Схематическое устройство электростатического генератора с движущейся лентой представлено на рис. 2-19. На двух шкивах 1 и 2 натянута бесконечная лента 3 из изолирующего материала, которая приводится в движение вращением нижнего шкива. Зарядное устройство 4 располагается у нижнего заземленного шкива, выполняющего роль индуктора. Верхний шкив выполняет роль индуктора разрядного устройства. Ионизаторы представляют собой металлические гребенки. Лента переносит заряды на электрод (кондуктор 5), который расположен над верхним шкивом и поддерживается изолирующими колоннами. С кондуктором соединен ионизатор разрядного устройства 6.
Рис. 2-19. Схема электростатического генератора с лентой.
По мере движения ленты к кондуктору заряды, находящиеся на ней, будут подвергаться все большему действию электрического поля электрода. На перемещение заряженной ленты в электрическом поле кондуктора затрачивается работа, которая превращается в энергию электрического поля кондуктора. Подводя непрерывно заряды к внутренней поверхности электрода, можно зарядить его до высокого напряжения.
Как было отмечено в § 2-6, плотность зарядов σ на ленте определяется диэлектрической проницаемостью ε изолирующей среды, окружающей ленту, и максимальной величиной нормальной составляющей вектора напряженности электрического поля Еп, как σ=εΕп. Для того чтобы повысить плотность зарядов на ленте, применяют изолирующие среды с высокой электрической прочностью. Генераторы, у которых в качестве изоляции пытались использовать вакуум, имеющий более высокую электрическую прочность, чем воздух при атмосферном давлении, практического распространения не получили ввиду трудностей, возникающих при эксплуатации. Повышая давление воздуха, окружающего электростатический генератор, удалось значительно увеличить плотность зарядов на ленте и напряжение ЭСГ, не увеличивая размеров генератора. Применяя в качестве наполнителей электростатических генераторов газы с высокой электрической прочностью под давлением 10—20 ати, нашли, что размеры ЭСГ на одно и то же напряжение линейно уменьшаются с увеличением электрической прочности среды, а объем генератора изменяется обратно пропорционально кубу электрической прочности. Использование сжатого газа в качестве наполнителя ЭСГ позволило, например, поднять напряжение генератора с 1 до 2,5 Мв при высоте его, вдвое меньшей, чем высота ЭСГ, установленного на открытом воздухе. Наличие неравномерных электрических полей в ЭСГ приводит к тому, что мощность электростатических генераторов с лентой будет увеличиваться медленнее, чем растет электрическая прочность среды, в которой работает установка.
В связи с вышеизложенным, начиная с 1937 г., электростатические генераторы с лентой стали помещать в атмосферу газов с высокой электрической прочностью при избыточном давлении от 10 до 30 ати. За годы второй мировой войны только в США было построено 35 таких электростатических генераторов, причем подобные ЭСГ были компактны, эффективны и давали напряжение до 2 Мв.
При постоянном напряжении индуктора плотность зарядов на ленте в первом приближении практически не будет изменяться с течением времени. В том случае, если возникнет ионизация газа, окружающего ленту, он становится проводящим, и поверхность ленты может в короткое время разрядиться или даже перезарядиться. Плотность зарядов на ленте можно повысить, увеличивая напряжение на индукторе. Однако интенсивная ионизация газа, окружающего ленту, вызывает образование скользящих разрядов по поверхности ленты, которые разрушают ее. В электростатических генераторах, работающих в воздухе при атмосферном давлении, вследствие умеренной плотности зарядов на ленте и хорошей вентиляции эффект разрушительного действия короны на ленту пренебрежимо мал. В сжатых газах из-за сравнительно высокой плотности зарядов на ленте увеличивается разрушительное действие короны. Поэтому в ленточных ЭСГ плотность тока
на ленте значительно ограничивается. Так, в одной маши не, построенной в США, при нормальных условиях работы плотность зарядов на ленте составляла одну десятую теоретической «максимальной плотности.
Для ЭСГ, работающих в воздухе при атмосферном давлении, найдено, что теоретическое значение
σ=2,7·10-9 к/см2 при ε=8,85·10-14 ф/см и Еп=3·104 в/см. У генераторов, помещенных в сжатый газ с высокой электрической прочностью, за счет увеличения Еп плотность зарядов на ленте должна была бы быть по крайней мере на порядок больше, чем у генераторов, работающих в воздухе нормального давления. Практические значения плотности зарядов на ленте обычно составляют 60% найденных теоретически. Расчетное значение σ для генераторов под давлением можно принять равным 5—6 · 10-9 к/см2.
Во многих электростатических генераторах с лентой на средние напряжения ширина ленты b=40 см. Для уменьшения механического износа и потерь за счет трения скорость движения ленты ограничивают и часто берут равной 20 м/сек. При этих значениях b и υ приток заряженных частиц к высоковольтному электроду ЭСГ, работающему в воздухе при атмосферном давлении, будет ≤200·10-6а= 200 мка. У ленточных электростатических генераторов, работающих в сжатых газах высокой электрической прочности за счет повышенной плотности зарядов на ленте, зарядный ток должен был быть на порядок больше. Возникающая вследствие краевого эффекта неравномерность электрического поля вызывает повышение напряженности поля у краев ленты. Поэтому в действительности удается достичь едва половины теоретического значения зарядного тока, который для генератора под давлением не превышает 500—800 мка.
Изменение напряжения на кондукторе со временем определяется притоком к нему заряженных частиц
Зная емкость С кондуктора по отношению к земле, можно определить приращение напряжения на высоковольтном электроде в единицу времени. В электростатических генераторах, работающих в воздухе при атмосферном давлении, их емкость обычно равна нескольким сотням пикофарад. Приращение потенциала на электроде высокого напряжения достигает миллиона вольт в секунду. Полученная величина изменения напряжения кондуктора со временем вполне приемлема для ЭСГ, помещенных в сжатый газ, так как отношение
для них остается приблизительно тем же самым.
В любой момент времени потенциал кондуктора определяется из условия
где Q—заряд на кондукторе поверхности S.
Потенциал кондуктора электростатического генератора без нагрузки при непрерывном подводе зарядов растет до тех пор, пока утечка тока по изоляции и потери на коронирование частей установки, находящихся под высоким напряжением, не сделаются равными зарядному току.
При появлении зарядов на кондукторе возникает электрическое поле, тангенциальная по отношению к ленте составляющая которого уменьшается по мере удаления от кондуктора. Поэтому максимальное напряжение генератора зависит от размеров кондуктора, формы электрического поля, образуемого кондуктором и сосудом (котлом), в котором располагается ЭСГ, и от величины электрической прочности среды, окружающей генератор. Лучшей формой для электрода высокого напряжения является шаровая. Шар радиусом R можно зарядить до потенциала U2=ER, где Е—напряженность поля на его поверхности. Конечные размеры кондуктора ограничивают напряжение генератора. Если кондуктор расположен внутри другого шара большего диаметра (генератор под давлением), то в соответствии с расчетами для образовавшегося сферического конденсатора минимальная напряженность электрического поля на поверхности кондуктора будет в том случае, если внутренний диаметр наружной сферы будет в 2 раза больше диаметра кондуктора.
Для выравнивания электрического поля между кондуктором и котлом предложено применять систему концентрических электродов-экранов, подсоединенных к соответствующим эквипотенциальным кольцам (рис. 2-20). Экраны, представляющие собой алюминиевые цилиндры, устанавливаются на изоляторах коаксиально с изолирующей колонной и электродом. Вследствие того, что экраны находятся в электрическом поле кондуктора, изменение потенциала электрода сопровождается пропорциональным изменением потенциала экранов. Радиусы и потенциалы экранов должны находиться в таком соотношении, чтобы градиенты напряжения для всех промежутков были одинаковыми, т. е.
где r1,..., rn — радиусы промежуточных экранов.
Рассматриваемый электростатический генератор имеет постороннее возбуждение. Однако ЭСГ может работать и без постороннего источника зарядов: лента при трении о шкив из диэлектрика будет заряжаться (генератор с самовозбуждением). Если диэлектрическая проницаемость шкива, с которым она находится в контакте, меньше, чем диэлектрическая проницаемость ленты, то лента будет получать отрицательный заряд, и наоборот (правило Кена).
При рассмотрении работы электростатических генераторов нельзя пренебречь собственной емкостью ленты по отношению к кондуктору и земле. На зарядку этой емкости требуется заряд, который, будучи связанным, таким образом, с транспортером, не может быть передан в цепь нагрузки. Это вызывает снижение зарядного тока и, следовательно, напряжения генератора. В электростатических генераторах с перезарядкой заряды на ленте, движущейся от электрода, создают дополнительное электрическое поле, которое по мере удаления ленты от электрода повышается. Если оно достигает значения, при котором начинается коронирование, то плотность зарядов на уходящей от кондуктора ленте будет понижаться.
На рис. 2-21 изображены эквипотенциальные линии электрического поля заряженной ленты электростатического генератора с перезарядкой. Проходя мимо заземленного (нижнего) электрода, сбегающая со шкива часть ленты разряжается.
Рис. 2-20. Схема электростатического генератора с выравнивающими экранами.
Рис. 2-21. Эквипотенциальные линии электрического поля заряженное ленты генератора с перезарядкой.
Это вызывает образование значительного поля около набегающей на нижний шкив части заряженной ленты Велико также и электрическое поле ленты в месте входа ее в кондуктор. Возникает опасность пробоя в этих наиболее слабых мостах конструкции. Кроме того, перезарядка, как бы выгодна она ни была, требует создания довольно сложного устройства, которое должно быть изолировано от. высоковольтного электрода. Поэтому в некоторых конструкциях ЭСГ перезарядку ленты не применяют.
Вторым препятствием на пути повышения напряжения ЭСГ под давлением является предельная величина продольного напряжения по ленте. Конструкция разных типов электростатических генераторов с лентой не обеспечивала равномерного повышения потенциала переносимых транспортером зарядов. При удалении некоторого элемента ленты от индуктора зарядного устройства емкость его по отношению к индуктору быстро падает. Поэтому потенциал этого элемента ленты резко возрастает по мере приближения элемента к кондуктору. Таким образом, продольный градиент Et неодинаково распределен по длине ленты, что может вызвать образование скользящих разрядов по поверхности транспортера.
Для выравнивания продольного градиента и для уменьшения потерь на коронирование и утечки по изоляции стремились добиться равномерного распределения напряжения вдоль устройств, присоединенные к высоковольтному электроду. Выравнивание продольного градиента достигается применением эквипотенциальных колец определенной формы, укрепленных на опорных колоннах и расположенных равномерно но высоте генератора. Изолирующие колонны, поддерживающие высоковольтный электрод, составляют из металлических колец, изолированных друг от друга. Равномерного распределения напряжения вдоль по колоннам добиваются присоединением к некоторым кольцам коронирующих электродов. Впоследствии широкое распространение получил способ выравнивания напряжения по высоте генератора с помощью делителя большого сопротивления, к различным точкам которого присоединяются кольца. Таким образом, шпени пал каждого кольца поддерживается равным потенциалу соответствующей точки делителя напряжения. Чем ближе будут располагаться кольца друг к другу, тем более равномерным будет распределение напряжения ио высоте генератора. Для электростатических генераторов без ускорительной трубки (без нагрузки) предельные величины продольных рабочих градиентов достигают 20 кВ/см; для ЭСГ, ускоряющего электроны, до 17 кВ/см, для протонного ЭСГ, напряжением до 3 Мв—15—17 кВ/см, а для протонных генераторов на 4 — 6 Мв—до 12—13 кВ/см. Значение продольного градиента значительно уменьшается при подключении к генератору нагрузки.
Максимальная величина продольного градиента потенциала по ленте электростатического генератора ограничивается свойствами материала ленты. К материалу ленты предъявляются следующие требования: высокая механическая и электрическая прочность, высокое значение поверхностного и объемного сопротивлений, большое значение диэлектрической проницаемости, огнеупорность, негигроскопичность. Этому комплексу требований трудно удовлетворить одновременно. Наиболее пригодными являются хлопчатобумажные прорезиненные ленты. Они работают устойчиво при абсолютной влажности в котле генератора 2,3-10-9 г/см3. Применение устройств, выравнивающих электрическое поле электростатического генератора, позволило увеличить продольный градиент по ленте до 30 кВ/см, обеспечивая ток ЭСГ без трубки до 1 мА при напряжении до 4 Мв.
Нагрузкой электростатических генераторов под давлением является обычно ускорительная трубка. Чем выше напряжение генератора, тем больше величина паразитного тока в ускорительной трубке. Для ионного генератора на напряжение 4—5 Мв вторичные токи в трубке настолько увеличивают общую нагрузку генератора, что напряжение его «садится». Рабочее давление в ускорительной трубке составляет 5—6·10-6 мм рт. ст. При этом давлении при повышении напряжения происходит перекрытие между электродами по поверхности фарфоровых изоляторов, из которых состоит трубка. Особенно часто перекрытие происходит в ионных трубках. В результате поверхностного
пробоя в трубке образуются вторичные электроны, количество которых резко увеличивается с увеличением напряжения. Работа ускорительной трубки становится неустойчивой. Данный процесс является препятствием увеличения напряжения электростатических генераторов. В результате внедрения ряда усовершенствований в конструкцию ускорительной трубки для ЭСГ на напряжение 3—5 Мв был получен градиент по длине трубки в среднем 10 кВ/см, а в отдельных случаях до 15 кВ/см.
Альварец предложил вариант электростатического генератора, у которого ускорение частиц производится последовательно в двух трубках. С заземленного конца в первую трубку вводятся отрицательные ионы, которые ускоряются до энергии 6 Мэв. В месте соединения двух трубок отрицательные ионы проходят через тонкую газовую или металлическую мишень, образуя положительно заряженные ионы. Имея энергию 6 Мэв, положительные ионы ускоряются до 12 Мэв во второй трубке, выходной конец которой заземлен. Хотя получить большое количество отрицательных ионов весьма трудно, тем не менее в генераторе подобного типа достигнута энергия частиц 9 Мэв.
Значительную часть тока нагрузки ЭСГ составляют токи омического делителя напряжения, устройств для стабилизации напряжения и потерь (см. § 2-8). Поэтому полезный ток нагрузки генератора обычно не превышает 100—200 мка и наибольшая мощность, которую имеют электростатические генераторы промышленного типа, менее 100 Вт, что крайне ограничивает область их применения. Эта мощность должна быть использована обязательно внутри резервуара со сжатым газом, так как в цепи, находящейся в воздухе при атмосферном давлении, неизбежно возникнет коронирование, которое поглотит и эту малую полезную мощность. Существенными недостатками генераторов с движущейся лентой являются малый к.п.д., малый ток нагрузки и значительные габариты.
В том случае, когда электростатический генератор с лентой применяется для целей ускорения заряженных частиц, возникают проблемы контроля работы источника ионов, регулирование зарядки ленты, выходящей из высоковольтного электрода, и т. п. Когда высоковольтный электрод находится под напряжением в несколько миллионов вольт, то применение изолированных трансформаторов для связи с ним становится практически невозможным.
Во многих построенных электростатических генераторах управление приборами в высоковольтном электроде осуществляется с помощью стержней или нитей из изолирующего материала. Число управляющих приводов-стержней или нитей может быть сведено до двух. Один из приводов используется для выбора объекта управления, а другой для управления объектом. При такой системе регулирования трудной задачей являются выбор места расположения наблюдателя и защита его от действия высокого напряжения и жесткого электромагнитного излучения, возникающего при торможении ускоренных заряженных частиц. Возникают также затруднения в применении системы механического регулирования при управлении более чем одним процессом или необходимости быстродействующего регулирования. В последнее время для управления механизмами, находящимися под кондуктором, все чаще применяются фотоэлементы и фотоэлектронные умножители.
