Практически каскадные генераторы были первыми установками постоянного тока сверхвысокого напряжения.
На рис. 3-50 представлен общий вил девятикаскадного генератора. Он даст ток 5 мА при 2 000 кВ постоянного напряжения, имеющего в зависимости от включения выпрямителей положительную или отрицательную полярность по отношению к земле. Общая строительная высота этого генератора составляет 6,25 м, вес 1 500 кг.
Рис. 3-50. Девятикаскадный генератор на 2 Мв.
Высоту помещения для установки генератора на 2 000 кВ (отрицательной полярности) оказалось достаточно взять равной 9 м. Так как между потолком и верхней точкой установки оставалось расстояние всего около 3 м, то для предупреждения разряда приходилось натягивать бумажный барьер. Четыре колонны, составленные из конденсаторов, сверху имеют экранирующие электроды, находящиеся под высоким напряжением. Эти электроды выравнивают распределение пульсирующего напряжения по высоте колонн и понижают напряженность электрического поля вдоль расположенных ниже частей конструкции. Между колоннами зигзагообразно укреплены выпрямители и трансформаторы для накала катодов выпрямителей.
На переднем плане видны измерительные шары и сдвоенная изолирующая колонна, содержащая высокоомное сопротивление, равное приблизительно 2 000 Мом. Это сопротивление предназначено для измерения высокого напряжения. Между генератором и измерительным сопротивлением горизонтально расположено успокоительное сопротивление, величина которого составляет приблизительно 5 Мом.
Генератор имеет 18 выпрямителей на напряжение 225 кВ каждый и емкости, уменьшающиеся по направлению снизу вверх от величины 0,09 до 0,01 мкф. Рациональность этого можно поставить под сомнение, так как выше было показано, что применение емкостей неодинаковой величины не дает большого эффекта. Переменное напряжение подается от трансформатора с напряжением 120 кВ. Первичное напряжение, имеющее частоту 200 Гц, получается от двигатель-генератора. Возбуждение генератора, питающего установку, имеет ступенчатую регулировку, соответственно и получаемое напряжение меняется ступенями. При заданных значениях емкостей падение напряжения на установке составляет около 40 кВ/мА, а пульсация напряжения установки около 5 кВ/мА.
Установка с шестью каскадами на напряжение 1 250 кВ находится в работе с 1937 г. в Кавендишской —в Кембридже. Этот каскадный генератор имеет высоту 5,5 м, горизонтальное успокоительное сопротивление 5 Мом и измерительное сопротивление около 1 000 Мом.
Существенные технические трудности представляет накал катодов выпрямителей.
Рис. 3-51. Электрическая схема каскадного генератора.
Как видно из электрической схемы каскадного генератора, изображенной на рис. 3-51, выпрямители имеют высокий потенциал относительно земли. Небольшая мощность, требуемая для накала катода газотрона, составляющая около 8 вт, позволяет подводить ее с помощью высокой частоты по цепочке емкостей. Накаливание катодов кенотронов также производят токами высокой частоты, хотя для этого требуется значительная мощность. В каскадных генераторах для накала катодов употреблялись также аккумуляторы, расположенные в металлических коробках с закругленными краями.
В 1933 г. было осуществлено накаливание катодов с помощью небольших генераторов, ротор которых соединялся с двигателем посредством изолирующего вала. Такой способ питания нитей накала для аппаратов с малым числом выпрямителей являлся весьма нелесообразным. Таким образом, осуществляется накаливание катодов четырех выпрямителей в рентгеновских установках па напряжение 400 кВ и в установках на минимальное напряжение относительно земли 1 5(Х) кВ при обшей высоте установки 7 м. Вращающиеся валы помешены внутри цилиндрических конденсаторов из бакелизированной бумаги.
Рис. 3-52. Размещение каскадного генератора на
1 500 кВ.
КГ — каскадный генератор; УТ — ускорительная трубка; М— откидной мост; А—аппаратная; КУ—комната управления.
В установке применены кенотроны, напряжение обратного зажигания которых 400 кВ.
В 1952 г. было опубликовано описание каскадного семиступенчатого генератора на 1 500 кВ, установленного в Физическом институте в Стокгольме. Для накала катодов кенотронов здесь применены генераторы переменного тока.
Авторы считают напряжение 1 500 кВ практически максимально возможным для установок такого типа, работающих при атмосферном давлении.
Размещение генератора и ускорительной трубки в специальном помещении видно на рис. 3-52. Наименьшее расстояние верхнего электрода от заземленной поверхности составляет 270 см. Следовательно, средний рабочий градиент по воздуху равняется 5,55 кВ/см. Наименьший радиус кривизны верхних экранирующих поверхностей взят равным 50 см.
На рис. 3-53 изображена электрическая схема каскадного генератора. Трансформатор Тр получает питание от
генератора напряжения с частотой 500 Гц. Напряжение на генераторе Г регулируется л пределах от 0 до 1 200 В. Обмотка низкого напряжения трансформатора Гр потребляет ток 15 а при напряжении 1 200 В; на стороне высокого напряжения получается 71 кВ при токе 0,14 а.
Рис. 3-53. Электрическая схема каскадного генератора тока и схема размещения генератора накала ГН и двигателей Д.
Величина емкости конденсаторов ступени взята 0,08 мкф, кроме первого от трансформатора, емкость которого составляет 0,17 мкф. Максимальное напряжение на каждой ступени принято 230 кВ. Величина падения напряжения внутри генератора, определенная вычислением, получилась равной 6 кВ/мА. Вычисленная величина пульсации напряжения определена в 0,7 кВ/мА, фактически же измеренная пульсация составляет 2 кВ/мА.
Конструктивно каждая ступень генератора состоит из четырех фарфоровых ребристых цилиндров, установленных параллельно. Изоляторы заполнены маслом и с обеих сторон закрываются силуминовыми плитами с резиновыми уплотнениями. Внутренний диаметр изолятора составляет 300 мм, высота 730 мм. На крышке конденсаторов укрепляются генераторы переменного тока для накала катодов кенотронов. Стыки конденсаторов окружаются экранами. Экраны выравнивают распределение падения напряжения вдоль опорной колонны. Наименьший радиус кривизны экранирующей поверхности составляет 210 мм.
В каждом цилиндре размещается конденсатор емкостью 40 000 пф. Таким образом, образуются четыре несущие колонны генератора. Продольный средний градиент потенциала по опорной фарфоровой колонне равен 3,15 кВ/см. Высота каждой ступени, включая и электроды, выравнивающие поле (экраны), составляет 875 мм.
Генераторы накала двух групп выпрямителей приводятся во вращение двумя отдельными валами — фарфоровыми колоннами, расположенными между конденсаторными колоннами. Один из приводных валов сообщает также движение генератору переменного тока на 220 В и мощностью 1 ква. Генератор располагается в верхнем электроде и служит для питания источника ионов.
На рис. 3-54 показан участок вертикально установленного приводного вала 1 к генераторам накала 5. Последние крепятся на раме 6, которая устанавливается на силуминовой крышке конденсатора. На рис. 3-54 отмечен участок приводного вала, размещающийся внутри экранов 2. Для предотвращения образования крутильных колебаний в разных участках приводной оси удачной оказалась конструкция с применением резиновых прокладок 3; 4—клиноременная передача.
На рис. 3-55 изображена схема устройства ускорительной трубки для тяжелых ионов, колонны делителя напряжения 1 и измерительного сопротивления 2. Соединения между фарфоровыми рубашками выполнены с помощью силуминовых фланцев. В ускорительной трубке поддерживается необходимый для ускорения ионов высокий вакуум. Колонна, содержащая сопротивления, также состоит из семи отдельных фарфоровых изоляторов, заполненных маслом. Через силуминовые крышки провод к сопротивлению вводится через фарфоровые изоляторы на рабочее напряжение приблизительно 30 кВ. На рис. 3-55 видны детали оборудования, необходимые для работы ускорительной трубки: 3— генератор на 220 В, мощностью 1 кВт, вал которого приводится во вращение от общего привода с помощью ремня, который движется внутри фарфоровой трубы (расстояние между шкивами составляет 4 м.); 4 —осушитель; 5 — игольчатый вентиль; 6— ввод на 20 кВ; 7 — источник ионов; 8 — ввод на 5 кВ; 9— высокочастотная катушка; 10 — линза зонда; 11 — фокусирующая линза; 12 — ускорительный промежуток; 13 — вентиль; 14 — указатель луча; 15 — магнит; 16 — щели; 17 — мишень; 18— детектор и измерительное сопротивление, равное 3 400 Мом.
Рис. 3-55. Схема устройства ускорительной трубки, делителя напряжения и измерительного сопротивления к семиступенчатому каскадному генератору.
Сопротивление также состоит из семи частей, каждая из которых образована из 40 угольных сопротивлений. Величина каждого сопротивления равняется 10 Мом. Оно рассчитано на мощность 2 вт. Сопротивления имеют отрицательный температурный коэффициент, равный 4-10"4 на ГС.
Рис. 3-54. Секция вертикальной оси приводного вала.
В каскадных генераторах при большом числе выпрямителей применение высокой частоты для накала катодов имеет свои положительные стороны. К их числу следует
отнести бесшумность, устранение сложных дополнительных устройств, например вращающихся валов и ряда других деталей, столь нежелательных в высоковольтных установках.
Применяя высокую частоту для накаливания катодов выпрямителей, используют то обстоятельство, что высокочастотный ток проводится вдоль цепочки последовательно соединенных конденсаторов каскадного генератора. Для накаливания нити выпрямителя в цепь конденсаторов включается маленький трансформатор высокой частоты, питающий нить.
Этот способ всегда можно применять там, где требуется небольшая мощность и катод находится под высоким потенциалом. В схеме каскадного генератора, приведенной на рис. 3-51, высокочастотный ламповый генератор ГВЧ с выходной мощностью 250 Вт и частотой 500 кГц одним полюсом с помощью связующего элемента В1 приключается к левому ряду конденсаторов, а другим — непосредственно к правому. Оба конденсаторных ряда замыкаются посредством участка цепи В2В1 и представляют собой резонансные фильтры, запирающие путь току рабочей частоты. Между двумя конденсаторами последовательно включается высокочастотный автотрансформатор Тр, преобразующий ток 0,7 а, протекающий в конденсаторной цепи, в ток 3,6 а в цепи накала катода. В цепи накала катода включены емкости, компенсирующие индуктивности, вследствие чего в цепи протекает только активный ток. Параллельно автотрансформатору Тр включается искровой разрядник, ограничивающий амплитуду перенапряжений. Для того чтобы избежать короткого замыкания токов высокой частоты через вентили, последовательно с выпрямителем включаются ограничивающие зарядные сопротивления R=20 000 Ом.
С целью уменьшения сопротивления контура накала току высокой частоты последовательно с нитью включают конденсаторы С'. Величину емкости конденсаторов выбирают таким образом, чтобы вместе с автотрансформатором накала Тр и нитью накала образовался контур, настроенный в резонанс на частоту 5·105 Гц.
В каскадных генераторах в качестве выпрямителей удобно брать газотроны с оксидированными катодами. Экономия энергии на накал катодов газотронов достигает 90% по сравнению с кенотронами, имеющими вольфрамовую нить. Это и дает возможность подводить энергию, необходимую для накала катода с помощью токов высокой частоты.
Построен каскадный генератор на 500 кВ с применением селеновых выпрямителей. Этот генератор состоит из 22 ступеней. В нем используются конденсаторы емкостью 1 мкф и рабочим напряжением 25 кВ. Генератор питается от источника переменного напряжения 9 кВ при частоте 750 Гц.
Так как в данном генераторе используются конденсаторы большой емкости и высокая частота питающего напряжения, то пульсация напряжения на выходе получается менее 0,2%. Указывается, что можно увеличить число ступеней генератора до 44, повысив тем самым напряжение на выходе до 1 000 кВ.
Применение селеновых выпрямителей устраняет трудности, связанные с питанием нитей накала выпрямителей в таких генераторах. Генератор предназначен для питания линейного ускорителя заряженных частиц. Линейный электростатический ускоритель состоит из ряда ускорительных промежутков, образованных пустотелыми цилиндрическими электродами. Ускоряемые частицы движутся по оси этого устройства. Приращение скорости в каждом ускорительном промежутке пропорционально величине разности потенциалов, подведенной к этому зазору. Испытав многократное повторное ускорение, частицы затем направляются на мишень. В результате торможения частиц в мишени возникает жесткое рентгеновское излучение.
Применение каскадного генератора для питания ускорителя удобно, так как большое число ступеней позволяет использовать большое число электродов в ускорительной трубке. Напряжение на ускорительные промежутки подается от соответствующих ступеней каскадного генератора. Вследствие небольшой разности потенциалов между электродами устраняется коронирование и облегчаются требования к их изоляции.
Построенный генератор способен давать ток на выходе до 2 мА. Ускоритель, питаемый таким током, будет давать излучение очень большой мощности.
В энергетическом институте АН СССР В. И. Попковым были разработаны схемы и построены генераторы с высокочастотным накалом кенотронов, представляющие значительный практический интерес. На рис. 3-56 изображена электрическая схема этой установки. Для питания нити накала каждого кенотрона Κ1, Κ1', К2, К'2 и т. д. требуется 80—100 Вт. Подвод мощности представляет известные трудности, значительно большие, чем подвод меньшей мощности, необходимой для накала нитей газотронов.
Применение в данном случае аккумуляторов или машин малой мощности, приводимых во вращение с помощью изолирующих валов, оказывается малоприемлемым.
Рис. 3-56. Электрическая схема четырехкаскадного генератора на +- 600 кВ.
Питание нити накала через систему разделительных трансформаторов практически приводит к большим трудностям вследствие больших размеров и высокой стоимости этих узлов. На рис. 3-56 видно, что, замкнув цепи рабочих емкостей С1-С4 и С'1-С'4 с помощью емкости С6, получаем последовательно соединенную систему. По этой цепи, применяя достаточно высокую частоту напряжения, можно передать мощность, необходимую для накала нити кенотрона. Высокочастотные трансформаторы накала включаются при этом последовательно с рабочими конденсаторами.
Силовой трансформатор Tp1, питающий схему, и генератор высокой частоты ГВЧ включены параллельно на общую зарядную шину ЗШ. Индуктивность L' рассчитывается на запирание высокой частоты, а емкость С5 ограничивает ток рабочей частоты, текущий через ГВЧ. Последовательно с емкостями С5 и С6 включаются соответственно индуктивности L5 и L6. Настроив участки цепи L5 и С5, а также L6 и С6 в резонанс на частоту тока цепи накала, добиваются уменьшения падения напряжения на этих участках.
При выборе частоты и величины тока в первичной обмотке трансформаторов Тн следует учитывать ряд обстоятельств. Увеличение применяемой частоты дает возможность значительно сократить размеры и упростить конструкцию конденсаторов С5 и С6, трансформаторов Тн, индуктивностей L' и L". С другой стороны, повышение частоты ведет к увеличению потерь на излучение и необходимости экранирования, увеличению утечки тока через паразитные емкости, нарушению симметрии в распределении падения напряжения за счет утечки и необходимости настройки цепи по участкам. В описываемой установке была применена частота тока 396 кГц.
При выборе величины тока в первичной цепи трансформатора Тн необходимо иметь в виду, что увеличение тока сопряжено с увеличением потерь мощности в обмотках и изоляции, а при малой величине тока увеличится напряжение на изоляции. В установке, описанной В. И. Попковым, величина тока рекомендуется 0,5—1 а.
Наличие емкости Сн во вторичной обмотке каждого трансформатора позволяет настроить его на резонанс напряжения в каждой первичной обмотке трансформатора Тн. Настройка производится при подключенной нити накала. Указывается, что параметры нити накала кенотрона при высокой частоте отличны от таковых при частоте 50 Гц. Например, при нормальном накале на частоте 396 кГц напряжение на нити кенотрона КР-220 почти вдвое превосходит номинальное.
При питании от одного высокочастотного генератора двух параллельных цепей накала катодов кенотронов возникает важная задача регулирования тока накала в обеих цепях. Это достигается с помощью последовательно включаемой индуктивности L1. Ограничение токов высокой частоты на испытуемый объект достигается путем включения индуктивности L".
В построенной установке с 16 кенотронами общий к.п.д. всей цепи накала — отношение мощности, потребляемой кенотронами, к мощности, потребляемой генератором высокой частоты, составляет около 50%. В. И. Попков отмечает особенность каскадного генератора с высокочастотным питанием нитей накала кенотронов.
Рис. 3-57. Схема размещения каскадного генератора на 5 000 кВ, 4 мА.
1 — генератор; 2 —ускорительная трубка; 3 — делитель напряжения.
Рис. 3-58. Зависимость к.п.д. десятиступенчатого каскадного генератора на 1 500 кВ от тока нагрузки.
Вследствие выпрямления кенотронами и умножения напряжения высокой частоты на выходе схемы появляются небольшое постоянное напряжение при включении только цепи накала и отключенном высоковольтном трансформаторе.
Сократить размеры установки можно, поместив ее в камеру, наполненную сжатым газом под давлением или маслом.
На рис. 3-57 приведена схема размещения каскадного генератора на 5 000 кВ. Генератор помещается в грушевидной камере при давлении воздуха 3 ат. Высота установки 10 м, камеры 15 м.
Помимо схем и конструкций, рассмотренных выше, возможны и другие схемы каскадных генераторов.
Рис. 3-59. Электрическая схема каскадного генератора с импульсным питанием.
В настоящее время каскадные генераторы представляют собой сравнительно мощные источники постоянного тока с напряжением выше 1 000 кВ. На рис. 3-58 приведена зависимость к. п. д. генератора от тока, потребляемого нагрузкой, для десятиступенчатого каскадного генератора, работающего на частоте 500 Гц и дающего постоянное напряжение 1500 кВ. При построении графика учтена вся потребляемая энергия, включая и мощность цепей накала выпрямителей, доля которой с увеличением мощности установки будет уменьшаться.
Возможно осуществить питание каскадного генератора короткими импульсами напряжения, повторяющимися периодически через более или менее значительные промежутки времени. Импульсы напряжения могут, в частности, сниматься с индуктивности при прерывании тока, протекающего через нее. Управление током через индуктивность может осуществляться электронной лампой, обладающей достаточной мощностью. На управляющую сетку этой лампы (рис. 3-59), запертой большим отрицательным смещением на сетке, от задающего генератора подаются положительные пилообразные импульсы напряжения. Импульсы имеют пологий фронт и короткий хвост. При постепенном нарастании положительного напряжения на управляющей сетке возникает ток через лампу и последовательно включенную индуктивность. После резкого обрыва тока на индуктивности, образующей с паразитными емкостями колебательный контур, возникает переменное затухающее напряжение. Максимальная амплитуда этого напряжения может быть определена из уравнения
Рис. 3-60. Изменение напряжения и тока в катушке индуктивности, питающей каскадный генератор импульсами тока.
ίа—значение тока через лампу и индуктивность в момент запирания лампы. Если например, ίа= 120 мА, La=0,5 гн и Са=50 пф, то Uа=12 кВ.
С индуктивности это напряжение может быть подано на первую ступень каскадного генератора. Вследствие весьма сильного шунтирования каскадным генератором колебательного контура колебания будут сильно затухающими и практически могут быть использованы только две первые полуволны напряжения.
На рис. 3-60 показано изменение напряжения и тока в катушке индуктивности, питающей каскадный генератор импульсами тока. Как видно из этого рисунка, вершины двух первых полуволн синусоиды, обозначенные пунктиром, срезаются. Это происходит вследствие возникновения в этот момент зарядного тока конденсаторов каскадного генератора. Энергия, запасенная в магнитном поле индуктивности, передается генератору, и напряжение на емкости Са в это время почти не растет.
Таким образом, каскадный генератор получит от индуктивности два кратковременных импульса тока разной полярности. Однако частота повторения импульсов определяется частотой повторения пилообразных импульсов на управляющей сетке лампы и может быть взята достаточно большой. Поэтому и пульсации напряжения на выходе каскадного генератора будут невелики.
Подобная схема нашла себе применение в телевизионных приемниках для подачи высокого напряжения на телевизионную трубку. Выходное напряжение построенного генератора составляет 25 кВ при токе 100—150 мА. Каскадный генератор состоит из трех каскадов, собранных на миниатюрных выпрямителях и конденсаторах. Питание накала катодов вентилей осуществляется тем же импульсным напряжением, которое снимается с индуктивности. Частота повторения пилообразных импульсов равна 100 Гц. Все части этого миниатюрного каскадного генератора помещены в общий кожух и залиты маслом. Площадь, занимаемая установкой, составляет около 160 см2, а высота ее — около 18 см.
Интересной особенностью установки является наличие автоматического регулирования напряжения, осуществляемого путем изменения отрицательного смещения на управляющей сетке лампы. Действительно, при изменении величины отрицательного смещения изменяется и величина максимального тока через лампу и индуктивность, а это приведет к изменению напряжения на выходе схемы.
Путем использования автоматической регулировки напряжения можно значительно уменьшить внутреннее сопротивление генератора.
Можно ожидать, что подобная схема найдет себе применение и в установках, рассчитанных на более высокое напряжение.
