Магнитокумулятивные генераторы МК-1 сверхсильных магнитных полей

 

 
ФГУП «Российский федеральный ядерный центр – Всероссийский научноисследовательский институт экспериментальной физики» 
 
 
 
 
 
 
М. И. Долотенко 
 
 
 
Магнитокумулятивные генераторы МК­1 
сверхсильных магнитных полей 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Саров 
2015 
 

 

 
УДК 537.852:621.3.027.89+621.373 
ББК 31.24 
Д 64 
 
 
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 применением 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 многомегагауссного диапазона. Приведены описания и параметры физических приборов – каскадных генераторов МК-1 10- и 20-мегагауссного диапазонов. Рассмотрены способы применения созданных приборов в систематических исследованиях в различных областях физики экстремального состояния вещества.  
Книга представляет интерес для научных работников и инженеров, 
занимающихся исследованиями в области физики высоких плотностей энергии, использующих в своей деятельности сильные магнитные поля,  
а также для аспирантов и студентов старших курсов физических и энергетических специальностей. 
 
 
 
 
 
 
 
УДК 537.852:621.3.027.89+621.373 
ББК 31.24 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN   978-5-9515-0307-7                                        © ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2015 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Более шестидесяти лет назад возникла идея применения магнитной кумуляции, т. е. взрывного сжатия магнитного потока, в качестве способа преобразования химической энергии взрывчатого вещества в электромагнитную энергию 
сверхвысоких амплитуды и плотности. В самом общем виде этот способ реализуется 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 направлений в фундаментальной и прикладной физике – электрофизики высоких плотностей энергии и мегагауссной физики. 
Все эти годы, начиная с работ одного из основоположников магнитной 
кумуляции, автора самого термина «магнитная кумуляция» и первых схем магнитокумулятивных (МК) генераторов А. Д. Сахарова, в РФЯЦ-ВНИИЭФ не прекращались (хотя и с переменной интенсивностью) работы по созданию, исследованию и применениям различных конструкций и типов МК-генераторов. Более сорока лет назад, студентом Московского инженерно-физического института на преддипломной практике, автор данной книги был вовлечен в работы по 
получению сверхсильных магнитных полей методом взрывной магнитной кумуляции 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 источника начального магнитного поля – того самого сжимаемого магнитного потока.  
Первым достижением группы под руководством А. И. Павловского в магнитной кумуляции стал многопроволочный многозаходный соленоид, способный 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 изменений в принцип магнитокумулятивной генерации сверхсильных магнитных полей, поняли, как реализовать их практически, создали работающую конструкцию генератора МК-1 и научились применять его в различных физических экспериментах. Наконец, непрерывные усилия по повышению амплитуды достигаемых в генераторах МК-1 магнитных полей, обобщению и анализу результатов научной деятельности группы позволили в начале 2000-х гг. окончательно 

 

сформулировать исходные принципы и определить предельные возможности 
метода взрывного магнитокумулятивного генерирования сверхсильных магнитных полей.  
Главная цель данного издания – показать истоки проблемы, возникшей на 
конкретном этапе работы, ясно сформулировать задачу и показать пути ее практического решения. При этом строгость изложения теоретических основ рассматриваемых процессов не играла ведущей роли для автора, так как предлагаемый материал предназначен в первую очередь физикам-экспериментаторам. 
Автор надеется, что книга привлечет внимание специалистов, уже занимающихся и приступающих к изучению фундаментальных и прикладных вопросов 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 процессов, причем в плохо изученном диапазоне экстремальных значений параметров, и в требованиях экспериментаторов к теоретическим моделям. А физикамэкспериментаторам, особенно начинающим, может быть интересно и полезно 
познакомиться с нетривиальным устройством, в котором одновременно протекает множество разнообразных, простых и сложных процессов из нескольких 
областей физики на верхней границе диапазона параметров и за ней, – генератором сверхсильных магнитных полей МК-1; а также увидеть, как менялась глубина понимания физики процессов, обеспечивающих и сопровождающих усиление магнитного поля, какие рождались и как испытывались различные технические 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 сверхсильных 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 успешного труда большого коллектива сотрудников Научно-технического центра физики высоких плотностей энергии и направленных потоков излучений РФЯЦВНИИЭФ, ядром которого по рассматриваемой теме является лаборатория 
сверхсильных магнитных полей. Много лет лабораторию возглавлял Александр 
Иванович Павловский – научный руководитель и наставник автора книги, а затем 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 решение различных вопросов.  

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 благодаря своей интуиции, упорству и непрерывному поиску стал автором и соавтором большинства конструкций генератора, соленоидов, проволочного композита, измерительных узлов и т. д. Основной участник постановок и проведения 
экспериментов, фактический стержень группы и инициатор большинства совместных действий. Сотрудники НТЦФ бережно хранят память об этом выдающемся человеке. 
Автор также благодарит сотрудников лаборатории Ю. Н. Кузнецова, 
В. Ф. Коновалова, С. И. Белова, М. В. Ломоносова, В. Г. Беляшкина и сотрудников взрывного полигона НТЦФ Г. М. Спирова, Н. Б. Лукьянова, С. В. Кирсанова, 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 возникновением 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 существовали во Вселенной до появления первых звезд, и в опубликованной 27 декабря 
2012 г. статье [1] показал, как в этой плазме спонтанно возникают и флуктуируют магнитные поля. Причем если электромагнитная волна флуктуирует во времени, то фоновые магнитные поля, согласно выкладкам Шликайзера, флуктуируют только в пространстве, но не во времени. Иначе говоря, они существовали 
всегда.  
Немного подробнее о происхождении магнитного поля и масштабе величин. Ненамагниченная нерелятивистская тепловая плазма из электронов и протонов спонтанно испускает апериодические турбулентные флуктуации магнитного поля. Для ненамагниченной межгалактической среды сразу после начала 
реионизации напряженность поля от этого механизма оценивается в 2·10–16 Гс  
в космических пустотах (войдах) и 2·10–10 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 восстановления воздействуют на газовую динамику, упорядочивая и нивелируя 
температуру. 
В 2010 г. астрофизики Ш. Андо и А. Кусенко, изучая снимки 170 сверхмассивных черных дыр, обнаружили [2] следы присутствия «реликтового» магнитного поля. Полученное ими экспериментальное значение магнитного фона 
Вселенной и значение, рассчитанное Р. Шликайзером, оказались очень близки – 
порядка 10–16 Гс.  
Переместимся из космоса на Землю. Считается, что экспериментальная 
физика в современном понимании началась с опубликования в 1600 г. книги английского врача Уильяма Гильберта (William Gilbert) под названием «De Magnete» («О магните, магнитных телах и о великом магните под названием Земля»). Многолетним трудом и на собственные средства Гильберт впервые специально поставленными физическими экспериментами доказывал выдвинутую им 
же гипотезу о том, что Земля – это огромный сферический магнит [3]. Его магнитное поле составляет примерно 0,3 Гс. 
А теперь совсем близко к нашей сфере интересов. Магнитное поле в качестве одного из наиболее эффективных средств воздействия на материю издавна 
привлекало естествоиспытателей. В современной физике множество важных 

 

открытий (и Нобелевских премий [4]) тем или иным образом связано с магнитными полями. А поскольку новые эффекты, как правило, удается обнаружить 
после расширения основного экспериментального параметра, неустанно предпринимаются 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 сверхсильные (единицы и десятки МГс). Если сильные поля (статические или импульсные) получают в неразрушаемых устройствах, то получение сверхсильных полей, давление которых превышает пределы прочности известных конструкционных материалов, возможно только в импульсном (динамическом) режиме в однократном разрушаемом устройстве. 
Исследования веществ в экстремальных условиях воздействия сильных 
полей и потоков излучения, сверхвысоких давлений и температур имеют большое значение для технического прогресса, в области получения новых материалов и овладения новыми источниками энергии. Для достижения научного прогресса в различных перспективных для практических применений направлениях 
приходится увеличивать энергетические масштабы эксперимента и предназначенных для его проведения установок. В течение последних десятилетий сформировалась и интенсивно развивается новая отрасль физики – физика высоких 
плотностей энергии и непосредственно связанное с нею физическое материаловедение при экстремальных плотностях энергии. Прогресс в этой области напрямую связан с разработкой методов увеличения концентрации энергии в пространстве 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 поле. Причиной относительной силы магнитного поля является отсутствие свободных магнитных зарядов; в противном случае их движение привело бы к нейтрализации зарядов и свело бы к минимуму макроскопический эффект (как это 
происходит с электрическими зарядами). Известно, что электрическое поле напряженностью 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 разрядом емкости на одновитковый соленоид получал магнитные поля в сотни килогаусс. Дальнейший существенный прогресс в этой области оказался возможным в связи с формулировкой новых идей преобразования энергии сильноточных электрических разрядов и, главным образом, химической энергии взрывчатых 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 ресурсы оказались доступны лишь очень ограниченному числу крупных научных 
организаций.  

Исторически сложилось так, что наиболее эффективный способ получения 
сверхсильных магнитных полей – магнитогидродинамическое преобразование 
энергии конденсированных взрывчатых веществ – был практически одновременно предложен и разрабатывался в двух оружейных лабораториях – в ЛосАламосской национальной лаборатории США и в СССР во ВНИИЭФ, т. е. в организациях, накопивших к тому времени солидный опыт работы с взрывчатыми 
веществами, обладавших необходимыми материальными и людскими ресурсами, и где при создании атомного оружия применялся индукционный метод измерения 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. Сахарова история возникновения идеи магнитной кумуляции и предложения по ее 
применению выглядят следующим образом: «В январе и в августе 1952 г. Сахаров А. Д. предложил два типа систем для превращения энергии взрывчатых веществ в энергию магнитного поля (названных впоследствии МК-генераторами. – 
М.Д.). Система 1 типа (МК-1) подверглась, начиная со II кв. 1952 г., экспериментальному изучению… Общим в этих системах является наличие деформируемых силой взрыва контуров с током J, индуктивность L которых уменьшается  
в большое число раз. Как известно, при быстрой деформации контура полный 
магнитный поток 
JL
Φ =
 сохраняется, а магнитная энергия 
2
2
2
2
E
L J
L
=
= Φ
 

возрастает обратно пропорционально L . Требуем L dt
R
∂
, где R  – сопротивление контура. С точностью до численного множителя этому условию эквива
лентно условие 
8
10
1
A
vl
−
=
σ
, где σ  – проводимость материала контура  
в Ом–1⋅см–1, v – скорость сближения, l – характерный размер задачи, в случае 
МК-1 – просто радиус цилиндрической полости…» [6]. 
При соблюдении этого условия, т. е. при Ф
const,
=
 получаем для напряженности магнитного поля 
( ),
B t
 давления 
( )
p t  и энергии магнитного поля 
( ):
W t
 

(
)
2
0
0
( )
( )
B t
B
r
r t
=
, 

(
)
0
4
0
( )
( )
M
p t
p
r
r t
=
, 

(
)
2
0
( )
( )
8
W t
r
r t
Φ
= π
. 

Далее А. Д. Сахаров пишет: «Практически возможным представляется получение полей в несколько мегагаусс... если не встретится каких-либо непредвиденных трудностей. 
Обсуждались три различные возможности использования магнитной 
энергии: 

а) Создание в смеси D + T мощного газового разряда, переходящего в термоядерный взрыв (Сахаров, январь 1952 г.). 
б) Использование давления магнитного поля для обжатия активных зарядов (Сахаров, июль–ноябрь 1952 г.). 
в) Использование переменных магнитных полей для ускорения заряженных частиц до сверхвысоких энергий – 109 эВ 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 принципиальную схему и назовем основные узлы взрывного генератора сверхсильных 
магнитных полей MК-1. 

  
Работает генератор МК-1 следующим образом. При пропускании по соленоиду электрического тока от источника питания (конденсаторной батареи)  
в соленоиде и в металлическом цилиндре-лайнере создается начальный магнитный 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 момент 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 датчиками измерительного узла, в котором могут находиться также образцы иссле
 
Рис. 1. Принципиальная схема генератора МК-1 [6]: Ц – лайнер; Р – продольная щель; СО – соленоид начального поля; ВВ – взрывчатое вещество; 
ИК – измерительная катушка;  ОК – осциллограф;  Кб – конденсаторная 
батарея; Н – силовые линии магнитного поля 

СО 
Ц 
Н 

ВВ

Р 

Кб 

ИК

 
 ОК