Generator Marxa

Mimo tego, że urządzenie pochodzi z roku 1924 znajduje zastosowanie w nowoczesnych maszynach. Jednym z nich jest akcelerator cząstek, innym przykładem może być silnik jonowy. Generator Marxa to generator wysokiego napięcia. Podzespoły z których jest zbudowany to diody, kondensatory wysokonapięciowe - ładowane przez rezystory (rys.1). Wartość napięcia wyjściowego (Uw) zależna jest od liczby stopni (n) i dostarczonego napięcia wejściowego (Up).

Uw=Up*n

Generator ten często nazywany jest "mnożnikiem napięcia", lub "powielaczem". Otrzymanie wyższego napięcia n razy większego od wejściowego uzyskuje się przez szeregowe rozładowanie kondensatorów, po wcześniejszym ich naładowaniu równolegle. Nie zawsze jednak Up to napięcie wejściowe, zwykle to napięcie przebicia iskrownika. Kluczem działania urządzenia jest przełączanie kondensatorów z połączenia szeregowego na równoległe.

Rys. 1. Schemat elektryczny Generatora Marxa

Gdy kondensatory są połączone równolegle, ładowanie następuje poprzez rezystory. Ich oporność jest mniejsza od oporu powietrza. Gdy na kondensatorach jest zgromadzony wysoki potencjał elektryczny, dochodzi do przebicia na iskrowniku. Zapalenie łuku elektrycznego powoduje, że elektrony łatwiej przepływają w plaźmie (zjonizowany gaz), co w efekcie powoduje połączenie kondensatorów szeregowo i prowadzi do uzyskania odpowiednio wyższego napięcia.

W celu uzyskania wysokich napięć buduje się bipolarne generatory Marxa. Napięcie uzyskane pomiędzy dwoma przeciwnymi biegunami jest sumą modułów iloczynu napięcia wejściowego i stopni w jednym biegunie bipolarnego układu oraz przeciwnego bieguna.

Uw1=Up1*n1
Uw2=Up2*n2
Uw=|Uw1|+|Uw2|

Rys. 2. Schemat elektryczny bipolarnego Generatora Marxa

Układem zasilającym (do generatora Marxa najlepiej dostarczyć jak najwyższe napięcie) może być jeden z układów (Rys. 3,4).

Rys. 3. Schemat elektryczny zasilacza

Rys. 4. Schemat elektryczny zasilacza

 

Rys. 6. Generator Marxa w zastosowaniach naukowych (Haefely ™ Marx Generator)

Generator Marxa jest ważnym podzespołem w maszynie "Z" w Sandia National Laboratories. Labolatoria te działają w ramach Departamentu Energii USA, który prowadzi wiele programów badawczych. Laboratorium funkcjonuje jako oddział Lockheed Martin Corporation. Podstawowym zadaniem Sandii, która ma główne zakłady w Albuquerque, N.M. i Livermore, CA, jest prowadzenie działalności badawczo-rozwojowej w dziedzinie bezpieczeństwa narodowego, energii oraz technologii związanych z środowiskiem naturalnym. Prowadzono tam miedzy innymi badania nad fuzja i projektowaniem elektrowni termojądrowych. Niestety aktualnie badania nie przynoszą zadowalających efektów. Na pewno są jednak bardzo widowiskowe. Wewnątrz maszyny znajdują się wolframowe pręty oraz kapsuła z deuterem. Maszyna akumuluje energię po to by w jednej chwili "wpompować" ja w swoje wnętrze. Natężenie prądu zasilającego to 20 mln amper (ponad tysiąc razy więcej niż w wyładowaniu atmosferycznym). Pręty wolframowe wyparowują, a powstała plazma emituje silny impuls promieni Rentgena o chwilowej mocy przekraczającej 200 terawatów, które podgrzewają kapsułkę z deuterem. Implodująć, kurczy się do rozmiaru ledwie 160 mikrometrów. Ściśnięty deuter osiąga przy tym temperaturę kilkunastu milionów stopni (temperatury wyższe od panujących na słońcu). To wystarcza, by doszło do reakcji syntezy. Wysokie napięcia inicjujące ten proces otrzymywane są z generatorów Marxa.

Rys. 7. Akcelerator cząstek

Budowa tak wielkich generatorów Marxa nie rożni się od małych. Poza układami chłodzenia i bezpieczeństwa schemat elektryczny pozostaje taki sam.

Rys. 8. Schemat elektryczny Generatora Marxa dużych mocy