10-6. Молния
С 1928 по 1933 г. производились попытки приручить молнию, заставить ее вести атаку ядра.
На горе Дженерозо в Швейцарских Альпах физики Браш, Ланге и Урбан подвесили между скалами на высоте 80 м длинную антенну — проволочную сетку-гамак, изолированную при помощи гирлянд изоляторов. По мысли авторов проекта, на антенне должны были собираться огромные заряды атмосферного электричества и создавать высокое напряжение. Это напряжение они думали приложить к вакуумной трубке для ускорения протонов.
При некоторых опытах на антенне-гамаке скапливалось достаточно зарядов, чтобы вызвать искры длиною в 4,5 м. Предполагалось, что при этом возникает напряжение до 10 млн. в.
Но высокое напряжение на огромной антенне получалось нерегулярно. Приходилось подолгу ждать соответствующего состояния атмосферы. Один из ученых (Курт Урбан) был убит при этих опасных опытах. Ловля молний — это был романтический, но, увы, мало давший науке эпизод из истории штурма атомного ядра.
10-7. Перенос зарядов на ремнях
Известно множество разнообразных технических способов получения сверхвысоких напряжений. Старейший из них — это механическое перетаскивание зарядов. Электрические заряды поднимаются при помощи ремней к высоковольтному электроду, подобно тому, как на механизированных лыжных трамплинах поднимают спортсменов на вершину.
Еще в прошлом веке, до того как возникла промышленная электротехника, существовали конструкции высоковольтных генераторов, в которых заряды переносились вращающимися изоляционными дисками.
В 1925 г. профессор Б. И. Угримов опубликовал данные о высоковольтном генераторе с движущейся лентой, который он построил и исследовал в лаборатории Московского высшего технического училища.
Рис. 10-3. Схема электростатического генератора сверхвысокого напряжения. Электрические заряды переносятся при помощи ремня из изоляционного материала.
Американский физик Ван-де-Грааф один из первых оценил возможности этих генераторов для питания ускорительных трубок. По его почину такие генераторы широко распространились в лабораториях для ядерных исследований. На рис. 10-3 показана принципиальная схема подобного генератора.
У заземленного полюса генератора на непрерывно движущийся ремень наносятся электрические заряды. Эти заряды доставляются ремнем к высоковольтному электроду — полому шару, внутри которого они снимаются с ремня. Иногда здесь не только снимаются те заряды, что пришли от заземленного полюса, но еще и насаживаются на ремень заряды противоположного знака. Последние затем переносятся к заземленному полюсу. Такая перезарядка ремня при прочих равных условиях позволяет несколько увеличить силу тока генератора.
Величина тока, который можно получить от генераторов типа Ван-де- Граафа, зависит от скорости движения ремня и от его ширины. В некоторых конструкциях применяют не один, а несколько параллельно работающих ремней. И все же сила тока подобных генераторов не превышает обычно одного миллиампера — тысячной доли ампера.
При работе установки быстро движущийся ремень трется о воздух или другой газ, в котором работает электростатический генератор. На преодоление сил этого трения затрачивается значительная часть мощности приводного двигателя. Кроме того, мощность тратится также на преодоление трения в подшипниках и направляющих валиках. Вследствие всех этих потерь коэффициент полезного действия генераторов с переносом зарядов ремнями не превышает 20%.
Вместо ремней из изоляционного материала предлагалось применять для переноса электрических зарядов струи запыленного газа, в котором заряды насаживались бы на пылинки и вместе с ними -перемещались бы к собирающему электроду; предлагалось применять для этой цели струи мокрого пара, увлекающие ионы и заряженные капельки. В 30-х годах автор проводил опыты с парортутными (ионно-конвекционными) и пылевыми генераторами. Подобные генераторы исследовались и в других странах. Однако практического, применения эти генераторы пока не получили.
Помимо механических способов переноса зарядов, для получения сверхвысоких напряжений применяются различные электрические методы, основанные на использовании так называемых каскадных схем преобразования тока.
10-8. Каскады
В технике каскадными устройствами называют такие системы машин, аппаратов, приборов, в которых осуществляется последовательный ход каких-либо физических или технологических процессов. С давних пор известно, например, каскадное включение насосов. При сравнительно небольшом давлении в каждой ступени можно поднимать воду на большую высоту.
Источники высокого напряжения (и постоянного, и переменного тока), состоящие из низковольтных каскадов, применяются в электротехнике уже с конца прошлого века. Есть много вариантов каскадных выпрямительных схем умножителей напряжения (или каскадных генераторов, как их иногда называют) для превращения переменного тока в постоянный высокого напряжения.
В каждой ступени многокаскадной выпрямительной схемы можно применять относительно низкое напряжение и, следовательно, использовать для выпрямления этого напряжения слабые, сравнительно низковольтные электрические клапаны (вентили). Электрические заряды в многокаскадных схемах передаются с каскада на каскад подобно тому, как перекачивается вода в показанных на рис. 10-4 многокаскадных насосах. Включая достаточно большое количество электрических каскадов, можно получать любое высокое электрическое напряжение, какое только способна выдержать изоляция высоковольтной установки.
Рис. 10-4. Старинные многокаскадные устройства.
а — машина для поднятия воды. Из сочинения Джеронимо Кардано (1501—1576 гг.); б — машина для выкачивания воды из шахт. Из сочинения М. В. Ломоносова (1711—1765 гг.) «Первые основания металлургии» (1763 г.).
Первая ядерная реакция с протонами, ускоренными в вакуумной трубке, была получена в лаборатории Резерфорда в Англии на установке, в которой к ускорительной трубке прикладывалось высокое напряжение, полученное от каскадного выпрямителя (рис. 10-5).
Для всех каскадных устройств характерно то, что в них всегда имеется какое-либо приспособление для подвода энергии к отдельным каскадам — имеется «энергоподвод» вдоль всей цепочки каскадов.
В водоподъемных каскадных насосах системы Кардано таким энергоподводом является вращающийся вал. В насосах, показанных в книге Ломоносова «Первые основания металлургии», энергия к отдельным каскадам подводится от штока, который движется возвратно-поступательно.
И в электрических каскадах источников высокого напряжения также применялся иногда механический способ подвода энергии к отдельным каскадам. Была, например, сооружена установка, в которой длинным валом, изготовленным из изоляционного материала, соединялся ряд электрических машинных генераторов.
Рис. 10-5. Схема выпрямительного конденсаторного каскада.
Две колонны последовательно соединенных конденсаторов соответствуют расположенным друг над другом промежуточным резервуарам в многокаскадных водяных насосах. Между конденсаторами включены электрические вентили, через которые электрические заряды передаются из конденсатора в конденсатор.
Во время одного полупериода питающего переменного тока электрические заряды перетекают от правых конденсаторов к левым; в другой полупериод заряды протекают от левых конденсаторов к правым. В итоге каждый из конденсаторов оказывается заряженным до напряжения, равного амплитуде питающего переменного напряжения U. Если в каждой из колонн последовательно включено п конденсаторов, то результирующее напряжение между землей и высоковольтным электродом (верхним шаром) будет равно nU.
Например, при напряжении питания 100 кВ и при 20 каскадах результирующее напряжение будет равно 2 млн. в.
1 При всех прочих равных условиях скорости электронов и протонов относятся обратно пропорционально корню квадратному из их масс.
Во избежание пробоев каждый последующий генератор изолировался от земли до более высокого напряжения, чем предыдущий. И каждый из них питал током только свое звено каскада.
Более совершенными являются не механические, а электрические способы питания каскадов.
Можно, например, передавать энергию с помощью переменного электрического поля через цепочку конденсаторов. Конденсаторы являются изоляторами для постоянного напряжения, но хорошо пропускают через себя переменное, которым питаются каскады.
Конденсаторные каскадные преобразователи были применены в лаборатории Резерфорда и продолжают широко применяться в настоящее время.
Изолированные друг от друга каскады можно связать не только электрическим, но и магнитным переменным потоком. Автором разрабатывался ряд конструкций такого типа. Строились устройства, в которые включались последовательно сотни отдельных каскадов. На рис. 10-6 показана упрощенная принципиальная схема многокаскадного выпрямителя с электромагнитной связью отдельных каскадов. Здесь представлена колонна из плоских катушек. Все катушки пронизываются общим переменным высокочастотным электромагнитным потоком. Этот поток и накачивает энергию в изолированные одна от другой катушки. Электрические вентили, присоединенные к катушкам, выпрямляют переменное напряжение. Выпрямленные напряжения отдельных каскадов складываются, образуя суммарное высокое напряжение.
Рис. 10-6. Схема многокаскадного высокочастотного высоковольтного преобразователя с индуктивной связью между каскадами.
Переменный магнитный поток пронизывает систему расположенных одна над другой и изолированных друг от друга катушек. Напряжение каждой катушки выпрямляется при помощи вентилей. Выпрямленные напряжения складываются. Результирующее напряжение равно напряжению одиночной катушки, умноженному на число катушек.
Катушки обычно занимают меньший объем и стоят дешевле, нежели конденсаторы такой же мощности. В многокаскадном высоковольтном выпрямителе с электромагнитной связью хорошо используется рабочий объем. Такой высоковольтный источник имеет высокий коэффициент полезного действия и может быть построен на какую угодно большую мощность.
Рис. 10-7. Схема импульсного источника напряжения.
И конденсаторные и катушечные многокаскадные установки можно рассматривать как фильтры высоких частот, которые пропускают переменные токи, но являются изоляторами для постоянного напряжения. Многокаскадные установки бывают различной конструкции. Они часто выполняются с обычной воздушной изоляцией, но могут быть также заключены в прочную стальную оболочку, заполненную средой с более высокой электрической прочностью, нежели воздух при атмосферном давлении, например, сжатым газом, маслом и т. д.
10-9. Удар работает
Чтобы ускорить высоким напряжением порцию заряженных частиц и «дать залп по атомному ядру», достаточно несколько миллионных долей секунды. Можно ускорять электроны или ионы не постоянным высоким напряжением, а таким, которое создается лишь на короткий миг.
Во многих отраслях техники применяются кратковременно действующие силы — используется явление удара. Пробить отверстие или забить гвоздь лучше резким ударом, а не плавным давлением. Электрические генераторы, которые развивают сверхвысокие напряжения лишь на несколько микросекунд, имеют ряд преимуществ перед теми генераторами, которые создают длительно действующее высокое напряжение.
Слева показан процесс зарядки: конденсаторы включены параллельно. От источника переменного напряжения через выпрямитель (электрический вентиль) и зарядные сопротивления протекает зарядный ток. Во всех конденсаторах на левых обкладках скапливаются положительные заряды, а на правых обкладках — отрицательные. Когда напряжение на конденсаторах достигает заданной величины, искровые промежутки пробиваются и все конденсаторы оказываются соединенными последовательно: положительная обкладка первого конденсатора через пробитый (закороченный искрой) разрядник соединена с отрицательной обкладкой второго конденсатора, положительная обкладка второго конденсатора соединена с отрицательной обкладкой третьего конденсатора и т. д. Напряжение всех конденсаторов суммируется. Если на каждый конденсатор подавалось напряжение U, а число конденсаторов п, то в момент импульсного разряда напряжение, действующее на ускорительную трубку, будет равно nU.
В СССР был построен ряд крупнейших импульсных генераторов на. напряжение до 8 млн. в. Запас энергии в применяемых там конденсаторах достигает сотен киловатт-секунд. Так как эта энергия разряжается в течение миллионных долей секунды, то мгновенная мощность импульсного разряда равна десяткам миллионов киловатт.
В 1914 г. профессор В. К. Аркадьев в Москве придумал новую электрическую схему. В этой схеме группа конденсаторов заряжается параллельно, а затем при помощи искровых разрядников на миг все эти конденсаторы соединяются последовательно и дают «высоковольтный удар».
В настоящее время такие импульсные источники высокого напряжения применяются на электротехнических заводах и в лабораториях для испытания изоляторов и всевозможных высоковольтных аппаратов: выключателей, трансформаторов и т. д. Импульсные конденсаторные источники (импульсные генераторы) строятся на напряжения до нескольких миллионов вольт. Схема импульсного источника высокого напряжения показана на рис. 10-7.
В 30-х годах импульсные генераторы высокого напряжения наряду с другими высоковольтными источниками стали применяться для ускорения заряженных частиц. Были созданы компактные и экономичные установки, значительно обогатившие ускорительную технику.
Очень ценной особенностью импульсных генераторов является то, что они могут на короткое время (в импульсе) развивать колоссальные мощности — в сотни тысяч и в миллионы киловатт. Средняя же мощность питания этих генераторов может быть относительно малой — в тысячи раз меньше импульсной. Это свойство импульсных схем весьма ценно не только для метода прямого ускорения заряженных частиц высоким напряжением, но и в устройствах, где высокие энергии заряженным частицам сообщаются косвенным путем, без применения высоких напряжений. В частности, импульсные генераторы применяются для питания так называемых линейных ускорителей, которые будут описаны ниже.
