Marx generator - Marx generator

En liten demonstrasjon Marx -generator (tårn til høyre) . Det er en ti -trinns generator. Hovedutladningen er til venstre. De ni mindre gnistene som kan sees på bildet er gnistgapene som kobler de ladede kondensatorene i serie.

En Marx-generator er en elektrisk krets som først ble beskrevet av Erwin Otto Marx i 1924. Formålet er å generere en høyspentpuls fra en lavspennings DC-forsyning. Marx-generatorer brukes i fysiske eksperimenter med høy energi, samt for å simulere lynets effekter på kraftlinjeutstyr og luftfartsutstyr. En bank med 36 Marx-generatorer brukes av Sandia National Laboratories til å generere røntgenstråler i Z-maskinen .

Driftsprinsipp

Marx generator diagrammer; Selv om den venstre kondensatoren har den største ladningshastigheten, har generatoren vanligvis lov til å lade over en lengre periode, og alle kondensatorer når til slutt den samme ladespenningen.

Kretsen genererer en høyspentpuls ved å lade flere kondensatorer parallelt og deretter plutselig koble dem i serie. Se kretsen ovenfor. Først lades n kondensatorer ( C ) parallelt med en spenning V C av en likestrømforsyning gjennom motstandene ( R C ). De gnistgap anvendes som brytere har spenningen V C over dem, men hullene har en sammenbruddsspenning som er større enn V C , slik at de alle oppfører seg som åpne kretser mens kondensatorene lade. Det siste gapet isolerer generatorens utgang fra belastningen; uten det gapet, ville belastningen forhindre at kondensatorene lades. For å lage utgangspulsen får det første gnistgapet til å bryte ned (utløst); sammenbruddet reduserer effektivt gapet og plasserer de to første kondensatorene i serie, og påfører en spenning på omtrent 2 V C over det andre gnistgapet. Følgelig brytes det andre gapet for å legge den tredje kondensatoren til "stabelen", og prosessen fortsetter å sekvensielt bryte ned alle hullene. Denne prosessen med gnistgapene som forbinder kondensatorene i serie for å lage høyspenningen kalles ereksjon . Det siste gapet kobler utgangen fra serie "stabelen" av kondensatorer til belastningen. Ideelt sett vil utgangsspenningen være nV C , antall kondensatorer ganger ladespenningen, men i praksis er verdien mindre. Vær oppmerksom på at ingen av lademotstandene R c utsettes for mer enn ladespenningen, selv når kondensatorene er reist. Den tilgjengelige ladningen er begrenset til ladningen på kondensatorene, så utgangen er en kort puls når kondensatorene tømmes gjennom lasten. På et tidspunkt slutter gnistgapene å lede, og lavspenningsforsyningen begynner å lade kondensatorene igjen.

Prinsippet om å multiplisere spenning ved å lade kondensatorer parallelt og utlade dem i serie brukes også i spenningsmultiplikatorkretsen , som brukes til å produsere høyspenninger for laserskrivere og katodestrålerør -TV -apparater , som har likheter med denne kretsen. En forskjell er at spenningsmultiplikatoren drives av vekselstrøm og produserer en jevn DC -utgangsspenning, mens Marx -generatoren produserer en puls.

Marx generator som brukes til testing av høyspent kraftoverføringskomponenter ved TU Dresden, Tyskland
Marx -generator på verktøymessen, Leipzig, Øst -Tyskland, 1954
600 kV 10-trinns Marx generator i drift
800 kV Marx generator i laboratorium ved National Institute of Technology, Durgapur India.

Optimalisering

For å levere 5 ns stigningstidspulser er Marx -generatoren ofte innebygd i en koaksial bølgeleder . De gnistgapene er plassert så nær som mulig sammen for maksimal UV-lys bytte for minimum jitter. DC HV kommer nedenfra, pulserende HV -blader øverst inn i koaksiallinjen. Den doble sfærelinjen i midten er gnistgapene, alle andre sfærer er for å unngå koronautslipp . Blå = vannkondensator . Grå = massivt metall. Svart = tynn tråd. Den ytre lederen fungerer også som et fartøy, slik at gassen og trykket kan optimaliseres.

Riktig ytelse avhenger av valg av kondensator og tidspunktet for utladningen. Koblingstider kan forbedres ved doping av elektrodene med radioaktive isotoper cesium 137 eller nikkel 63, og ved å orientere gnistgapene slik at ultrafiolett lys fra en gnistgapbryter lyser de gjenværende åpne gnistgapene. Isolering av de høye spenningene som produseres oppnås ofte ved å senke Marx -generatoren i transformatorolje eller en høytrykks dielektrisk gass som svovelheksafluorid (SF 6 ).

Vær oppmerksom på at jo mindre motstand det er mellom kondensatoren og ladestrømforsyningen, desto raskere blir den ladet. Dermed vil de som er nærmere strømforsyningen i denne designen lade raskere enn de som er lengre unna. Hvis generatoren får ladet lenge nok, vil alle kondensatorene oppnå samme spenning.

I det ideelle tilfellet bruker bryteren som er nærmest ladestrømforsyningen, en spenning på 2 V til den andre bryteren. Denne bryteren vil da lukke og bruke en spenning 3 V til den tredje bryteren. Denne bryteren vil da lukke, noe som resulterer i en kaskade nedover generatoren som produserer nV ved generatorens utgang (igjen, bare i det ideelle tilfellet).

Den første bryteren kan få lov til å bryte spontant (noen ganger kalt en selvbrudd ) under lading hvis den absolutte timingen for utgangspulsen er uviktig. Imidlertid utløses det vanligvis med vilje når alle kondensatorene i Marx -banken har nådd full ladning, enten ved å redusere gapavstanden , ved å pulsere en ekstra triggerelektrode (for eksempel en Trigatron ), ved å ionisere luften i gapet ved hjelp av en pulsert laser , eller ved å redusere lufttrykket i gapet.

Lademotstandene, Rc, må ha riktig størrelse for både lading og utlading. Noen ganger blir de erstattet med induktorer for forbedret effektivitet og raskere lading. I mange generatorer er motstandene laget av plast- eller glassrør fylt med fortynnet kobbersulfatløsning . Disse væskemotstandene overvinner mange av problemene med mer konvensjonelle faste resistive materialer, som har en tendens til å senke motstanden over tid under høyspenningsforhold.

Korte pulser

Marx-generatoren brukes også til å generere korte høyeffektpulser for Pockels-celler , kjøre en TEA-laser , tenning av det konvensjonelle sprengstoffet til et atomvåpen og radarpulser.

Kortheten er relativ, ettersom byttetiden til selv høyhastighetsversjoner ikke er mindre enn 1 ns, og dermed er mange elektroniske enheter med lav effekt raskere. I utformingen av høyhastighetskretser er elektrodynamikk viktig, og Marx-generatoren støtter dette i den grad den bruker korte tykke ledninger mellom komponentene, men designet er likevel i hovedsak en elektrostatisk. Når det første gapet brytes ned, forutsier ren elektrostatisk teori at spenningen over alle stadier stiger. Imidlertid er trinn koblet kapasitivt til bakken og serielt til hverandre, og dermed møter hvert trinn en spenningsøkning som blir stadig svakere jo lenger trinnet er fra den byttende; det tilstøtende trinnet til koblingen møter man derfor den største spenningsøkningen, og svitsjer dermed etter tur. Etter hvert som flere trinn bytter, øker spenningen til resten, noe som fremskynder driften. Dermed blir en spenningsøkning som mates inn i det første trinnet forsterket og bratt opp samtidig.

I elektrodynamiske termer, når det første trinnet brytes ned, skaper det en sfærisk elektromagnetisk bølge hvis elektriske feltvektor står i motsetning til den statiske høyspenningen. Dette bevegelige elektromagnetiske feltet har feil retning for å utløse neste trinn, og kan til og med nå belastningen; slik støy foran kanten er uønsket i mange bytteprogrammer. Hvis generatoren er inne i et rør med (si) 1 m diameter, krever det rundt 10 bølgerefleksjoner for at feltet skal sette seg til statiske forhold, noe som begrenser pulsens forkantbredde til 30 ns eller mer. Mindre enheter er selvfølgelig raskere.

Hastigheten til en bryter bestemmes av hastigheten til ladningsbærerne, som blir høyere med høyere spenning, og av strømmen som er tilgjengelig for å lade den uunngåelige parasittiske kapasitansen. I solid-state skredutstyr fører en høyspenning automatisk til høy strøm. Fordi høyspenningen bare påføres i kort tid, vil ikke solid-state-brytere varme opp for mye. Som kompensasjon for de høyere spenningene som oppstår, må de senere stadiene også bære lavere ladning. Fasekjøling og kondensatorlading går også godt sammen.

Etappe varianter

Skreddioder kan erstatte et gnistgap for scenespenninger mindre enn 500 volt. Ladebærerne forlater lett elektrodene, så ingen ekstra ionisering er nødvendig og rystelsen er lav. Diodene har også en lengre levetid enn gnistgap.

En rask koblingsenhet er en NPN -skredtransistor utstyrt med en spole mellom base og emitter. Transistoren er i utgangspunktet slått av og det eksisterer omtrent 300 volt på tvers av samler-base-krysset. Denne spenningen er høy nok til at en ladningsbærer i denne regionen kan skape flere bærere ved støtionisering, men sannsynligheten er for lav til å danne et skred; i stedet strømmer en noe bråkete lekkasjestrøm. Når det foregående trinnet bytter, skyves emitter-base-krysset inn i forspenning fremover og kollektor-base-krysset går inn i full skredmodus, så ladningsbærere som injiseres i kollektor-baseområdet multipliserer i en kjedereaksjon. Når Marx-generatoren er fullstendig avfyrt, faller spenninger overalt, hver bryterskred stopper, den matchende spolen setter sin base-emitter-kryss i omvendt forspenning, og det lave statiske feltet lar gjenværende ladningsbærere renne ut av samler-base-krysset.

applikasjoner

En applikasjon er såkalt boxcar- bytte av en Pockels-celle . Fire Marx -generatorer brukes, hver av de to elektrodene i Pockels -cellen er koblet til en positiv pulsgenerator og en negativ pulsgenerator. To generatorer med motsatt polaritet, en på hver elektrode, blir først avfyrt for å lade Pockels -cellen til en polaritet. Dette vil også delvis lade de to andre generatorene, men ikke utløse dem, fordi de bare har blitt delvis ladet på forhånd. Lekkasje gjennom Marx -motstandene må kompenseres av en liten forspenningsstrøm gjennom generatoren. I bakkanten av lastebilen blir de to andre generatorene avfyrt for å "reversere" cellen.

Marx-generatorer brukes til å levere høyspentpulser for testing av isolasjon av elektriske apparater som store transformatorer eller isolatorer som brukes til å støtte kraftoverføringsledninger. Påført spenning kan overstige to millioner volt for høyspenningsapparater.

I næringsmiddelindustrien brukes Marx -generatorer til Pulsed Electric Fields -prosessering for å indusere kuttforbedring eller tørkeakselerasjon for poteter og andre frukter og grønnsaker.

Se også

Referanser

Videre lesning

  • Bauer, G. (1. juni 1968) "A low-impedance high-voltage nanosecond pulser", Journal of Scientific Instruments , London, Storbritannia. 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. (Mai-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, California conf. 7, s. 744–746, XP000138799.
  • Turnbull, SM (1998) "Development of a High Voltage, High PRF PFN Marx Generator", Conference Record of the 1998 23. International Power Modulation Symposium , s. 213–16.

Eksterne linker