Генератор импульсов высокого напряжения Маркса

Введение

Высоковольтный импульсный генератор

Генератор Маркса — это электрическая схема, впервые описанная Эрвином Отто Марксом в 1924 году. Он предназначен для генерации высоковольтного импульса из источника постоянного тока низкого напряжения. Генераторы Маркса используются в экспериментах по физике высоких энергий, а также для имитации воздействия молнии на оборудование линий электропередач и авиационную технику. В Sandia National Laboratories банк из 36 генераторов Маркса используется для генерации рентгеновского излучения в их установке Z Machine.

Принцип действия

Схема генерирует импульс высокого напряжения, заряжая несколько конденсаторов параллельно, а затем внезапно соединяя их последовательно. Смотрите схему справа. Сначала n конденсаторов (C) заряжаются параллельно до напряжения VC через источник постоянного тока через резисторы (RC). На искровых промежутках, используемых в качестве переключателей, присутствует напряжение VC, но напряжение пробоя промежутков больше VC, поэтому они все ведут себя как разомкнутые цепи во время зарядки конденсаторов. Последний промежуток изолирует выход генератора от нагрузки; без него нагрузка препятствовала бы зарядке конденсаторов. Для создания выходного импульса происходит пробой первого искрового промежутка (вызывается пробой); пробой эффективно замыкает промежуток, соединяя первые два конденсатора последовательно и прикладывая напряжение около 2VC ко второму искровому промежутку. Следовательно, второй промежуток пробивается, добавляя третий конденсатор в "стек", и процесс продолжается, последовательно вызывая пробой всех промежутков. Этот процесс соединения конденсаторов последовательно искровыми промежутками для создания высокого напряжения называется формированием импульса. Последний промежуток соединяет выход последовательного "стека" конденсаторов с нагрузкой. В идеале выходное напряжение будет nVC, то есть число конденсаторов, умноженное на напряжение зарядки, но на практике это значение меньше. Важно отметить, что ни один из зарядных резисторов Rc не подвергается напряжению, превышающему напряжение зарядки, даже после формирования импульса. Доступный заряд ограничен зарядом на конденсаторах, поэтому выход представляет собой короткий импульс, поскольку конденсаторы разряжаются через нагрузку. В какой-то момент искровые промежутки перестают проводить ток, и источник низкого напряжения начинает заряжать конденсаторы снова. Принцип умножения напряжения путем параллельной зарядки и последовательной разрядки конденсаторов также используется в схеме умножителя напряжения, применяемой для получения высоких напряжений в лазерных принтерах и телевизорах с электронно-лучевой трубкой, которая имеет сходство с этой схемой. Одно из отличий заключается в том, что умножитель напряжения питается переменным током и выдает постоянное выходное напряжение, в то время как генератор Маркса выдает импульс.

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.

Оптимизация

Правильная работа зависит от выбора конденсаторов и времени разряда. Время переключения можно улучшить путем легирования электродов радиоактивными изотопами цезия-137 или никеля-63, а также ориентацией искровых промежутков таким образом, чтобы ультрафиолетовое излучение от срабатывающего искрового переключателя освещало оставшиеся разомкнутые искровые промежутки. Изоляция высоких напряжений часто достигается путем погружения генератора Маркса в трансформаторное масло или высоковольтный диэлектрический газ, такой как гексафторид серы (SF6). Следует отметить, что чем меньше сопротивление между конденсатором и источником зарядного напряжения, тем быстрее он будет заряжаться. Таким образом, в данной конструкции конденсаторы, расположенные ближе к источнику питания, будут заряжаться быстрее, чем те, что находятся дальше. Если генератор заряжается достаточно долго, все конденсаторы достигнут одинакового напряжения. В идеальном случае, замыкание выключателя, ближайшего к источнику зарядного напряжения, прикладывает напряжение 2V ко второму выключателю. Этот выключатель затем замыкается, прикладывая напряжение 3V к третьему выключателю. Затем этот выключатель замыкается, вызывая каскадное распространение по генератору, которое создает напряжение nV на выходе генератора (опять же, только в идеальном случае). Первому выключателю может быть позволено самопроизвольно пробиваться (иногда называемое самопробоем) во время зарядки, если точное время выходного импульса не имеет значения. Однако обычно он намеренно запускается после того, как все конденсаторы в банке Маркса достигли полной зарядки, либо путем уменьшения расстояния между электродами, путем подачи импульса на дополнительный триггерный электрод (например, тригатрон), ионизацией воздуха в промежутке с помощью импульсного лазера или снижением давления воздуха в промежутке. 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 изготавливаются из пластиковых или стеклянных трубок, заполненных разбавленным раствором сульфата меди. Эти жидкостные резисторы решают многие проблемы, возникающие при использовании более традиционных твердых резистивных материалов, которые имеют тенденцию к снижению сопротивления с течением времени при воздействии высокого напряжения.

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.

Короткие импульсы

Генератор Маркса также используется для генерации коротких импульсов высокой мощности для ячеек Покельса, управления TEA-лазером, инициирования обычного взрывчатого вещества ядерного оружия и радиолокационных импульсов. Понятие "короткий" относительно, поскольку время переключения даже быстродействующих версий не менее 1 нс, а значит, многие маломощные электронные устройства работают быстрее. Электродинамика важна при проектировании высокоскоростных схем, и генератор Маркса в некоторой степени этому способствует, используя короткие толстые проводники между своими компонентами, однако в основе конструкции лежит электростатический принцип. Когда происходит пробой первого промежутка, чистая электростатическая теория предсказывает повышение напряжения на всех каскадах. Однако каскады емкостно соединены с землей и последовательно друг с другом, поэтому каждый каскад испытывает возрастание напряжения, которое ослабевает по мере удаления от переключающего каскада; следовательно, наибольшее повышение напряжения испытывает каскад, непосредственно примыкающий к переключающему, и именно он переключается следующим. По мере переключения большего числа каскадов, возрастание напряжения на оставшихся каскадах увеличивается, что ускоряет их работу. Таким образом, возрастание напряжения, подаваемое на первый каскад, одновременно усиливается и становится круче. С точки зрения электродинамики, пробой первого каскада создает сферическую электромагнитную волну, вектор электрического поля которой направлен противоположно статическому высокому напряжению. Это движущееся электромагнитное поле имеет неподходящую ориентацию для запуска следующего каскада и может даже достичь нагрузки; подобный шум перед фронтом импульса нежелателен во многих приложениях переключения. Если генератор помещен внутрь трубки диаметром, скажем, 1 м, для установления статических условий потребуется около 10 отражений поля, что ограничивает ширину переднего фронта импульса до 30 нс и более. Меньшие устройства, разумеется, работают быстрее. Скорость переключения определяется скоростью носителей заряда, которая увеличивается с ростом напряжения, и током, доступным для зарядки неизбежной паразитной емкости. В твердотельных лавинных устройствах высокое напряжение автоматически приводит к высокому току. Поскольку высокое напряжение приложено лишь на короткое время, твердотельные переключатели не перегреваются. В качестве компенсации за более высокие напряжения на более поздних каскадах требуется меньший заряд. Охлаждение каскадов и перезарядка конденсаторов также хорошо сочетаются.

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.

Фазовые варианты

Авалансные диоды могут заменить искровой промежуток для напряжений менее 500 вольт. Носители заряда легко покидают электроды, поэтому дополнительная ионизация не требуется, а джиттер невелик. Диоды также имеют больший срок службы, чем искровые промежутки. Быстрым переключающим устройством является NPN-транзистор в лавинном режиме, оснащенный катушкой между базой и эмиттером. Транзистор изначально выключен, и на его коллекторно-базовом переходе присутствует около 300 вольт. Этого напряжения достаточно, чтобы носитель заряда в этой области мог создавать больше носителей посредством ударной ионизации, но вероятность этого слишком мала для формирования полноценной лавины; вместо этого протекает небольшой, но шумный ток утечки. Когда предыдущая ступень переключается, эмиттерно-базочный переход переходит в прямое смещение, а коллекторно-базочный переход входит в режим полной лавины, в результате чего носители заряда, инжектированные в коллекторно-базовую область, размножаются в цепной реакции. Как только генератор Маркса полностью сработает, напряжение повсеместно падает, лавина в каждом переключателе прекращается, соответствующая катушка переводит эмиттерно-базочный переход в обратное смещение, а слабое статическое поле позволяет оставшимся носителям заряда стечь из коллекторно-базового перехода.

Приложения

Одним из применений является так называемое переключение ячейки Покельса по принципу "вагона". Используются четыре генератора Маркса, при этом каждый из двух электродов ячейки Покельса подключен к генератору положительного импульса и генератору отрицательного импульса. Два генератора противоположной полярности, по одному на каждом электроде, сначала включаются для заряда ячейки Покельса до определенной полярности. Это также частично зарядит два других генератора, но не вызовет их срабатывание, поскольку они были предварительно заряжены лишь частично. Утечка тока через резисторы Маркса должна компенсироваться небольшим током смещения, протекающим через генератор. На завершающем участке импульса включаются два других генератора для "инверсии" ячейки. Генераторы Маркса используются для подачи высоковольтных импульсов при испытании изоляции электрического оборудования, такого как большие силовые трансформаторы или изоляторы, применяемые для поддержки линий электропередачи. Напряжение, подаваемое на высоковольтное оборудование, может превышать два миллиона вольт. В пищевой промышленности генераторы Маркса применяются для обработки импульсными электрическими полями с целью улучшения нарезки или ускорения сушки картофеля и других фруктов и овощей.