Магнитокумулятивные генераторы - импульсные источники энергии. Том 2

 
Российский федеральный ядерный центр –  
Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Магнитокумулятивные генераторы –  
импульсные источники энергии 
 
Монография 
 
В 2 томах 
 
Том 2 
 
 
Под редакцией В. А. Демидова, Л. Н. Пляшкевича, 
В. Д. Селемира 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Саров  
2019 

 
УДК 533.95:537.84:621.039 
ББК 31.252 
М12 
 
 
Авторы: 
 
А. С. Борискин, А. М. Буйко, Ю. В. Власов, С. Ф. Гаранин, В. А. Демидов, 
С. А. Казаков, Л. Н. Пляшкевич, В. Д. Селемир 
 
 
 
М12 
Магнитокумулятивные генераторы – импульсные источники 
энергии : в 2 т. / [А. С. Борискин и др.]; под ред. В. А. Демидова, 
Л. Н. Пляшкевича, В. Д. Селемира. – Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2019.  
 
Т. 2. – 2019. – 274 с., ил. 
 
ISBN 978-5-9515-0404-3 
 
 
Во втором томе основное внимание уделено вопросам согласования 
магнитокумулятивных генераторов энергии с нагрузками и формирования 
в них токового импульса с заданными параметрами. Рассмотрены 
различные сильноточные размыкатели токового контура: электровзрывные, 
взрывные, магнитодинамические (лайнерные), плазменно-эрозионные, 
плазменно-потоковые, механические и нагреваемые проводники (шунты). 
Анализируется работа генераторов, снабженных выходным трансформа-
тором, и создание на их основе каскадных систем. Дано описание систем, 
состоящих из нескольких магнитокумулятивных генераторов, работаю-
щих одновременно на общую нагрузку. Приведен краткий обзор приме-
нений энергетических генераторов в физических экспериментах. 
Издание предназначено для научных работников и специалистов  
в области физики взрыва и импульсной энергетики. 
 
 
УДК 533.95:537.84:621.039 
ББК 31.252 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9515-0196-7 (т. 1) 
ISBN 978-5-9515-0404-3                                  ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2019 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
Предисловие ………………………………………………………………….. 
5
14. Регулирование длительности токового импульса в нагрузке МКГ … 
6
14.1. Удлинение токового импульса в нагрузке ……………………… 
8
14.2. Обострение токового импульса при непосредственном 
включении нагрузки в контур МКГ …………………………………… 
9
14.3. Замыкатели токового контура …………………………………… 18
15. Электровзрывные размыкатели тока ………………………………… 25
15.1. Применение ЭВРТ для обострения тока спиральных МКГ …… 27
15.2. Эксперименты с коаксиальными МКГ ………………………….. 33
15.3. Эксперименты с дисковыми МКГ ………………………………. 33
15.4. Применение ЭВРТ во второй ступени каскада  
обострения тока МКГ …………………………………………………... 38
16. Взрывные размыкатели тока …………………………………………... 40
16.1. Взрывные размыкатели тока с ребристой преградой …………... 43
16.2. Взрывные размыкатели тока с диэлектрическими 
кумулятивными струями ……………………………………………….. 67
16.3. Плазменно-взрывные размыкатели тока ………………………... 71
16.4. Вихревой размыкатель тока ……………………………………… 75
16.5. Магнитогидродинамические расчеты взрывных 
размыкателей тока ……………………………………………………… 80
17. Другие типы сильноточных размыкателей ………………………….. 86
17.1. Нагреваемые проводники ………………………………………... 86
17.2. Магнитодинамические размыкатели ……………………………. 92
17.3. Плазменно-потоковые размыкатели …………………………….. 94
17.4. Плазменно-эрозионные размыкатели …………………………… 97
18. МКГ с выходными трансформаторами ……………………………….. 100
18.1. Электротехническое моделирование трансформаторных МКГ ….. 100
18.2. Обострение токового импульса в нагрузке 
трансформаторного МКГ ………………………………………………. 113
18.3. Примеры трансформаторных МКГ ……………………………… 119
19. Системы, состоящие из нескольких МКГ ……………………………. 134
19.1. Одновременно работающие МКГ ………………………………... 134
19.2. Каскадные системы МКГ ………………………………………… 141
20. Применение МКГ в физических экспериментах …………………….. 150
20.1. Особенности работы МКГ с различными 
потребителями энергии ………………………………………………… 150
20.2. Генерирование сверхсильных магнитных полей ……………….. 153
20.3. Газовый разряд и плазма …………………………………………. 157
20.4. Плазменный фокус ………………………………………………... 158

Содержание 
 
4
20.5. Система МАГО ……………………………………………………. 165
20.6. Генерирование импульсов мягкого рентгеновского излучения ….. 171
20.7. Ускорители электронов с питанием от МКГ …………………… 175
20.8. Сильноточные СВЧ-генераторы …………………………………. 176
20.9. Импульсные источники света ……………………………………. 182
20.10. Мощные лазеры ………………………………………………….. 187
20.11. Лайнерные эксперименты ………………………………………. 192
20.12. Моделирование воздействия молнии …………………………... 202
20.13. Электромагнитное ускорение макротел ……………………….. 210
20.14. Разрушение кумулятивных струй импульсом тока …………… 214
21. Развитие магнитокумулятивных источников  
энергии в 2010 – 2018 гг. ……………………………………………………… 220
Список литературы ………………………………………………………….. 225
Сведения об авторах …………………………………………………………. 271
 
 
 
 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Во втором томе рассматриваются вопросы согласования магнитокуму-
лятивных генераторов энергии с нагрузками и формирования токового им-
пульса с помощью различных сильноточных размыкателей токового контура 
и трансформаторов. Описывается работа магнитокумулятивных генераторов 
(МКГ), снабженных повышающими трансформаторами, и каскадных систем 
МКГ с высоким усилением энергии. Рассмотрены устройства на основе не-
скольких одновременно работающих МКГ. 
Приведен краткий обзор применений МКГ в физических эксперимен-
тах. Описано развитие МКГ в лабораториях мира за период 2010 – 2018 гг.  
Авторы второго тома издания – сотрудники РФЯЦ-ВНИИЭФ. Им оказы-
вали помощь и содействие коллеги В. А. Иванов, В. Б. Якубов, Б. В. Лажинцев, 
А. С. Кравченко, Ю. В. Вилков, А. М. Шувалов, А. Р. Володько, А. С. Пикарь, 
П. В. Королев, Т. Н. Ильина, сотрудник Института гидродинамики СО РАН 
Г. А. Швецов и сотрудник Красноярского государственного университета 
В. П. Исаков. 
Большую помощь в оформлении материалов книги оказали Н. Р. Каза-
кова, Е. Н. Киршанова, Н. Н. Маркевцева. 
 
В. А. Демидов 
Л. Н. Пляшкевич 
В. Д. Селемир 
 

14. РЕГУЛИРОВАНИЕ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ТОКОВОГО ИМПУЛЬСА  
В НАГРУЗКЕ МКГ 
 
Время накопления энергии в нагрузке МКГ – десятки и сотни микросе-
кунд. Форма токового импульса определяется характеристиками генератора. 
Для различных случаев применения МКГ требования, предъявляемые к форме 
импульса и его длительности, различны. Для их регулирования обычно ис-
пользуются схемы с индуктивными накопителями энергии и сильноточными 
коммутаторами – замыкателями и размыкателями токового контура. 
Работа замыкателей основана на соединении каким-либо способом двух 
металлических электродов, первоначально разделенных изолятором. С МКГ 
хорошо сочетаются взрывные замыкатели, где электроды соединяются под 
действием помещаемого в замыкатель небольшого заряда ВВ [14.1 – 14.3]. 
Обычно разброс времени срабатывания таких замыкателей – менее 1 мкс; они 
имеют низкое контактное сопротивление, время удержания которого в за-
мкнутом состоянии может быть очень большим. 
Размыкатель должен обеспечивать введение в размыкаемый контур со-
противления, достаточного для формирования в нагрузке импульса тока тре-
буемой амплитуды и длительности. Его собственная индуктивность должна 
быть минимальной, а конструкция простой, надежной и стабильной в работе. 
До начала процесса размыкания потери на нагрев и смещение проводников  
в размыкателе должны быть минимальны, чтобы избежать существенного 
влияния на эффективность работы накопителя энергии. 
Известны несколько типов сильноточных размыкателей. Механический, 
например, основан на разъединении контактов электрической цепи с помощью 
какого-либо привода. В пневматическом размыкателе контакты раздвигаются 
сжатым газом (ток  50 кА, напряжение 40 кВ). В электронагревательных раз-
мыкателях осуществляется нагрев током элемента, выполненного из материала 
с большим термическим коэффициентом сопротивления. Полупроводниковые 
размыкатели основаны на применении сильноточных тиристоров, динисторов 
и т. п. Сверхпроводниковые размыкатели используют эффект перехода про-
водника из сверхпроводящего состояния в нормальное, электровзрывные – 
быстрый рост сопротивления при электрическом взрыве проводника. Работа 
электродинамического размыкателя основана на ускорении проводника давле-
нием магнитного поля. Во взрывных размыкателях различных типов для раз-
рыва токового контура используется заряд ВВ. Ускорение магнитным полем 
плазменных потоков применяется в плазменно-потоковых размыкателях. 
Плазменно-эрозионные размыкатели основаны на использовании эффекта 
магнитной изоляции в плазме за счет действия магнитного поля на электроны 
и ионы плазмы. 
Каждый тип размыкателей обладает определенными преимуществами  
и недостатками. Механические размыкатели имеют большое время срабаты-
вания (100 – 1000 мкс). В электронагревательных размыкателях время пере-
ключения определяется скоростью роста сопротивления нагреваемого эле-

14. Регулирование длительности токового импульса в нагрузке МКГ 
 
7
мента – 10 мкс и более. К тому же, на этот нагрев затрачивается заметная 
доля энергии. Электронагревательные размыкатели применялись с МКГ для 
получения достаточно длинных импульсов (50 – 100 мкс и более). 
Полупроводниковые и сверхпроводниковые размыкатели не нашли ши-
рокого применения в технике МКГ из-за малых значений коммутируемого 
тока: 100 кА (полупроводниковые) и 10 кА (сверхпроводниковые). Для плаз-
менно-эрозионных размыкателей необходимо короткое время запитки (менее 
1 мкс). Были попытки их применения в схемах с двухкаскадным размыканием 
контура (рис. 14.1) в качестве второго быстродействующего размыкателя. 
 
 
 
g
Ll
g
Rl
OS 1
OS 2
g
Ll
g
Rl
OS 1
OS 2
 
Рис. 14.1. Схема с двойным размыканием: 
1
2
,
OS
OS  – размыкатели;  
1
2
,
CS
CS  – замыкатели; 
b
L  – буферная индуктивность 
 
В электродинамическом (магнитодинамическом) размыкателе ускоре-
ние металлического лайнера осуществляется его собственным магнитным по-
лем. Такой размыкатель позволяет формировать токовый импульс с фронтом 
1 мкс [14.4], однако при этом 30 % энергии затрачивается на разгон лайне-
ра. Он отличается большой технической сложностью, требует создания ваку-
умной камеры с давлением 
2
10 –
3
10  Па. Ожидается, что время коммутации  
с помощью такого размыкателя может быть короче, чем с помощью электро-
взрывного. 
Взрывные размыкатели позволяют полнее использовать энергию конту-
ра, поскольку на разрыв проводника расходуется энергия заряда ВВ. Время 
срабатывания взрывного размыкателя не зависит от формы импульса разры-
ваемого тока, а определяется его конструктивными особенностями. 
В электровзрывных размыкателях под действием протекающего тока 
нагревается и испаряется тонкий проводник (фольга или система из парал-
лельных тонких проволочек). При этом многократно (в 100 раз и более) может 
увеличиться электрическое сопротивление проводника. Нагрузка подключа-
ется в момент начала электрического взрыва с помощью взрывного замыкате-
ля или разрядника с газовым или твердотельным диэлектриком. Электро-
взрывные размыкатели отличаются низкой собственной индуктивностью. 
 
 
g
L
g
R
l
R  
l
L  
2
OS  
1
OS  
1
CS
2
CS
b
L

14.1. Удлинение токового импульса в нагрузке 
 
8
14.1. Удлинение токового импульса в нагрузке 
 
При непосредственном включении нагрузки в контур МКГ для получе-
ния токового импульса длительностью, заметно превышающей время работы 
МКГ, используется включаемая последовательно с нагрузкой дополнительная 
накопительная индуктивность (рис. 14.2). По окончании работы МКГ ток пас-
сивно затухает в контуре, образованном накопителем и нагрузкой, с постоян-
ной времени 

 
,
S
l
S
l
L
L
R
R
 


 где 
,
S
L
 
S
R  – параметры индуктивного 
накопителя; 
,
l
L  
l
R  – параметры нагрузки. Требуемое значение  при задан-
ных 
l
L  и 
l
R  определяет выбор 
.
S
L
 Однако значение 
S
l
L
L

 не может быть 
слишком большим, оно должно соответствовать оптимальной конечной ин-
дуктивности данного МКГ. При необходимости большого 
S
L  может быть ис-
пользован повышающий трансформатор. 
 
 
 
g
CS
g
CS
 
Рис. 14.2. Схема увеличения длительности токового импульса в нагрузке МКГ:  
,
s
s
L
R  – параметры накопительной индуктивности, CS – замыкатель 
 
По окончании работы МКГ его нужно зашунтировать замыкателем, 
приняв меры для обеспечения хорошего контакта в замыкателе в течение все-
го времени, необходимого для выделения энергии в нагрузке. Обычно такой 
замыкатель располагают на выходе МКГ. 
Такая схема использовалась, например, для питания твердотельного ла-
зера (см. гл. 20) от спирального МКГ типа С-320 (рис. 14.3) с временем рабо-
ты 220 мкс. Генератор последовательно подключался к накопительной ин-
дуктивности, выполненной в виде петли из медной шины шириной 500 мм  
с индуктивностью 3 мкГн (это заметно больше оптимального значения 
l
L  
для данного генератора). При 
max
1,3
I

 МА на сопротивлениях ламп накачки 
лазера выделялось 1,8 МДж за время более 600 мкс. Шунтирующий взрыв-
ной замыкатель устанавливался на петле. 
Другой пример – создание сильных импульсных магнитных полей  
в больших объемах (см. гл. 20). На рис. 14.4 показан одновитковый соленоид  
размером 4×4×12 м, намотанный 50-ю проводами типа БПВЛ-70 на деревян-
ный каркас. Индуктивность соленоида 1,6 мкГн. Соленоид запитывался че-
тырьмя последовательно соединенными генераторами С-320. По окончании 
работы генераторов взрывной замыкатель шунтировал соленоид. В соленоиде 
создавалось поле  0,5 МА/м, время нарастания поля 100 мкс, характерное 
время затухания 10 мс. Максимальная магнитная энергия в объеме соленоида 
k
R
CS 
s
L
s
R
k
L
g
R
g
L  
l
L
l
R

14. Регулирование длительности токового импульса в нагрузке МКГ 
 
9
составляла 35 МДж. Еще более длительное время импульса тока в нагрузке 
(до  0,1 с и более) необходимо, например, для целей геофизики. 
 
 
Рис. 14.3. Внешний вид генератора С-320   
 
 
 
Рис. 14.4. Создание магнитного поля в большом объеме: 1 – четыре последовательно 
соединенных генератора С-320, 2 – защита, 3 – соленоид 
 
 
14.2. Обострение токового импульса при непосредственном включении 
нагрузки в контур МКГ 
 
Получение токовых импульсов с фронтом существенно более корот-
ким, чем время работы МКГ, является очень актуальным. Для обострения 
токового импульса используются схемы с подключением нагрузки только  
на последних стадиях или по окончании работы МКГ. Обычно МКГ работают 
на некоторую индуктивность, в которой и запасается энергия. Особенностью 
таких питаемых от МКГ индуктивных накопителей является малая индуктив-
ность – от единиц до сотен нГн в зависимости от типа генератора. Накопитель 
включается в цепь МКГ последовательно, поэтому токи в нем обычно мега-
амперного уровня, что требует соответствующих сечений проводников. 
 
1 
2
3
14.2. Обострение токового импульса при непосредственном включении… 

14. Регулирование длительности токового импульса в нагрузке 
 
10 
Простейший вариант устройства для обострения токового импульса – 
схема с шунтирующей индуктивностью 
sh
L  (рис. 14.5). Генератор сначала 
работает на 
,
sh
L
 затем в некоторый момент времени замыкатель подключает 
параллельно 
sh
L  нагрузку 
.
l
L  Поскольку обычно 
,
sh
l
L
L

 то после срабатывания 
замыкателя ток генератора пойдет в основном в нагрузку. Энергия, 
оставшаяся в 
sh
L  к моменту окончания работы генератора, оказывается потерянной. 
Необходимо учитывать сопротивления генератора, шунта и нагрузки, 
которые существенно влияют на эффективность работы схемы. 
Достоинство такой схемы – простота, в ней не требуется размыкатель. 
Однако в этом варианте не удается получить короткие (менее 10 мкс) фронты 
импульса тока, поскольку чем ближе момент подключения нагрузки к концу 
работы генератора, тем большая доля энергии теряется в 
.
sh
L
 Но схему можно 
эффективно использовать, например, для исключения протекания тока по нагрузке 
на этапе запитки МКГ начальным током. 
Размыкатель, включаемый параллельно нагрузке. Для существенного 
обострения фронта токового импульса в индуктивно-активной нагрузке 
широко используется схема с размыкателем, включаемым параллельно 
нагрузке (рис. 14.6). 
 
 
Lg
Ll
Lsh
CS
Lg
Lsh
CS
 
Lg
CS
Ll
Rg
Rl
OS
Lg
CS
Ll
Rg
OS
 
Рис. 14.5. Схема индуктивного шунтирования: 
sh
L
 – индуктивность шунта; CS – замыкатель
Рис. 14.6. Схема с параллельно  
включенным размыкателем OS 
 
Эквивалентная схема устройства приведена на рис. 14.7. Здесь МКГ работает 
на накопительную индуктивность 
,
g
L
 последовательно соединенную  
с размыкателем. По окончании работы генератора замыкается коммутатор, 
подключающий нагрузку, и приводится в действие размыкатель. 
Система уравнений для этой схемы  
0,
0.
s
l
s
g
s
s
s
s
l
l
g
l
l
l
dI
dI
dI
L
L
I R
dt
dt
dt
dI
dI
dI
L
L
I R
dt
dt
dt































                           (14.1) 
 
 
 
ОS
CS 
g
L
g
R
l
R  
l
L
g
L
l
L
CS 
sh
L

14.2. Обострение токового импульса при непосредственном включении… 
 
11
 
 
Рис. 14.7. Эквивалентная схема устройства с размыкателем, включенным параллельно 
нагрузке МКГ: 
g
L  – индуктивность  накопителя; 
,
s
L
 
s
R  – параметры  размыкателя;  
,
s
I
 l
I  – ток в размыкателе  и нагрузке  соответственно;  
,
s
l
I
I
I


  CS – замыкатель, 
OS – размыкатель 
 
Начальные условия: при t = 0 
0,
s
I
I

 
0.
l
I 
 Пусть 
,
g
L
 
,
s
L  
l
L  – постоянные, 
тогда 
 


0exp
,
s
s
g
l
g
l
R
t dt
I
I
L L
L
L












                              (14.2) 
 


0
1
exp
.
g
s
l
g
l
g
l
g
l
L
R
t
I
I
L
L
L L
L
L






















                   (14.3) 
Максимальное значение тока в нагрузке 
max
0
.
g
l
g
l
L
I
I L
L


 Обозначим 
0 ,
s
s
i
I
I

 
0 ,
l
l
i
I
I

 
,
g
l
L
L
 
 
.
s
l
L
L
 
 
Введем 
0
0
,
g
s
R T
L
L
 

 
,
s
s
g
s
R T
L
L
 

 
,
l
l
g
l
R T
L
L
 

 где 
0
R  – начальное значение 
,
s
R
 Т – характерное 
время. Пусть Т = 1 мкс, тогда постоянные затухания контуров 
(мкс)
s

  


1
,
s
g
l
l
L
L
R

 

 


1
.
l
l
g
l
l
L
L
R
 
 

 В этих обозначениях систе- 
ма (14.1) запишется в виде 
0,
0,
1
s
l
s s
s
l
l l
di
di
i
dt
dt
di
di
i
dt
dt



 


  







 




 



                                (14.4) 
или 
 
CS
g
L  
s
R
l
R
l
L
s
L
s
I
l
I
ОS
I