Marxi generaator

Marxi generaator on üks elektrilise vooluringi tüüpe, mida esimesena kirjeldas Erwin Otto Marx aastal 1924. Selle eesmärgiks on genereerida kõrgepingeimpulsse.

Marxi generaatorit rakendatakse laialdaselt äikeseefektide simuleerimiseks, mida kasutatakse kõrgepinge ja lennunduse varustuse testimisel. Tänapäeval on näiteks 36 Marxi generaatorist koosnev üksus kasutusel Sandia rahvusliku laboratooriumi juures, et genereerida röntgenikiiri (üks elektromagnetilise radiatsiooni vorme) nende Z-masinas (maailma suurim röntgenikiirte generaator maailmas).

Põhimõte muuda

Kondensaatorite n laadimine toimub paralleelselt läbi takistite seni, kuni nad saavutavad sisendpinge väärtuse V, ning seejärel ühendatakse jadamisi sädevahemiku lülititega, mis ideaalsel juhul põhjustab pinge V mitmekordistumist kondensaatorite arvu n-kordselt. Läbi praktiliste katsetuste on selgunud, et väljundpinge on siiski mõnevõrra väiksem kui n*V. Kui kondensaatorite laadimine toimub paralleelselt, siis tühjenemisel on kondensaatorid ühendatud jadamisi. Sädevahemik koosneb kahest elektroodist, mis on eraldatud omavahel väikese tühimikuga ning mida tavaliselt täidab mingi gaas, näiteks õhk.

Kuigi kõigil Marxi generaatoritel on sama tööpõhimõte, võivad nad ehituselt veidi erineda, sõltudes konkreetset rakenduse tüübist, kus generaatorit kasutatakse, ja selle funktsioonidest.

Maailmas on kasutusel mitmeid Marxi generaatori tüüpe, näiteks suurte generaatorite Marxi süsteem, mõõdukas Marxi generaatorite süsteem, kompaktne Marxi generaatorite süsteem ja jäik Marxi generaatorite süsteem.

Suurte generaatorite Marxi süsteeme võib leida üha laienevates suurt energiat kasutavates süsteemides (nt Z-masin) ja suurtes HPM- (High-power microwave) süsteemides. Tavaliselt asetseb selline Marxi generaatorite süsteem väga suurtes ruumides.

Mõõdukas Marxi generaatorite süsteem kirjeldada kui väikeses ruumis asuvat, kuid võimalikult suure ekraaniga süsteemi. Selline tüüp Marxist suudab genereerida pingeimpulsse vahemikus alates 100 V kuni mitmete megavoltideni.

Kompaktne Marxi generaatorite süsteem on samas suuruses kui tavaline arvutiekraan ja mahub ka lihtsalt kätte.

Jäik Marxi generaatorite süsteem on tavaliselt vooluringi skeemi aluse (nt laua plaadi) suurune. Ta on võimeline genereerima pingeimpulsse kuni mitmete kilovoltideni.

Suurte ja mõõdukate Marxi generaatorite süsteemid on kasutusel kui alamsüsteemid, mis toodavad kõrgepingeimpulsse suuremate rakenduste (nt Z-masinate) tarbeks. Kompaktsete ja jäikade Marxi generaatorite süsteem on kasutusel otse mõningate rakenduste tarbeks ja nad ei ole lihtsalt mingid alamosad. Näiteks on need süsteemid kasutusel impulssradarite juures.

Generaatori optimeerimine muuda

Korralik toime seadmel sõltub kondensaatorite valikust ja tühjakslaadimise ajast. Ümberlülitusaega laadimise ja tühjakslaadumise vahel saab parandada, kui asendada elektroodid radioaktiivsete isotoopidega nagu tseesium 137 või nikkel 63. Üks võimalusi ümberlülitusaega lühendada on sädevahemike ümberpaigutamine nii, et ultraviolettvalgus, mis tekib sädevahemikus tekkinud sädemest, valgustab ülejäänud avatud sädevahemikke. Isolatsioon on sageli saavutatud, kui Marxi generaator on asetatud transformaatori õlisse või kõrge rõhuga elektronegatiivsesse gaasi, näiteks väävelheksafluoriidi (SF6).

Tuleks tähele panna, et mida vähem on takistust kondensaatorite ja pingeallika vahel, seda kiiremini kondensaatorid laaduvad. Need kondensaatorid, mis on disaini poolest lähemal pingeallikale, laaduvad kiiremini võrreldes nende kondensaatoritega, mis asetsevad kaugemal. Kui generaatoril on lubatud laadida piisavalt, siis kõik kondensaatorid saavutavad sama pinge. Laadiv takisti Rc peab olema õiges mõõdus nii laadimise kui tühjenemise jaoks. Vahetevahel asendatakse need takistid induktoritega, et parandada laadumise kiirust ja efektiivsust.

Mitmetes generaatorites on takistid tehtud klaasist või plastist, kus takistite torustik on täidetud lahjendatud vasksulfaadiga. Need vedeliktakistid aitavad vältida mõningaid probleeme, mis kaasnevad harjumuspäraste takistust omavate materjalide kasutamisega, näiteks on nendel materjalidel kalduvus takistuse vähenemisele selle aja jooksul, kui ollakse kõrgepinge tingimustes.

Lühikesed impulsid muuda

Marxi generaatorit kasutatakse ka lühikeste kõrgepinge impulsside genereerimiseks Pockelsi kärgede tarbeks, juhtides TEA laserit, süüdates näiteks tuumarelva lõhkeaine, kuid ka radarile vajalike impulsside jaoks.

Ümberlülituse lühiajalisus generaatori juures on omane, kuna lülitusaeg isegi kiiretoimelistel versioonidel ei ole vähem kui 1 ns ja seega on isegi mitmed väikse võimsusega elektroonikaseadmed kiiremad. Kiiretoimeliste vooluringide disainis on elektrodünaamika väga tähtis. Marxi generaator toetab seda, kuna ta kasutab lühikesi juhtidest ühendusi oma komponentide vahel, kuid disain on sellest hoolimata põhiliselt elektristaatilise oma.

Kui esimene vahemik katkeb, siis elektristaatiline teooria ennustab pinge kasvu kogu skeemil, kus on sädevahemikud. Kuid skeemi etapid on ühendatud mahtuvuslikult maaga ja seeriate kaupa üksteisega ning seega tekib igas etapis pinge tõus, mis on seda nõrgem, mida kaugemal on etapp ümberlülitusest.

Rakendused muuda

Üks rakendusi on nn kaubavagunilülitus Pockelsi kärgedel. Kasutusel on neli Marxi generaatorit, iga Pockelsi kärje kaks elektroodi on ühendatud positiivse impulsi generaatorisse ja negatiivse impulsi generaatorisse.

Marxi generaatoreid kasutatakse ka selleks, et pakkuda kõrgepinge impulsse testimaks elektrilise aparatuuri, nagu transformaatorid, isoleeritust. Kõrgepingeaparatuuri jaoks rakendatav pinge võib küündida isegi 2 miljoni voldini.

Vaata ka muuda

Cockcrofti-Waltoni generaator – sarnane elektriahel, millel on sama "redelstruktuur". Cockcrofti-Waltoni generaator toodab püsivat alalisvoolu.

Lisalugemist muuda

Carey, W.J.; Mayes, J.R. „MARX GENERATOR DESIGN AND PERFORMANCE“, Power Modulator Symposium, 2002 and 2002 High-Voltage Workshop. Conference Record of the Twenty-Fifth International. Issue Date: 30 June-3 July 2002. On page(s): 625–628
Peterkin, F.E.; Hankla, B.J.; Stevens, J.L.; Sharrow, J.F. „COMPACT MARX GENERATOR TEST SYSTEM“, Power Modulator Symposium, 2002 and 2002 High-Voltage Workshop. Conference Record of the Twenty-Fifth International. Issue Date: 30 June-3 July 2002. On page(s): 399–402