PL217049B1 - Układ do wytwarzania ultrasilnych impulsowych pól magnetycznych i badania materiałów w tych polach - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ do wytwarzania ultrasilnych, impulsowych pól magnetycznych i badania materiałów w tych polach, mający zastosowanie w laboratoriach naukowych do badań w zakresie fizyki i inżynierii materiałowej.

Układ do wytwarzania ultrasilnych, impulsowych pól magnetycznych i badania materiałów w tych polach znany jest z rozdziału autorstwa Fritz'a Hertach'ea Henry Jones'a pt. „Magnets”, stanowiącego część książki pt. „Encyclopedia of Applied Physics”, Vol. 9, wydanej przez VCH Publisher, Inc. w Nowym Jorku, Londynie i Berlinie w 1994 r. Układ ten składa się z cewki jednozwojowej, wykonanej z miedzi, a jedna końcówka cewki połączona jest z baterią wysokonapięciowych kondensatorów. Działanie układu polega na tym, że po naładowaniu baterii kondensatorów i połączeniu jej z drugą końcówką cewki, przez cewkę przepływa impuls prądu elektrycznego o bardzo dużym natężeniu, wytwarzający ultrasilne, impulsowe pole magnetyczne w osiowym otworze cewki, gdzie znajduje się próbka badanego materiału. Impuls ten jest tak silny, że powoduje nadtopienie i rozerwanie cewki przez siły elektrodynamiczne, dlatego użyteczne pole istnieje tylko do momentu zniszczenia cewki. Układ ten pozwala na wytworzenie ultrasilnego pola magnetycznego o indukcji 180 T, trwającego 1-2 μs, w obszarze o średnicy 8 mm i wysokości 10 mm, przy czym maksymalne natężenie impulsu prądu płynącego przez cewkę przed jej rozerwaniem wynosi 4 MA.

Inny układ do wytwarzania ultrasilnych, impulsowych pól magnetycznych i badania materiałów w tych polach znany jest z artykułu H. Nojiri, T. Takamasu, S. Todo, K. Uchioli, T. Haruyamy, H. A. Katori, T. Goto i N. Miury pt. „Genertation of 500 T filelds by electromagnetic flux compression and their application to cyclotron resonance experiments”, opublikowanego w czasopiśmie pt. „Physics B”, Vol. 201 w 1994 r. Układ ten składa się z wewnętrznej, wielozwojowej cewki, wykonanej z miedzi, gdzie jedna końcówka cewki połączona jest z wysokonapięciową baterią kondensatorów. Cewka umieszczona jest współosiowo wewnątrz masywnej, większej, również wielozwojowej cewki, także sporządzonej z miedzi, zaś jedna końcówka tej cewki połączona jest z tą samą baterią kondensatorów. W osiowym otworze mniejszej cewki znajduje się próbka badanego materiału.

Działanie tego znanego układu polega na tym, że baterię kondensatorów ładuje się ładunkiem elektrycznym i łączy wolne końcówki cewek z naładowaną baterią. W wyniku tego, przez obie cewki przepływają impulsowe prądy elektryczne o bardzo dużym natężeniu, a w wewnętrznej cewce zostaje wytworzone pole magnetyczne wstępne. Kierunek przepływu prądu elektrycznego w obu cewkach jest taki, że na cewkę wewnętrzną działają ściskające ją radialnie siły elektrodynamiczne, pochodzące od cewki większej. W wyniku tego, cewka wewnętrzna jest zgniatana i porusza się w polu magnetycznym cewki większej, przez co w cewce mniejszej indukują się dodatkowe prądy elektryczne, wzmacniające pole początkowe. Ultrasilne, impulsowe pole magnetyczne o maksymalnej indukcji uzyskuje się tuż przed zgnieceniem cewki wewnętrznej do rozmiarów próbki badanego materiału, po czym cewka ta i próbka ulegają zniszczeniu. Maksymalna indukcja ultrasilnego, impulsowego pola magnetycznego wynosi 550 T, czas jego trwania jest 20 μs. Pole to wypełnia obszar o średnicy 8 mm i wysokości 12 mm, a maksymalne natężenie impulsu prądu płynącego przez układ osiąga 4 MA.

Także znany układ do wytwarzania ultrasilnych, impulsowych pól magnetycznych i badania materiałów w tych polach ujawniony jest w książce Heiniz'a Knoeple'a pt. „Pulsed High Magnetic Fields”, wydanej przez wydawnictwo North-Holland Publishing Company w Amsterdamie i Londynie w 1970 r. Układ ten stanowi cewka wielozwojowa, nawinięta izolowanym drutem miedzianym. Wewnątrz osiowego otworu cewki znajduje się miedziany cylinder przecięty wzdłuż tworzącej, zwany linerem. Na zewnątrz cewki umieszczony jest cylindryczny ładunek wybuchowy a wewnątrz linera znajduje się próbka badanego materiału.

Działanie tego znanego układu polega na tym, że przez cewkę przepuszcza się silny impuls prądu elektrycznego, otrzymany przez rozładowanie wysokonapięciowej baterii kondensatorów, który powoduje wytworzenie początkowego pola magnetycznego wewnątrz linera. Następnie, detonuje się ładunek wybuchowy, co powoduje zgniecenie cewki, zamknięcie szczeliny linera i jego ściskanie w kierunku radialnym. Początkowe, silne pole magnetyczne indukuje w poruszających się ściankach linera prądy elektryczne, które wzmacniają to pole początkowe. W wyniku tego wytwarzane jest wtórne pole magnetyczne, znacznie silniejsze od pola początkowego i w tym polu wtórnym możliwe jest badanie próbki materiału. W końcowym etapie, po osiągnięciu maksymalnej indukcji pola, następuje całkowite zgniecenie linera i próbki w wyniku tego układ przestaje działać. Układ ten pozwala na wyPL 217 049 B1 tworzenie ultrasilnego, impulsowego pola magnetycznego o indukcji około 800 T, czasie trwania 3 μs przy końcowej objętości pola zbliżonej kształtem do walca o średnicy 6 mm i wysokości 8 mm.

Jeszcze inny układ do wytwarzania ultrasilnych, impulsowych pól magnetycznych i badania materiałów w tych polach znany jest z artykułu, którego autorami są: B. E. Kane, A. S. Dzurak, G. R. Facer, R. G. Clark, R. R. Stareret, A. Skougarevsky. N. C. Lupki, J. S. Brooks, L. W. Engels, N. Miura, H. Yoki, T. Takamasu, H. Nakayama, J. D. Goethe i D. G. Rickel o tytule „Measurements and instrumentation for electrical transport experiments in extreme pulsed magnetic fields generated by flux compression”, opublikowany w czasopiśmie pt. „Review of Scientific Instruments”, Vol. 66, nr 10 w 1997 r. Układ składa się z masywnej, wielozwojowej cewki, wykonanej z drutu miedzianego, w którym jedna końcówka tej cewki połączona jest z wysokonapięciową baterią kondensatorów. Wewnątrz osiowego otworu cewki znajduje się liner, taki sam jak ujawniony w książce Heiniz'a Knoepfel'a, a wewnątrz linera jest próbka badanego materiału. Na zewnątrz cewki umieszczone są trzy współosiowe, cylindryczne ładunki wybuchowe o wzrastających średnicach, otaczające cewkę, przy czym jeden ładunek znajduje się wewnątrz drugiego.

Działanie tego znanego układu polega na tym, że wysokonapięciową baterię kondensatorów ładuje się ładunkiem elektrycznym i łączy z nią drugą końcówkę cewki. Powoduje to wytworzenie początkowego pola magnetycznego wewnątrz linera. Następnie, detonuje się kolejno ładunki wybuchowe, zaczynając od ładunku najbardziej wewnętrznego, przy czym początek detonacji następnego ładunku ma miejsce w momencie zakończenia detonacji ładunku poprzedniego. W wyniku tego następuje zamknięcie linera i wzmacnianie początkowego pola magnetycznego na tej samej zasadzie, jak ujawniona w książce w książce Heiniz'a Knoepfel'a. W końcowym efekcie w układzie uzyskuje się ultrasilne impulsowe pole magnetyczne o indukcji 1000 T i czasie trwania 2 μs, zajmujące cylinder o średnicy 5 mm i wysokości 8 mm.

Również znany układ do wytwarzania ultrasilnych, impulsowych pól magnetycznych i badania materiałów w tych polach znany jest z artykułu, Andrieja D. Sacharowa pt. „Wzrywomagnitnyje gieneratory”, opublikowanego w czasopiśmie pt. „Uspiechy fiziczieskich nauk”, Tom 88, nr 4 w 1966 r. Układ ten składa się z jednowarstwowej, wielozwojowej cewki o rozsuniętych w kierunku osiowym zwojach, wykonanej z grubego pręta miedzianego, a w osiowym otworze cewki umieszczony jest liner, taki sam, jak ujawniony w książce Heiniz'a Knoepfel'a, zaś wewnątrz linera, na osi cewki znajduje się próbka badanego materiału. Jedna końcówka cewki połączona jest z baterią wysokonapięciowych kondensatorów a na zewnątrz cewki umieszczony został współosiowy, cylindryczny ładunek wybuchowy oraz dwa ładunki wybuchowe w kształcie dysków, znajdujące się na końcach cewki. Działanie tego znanego układu polega na tym, że baterię kondensatorów ładuje się ładunkiem elektrycznym i drugą końcówkę cewki łączy z baterią. Skutkiem tego przez cewkę przepływa silny prąd elektryczny, wytwarzający początkowe pole magnetyczne wewnątrz linera. Następnie, detonuje się ładunki wybuchowe, umieszczone na końcach cewki, co powoduje jej osiowe ściskanie, wzrost gęstości zwojów na jednostkę długości i pierwszy etap wzmocnienia pola magnetycznego wewnątrz linera. Po tym zostaje zdetonowany cylindryczny ładunek wybuchowy, co skutkuje zamknięciem linera i dalszym wzmacnianiem pola magnetycznego w wewnątrz niego w taki sam sposób, jak zostało to ujawnione w książce Heiniz'a Knoepfel'a. Układ ten umożliwia wytworzenie ultrasilnego, impulsowego pola magnetycznego o indukcji 2500 T, czasie trwania 1 μm i zajmującego obszar o średnicy 3 mm oraz wysokości 5 mm.

Istota rozwiązania według wynalazku polega na tym, że układ do wytwarzania ultrasilnych, impulsowych pól magnetycznych i badania materiałów w tych polach składa się z dwóch płaskich, grubych, ustawionych pionowo i wzajemnie prostopadłych płyt, wykonanych z dobrego przewodnika elektryczności, korzystnie z miedzi. Zakończenia płyt połączone są grubymi przewodami z baterią wysokonapięciowych kondensatorów o dużej pojemności elektrycznej i małej indukcyjności oraz rezystywności. Połączenia te wykonane są przez oddzielne dla każdej baterii iskierniki gazowe, zawierające kuliste elektrody i gaz pod zmniejszonym ciśnieniem, zamknięte w hermetycznej obudowie wykonanej z materiału izolującego elektrycznie. Oba iskierniki przyłączone są do wspólnego układu zapłonowego, korzystnie laserowego, który po włączeniu jednocześnie jonizuje gaz, w każdym z iskierników. Naprzeciw każdej z płyt ustawione jest w płaszczyźnie pionowej paraboliczne zwierciadło, wykonane z dobrego przewodnika elektryczności, korzystnie z miedzi. Zwierciadła te zwrócone są wklęsłą stroną w kierunku płyt, a ich główne osie optyczne przecinają się w jednym punkcie, w którym umieszczona jest próbka badanego materiału.

Zaletą układu do wytwarzania ultrasilnych, impulsowych pół magnetycznych i badania materiałów w tych połach według wynalazku jest to, że umożliwia on otrzymywanie impulsów pół w sposób

PL 217 049 B1 nie nieniszczący układu, próbki oraz połączonej z nią aparatury pomiarowej. Dodatkową zaletą układu jest to, iż impulsy ultrasilnego pola są łatwo powtarzalne po kolejnym naładowaniu baterii kondensatorów oraz to, że czas ich trwania jest znacznie dłuższy, niż czas trwania impulsów pola wytwarzanych przez przeznaczone do tego celu układy znane ze stanu techniki.

Przedmiot wynalazku pokazany jest w przykładzie wykonania na rysunku, na którym umieszczono schemat ideowy układu i wzajemne usytuowanie jego elementów.

Układ do wytwarzania ultrasilnych, impulsowych pól magnetycznych i badania materiałów w tych polach według wynalazku składa się z dwóch płaskich, grubych, ustawionych pionowo i wzajemnie prostopadłych płyt 1, wykonanych z dobrego przewodnika elektryczności, korzystnie z miedzi. Zakończenia każdej z tych płyt połączone są grubymi przewodami z baterią wysokonapięciowych kondensatorów 2 o dużej pojemności elektrycznej i małej indukcyjności oraz rezystywności, przy czym połączenia te wykonane są przez oddzielne dla każdej baterii iskierniki gazowe 3, zawierające kuliste elektrody i gaz pod zmniejszonym ciśnieniem, zamknięte w hermetycznej obudowie wykonanej z materiału izolującego elektrycznie. Oba iskierniki przyłączone są do wspólnego układu zapłonowego 4, korzystnie laserowego, który po włączeniu jednocześnie jonizuje gaz w obu iskiernikach. Naprzeciw każdej z płyt ustawione jest w płaszczyźnie pionowej paraboliczne zwierciadło 5, wykonane z dobrego przewodnika elektryczności, korzystnie z miedzi. Zwierciadła te zwrócone są wklęsłą stroną w kierunku płyt, a ich główne osie optyczne przecinają się w jednym punkcie, w którym umieszczona jest próbka 6 badanego materiału.

Zasada działania układu do wytwarzania ultrasilnych, impulsowych pól magnetycznych i badania materiałów w tych połach według wynalazku polega na tym, że każdą z baterii kondensatorów 2 ładuje się z zasilacza wysokiego napięcia o dużej wydajności prądowej, aż do zgromadzenia w niej maksymalnego, dopuszczalnego ładunku elektrycznego i włącza układ zapłonowy 4, który wysyła promień światła laserowego lub impuls elektryczny, jonizujący gaz w obu komorach iskierników 3, co powoduje rozpoczęcie rozładowania elektrycznego baterii kondensatorów przez gaz pod zmniejszonym ciśnieniem, zawartym w hermetycznej obudowie iskierników. W wyniku tego, przez przewody i płyty 1 przepływa impuls prądu elektrycznego o bardzo dużym natężeniu, powodujący wytworzenie w przybliżeniu płaskiej fali elektromagnetycznej 7, w której wektor indukcji magnetycznej jest skierowany poziomo i równolegle do płyty 1. Wytworzone fale płaskie 7 padają na zwierciadła paraboliczne 5, od których ulegają odbiciu, przekształcając się w fale kuliste, zbieżne 8, których wektory indukcji magnetycznej Br są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się tych fal. Obie fale kuliste 8 ogniskują się w miejscu, w którym znajduje się próbka badanego materiału 1, przy czym wektor indukcji magnetycznej Bk w próbce jest wypadkową wektorów pola magnetycznego fal zbieżnych Br i ma wartość znacznie większą, niż wektor indukcji pola magnetycznego fali płaskiej Bm. Po całkowitym rozładowaniu baterii kondensatorów 2 mogą one zostać naładowane ponownie, a układ może być użyty do wytworzenia kolejnego impulsu ultrasilnego pola magnetycznego w poprzednio opisany sposób.

Claims (1)

1. Układ do wytwarzania ultrasilnych, impulsowych pól magnetycznych i badania materiałów w tych potach, znamienny tym, że składa się z dwóch płaskich, grubych, ustawionych pionowo i wzajemnie prostopadłych płyt (1), wykonanych z dobrego przewodnika elektryczności, korzystnie z miedzi, zaś zakończenia każdej z tych płyt połączone są grubymi przewodami z baterią wysokonapięciowych kondensatorów (2) o dużej pojemności elektrycznej i małej indukcyjności oraz rezystywności, przy czym połączenia te wykonane są poprzez oddzielne dla każdej baterii iskierniki gazowe (3), zawierające kuliste elektrody i gaz pod zmniejszonym ciśnieniem, zamknięte w hermetycznej obudowie wykonanej z materiału izolującego elektrycznie, z kolei oba iskierniki przyłączone są do wspólnego układu zapłonowego (4), korzystnie laserowego, który po włączeniu jednocześnie jonizuje gaz w obu iskiernikach, przy czym naprzeciw każdej z płyt ustawione jest w płaszczyźnie pionowej paraboliczne zwierciadło (5), wykonane z dobrego przewodnika elektryczności, korzystnie z miedzi, a zwierciadła te zwrócone są wklęsłą stroną w kierunku płyt i ich główne osie optyczne przecinają się w jednym punkcie, w którym umieszczona jest próbka (6) badanego materiału.