Информация предоставлена исключительно в образовательных целях!
Администратор сайта не несет ответственности за возможные последствия использования предоставленной информации.

ГЕНЕРАТОР МАРКСА СМЕРТЕЛЬНО ОПАСЕН!!!
Необходимо убедиться, что все конденсаторы разряжены, прежде чем прикасаться к устройству!

РАЗРЯДЫ ГЕНЕРАТОРА МАРКСА ЯВЛЯЮТСЯ ИСТОЧНИКОМ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ!!!
Используйте защитные очки!

РАЗРЯДЫ ГЕНЕРАТОРА МАРКСА ЯВЛЯЮТСЯ ИСТОЧНИКОМ ОЗОНА!!!
Озон является опасным веществом!

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
Генератор Маркса — импульсный генератор высокого напряжения, принцип действия которого основан на заряде соединённых параллельно через резисторы конденсаторов, соединяющихся после заряда последовательно при помощи коммутирующих устройств - выходное напряжение при этом увеличивается пропорционально количеству соединённых конденсаторов.

Такая схема была запатентована Эрвином Марксом (Erwin Marx) в 1923 году.

Эрвин Отто Маркс

В 1914 году В. К. Аркадьев совместно с Н. В. Баклиным построили «генератор молний» - первый импульсный генератор в России, работавший на принципе последовательного соединения конденсаторов для получения умноженного напряжения, но использовавший контактно-механический, а не бесконтактный, способ соединения конденсаторов ступеней.

После заряда конденсаторов запуск генератора обычно производится после срабатывания первого разрядника (обычно обозначаемого как trigger (триггер)). После срабатывания триггера перенапряжение на остальных разрядниках заставляет срабатывать все разрядники практически одновременно, что и обеспечивает сложение напряжений последовательно соединенных конденсаторов.

Генераторы Маркса позволяют получать импульсные напряжения от единиц киловольт до десятка мегавольт. Частота импульсов, вырабатываемых генератором Маркса, зависит от мощности генератора в импульсе — от единиц импульсов в час до нескольких десятков герц. Энергия в импульсе генераторов Маркса широко варьируется (от дециджоулей до десятков мегаджоулей).

КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ
Для своих исследований я собрал экспериментальный генератор Маркса.

МОЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
(щелкните по рисунку для просмотра в увеличенном размере)

1 - резисторы в цепи ксеноновой лампы-вспышки
2 - конденсаторы в цепи ксеноновой лампы-вспышки
3 - ксеноновая лампа-вспышка из цифрового фотоаппарата
4 - импульсный трансформатор из советской внешней фотовспышки
5 - резисторы ступеней генератора Маркса
6 - конденсаторы ступеней генератора Маркса
7 - триггер
8 - разрядники ступеней генератора Маркса
9 - главный разрядник генератора Маркса

СХЕМА
(щелкните по рисунку для просмотра в увеличенном размере)

ИЗОЛЯЦИЯ
В моей экспериментальной установке изоляция воздушная.

РАЗРЯДНИКИ
В качестве разрядников второй и следующих ступеней генератора Маркса применяют обычно воздушные (в том числе с глушителями звука) разрядники на напряжение до 100 кВ и ток до 1000 кА.

Для срабатывания генератора Маркса необходимо инициировать пробой первого (триггерного) воздушного промежутка ("trigger gap").
Для этого могут быть использованы различные способы:
"jumping wire" - подвижный проводник - механическое сближение контактов триггерного разрядника с помощью изолированного стержня или внесение изолированной отвертки между контактами разрядника
"three electrode trigger gap" - трехэлектродный воздушный промежуток (тригатрон)
"hydrogen thyratron" - водородный тиратрон

Водородный тиратрон - газоразрядный (заполненный водородом) прибор для управления токами большой величины при высоких напряжениях.
Тиратрон имеет 3 электрода - анод, катод и сетку:

Тригатрон (от англ. trigger — пусковое устройство, пусковой сигнал и (элек)трон) — разновидность управляемого искрового разрядника с холодным катодом для управления большими токами (20-100 кА и вплоть до мегаамперов) при высоких напряжениях (обычно 10-100 кВ).
Тригатрон имеет 3 электрода - 2 массивных (главных) для пропуска тока и маленький управляющий электрод:

Когда тригатрон отключён, напряжение между главными электродами должно быть меньше напряжения пробоя, соответствующего расстоянию между электродами и применённому диэлектрику (воздуху, аргоно-кислородной смеси, азоту, водороду или элегазу). Чтобы включить тригатрон, на управляющий электрод подаётся высоковольтный импульс. Он ионизирует газ между управляющим и одним из главных электродов, возникает искровой разряд, который укорачивает не ионизированный промежуток между главными электродами. Искра создаёт ультрафиолетовое излучение и порождает множество свободных электронов в промежутке. Это быстро приводит к электрическому пробою и между главными электродами возникает электрическая дуга с малым сопротивлением. Дуга продолжается до тех пор, пока напряжение между главными электродами не станет меньше некоторого значения. Стеклянные тригатроны часто покрывают защитной волнистой металлической сеткой во избежание разлёта кусочков стекла при разрыве колбы.

Я в своей установке использовал подобие тригатрона - управляемый разрядник с тремя электродами, но не помещенный в корпус.

Разрядники остальных ступеней - такие же, только без триггерного электрода.
Таким образом, в первой ступени первоначально происходит пробой воздушного промежутка "стержень - сегмент сферы", а в остальных разрядниках - "сегмент сферы - сегмент сферы".
Напряженность электрического пробоя воздуха составляет ~ 3 кВ/мм.

Основной разрядник - два залуженных на конце медных провода.
Устойчивый пробой наблюдается при расстоянии ~ 7 мм между ними:

СХЕМА ЗАЖИГАНИЯ

Основными элементами схемы зажигания моего генератора Маркса являются времязадающая цепочка Rt - Ct, ксеноновая лампа EL1, трансформатор T1 с обмотками L1 и L2.

Времязадающая цепочка Rt-Ct
Резистивная часть цепочки Rt составлена из 15 последовательно включенных резисторов сопротивлением 10 МОм номинальной мощностью 0,125 Вт.
Общее сопротивление Rt = 150 МОм.

Емкостная часть цепочки Ct составлена из девяти конденсаторов CBB81 Ct1 - Ct9 3300  пФ x 1000 В:

Общая емкость Ct = 3,3 нФ.

Постоянная времени задающей цепочки Rt - Ct составляет $\tau = 0,5 $  с.

Импульсный трансформатор T1

Импульсный трансформатор ("trigger transformer" или "trigger coil") часто применяется в типовых схемах питания ксеноновых ламп-вспышек ("external triggering"):

В такой схеме конденсаторы Cg и C (намного большей емкости - десятки и сотни мкФ) заряжаются до напряжения ~ 300 В. Конденсатор Cg разряжается на первичную обмотку трансформатора 1-2 (с малым числом витков) при замыкании ключа S (в качестве ключа может быть использован тиристор). Номинальная входная энергия при этом для разных типов трансформаторов составляет от 0,9 до 16 мДж. Импульс тока в первичной обмотке вызывает возникновение высоковольтного импульса (2-10 киловольт) во вторичной обмотке 3-2 (с гораздо большим числом витков, чем в первичной). Этот импульс прикладывается к управляющему электроду ксеноновой лампы (металлической (никелевой) пластине или сетке, частично охватыващей колбу лампы) и вызывает ионизацию газа в ней - в лампе возникает тонкий ионизированный стример ("streamer"). Ионизация вызывает резкое снижение сопротивления газа в лампе ("triggering"), что инициирует разряд основного конденсатора C (энергия разряда - до 130 Дж), подключенного к электродам лампы, через лампу и требуемую резкую вспышку белого света.

В качестве примера такого трансформатора можно привести TC-50:

Параметры трансформатора TC-50:
первичная обмотка - 14 витков, 3,5 мкГн, 130 мОм;
вторичная обмотка - 1000 витков, 2,1 мГн, 180 Ом;
входное напряжение - 300 В;
выходное напряжение - 10 кВ;
емкость конденсатора - 0,22 мкФ;
энергия - 10 мДж.

В своем генератор Маркса я использовал импульсный (авто)трансформатор, взятый мной из советской сетевой фотовспышки "Фотон":

1 - верхний вывод первичной обмотки L1
2 - объединенные нижние выводы обмоток L1 и L2
3 - верхний вывод вторичной обмотки L2

сетевая фотовспышка "Фотон"

На схеме вспышки трансформатор обозначен как Тр:

Не следует путать импульсный трансформатор для зажигания лампы с трансформатором инвертора, предназначенного для преобразования низкого напряжения питания (например, 6 вольт) в высокое напряжение заряда конденсатора C (например, 340 вольт):

Ксеноновая лампа EL1
Ксеноновая лампа представляет собой трубку (из кварцевого или боросиликатного стекла), заполненную ксеноном, и имеет три электрода - анод, катод и триггер:

Анод и катод обычно изготавливаются из вольфрама.

Лампа в моем генераторе Маркса взята из вспышки цифрового фотоаппарата Genius G-Shot D211:

Зажигание
После подачи питания от выпрямителя, подключенного к высоковольтному генератору, конденсатор Ct начинает заряжаться через резистор Rt.
Параллельно происходит заряд основных конденсаторов C1 - C4 через резисторы R1 - R7 (см. полную схему установки выше).
Когда напряжение на конденсаторе достигает напряжения срабатывания лампы EL1, происходит пробой, лампа вспыхивает

и замыкает цепь, соединяя заряженный конденсатор Ct с первичной обмоткой L1 трансформатора T1. Возникающий в обмотке L1  импульс тока наводит импульс высокого напряжения во вторичной обмотке L2. Этот высоковольтный импульс пробивает воздушный промежуток между электродами 3 и 2 воздушного разрядника (см. фотографию выше) (см. разряд 1 на фото ниже). Разряд с управляющего электрода 3 инициирует разряд между основными электродами 1 и 2 конденсаторов первой ступени C1 (см. разряд 2 на фото ниже).

1 - пробой вспомогательного промежутка
2 - пробой основного промежутка

Резистор R1 предотвращает возникновение дугового разряда на первом разряднике после его пробоя.

КОНДЕНСАТОРЫ

Я в своей установке использовал конденсаторы CBB81 (аналог К78-2) - высоковольтные конденсаторы не-индуктивного типа на основе полипропилен-металлизированной плёнки (с большими токами разряда) с огнезащитным эпоксидным покрытием корпуса:

1 - полипропилен-металлизированная плёнка
2 - слой напыленного металла
3 - выводы
4 - красная эпоксидная смола
5 - алюминиевая фольга

Я решил увеличить энергию разряда, добавив конденсаторы 22 нФ x 2000 В:

В итоге, конденсаторы одной ступени включены таким образом:

C1 ... C3 - 3300  пФ x 1000 В (общая емкость цепочки 1,1 нФ)
C4, C5 - 8200  пФ x 2000 В (общая емкость цепочки 4,1 нФ)
C6, C7 - 22 нФ x 2000 В (общая емкость цепочки 11 нФ)
Общая емкость конденсаторов одной ступени составила C = 16,2 нФ.
При напряжении заряда U = 3 кВ в одной ступени запасается энергия $ W_e = {{C\dot{U}^2}\over 2} = 0,07 $ Дж. Таким образом, энергия одного разряда составляет около 0,4 Дж. Для сравнения, в проекте Loneoceans Laboratories энергия разряда в первом варианте генератора составила 0,05 Дж, а во втором - 0,56 Дж.

РЕЗИСТОРЫ
Резисторы R2 - R7 (см. полную схему установки выше) составлены из трех соединенных последовательно резисторов МЛТ по 560 кОм, а резистор R1 - из трех резисторов ОМЛТ по 910 кОм (у всех резисторов номинальная мощность 2 Вт):

Резисторы ОМЛТ имеют такие же электрические параметры, как и МЛТ, но обладают повышенной механической прочностью и надежностью - срок сохраняемости у резисторов ОМЛТ - 25 лет, а у МЛТ - 15 лет.

ЭКСПЕРИМЕНТЫ С МОИМ ГЕНЕРАТОРОМ МАРКСА

Разряд генератора Маркса:

1 - вспышка ксеноновой лампы
2 - разряд на управляющем электроде
3 - разряд разрядника ступени
4 - разряд основного разрядника разряд генератора Маркса

Разряды моего генератора Маркса при выключенном освещении:

(щелкните мышкой по рисунку для просмотра в увеличенном размере)

При напряжении питания 3,6 кВ интервал между разрядами составил 1,2 с.
При повышении напряжения на выходе высоковольтного источника частота разрядов возрастает - при напряжении 4,2 кВ интервал между разрядами 0,7 - 0,8 с.

Видео моих экспериментов с генератором Маркса
09.11.2015 - https://youtu.be/9waUcT-yDOo
25.03.2013 - https://youtu.be/LLqqs178_sk
24.01.2013 - https://youtu.be/a2DiT5gKEZE

ОПАСНОСТЬ ГЕНЕРАТОРА МАРКСА

Высокое напряжение
Генератор Маркса является источником высокого напряжения - содержит конденсаторы, которые в процессе работы заряжаются до опасного напряжения. Необходимо всегда разряжать конденсаторы перед какими-либо манипуляциями с устройством.
Следует учитывать, что высокое напряжение может вызвать электрический пробой воздуха (напряжение 1 кВ пробивает воздушный промежуток длиной 1,1 мм).

Ультрафиолет
Электрические разряды генератора Маркса являются источником ультрафиолетового излучения в диапазонах UVA (ближний ультрафиолет, УФ-A лучи, 315 — 400 нм) и UVB (средний ультрафиолет, УФ-B лучи, 315 — 280 нм).
При экспериментах следует использовать защитные очки.

Озон
При разряде генератора Маркса в воздухе происходит образование аллотропной формы кислорода - озона $ O_3 $:
$ O_2 + O = O_3 $

Опасность озона (Классификация ЕС согласно Директиве об опасных веществах (DSD)):

окислитель	очень токсичен	коррозионен

Озон токсичен (относится к 1 классу опасности - "чрезвычайно опасные вещества") из-за его высокой окисляющей способности и образования во многих реакциях с его участием свободных радикалов кислорода. Основное технологическое применение озона связано именно с его исключительными окислительными свойствами (по своим окислительным возможностям озон опережает хлор и перекись водорода).

Он может причинить вред людям, домашним питомцам и растениям.
50% белых мышей гибнет после 4 часов воздействия озона концентрацией 0,53 - 1 мг/м³.

Порог человеческого обоняния соответствует концентрации озона в воздухе около 0,01 мг/м³.
ПДК озона в воздухе рабочей зоны (ГОСТ 12.1.007-76, ГН 2.2.5.1313-03) 0,1 мг/м³.

ПДК вредных веществ в воздухе рабочей зоны – это такая концентрация, которая при ежедневном воздействии (но не более 40 часов в неделю) в течение всего рабочего стажа не может вызвать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья человека, обнаруживаемых современными методами исследований, в период работы или в отдалённые сроки жизни настоящего и последующих поколений.

При вдыхании высоких концентраций озона (9 мг/м³ и выше) может появиться:

• кашель
• раздражение глаз
• головная боль
• головокружение
• загрудинные боли

Примечание:
1 мг/м³ озона = 0,46 ppm; 1 ppm = 2,15 мг/м³; 1 мг/л = 10³ мг/м³

Озон в высоких концентрациях нестабилен и постепенно превращается в кислород:
$ 2 O_3 \rightarrow 3 O_2 $

При работе моего генератора Маркса запах озона начинает ощущаться уже после нескольких десятков разрядов!

Радиопомехи
Генератор Маркса является источником мощных радиочастотных помех (RFI). Он может повлиять на работу кардиостимуляторов!

ПРИМЕНЕНИЕ ГЕНЕРАТОРОВ МАРКСА

Генератор импульсов высокого напряжения (генератор импульсного напряжения, ГИН) Маркса используется в разнообразных исследованиях в науке, а также для решения разнообразных задач в технике.

Первоначально генераторы Маркса применялись и применяются сейчас в ядерных и термоядерных исследованиях для ускорения различных элементарных частиц, создания ионных пучков, создания релятивистских электронных пучков для инициирования термоядерных реакций. Также генераторы Маркса применяются в качестве мощных источников накачки квантовых генераторов, для исследований состояний плазмы, для исследований импульсных электромагнитных излучений. В военной технике генераторы Маркса отдельно и в комплексе с виркаторами применяются в качестве генераторов излучения для создания портативных средств радиоэлектронной борьбы, в качестве электромагнитного оружия, действие которого основано на поражении целей радиочастотным электромагнитным излучением (РЧЭМИ).

В американском передвижном генераторе Маркса FEBETRON-2020 генерируются импульсы тока в 6 кА при напряжении 2,3 МВ, в результате чего излучаются мощные электромагнитные импульсы:

Виркаторы (Virtual Cathode Oscillator) используются как генераторы излучения в СВЧ и рентгеновском диапазонах. Виркаторы способны произвести очень мощные одиночные импульсы энергии, они конструктивно просты, небольшие по размерам, прочные и способны работать в относительно широкой полосе частот микроволнового диапазона. Мощность таких генераторов может достигать уровня 10¹⁰—10¹² Вт. Виркатор представляет собой электронную лампу, у которой есть два электрода – эмиттер и сетка. При приложении к ним импульса высокого напряжения формируется облако электронов, которое движется к сетке, пролетает сквозь ее ячейки и колеблется относительно сетки вплоть до полной нейтрализации заряда. При движении электронов с ускорением возникает электромагнитное излучение. Облако электронов выполняет роль «виртуального катода», от которого, собственно, и происходит название «виркатор».

1 — изолятор; 2 — металлический катод; 3— сеточный анод; 4— виртуальный катод; 5— диэлектрическое окно

Генерация гигаваттной мощности требует такого числа электронов, которое можно получить лишь при взрывной эмиссии: на микроостриях поверхности эмиттера под действием поля высокой напряженности происходит сильный местный разогрев вещества и оно превращается в плотную плазму (то есть взрывается). Интересно, что нужная плотность микронеровностей (в сочетании с нужной проводимостью) получается на сломе графита, поэтому один из самых удобных материалов для эмиттера – сломанные грифели карандашей.

Виркатор с емкостным накопителем энергии, Национальный исследовательский Томский политехнический университет (создание мобильных источников СВЧ-излучения, работающих в частотно-периодическом режиме, воздействие излучения на материалы и объекты, радиолокация)

В промышленности генераторы Маркса наряду с другими источниками импульсных напряжений и токов применяются в электрогидравлической обработке материалов, дроблении, бурении, уплотнении грунтов и бетонных смесей.