Анализ возможностей катушечного электромагнитного ускорителя для разгона ферромагнитных частиц Текст научной статьи по специальности «Физика»
Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Сухачёв Кирилл Игоревич, Сёмкин Николай Данилович
Проведён анализ катушечных электромагнитных ускорителей и определены физические ограничения на максимальное ускорение, сообщаемое ферромагнитному телу. Проведено математическое моделирование работы одной ступени катушечного электромагнитного ускорителя, включая пространственное моделирование траектории частицы. Исследовано влияние параметров тяговых катушек, начальных условий и материала частиц на конечную скорость.
Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Сухачёв Кирилл Игоревич, Сёмкин Николай Данилович
ANALYSIS OF POTENTIALITIES OF COIL ELECTROMAGNETIC ACCELERATORS FOR THE ACCELERATING OF FERROMAGNETIC PARTICLES
The paper presents an analysis of coil electromagnetic accelerators. Physical limits on the maximum acceleration imparted to a ferromagnetic body are defined. Mathematical modeling of a single-stage coil electromagnetic accelerator has been carried out including three-dimensional simulation of the particle trajectory. The influence of parameters of traction coils, the initial conditions and the particle material on the final speed is analyzed.
Текст научной работы на тему «Анализ возможностей катушечного электромагнитного ускорителя для разгона ферромагнитных частиц»
АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТЕЙ КАТУШЕЧНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО УСКОРИТЕЛЯ ДЛЯ РАЗГОНА ФЕРРОМАГНИТНЫХ ЧАСТИЦ
© 2013 К. И. Сухачёв, Н. Д. Сёмкин
Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)
Проведён анализ катушечных электромагнитных ускорителей и определены физические ограничения на максимальное ускорение, сообщаемое ферромагнитному телу. Проведено математическое моделирование работы одной ступени катушечного электромагнитного ускорителя, включая пространственное моделирование траектории частицы. Исследовано влияние параметров тяговых катушек, начальных условий и материала частиц на конечную скорость.
Электромагнитный катушечный ускоритель, рование магнитного поля и ускоряющей силы.
Проблема изучения высокоскоростного воздействия частиц на материалы космических аппаратов возникла более пятидесяти лет назад. Однако вследствие появления новых материалов [1] и всё увеличивающейся концентрации техногенных высокоскоростных частиц на орбитах Земли проблема продолжает оставаться актуальной и на сегодняшний день. Как показала практика, наиболее целесообразным является лабораторное моделирование столкновения ускоренных частиц с различными материалами, так как при этом возможны не только высокая повторяемость и контролируемость эксперимента, но и измерение параметров частиц с достаточной достоверностью. Так как на космические аппараты воздействуют частицы в широком диапазоне масс, то моделировать их с помощью одного устройства затруднительно. Воздействие частиц микронного диапазона моделируется с помощью электростатических и электродинамических ускорителей [2,3]. Для имитации более крупных частиц (до нескольких миллиметров), как правило, применяют легкогазовые системы метания и реже - рельсовые электромагнитные ускорители. Данные способы метания тел позволяют получить высокие скорости
резонансный ускоритель, ферромагнетики, модели-
(до 10 км/с), но при этом их затруднительно использовать для моделирования космических условий высокоскоростного удара. Наиболее подходящим для этих целей является катушечный электромагнитный ускоритель, использующий энергию магнитного поля тяговых соленоидов для ускорения ферромагнитных тел. В статье описаны процессы, протекающие в катушечных ускорителях, построена модель движения частицы, проведён анализ конструкции таких систем и сделан вывод о возможности использования катушечных ускорителей в экспериментальной физике.
Любой катушечный ускоритель в простейшем случае состоит из источника электрической энергии (ёмкостного или индуктивного накопителя) и тягового соленоида. По соленоиду протекает ток, создавая в пространстве внутри и вокруг себя неоднородное магнитное поле, которое, взаимодействуя с магнитными доменами вещества частицы, вызывает его ускорение. Для того, чтобы оценить силу, действующую на частицу, необходимо смоделировать магнитное поле соленоидов с током, причём для полноты исследований
необходимо рассмотреть разные конструкции катушек. Тяговые катушки независимо от конструкции состоят из кольцевых витков, так как круг обладает минимальной площадью и, следовательно, плотность линий магнитной индукции в нём будет выше.
Рассмотрим один виток катушки, представляющий собой круговой виток радиусом R, по которому протекает ток. Для построения адекватной модели движения необходимо построить модель поля, позволяющую находить вектор магнитной индукции в любой точке пространства. Модуль магнитной индукции элемента проводника с током l(t) можно найти по формуле [4]:
наити поле в одной из полуплоскостей У0Z или Х07. При выборе последней X, 7 являются координатами расчётной точки.
Магнитная индукция, создаваемая участком & , является векторной величиной. Поэтому расчёт по формуле (1) следует производить через компоненты: