1 000 000 VOLTS

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GREINACHER / COCKROFT-WALTON 

MULTICASCADES ACCELERATORS


[Image]

Generateur Glassman 500 kV du Jefferson Laboratory

Le multiplicateur de tension continue, nommé cascade de GREINACHER  (1919)  ou cascade de COCKROFT-WALTON, est constitué par une pile de n redresseurs doubleurs de tension de Schenkel. Son principe est dû à Greinacher et il a été appliqué, presque simultanément et indépendamment, par J.D. Cockroft à Cambridge
( Angleterre) et par Bouwers, à Eindowen (Pays-Bas). Très simple dans son principe, ce type de générateur de hautes tensions continues est le premier à avoir été utilisé pour produire une réaction nucléaire ( Sir John Cockroft et Mr Ernest T.S. Walton , Cavendish Laboratory,Cambridge, 1932). Il représente le premier générateur électromagnétique à haute tension d'un accélerateur de particule.

SCHEMAS DE PRINCIPE

  Le redressement d'une tension alternative est le procédé le plus couramment utilisé pour obtenir une tension continue à partir du réseau électrique.

  Le principe est schématisé sur la figure a : la tension alternative est amenée à la valeur désirée au moyen du transformateur T. Elle est ensuite redressée par la diode D et filtrée par le condensateur C. Les alternances positives de la tension aux bornes du secondaire chargent progressivement le condensateur. En régime permanent, le condensateur ne se charge plus et sa tension est égale à la tension crête alternative V au secondaire du transformateur. Ce résultat est peu modifié si le générateur continu (en l'occurence le condensateur) débite un courant relativement faible. Lorsqu'on cherche à produire des tensions continues de plus en plus élevées, des problèmes d'isolement, rapidement insolubles, se posent pour le transformateur, la diode et le condensateur. Il n'est guère permis de dépasser quelques centaines de kilovolts. Par contre, les intensités peuvent être très élevées.

  Notons que la tension aux bornes de D, somme de la tension continue V et de la tension alternative d'amplitude V, a pour valeur de crête 2V. Si l'on redresse à nouveau cette tension, on obtiendra, aux bornes de C', la tension continue 2V ( figure b). Ce montage doubleur de tension (de Schenkel) reporte les problèmes d'isolement sur la diode D' et le condensateur C'.

  On peut aller encore plus loin . La tension aux bornes de D' a pour amplitude 2V. En la redressant par une troisième cellule, on obtient ( figure c) une tension 2V qui vient s'ajouter à la tension aux bornes de C.

  Rien n'empêche de recommencer le processus. On obtient ainsi un multiplicateur de tension qui permet - théoriquement - d'atteindre un potentiel aussi élevé que l'on veut, sans faire supporter une tension supérieure à 2V à aucun des éléments du montage. Le montage Greinacher ou Cockroft-Walton permet d'atteindre des tensions de plusieurs millions de volts. Toutefois, au fur et à mesure que le nombre d'étages augmente, la tension parasite d'ondulation ( ripple ), à la fréquence d'alimentation du transformateur, devient de plus en plus génante. On peut la réduire considérablement en utilisant un montage symétrique (figure d), des condensateurs de forte valeur ou encore une alimentation à fréquence élevée ( quelques kilohertz).

MULTIPLICATEURS DE TENSION CONTINUE ( ET REGIME CONTINU)

A Le redresseur doubleur de tension de Schenkel

Le principe de fonctionnement du doubleur de tension de Schenkel est base sur la charge d'une alternance negative de la tension us, du condensateur C1, a la valeur de crete Us.Puis ,au cours de l'alternance positive suivante de la tension us, cette derniere tension s'ajoute a Us, aux bornes de C1 pour atteindre le double de Us sur C , c'est a dire Uc , au passage de us par la crete positive.

Si l'on neglige les chutes de tension et l'ondulation ( marche a vide), la tension Uc vaut :

Uc=2 x (2)1/2xUs = 2.828 x Us

Le condensateur de sortie C doit etre dimensionne pour supporter la pleine tension de sortie Uc

Le redresseur de Schenkel est l'element de base du redresseur en cascade.

Si l'on introduit aux bornes de C une charge R , on soutirera au doubleur de tension  un courant continu moyen

IR =2 x (2)1/2x Us x 1 / R

Le courant IR soutire a la capacite C fait apparaitre une chute de tension correspondant a la profondeur d'ondulation delta Uc .

Comme le condensateur C est recharge par condensateur C1 , pendant un temps trop court , un chute de tension DELTA U0 apparait sur Uc qui vaut alors un maximum

Uc=2.828 x Us - DELTA U0

B Cascade de Greinacher ou de Cockroft -Walton :

La cascade est constutueepar une pile de n redresseurs de type Schenkel.

Si l'on se place dans le cas de la marche a vide ( si on neglige les chutes de tension et d'ondulation), la tension de sortie U vaut :

U=2 x n x (2)1/2xUs = 2.828 x n  x Us

n correspond au nombre d'etages du type Schenkel.

Schema d'un montage de Greinacher en charge ( loaded cascade ) . Les condensateurs ont tous la valeur C. Nombre d'etages n=3.

RIPPLE (Definition).

Ripple is defined as the amount of AC voltage that is superimposed on the DC output voltage. It is usually specified as the maximum AC voltage expressed as % RMS of the rated DC output voltage at full load. This is a worst case condition because, for capacitor input filter networks, ripple is directly proportional to load current, decreasing in value with decreasing current. ( Glassman High Voltage , Inc ) .

FERMILAB
FERMILAB
The transformers at the left provide AC kilovolts to the Cockroft-Walton generator, the bottom of which can be seen at the right. Most of the vertical blue cylinders are capacitors, the striated diagonal cylinders are rectifier stacks. The metallic spheres and toroids smooth out the electric field surrounding connection points, to prevent the formation of corona and flashovers.
This is one of two huge Cockroft-Walton generators.(Thanks to the Owl House )
BROOKHAVEN - Generateur Cockroft Walton
Generateur Cockroft Walton

TECHNOLOGIE DES GENERATEURS MULTIPLICATEURS DE TENSION

(Schema technique d'un multiplicateur Greinacher)

A Generateurs

  Le modele Glassman PG400 possede un voltage de sortie de 0-400 kV / 0-1 mA .La colonne mesure 1600 mm. L'electrode terminale a une forme torique bien connue des Tesla Coilers. Les colonnes sont soit positives soit negatives.

  Constructeurs :Glassman High voltage Inc., Hipotronics , Bertan  High voltage Corp., Spellman High Voltage Electronics, Magnavolt Technologies Inc..

B Les accelerateurs de particules utilisant les multicascades :

Parallel fed cascade generators

Singletron et Tandetron

  La societe HVEE (Hight Voltage Engineering Europa) propose depuis quelques annees une nouvelle generation d'accelerateurs.Ce systeme multiplicateur de tension est devenu maintenant tres fiable grace aux progres realises dans le domaine des composants electroniques assurant le redressement des courants haute tension. L'interet d'un tel dispositif reside dans l'absence de toute piece mobile et donc de toute vibration parasite au niveau du terminal. D'autre part, tous les defauts de montee de charge dus a des imperfections dans la fabrication des courroies (ou des pelletrons) sont elimines. Il en resulte une stabilite en energie remarquable puisque, d'apres les donnees publiees par le constructeur, les fluctuations en energie se situent entre 20 et 50 eV pour une energie totale de l'ordre de 2 MeV. Ceci correspond donc a une resolution en energie variant entre 1 et 2.5 10-5, donc compatible avec les exigences pour l'obtention de microfaisceaux. Cet accelerateur nomme 'Singletron' a d'ailleurs ete specialement construit pour ces applications ( microsondes nucleaires ).

  Un autre avantage de cette machine reside dans le fait que le generateur HF alimentant la haute tension est suffisamment puissant pour assurer une intensite de faisceau de 200 µA a 3,5 MeV, ce qui rend possible l'etude d'un grand nombre de reactions nucleaires.

  La meme societe commercialise egalement une autre machine de meme conception, mais basee sur type tandem (Tandetron). Elle beneficie donc de tous les avantages des machines de ce type, a savoir une grande facilite d'acces a la source d'ions exterieure et une energie disponible en sortie importante pour une taille relativement reduite. En ce qui concerne la stabilite en energie, elle est un peu moins bonne que pour le singletron (environ 100 eV a 2 MeV). Ceci provient en grande partie du 'stripping' (passage des ions de l'etat negatif a l'etat positif) realise au milieu du tube accelerateur qui induit inevitablement une fluctuation plus importante de l'energie des ions.

Dynamitron

  La societe IBA, initialement RDI, Radiation Dynamics Inc. USA,  commercialise depuis le le Dynamitron, qui est un accélérateur de particules ( électrons) qui utilise le même principe. La gamme des voltages accélerateurs est étendue de 500 kV à 5 MV. Il est composé d'une cascade de tubes redresseurs. Des semi-anneaux équipotentiels sont reliés à la cathode et à l'anode de chaque redresseur de la cascade. Deux électrodes RF sont fixéesprès de la face intérieure du réservoir de pressurisation. Ce circuit, dont la fréquence de résonance est proche de 100 kHz est couplé via par induction via un oscillateur. En raison de sa grande puissance, l'oscillateur est contenu dans un réservoir pressurisé séparé.

C Transformateur à coeur isolé : ( Insulating core transformer ) : le transformateur est composé de circuits secondaires,  très isolés les uns des autres, qui alimentent leur propre cellule de redressement. Chaque circuit secondaire transforme le courant alternatif à plusieur milliers de volts.Les sorties des redresseurs sont connectées en série pour produire le courant continu à très haute tension ( de 200 kV à 4 MeV )

D Un accelerateur de technologie differente :  "Nested High Voltage Generator "

Richard J. Adler, Robert J. Richter-Sand, M.Lobitz  de North Star Research Corp.,Albuquerque, NM, USA ont mis au point un generateur compact de hautes tensions continues, qui utilise bobines secondaires / redresseurs emboites les unes dans les autres en poupees russes.(Transformateur sans noyau metallique, secondaires en cages de Faraday, separees par un dielectrique solide) .L'alimentation de ces enroulements secondaires est realisee a partir d'un enroulement primaire externe et d'un oscillateur.Chaque couche genere un potentiel de 50 kVet la mise en serie permet d'atteindre une tension de 500 a 600 kV.

"The use of the company's patented Nested High Voltage technology (US Patent #5,124,658) leads to accelerators of small size with large capabilities. The device consists of an air core primary/multiple secondary system driven by a high power oscillator. The primary coil drives an array of secondary coil/rectifier combinations which produce DC voltages of 50 kV / stage added in series. The unique NHVG topology assures that the dielectric insulation system will be both rugged and durable."


HIGH VOLTAGE CASCADES WEB SITES

SITOGRAPHIE

Jim Lux

DC Accelerators ( E. Cottereau)

Science and Technologie ( Gary Weaver )

Elmhurst College'Kevatron

The Microwave Oven Voltage-Doubler Circuit

High Voltage Engineeting Europa B.V ( Netherlands)

Glassman High voltage Inc.

Hipotronics

Bertan  High voltage Corp.

Spellman High Voltage Electronics

Magnavolt Technologies Inc.

Dynamitron, Radiation Dynamics Inc. (RDI) , IBA.

Jochen

Aguet M. , Ianoz M. - Generateurs de hautes tensions transitoires -in Traite d'Electricite,Volume XXII, Presses polytechniques et universitaires romandes, 1990,Lausanne

Boussard D. - les accelerateurs de particules- 1984 PUF, Que sais je ? n° 1316, pp 27-30.

Ensemble d'experimentation haute tension, Publ. Messwandler-Bau, GMBH, Bamberg.

L'equipement des laboratoires a haute tension, Publ.Haefely, BF701a, Bâle.

EDF- -Les laboratoires d'Essais a haute tension- Les Renardieres

SEFELEC (distributeur de multiplicateurs de tension  GLASSMAN HIGH VOLTAGE, INC. ) 77185 LOGNES - FRANCE : prix indicatif pour 300 kV @ 1 mV : 200 000 FF !

SCIENCE MUSEUM de Londres : possede le multiplicateur de COCKROFT-WALTON historique.

Radiation Dynamics Inc.: Dynamitron Accelerators (General Specifications) (1965)

J.W.Hammer; H.M.Schnüpferling; E.Bergandt and T.Pflaum: Beam Transport System for a 4 MeV Dynamitron Accelerator Nucl. Inst. and Meth. 128(1975)409--424

J.W.Hammer; B.Fischer; H.Hollick; H.P.Trautvetter; K.U.Kettner; C.Rolfs and M.Wiescher: Beam Properties of the 4 MV Dynamitron Accelerator at Stuttgart Nucl. Inst. and Meth. 161(1979)189--198



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1999 , 2013 © Lyonel Baum