Marx generator

En liten demonstration av Marx-generator (tornet till höger) . Det är en tiostegsgenerator. Huvudurladdningen är till vänster. De nio mindre gnistorna som kan ses på bilden är gnistgap som seriekopplar de laddade kondensatorerna.

En Marx-generator är en elektrisk krets som först beskrevs av Erwin Otto Marx 1924. Dess syfte är att generera en högspänningspuls från en lågspänningslikströmskälla. Marx-generatorer används i högenergifysikexperiment, såväl som för att simulera effekterna av blixtar på kraftledningsutrustning och flygutrustning. En bank med 36 Marx-generatorer används av Sandia National Laboratories för att generera röntgenstrålar i deras Z Machine .

Funktionsprincip

Marx generatordiagram; Även om den vänstra kondensatorn har den största laddningshastigheten, tillåts generatorn vanligtvis ladda under en lång tidsperiod, och alla kondensatorer når så småningom samma laddningsspänning.

Kretsen genererar en högspänningspuls genom att ladda ett antal kondensatorer parallellt och sedan plötsligt seriekoppla dem. Se kretsen ovan. Till en början laddas n kondensatorer ( C ) parallellt med en spänning V C av en likströmskälla genom motstånden ( RC ) . Gnistgap som används som strömbrytare har spänningen V C över sig, men gapen har en genomslagsspänning som är större än V C , så de beter sig alla som öppna kretsar medan kondensatorerna laddas. Det sista gapet isolerar utsignalen från generatorn från lasten; utan det gapet skulle belastningen hindra kondensatorerna från att laddas. För att skapa utgångspulsen bringas det första gnistgapet att brytas ned (utlöses); genombrottet kortar effektivt gapet, placerar de två första kondensatorerna i serie och applicerar en spänning på cirka 2 V C över det andra gnistgapet. Följaktligen bryts det andra gapet ned för att lägga till den tredje kondensatorn till "stacken", och processen fortsätter att sekventiellt bryta ner alla luckor. Denna process med gnistgap som kopplar kondensatorerna i serie för att skapa högspänningen kallas erektion . Det sista gapet ansluter utgången från serie "stacken" av kondensatorer till lasten. Helst kommer utspänningen att vara nV C , antalet kondensatorer gånger laddningsspänningen, men i praktiken är värdet mindre. Observera att inget av laddningsmotstånden Rc utsätts för mer än laddningsspänningen även när kondensatorerna är uppsatta . Den tillgängliga laddningen är begränsad till laddningen på kondensatorerna, så utgången är en kort puls när kondensatorerna laddas ur genom belastningen. Vid någon tidpunkt slutar gnistgaperna att leda, och lågspänningsförsörjningen börjar ladda kondensatorerna igen.

Principen att multiplicera spänningen genom att ladda kondensatorer parallellt och ladda ur dem i serie används också i spänningsmultiplikatorkretsen, som används för att producera höga spänningar för laserskrivare och katodstrålerörs- TV-apparater , som har likheter med denna krets. En skillnad är att spänningsmultiplikatorn drivs med växelström och producerar en konstant DC-utgångsspänning, medan Marx-generatorn producerar en puls.

Marx-generator som används för att testa högspänningskraftöverföringskomponenter vid TU Dresden, Tyskland
Marx-generator på allmännyttiga mässa, Leipzig, Östtyskland, 1954
600 kV 10-stegs Marx-generator i drift
800 kV Marx-generator i laboratorium vid National Institute of Technology, Durgapur Indien.

Optimering

För att leverera 5 ns stigtidspulser är Marx-generatorn ofta inbyggd i en koaxial vågledare . Gnistgaperna - ljusutbyte för minimalt jitter. DC HV kommer underifrån, pulsade HV-blad upptill in i koaxiallinjen. Den dubbla linjen av sfärer i mitten är gnistgap, alla andra sfärer är för att undvika koronaurladdning . Blå = vattenkondensator . Grå=fast metall. Svart = tunn tråd. Den yttre ledaren fungerar också som ett kärl, så att gasen och trycket kan optimeras.

Korrekt prestanda beror på valet av kondensator och tidpunkten för urladdningen. Omkopplingstider kan förbättras genom dopning av elektroderna med radioaktiva isotoper cesium 137 eller nickel 63, och genom att orientera gnistgaperna så att ultraviolett ljus från en tändande gnistgapsomkopplare lyser upp de återstående öppna gnistgaperna. Isolering av de höga spänningarna som produceras åstadkoms ofta genom att sänka ner Marx-generatorn i transformatorolja eller en dielektrisk högtrycksgas såsom svavelhexafluorid ( SF 6 ).

Observera att ju mindre motstånd det är mellan kondensatorn och laddningsströmförsörjningen, desto snabbare laddas den. I denna design kommer de som är närmare strömförsörjningen att ladda snabbare än de som är längre bort. Om generatorn tillåts ladda tillräckligt länge kommer alla kondensatorer att uppnå samma spänning.

I det ideala fallet applicerar stängningen av omkopplaren närmast laddningsströmförsörjningen en spänning på 2 V till den andra omkopplaren. Den här omkopplaren kommer sedan att stängas och pålägger en spänning på 3 V till den tredje omkopplaren. Denna omkopplare kommer sedan att stängas, vilket resulterar i en kaskad nedåt generatorn som producerar nV vid generatorns utgång (återigen, endast i det ideala fallet).

Den första omkopplaren kan tillåtas att spontant gå sönder (ibland kallad självbrytning ) under laddning om den absoluta timingen för utpulsen är oviktig. Den utlöses dock vanligtvis avsiktligt när alla kondensatorer i Marx-banken har nått full laddning, antingen genom att minska gapavståndet, genom att pulsera en extra triggerelektrod (som en Trigatron ), genom att jonisera luften i gapet med hjälp av en pulsad laser , eller genom att minska lufttrycket i gapet.

Laddningsmotstånden, Rc, måste vara rätt dimensionerade för både laddning och urladdning. De ersätts ibland med induktorer för förbättrad effektivitet och snabbare laddning. I många generatorer är motstånden gjorda av plast- eller glasrör fyllda med utspädd kopparsulfatlösning . Dessa vätskemotstånd övervinner många av de problem som upplevs av mer konventionella fasta resistiva material, som har en tendens att sänka sin resistans med tiden under högspänningsförhållanden.

Korta pulser

Marx-generatorn används också för att generera korta högeffektpulser för Pockels-celler , driva en TEA-laser , tändning av det konventionella sprängämnet av ett kärnvapen och radarpulser.

Korthet är relativ, eftersom omkopplingstiden för även höghastighetsversioner inte är mindre än 1 ns, och därför är många elektroniska enheter med låg effekt snabbare. I designen av höghastighetskretsar är elektrodynamik viktig, och Marx-generatorn stödjer detta i den mån den använder korta tjocka ledningar mellan dess komponenter, men designen är ändå i huvudsak en elektrostatisk sådan. När det första gapet går sönder förutspår ren elektrostatisk teori att spänningen över alla steg stiger. Emellertid är steg kopplade kapacitivt till jord och seriellt till varandra, och sålunda möter varje steg en spänningsökning som blir allt svagare ju längre steget är från det omkopplande; det angränsande steget till det växlande möter därför den största spänningsökningen och växlar alltså i sin tur. När fler steg växlar ökar spänningsökningen till resten, vilket påskyndar deras drift. Således blir en spänningsökning som matas in i det första steget förstärkt och brantad samtidigt.

I elektrodynamiska termer, när det första steget går sönder skapar det en sfärisk elektromagnetisk våg vars elektriska fältvektor är motsatt den statiska högspänningen. Detta rörliga elektromagnetiska fält har fel orientering för att utlösa nästa steg och kan till och med nå lasten; sådant brus framför kanten är oönskat i många omkopplingstillämpningar. Om generatorn är inuti ett rör med (säg) 1 m diameter, kräver det cirka 10 vågreflektioner för att fältet ska sätta sig till statiska förhållanden, vilket begränsar pulsens framkantsbredd till 30 ns eller mer. Mindre enheter är naturligtvis snabbare.

Hastigheten på en switch bestäms av laddningsbärarnas hastighet, som blir högre med högre spänning, och av strömmen som är tillgänglig för att ladda den oundvikliga parasitkapacitansen. I fasta lavinanordningar leder en hög spänning automatiskt till hög ström. Eftersom högspänningen endast appliceras under en kort tid kommer halvledarbrytare inte att värmas upp för mycket. Som kompensation för de högre spänningarna som uppstår måste de senare stegen också bära lägre laddning. Scenkyla och kondensatorladdning går också bra ihop.

Scenvarianter

Lavindioder kan ersätta ett gnistgap för stegspänningar mindre än 500 volt. Laddningsbärarna lämnar lätt elektroderna, så ingen extra jonisering behövs och jitter är lågt. Dioderna har också längre livslängd än gnistgap. [ citat behövs ]

En snabb omkopplingsenhet är en NPN lavintransistor utrustad med en spole mellan bas och emitter. Transistorn är initialt avstängd och cirka 300 volt finns över dess kollektor-basövergång. Denna spänning är tillräckligt hög för att en laddningsbärare i denna region kan skapa fler bärare genom stötjonisering, men sannolikheten är för låg för att bilda en riktig lavin; istället flyter en något bullrig läckström. När det föregående steget växlar, skjuts emitter-basövergången till förspänning framåt och kollektor-basövergången går in i fullt lavinläge, så laddningsbärare som injiceras i kollektor-basområdet multipliceras i en kedjereaktion. När väl Marx-generatorn har avfyrats helt, sjunker spänningar överallt, varje brytarlavin stannar, dess matchade spole sätter sin bas-emitterövergång i omvänd förspänning, och det låga statiska fältet tillåter återstående laddningsbärare att rinna ut ur sin kollektor-basövergång.

Ansökningar

En tillämpning är så kallad lådbilsväxling av en Pockels-cell . Fyra Marx-generatorer används, var och en av de två elektroderna i Pockels-cellen är ansluten till en positiv pulsgenerator och en negativ pulsgenerator. Två generatorer med motsatt polaritet, en på varje elektrod, avfyras först för att ladda Pockels-cellen till en polaritet. Detta kommer också delvis att ladda de andra två generatorerna men inte trigga dem, eftersom de bara har laddats delvis i förväg. Läckage genom Marx-motstånden måste kompenseras av en liten förspänningsström genom generatorn. I bakkanten av lådbilen avfyras de två andra generatorerna för att "vända" cellen.

Marx-generatorer används för att ge högspänningspulser för testning av isolering av elektriska apparater såsom stora krafttransformatorer eller isolatorer som används för att stödja kraftöverföringsledningar. Pålagda spänningar kan överstiga två miljoner volt för högspänningsapparater.

I livsmedelsindustrin används Marx-generatorer för Pulsed Electric Fields- bearbetning för att inducera skärförbättring eller torkningsacceleration för potatis och andra frukter och grönsaker.

Se även

Vidare läsning

  • Bauer, G. (1 juni 1968) "A low-impedance high-voltage nanosecond pulser", Journal of Scientific Instruments , London, Storbritannien. vol. 1, s. 688–689.
  • Graham et al. (1997) "Compact 400 kV Marx Generator With Common Switch Housing", Pulsed Power Conference, 11th Annual Digest of Technical Papers , vol. 2, s. 1519–1523.
  • Ness, R. et al. (1991) "Compact, Megavolt, Rep-Rated Marx Generators", IEEE Transactions on Electron Devices , vol. 38, nr 4, s. 803–809.
  • Obara, M. (3–5 juni 1980) "Strip-Line Multichannel-Surface-Spark-Gap-Type Marx Generator for Fast Discharge Lasers", IEEE Conference Record of the 1980 Fourteenth Pulse Power Modulator Symposium , s. 201–208 .
  • Shkaruba et al. (maj–juni 1985) "Arkad'ev-Mark Generator with Capacitive Coupling", Instrum Exp Tech vol. 28, nr 3, del 2, s. 625–628, XP002080293.
  • Sumerville, IC (11–24 juni 1989) "A Simple Compact 1 MV, 4 kJ Marx", Proceedings of the Pulsed Power Conference, Monterey, Kalifornien, konf. 7, s. 744–746, XP000138799.
  • Turnbull, SM (1998) "Development of a High Voltage, High PRF PFN Marx Generator", Conference Record of the 1998 23rd International Power Modulation Symposium , s. 213–16.

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Marx_generator&oldid=1120540999 "