Генератор Маркса — это электрическая схема, впервые описанная Эрвином Отто Марксом в 1924 году. [1] Его цель — генерировать высоковольтный импульс из источника постоянного тока низкого напряжения. Генераторы Маркса используются в экспериментах по физике высоких энергий, а также для моделирования воздействия молнии на силовые линии и авиационное оборудование. Группа из 36 генераторов Маркса используется Sandia National Laboratories для генерации рентгеновских лучей в их Z Machine .
Схема генерирует высоковольтный импульс, заряжая несколько конденсаторов параллельно, а затем внезапно соединяя их последовательно. Смотрите схему цепи справа. Сначала n конденсаторов ( C ) заряжаются параллельно до напряжения V C источником постоянного тока через резисторы ( R C ). Искровые промежутки, используемые в качестве переключателей, имеют напряжение V C на них, но промежутки имеют пробивное напряжение больше, чем V C , поэтому они все ведут себя как разомкнутые цепи, пока конденсаторы заряжаются. Последний промежуток изолирует выход генератора от нагрузки; без этого промежутка нагрузка не позволяла бы конденсаторам заряжаться. Чтобы создать выходной импульс, первый искровой промежуток вызывается к пробою (срабатывает); пробой эффективно замыкает промежуток, помещая первые два конденсатора последовательно, прикладывая напряжение около 2 В C ко второму искровому промежутку. [2] Следовательно, второй промежуток пробивается, чтобы добавить третий конденсатор к «стопке», и процесс продолжается, последовательно пробивая все промежутки. Этот процесс последовательного соединения конденсаторов искровыми разрядниками для создания высокого напряжения называется эрекция . Последний промежуток соединяет выход последовательной «стопки» конденсаторов с нагрузкой. В идеале выходное напряжение будет равно nV C , количеству конденсаторов, умноженному на напряжение зарядки, но на практике это значение меньше. Обратите внимание, что ни один из зарядных резисторов R c не подвергается воздействию большего, чем напряжение зарядки, даже когда конденсаторы были эрекции. Доступный заряд ограничен зарядом на конденсаторах, поэтому выход представляет собой кратковременный импульс, поскольку конденсаторы разряжаются через нагрузку. В какой-то момент искровые разрядники перестают проводить, и источник низкого напряжения 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 телевизоров с электронно-лучевой трубкой , которая имеет сходство с этой схемой. Одно отличие состоит в том, что умножитель напряжения питается переменным током и выдает стабильное постоянное выходное напряжение, тогда как генератор Маркса выдает импульс.
Правильная работа зависит от выбора конденсатора и времени разряда. Время переключения можно улучшить, легировав электроды радиоактивными изотопами цезия 137 или никеля 63 , и сориентировав искровые промежутки так, чтобы ультрафиолетовый свет от выключателя искрового промежутка освещал оставшиеся открытые искровые промежутки. [3] Изоляция высокого напряжения часто достигается путем погружения генератора Маркса в трансформаторное масло или диэлектрический газ высокого давления, такой как гексафторид серы (SF6 ) .
Обратите внимание, что чем меньше сопротивление между конденсатором и источником питания, тем быстрее он будет заряжаться. Таким образом, в этой конструкции те, что ближе к источнику питания, будут заряжаться быстрее, чем те, что дальше. Если генератору позволят заряжаться достаточно долго, все конденсаторы достигнут одинакового напряжения.
В идеальном случае замыкание переключателя, ближайшего к источнику питания зарядки, подает напряжение 2 В на второй переключатель. Затем этот переключатель закроется, подавая напряжение 3 В на третий переключатель. Затем этот переключатель закроется, что приведет к каскадному снижению генератора, который выдает nV на выходе генератора (опять же, только в идеальном случае).
Первый переключатель может спонтанно выйти из строя (иногда это называется саморазрывом ) во время зарядки, если абсолютная синхронизация выходного импульса не важна. Однако обычно он намеренно срабатывает, как только все конденсаторы в банке Маркса достигают полной зарядки, либо путем уменьшения расстояния зазора, либо путем импульсации дополнительного пускового электрода (например, тригатрона ), либо путем ионизации воздуха в зазоре с помощью импульсного лазера , либо путем снижения давления воздуха в зазоре.
Зарядные резисторы Rc должны быть правильно рассчитаны 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 жидкие резисторы преодолевают многие проблемы, с которыми сталкиваются более традиционные твердые резистивные материалы, которые имеют тенденцию снижать свое сопротивление со временем в условиях высокого напряжения.
Генератор Маркса также используется для генерации коротких мощных импульсов для ячеек Поккельса , питания TEA-лазера , зажигания обычного взрывчатого вещества ядерного оружия и радиолокационных импульсов.
Краткость относительна, так как время переключения даже высокоскоростных версий не менее 1 нс, и поэтому многие маломощные электронные устройства работают быстрее. В конструкции высокоскоростных цепей важна электродинамика, и генератор Маркса поддерживает ее, поскольку он использует короткие толстые провода между своими компонентами, но конструкция, тем не менее, по сути, является электростатической. Когда первый зазор прорывается, чистая электростатическая теория предсказывает, что напряжение на всех каскадах повышается. Однако каскады связаны емкостно с землей и последовательно друг с другом, и, таким образом, каждый каскад сталкивается с повышением напряжения, которое тем слабее, чем дальше каскад от переключающего; смежный каскад к переключающему поэтому сталкивается с наибольшим повышением напряжения и, таким образом, переключается по очереди. По мере переключения большего количества каскадов, повышение напряжения на оставшихся увеличивается, что ускоряет их работу. Таким образом, повышение напряжения, подаваемое на первый каскад, усиливается и становится круче одновременно.
В электродинамических терминах, 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 ступени и может даже достичь нагрузки; такой шум перед краем нежелателен во многих коммутационных приложениях. Если генератор находится внутри трубки (скажем) диаметром 1 м, требуется около 10 отражений волны, чтобы поле установилось в статических условиях, что ограничивает ширину переднего фронта импульса до 30 нс или более. Меньшие устройства, конечно, 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 подается только на короткое время, твердотельные переключатели не будут чрезмерно нагреваться. В качестве компенсации за более высокие напряжения, возникающие на более поздних стадиях, также приходится нести более низкий заряд. Охлаждение стадии и перезарядка конденсатора также хорошо сочетаются.
Лавинные диоды могут заменить искровой промежуток для напряжений каскада менее 500 вольт. Носители заряда легко покидают электроды, поэтому не требуется дополнительная ионизация, а джиттер низок. Диоды также имеют более длительный срок службы, чем искровые промежутки. [ необходима цитата ]
Быстродействующее коммутационное устройство представляет собой лавинный транзистор NPN , оснащенный катушкой между базой и эмиттером. Транзистор изначально выключен, и на его коллекторно-базовом переходе присутствует около 300 вольт. Это напряжение достаточно высоко, чтобы носитель заряда в этой области мог создать больше носителей путем ударной ионизации, но вероятность слишком мала для образования надлежащей лавины; вместо этого течет несколько шумный ток утечки. Когда переключается предыдущий каскад, переход эмиттер-база переключается в прямое смещение, а переход коллектор-база входит в режим полной лавины, поэтому носители заряда, инжектированные в область коллектор-база, размножаются в цепной реакции. После того, как генератор Маркса полностью срабатывает, напряжения везде падают, каждая лавина переключения останавливается, ее согласованная катушка переключает свой переход база-эмиттер в обратное смещение, а слабое статическое поле позволяет оставшимся носителям заряда вытекать из его коллекторно-базового перехода.
Одно из применений — так называемое переключение ячейки Поккельса в режиме boxcar . Используются четыре генератора Маркса, каждый из двух электродов ячейки Поккельса подключается к положительному и отрицательному генератору импульсов. Сначала запускаются два генератора противоположной полярности, по одному на каждом электроде, для зарядки ячейки Поккельса в одну полярность. Это также частично зарядит два других генератора, но не запустит их, поскольку они были заряжены только частично заранее. Утечку через резисторы Маркса необходимо компенсировать небольшим током смещения через генератор. На заднем фронте boxcar запускаются два других генератора для «реверсирования» ячейки.
Генераторы Маркса используются для подачи высоковольтных импульсов для проверки изоляции электроприборов, таких как большие силовые трансформаторы или изоляторы, используемые для поддержки линий электропередач. Применяемое напряжение может превышать два миллиона вольт для высоковольтных приборов.
В пищевой промышленности генераторы Маркса используются для обработки импульсными электрическими полями с целью улучшения резки или ускорения сушки картофеля и других фруктов и овощей. [4]