مولد ماركس

📅 آخر تحديث: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 8 صور
الموسوعة الحرة
مولد ماركس تجريبي صغير (البرج على اليمين) . وهو مولد ذو عشر مراحل. التفريغ الرئيسي على اليسار. الشرارات التسع الأصغر التي يمكن رؤيتها في الصورة هي فجوات الشرارة التي تربط المكثفات المشحونة على التوالي.

مولد ماركس هو دائرة كهربائية وصفها إرفين أوتو ماركس لأول مرة عام 1924. [ 1 ] يُستخدم لتوليد نبضة جهد عالٍ من مصدر تيار مستمر منخفض الجهد. تُستخدم مولدات ماركس في تجارب فيزياء الطاقة العالية، وكذلك لمحاكاة تأثيرات البرق على معدات خطوط نقل الطاقة ومعدات الطيران. تستخدم مختبرات سانديا الوطنية مجموعة من 36 مولد ماركس لتوليد الأشعة السينية في جهاز Z الخاص بها .

مبدأ التشغيل

مخططات مولد ماركس؛ على الرغم من أن المكثف الأيسر لديه أكبر معدل شحن، إلا أنه يُسمح عادةً للمولد بالشحن لفترة طويلة من الزمن، وفي النهاية تصل جميع المكثفات إلى نفس جهد الشحن.

تُولّد الدائرة نبضة جهد عالٍ عن طريق شحن عدد من المكثفات بالتوازي، ثم توصيلها فجأةً على التوالي. انظر إلى مخطط الدائرة على اليمين. في البداية، يتم شحن n مكثفًا ( C) بالتوازي إلى جهد VC بواسطة مصدر طاقة تيار مستمر عبر المقاومات (RC). تُطبّق فجوات الشرارة المستخدمة كمفاتيح بجهد VC عبرها ، ولكن جهد انهيار هذه الفجوات أكبر من VC ، لذا فهي جميعًا تعمل كدوائر مفتوحة أثناء شحن المكثفات. تعزل الفجوة الأخيرة خرج المولد عن الحمل؛ فبدون هذه الفجوة، سيمنع الحمل شحن المكثفات. لإنشاء نبضة الخرج، يتم إحداث انهيار (تشغيل) في فجوة الشرارة الأولى؛ يؤدي هذا الانهيار فعليًا إلى قصر الفجوة، مما يضع المكثفين الأولين على التوالي، ويُطبّق جهدًا مقداره حوالي 2VC عبر فجوة الشرارة الثانية. [ 2 ] ونتيجةً لذلك، تنهار الفجوة الثانية لإضافة المكثف الثالث إلى "المجموعة"، وتستمر العملية لانهيار جميع الفجوات بالتتابع. تُسمى هذه العملية، التي تقوم فيها فجوات الشرارة بتوصيل المكثفات على التوالي لتوليد الجهد العالي، بعملية الشحن . تربط الفجوة الأخيرة خرج مجموعة المكثفات المتصلة على التوالي بالحمل. من الناحية المثالية، يكون جهد الخرج مساويًا لـ nV/ C ، أي عدد المكثفات مضروبًا في جهد الشحن، ولكن عمليًا تكون القيمة أقل. تجدر الإشارة إلى أن أيًا من مقاومات الشحن Rc لا يتعرض لجهد أعلى من جهد الشحن حتى بعد شحن المكثفات. تقتصر الشحنة المتاحة على الشحنة الموجودة على المكثفات، لذا يكون الخرج عبارة عن نبضة قصيرة أثناء تفريغ المكثفات عبر الحمل. عند نقطة معينة، تتوقف فجوات الشرارة عن التوصيل، ويبدأ مصدر الجهد المنخفض في شحن المكثفات مرة أخرى.

يُستخدم مبدأ مضاعفة الجهد عن طريق شحن المكثفات بالتوازي وتفريغها بالتوالي في دائرة مضاعف الجهد ، المستخدمة لإنتاج جهود عالية لطابعات الليزر وأجهزة التلفزيون ذات أنبوب أشعة الكاثود ، والتي تتشابه مع هذه الدائرة. يتمثل أحد الاختلافات في أن مضاعف الجهد يعمل بتيار متردد وينتج جهد خرج مستمر ثابت، بينما يُنتج مولد ماركس نبضة.

مولد ماركس المستخدم لاختبار مكونات نقل الطاقة ذات الجهد العالي في جامعة دريسدن التقنية، ألمانيا
مولد ماركس في معرض تجاري للمرافق، لايبزيغ، ألمانيا الشرقية، 1954
مولد ماركس ذو 10 مراحل بقدرة 600 كيلوفولت قيد التشغيل
مولد ماركس 800 كيلو فولت في مختبر المعهد الوطني للتكنولوجيا، دورجابور، الهند.

تحسين

لإنتاج نبضات بزمن صعود 5 نانوثانية، يُدمج مولد ماركس عادةً في موجه موجي محوري . تُوضع فجوات الشرارة متقاربة قدر الإمكان لتحقيق أقصى تبادل للأشعة فوق البنفسجية وتقليل الارتعاش. يأتي الجهد العالي المستمر من الأسفل، بينما يخرج الجهد العالي النبضي من الأعلى إلى الخط المحوري. يمثل الخط المزدوج من الكرات في المنتصف فجوات الشرارة، أما باقي الكرات فتُستخدم لتجنب التفريغ الإكليلي . الأزرق = مكثف مائي . الرمادي = معدن صلب. الأسود = سلك رفيع. يعمل الموصل الخارجي أيضًا كوعاء، مما يسمح بتحسين الغاز والضغط.

يعتمد الأداء الأمثل على اختيار المكثف وتوقيت التفريغ. ويمكن تحسين أوقات التبديل بتطعيم الأقطاب الكهربائية بنظائر مشعة مثل السيزيوم -137 أو النيكل -63، وتوجيه فجوات الشرارة بحيث يُضيء ضوء الأشعة فوق البنفسجية المنبعث من مفتاح فجوة الشرارة الفجوات المتبقية غير المُشغّلة. [ 3 ] غالبًا ما يتم عزل الفولتية العالية المُنتجة بغمر مولد ماركس في زيت المحولات أو غاز عازل عالي الضغط مثل سداسي فلوريد الكبريت (SF6 ) .

يعتمد الوقت اللازم لدائرة الشحن لشحن مكثف فارغ بالكامل على شدة التيار القادم من مصدر الطاقة. كلما انخفضت المقاومة بين المكثف ومصدر الطاقة، زادت سرعة شحنه. لذا، في هذا التصميم، تُشحن المكثفات الأقرب إلى مصدر الطاقة أسرع من تلك الأبعد. إذا سُمح للمولد بالشحن لفترة كافية، ستصل جميع المكثفات إلى نفس الجهد.

في الحالة المثالية، يؤدي إغلاق المفتاح الأقرب إلى مصدر طاقة الشحن إلى تطبيق جهد 2 فولت على المفتاح الثاني. ثم يُغلق هذا المفتاح، مُطبقًا جهد 3 فولت على المفتاح الثالث. ثم يُغلق هذا المفتاح أيضًا، مما ينتج عنه سلسلة من التأثيرات على طول المولد تُنتج جهدًا مقداره نانو فولت عند مخرج المولد (مرة أخرى، هذا يحدث فقط في الحالة المثالية).

قد يُسمح للمفتاح الأول بالتعطل تلقائيًا (يُسمى أحيانًا بالانقطاع الذاتي ) أثناء الشحن إذا لم يكن التوقيت الدقيق لنبضة الخرج مهمًا. ومع ذلك، عادةً ما يتم تشغيله عمدًا بمجرد أن تصل جميع المكثفات في بنك ماركس إلى الشحن الكامل، إما عن طريق تقليل المسافة بين المكثفات، أو عن طريق نبض قطب تشغيل إضافي (مثل تريجاترون )، أو عن طريق تأيين الهواء في الفجوة باستخدام ليزر نبضي ، أو عن طريق تقليل ضغط الهواء داخل الفجوة.

يجب اختيار مقاومات الشحن، R <sub>c</sub> ، بعناية لتناسب كلاً من الشحن والتفريغ. وفي بعض الأحيان، تُستبدل هذه المقاومات بملفات حثية لتحسين الكفاءة وتسريع عملية الشحن. في العديد من المولدات، تُصنع المقاومات من أنابيب بلاستيكية أو زجاجية مملوءة بمحلول مخفف من كبريتات النحاس . تتغلب هذه المقاومات السائلة على العديد من المشاكل التي تواجهها المواد المقاومة الصلبة التقليدية، والتي تميل إلى انخفاض مقاومتها بمرور الوقت في ظل ظروف الجهد العالي.

نبضات قصيرة

يُستخدم مولد ماركس أيضًا لتوليد نبضات قصيرة عالية الطاقة لخلايا بوكلز ، وتشغيل ليزر TEA ، وإشعال المتفجرات التقليدية للأسلحة النووية، ونبضات الرادار.

مولد ماركس. الهواء موصل رديء للكهرباء، ولكن مع جهد كافٍ (30 كيلو فولت/سم)، يتحول الهواء إلى موصل، مما يؤدي إلى حدوث تفريغ شراري.

إن قصر المسافة نسبي، إذ لا يقل زمن التبديل حتى في الإصدارات عالية السرعة عن 1 نانوثانية، ولذا فإن العديد من الأجهزة الإلكترونية منخفضة الطاقة أسرع. في تصميم الدوائر عالية السرعة، تُعدّ الديناميكا الكهربائية مهمة، ويدعم مولد ماركس هذا الأمر من خلال استخدامه أسلاكًا قصيرة سميكة بين مكوناته، إلا أن التصميم في جوهره كهرساكن. عند انهيار الفجوة الأولى، تتوقع نظرية الكهرساكن البحتة ارتفاع الجهد عبر جميع المراحل. مع ذلك، ترتبط المراحل بالأرض سعويًا وبالتسلسل فيما بينها، وبالتالي تواجه كل مرحلة ارتفاعًا في الجهد يضعف كلما ابتعدت عن المرحلة التي تُبدّل؛ لذا تواجه المرحلة المجاورة للمرحلة التي تُبدّل أكبر ارتفاع في الجهد، وبالتالي تُبدّل بدورها. مع تبديل المزيد من المراحل، يزداد ارتفاع الجهد في المراحل المتبقية، مما يُسرّع عملها. وهكذا، يتضخم ارتفاع الجهد المُغذّى إلى المرحلة الأولى ويزداد انحداره في الوقت نفسه.

من الناحية الكهروضوئية، عند تعطل المرحلة الأولى، تتولد موجة كهرومغناطيسية كروية يكون متجه مجالها الكهربائي معاكساً للجهد العالي الثابت. هذا المجال الكهرومغناطيسي المتحرك يكون في اتجاه خاطئ لتشغيل المرحلة التالية، وقد يصل حتى إلى الحمل؛ لذا فإن وجود مثل هذه الضوضاء أمام الحافة غير مرغوب فيه في العديد من تطبيقات التبديل. إذا كان المولد داخل أنبوب قطره (على سبيل المثال) متر واحد، فإنه يحتاج إلى حوالي 10 انعكاسات للموجة ليستقر المجال في حالة ثابتة، مما يحد من عرض الحافة الأمامية للنبضة إلى 30 نانوثانية أو أكثر. الأجهزة الأصغر حجماً أسرع.

تُحدد سرعة المفتاح بسرعة حاملات الشحنة، التي تزداد مع ارتفاع الجهد، وبالتيار المتاح لشحن السعة الطفيلية الحتمية. في أجهزة الانهيار الجليدي ذات الحالة الصلبة، يؤدي الجهد العالي تلقائيًا إلى تيار عالٍ. ولأن الجهد العالي يُطبق لفترة قصيرة فقط، فإن مفاتيح الحالة الصلبة لا تسخن بشكل مفرط. وتعويضًا عن الجهود العالية، يجب أن تحمل المراحل اللاحقة شحنة أقل أيضًا. كما أن تبريد المراحل وإعادة شحن المكثفات يسيران جنبًا إلى جنب.

متغيرات المرحلة

يمكن استبدال فجوة الشرارة بثنائيات الانهيار الجليدي في مراحل الجهد الكهربائي الأقل من 500 فولت. تغادر حاملات الشحنة الأقطاب الكهربائية بسهولة، مما يُغني عن الحاجة إلى تأين إضافي ويقلل من الارتعاش. كما تتميز هذه الثنائيات بعمر أطول من فجوات الشرارة.

جهاز التبديل السريع هو ترانزستور انهياري من نوع NPN مزود بملف بين القاعدة والباعث. يكون الترانزستور في البداية في وضع الإيقاف، ويوجد حوالي 300 فولت عبر وصلة القاعدة-المجمع. هذا الجهد مرتفع بما يكفي لتكوين المزيد من حاملات الشحنة في هذه المنطقة عن طريق التأين التصادمي، لكن الاحتمالية منخفضة جدًا لتكوين انهيار حقيقي؛ بدلاً من ذلك، يتدفق تيار تسريب مشوش نوعًا ما. عند تبديل المرحلة السابقة، تُدفع وصلة القاعدة-الباعث إلى انحياز أمامي، وتدخل وصلة القاعدة-المجمع في وضع الانهيار الكامل، فتتضاعف حاملات الشحنة المحقونة في منطقة القاعدة-المجمع في تفاعل متسلسل. بمجرد اكتمال عملية توليد ماركس، تنخفض الجهود في كل مكان، ويتوقف انهيار كل مفتاح، ويضع ملفه المطابق وصلة القاعدة-الباعث في انحياز عكسي، ويسمح المجال الساكن المنخفض لحاملات الشحنة المتبقية بالخروج من وصلة القاعدة-المجمع.

التطبيقات

أحد التطبيقات هو ما يُعرف بتبديل خلية بوكلز باستخدام مولدات ماركس. تُستخدم أربعة مولدات ماركس، حيث يُوصل كل قطب من قطبي خلية بوكلز بمولد نبضات موجبة وآخر سالبة. يُشغَّل مولدان بقطبية متعاكسة، أحدهما على كل قطب، لشحن خلية بوكلز إلى قطبية واحدة. سيؤدي ذلك أيضًا إلى شحن المولدين الآخرين جزئيًا دون تشغيلهما، لأنهما كانا مشحونين جزئيًا مسبقًا. يجب تعويض التسريب عبر مقاومات ماركس بتيار انحياز صغير يمر عبر المولد. عند الحافة الخلفية لمولدات ماركس، يُشغَّل المولدان الآخران لعكس قطبية الخلية.

تُستخدم مولدات ماركس لتوفير نبضات جهد عالية لاختبار عزل الأجهزة الكهربائية، مثل محولات الطاقة الكبيرة ، أو العوازل المستخدمة لدعم خطوط نقل الطاقة. وقد تتجاوز الفولتية المُطبقة مليوني فولت للأجهزة ذات الجهد العالي.

في صناعة الأغذية، تُستخدم مولدات ماركس لمعالجة المجال الكهربائي النبضي لتحسين عملية التقطيع أو تسريع تجفيف البطاطس والفواكه والخضراوات الأخرى. [ 4 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ^ ماركس، إروين (1924). "Versuche über die Prüfung von Isolatoren mit Spannungsstößen" [ تجارب على اختبار العوازل باستخدام نبضات الجهد العالي ] . Elektrotechnische Zeitschrift (باللغة الألمانية). 45 : 652-654 . ISSN 0424-0200 . او سي ال سي 5797229 .  .
  2. ↑ شرح نموذجي؛ انظر، على سبيل المثال، http://www.kronjaeger.com/hv/hv/src/marx/index.html ؛ المسألة أكثر تعقيدًا.يستخدم موقع آخر محاثات شحن بدلًا من المقاومات: http://hibp.ecse.rpi.edu/~leij/febetron/marx.html .
  3. ↑ إي. كوفيل، دبليو إس زينجل، جيه. كوفيل، هندسة الجهد العالي: الأساسيات ، نيونس، 2000، رقم ISBN 0-7506-3634-3، الصفحات 63، 70
  4. ↑ فاوستر، ت.؛ شلوسنيكل، د.؛ راث، ف.؛ أوسترماير، ر.؛ تويفل، ف.؛ توبفل، س.؛ ياغر، هـ. (أكتوبر 2018). "تأثير المعالجة المسبقة بالمجال الكهربائي النبضي على أداء عملية إنتاج البطاطس المقلية الصناعية" . مجلة هندسة الأغذية . 235 : 16-22 . doi : 10.1016/j.jfoodeng.2018.04.023 . S2CID 103082055 . 

للمزيد من القراءة

  • باور، ج. (1 يونيو 1968) "مولد نبضات نانوثانية عالي الجهد ذو مقاومة منخفضة"، مجلة الأدوات العلمية ، لندن، المملكة المتحدة. المجلد 1، الصفحات  688-689.
  • Graham et al. (1997) "مولد ماركس صغير الحجم 400 كيلو فولت مع غلاف مفتاح مشترك"، مؤتمر الطاقة النبضية، الملخص السنوي الحادي عشر للأوراق الفنية ، المجلد 2، الصفحات  1519-1523.
  • Ness, R. et al. (1991) "مولدات ماركس المدمجة ذات الميغا فولت والمصنفة بالتكرار"، معاملات IEEE للأجهزة الإلكترونية ، المجلد 38، العدد 4، الصفحات  803-809.
  • أوبارا، م. (3-5 يونيو 1980) "مولد ماركس متعدد القنوات ذو فجوة شرارة سطحية من نوع خط الشريط لأجهزة الليزر ذات التفريغ السريع"، سجل مؤتمر IEEE لندوة تعديل طاقة النبضات الرابعة عشرة لعام 1980 ، ص  201-208.
  • Shkaruba et al. (May–June 1985) "مولد أركاديف-مارك مع اقتران سعوي"، Instrum Exp Tech vol. 28، No. 3، part 2، pp.  625–628، XP002080293.
  • سومرفيل، إلينوي (11-24 يونيو 1989) "مولد ماركس بسيط مضغوط 1 ميجا فولت، 4 كيلو جول"، وقائع مؤتمر الطاقة النبضية، مونتيري، كاليفورنيا ، المؤتمر 7، ص  744-746، XP000138799.
  • Turnbull, SM (1998) "تطوير مولد ماركس عالي الجهد وعالي معدل تكرار النبضات"، سجل مؤتمر ندوة تعديل الطاقة الدولية الثالثة والعشرين لعام 1998 ، ص  213-16.