Жоғары кернеулі импульстік генератор (Marx генераторы)

Кіріспе

Жоғары кернеулі импульстік генератор

Маркс генераторы – 1924 жылы Эрвин Отто Маркс алғаш рет сипаттаған электрлік схема. Оның мақсаты – төмен кернеулі тұрақты ток көзінен жоғары кернеулі импульс жасау. Маркс генераторлары жоғары энергиялық физика эксперименттерінде, сондай-ақ электр желілері мен авиациялық жабдықтарға шағынның әсерін модельдеу үшін қолданылады. Сандия Ұлттық зертханасы өздерінің Z машинасымен рентген сәулелерін жасау үшін 36 Маркс генераторынан тұратын батареяны пайдаланады.

Жұмыс істеу принципі

Сұлба бірнеше конденсаторды параллель зарядтау арқылы жоғары кернеу импульсін тудырады, содан кейін оларды бірден тізбектей жалғастырады. Оң жақтағы схеманы қараңыз. Бастапқыда n конденсатор (С) DC қуат көзі арқылы кедергілер (RC) арқылы VC кернеуіне дейін параллель зарядталады. Коммутатор ретінде қолданылатын ұшқындық саңылаулардың бойынан VC кернеуі өтеді, бірақ саңылаулардың бұзылу кернеуі VC-ден жоғары болғандықтан, конденсаторлар зарядталатын кезде олар ашық тізбек ретінде жұмыс істейді. Соңғы саңылау генератордың шығысын жүктемеден оқшаулайды; егер бұл саңылау болмаса, жүктеме конденсаторлардың зарядталуына кедергі келтіретін болар еді. Шығыс импульсін жасау үшін бірінші ұшқындық саңылау бұзылады (қоздырылады); бұзылу тиімді түрде саңылауды қысқа тұйықтап, бірінші екі конденсаторды тізбектей қойып, екінші ұшқындық саңылауға шамамен 2VC кернеуін түсіреді. Осының салдарынан екінші саңылау үшінші конденсаторды "қаптамаға" қосу үшін бұзылады, және процесс барлық саңылауларды тізбектей бұзуға жалғасады. Ұшқындық саңылаулардың конденсаторларды тізбектей жалғау арқылы жоғары кернеуді жасау процесі эрекция деп аталады. Соңғы саңылау конденсаторлардың тізбектегі "жинағының" шығысын жүктемеге жалғастырады. Идеал жағдайда, шығыс кернеуі nVC-ге тең болады, яғни конденсаторлардың санының зарядтау кернеуіне көбейтілгені, бірақ іс жүзінде бұл мән кішірек болады. Ескеріңіз, конденсаторлар тізбектелген кезде де ешбір Rc зарядтау кедергісі зарядтау кернеуінен аспайды. Қол жетімді заряд конденсаторлардағы зарядпен шектеледі, сондықтан шығыс конденсаторлар жүктеме арқылы разрядталатын кезде қысқа импульс болып табылады. Бір кезде ұшқындық саңылаулар өткізгіштігін тоқтатып, төмен кернеулі қуат көзі конденсаторларды қайтадан зарядтай бастайды. Конденсаторларды параллель зарядтап, оларды тізбектей разрядтау арқылы кернеуді көбейту принципі лазерлік принтерлер мен электронды сәулелі теледидарлар үшін жоғары кернеуді өндіруге қолданылатын кернеу көбейтуші тізбегінде де қолданылады, бұл тізбекпен ұқсастықтары бар. Бір айырмашылығы – кернеу көбейтуші айнымалы токпен қуатталып, тұрақты бірқалыпты шығыс кернеуін шығарады, ал Маркс генераторы импульс шығарады.

The circuit generates a high voltage pulse by charging a number of capacitors in parallel, then suddenly connecting them in series. See the circuit diagram on the right. At first, n capacitors (C) are charged in parallel to a voltage VC by a DC power supply through the resistors (RC). The spark gaps used as switches have the voltage VC across them, but the gaps have a breakdown voltage greater than VC, so they all behave as open circuits while the capacitors charge. The last gap isolates the output of the generator from the load; without that gap, the load would prevent the capacitors from charging. To create the output pulse, the first spark gap is caused to break down (triggered); the breakdown effectively shorts the gap, placing the first two capacitors in series, applying a voltage of about 2VC across the second spark gap. Consequently, the second gap breaks down to add the third capacitor to the "stack", and the process continues to sequentially break down all of the gaps. This process of the spark gaps connecting the capacitors in series to create the high voltage is called erection. The last gap connects the output of the series "stack" of capacitors to the load. Ideally, the output voltage will be nVC, the number of capacitors times the charging voltage, but in practice the value is less. Note that none of the charging resistors Rc are subjected to more than the charging voltage even when the capacitors have been erected. The charge available is limited to the charge on the capacitors, so the output is a brief pulse as the capacitors discharge through the load. At some point, the spark gaps stop conducting, and the low voltage supply begins charging the capacitors again. The principle of multiplying voltage by charging capacitors in parallel and discharging them in series is also used in the voltage multiplier circuit, used to produce high voltages for laser printers and cathode ray tube television sets, which has similarities to this circuit. One difference is that the voltage multiplier is powered with alternating current and produces a steady DC output voltage, whereas the Marx generator produces a pulse.

Оңтайландыру

Тиімді жұмыс конденсаторды таңдауға және разряд уақытына байланысты. Электродтарды радиоактивті цезий-137 немесе никель-63 изотоптарымен қоспалау арқылы, сондай-ақ, жанасу тізбектерін (spark gaps) ультракүлгін сәулемен шарпылатын тізбектерге бағыттап, осы тізбектердің қалған ашық тізбектерін жарықтандыру арқылы коммутация уақытын жақсартуға болады. Жоғары кернеуді оқшаулау үшін Маркс генераторын трансформатор майына немесе күкірт гексафториді (SF6) сияқты жоғары қысымды диэлектрлік газға батыру қолданылады. Конденсатор мен зарядтау қуат көзі арасындағы кедергі неғұрлым аз болса, соғұрлым жылдам зарядталады. Сондықтан, осы конструкцияда қуат көзіне жақын конденсаторлар алыс конденсаторларға қарағанда жылдам зарядталады. Генератор жеткілікті ұзақ уақыт зарядталса, барлық конденсаторлар бірдей кернеуге жетеді. Идеал жағдайда, зарядтау қуат көзіне ең жақын тізбектің жабылуы екінші тізбекке 2V кернеуді қолданады. Бұл тізбек жабылып, үшінші тізбекке 3V кернеуді қолданады. Бұл тізбек те жабылып, генератордың шығысында nV кернеуін тудыратын тізбектік эффект пайда болады (қайтадан, тек идеал жағдайда). Бірінші тізбек зарядтау кезінде өздігінен бұзылуына рұқсат етуге болады (кейде «өздігінен бұзылу» деп аталады), егер шығыс импульсінің нақты уақыты маңызды болмаса. Дегенмен, әдетте ол Маркс тізбегіндегі барлық конденсаторлар толық зарядталғаннан кейін ғана, тізбек аралығын қысқарту, қосымша триггерлік электродты (мысалы, Тригатрон) импульстік түрде қосу, тізбектегі ауаны импульстік лазер көмегімен иондау немесе тізбектегі ауа қысымын төмендету арқылы қасақана іске қосылады. Зарядтау резисторлары Rc, зарядтау және разрядтау процестері үшін дұрыс өлшемде болуы керек. Олар кейде тиімділікті арттыру және жылдам зарядтау үшін индукторлармен алмастырылады. Көптеген генераторларда резисторлар сұйылтылған мыс сульфаты ерітіндісімен толтырылған пластикалық немесе шыны түтіктерден жасалады. Бұл сұйық резисторлар жоғары кернеуде уақыт өте келе кедергісі төмендеуге бейім келетін дәстүрлі қатты резистивті материалдармен кездесетін көптеген мәселелерді шешеді.

Proper performance depends upon capacitor selection and the timing of the discharge. Switching times can be improved by doping of the electrodes with radioactive isotopes caesium 137 or nickel 63, and by orienting the spark gaps so that ultraviolet light from a firing spark gap switch illuminates the remaining open spark gaps. Insulation of the high voltages produced is often accomplished by immersing the Marx generator in transformer oil or a high pressure dielectric gas such as sulfur hexafluoride (SF6). Note that the less resistance there is between the capacitor and the charging power supply, the faster it will charge. Thus, in this design, those closer to the power supply will charge quicker than those farther away. If the generator is allowed to charge long enough, all capacitors will attain the same voltage. In the ideal case, the closing of the switch closest to the charging power supply applies a voltage 2V to the second switch. This switch will then close, applying a voltage 3V to the third switch. This switch will then close, resulting in a cascade down the generator that produces nV at the generator output (again, only in the ideal case). The first switch may be allowed to spontaneously break down (sometimes called a self break) during charging if the absolute timing of the output pulse is unimportant. However, it is usually intentionally triggered once all the capacitors in the Marx bank have reached full charge, either by reducing the gap distance, by pulsing an additional trigger electrode (such as a Trigatron), by ionising the air in the gap using a pulsed laser, or by reducing the air pressure within the gap. The charging resistors, Rc, need to be properly sized for both charging and discharging. They are sometimes replaced with inductors for improved efficiency and faster charging. In many generators the resistors are made from plastic or glass tubing filled with dilute copper sulfate solution. These liquid resistors overcome many of the problems experienced by more conventional solid resistive materials, which have a tendency to lower their resistance over time under high voltage conditions.

Қысқа импульстер

Маркс генераторлары сонымен қатар Покельс жасушалары үшін қысқа, жоғары қуатты импульстарды, TEA лазерін қоздыру, ядролық қарудың дәстүрлі жарылғыш зарядын тұтандыру және радар импульстарын жасау үшін де қолданылады. "Қысқалық" – салыстырмалы ұғым, себебі тіпті жоғары жылдамдықты нұсқалардың да ауысу уақыты 1 нс-тен кем емес, сондықтан көптеген төмен қуатты электрондық құрылғылар одан да жылдам жұмыс істейді. Жоғары жылдамдықты тізбектерді жобалауда электродинамика маңызды рөл атқарады, және Маркс генераторы компоненттері арасында қысқа, жуан сымдарды пайдалану арқылы осы талапты қолдайды, бірақ конструкциясы негізінен электростатикалық болып табылады. Бірінші аралық бұзылғанда, таза электростатикалық теория барлық сатылардағы кернеудің артатынын болжайды. Дегенмен, сатылар жерге сыйымдылық арқылы және бір-біріне тізбектей жалғанған, сондықтан әрбір саты кернеудің өсуіне тап болады, бұл өсу саты ауысу нүктесінен алшақтаған сайын әлсірейеді. Сондықтан, ауысу нүктесіне жақын саты ең үлкен кернеу өсуіне тап болып, өз кезегінде ауысады. Қосылған сатылардың саны артқан сайын, қалған сатылардағы кернеудің өсуі де артады, бұл олардың жұмысын жеделдетеді. Осылайша, бірінші сатыға берілген кернеудің өсуі бірден күшейіп, тікенедей болады. Электродинамикалық тұрғыдан алғанда, бірінші саты бұзылғанда, электр өрісі векторы статикалық жоғары кернеуге қарсы бағытталған сфералық электромагниттік толқын пайда болады. Бұл қозғалмалы электромагниттік өріс келесі сатыны іске қосу үшін қажетті бағытта емес, тіпті жүктемеге де жете алады. Мұндай шу көптеген ауыстыру қолданбаларында немесе тізбек алдындағы бұзылыстарға әкелуі мүмкін. Егер генератор диаметрі 1 метр болатын түтікшеге орналасса, өріс статикалық жағдайға келуі үшін шамамен 10 толқынның шағылысуы қажет, бұл импульстің бастапқы бөлігінің енін 30 нс немесе одан да көпке дейін шектейді. Әрине, кішірек құрылғылар жылдамырақ жұмыс істейді. Ауыстыру жылдамдығы заряд тасымалдаушыларының жылдамдығымен анықталады, ол жоғары кернеуде артады, сондай-ақ міндетті түрде болатын паразиттік сыйымдылықты зарядтау үшін қол жетімді токпен. Қатты күйдегі лавиналық құрылғыларда жоғары кернеу автоматты түрде жоғары токқа әкеледі. Жоғары кернеу тек қысқа уақытқа қолданылатындықтан, қатты күйдегі ауыстырғыштар шамадан тыс қызбайды. Жоғары кернеуді өтеу үшін кейінгі сатылар төмен зарядты тасымалдауы керек. Сатыларды салқындату және конденсаторларды қайта зарядтау да бірге жақсы жұмыс істейді.

The Marx generator is also used to generate short high power pulses for Pockels cells, driving a TEA laser, ignition of the conventional explosive of a nuclear weapon, and radar pulses. Shortness is relative, as the switching time of even high speed versions is not less than 1 ns, and thus many low power electronic devices are faster. In the design of high speed circuits, electrodynamics is important, and the Marx generator supports this insofar as it uses short thick leads between its components, but the design is nevertheless essentially an electrostatic one. When the first gap breaks down, pure electrostatic theory predicts that the voltage across all stages rises. However, stages are coupled capacitively to ground and serially to each other, and thus each stage encounters a voltage rise that is increasingly weaker the further the stage is from the switching one; the adjacent stage to the switching one therefore encounters the largest voltage rise, and thus switches in turn. As more stages switch, the voltage rise to the remainder increases, which speeds up their operation. Thus a voltage rise fed into the first stage becomes amplified and steepened at the same time. In electrodynamic terms, when the first stage breaks down it creates a spherical electromagnetic wave whose electric field vector is opposed to the static high voltage. This moving electromagnetic field has the wrong orientation to trigger the next stage, and may even reach the load; such noise in front of the edge is undesirable in many switching applications. If the generator is inside a tube of (say) 1 m diameter, it requires around 10 wave reflections for the field to settle to static conditions, which restricts pulse leading edge width to 30 ns or more. Smaller devices are of course faster. The speed of a switch is determined by the speed of the charge carriers, which gets higher with higher voltage, and by the current available to charge the inevitable parasitic capacitance. In solid state avalanche devices, a high voltage automatically leads to high current. Because the high voltage is applied only for a short time, solid state switches will not heat up excessively. As compensation for the higher voltages encountered, the later stages have to carry lower charge too. Stage cooling and capacitor recharging also go well together.

Кезеңдік нұсқалар

Аваланша диодтары 500 вольттан төмен сатылық кернеулер үшін ұшқыш разрядтың орнын баса алады. Заряд тасымалдаушылар электродтардан оңай шығады, сондықтан қосымша иондау қажет емес және тербеліс аз. Диодтар ұшқыш разрядқа қарағанда ұзақ қызмет етеді. Жылдам қосқыш құрылғысы – базасы мен эмитері арасында катушкасы бар NPN аваланша транзисторы. Транзистор бастапқыда өшірілген күйде болады және оның коллектор-базалық қосылысында шамамен 300 вольт кернеу болады. Бұл кернеу аталған аймақтағы заряд тасымалдаушының соқтығысу арқылы иондану нәтижесінде қосымша тасымалдаушыларды тудыруы үшін жеткілікті, бірақ нағыз аваланша құру үшін ықтималдығы тым төмен; оның орнына, аз ғана шулы тоқ ағыны пайда болады. Алдыңғы саты қосқанда, эмиттер-базалық қосылыс тікелей бағытта қозғалады, ал коллектор-базалық қосылыс толық аваланша режиміне енеді, соның салдарынан коллектор-базалық аймаққа енгізілген заряд тасымалдаушылар тізбекті реакция арқылы көбейеді. Маркс генераторы толығымен іске қосылғаннан кейін, барлық жердегі кернеу төмендейді, әрбір қосқыштағы аваланша тоқтайды, оған сәйкес келетін катушка база-эмиттер қосылысын кері бұрмалайды, ал төменгі статикалық өріс қалған заряд тасымалдаушыларды коллектор-базалық қосылыстан шығаруға мүмкіндік береді.

Қолданбалар

Бір қолданба – Покельс ұяшығының «вагондық ауысу» әдісі. Төрт Маркс генераторы қолданылады, Покельс ұяшығының екі электродының әрқайсысы оң импульс генераторына және теріс импульс генераторына қосылады. Әр электродында бір-бірден орналасқан екі қарама-қарсы полярлы генератор, алдымен Покельс ұяшығын бір полярлыққа зарядтау үшін іске қосылады. Бұл басқа екі генераторды да ішінара зарядтайды, бірақ оларды іске қоспайды, себебі олар бұрыннан ішінара ғана зарядталған. Маркс резисторлары арқылы болатын шығынды генератор арқылы кішкентай түзету тогымен өтеу керек. «Вагонның» соңғы шетінде қалған екі генератор ұяшықты «кері бұру» үшін іске қосылады. Маркс генераторлары үлкен қуат трансформаторлары сияқты электр аппаратурасының оқшаулауын сынау үшін немесе қуат беру желілерін ұстап тұруға арналған оқшаулағыштар үшін жоғары кернеу импульстарын беруге қолданылады. Жоғары кернеулі аппаратурада қолданылатын кернеу екі миллион вольттан асуы мүмкін. Тамақ өнеркәсібінде Маркс генераторлары картоп және басқа жемістер мен көкөністерді кесуді жақсарту немесе кептіру процесін үдету үшін импульсті электр өрістерін қолдануға пайдаланылады.