ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР

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 квысоковольтной 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 U_m = 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 Э. г., отличающихся способом транспортировки зарядов: Э. г. с жёсткими роторами в виде цилиндров или дисков; Э. г. с гибкими лентами (генератор Ван-де-Граафа); Э. г. 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. Э. г. работает в сжатом газе.

У Э. г. 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/см ², 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 за рядоносителями: 1 - шкив транспортёра: 2 -зарядо носители; 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, перено симого его транспортёром.

Рис. 5. Схема регулирования электростатического ге нератора с коронирующим электродом: 1- корони рующие острия; 2 - изолятор; 3- регулирующий триод; 4- высоковольтный электрод генератора; 5 - сосуд вы сокого давления.

Лит.: Гохберг Б. M., Яньков Г. Б., Электростатические З'скорители заряженных частиц, M., 1960; Электростатические ускорители заряженных частиц. Сб., под ред. А. К. Вальтера, M., 1963.

Б. M. Гохберг, M. П. Свиньин.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.