Министерство образования и науки российской федерации

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Национальный исследовательский томский политехнический университет»

Институт физики высоких технологий

Кафедра сильноточной электроники

ОТЧЁТ

по научно-исследовательской работе магистранта на тему:

Ускоритель мощных пучков ионов различных газов

наносекундного диапазона

(Генератор Аркадьева-Маркса)

Выполнил:

студент гр.­­­ _4НМ41_ _Румянцев И.Д._ _______________ 25.12.2015 г.

(ФИО) (подпись)

Проверил:

руководитель ___________ ___Ремнев Г.Е.___ __________ ______________

(должность) (ФИО) (оценка) (подпись)

25.12.2015 г.

Томск 2015

Генератор Аркадьева-Маркса – первичный импульсный накопитель высокого напряжения, в первичных накопителях с повышением напряжения конденсаторы заряжаются от источника параллельно, а разряжаются на нагрузку последовательно, что и дает повышение выходного напряжения U_вых по сравнению с зарядным напряжением U₀.

1. Схема Маркса

Наиболее распространенной схемой такого рода является схема Аркадьева-Маркса (или просто Маркса), показанная на рис. 1.

Рис. 1. Схема генератора Аркадьева-Маркса при N=5.

Схема Маркса состоит из нескольких «ступеней», основными элементами которых являются накопительные конденсаторы С1-С5, разрядники S1-S5 и зарядные резисторы R. В исходном состоянии разрядники S1-S5 разомкнуты, так что каждый из конденсаторов С1-С5 заряжается от сети до напряжения U0 через соответствующие зарядные резисторы R. После пробоя всех разрядников S1-S5 точка Т1 приобретает нулевой потенциал, точки Т2 и Т3 – потенциал «–U0», точки Т4 и Т5 – потенциал «–2U0», и т.д., точка Т10 – потенциал «–5U0». Конденсаторы С1-С5 оказываются включены последовательно, что и дает умножение выходного напряжения генератора Маркса в N раз (N – число ступеней). После пробоя разрядников S1-S5 конденсаторы C1-C5 могут разряжаться не только через нагрузку RL, но и через свои зарядные резисторы R, и чтобы этого не происходило, номинал резисторов R выбирается так, чтобы время разряда каждого конденсатора через свой зарядный резистор, RСi, намного превышало время разряда всех последовательно включенных конденсаторов через нагрузку RL, т.е. RСi >> , откуда следует требование на величину зарядных резисторов

. (1)

Обычно генераторы Маркса помещают в металлический бак, стенки которого защищают окружающую аппаратуру от электромагнитных наводок и служат обратным токопроводом схемы Маркса.

Схема на рис. 1 является простейшей, позволяющей понять сам принцип действия генератора Маркса. На ней не показаны индуктивности и активные сопротивления конденсаторов, разрядников, токопроводов и нагрузки. Реально они, конечно, присутствуют, так что после пробоя всех разрядников разрядная цепь генератора Маркса выглядит так, как показано на рис. 2.

Рис. 2. Схема Маркса на рис. 1 после пробоя всех разрядников.

Эта схема описывается уравнением цепи

,

которое при одинаковых Li, Ci и Ri принимает вид

. (2)

Уравнение (2) описывает эквивалентный RLC контур генератора Маркса, в котором емкость СЭ, индуктивность LЭ и сопротивление RЭ, определяются по правилам сложения этих элементов в последовательной цепи:

СЭ = Сi/N, LЭ = NLi+LL, RЭ = NRi+RL. (3)

Емкость CЭ носит название «ударной» емкости генератора Маркса, в эквивалентной схеме она заряжена до начального напряжения UЭ = -NU0.

Из (2) следует, что волновое сопротивление схемы на рис. 2 равно

(4)

т.е. оно по крайней мере в N раз превосходит волновое сопротивление каждой ступени генератора i= .

Временная постоянная схемы на рис. 2 определяется выражением

, (5)

при заданных LL и Li она стремится к временной постоянной отдельной ступени i с ростом N. Отсюда можно сделать ложный вывод, что с ростом числа ступеней N генератор Маркса позволяет формировать все более короткий выходной импульс. На самом деле рост N означает рост напряжения между верхними ступенями генератора и его обратным токопроводом, этот рост напряжения требует увеличения ширины зазора от ступеней до бака, что приводит к неизбежному росту индуктивности Li в верхних ступенях генератора, т.е. росту самой величины i. Такое повышение индуктивности генератора с ростом числа ступеней N является основным недостатком генератора Маркса.

Ток, протекающий в нагрузке генератора Маркса – это ток, протекающий по всем основным элементам каждой его ступени. Поэтому индуктивность и сопротивление всех его разрядников уменьшают амплитуду и увеличивают ширину импульса тока нагрузки. Это также является недостатком генератора Маркса.