторов и инициировал изначальный магнитный поток внутри цилиндрического лайнера расположенного внутри заряда ВВ.

Прим. автора статьи: насколько я понимаю, соленоид изначального поля мог располагаться снаружи (как будет показано чуть ниже) или внутри заряда (как показано в начале статьи). По крайней мере, в самом отчёте А.Д.Сахарова приводится вариант с внутренней катушкой, в классическом же описании МК-1 приводится вариант с внешней катушкой. Также оговаривается, что возможны оба варианта.

После чего происходила инициация ВВ:

Это приводило к дальнейшему сжатию этого металлического лайнера. Причём инициирующая катушка могла располагаться (в другом варианте конструкции) и под слоем ВВ, а не только сверху него, как было уже сказано чуть выше.

Самый лучший результат, достигнутый с помощью такого генератора, имеющего металлический лайнер диаметром в 150 мм, был представлен созданным полем в 5,2 МГс.

Существует и улучшенный вариант этого генератора, разработанного А.И. Павловским, где лайнер представлял собой систему из тонких проволочек, скреплённых между собой эпоксидной смолой:

Такой генератор при диаметре в 160 мм смог достичь полей в 14 МГс, а при диаметре в 300 мм — 28 МГс.

▍ МКГ генераторы энергии

В отличие от генераторов сверхсильных магнитных полей, где конечный объём находится внутри устройства, генераторы энергии конструктивно представляют собой два разнесённых элемента, один из которых служит для сжатия магнитного потока, а второй представляет собой собственно полезную нагрузку.

▍ Спиральные МКГ

Самую сложную конструкцию среди генераторов имеют спиральные: как правило, они представляют собой ряд секций, где по мере продвижения к одному из торцов генератора (показан ниже, на примере фото и схемы генератора МК-2) происходит возрастание шага витков спирали:

Картинки: «Взрывомагнитные генераторы» — А.Д.Сахаров, 1966 г.

К их достоинствам можно отнести самые большие коэффициенты перестройки индуктивности, усиления тока и энергии.

Конструктивно подобные генераторы представляет собой металлическую трубу с зарядом ВВ, инициируемую с торца, снаружи труба окружена спиралью.

Подключение источника изначальной энергии осуществляется к одному торцу трубы и началу спирали, в то время как полезная нагрузка подключается к другому концу трубы и к концу спирали.

После срабатывания ВВ труба начинает расширяться, образуя пятно контакта с витками спирали, которое движется в сторону нагрузки.

В ряде случаев последняя секция спирали выполняется конической. Если этот конус сужается, то повышается внутренний импеданс генератора. Если же секция расширяющаяся, то это приводит к снижению выходного напряжения.

Также в ряде случаев используются спирали вообще без цилиндрических участков, то есть вся использующаяся спираль является конусной (с увеличивающимся или уменьшающимся в диаметре конусом к концу).

Для увеличения же выходной мощности центральная труба может быть выполнена также расширяющейся к концу:

▍ Коаксиальные МКГ

Они обеспечивают более высокие токи, по сравнению со спиральными, но только если нагрузка является низкоимпедансной и при относительно низких значениях усиления тока и энергии. Здесь также используется система из двух элементов, и работает она похоже на предыдущую, только внешний элемент представлен цилиндром, как и внутренний (а в предыдущем варианте снаружи была спираль). При срабатывании ВВ, начиная с левой стороны трубы, конус расширяющейся внутренней трубы начинает вдвигаться во внешний цилиндр.

▍ Шинные генераторы

Представляют собой весьма привлекательные генераторы, отличающиеся дешевизной и простотой устройства, в которых магнитное поле создаётся токами, текущими в шинах в противоположных направлениях:

Однако по потенциальному импедансу подключаемой нагрузки и коэффициенту усиления они уступают спиральному типу.

▍ Дисковые МКГ

Этот тип является подвидом коаксиального, представляя его укороченную форму. Его преимуществом является возможность генерации больших токов, так как в процессе работы происходит увеличение сечений проводников.

Итоги

Одним из основных плюсов МКГ-генераторов является их существенное превосходство над другими импульсными источниками по удельной энергии, так как типичное время их работы составляет десятки и сотни микросекунд: например, при поле в 1 МГс плотность энергии составляет 4 кДж/см3. Тем не менее, из-за того, что такая плотность достигается только в небольшой части объёма МКГ, соотношение выходной энергии к объёму конструкции (удельная плотность энергии МКГ) составляет до 100 Дж/см3 и более. Однако, благодаря тому, что они могут иметь весьма компактные размеры и являются конструктивно простыми, они остаются привлекательными для множества применений. Из основных же минусов можно назвать однократность действия (генератор физически разрушается после срабатывания).

В настоящее время известны применения подобных генераторов:

• для запитки плазменных фокусов, получения импульсов мягкого рентгеновского излучения 10-мегаджоульного диапазона;
• резонансного релятивистского осциллятора на бегущей волне;
• для моделирования воздействия молнии;
• для использования в геофизических исследованиях;
• ряда других работ и научных исследований.

1. «Магнитокумулятивные генераторы — импульсные источники энергии», Том 1 — под ред. В. А. Демидова, Л. Н. Пляшкевича, В. Д. Селемира. Саров, 2012 г.

2. Материалы статьи «Взрывомагнитные генераторы» — А.Д.Сахаров. Апрель, 1966 г.

Сверхсильные импульсные магнитные поля

В науке для познания природы в качестве инструментов используются различные взаимодействия и поля. В ходе физического эксперимента исследователь, воздействуя на объект исследования, изучает отклик на это воздействие. Анализируя его, делают заключение о природе явления. Наиболее эффективным средством воздействия является магнитное поле, так как магнетизм – широко распространенное свойство веществ.

Силовой характеристикой магнитного поля является магнитная индукция. Далее приводится описание наиболее распространенных методов получения сверхсильных магнитных полей, т.е. магнитных полей с индукцией свыше 100 Тл (тесла).

• минимальное регистрируемое с помощью сверхпроводящего квантового интерферометра (СКВИД) магнитное поле – 10 -13 Тл;
• магнитное поле Земли – 0,05 мТл;
• сувенирные магниты на холодильник – 0,05 Тл;
• альнико (алюминий-никель-кобальт) магниты (AlNiCo) – 0,15 Тл;
• ферритовые постоянные магниты (Fe₂O₃) – 0,35 Тл;
• самариево-кобальтовые постоянные магниты (SmCo) — 1,16 Тл;
• самые сильные неодимовые постоянные магниты (NdFeB) – 1,3 Тл;
• электромагниты Большого адронного коллайдера – 8,3 Тл;
• самое сильное постоянное магнитное поле (Национальная лаборатории сильных магнитных полей Флоридского университета) – 36,2 Тл;
• самое сильное импульсное магнитное поле, достигнутое без разрушения установки (Лос-Аламосская национальная лаборатория, 22 марта 2012 года) – 100,75 Тл.

В настоящее время исследования в области создания сверхсильных магнитных полей проводятся в странах – участниках «Megagauss Club» и обсуждаются на Международных конференциях по генерации мегагауссных магнитных полей и родственным экспериментам (гаусс – единица измерения магнитной индукции в системе СГС, 1 мегагаусс = 100 тесла).

Для создания магнитных полей такой силы необходима очень большая мощность, поэтому в настоящее время их получение возможно только в импульсном режиме, причем длительность импульса не превышает десятков микросекунд.

Разряд на одновитковый соленоид

Самым простым методом получения сверхсильных импульсных магнитных полей с магнитной индукцией в диапазоне 100. 400 тесла является разряд ёмкостных накопителей энергии на одновитковые соленоиды (соленоид — это однослойная катушка цилиндрической формы, витки которой намотаны вплотную, а длина значительно больше диаметра).

Внутренний диаметр и длина используемых катушек обычно не превышают 1 см. Индуктивность их мала (единицы наногенри), поэтому для генерации в них сверхсильных полей требуются токи мегаамперного уровня. Их получают с помощью высоковольтных (10-40 киловольт) конденсаторных батарей с низкой собственной индуктивностью и запасаемой энергией от десятков до сотен килоджоулей. При этом время нарастания индукции до максимального значения не должно превышать 2 микросекунды, иначе разрушение соленоида произойдет раньше, чем будут достигнуто сверхсильное магнитное поле.

Деформация и разрушение соленоида объясняются, что из-за резкого возрастания тока в соленоиде существенную роль играет поверхностный («скин») эффект — ток концентрируется в тонком слое на поверхности соленоида и плотность тока может достигать очень больших величин. Следствием этого является возникновение в материале соленоида области с повышенными температурой и магнитным давлением. Уже при индукции 100 тесла поверхностный слой катушки, выполненный даже из тугоплавких металлов, начинает плавиться, а магнитное давление превышает предел прочности большинства известных металлов. С дальнейшим ростом поля область плавления распространяется вглубь проводника, а на его поверхности начинается испарение материала. В итоге происходит взрывообразное разрушение материала соленоида («взрыв скин-слоя»).

Если же величина магнитной индукции превышает значение 400 тесла, то такое магнитное поле обладает плотностью энергии, сравнимой с энергией связи атома в твёрдых телах и намного превышает плотность энергии химических взрывчатых веществ. В зоне действия такого поля происходит, как правило, полное разрушение материала катушки со скоростью разлета материала витка до 1 километра в секунду.

Метод сжатия магнитного потока (магнитная кумуляция)

Для получения максимального магнитного поля (до 2800 Тл) в условиях лаборатории применяется метод сжатия магнитного потока (магнитная кумуляция).

Внутри проводящей цилиндрической оболочки (лайнера) с радиусом r₀ и сечением S₀ создается аксиальное стартовое магнитное поле с индукцией B₀ и магнитным потоком Ф = B₀S₀ и. Затем лайнер симметрично и достаточно быстро сжимается внешними силами, при этом его радиус уменьшается до r_f и площадь сечения до S_f. Пропорционально площади сечения уменьшается и магнитный поток, пронизывающий лайнер. Изменение магнитного потока в соответствии с законом электромагнитной индукции вызывает возникновение в лайнере индуцированного тока, создающего магнитное поле, стремящееся компенсировать уменьшение магнитного потока. При этом магнитная индукция соответственно увеличивается до значения B_f=B₀*λ*S₀/S_f, где λ – коэффициент сохранения магнитного потока.

Метод магнитной кумуляции реализован в устройствах, получивших название магнитокумулятивных (взрывомагнитных) генераторов. Сжатие лайнера осуществляется давлением продуктов взрыва химических взрывчатых веществ. Источником тока для создания начального магнитного поля служит конденсаторная батарея. Основоположниками исследований в области создания магнитокумулятивных генераторов были Андрей Сахаров (СССР) и Кларенс Фоулер (США).

В одном из опытов в 1964 году на магнитокумулятивном генераторе МК-1 в полости диаметром 4 мм удалось зарегистрировать рекордное поле 2500 Тл. Однако неустойчивость магнитной кумуляции явилась причиной невоспроизводимого характера взрывной генерации сверхсильных магнитных полей. Стабилизация процесса магнитной кумуляции возможна при сжатии магнитного потока системой последовательно включаемых коаксиальных оболочек. Такие устройства называют каскадными генераторами сверхсильных магнитных полей. Их основное достоинство заключается в том, что они обеспечивают стабильность работы и высокую воспроизводимость сверхсильных магнитных полей. Многокаскадная конструкция генератора МК-1, использующая 140 кг взрывчатого вещества, обеспечивающих скорость сжатия лайнера до 6 км/с, позволила получить в 1998 году в Российском федеральном ядерном центре рекордное в мире магнитное поле 2800 тесла в объеме 2 см 3 . Плотность энергии такого магнитного поля более чем в 100 раз превышает плотность энергии самых мощных химических взрывчатых веществ.

Применение сверхсильных магнитных полей

Начало использованию сильных магнитных полей в физических исследованиях было положено трудами советского физика Петра Леонидовича Капицы в конце 1920-х годов. Сверхсильные магнитные поля применяются в исследованиях гальваномагнитных, термомагнитных, оптических, магнитно-оптических, резонансных явлений.

Они применяются, в частности:

• для исследования эффекта Фарадея (эффект Фарадея – поворот на угол β плоскости поляризации линейно поляризованного светового луча, проходящего через изотропную среду, находящуюся в магнитном поле);
• для исследования эффекта Зеемана (эффект Зеемана — расщепление энергетических уровней и спектральных линий атомов под воздействием магнитного поля)
• для изучения свойств веществ в экстремальных условиях, так как энергия магнитного поля напряжённостью 1000. 1500 Тл превышает энергию связи частиц в твёрдых телах, а магнитное давление превышает давление в центре Земли. Это может быть использовано, например, для сжатия водорода. В химических реакциях, отдавая электрон, водород ведет себя как металл, но для полноценного металла водороду не хватает кристаллической решетки. Существует предположение, что при температурах, приближенных к абсолютному нулю, и давлении в миллионы атмосфер, возможно образование кристаллической решетки водорода с удивительными свойствами, например, сверхпроводимостью;
• в оружии электромагнитного импульса (ЭМИ).

XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2023

В течение более ста последних лет среди физиков и инженеров не убывает интерес к проблеме получения всё более сильных магнитных полей. Этот интерес вызван, в первую очередь, различными применениями сильных полей в исследованиях и в технологии. Вместе с тем эффекты, сопровождающие получение сильных магнитных полей настолько разнообразны и перспективны, что их изучение позволяет получить много новых сведений о диффузии поля в проводящую среду, о возникновении и развитии разнообразных магнитогидродинамических течений, о фазовых переходах в металлах и об их свойствах при высоких температурах и давлениях [2].

Потребность в применении сильных магнитных полей ощущается почти во всех основных областях физики: в физике высоких энергий, в физике твердого тела, в геофизике, в биофизике и биосенсорике.

Хотя первые шаги к получению сильных магнитных полей были предприняты еще 30 лет назад, однако только теперь эта задача привлекла к себе такое же пристальное внимание и широкую поддержку, которые явились залогом успеха в других отраслях науки, например при создании телескопов, ускорителей частиц, ядерных реакторов и больших счетных машин. Первая попытка в области получения сильных магнитных полей была предпринята в 1963 г., когда была основана Национальная лаборатория при Массачусетсом технологическом институте [1].

Четыре основных магнитных эффектов

Магнитное поле можно лучше всего понять, если описать четыре основных эффекта, посредством которых можно обнаружить это поле:

1) Постоянное однородное магнитное поле заставляет поворачиваться магнитный диполь; говорят, что на диполь действует вращающий момент.

2) Однородное постоянное магнитное поле искривляет траекторию движения электрического заряда.

3) Если поле неоднородно, т. е. каким-то образом меняется в пространстве, то оно заставляет магнитный диполь двигаться.

4) Если поле непостоянно во времени, то оно заставляет двигаться электрический заряд (рис. 1).

Наиболее известным примером магнитного диполя является магнитная стрелка. Следя за ее поведением в магнитном поле Земли, Уильям Гильберт еще в 1600 г. сделал вывод о том, что Земля — тоже магнитный диполь, только гигантских размеров [1].

Получение магнитных полей

Сильные магнитные поля можно получать, пропуская через катушку или соленоид сильный ток. Чем больший ток течет через катушку, тем большее магнитное поле он создает. Но если катушка обладает электрическим сопротивлением, то в ней выделяется тепло. Приходится тратить огромную энергию на поддержание тока, возникают серьезные проблемы, связанные с отводом тепла (иначе катушка может расплавиться). Так, в 1937 г., впервые было получено магнитное поле с индукцией 10 Тл. Но поддерживать это поле удавалось только ночью, когда другие потребители электростанции, подающей ток в обмотку, были отключены. Выделившееся тепло отводилось проточной водой, и при этом каждую секунду 5 литров воды доводились до кипения. Именно это и ограничивает возможности получения сильных магнитных полей в обычных соленоидах [3].

Идея использования сверхпроводимости для создания сильных магнитных полей возникла сразу после ее открытия. Казалось бы, все, что требуется, — это намотать из сверхпроводящей проволоки катушку, замкнуть ее концы и пустить по такому контуру достаточно сильный ток. Так как электрическое сопротивление катушки равно нулю, то выделения тепла не происходит. И хотя охлаждение соленоида до температур жидкого гелия, при которых наступает сверхпроводимость, создает определенные трудности, преимущества окупили бы недостатки, если бы. магнитное поле само не разрушало сверхпроводимость [3].

Оказалось, однако, что выход все-таки есть. Найти его позволили законы квантовой механики, которые в сверхпроводниках могут работать в макроскопических масштабах [3].

Создание установки для получения сильного магнитного поля включает в себя следующие этапы:

1. Расчёт поля соленоида и выбор его геометрической формы, обеспечивающей требуемую конфигурацию поля, а также расчёт тока, необходимого для питания магнитной системы.

2. Выбор источника энергии и согласование его с нагрузкой.

3. Расчёт механических напряжений в обмотке соленоида.

4. Анализ тепловых процессов в катушках [2].

Соленоиды бывают различных типов: многовитковые многослойные катушки, спирали плоские и геликоидальные, набранные из дисков и цельноточеные из металлических прутков, одновитковые и др. По своему значению они делятся на два больших класса: соленоиды для получения стационарных магнитных полей, то есть таких полей, которые могут по желанию экспериментатора долго держаться при определенных фиксированных значениях, и соленоиды для получения импульсных магнитных полей, существование которых возможно лишь в течение короткого времени (в общем случае не более 1 секунды). С помощью соленоидов первого типа генерируются поля до 2,5 ⋅ 10 5 Э. Импульсные соленоиды позволяют получить поля до 5 ⋅ 10 6 Э. Принято поля в диапазоне 10 5 – 10 6 Э называть сильными, а свыше 10 6 Э – сверхсильными. Если во время получения поля соленоиды не деформируются и не сильно нагреваются, то поле в них пропорционально протекающему току: Н = kI, где k – константа соленоида, которая поддается точному расчету [4].

Установки для получения сильных магнитных полей состоят из трех основных частей: источника постоянного тока, соленоида и системы охлаждения. При конструировании соленоида исходят из величины его внутреннего канала d, приемлемого для проведения опытов, и имеющейся мощности источника тока W. Обычно значение d порядка 3 – 5 см. Встает вопрос, как при этих заданных параметрах получить максимальное поле. Эта задача решается точно. Рассмотрим два практически важных случая. Пусть соленоид намотан проводом, тонким по сравнению с размерами круглого каркаса, который имеет прямоугольное осевое сечение. В этом случае ток будет равномерно распределен по всему сечению обмотки. Поле в центре рабочего канала соленоида дается выражением

Применение сверхсильных магнитных полей

Н
ачало использованию сильных магнитных полей в физических исследованиях было положено трудами советского физика Петра Леонидовича Капицы в конце 1920-х годов. Сверхсильные магнитные поля применяются в исследованиях гальваномагнитных, термомагнитных, оптических, магнитно-оптических, резонансных явлений [5].

Рис. 2 – Применение сверхсильных магнитных полей

Они применяются, в частности:

-для исследования эффекта Фарадея (эффект Фарадея – поворот на угол β плоскости поляризации линейно поляризованного светового луча, проходящего через изотропную среду, находящуюся в магнитном поле);

-для исследования эффекта Зеемана (эффект Зеемана — расщепление энергетических уровней и спектральных линий атомов под воздействием магнитного поля)

-для изучения свойств веществ в экстремальных условиях, так как энергия магнитного поля напряжённостью 1000. 1500 Тл превышает энергию связи частиц в твёрдых телах, а магнитное давление превышает давление в центре Земли. Это может быть использовано, например, для сжатия водорода. В химических реакциях, отдавая электрон, водород ведет себя как металл, но для полноценного металла водороду не хватает кристаллической решетки. Существует предположение, что при температурах, приближенных к абсолютному нулю, и давлении в миллионы атмосфер, возможно образование кристаллической решетки водорода с удивительными свойствами, например, сверхпроводимостью;

-в оружии электромагнитного импульса (ЭМИ) [5].

Сильные магнитные поля, теперь уже достаточно легко создаваемые, находят все новые применения с такой быстротой, которая превосходит все ожидания. Сейчас трудно даже приблизительно представить себе все применения магнитного поля, и это само по себе показывает, как быстро в различных областях физики начинают применяться исследования в сильных магнитных полях. В некоторых случаях возникает совершенно новая отрасль исследований, которая раньше была невозможна [1].

Список литературы