1 000 000 VOLTS

__________________________________________________________________________________________________

GENERATEURS GREINACHER / COCKROFT-WALTON 

MULTICASCADES VOLTAGE MULTIPLIERS


[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 accélérateur 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 ) .

TECHNOLOGIE DES GENERATEURS MULTIPLICATEURS DE TENSION

(Schema technique d'un multiplicateur Greinacher/ Cockroft-Walton )

A Generateurs : 100 - 400 kV

  La LH Serie  propose un voltage de sortie de 0-500 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 accélérateurs de particules utilisant les multicascades :

   Parallel fed cascade generators

   Singletron et Tandetron

  La société HVEE (Hight Voltage Engineering Europa) propose depuis quelques années une nouvelle génération d'accélérateurs.Ce système multiplicateur de tension est devenu maintenant très fiable grâce aux progrés réalisés dans le domaine des composants électroniques assurant le redressement des courants haute tension. L'interêt d'un tel dispositif réside dans l'absence de toute pièce mobile et donc de toute vibration parasite au niveau du terminal. D'autre part, tous les défauts de montée de charge dus a des imperfections dans la fabrication des courroies (ou des pelletrons) sont éliminés. Il en résulte une stabilité en énergie remarquable puisque, d'après les données publiées par le constructeur, les fluctuations en énergie se situent entre 20 et 50 eV pour une énergie totale de l'ordre de 2 MeV. Ceci correspond donc à une résolution en énergie variant entre 1 et 2.5 10-5, donc compatible avec les exigences pour l'obtention de microfaisceaux. Cet accélerateur nommé Singletron a d'ailleurs été spécialement construit pour ces applications ( microsondes nucléaires ).

  Un autre avantage de cette machine réside dans le fait que le générateur HF alimentant la haute tension est suffisamment puissant pour assurer une intensité de faisceau de 200 µA a 3,5 MeV, ce qui rend possible l'étude d'un grand nombre de réactions nucléaires.

Singletron / Tandetron schema


  La même société commercialise également une autre machine de même conception, mais basée sur type tandem, nommée Tandetron. Elle bénéficie donc de tous les avantages des machines de ce type, a savoir une grande facilité d'accès à la source d'ions extérieure et une énergie disponible en sortie importante pour une taille relativement réduite. En ce qui concerne la stabilité en énergie, 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'état négatif à l'état positif) réalise au milieu du tube accélérateur qui induit inévitablement une fluctuation plus importante de l'énergie des ions.

   Dynamitron  500 kV - 5 MV

  La societe IBA, initialement RDI, Radiation Dynamics Inc. USA,  commercialise  le Dynamitron, qui est un accélérateur de particules ( électrons) qui utilise le même principe. La gamme des voltages accélérateurs 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 fixées près 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 , ICT ) : 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 plusieurs 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 )

"Nested High Voltage Generator ":  Un accelerateur de technologie differente : 500 - 600 kV

 Richard J. Adler, Robert J. Richter-Sand, M.Lobitz  de North Star Research Corp.,Albuquerque, NM, USA ont mis au point un générateur compact de hautes tensions continues, qui utilise bobines secondaires / redresseurs emboités les unes dans les autres en poupees russes.(Transformateur sans noyau métallique, secondaires en cages de Faraday, séparées par un dielectrique solide). L'alimentation de ces enroulements secondaires est réalisée à partir d'un enroulement primaire externe et d'un oscillateur. Chaque couche génère un potentiel de 50 kV et la mise en série 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."


SITOGRAPHIE - HIGH VOLTAGE DC CASCADES WEB SITES

Jim Lux

Jochen HV page : basic multiplier circuits  : Greinacher voltage doubler, Villard voltage doubler, Villard cascade.

Stefan' Homemade Cockroft-Walton

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

Wikipedia EN : Voltage Multiplier
Wikipedia EN : Cockroft-Walton generator
Wikipedia FR : Generateur Cockroft-Walton

BIBLIOGRAPHIE - MUSEOGRAPHIE

Cockcroft-Walton du KEK- Japan
Cockcroft-Walton du KEK - Japon

DC Accelerators ( E. Cottereau)

Aguet M. , Ianoz M. - Générateurs de hautes tensions transitoires -in Traité d'Electricité,Volume XXII, Presses polytechniques et universitaires romandes, 1990, Lausanne

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

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

MUSEE DES CONFLUENCES à LYON (FRANCE) : Cockroft-Walton Philips

PROJET DE REMONTAGE COCKCROFT-WALTON HAEFELY ( Lyon , France ) .



ACCUEIL (HOME)  | VAN DE GRAAFF  |   RESONATEUR TESLA  |   GENERATEUR DE MARX

PAGE GENERATEUR DE FELICI  

1999 , 2017 © Dr Lyonel Baum