Электростатический генератор - устройство, в к-ром высокое постоянное напряжение (до нескольких MB) создаётся
при помощи механич. переноса электроста-тич. зарядов. Цикл работы Э. г. можно
представить диаграммой (рис. 1). На нек-рую ёмкость C1, состоящую
из подвижного и неподвижного электродов, при первичном напряжении U1
подаётся заряд q1 = C1U1
(точка А на диаграмме). При переметении подвижного электрода ёмкость
уменьшается, и при нек-ром значении C2 потенциал возрастёт
до U2=U1C1/C2
(точка В). При этом потенциале U2 движущийся
электрод соединяется с высоковольтной системой, и при дальнейшем уменьшении
ёмкости до величины C3 (точка D)высоковольтной системе
отдаётся заряд (q1 - q2) = (C2- C3)
U2. Затем подвижный электрод отсоединяется от высоковольтной
системы и начинает перемещаться к неподвижному заземлённому электроду (при постоянном
заряде q2 = C3U2); ёмкость растёт и при нек-ром значении C4 потенциал электрода
уменьшится до U1 (точка E). В этот момент электрод
соединяют с источником первичного напряжения U1, и
при дальнейшем увеличении ёмкости заряд растёт; когда ёмкость достигнет первонач.
величины C1, на электрод переходит заряд (q1
- q2)=(C1 - C4) U1. В результате такого цикла кол-во электричества (q1- q2)переходит
от первичной системы с потенциалом U1 к высоковольтной
системе с потенциалом
U2. Сила тока I = (q1- q2)/Dt, где Dt - время цикла (при холостом ходе
и в отсутствие утечек, q1-q2 = 0, напряжение
высоковольтной системы определяется значениями мин. ёмкости C3
и Um = C1U1/C3). Энергия, получаемая высоковольтной системой, складывается из электрич. энергии,
сообщаемой первичной (низковольтной) системой W1=(q1- q2)U1
(возбуждение), и механич. работы W=(q1- q2)(U2-
U1), затрачиваемой при перемещении заряда. Если C2<<C1, то U2>>U1 и W>>W1, т. е. практически вся энергия получается за счёт затрачиваемой механич.
работы.
Рис. 1. Диаграмма цикла работы электростатического генератора.
Существует много типов электростатических генераторов, отличающихся способом транспортировки зарядов: Э. г. с жёсткими роторами
в виде цилиндров или дисков; электростатические генераторы с гибкими лентами (генератор Ван-де-Граафа);
электростатические генераторы с пылевым или жидкостным транспортёром и др. В работе Э. г. существ. значение
имеют электроизолирующие свойства среды. Первые конструкции Э. г. (30-е гг.)
работали в открытом воздухе при обычном атм. давлении. Для уменьшения габаритов
большинство совр. электростатический генератор работает в сжатом газе.
У электростатического генератора с диэлектрич. транспортёром
нанесение и съём зарядов производятся непрерывно системой коронирую-щих острий
или щёток (рис. 2). Переносимый транспортёром ток равен i = sbu, где s -поверхностная плотность зарядов; b - ширина транспортёра;
u - его линейная скорость.
Если у высоковольтного электрода на транспортёр наносятся
заряды обратной полярности, то переносимый ток увеличивается
в 2 раза. Плотность зарядов s ограничивается возникновением
поверхностных разрядов и обычно составляет
(3-4)·10-9 Кл/см2, при этом переносимый ток i не
превышает 1 мА.
Рис. 2. Схема генератора
Ван-де-Граафа с диэлектрическим транспортёром
зарядов: 1 - транспортёр; 2-устройства для
нанесения и съёма зарядов; 3-валы транспортёра; 4 - высоковольтный
электрод.
У транспортёра с проводящими
зарядоносителями заряды наносятся на их поверхность в поле индуктора (рис. 3)
и передаются высоковольтному электроду дискретными порциями. Переносимый транспортёром
ток равен i = qN, где q - заряд токоносителей; N-число
зарядоносителей, касающихся высоковольтного электрода за 1 с. Пульсации напряжения
генератора, вызываемые дискретным переносом зарядов, весьма малы. Транспортёр
из цилиндров (пеллетрон)
передаёт ток ок. 0,1 мА, транспортёр из стержней (ладдетрон) - 0,5 мА (при скорости
перемещения носителей ок. 10 м/с). Возможно параллельное включение неск. транспортёров.
Рис. 3. Устройство транспортёра
с проводящими зарядоносителями:
1 - шкив транспортёра: 2-зарядоносители;
3 - изоляторы; 4 - индуктор.
Транспортёры с проводящими
зарядоносителями более надёжны по сравнению с диэлектрическими, могут работать
в чистых электроотрицат. газах и не загрязняют изолирующий газ пылью. В качестве
газовой изоляции используют азот, углекислоту или их смеси, для увеличения эяектрич.
прочности изоляции применяют также эле-газ SF6, фреон или их смесь
с азотом и углекислотой.
Напряжение на выходе Э.
г. пропорционально сопротивлению его нагрузки и току транспортёра (рис. 4).
Регулировать и стабилизировать его можно, изменяя ток в цепи нагрузки (напр.,
при помощи коронирующего электрода; рис. 5) или плотность наносимых на транспортёр
зарядов. В первом случае постоянная времени регулятора составляет неск. мс,
во втором - десятые доли секунды. Диапазон напряжений, развиваемых Э. г., в
зависимости от типа составляет от неск. десятков кВ до 10 мВ и более. Э. г.
используются как непосредственно в виде источников высокого напряжения, когда
не требуются значит. мощности, так и в сочетании с ускорит. трубками в электростатич.
ускорителях заряж. частиц (ускорители прямого действия, инжекторы, предускорители
для циклич. и линейных ускорителей и т. д.).
Рис. 4. Зависимость
напряжения электростатического генератора
от сопротивления нагрузки и тока, переносимого
его транспортёром.
Рис. 5. Схема регулирования электростатического генератора с коронирующим электродом: 1- коронирующие острия; 2 -изолятор; 3-регулирующий триод; 4-высоковольтный электрод генератора; 5 - сосуд высокого давления.
Б. M. Гохберг, M. П.
Свиньин.
|
|
 |
