Электрофизика

Сверхсильные магнитные поля

В начале 1950-х годов академик А. Д. Сахаров выдвинул идею о кумуляции магнитной энергии и предложил экспериментальное устройство для воплощения этой идеи. Во ВНИИЭФ были проведены первые эксперименты, в которых были получены магнитные поля в 1 млн. Гаусс. Чуть позже аналогичные работы были начаты за рубежом. К концу 1960-х годов как в работах сотрудников ВНИИЭФ, так и иностранных исследователей были получены типичные магнитные поля 5-6 млн. Гаусс.
Более мощный МК-генератор, использующий ~ 140 кг взрывчатого вещества, позволил получить магнитное поле более 20 млн. Гаусс во всех экспериментах. В одном из них было получено рекордное в мире магнитное поле 28 млн. Гаусс в объеме 2 см³, что более чем в 100 раз превышает плотность энергии самых мощных химических взрывчатых веществ (ВВ).
Сверхсильные магнитные поля открыли новые возможности в области физики твердого тела. Благодаря их использованию впервые удалось определить верхнее критическое поле высокотемпературных сверхпроводников, исследовать квантовые скачки молекулярных нанокластеров d-металлов, циклотронный резонанс в полупроводниках и полупроводниковых наноструктурах. Впервые было показано влияние магнитного поля на ход каталитических реакций.

Изэнтропическое сжатие веществ сверхсильным магнитным полем

Генератор МК-1 сверхсильного магнитного поля (10 млн. Гаусс) широко применяется для изэнтропического сжатия благородных газов, водорода, дейтерия и др. веществ и исследований по физике твердого тела. Так, в течение последних нескольких лет с помощью этого генератора построены «холодные» уравнения состояния водорода и дейтерия.

Сверхсильное магнитное поле генератора МК-1 изэнтропически сжимает конденсированные водород или дейтерий (T0 ~ 5-7 К, V0 = 16 см³) вплоть до давлений ~ 5 млн. атмосфер в камере сжатия. Конечная температура сжатого водорода или дейтерия не превышает 300 К, что значительно ниже кривой плавления. В настоящее время изэнтропическое сжатие легких веществ давлением сверхсильного магнитного поля – это единственный способ получения «безударного» уравнения состояния этих веществ в мегабарной области давлений.

Электрофизический комплекс ЭМИР

Ведущие ядерные державы активно используют для моделирования процессов в ЯЗ электрофизические подходы. Так, в США для этих целей реализуется программа создания и эксплуатации мощных стационарных электрофизических установок: Saturn, Atlas, Z, ZR (введена в эксплуатацию в 2007 году). Последние две установки являются самыми мощными в мире и обеспечивают ток в нагрузке до 20 МА (ZR  до 26 МА) при электрической мощности ~50 ТВт и мощности излучаемого мягкого рентгеновского излучения (МРИ) ~200 ТВт.

Альтернативой стационарным установкам является взрывной электрофизический комплекс ЭМИР на основе разрабатываемых в РФЯЦ-ВНИИЭФ и не имеющих мировых аналогов дисковых взрывомагнитных генераторов, обладающих практически не ограниченным (по сравнению со стационарными установками) энергозапасом и обеспечивающих импульсы тока амплитудой в сотни мегаампер.
Взрывной электрофизический комплекс ЭМИР обеспечивает получение экспериментальным путем данных о свойствах веществ и моделирование ряда процессов, происходящих в условиях высокой плотности энергии для верификации и тестирования физико-математических моделей и программ, используемых в расчетах ЯЗ, и повышение тем самым надежности описания работы ЯЗ при модернизации существующих и разработке новых зарядов. Методы достижения высокой плотности энергии, реализуемые в комплексе ЭМИР, рассматриваются как перспективные для зажигания термоядерных мишеней.

В настоящее время реализованы высокоэффективные взрывомагнитные генераторы с энергозапасом в десятки мегаджоулей и токами вплоть до сотен мегаампер; развиты методы укорочения фронта импульса токов ВМГ, реализованы устройства, обеспечивающие в реальных нагрузках время нарастания тока ~0,5 мкс и менее (до 0,3 мкс) при амплитуде тока до 10 МА; разработана и реализована технология проведения экспериментов по генерированию импульсов мягкого рентгеновского излучения с запиткой от взрывных формирователей тока, реализованы рекордные для России амплитуды тока в лайнерных нагрузках 14 МА и импульсы МРИ энергосодержанием мегаджоульного уровня и длительностью 20-50 нс. Достигнутые успехи свидетельствуют о реалистичности создания в ближайшие несколько лет комплекса ЭМИР – взрывных источников МРИ с энергией не менее 10 МДж, мощностью не менее 500 ТВт, температурой до 0,3 кэВ, и устройств, обеспечивающих магнитное обжатие материалов, включая специальные, до плотностей в ~10 раз выше нормальной.

Электрические разряды

Воспроизведение токовых импульсов молнии с максимально возможными в природе амплитудами

Поражение молниями крупногабаритных объектов, таких как мощные электростанции, в том числе и атомные, высоковольтные линии электропередачи, высоконадежные средства связи и др., достаточно частое явление. Величина электрической энергии, рассеиваемой на системе заземления при амплитуде токового импульса молнии 200 кА, оценивается в десятки мегаджоулей.

	Предназначен для изучения фундаментальных физических процессов в околоземном и межпланетном космическом пространстве, в гелиосфере и магнитосфере планет
	Источник питания системы формирования магнитного поля. Энергозапас источника 1,4 млрд. Дж, мощность 3 млн. Вт. Соленоиды системы формируют внутри камеры квазистационарное магнитное поле с индукцией 4000 Гаусс, неоднородность поля не превышает 5%

Для защиты объектов энергетики от воздействия токового импульса молнии большой амплитуды, как правило, создается разветвленная сеть заземлений, которая должна обеспечивать прохождение токового импульса грозового разряда на землю, минуя подлежащие защите структурные токопроводящие линии. Величину активного сопротивления системы заземления такой величины организовать довольно сложно и затратно, особенно в низкопроводящих грунтах, в гористой местности и в глубоко промерзающих грунтах.

На сегодняшний день в мире не существует транспортабельных источников энергии позволяющих воспроизводить на типовой системе заземления токовый импульс молнии с амплитудой более 20 кА с требуемыми временными характеристиками, что не позволяет проверить надежность грозозащиты особо важных и особо опасных объектов в местах их расположения и функционирования.
В РФЯЦ-ВНИИЭФ разработан и успешно испытан транспортабельный источник энергии на основе мощных и энергоeмких взрывомагнитных генераторов, в которых химическая энергия мощного взрывчатого вещества превращается в электрическую энергию с коэффициентом полезного действия более 10%. Электрическая мощность источника энергии 200 ГВт, энергия – 10 МДж.
С помощью этого источника энергии на типовой системе заземления впервые в мире реализованы токовые импульсы соответствующие токовым импульсам молнии положительной полярности с амплитудой до 100 кА. Впервые в мировой практике зарегистрировано в оптическом диапазоне возникновение из места ввода токового импульса и распространение по поверхности земли искровых разрядов длиной до 30 м. 

Исследования, проведенные в РФЯЦ-ВНИИЭФ, показывают, что два или более таких транспортабельных источника энергии позволяют воспроизвести на типовой системе заземления токовый импульс молнии амплитудой более 200 кА. Проведение испытаний с помощью разработанных источников энергии позволит определить реальную грозозащищенность опасных, особо опасных объектов и объектов энергетики и разработать средства и мероприятия для повышения грозобезопасности этих объектов в местах их расположения и функционирования.

Релятивистская СВЧ-электроника

Создание сверхмощных источников когерентного электромагнитного излучения является в настоящее время актуальной задачей в связи с возможными приложениями в физике и технике. Потенциальными потребителями здесь могут быть такие области, как физика и химия плазмы, физика твердого тела, физика полупроводников, радиолокация, радиобиология и др.
В НТЦФ ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» активно ведутся работы по нескольким направлениям релятивистской СВЧ-электроники. К одному из них относится развитие технологий СВЧ-генераторов черенковского типа с вакуумными электродинамическими структурами. На установке И-3000-СВЧ в 1989 году достигнут рекордный результат по выведенной в атмосферу мощности СВЧ-излучения.

СВЧ-генераторы с виртуальным катодом

В РФЯЦ-ВНИИЭФ с начала 1990-х годов активно ведутся работы по исследованию СВЧ-приборов на основе виртуального катода (ВК). СВЧ-генераторы на основе ВК образуют один из основных классов генераторов в сверхмощной релятивистской сильноточной СВЧ-электронике.
К настоящему времени  коллективом исследователей создан большой задел в понимании физики процессов этого типа генераторов, что позволило создать целый спектр установок с питанием от высоковольтных генераторов различного типа. Их выходная мощность составляет величины от десятков мегаватт до единиц гигаватт при частоте генерации 3-10 ГГц. На установке КОВЧЕГ на виркаторе с плазменным анодом была получена генерация СВЧ-излучения длительностью в 3 микросекунды, что является рекордом для такого типа приборов.

Исследования свойств веществ при экстремальных условиях с помощью мощных электрофизических установок

Разработка взрывомагнитных источников энергии была начата в институте в начале 1960-х гг. Для проведения физических исследований и прикладных работ в РФЯЦ-ВНИИЭФ создан и применяется ряд спиральных ВМГ диаметром от 50 до 400 мм с запасаемой энергией до нескольких десятков мегаджоулей в нагрузках индуктивностью 30-3000 нГн.

ВМГ используется в реализации проекта УТС в системе магнитного мягкого рентгеновского излучения обжатия (МАГО), при создании установок для получения сверхвысоких давлений, в исследованиях разгона высокоскоростных оболочек и в других направлениях. В опытах с камерой МАГО при запасаемой энергии ВМГ 8-10 МДж достигнут рекордный нейтронный выход за импульс (3-5) •10¹³.

В РФЯЦ-ВНИИЭФ создан и успешно прошел многократные испытания самый мощный спиральный ВМГ с новым взрывным обострителем тока, в котором энергия заряда ВВ одновременно используется и для сжатия магнитного потока. Это позволило обеспечить получение энергии 30 МДж и сформировать в нагрузке импульс тока амплитудой 15 МА с временем нарастания 6 мкс. Генератор применялся в экспериментах по разгону цилиндрического лайнера. С помощью сходящейся алюминиевой оболочки, схлопывающейся со скоростью ~10 км/с, удалось получить относительное сжатие алюминия 2,5-2,9, соответствующее давлению ~ 10 Мбар, и сформировать кумулятивную струю со скоростью ~40 км/с.

Создан и успешно проверен в экспериментах сверхмощный дисковый взрывомагнитный источник импульсной мощности, предназначенный для разгона цилиндрических и сферических конденсированных оболочек массой ~50-100 г до скоростей 10-15 км/с импульсом тока амплитудой 30-35 МА при времени нарастания ~4 мкс. Зарегистрированы хорошая азимутальная и осевая симметрии оболочки при ее схождении при скорости 12 км/с.

Источник снабжен длинным каналом для передачи оптического изображения. Рентгеновское изображение сходящейся оболочки преобразуется в оптическое и служит для получения информации о симметрии ее схлопывания. Источник является малогабаритным аналогом вводимой в эксплуатацию в США конденсаторной батареи ATLAS.

В РФЯЦ-ВНИИЭФ на основе ДВМГ диаметром 0,4 м разработано устройство для исследований динамической прочности конструкционных материалов. Устройство оценивает рост изначально заданных осесимметричных возмущений в слоистой цилиндрической лайнерной системе. Возмущения выполнены на поверхности внутреннего исследуемого слоя с магнитоускоряемым алюминиевым лайнером-"поршнем" или лайнером-"ударником" в качестве первого слоя. Расчетно-теоретически показана возможность исследований в безударных (1,5 Мбар) и ударно-волновых (4 Мбар) режимах нагружения исследуемых материалов.

Экспериментально отработана технология исследования динамической прочности при безударном (~1 мкс) нагружении медного цилиндрического слоя до давления 160 кбар, на внешней поверхности которого были выполнены синусоидальные возмущения с длинами волн 2 и 4 мм при амплитуде (от "горба" до "впадины") 1 мм. Максимальная скорость деформации в эксперименте составила 10^5-6 с^-1 при деформации >100 %. С помощью радиальной рентгенографии зарегистрирована динамика амплитуды возмущений в среде полиэтилена для трех последовательных моментов времени. Обнаружена аномально высокая динамическая прочность полиэтилена при таком нагружении (1–2 кбар).

В эксперименте с ДВМГ и трехслойным цилиндрическим лайнером "Al – вода - Cu", подвергавшимся сжатию от протекающего через Al слой импульсного тока 35 МА с τ_эфф = 9 мкс, методом радиальной рентгенографии впервые в мировой практике исследован рост амплитуды изначально заданных синусоидальных возмущений (2Å = 0,6 мм) на границе "Cu - вода", возникающих при развитии рэлей-тейлоровской неустойчивости этой границы. Отсутствие в опыте динамической сдвиговой прочности у воды привело к значительно большему росту амплитуды возмущений, чем это наблюдалось в исследованиях границы "Cu - полиэтилен", из-за высокой динамической прочности полиэтилена (1-2 кбар). Показано, что во взрывомагнитных экспериментах с высокой точностью (<3 % по току) могут проводиться исследования материалов в безударных (1,5 Мбар) и ударно-волновых (4 Мбар) режимах нагружения при максимальной скорости деформации 10^5-6 с^-1.