Akceleratory kaskadowe

Akceleratory kaskadowe, nazywane także akceleratorami Cockrofta-Waltona, są historycznie najstarszym rodzajem akceleratorów.

Generator kaskadowy jako jedna z sekcji w akceleratorze cząstek zbudowanym w 1937 roku przez firmę Philips,
National Science Museum w Londynie [3]

Układ elektryczny akceleratora kaskadowego niesymetrycznego został opracowany już w roku 1920 i jest znany w elektrotechnice jako układ Greinachera. Po­nieważ jednak dopiero Cockcroft i Walton przystosowali ten układ do wytwarzania bardzo wysokich napięć — rzędu setek kilowoltów — stąd akceleratory wyposażone w genera­tory kaskadowe są często nazywane akceleratorami Cockcrofta-Waltona.

Generator kaskadowy w układzie niesymetrycznym składa się z identycz­nych stopni, zawierających kondensatory o pojemności C oraz prostowniki P; stopnie te noszą nazwę kaskad.

Schemat generatora kaskadowego w układzie niesymetrycznym [2]

Jeżeli układ generatora kaskadowego składa się z n identycznych stopni, w przypadku braku obciążenia prądowego powstanie na jego wyjściu napięcie stałe o wartości U0 = 2nu. Izolacja elementów, z których składa się każdy stopień, a więc kondensatorów i prostowników, musi wówczas wytrzymywać napięcia wsteczne, wynoszące tylko 2u; wyjątek stanowi kondensator pierwszego stopnia, na którym panuje zaledwie napięcie u. Załóżmy, iż wartość szczytowa napięcia uzwojenia wtórnego transformatora Tr wynosi 100 kV. Poszczególne kondensatory i prostowniki muszą być wykonywane na napięcie 200 kV. Jeżeli generator kaskadowy składać się będzie w omawianym przypadku z pięciu jednakowych stopni (n = 5), na wyjściu generatora otrzymamy wówczas napięcie U0 = 2nu = 1000 kV.

Opisane działanie generatora kaskadowego odnosi się wyłącznie do stanu bez obciążenia, czyli bez poboru prądu. Jeżeli jednak przyłączymy generator do komory przyspieszającej, przez którą popłynie prąd równy natężeniu wiązki przyspieszanych cząstek, przebiegi rzeczywiste ładowania poszczególnych kaskad odbiegać będą od przebiegów idealnych, co przejawi się w postaci spadku napięcia oraz wystąpieniu pulsacji napięcia wyjściowego. Ażeby pulsacje te możliwie zmniejszyć, stosuje się zwykle kondensator o podwójnej pojemności. Następnym środkiem, który podejmuje się w celu zmniejszenia pulsacji napięcia wyjściowego, jest podwyższenie częstotliwości napięcia zasilającego. Zamiast częstotliwości sieciowej 50 Hz powszechnie stosuje się częstotliwości w zakresie od 0,5 do 10 kHz. Transformator za­silający Tr jest wówczas zasilany nie z sieci, lecz z przetwornicy o odpowiednio wyższej częstotliwości.

Dalszym udoskonaleniem generatora kaskadowego było wprowadzenie układu symetrycznego. W porównaniu z klasycznym układem Greinachera osiąga się tu zmniejszenie pulsacji (n-1)-krotne.

Schemat generatora kaskadowego w układzie symetrycznym [2]

Źródła

  1. Waldemar Schaff, Akceleratory cząstek naładowanych i ich zastosowania, PWN, Warszawa 1978, strony 66-72
  2. http://en.wikipedia.org/wiki/Voltage_multiplier
  3. http://pl.wikipedia.org/wiki/Plik:Particle_accelerators_1937.jpg