Каскадные генераторы

Каскадные генераторы являются одними из самых распространенных высоковольтных генераторов для питания ускорителей прямого действия. Ускорители с каскадным генератором выпускаются как для работы на открытом воздухе, так и для установок в сжатом газе. В первом случае энергия их не превышает 1 Мэв, во втором достигает 4 Мэв. Это относится только к каскадным генераторам, питающим ускорительные трубки, т. е. к комплексным ускорителям, и не имеет отношения к каскадным генераторам, предназначенным для испытания высоковольтной аппаратуры и других промышленных целей.

В ускорителях нет необходимости выводить наружу высокое напряжение. Нагрузка генератора высокого напряжения — ускорительная трубка — помещается рядом с ним, внутри бака, а на­ружу выводится только пучок ускоренных частиц. Поэтому не имеет смысла выполнять ускоритель прямого действия на открытом, воздухе при напряжении свыше 1 млн. в.

Общин принцип действия каскадных генераторов всех типов весьма прост. Каскадные генераторы представляют собой системы конденсаторов, зарядка которых происходит от источника низкого напряжения, а разрядка — на нагрузку при последовательном соединении. Общее напряжение каскадного генератора равно сумме напряжений каждого конденсатора в отдельности.

Наиболее простая схема каскадного генератора, так называе­мого генератора импульсного напряжения (ГИН), предложена Аркадьевым в 1916 г. и разработана Марксом в 1928 г. (рис. 22).

Рис. 22. Схема генератора импульсного напряжения

Здесь конденсаторы C₁, C₂, С₃, С₄ заряжаются параллельно от источника постоянного напряжения. Разрядники К₁, К₂, К₃ отрегулированы таким образом, что при подъеме напряжения на каждом конденсаторе до максимальной величины они пробиваются. Сопротивление образовавшейся при этом электрической цепи значительно меньше, чем сопротивления R, и все конденсаторы кас­кадных генераторов оказываются соединенными последовательно через разрядники. Полное напряжение схемы здесь равно сумме напряжений на отдельных конденсаторах. Схема в таком первоначальном виде неприменима для питания ускорителей. Импульс тока здесь очень короткий, примерно 10^-5 с, и весьма нестабильный. Ток разряда и величина напряжения от импульса к импульсу колеблются очень сильно.

Наиболее распространенной для ускорителей является так называемая схема Кокрофта-Уолтона. Обычно название «каскадный генератор» относится именно к этой схеме или к ее модификациям. Основная схема Кокрофта-Уолтона представлена на рис. 23.

Она дает постоянное напряжение в отличие от описанного выше ГИН. Каскадный генератор состоит из двух конденсаторных колонн: основной С₁,С₂,С₃ и т. д. и вспомогательной С₁,С₂,С₃ и т. д. и системы вентилей, с помощью которых происходит заряд конденсаторов.

Если напряжение на каждом конденсаторе U₁ и n – число последовательно соединённых конденсаторов основной колонны (число каскадов), то полное напряжение каскадного генератора:

U=nU₁

Для уменьшения числа каскадов напряжение U_\ должно быть мак­симальным, поэтому и конденсаторам и вентилям предъявляются очень высокие требования.

Рис. 23. Классическая схема Кокрофта-Уолтона

Габариты каскадных генераторов определяются ка­чеством и параметрами конденсаторов и вентилей. При установке в сжатом газе длина ускорительной трубки и самого каскадного генератора должна быть, из конструктивных соображении, одина­ковой. Параметры конденсаторов и вентилей в настоящее время таковы, что длина ycкорительной трубки определяется не проч­ностью самой трубки, а габаритами генератора высокого напряже­ния. Сила тока каскадного генератора определяется также пара­метрами конденсаторно-вентильной системы, емкостью конденса­торов и мощностью вентилей. При современном состоянии техники разумные размеры каскадных генераторов получаются при токе порядка нескольких десятков миллиампер.

Принцип действия каскадного генератора. При включении машины к течение первого полуцикла переменного тока, полученного от трансформатора Т, заряжается конденсатор С₁; при втором — от С₁ и трансформатора заряжается конденсатор С₁, затем от С₁ – С₂, и т. д. Через несколько циклов все конденса­торы системы оказываются заряженными до полного напряже­ния и последующая зарядка их связана только с необходи­мостью компенсировать рабочий ток ускорительной трубки и ток утечки.

В настоящее время в большинстве случаев применяется усо­вершенствованная схема Кокрофта-Уолтона — так называемая симметричная схема умножения напряжения (рис.24.).

Рис. 24. Симметричная схема каскадного генератора

Здесь имеются три конденсаторные колонны, следовательно, число кон­денсаторов по сравнению с обычной схемой возрастает в полтора раза, число вентилей увеличивается в два раза. Несмотря на это, симметричная система умножения предпочтительнее первоначаль­ной схемы по следующим соображениям.

Одним из основных не­достатков каскадных генераторов является большая величина падения напряжения, резко возрастающая с увеличением числа каскадов. Для основной схемы Кокрофта—Уолтона падение на­пряжения

, В

где I — ток каскадного генератора, А;

f — частота переменного тока, питающего генератор, Гц;

С — емкость каждого конденса­тора, Ф.

Существуют и другие варианты этой формулы, но во всех них основным членом выражения является . Можно приближенно считать, что падение напряжения в генераторе растет пропорциональ­но кубу числа каскадов. Для сим­метричной схемы, представленной на рис. 24, это падение напряжения составит:

В

Во всех вариантах этой формулы имеется член , который в че­тыре раза меньше, чем соответствующее слагаемое в формуле для основной схемы. Практически в это же число раз здесь меньше падение напряжения. Частота перемен­ного тока, питающего каскадный генератор через трансформатор, в приведенных формулах входит в знаменатель обратно пропор­ционально частоте тока. Поэтому для снижения падения напря­жения целесообразно увеличивать частоту переменного тока. Практически для каскадных генераторов чаще всего применяется частота f = 10 кГц. Дальнейшее увеличение частоты нецелесо­образно, так как это сильно усложняет работу схемы. При более высокой частоте существенную роль играют различного рода паразитные емкости, затрудняется настройка схемы, ста­новится невозможным применение твердых выпрямителей (осо­бенно селеновых).

Полное напряжение генератора растет пропорционально числу каскадов, а падение напряжения — пропорционально кубу числа каскадов. Таким образом, число каскадов не может быть увели­чено безгранично. При каком-то большом количестве каскадов дальнейшее увеличение их числа привело бы не к повышению, а к снижению общего напряжения установки, поэтому существует некоторое оптимальное значение числа каскадов при данном напряжении каждого из них. Это оптимальное значение для обыч­ной схемы Кокрофта-Уолтона:

а для симметричной схемы:

,

здесь U₁ — напряжение на каждом каскаде.

В симметричной схеме число каскадов может быть выбрано в два раза большим, чем в первоначальной схеме, т. е. по симме­тричной схеме может быть построена машина на более высокое ра­бочее напряжение. Для обычных параметров, типичных для каскадных генераторов, оптимальное число каскадов несимметричной схемы порядка 30 и симметричной — порядка 60.

Вторым существенным недостатком каскадных генераторов является значительная пульсация выпрямленного напряжения, которая приводит к ряду нежелательных последствий: дефокуси­ровке пучка, его нестабильности, а при известных условиях делает экспериментальную работу невозможной. Для большинства работ в области ядерной физики, особенно при работе с тонкими мише­нями, нужна стабильность энергии ускоренных частиц не менее чем 0,1…0,05 %. Пульсация напряжения не должна превышать этих значений.

Пульсация напряжения в обычной несимметричной схеме:

В,

в симметричной:

В

Существуют и другие модификации основной схемы, например трехфазные схемы, схема с постепенным уменьшением емкости каскадов и др. Однако они распространены значительно меньше и здесь не рассматриваются.

Отметим некоторые главные особенности каскадных гене­раторов.

Конструкция их усложнена целым рядом устройств и схем, которые могут быть рассмотрены лишь при детальном изучении машин этого типа. Применяются, например, специальные индук­тивности для компенсации паразитных емкостей и другие устрой­ства.

Очень сложными системами управления каскадными генера­торами являются системы подавления пульсации и системы стабилизации напряжения с необходимой степенью точности.