Представляет интерес сооружение ускорителя высокого напряжения с использованием каскадного генератора для получения частиц, ускоренных до энергий 2—3 Мэв при токе 5—10 мА, т. е. мощностью на выходе порядка 30 кВт. Для проведения точных измерений, особенно на тонких мишенях, необходимо, чтобы энергия частиц колебалась не больше чем на 0,1—0,5%.
Работа схем каскадных генераторов в разных режимах рассмотрена многими авторами, предложившими различные расчетные формулы для описания действия схем в одинаковых режимах. Сравним результаты расчета режимов схем по разным теориям и сопоставим их с данными эксперимента. Это позволит определить преимущества и недостатки каждой схемы и правильность предложенных расчетных формул.
В табл. 3-4 для четырех схем каскадных генераторов приведены расчетные формулы, рекомендуемые различными авторами, где Icр—средний ток нагрузки; f — частота напряжения источника; п — число каскадов в схеме; С—емкость одного конденсатора; Ua — напряжение, до которого заряжается емкость каждой ступени; Uх.х — напряжение на выходе схемы в случае отсутствия нагрузки; t1—время, в течение которого конденсаторы одной колонны подзаряжают конденсаторы другой колонны.
На рис. 3-39 приведена зависимость пульсации выходного напряжения 2δU при токе нагрузки Iср=1 мА от числа ступеней п для каскадного генератора, собранного с селеновыми выпрямителями.
Число ступеней изменялось от двух до семи при частоте питающего напряжения 50 Гц.
Емкость каждого каскада составляла 1 мкф.
Кривые 1,3,4 — экспериментальные и получены Б. С. Новиковским для схем типа Кокрофта-Уолтона, симметричной и трехфазной.
Кривые 1', 2', 3', 4' построены по расчетным формулам: 1' —для схемы типа Кокрофта-Уолтона по формуле А. А Воробьева и В. С. Мелихова;
2' — для схемы с уменьшающимися емкостями ступеней по формуле А. А. Воробьева и В. С. Мелихова;
3' — для симметричной схемы по формуле Б. С. Новиковского;
4' — для трехфазной схемы по формуле С. Ф. Покровского.
Рис. 3-39. Зависимость пульсации выходного напряжения 2δU от числа каскадов п.
Таблица 3-4
Формулы для расчета различных схем каскадных генераторов
При подсчете пульсации для трехфазной схемы член
не учитывался.
На рис. 3-40 изображена зависимость падения напряжения на выходе ΔUмин от числа каскадов при токе нагрузки, равном Iср = 2 мА для тех же схем.
Кривые 1, 3, 4 — опытные, по Б. С. Новиковскому для схем типа Кокрофта-Уолтона, симметричной и трехфазной.
Кривые 1' и 1" относятся к схеме типа Кокрофта-Уолтона. Кривая 1' построена по расчетной формуле А. А. Воробьева и В. С. Мелихова; 1" — по формуле Буверса; 2— для схемы с уменьшающимися емкостями ступеней по формуле А. А. Воробьева и В. С. Мелихова.
Таблица 3-4
Кривая 3' для симметричной схемы построена по расчетной формуле Б. С. Новиковского; 4'—по формуле С. Ф. Покровского для трехфазной схемы.
Сопоставляя экспериментальные результаты с теоретическими, приходим к следующим выводам:
1. Для схемы типа Кокрофта-Уолтона лучшее совпадение опытных данных с расчетными получается при пользовании формулами А. А. Воробьева и В. С. Мелихова.
- Для симметричной схемы:
а) при подсчете пульсации напряжения формула Б. С. Новиковского дает завышенный результат, более точной является формула С. Ф. Покровского;
б) при подсчете падения напряжения рекомендуется формула Б. С. Новиковского.
- Для трехфазной схемы при подсчете падения напряжения формула Покровского дает завышенный результат.
Рис. 3-40. Зависимость минимального падения напряжения ΔUмин от числа каскадов п.
В табл. 3-5 приведены свойства четырех типов схем каскадных генераторов по рекомендуемым формулам при Icр=5 мА;
f=2 кГц; Ua=50 кВ; п=25; С=0,1 мкф, Ux.x=2n; Ua=2 500 кВ. Сравнивая данные табл. 3-5, приходим к выводам:
- Схема Кокрофта-Уолтона простейшая, но имеет большую величину пульсации и падения напряжения. Максимально допустимый средний ток нагрузки не больше тока выпрямителя.
- Схема каскадного генератора с емкостями, линейно уменьшающимися по величине по мере удаления от источника напряжения, имеет величину пульсации в 13 раз, а падения напряжения в 17 раз меньше, чем схема I. Нестандартность ступеней конденсаторов требует изготовления конденсаторов с расчетными характеристиками. Суммарная емкость схемы II при том же числе ступеней в 13 раз больше по сравнению со схемой I.
- У симметричной схемы величина пульсации в 26 раз, а падение напряжения почти в 4 раза меньше, чем у схемы I.
К недостатку симметричной схемы можно отнести увеличение числа выпрямителей в 2 раза, а конденсаторов в 1,5 раза по сравнению со схемой I.
- Трехфазная схема сложнее симметричной и имеет большее число конденсаторов и выпрямителей при меньшей стабильности напряжения.
Основное преимущество трехфазной схемы — возможность получения максимально допустимого среднего тока нагрузки, в 3 раза большего, чем в схеме I.
М. Л. Баскин предложил метод расчета каскадного генератора с учетом падения напряжения в конденсаторах, выпрямителях, трансформаторе и соединительной штанге, заключающийся в том, что каскадный генератор рассматривается как соединение ряда однополупериодных выпрямительных контуров. В каждый контур входит один выпрямитель и соответствующий конденсатор.
Ток проходит последовательно через все контуры. Отсюда минимальная величина падения напряжения ΔUмин равна сумме падений напряжений на всех выпрямительных контурах, т. е. равна сумме падений напряжений, вызываемых всеми внутренними сопротивлениями
где
— падения напряжения на сопротивлениях трансформатора, конденсаторов, выпрямителей
и соединительной шганги (вместе с их дополнительными сопротивлениями).
Падение напряжения внутри схемы, вызываемое любым внутренним сопротивлением, равно произведению величины этого сопротивления па максимальное значение проходящего тока, умноженного на к. В простейшем случае к равно числу контуров, в которые входит данное сопротивление
