मार्क्स जनरेटर

मार्क्स जनरेटर एक विद्युत परिपथ है, जिसे सर्वप्रथम 1924 में इरविन ओटो मार्क्स द्वारा संदर्भित किया गया था। इसका उद्देश्य एक निम्न विभव डीसी आपूर्ति से उच्च विभव स्पंदन उत्पन्न करना होता है। मार्क्स जेनरेटर ऊंची ऊर्जा भौतिकी विज्ञान प्रयोगों में उपयोग किए जाते हैं, साथ ही पावर-लाइन गियर और उड्‌डयन उपकरणों पर विद्युत के प्रभाव को अनुकरण करने के लिए भी उपयोग किए जाते हैं। 36 मार्क्स जेनरेटर के एक बैंक का उपयोग सैंडिया नेशनल लैबोरेट्रीज़ द्वारा उनकी जेड मशीन में एक्स-रे उत्पन्न करने के लिए किया जाता है।

संचालन का सिद्धांत

परिपथ कई संधारित्र को समानांतर में आवेशित करके, तत्पश्चात अचानक उन्हें श्रृंखला में जोड़कर एक उच्च-विभव स्पंद उत्पन्न करता है। सर्वप्रथम, एन संधारित्र (C) को विभव वी के समानांतर में आवेशित किया जाता है, प्रतिरोधों के माध्यम से एक डीसी विद्युत् की आपूर्ति (R_C). स्विच के रूप में उपयोग किए जाने वाले स्पार्क अंतराल में विभव V_C होता है, परन्तु अंतराल में वी से अधिक विघटन विभव होता है, इसलिए जब संधारित्र आवेशित होते हैं, तो वे सभी विवृत परिपथ की तरह व्यवहार करते हैं। अंतिम अंतराल जनरेटर के निर्गत को लोड से भिन्न करता है; उस अंतराल के अतिरिक्त, लोड संधारित्र को आवेशित होने से रोकेगा। निर्गत स्पंद बनाने के लिए, पहला स्पार्क गैप टूटने (ट्रिगर) के कारण होता है; विघटन प्रभावी रूप से अंतर को कम करता है, पहले दो संधारित्र को श्रृंखला में रखकर, दूसरे स्पार्क गैप के पार लगभग 2V_C के विभव को लागू करता है। परिणामतः, स्टैक में तीसरा संधारित्र जोड़ने के लिए दूसरा गैप टूट जाता है, और यह प्रक्रिया क्रमिक रूप से सभी गैप को तोड़ती रहती है। उच्च विभव बनाने के लिए श्रृंखला में संधारित्र को जोड़ने वाले स्पार्क अंतराल की इस प्रक्रिया को इरेक्शन कहा जाता है। आखिरी गैप संधारित्र के सीरीज स्टैक के निर्गत को लोड से जोड़ता है। आदर्श रूप से, निर्गत विभव nV_C होगा, संधारित्र की संख्या आवेशित विभव से गुणा होती है, परन्तु व्यवहार में मूल्य कम होता है। ध्यान दें कि कोई भी आवेशित प्रतिरोध R_c संधारित्र लगाए जाने पर भी आवेशितिंग विभव से अधिक के अधीन हैं। उपलब्ध आवेशित संधारित्र पर आवेशित तक सीमित है, इसलिए निर्गत एक संक्षिप्त स्पंद है, क्योंकि संधारित्र लोड के माध्यम से निर्वहन होते हैं। कुछ बिंदु पर, स्पार्क गैप का संचालन बंद हो जाता है, और कम विभव की आपूर्ति संधारित्र को फिर से पुनः आवेशित करना प्रारम्भ कर देती है।

संधारित्र को समानांतर में आवेशित करने और उन्हें श्रृंखला में निर्वहन करने के सिद्धांत का उपयोग विभव गुणक परिपथ में भी किया जाता है, जिसका उपयोग लेज़र प्रिंटर और कैथोड रे ट्यूब टीवी समुच्चय के लिए उच्च विभव का उत्पादन करने के लिए किया जाता है, जिसमें इस परिपथ की समानता होती है। एक अंतर यह है कि विभव गुणक प्रत्यावर्ती धारा से संचालित होता है और एक स्थिर डीसी निर्गत विभव पैदा करता है, जबकि मार्क्स जनरेटर एक स्पंद पैदा करता है।

Marx generator used for testing high-voltage power-transmission components at TU Dresden, Germany

Marx generator at utility trade fair, Leipzig, East Germany, 1954

600 kV 10-stage Marx generator in operation

800 kV Marx generator in laboratory at the National Institute of Technology, Durgapur India.

अनुकूलन

उचित प्रदर्शन संधारित्र के चयन और निर्वहन के समय पर निर्भर करता है। रेडियोधर्मी आइसोटोप सीज़ियम 137 या निकल 63 के साथ इलेक्ट्रोड के डोपिंग और स्पार्क अंतराल को उन्मुख करके स्विचिंग समय में सुधार किया जा सकता है ताकि फायरिंग स्पार्क गैप स्विच से पराबैंगनी प्रकाश शेष खुली स्पार्क अंतराल को रोशन कर सके। उत्पादित उच्च विभव का इन्सुलेशन प्रायः ट्रांसफार्मर का तेल या सल्फर हेक्साफ्लोराइड (SF₆₎ जैसे उच्च दबाव ढांकता हुआ गैस में मार्क्स जनरेटर को विसर्जित करके पूरा किया जाता है।).

ध्यान दें कि संधारित्र और आवेशन पावर सप्लाई के बीच प्रतिरोध जितना कम होगा, यह उतनी ही तीव्रता से आवेशित होगा। इस प्रकार, इस प्रारूप में, जो बिजली आपूर्ति के करीब हैं, वे दूर की तुलना में तीव्रता से आवेशित करेंगे। यदि जनरेटर को लंबे समय तक आवेशित करने की अनुमति दी जाती है, तो सभी संधारित्र समान विभव प्राप्त करेंगे।

आदर्श स्थिति में, आवेशन पावर सप्लाई के निकटतम स्विच को बंद करने से दूसरे स्विच पर विभव 2V लागू होता है। यह स्विच तब बंद हो जाएगा, तीसरे स्विच पर विभव 3V लागू होगा। यह स्विच तब बंद हो जाएगा, जिसके परिणामस्वरूप जेनरेटर निर्गत पर एनवी उत्पन्न करने वाले जनरेटर को कैस्केड किया जाएगा।

यदि निर्गत स्पंद का पूर्ण समय महत्वहीन है, तो पुनः आवनेशन के दौरान पहले स्विच को अनायास टूटने की अनुमति दी जा सकती है। यद्यपि, यह सामान्यतः जानबूझकर ट्रिगर किया जाता है जब मार्क्स बैंक में सभी संधारित्र पूर्ण आवेशित पर पहुँच जाते हैं, या तो अंतराल की दूरी को कम करके, एक अतिरिक्त ट्रिगर इलेक्ट्रोड को एक स्पंदित का उपयोग करके अंतराल में हवा को आयनित करके लेज़र, या अंतर के भीतर हवा के दबाव को कम करके।

आवेशन रेसिस्टर्स, आरसी को पुनः आवनेशन और निर्वहन दोनों के लिए ठीक से आकार देने की आवश्यकता है। बेहतर दक्षता और तीव्र आवेशन के लिए उन्हें कभी-कभी प्रारंभ करनेवाला से बदल दिया जाता है। कई जनरेटर में प्रतिरोधों को तनु कॉपर सल्फेट के घोल से भरे प्लास्टिक या कांच के पात्र से बनाया जाता है। ये तरल प्रतिरोधक अधिक-पारंपरिक ठोस प्रतिरोधी सामग्रियों द्वारा अनुभव की जाने वाली कई समस्याओं को दूर करते हैं, जिनमें उच्च विभव स्थितियों के तहत समय के साथ अपने प्रतिरोध को कम करने की प्रवृत्ति होती है।

लघु स्पंदन

मार्क्स जनरेटर का उपयोग पॉकल्स कोशिकाओं के लिए लघु उच्च-शक्ति स्पंद को उत्पन्न करने के लिए भी किया जाता है, एक टीईए लेजर चला रहा है, परमाणु हथियार के पारंपरिक विस्फोटक का प्रज्वलन, और रडार स्पंद।

लघुता सापेक्ष है, क्योंकि उच्च-गति संस्करणों का स्विचिंग समय 1 एनएस से कम नहीं है, और इस प्रकार कई कम-शक्ति वाले विद्युत्कीय उपकरण तीव्र होते हैं। उच्च-चाल परिपथ के प्रारूप में, वैद्युतगतिकी महत्वपूर्ण है, और मार्क्स जनरेटर इसका समर्थन करता है, क्योंकि यह इसके घटकों के बीच छोटी मोटी लीड का उपयोग करता है, परन्तु फिर भी प्रारूप अनिवार्य रूप से एक स्थिर वैद्युत भंडारण है। जब पहला गैप टूट जाता है, शुद्ध स्थिर वैद्युत भंडारण सिद्धांत भविष्यवाणी करता है, कि सभी चरणों में विभव बढ़ जाता है। यद्यपि, चरणों को कैपेसिटिव रूप से धरातल पर और क्रमिक रूप से एक दूसरे से जोड़ा जाता है, और इस प्रकार प्रत्येक चरण एक विभव वृद्धि का सामना करता है जो तीव्रता से कमजोर होता है, और आगे चरण स्विचिंग से होता है; स्विचिंग चरण के निकटवर्ती चरण इसलिए सबसे बड़ी विभव वृद्धि का सामना करता है, और इस प्रकार बदले में स्विच करता है। जैसे-जैसे अधिक चरण स्विच होते हैं, विभव शेष में बढ़ता जाता है, जो उनके संचालन को गति देता है। इस प्रकार पहले चरण में आपूर्ति की गई विभव वृद्धि एक ही समय में प्रवर्धित और स्थिर हो जाती है।

वैद्युतगतिकी शब्दों में, जब पहला चरण टूट जाता है, तो यह एक गोलाकार विद्युत चुम्बकीय तरंग बनाता है जिसका विद्युत क्षेत्र वेक्टर स्थिर उच्च विभव का विरोध करता है। इस चलती विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र में अगले चरण को ट्रिगर करने के लिए गलत अभिविन्यास है, और लोड तक भी पहुंच सकता है; कई स्विचिंग अनुप्रयोगों में किनारे के सामने ऐसा शोर अवांछनीय है। यदि जनरेटर 1 मीटर व्यास (कहते हैं) की एक ट्यूब के अंदर है, तो क्षेत्र को स्थिर स्थितियों में व्यवस्थित करने के लिए लगभग 10 तरंग प्रतिबिंबों की आवश्यकता होती है, जो स्पंद अग्रणी किनारे की चौड़ाई को 30 ns या उससे अधिक तक सीमित कर देता है। छोटे उपकरण निश्चित रूप से तीव्र होते हैं।

एक स्विच की गति आवेश वाहकों की गति द्वारा निर्धारित की जाती है, जो उच्च विभव के साथ उच्च हो जाती है, और अपरिहार्य परजीवी समाई को आवेशित करने के लिए उपलब्ध वर्तमान द्वारा। ठोस -अवस्था हिमस्खलन उपकरणों में, एक उच्च विभव स्वचालित रूप से उच्च धारा की ओर जाता है। क्योंकि उच्च विभव केवल थोड़े समय के लिए लागू होता है, ठोस-अवस्था स्विच अत्यधिक गर्म नहीं होंगे। उच्च विभव के क्षतिपूर्ति के रूप में, बाद के चरणों को भी कम आवेशित करना पड़ता है। स्टेज कूलिंग और संधारित्र पुनः आवनेशन भी साथ-साथ चलते हैं।

अवस्था रूपांतर

हिमस्खलन डायोड 500 वोल्ट से कम स्टेज विभव के लिए स्पार्क गैप को परिवर्तित कर सकता है। आवेशित वाहक आसानी से इलेक्ट्रोड छोड़ देते हैं, इसलिए अतिरिक्त आयनीकरण की आवश्यकता नहीं होती है और प्रकम्पन कम होती है। स्पार्क गैप की तुलना में डायोड का जीवनकाल भी लंबा होता है।

एक त्वरित स्विचिंग उपकरण एनपीएन हिमस्खलन ट्रांजिस्टर है, जो आधार और उत्सर्जक के बीच एक तार के साथ लगाया जाता है। ट्रांजिस्टर को प्रारम्भ में बंद कर दिया जाता है, और इसके कलेक्टर-बेस जंक्शन पर लगभग 300 वोल्ट उपस्थित होते हैं। यह विभव इतना अधिक है कि इस क्षेत्र में एक आवेश वाहक प्रभाव आयनीकरण द्वारा अधिक वाहक बना सकता है, परन्तु उचित हिमस्खलन बनाने की संभावना बहुत कम है; इसके अतिरिक्त कुछ सीमा तक शोर रिसाव प्रवाहित होता है। जब पिछला चरण स्विच करता है, तो एमिटर-बेस जंक्शन को आगे की ओर धकेल दिया जाता है और कलेक्टर-बेस जंक्शन पूर्ण हिमस्खलन मोड में प्रवेश करता है, इसलिए कलेक्टर-बेस क्षेत्र में इंजेक्ट किए गए आवेशित वाहक एक चेन प्रतिक्रिया में गुणा करते हैं। एक बार जब मार्क्स जनरेटर पूरी तरह से सक्रिय हो जाता है, तो हर जगह विभव गिर जाता है, प्रत्येक स्विच हिमस्खलन बंद हो जाता है, इसका मेल खाने वाला कॉइल अपने बेस-एमिटर जंक्शन को विपरीत बायस में डाल देता है, और कम स्थिर क्षेत्र शेष आवेशित वाहकों को अपने कलेक्टर-बेस जंक्शन से बाहर निकालने की अनुमति देता है।

अनुप्रयोग

अनुप्रयोग एक पॉकेल्स सेल के बॉक्सकार स्विचिंग के नाम से जाना जाता है। इसमें चार मार्क्स जेनरेटर उपयोग किए जाते हैं, हर दो इलेक्ट्रोड को एक सकारात्मक स्पंद जेनरेटर और एक नकारात्मक स्पंद जेनरेटर से जोड़ा जाता है। दो जेनरेटर एक इलेक्ट्रोड पर, एक दूसरे से विपरीत ध्रुवीयता वाले होते हैं, जिन्हें पहले आग लगाई जाती है जिससे पॉकेल्स सेल को एक ध्रुवीयता में आवेशित किया जा सके। यह भी दूसरे दो जेनरेटरों को अंशत: आवेशित कर देता है परन्तु उन्हें ट्रिगर नहीं किया जाता है, क्योंकि उन्हें पहले से ही अंशत: आवेशित कर दिया जाता है। मार्क्स रेसिस्टर के माध्यम से लीकेज को एक छोटी सी बायस धारा के माध्यम से क्षतिपूर्ति कर देना चाहिए। बॉक्सकार के पश्चिमी किनारे पर, दो अन्य जेनरेटर द्वारा आग लगाए जाते हैं, जिससे सेल को "उलटा" कर सकें।

मार्क्स जनरेटर का उपयोग विद्युत् के उपकरणों के अंतरायन के परीक्षण के लिए उच्च-विभव स्पंदो को प्रदान करने के लिए किया जाता है, जैसे कि बड़े विद्युत् ट्रांसफार्मर, या बिजली पारेषण लाइनों का समर्थन करने के लिए उपयोग किए जाने वाले अंतरायन। उच्च-विभव उपकरण के लिए लागू विभव दो मिलियन विभव से अधिक हो सकता है।

खाद्य उद्योग में आलू और अन्य फलों और सब्जियों के लिए काटने में सुधार या सुखाने के त्वरण को प्रेरित करने के लिए स्पंदित विद्युत क्षेत्र प्रसंस्करण के लिए मार्क्स जनरेटर का उपयोग किया जाता है।

यह भी देखें

• एटलस-I
• कॉकक्रॉफ्ट-वाल्टन जनरेटर - एक समान परिपथ जिसमें समान सीढ़ी संरचना होती है। सीडब्ल्यू जनरेटर एक एसी इनपुट से संशोधित डीसी का उत्पादन करता है।
• वेक्टर उलटा जनरेटर श्रृंखला दृष्टिकोण में समानांतर निर्वहन में समान आवेशित का उपयोग करके एक ट्रांसमिशन लाइन डिवाइस
• विस्फोटक पंप फ्लक्स संपीड़न जनरेटर - उच्च वर्तमान दालों को बनाने के द्वंद्व (विद्युत परिपथ) का समाधान
• इग्निशन का तार
• प्रेरण कुंडली
• इस्तरा हाई विभव रिसर्च सेंटर
• टेस्ला कॉइल

अग्रिम पठन

• Bauer, G. (June 1, 1968) "A low-impedance high-voltage nanosecond pulser", Journal of Scientific Instruments, London, UK. vol. 1, pp. 688–689.
• Graham et al. (1997) "Compact 400 kV Marx Generator With Common Switch Housing", Pulsed Power Conference, 11th Annual Digest of Technical Papers, vol. 2, pp. 1519–1523.
• Ness, R. et al. (1991) "Compact, Megavolt, Rep-Rated Marx Generators", IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 38, No. 4, pp. 803–809.
• Obara, M. (June 3–5, 1980) "Strip-Line Multichannel-Surface-Spark-Gap-Type Marx Generator for Fast Discharge Lasers", IEEE Conference Record of the 1980 Fourteenth Pulse Power Modulator Symposium, pp. 201–208.
• Shkaruba et al. (May–June 1985) "Arkad'ev-Mark Generator with Capacitive Coupling", Instrum Exp Tech vol. 28, No. 3, part 2, pp. 625–628, XP002080293.
• Sumerville, I. C. (June 11–24, 1989) "A Simple Compact 1 MV, 4 kJ Marx", Proceedings of the Pulsed Power Conference, Monterey, California conf. 7, pp. 744–746, XP000138799.
• Turnbull, S. M. (1998) "Development of a High Voltage, High PRF PFN Marx Generator", Conference Record of the 1998 23rd International Power Modulation Symposium, pp. 213–16.

बाहरी संबंध

• "Marx Generator". ecse.rpi.edu. (ed. explains the Febetron 2020 pulser experimented within the RPI Plasma Dynamics Laboratory)
• Jochen Kronjaeger, ""Marx generator". Jochen's High Voltage Page, 2003.
• Jim Lux, "Marx Generators Archived 2014-11-29 at the Wayback Machine", High Voltage Experimenter's Handbook, 3 May 1998.
• "The 'Quick & Dirty' Marx generator". Mike's Electric Stuff, May 2003.