Jakiś czas temu udało mi się pozyskać bardzo ciężkie urządzenie które, jeszcze wtedy nie wiedziałem do czego służyło. Zajrzałem do środka i zobaczyłem bardzo ciekawe elementy wysokonapięciowe więc mój instynkt zbieracza tego typu złomu (jak to moja żona nazywa), wyświetlił komunikat, że muszę to mieć.
Urządzenie dopiero po demontażu okazało się być elementem dużo większego zestawu, które w medycynie służy do naświetlań nowotworów. Był to generator impulsów dla klistronu, który to z kolei wytwarzał promieniowanie mikrofalowe do przyśpieszania elektronów w akceleratorze liniowym, tzw. LINAC.
W akceleratorze tym elektrony są przyśpieszane wzdłuż liniowego toru przechodząc przez kolejne wnęki przyśpieszające, źródłem energii w takim akceleratorze może być magnetron lub klistron. I właśnie klistron, a właściwie w tym artykule jedynie zasilacz wysokiej częstotliwości wysokiego napięcia będzie bohaterem.
Jako ciekawostkę dodam, że tego typu klistron może ma moc ciągłą nawet 50 kW i moc w impulsie nawet kilkadziesiąt MW. Zasilacz, który będziecie Państwo mogli zobaczyć ma moc ciągłą 15 kW i w impulsie 5 MW.
Mała niepozornie wyglądająca bryła metalu kryje w sobie co najmniej kilka ciekawych elementów wysokiego napięcia. Jej waga bez oleju to ponad 500 kg. Na szczęście, gdy ją kupowałem w środku nie było już go, co znacznie ułatwiło mi pracę.
Spoglądamy do środka przez otwór, w którym znajdował się potężny klistron, na samym dole widać gniazdo, którym impulsy doprowadzane były do tego elementu.
Na tym zdjęciu wyprowadzone z wewnątrz sygnały i napięcia pomiarowe do układów sterowania.
I wreszcie czas zdjąć pokrywę i zajrzeć do środka. Na tym zdjęciu widzimy powielacz napięcia do ładowania kondensatorów impulsowych. Jednak może w tym momencie wstawię jedno ze zdjęć ze schematami, które udało mi się znaleźć na stronie: http://loassociates.com/rfsystem/linac%20pulsemod.htm. Pokazuje ono jak elementy, które zaraz pokażę były połączone.
Zaprezentowany schemat nie jest dokładnym obrazem tego, co za chwile zobaczymy. Przedstawia jednak z grubsza o co w tym wszystkim chodzi. Będę się do niego odwoływał w dalszej części prezentacji zdjęć z demontażu.
Na tych zdjęciach mamy szczegółowy obraz części elementów generatora. Widzimy tu od prawej strony transformator wysokiego napięcia z układem filtrowania wysokiego napięcia LC. Jego pierwotne uzwojenie zasilane jest z potężnego falownika. W każdym bądź razie wysokie napięcie zmienne z transformatora trafia na powielacz napięcia, który już na jednym ze zdjęć był widoczny, ale pokażę go jeszcze w dalszej części. Na zdjęciu widzimy też wodorowy tyratron oraz transformator impulsowy.
Teraz to wszystko co przykleiło się do wieka, które zdjęliśmy :), jest tu tzw. PFN czyli Pulse Forming Network. Bateria siedmiu kondensatorów impulsowych wysokiego napięcia 35 kV i o pojemności 30 nF każdy, wraz z cewkami o regulowanej indukcyjności. Dzięki tym regulowanym cewkom można kształtować powstające impulsy, co w tego typu urządzeniu jest bardzo ważne.
Tutaj widzimy wyjście z transformatora impulsowego do gniazda klistronu, tutaj też umieszczono pojemnościowy przetwornik impulsów wysokiego napięcia. Zgodnie z zamieszczonym schematem podobnego układu może on dawać sygnał o wartości 10kV/V
Oprócz przetworników wysokiego napięcia i prądu, które w impulsie trwającym ok. 1,5 uS mogą przybierać wartość 245 kV przy 245 A znajduje się tam jeszcze jeden, który obejmuje swym zasięgiem już sam klistron. Ten miedziany toroid, w którym znajduje się szczelina od wewnętrznej strony zawiera w sobie cewkę nawiniętą na rdzeniu z dużej ilości transformatorowej blachy, wychodzi z niego jedno złącze BNC.
Tutaj prawdziwy skarb - 7 szt kondensatorów impulsowych wyprodukowanych przez renomowaną firmę Maxwell. Napięcie nominalne 35 kV, pojemność 30 nF, ich karta katalogowa dostępna jest pod tym linkiem. Można z nich pociągnąć prąd w impulsie aż 25.000 A !!!
A tutaj źródło energii w całym układzie - transformator wysokiego napięcia - jego pierwotne uzwojenie nawinięte jest kilkoma zwojami grubej miedzianej blachy, a zasilane było z falownika zbudowanego w półmostku na dwóch tranzystorach IGBT CM600.
Tylko jako ciekawostkę w tym artykule wspomnę, że wartości prądów w obwodzie pierwotnym kontrolowane były za pomocą przetwornika prądu LEM o zakresie 1500 A. Dzięki możliwości regulacji częstotliwości i wypełnienia zmiennego prądu w tym obwodzie można ściśle wpływać na wartość napięcia na wyjściu jak i skutecznego prądu wpompowywanego do układu.
Solidny układ zbudowany z 10 szt kondensatorów ceramicznych wysokiego napięcia na 30 kV i o pojemności 400 pF każdy oraz 5 szt rezystorów wysokonapięciowych mocy 15 kΩ 100W, służył zapewne do gaszenia impulsów samoindukcji powstających w chwilach gwałtownego załączania i wyłączania prądu bo układ tutaj nie był zasilany przebiegiem sinusoidalnym lecz przebiegiem prostokątnym.
To co na powyższych zdjęciach możecie Państwo zobaczyć to układ sterowania wodorowego tyratrony, czyli praktycznie rzecz ujmując serca układu. To właśnie tyratron nadaje rytm pracy całego układu powodując rozładowanie kondensatorów do masy przez pierwotne uzwojenie transformatora impulsowego.
Tyratron to lampa gazowa bardzo podobna do triody, gdzie pomiędzy katodą i anodą umieszczono siatkę sterującą odpowiedzialną za osłabianie wpływu napięcia anodowego na katodę. Mój tyratron ma naprawdę imponujące parametry bo do anody można przyłożyć napięcie 36 kV i może on przewodzić prąd w impulsie równy 2 kA.
Gdy bateria kondensatorów w PFN zostanie naładowana napięcie na nich wynosi 35 kV i takie samo znajduje się na anodzie tyratronu. Włączona jest grzałka katody tyratronu - przy napięciu 6,2 V ciągnie ona 22A :) całkiem spora grzałeczka. Gdyby w tej sytuacji pomiędzy katodą i anodą nic nie było elektrony od katody popłynęły by do anody, gaz by się zjonizował i doszło by do zapłonu lampy, która odprowadziła by ładunek z PVN do masy przez pierwotne uzwojenie transformatora generując impuls.
Jednak pomiędzy elektrodami znajduje się siatka sterująca, którą możemy ujemnie spolaryzować napięciem 600V, jak podaje nota katalogowa. Dzięki temu nie dochodzi do emisji elektronów i lampa nie przewodzi. Podanie nawet bardzo krótkiego dodatniego impulsu na siatkę drastycznie zmienia jej stan.
Pierwszy stan lampy czyli wyłączenie przechodzi w stan drugi czyli komutację - gaz wewnątrz lampy, wodór, zaczyna się jonizować i przez lampę zaczyna płynąć coraz większy prąd. W tym momencie nawet zmiana stanu siatki sterującej nie jest w stanie wyłączyć lampy bo dodatnie jony ją oblepiają. Po stanie komutacji następuje stan przewodzenia - lampa jest wypełniona całkowicie zjonizowanym wodorem, gorącą plazmą. Ma znikomą rezystancję dlatego kondensatory bardzo szybką są rozładowywane przez pierwotne uzwojenie transformatora. Napięcie anody spada.
Gdy wartość napięcia na kondensatorach a tym samym na anodzie spadnie poniżej pewnego progu zdolnego podtrzymać jonizację dochodzi do wyłączenia tyratronu, jego cechą charakterystyczną jest to, że ultraszybko odzyskuje swe izolacyjne właściwości i bateria kondensatorów znów może się naładować przygotowując tym samym kolejny strzał. Cały proces może powtarzać się ultraszybko dlatego generator może pracować z częstotliwościami radiowymi.
Powyższy diagram obrazuje jak z pojedynczego impulsu wyzwalającego tyratron powstaje energia mikrofalowa pompująca akcelerator liniowy. Jeżeli ktoś z Państwa zainteresowany jest szerszymi informacjami na temat tyratronu zapraszam do lektury dokumentu producenta E2V Technologies, znajdującego się pod tym linkiem.
Na tym zdjęciu możemy zobaczyć trzy grube przewody wychodzące z tyratronu, są to przewody odpowiedzialne za grzanie katody - 2 i wyprowadzenie sterujące siatką.
I znów wracamy na początek układu, no może nie na sam początek a za transformator zasilający. Znajduje się tu przepiękny powielacz napięcia wraz z miernikiem wysokiego napięcia z wyprowadzonym sygnałem przewodem koncentrycznym ze złączami BNC.
Na tym zdjęciu rozebranego kilowoltomierza badającego napięcie na powielaczu a tym samym na PFN. Gdyby ktoś z Państwa mógł coś jeszcze powiedzieć na temat tego urządzenia lub znalazł jakieś głupoty, które napisałem bardzo proszę o informację. Większość z elementów, które zdemontowałem z urządzenia można zakupić w moim sklepie na Allegro ZAPRASZAM.
