Генератор Маркса

Генератор Маркса — электрическая схема , впервые описанная Эрвином Отто Марксом в 1924 году. ^[1] Его цель — генерировать импульс высокого напряжения из источника постоянного тока низкого напряжения. Генераторы Маркса используются в экспериментах по физике высоких энергий, а также для моделирования воздействия молнии на ЛЭП и авиационное оборудование. Банк из 36 генераторов Маркса используется Национальными лабораториями Сандии для генерации рентгеновских лучей в их Z-машине .

Принцип работы

Схема генерирует импульс высокого напряжения, заряжая несколько конденсаторов параллельно, а затем внезапно соединяя их последовательно. См. принципиальную схему справа. Сначала n конденсаторов ( C ) заряжаются параллельно до напряжения V _C от источника постоянного тока через резисторы ( R _C ). Искровые разрядники, используемые в качестве переключателей, имеют напряжение V _C на себе, но напряжение пробоя разрядников превышает V _C , поэтому все они ведут себя как разомкнутые цепи, пока конденсаторы заряжаются. Последний зазор изолирует выход генератора от нагрузки; без этого зазора нагрузка препятствовала бы зарядке конденсаторов. Для создания выходного импульса первый разрядник разрывается (срабатывает); пробой эффективно замыкает зазор, соединяя первые два конденсатора последовательно, прикладывая напряжение около 2 В _C ко второму искровому промежутку. ^[2] Следовательно, второй разрыв разрывается, чтобы добавить в «стек» третий конденсатор, и процесс продолжает последовательно разрушать все разрывы. Этот процесс последовательного соединения конденсаторов искровыми разрядниками для создания высокого напряжения называется эрекцией . Последний разрыв соединяет выход последовательной «стопки» конденсаторов с нагрузкой. В идеале выходное напряжение будет равно nV _C — количеству конденсаторов, умноженному на зарядное напряжение, но на практике это значение меньше. Обратите внимание, что ни один из зарядных резисторов R _c не подвергается воздействию напряжения, превышающего зарядное, 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 разрядники перестают проводить ток, и низковольтный источник питания снова начинает заряжать конденсаторы.

Принцип умножения напряжения путем параллельной зарядки конденсаторов и их последовательной разрядки также используется в схеме умножителя напряжения , используемой для получения высоких напряжений для лазерных принтеров и с электронно-лучевой трубкой телевизоров , имеющей сходство с этой схемой. Единственное отличие состоит в том, что умножитель напряжения питается переменным током и выдает постоянное выходное напряжение постоянного тока, тогда как генератор Маркса выдает импульс.

Генератор Маркса использовался для испытаний компонентов высоковольтной передачи энергии в Техническом университете Дрездена, Германия.

Генератор Маркса на выставке коммунальных услуг, Лейпциг, Восточная Германия, 1954 год.

10-каскадный генератор Маркса 600 кВ в работе

Генератор Маркса на 800 кВ в лаборатории Национального технологического института, Дургапур, Индия.

Оптимизация

Надлежащая производительность зависит от выбора конденсатора и времени разряда. легируя электроды радиоактивными изотопами Время переключения можно улучшить , цезия 137 или никеля 63, а также ориентируя искровые промежутки так, чтобы ультрафиолетовый свет от зажигающего разрядника освещал оставшиеся открытые искровые промежутки. ^[3] Изоляция создаваемого высокого напряжения часто достигается путем погружения генератора Маркса в трансформаторное масло высокого давления, или диэлектрический газ такой как гексафторид серы (SF ₆ ).

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 позволят заряжаться достаточно долго, все конденсаторы достигнут одинакового напряжения.

В идеальном случае при замыкании ближайшего к источнику питания переключателя подается напряжение 2 В. на второй переключатель Затем этот переключатель замкнется, подав напряжение 3 В. на третий переключатель Затем этот переключатель замкнется, что приведет к каскадному включению генератора, который выдает нВ на выходе генератора (опять же, только в идеальном случае).

Можно допустить самопроизвольный выход первого переключателя из строя (иногда называемый саморазрывом ) во время зарядки, если абсолютная синхронизация выходного импульса не важна. Однако обычно он срабатывает намеренно, когда все конденсаторы в банке Маркса полностью заряжены, либо путем уменьшения расстояния между зазорами, либо путем подачи импульса на дополнительный триггерный электрод (например, тригатрон ), либо путем ионизации воздуха в зазоре с помощью импульсного лазером или уменьшением давления воздуха внутри зазора.

Зарядные резисторы Rc должны быть правильно подобраны как для зарядки, так и для разрядки. Иногда их заменяют индукторами для повышения эффективности и ускорения зарядки. Во многих генераторах резисторы изготовлены из пластиковых или стеклянных трубок, заполненных разбавленным раствором медного купороса . Эти жидкие резисторы решают многие проблемы, с которыми сталкиваются более традиционные твердые резистивные материалы, которые имеют тенденцию снижать свое сопротивление с течением времени в условиях высокого напряжения.

Короткие импульсы

Генератор Маркса также используется для генерации коротких мощных импульсов для ячеек Поккельса , возбуждения ТЭА-лазера , зажигания обычного взрывчатого вещества ядерного оружия и радиолокационных импульсов.

Кратковременность относительна, так как время переключения даже быстродействующих версий составляет не менее 1 нс, а значит, многие маломощные электронные устройства работают быстрее. При проектировании высокоскоростных цепей важна электродинамика, и генератор Маркса поддерживает это, поскольку в нем используются короткие толстые провода между его компонентами, но конструкция, тем не менее, по существу является электростатической. Чистая электростатическая теория предсказывает, что когда первый зазор выходит из строя, напряжение на всех каскадах возрастает. Однако ступени связаны емкостно с землей и последовательно друг с другом, и, таким образом, каждая ступень сталкивается с повышением напряжения, которое тем слабее, чем дальше ступень от коммутирующей; Таким образом, ступень, соседняя с переключающей, испытывает наибольшее повышение напряжения и, таким образом, переключается по очереди. По мере переключения большего количества ступеней повышение напряжения на оставшихся увеличивается, что ускоряет их работу. Таким образом, повышение напряжения, подаваемого на первую ступень, одновременно усиливается и становится более крутым.

С точки зрения электродинамики, когда первая ступень выходит из строя, создается сферическая электромагнитная волна, вектор электрического поля которой противоположен статическому высокому напряжению. Это движущееся электромагнитное поле имеет неправильную ориентацию, чтобы вызвать следующий этап, и может даже достичь нагрузки; такой шум перед фронтом нежелателен во многих приложениях переключения. Если генератор находится внутри трубки диаметром, скажем, 1 м, ему требуется около 10 отражений волн, чтобы поле установилось в статические условия, что ограничивает ширину переднего фронта импульса до 30 нс или более. Меньшие устройства, конечно, быстрее.

Скорость переключения определяется скоростью носителей заряда, которая становится выше с увеличением напряжения, а также током, доступным для зарядки неизбежной паразитной емкости. В твердотельных лавинных устройствах высокое напряжение автоматически приводит к большому току. Поскольку высокое напряжение подается только на короткое время, полупроводниковые переключатели не будут чрезмерно нагреваться. В качестве компенсации возникающих более высоких напряжений более поздние ступени также должны нести меньший заряд. Охлаждение каскада и подзарядка конденсатора также хорошо сочетаются.

Варианты сцены

Лавинные диоды могут заменить разрядник при напряжении ступени менее 500 Вольт. Носители заряда легко покидают электроды, поэтому дополнительная ионизация не требуется, а джиттер низкий. Диоды также имеют более длительный срок службы, чем искровые разрядники. ^{[ нужна ссылка ]}

Устройство быстрого переключения представляет собой лавинный NPN-транзистор с катушкой между базой и эмиттером. Транзистор изначально выключен, и на его переходе коллектор-база имеется напряжение около 300 В. Это напряжение достаточно велико, чтобы носитель заряда в этой области мог создать больше носителей за счет ударной ионизации, но вероятность слишком мала для образования настоящей лавины; вместо этого протекает несколько шумный ток утечки. При переключении предыдущей ступени переход эмиттер-база переходит в прямое смещение, а переход коллектор-база переходит в полный лавинный режим, поэтому носители заряда, инжектированные в область коллектор-база, умножаются в цепной реакции. Как только генератор Маркса полностью запускается, напряжение повсюду падает, лавина каждого переключателя прекращается, его согласованная катушка переводит переход база-эмиттер в обратное смещение, а низкое статическое поле позволяет оставшимся носителям заряда вытекать из перехода коллектор-база.

Приложения

Одним из применений является так называемое товарное переключение ячейки Поккельса . Используются четыре генератора Маркса, каждый из двух электродов ячейки Поккельса подключен к генератору положительных импульсов и генератору отрицательных импульсов. Два генератора противоположной полярности, по одному на каждом электроде, сначала запускаются, чтобы зарядить ячейку Поккельса до одной полярности. Это также частично зарядит два других генератора, но не запустит их, поскольку заранее они были заряжены лишь частично. Утечку через резисторы Маркса необходимо компенсировать небольшим током смещения через генератор. На задней кромке товарного вагона два других генератора запускаются, чтобы «перевернуть» ячейку.

Генераторы Маркса используются для подачи импульсов высокого напряжения для проверки изоляции электрических устройств, таких как большие силовые трансформаторы , или изоляторов, используемых для поддержки линий электропередачи. Приложенное напряжение может превышать два миллиона вольт для высоковольтного оборудования.

В пищевой промышленности генераторы Маркса используются для обработки импульсными электрическими полями , чтобы улучшить качество резки или ускорить сушку картофеля и других фруктов и овощей. ^[4]

См. также

АТЛАС-I
Генератор Кокрофта – Уолтона – аналогичная схема с такой же «лестничной» структурой; Генератор CW вырабатывает выпрямленный постоянный ток из входного переменного тока.
Генератор векторной инверсии - устройство линии передачи, использующее аналогичный заряд при параллельном разряде и последовательном подходе.
Генератор сжатия потока со взрывной накачкой – решение двойной проблемы создания импульсов сильного тока
Катушка зажигания
Индукционная катушка
Истринский научный центр высоких напряжений
Катушка Теслы

Ссылки

^ Маркс, Эрвин (1924). «Versuche über die Prüfung von Isolatoren mit Spanningsstößen» [Эксперименты по испытанию изоляторов с использованием импульсов высокого напряжения]. Elektrotechnische Zeitschrift (на немецком языке). 25 : 652–654. ISSN 0424-0200 . OCLC 5797229 . . Эта ссылка сомнительна: 1924 год и 25-й том не совпадают; 1924 год соответствует 45-му тому; 25-й том был бы слишком ранним для Маркса. Фолькер Вайс говорит, что это 1925 год и том 45, что тоже неверно. Electrical World https://books.google.com/books?id=o3FEAQAAIAAJ&hl=en предполагает, что статья Маркса о тестировании Flashover датирована 11 июня 1925 года.
^ Типичное объяснение; см., например, http://www.kronjaeger.com/hv/hv/src/marx/index.html ; вопрос сложнее. На другом сайте вместо резисторов используются зарядные индукторы: http://hibp.ecse.rpi.edu/~leij/febetron/marx.html .
^ Э. Куффель, В.С. Зенгль, Дж. Куффель Высоковольтная техника: основы , Newnes, 2000 ISBN 0-7506-3634-3 , страницы 63, 70.
^ Фаустер, Т.; Шлоссникль, Д.; Рат, Ф.; Остермайер, Р.; Тойфель, Ф.; Топфл, С.; Джагер, Х. (октябрь 2018 г.). «Влияние предварительной обработки импульсным электрическим полем (PEF) на технологические характеристики промышленного производства картофеля фри» . Журнал пищевой инженерии . 235 : 16–22. doi : 10.1016/j.jfoodeng.2018.04.023 . S2CID 103082055 .

Дальнейшее чтение

Бауэр, Г. (1 июня 1968 г.) «Низкоимпедансный высоковольтный наносекундный генератор импульсов», Журнал Scientific Instruments , Лондон, Великобритания. том. 1, стр. 688–689.
Грэм и др. (1997) «Компактный генератор Маркса на 400 кВ с общим корпусом переключателя», Конференция по импульсной мощности, 11-й ежегодный сборник технических документов , том. 2, стр. 1519–1523.
Несс Р. и др. (1991) «Компактные, мегавольтовые, репутационные генераторы Маркса», IEEE Transactions on Electron Devices , vol. 38, № 4, стр. 803–809.
Обара, М. (3–5 июня 1980 г.) «Многоканальный генератор Маркса с полосковой линией и поверхностным искровым разрядником для лазеров с быстрым разрядом», Протокол конференции IEEE четырнадцатого симпозиума по импульсным модуляторам мощности 1980 года , стр. 201–208 .
Шкаруба и др. (Май – июнь 1985 г.) «Генератор Аркадьева-Марка с емкостной связью», Instrum Exp Tech vol. 28, № 3, часть 2, стр. 625–628, XP002080293.
Самервилл, IC (11–24 июня 1989 г.) «Простой компактный 1 МВ, 4 кДж Маркса», Материалы конференции по импульсной энергии, Монтерей, Калифорния, конф. 7, стр. 744–746, XP000138799.
Тернбулл, С.М. (1998) «Разработка высоковольтного генератора Маркса с высокой частотой повторений PFN», Протокол конференции 23-го Международного симпозиума по модуляции мощности 1998 года , стр. 213–16.

Внешние ссылки

« Генератор Маркса ». ecse.rpi.edu. ( ред . объясняет импульсный генератор Febetron 2020, экспериментируемый в Лаборатории динамики плазмы RPI )
Йохен Кроньягер, « Генератор Маркса ». Страница Йохена «Высокое напряжение», 2003.
Джим Люкс, « Генератори Маркса, архивированные 29 ноября 2014 г. в Wayback Machine », Справочник экспериментатора высокого напряжения, 3 мая 1998 г.
« Генератор Маркса «Быстрый и грязный» ». Mike's Electric Stuff, май 2003 г.

[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 языке). 25 : 652–654. ISSN 0424-0200 . OCLC 5797229 . . Эта ссылка сомнительна: 1924 год и 25-й том не совпадают; 1924 год соответствует 45-му тому; 25-й том был бы слишком ранним для Маркса. Фолькер Вайс говорит, что это 1925 год и том 45, что тоже неверно. Electrical World https://books.google.com/books?id=o3FEAQAAIAAJ&hl=en предполагает, что статья Маркса о тестировании Flashover датирована 11 июня 1925 года.

[2] Типичное объяснение; см., например, http://www.kronjaeger.com/hv/hv/src/marx/index.html ; вопрос сложнее. На другом сайте вместо резисторов используются зарядные индукторы: http://hibp.ecse.rpi.edu/~leij/febetron/marx.html .

[3] Э. Куффель, В.С. Зенгль, Дж. Куффель Высоковольтная техника: основы , Newnes, 2000 ISBN 0-7506-3634-3 , страницы 63, 70.

[4] Фаустер, Т.; Шлоссникль, Д.; Рат, Ф.; Остермайер, Р.; Тойфель, Ф.; Топфл, С.; Джагер, Х. (октябрь 2018 г.). «Влияние предварительной обработки импульсным электрическим полем (PEF) на технологические характеристики промышленного производства картофеля фри» . Журнал пищевой инженерии . 235 : 16–22. doi : 10.1016/j.jfoodeng.2018.04.023 . S2CID 103082055 .

[1]

[2]

[3]

[4]