Генератор Кокрофта – Уолтона

Этот ускоритель частиц Кокрофта-Уолтона использовался при разработке атомной бомбы . Построенный в 1937 году компанией Philips из Эйндховена, он сейчас находится в Национальном музее науки в Лондоне , Англия .

Ускоритель Кокрофта-Уолтона на 750 кВ, используемый в качестве начального инжектора частиц японского ускорителя KEK , Цукуба, Япония. Генератор CW находится справа, источник частиц — слева.

Генератор Кокрофта-Уолтона ( CW ) из , или умножитель , представляет собой электрическую цепь , которая генерирует высокое постоянное напряжение низковольтного переменного тока . ^{[ 1 ]} Он был назван в честь британских и ирландских физиков Джона Дугласа Кокрофта и Эрнеста Томаса Синтона Уолтона , которые в 1932 году использовали эту схему для питания своего ускорителя частиц , осуществив первый в истории искусственный ядерный распад. ^{[ 2 ]} Они использовали этот каскад умножителей напряжения для большей части своих исследований, которые в 1951 году принесли им Нобелевскую премию по физике за « Трансмутацию атомных ядер искусственно ускоренными атомными частицами».

Схема была разработана в 1919 году Генрихом Грейнахером , швейцарским физиком . По этой причине этот каскад удвоителей иногда также называют множителем Грейнахера . Схемы Кокрофта – Уолтона до сих пор используются в ускорителях частиц. Они также используются в повседневных электронных устройствах, требующих высокого напряжения, таких как рентгеновские аппараты и копировальные аппараты .

Операция

Генератор CW представляет собой умножитель напряжения , который преобразует электрическую мощность переменного тока с низкого уровня напряжения в более высокий уровень напряжения постоянного тока. Он состоит из цепочки умножителей напряжения, состоящей из конденсаторов и диодов для генерации высокого напряжения. В отличие от трансформаторов , этот метод устраняет необходимость в тяжелом сердечнике и большом объеме изоляции/герметизации. Используя только конденсаторы и диоды, эти умножители напряжения могут повышать относительно низкое напряжение до чрезвычайно высоких значений, и в то же время они намного легче и дешевле, чем трансформаторы. Самым большим преимуществом таких схем является то, что напряжение на каждой ступени каскада всего лишь в два раза превышает пиковое входное напряжение полуволнового выпрямителя. В двухполупериодном выпрямителе оно в три раза превышает входное напряжение. Преимущество этого метода заключается в том, что он требует относительно недорогих компонентов и его легко изолировать. Также можно подключить выход любого каскада, как в многоотводном трансформаторе.

Чтобы понять работу схемы, см. схему двухкаскадной версии справа. Предположим, что все конденсаторы изначально незаряжены, и схема питается переменным напряжением V _i таким образом, что $V i = V p sin(t + π)$ , т.е. с пиковым значением V _p , которое после включения питания составляет 0 вольт и начинается с отрицательного полупериода. После включения входного напряжения

Когда входное напряжение V _i уменьшается и приближается к своему отрицательному пику – V _p , ток течет от нижнего вывода источника через диод D1 , а затем через конденсатор C1 , заряжая его. В конечном итоге V _i достигает отрицательного пика – V _p , в котором C1 заряжается до напряжения V _p . Затем V _i начинает возрастать ‒ его производная ⁠ d V _i / d t ⁠ меняет знак с отрицательного на положительный. Когда это происходит, ток меняет свое направление, поскольку нагрузка, приложенная к источнику, является почти чисто емкостной и, таким образом, ток опережает напряжение почти на 90 °.
Когда V _i увеличивается и приближается к своему положительному пику + V _p , ток протекает от верхней клеммы источника через C1 (его разряжается), через диод D2 и, наконец, через конденсатор C2 (его заряжается). конце концов, Vi _, достигает + Vp _{), мы получаем} и когда мы прибавляем к нему напряжение C1 (которое теперь немного ниже + Vp _Вp результирующее напряжение почти 2 В _. ‒ это напряжение, до которого C2 заряжается . В этой фазе диод D1 смещен в обратном направлении, поэтому ток через него не течет.
Когда V _i снова начнет уменьшаться ( ⁠ d V _i / d t ⁠ отрицательный), ток течет от нижнего вывода источника, через С2 (разряжая его), через диод D3 , через С3 (заряжая его до напряжения почти 2 В _п ) и, наконец, через С1 (подзарядка его до Vp _. , после частичного разряда на предыдущей фазе) Поскольку некоторое напряжение падает также на C1 , а не только на C3 , C3 не будет заряжаться до 2 В _p сразу, а только на более поздних итерациях. То же самое относится и к и Vp соответственно _C1 . Также на этой фазе C2 разряжается до напряжения ниже 2 на _фазе предыдущей Вp, аналогично C1 . На следующем этапе он будет перезаряжен.
Когда V _i снова начинает увеличиваться, ток течет от верхнего вывода источника через C1 и C3 (разряжая их), через диод D4 , через C4 (заряжая его до напряжения почти 2 Вp ₎ и, наконец, через C2. (подзарядка). этой фазы C1 и C3 разряжаются ниже Vp _время и 2 Vp _Во соответственно и будут перезаряжены на следующей фазе.

В любой момент времени проводящими являются либо диоды с нечетными номерами, либо диоды с четными номерами, но не оба одновременно. При каждом изменении производной входного напряжения (т.е. ⁠ d V _i / d t ⁠ ), ток течет на следующий уровень в «стопке» конденсаторов через диоды. В конце концов, после достаточного количества циклов подачи переменного тока, все конденсаторы зарядятся. (Точнее, следует сказать, что их реальные напряжения будут достаточно близко сходиться с идеальными — на входе переменного тока всегда будут какие-то пульсации). конденсаторы заряжаются до напряжения 2 Вп _, кроме С1 , который заряжается до Вп _. Все Ключом к увеличению напряжения является то, что, хотя конденсаторы заряжаются параллельно, они подключаются к нагрузке последовательно. Поскольку C2 и C4 включены последовательно между выходом и землей, общее выходное напряжение (в условиях холостого хода) составляет V _o = 4 В _p .

Эту схему можно расширить до любого количества этапов. Выходное напряжение без нагрузки в два раза превышает пиковое входное напряжение, умноженное на количество ступеней N, или, что эквивалентно, размах входного напряжения ( В _пик ), умноженный на количество ступеней.

V_{o}=2NV_{p}=NV_{\text{pp}},

Количество каскадов равно количеству конденсаторов, включенных последовательно между выходом и землей.

Один из способов взглянуть на схему состоит в том, что она действует как «насос» заряда, перекачивая электрический заряд в одном направлении, вверх по стопке конденсаторов. Цепь непрерывного тока, наряду с другими подобными конденсаторными схемами, часто называют накачкой заряда . При значительных нагрузках заряд конденсаторов частично разряжается, а выходное напряжение падает пропорционально выходному току, деленному на емкость.

Характеристики

На практике КС имеет ряд недостатков. По мере увеличения количества каскадов напряжения высших каскадов начинают «проседать», в первую очередь из-за электрического сопротивления конденсаторов младших каскадов. А при подаче выходного тока пульсации напряжения быстро увеличиваются по мере увеличения количества каскадов (это можно исправить с помощью выходного фильтра, но для того, чтобы выдерживать высокие напряжения, требуется набор конденсаторов). По этим причинам непрерывные умножители с большим количеством каскадов используются только там, где требуется относительно низкий выходной ток. Провал можно уменьшить, увеличив емкость на нижних каскадах, а пульсации можно уменьшить, увеличив частоту входного сигнала и используя прямоугольную форму сигнала. За счет подачи сигнала CW от высокочастотного источника, такого как инвертор , или комбинации инвертора и трансформатора высокого напряжения, общий физический размер и вес источника питания CW можно существенно уменьшить.

Умножители непрерывного напряжения обычно используются для создания более высоких напряжений для приложений с относительно низкими токами, таких как напряжения смещения в диапазоне от десятков или сотен вольт до миллионов вольт для по физике высоких энергий экспериментов или испытаний на безопасность от молний . Умножители непрерывного излучения также встречаются, с большим количеством каскадов, в лазерных системах, высоковольтных источниках питания, рентгеновских системах, CCFL- подсветке ЖК-дисплеев , на лампах бегущей волны усилителях , ионных насосах , электростатических системах, ионизаторах воздуха , ускорителях частиц , копировальные машины , научные приборы, осциллографы , телевизоры и электронно-лучевые трубки , электрошоковое оружие , устройства для уничтожения насекомых и многие другие приложения, которые используют высоковольтный постоянный ток.

Динамитрон . похож на генератор Кокрофта-Уолтона Однако вместо питания с одного конца, как в модели Кокрофта-Уолтона, емкостная лестница заряжается параллельно электростатически высокочастотным колебательным напряжением, приложенным между двумя длинными полуцилиндрическими электродами по обе стороны от колонны лестницы, которые индуцируют напряжение в полукруглых коронирующие кольца, прикрепленные к каждому концу диодных выпрямительных трубок. ^{[ 3 ]}

Галерея изображений

6-ступенчатый ускоритель Кокрофта – Уолтона мощностью 1,2 МВ в лаборатории Кларендона Оксфордского университета в 1948 году.

Ускоритель непрерывного излучения мощностью 3 МВ в Институте кайзера Вильгельма в Берлине в 1937 году считался самым мощным в то время (две четырехступенчатые лестницы создавали противоположную полярность). Обратите внимание на три человеческие фигуры вверху в центре для масштаба.

Панель управления станком Кайзера Вильгельма

3-каскадный полупроводниковый диодный каскадный умножитель (зеленый) в анодном питании телевизора электронно-лучевой трубкой с

См. также

Примечания

^ Бидин, Нория (январь 2010 г.). «Высоковольтный импульсный источник питания для лазерной системы» . Исследовательский гейт .
^ Клеппнер, Дэниел; Коленков, Роберт Дж. (1973). Введение в механику (2-е изд.). Бостон: МакГроу-Хилл. п. 498 . ISBN 0-07-035048-5 .
^ Нунан, Крейг С. (26 мая 1989 г.). Настоящее и будущее применение промышленных ускорителей (PDF) . Материалы 9-го круглого стола промышленных филиалов Фермилаб по применению ускорителей. Фермилаб, Батавия, Иллинойс: Стэнфордский центр линейных ускорителей. п. 64 . Проверено 30 июля 2020 г.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки

[1] Бидин, Нория (январь 2010 г.). «Высоковольтный импульсный источник питания для лазерной системы» . Исследовательский гейт .

[2] Клеппнер, Дэниел; Коленков, Роберт Дж. (1973). Введение в механику (2-е изд.). Бостон: МакГроу-Хилл. п. 498 . ISBN 0-07-035048-5 .

[Nunan-3] Нунан, Крейг С. (26 мая 1989 г.). Настоящее и будущее применение промышленных ускорителей (PDF) . Материалы 9-го круглого стола промышленных филиалов Фермилаб по применению ускорителей. Фермилаб, Батавия, Иллинойс: Стэнфордский центр линейных ускорителей. п. 64 . Проверено 30 июля 2020 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]