Генератор Маркса - Marx generator

Небольшая демонстрация генератора Маркса (башня справа). Это десятиступенчатый генератор. Основной разряд слева. Девять искр меньшего размера, которые можно увидеть на изображении, - это искровые промежутки, которые последовательно соединяют заряженные конденсаторы.

А Генератор Маркса является электрическая цепь впервые описан Эрвин Отто Маркс в 1924 г.[1] Его цель - генерировать высокийНапряжение импульс от низковольтного источника постоянного тока. Генераторы Маркса используются в экспериментах по физике высоких энергий, а также для моделирования воздействия молнии на силовая передача и авиационная техника. Банк из 36 генераторов Маркса используется Сандийские национальные лаборатории чтобы генерировать Рентгеновские лучи в их Z машина.

Принцип действия

Схемы генератора Маркса; Хотя левый конденсатор имеет наибольшую скорость заряда, генератору обычно позволяют заряжаться в течение длительного периода времени, и все конденсаторы в конечном итоге достигают одинакового зарядного напряжения.

Схема генерирует высоковольтный импульс, заряжая несколько конденсаторы параллельно, а затем внезапно соединяя их последовательно. См. Схему выше. Во-первых, п конденсаторы (C) заряжаются параллельно напряжению VC питанием постоянного тока через резисторы (рC). В искровые разрядники используются как переключатели имеют напряжение VC поперек них, но в промежутках напряжение пробоя больше VC, поэтому все они ведут себя как разомкнутые цепи во время зарядки конденсаторов. Последний разрыв изолирует выход генератора от нагрузки; без этого промежутка нагрузка не позволит конденсаторам заряжаться. Для создания выходного импульса первый искровой разрядник разрушается (срабатывает); пробой эффективно сокращает промежуток, помещая первые два конденсатора последовательно, прикладывая напряжение около 2VC через второй разрядник.[2] Следовательно, второй зазор выходит из строя, чтобы добавить третий конденсатор в «стопку», и процесс продолжает последовательно разрушать все зазоры. Этот процесс искрового разрядника, соединяющего конденсаторы последовательно для создания высокого напряжения, называется эрекция. Последний разрыв соединяет выход последовательной «стопки» конденсаторов с нагрузкой. В идеале выходное напряжение будет нВC, количество конденсаторов, умноженное на напряжение зарядки, но на практике значение меньше. Обратите внимание, что ни один из зарядных резисторов рc подвергаются большему, чем зарядное напряжение, даже когда конденсаторы установлены. Доступный заряд ограничен зарядом конденсаторов, поэтому выходной сигнал представляет собой короткий импульс, когда конденсаторы разряжаются через нагрузку. В какой-то момент искровые промежутки перестают проводить ток, и источник низкого напряжения снова начинает заряжать конденсаторы.

Принцип умножения напряжения путем параллельной зарядки конденсаторов и их последовательной разрядки также используется в умножитель напряжения цепь, используемая для создания высокого напряжения для лазерные принтеры и электронно-лучевая трубка телевизионные наборы, имеющий сходство с этой схемой. Разница в том, что умножитель напряжения питается от переменного тока и выдает постоянное выходное напряжение постоянного тока, тогда как генератор Маркса выдает импульс.

Генератор Маркса, используемый для испытаний высоковольтных компонентов электропередачи в Техническом университете Дрездена, Германия
Генератор Маркса на выставке коммунальных услуг, Лейпциг, Восточная Германия, 1954 г.
Генератор Маркса (стоящая прямоугольная конструкция, слева) в высоковольтной лаборатории на ул. Джабалпурский инженерный колледж, Джабалпур, Индия
10-ступенчатый генератор Маркса 600 кВ в работе
Генератор Маркса 800 кВ в лаборатории Национального технологического института, Дургапур, Индия.

Оптимизация

Для выдачи импульсов с временем нарастания 5 нс генератор Маркса часто встроен в коаксиальный волновод. В искровые разрядники размещены как можно ближе друг к другу для максимального обмена УФ-светом и минимального дрожания. Высокое напряжение постоянного тока идет снизу, импульсное высокое напряжение выходит наверху в коаксиальную линию. Двойная линия сфер посередине - это искровые промежутки, все остальные сферы следует избегать. коронный разряд. Синий =водяной конденсатор. Серый = цельный металл. Черный = тонкая проволока. Внешний проводник также функционирует как сосуд, так что газ и давление могут быть оптимизированы.

Правильная работа зависит от конденсатор подбор и сроки выписки. Время переключения может быть уменьшено путем легирования электроды с радиоактивный изотопы цезий 137 или никель 63, и расположив искровые промежутки так, чтобы ультрафиолетовый свет зажигающего выключателя искрового разрядника освещает оставшиеся открытые искровые промежутки.[3] Изоляция производимого высокого напряжения часто достигается путем погружения генератора Маркса в трансформаторное масло или высокое давление диэлектрический газ Такие как гексафторид серы (SF6).

Обратите внимание: чем меньше сопротивление между конденсатором и источником питания для зарядки, тем быстрее он будет заряжаться. Таким образом, в этой конструкции те, кто находится ближе к источнику питания, будут заряжаться быстрее, чем те, кто находится дальше. Если генератору дать возможность заряжаться достаточно долго, все конденсаторы будут иметь одинаковое напряжение.

В идеальном случае при замыкании переключателя, ближайшего к источнику питания зарядки, подается напряжение 2V ко второму переключателю. Затем этот переключатель замкнется, подав напряжение 3V к третьему переключателю. Затем этот переключатель закроется, в результате чего генератор нВ на выходе генератора (опять же, только в идеальном случае).

Первый выключатель может самопроизвольно выйти из строя (иногда это называется саморазрыв) во время зарядки, если абсолютная синхронизация выходного импульса не важна. Однако он обычно преднамеренно срабатывает, когда все конденсаторы в банке Маркса достигли полного заряда, либо за счет уменьшения зазора, либо путем подачи импульсов на дополнительный электрод запуска (например, Тригатрон ), ионизируя воздух в зазоре с помощью импульсного лазер, или уменьшив давление воздуха в зазоре.

Зарядные резисторы Rc должны быть правильно подобраны как для зарядки, так и для разрядки. Иногда их заменяют на индукторы для повышения эффективности и более быстрой зарядки. Во многих генераторах резисторы сделаны из пластиковых или стеклянных трубок, заполненных разбавленным сульфат меди решение. Эти жидкие резисторы преодолеть многие проблемы, с которыми сталкиваются более традиционные твердые резистивные материалы, которые имеют тенденцию снижать свое сопротивление со временем в условиях высокого напряжения.

Короткие импульсы

Генератор Маркса также используется для генерации коротких импульсов большой мощности для Клетки Поккельса, вождение TEA лазер, воспламенение обычного взрывчатого вещества ядерного оружия и радиолокационные импульсы.

Краткость относительна, поскольку время переключения даже высокоскоростных версий составляет не менее 1 нс, и поэтому многие маломощные электронные устройства работают быстрее. При проектировании высокоскоростных цепей важна электродинамика, и генератор Маркса поддерживает это, поскольку он использует короткие толстые провода между его компонентами, но конструкция, тем не менее, по существу электростатическая. Когда первый зазор выходит из строя, чистая электростатическая теория предсказывает, что напряжение на всех ступенях возрастает. Однако каскады соединены емкостным образом с землей и последовательно друг с другом, и, таким образом, каждая стадия сталкивается с повышением напряжения, которое тем слабее, чем дальше каскад от переключающего; каскад, смежный с переключающим, поэтому встречает наибольшее повышение напряжения и, следовательно, переключается по очереди. По мере того, как переключается больше ступеней, напряжение на остальных возрастает, что ускоряет их работу. Таким образом, повышение напряжения, подаваемое на первую ступень, одновременно усиливается и нарастает.

С точки зрения электродинамики, когда первая ступень выходит из строя, она создает сферическую электромагнитную волну, вектор электрического поля которой противоположен статическому высокому напряжению. Это движущееся электромагнитное поле имеет неправильную ориентацию для запуска следующей стадии и может даже достигнуть нагрузки; такой шум перед кромкой нежелателен во многих коммутационных приложениях. Если генератор находится внутри трубы диаметром (скажем) 1 м, ему требуется около 10 отражений волн, чтобы поле установилось в статических условиях, что ограничивает ширину переднего фронта импульса 30 нс или более. Меньшие устройства, конечно, быстрее.

Скорость переключателя определяется скоростью носителей заряда, которая увеличивается с повышением напряжения, и током, доступным для зарядки неизбежной паразитной емкости. В твердотельных лавинных устройствах высокое напряжение автоматически приводит к сильному току. Поскольку высокое напряжение подается только на короткое время, твердотельные переключатели не нагреваются чрезмерно. В качестве компенсации более высоких напряжений более поздние ступени также должны нести меньший заряд. Охлаждение ступени и зарядка конденсатора также хорошо сочетаются друг с другом.

Варианты сцены

Лавинные диоды может заменить искровой разрядник для ступеней напряжения менее 500 вольт. Носители заряда легко покидают электроды, поэтому дополнительная ионизация не требуется, а джиттер низкий. Кроме того, срок службы диодов больше, чем у искровых разрядников.[нужна цитата ]

Устройство быстрого переключения - это NPN лавинный транзистор оснащен катушкой между базой и эмиттером. Первоначально транзистор выключен, и на его переходе коллектор-база присутствует около 300 вольт. Это напряжение достаточно велико, чтобы носитель заряда в этой области мог создать больше носителей за счет ударной ионизации, но вероятность этого слишком мала, чтобы образовалась настоящая лавина; вместо этого протекает несколько зашумленный ток утечки. Когда предыдущая ступень переключается, переход эмиттер-база подталкивается к прямому смещению, а переход коллектор-база переходит в режим полной лавины, поэтому носители заряда, введенные в область коллектор-база, умножаются в цепной реакции. Как только генератор Маркса полностью сработал, напряжение повсюду падает, лавины каждого переключателя прекращаются, его согласованная катушка переводит переход база-эмиттер в обратное смещение, а низкое статическое поле позволяет оставшимся носителям заряда стекать из перехода коллектор-база.

Приложения

Одно приложение так называемое товарный вагон переключение Ячейка Поккельса. Используются четыре генератора Маркса, каждый из двух электродов ячейки Поккельса подключен к генератору положительных импульсов и генератору отрицательных импульсов. Сначала включаются два генератора противоположной полярности, по одному на каждом электроде, чтобы зарядить ячейку Поккельса до одной полярности. Это также частично зарядит два других генератора, но не запустит их, потому что они были предварительно заряжены только частично. Утечка через резисторы Маркса должна быть компенсирована небольшим током смещения через генератор. На заднем крае товарного вагона два других генератора запускаются, чтобы «перевернуть» ячейку.

Генераторы Маркса используются для подачи высоковольтных импульсов при испытании изоляции электрических устройств, например, большой мощности. трансформаторы, или изоляторы, используемые для поддержки линий электропередачи. Применяемое напряжение может превышать два миллиона вольт для высоковольтного оборудования.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Маркс, Эрвин (1924). "Versuche über die Prüfung von Isolatoren mit Spanningsstößen" [Эксперименты по испытанию изоляторов с использованием импульсов высокого напряжения]. Elektrotechnische Zeitschrift (на немецком). 25: 652–654. ISSN  0424-0200. OCLC  5797229.. Эта ссылка подозрительна: 1924 год и 25 том не совпадают; 1924 год соответствует тому 45; 25 том было бы слишком рано для Маркса. Фолькер Вайс говорит, что это 1925 год и 45 том, что тоже было бы неверным. Электрический мир https://books.google.com/books?id=o3FEAQAAIAAJ&hl=en предполагает, что статья Маркса о тестировании Flashover была опубликована 11 июня 1925 года.
  2. ^ Типичное объяснение; см., например, http://www.kronjaeger.com/hv/hv/src/marx/index.html; вопрос сложнее. Другой сайт использует зарядные индукторы вместо резисторов: http://hibp.ecse.rpi.edu/~leij/febetron/marx.html.
  3. ^ Э. Каффель, В. С. Заенгл, Дж. Каффель Техника высокого напряжения: основы, Newnes, 2000 ISBN  0-7506-3634-3, страницы 63, 70
  4. ^ «Электрификация: гигантская футуристическая« Башня Тесла »в заброшенном лесу под Москвой (ФОТО, ВИДЕО)». RT International. Получено 2017-05-12.

дальнейшее чтение

  • Бауэр, Г. (1 июня 1968 г.) "Высоковольтный наносекундный импульсный генератор с низким импедансом", Журнал научных инструментов, Лондон, Великобритания. т. 1. С. 688–689.
  • Graham et al. (1997) "Компактный генератор Маркса 400 кВ с общим распределительным шкафом", Конференция по импульсной энергии, 11-й ежегодный дайджест технических статей, т. 2. С. 1519–1523.
  • Ness, R. et al. (1991) «Компактные мегавольтные генераторы Маркса с репутацией», Транзакции IEEE на электронных устройствах, т. 38, № 4, с. 803–809.
  • Обара, М. (3–5 июня 1980 г.) "Полосовой многоканальный генератор Маркса с искровым разрядом и поверхностью для лазеров с быстрым разрядом", Отчет конференции IEEE о четырнадцатом симпозиуме по импульсным модуляторам мощности 1980 г.С. 201–208.
  • Шкаруба и др. (Май – июнь 1985 г.) "Генератор Аркадьева-Марка с емкостной связью", Instrum Exp Tech т. 28, № 3, часть 2, стр. 625–628, XP002080293.
  • Сумервиль, И. К. (11–24 июня 1989 г.) "Простой компактный 1 МВ, 4 кДж Маркс", Труды конференции Pulsed Power, Монтерей, Калифорния конф. 7. С. 744–746, XP000138799.
  • Тернбулл, С. М. (1998) "Разработка высоковольтного генератора Маркса PFN с высоким PRF", Запись конференции 23-го Международного симпозиума по модуляции мощности 1998 г.С. 213–16.

внешняя ссылка