Генератор по схеме Аркадьева – Маркса с покаскадным обострением фронта импульсов для обеззараживающей обработки пищевых продуктов
Цель. Экспериментально получить на нагрузке генератора импульсных напряжений величиной менее 50 Ом в виде более двух рабочих камер с водосодержащим продуктом длительность фронта импульсов высокого напряжения менее 1,5 наносекунд, что повышает эффективность обеззараживания обрабатываемых продуктов....
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Електротехніка і електромеханіка |
|---|---|
| Datum: | 2017 |
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
2017
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147580 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Генератор по схеме Аркадьева – Маркса с покаскадным обострением фронта импульсов для обеззараживающей обработки пищевых продуктов / Н.И. Бойко, А.В. Макогон // Електротехніка і електромеханіка. — 2017. — № 4. — С. 49-54. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-147580 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Бойко, Н.И. Макогон, А.В. 2019-02-15T10:15:20Z 2019-02-15T10:15:20Z 2017 Генератор по схеме Аркадьева – Маркса с покаскадным обострением фронта импульсов для обеззараживающей обработки пищевых продуктов / Н.И. Бойко, А.В. Макогон // Електротехніка і електромеханіка. — 2017. — № 4. — С. 49-54. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 2074-272X DOI: https://doi.org/10.20998/2074-272X.2017.4.08 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147580 621.373 Цель. Экспериментально получить на нагрузке генератора импульсных напряжений величиной менее 50 Ом в виде более двух рабочих камер с водосодержащим продуктом длительность фронта импульсов высокого напряжения менее 1,5 наносекунд, что повышает эффективность обеззараживания обрабатываемых продуктов. Методика. Для получения высоковольтных импульсов на рабочих камерах - нагрузке генератора применена методика генерирования импульсов по схеме Аркадьева – Маркса. Импульсы на нагрузке измерялись при помощи низкоомного резистивного делителя напряжения, передавались по широкополосному коаксиальному кабелю и регистрировались при помощи осциллографа С7-19 с полосой пропускания 5 ГГц. Рабочие камеры заполнялись водой и состояли из кольцеобразного корпуса, выполненного из фторопласта, и металлических электродов, образующих дно и крышку камеры, имеющих плоские накладки из пищевой нержавеющей стали для контакта с пищевым продуктом внутри камеры. Результаты. Высоковольтные импульсы на нагрузке генератора примерно 50 Ом и менее имеют трапециевидную форму со скругленной вершиной и длительность по основанию не более 80 нс. Экспериментально полученные амплитуды импульсов на нагрузке генератора – до 18 кВ. При уменьшении сопротивления нагрузки амплитуда импульсов уменьшается, а длительность фронта и импульсов в целом укорачивается из-за ускоренного разряда емкостных накопителей каскадов. Научная новизна. Впервые на нагрузке генератора в виде трех параллельно включенных рабочих камер с водой, активное сопротивление каждой из которых менее 50 Ом, экспериментально получена длительность фронта импульсов tf≈1 нс. Кроме того, отлажен стабильный 9- 10 канальный режим срабатывания выходного разрядника тригатронного типа в пятикаскадном генераторе импульсных напряжений с покаскадным обострением фронта импульсов (ГИНПО). Практическая значимость. Полученная экспериментально наносекундная длительность фронта импульсов на нагрузке ГИНПО открывает перспективу промышленного применения таких генераторов для микробиологически обеззараживающей обработки (инактивации микроорганизмов) водосодержащих пищевых продуктов Мета. Експериментально отримати на навантаженні генератора імпульсних напруг величиною менше 50 Ом у вигляді більш, ніж двох робочих камер з водовмісним продуктом тривалість фронту імпульсів високої напруги менше 1,5 наносекунд, що підвищує ефективність знезараження оброблюваних продуктів. Методика. Для одержання високовольтних імпульсів на робочих камерах – навантаженні генератора застосована методика генерування імпульсів за схемою Аркадьєва – Маркса. Імпульси на навантаженні вимірювалися за допомогою низькоомного резистивного дільника напруги, передавалися по широкосмуговому коаксіальному кабелю і реєструвалися за допомогою осцилографа С7- 19 зі смугою пропускання 5 ГГц. Робочі камери заповнювалися водою і складалися з кільцевидного корпусу, який виконано з фторопласту, і металевих електродів, що утворюють дно та кришку камери, мають плоскі накладки з харчової неіржавіючої сталі для контакту з харчовим продуктом усередині камери. Результати. Високовольтні імпульси на навантаженні генератора приблизно 50 Ом і менше мають трапецієвидну форму з закругленою вершиною і тривалість по основі не більше 80 нс. Експериментально одержані амплітуди імпульсів на навантаженні генератора – до 18 кВ. При зменшенні опору навантаження амплітуда імпульсів зменшується, а тривалість фронту і імпульсів у цілому скорочується із-за прискореного розряду ємнісних нагромаджувачів каскадів. Наукова новизна. Вперше на навантаженні генератора у вигляді трьох паралельно включених робочих камер з водою, активний опір кожної з котрих менше, ніж 50 Ом, експериментально отримано тривалість фронту імпульсів tf≈1 нс. Крім того, налагоджено стабільний 9-10 канальний режим спрацьовування вихідного розрядника тригатронного типу в п’ятикаскадному генераторі імпульсних напруг з покаскадним загостренням фронту імпульсів (ГІНПЗ). Практична значущість. Одержана експериментально наносекундна тривалість фронту імпульсів на навантаженні ГІНПЗ відкриває перспективу промислового застосування таких генераторів для мікробіологічно знезаражувальної обробки (інактивації мікроорганізмів) водовмісних харчових продуктів Purpose. To obtain experimentally that the duration of the highvoltage pulse front is less than 1.5 nanoseconds on the load of a pulse voltage generator of less than 50 ohms in the form of more than two working chambers with a water-containing product. That increases the efficiency of disinfection of treated products. Methodology. To obtain high-voltage pulses in working chambers - the generator load - the pulse generation method was used according to the Arkadyev-Marx scheme. The pulses on the load were measured with a low-ohm resistive voltage divider, transmitted over a broadband coaxial cable, and recorded using a C7-19 oscilloscope with a 5 GHz bandwidth. The working chambers were filled with water and consisted of an annular body made of PTFE 4 and metal electrodes forming the bottom and the chamber cover having flat linings of food stainless steel for contact with the food product inside the chamber. Results. The high-voltage pulses on the generator load of about 50 Ohm or less have a trapezoidal shape with a rounded apex and a base duration of no more than 80 ns. The experimentally obtained pulse amplitudes on the generator load are up to 18 kV. As the load resistance decreases, the amplitude of the pulses decreases, and the duration of the front and pulse duration in general are shortened because of the accelerated discharge of cascade capacitive storages. Originality. For the first time we have obtained experimentally on the load of the generator in the form of three parallel working chambers with water, the active resistance of each of which is less than 50 Ohm, the pulse front duration tf≈1 ns. In addition, we have obtained experimentally a stable 9-10 channel triggering mode of the trigatron type spark gap in a five-cascade pulse voltage generator with a step-bystep peaking (exacerbation) of the pulse front in its cascades (GPVCP). Practical value. We have obtained experimentally the nanosecond pulse front duration on the GPVCP load and that opens the prospect of industrial application of such generators for microbiologically disinfecting treatment (inactivation of microorganisms in food) water-containing food products. ru Інститут технічних проблем магнетизму НАН України Електротехніка і електромеханіка Техніка сильних електричних та магнітних полів. Кабельна техніка Генератор по схеме Аркадьева – Маркса с покаскадным обострением фронта импульсов для обеззараживающей обработки пищевых продуктов Generator on Arcadyev-Marx scheme with peaking of the pulse front in its cascades for food disinfecting Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Генератор по схеме Аркадьева – Маркса с покаскадным обострением фронта импульсов для обеззараживающей обработки пищевых продуктов |
| spellingShingle |
Генератор по схеме Аркадьева – Маркса с покаскадным обострением фронта импульсов для обеззараживающей обработки пищевых продуктов Бойко, Н.И. Макогон, А.В. Техніка сильних електричних та магнітних полів. Кабельна техніка |
| title_short |
Генератор по схеме Аркадьева – Маркса с покаскадным обострением фронта импульсов для обеззараживающей обработки пищевых продуктов |
| title_full |
Генератор по схеме Аркадьева – Маркса с покаскадным обострением фронта импульсов для обеззараживающей обработки пищевых продуктов |
| title_fullStr |
Генератор по схеме Аркадьева – Маркса с покаскадным обострением фронта импульсов для обеззараживающей обработки пищевых продуктов |
| title_full_unstemmed |
Генератор по схеме Аркадьева – Маркса с покаскадным обострением фронта импульсов для обеззараживающей обработки пищевых продуктов |
| title_sort |
генератор по схеме аркадьева – маркса с покаскадным обострением фронта импульсов для обеззараживающей обработки пищевых продуктов |
| author |
Бойко, Н.И. Макогон, А.В. |
| author_facet |
Бойко, Н.И. Макогон, А.В. |
| topic |
Техніка сильних електричних та магнітних полів. Кабельна техніка |
| topic_facet |
Техніка сильних електричних та магнітних полів. Кабельна техніка |
| publishDate |
2017 |
| language |
Russian |
| container_title |
Електротехніка і електромеханіка |
| publisher |
Інститут технічних проблем магнетизму НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Generator on Arcadyev-Marx scheme with peaking of the pulse front in its cascades for food disinfecting |
| description |
Цель. Экспериментально получить на нагрузке генератора импульсных напряжений величиной менее 50 Ом в виде более
двух рабочих камер с водосодержащим продуктом длительность фронта импульсов высокого напряжения менее 1,5 наносекунд, что повышает эффективность обеззараживания обрабатываемых продуктов. Методика. Для получения высоковольтных импульсов на рабочих камерах - нагрузке генератора применена методика генерирования импульсов по
схеме Аркадьева – Маркса. Импульсы на нагрузке измерялись при помощи низкоомного резистивного делителя напряжения, передавались по широкополосному коаксиальному кабелю и регистрировались при помощи осциллографа С7-19 с
полосой пропускания 5 ГГц. Рабочие камеры заполнялись водой и состояли из кольцеобразного корпуса, выполненного из
фторопласта, и металлических электродов, образующих дно и крышку камеры, имеющих плоские накладки из пищевой
нержавеющей стали для контакта с пищевым продуктом внутри камеры. Результаты. Высоковольтные импульсы на
нагрузке генератора примерно 50 Ом и менее имеют трапециевидную форму со скругленной вершиной и длительность
по основанию не более 80 нс. Экспериментально полученные амплитуды импульсов на нагрузке генератора – до 18 кВ.
При уменьшении сопротивления нагрузки амплитуда импульсов уменьшается, а длительность фронта и импульсов в
целом укорачивается из-за ускоренного разряда емкостных накопителей каскадов. Научная новизна. Впервые на нагрузке
генератора в виде трех параллельно включенных рабочих камер с водой, активное сопротивление каждой из которых
менее 50 Ом, экспериментально получена длительность фронта импульсов tf≈1 нс. Кроме того, отлажен стабильный 9-
10 канальный режим срабатывания выходного разрядника тригатронного типа в пятикаскадном генераторе импульсных напряжений с покаскадным обострением фронта импульсов (ГИНПО). Практическая значимость. Полученная
экспериментально наносекундная длительность фронта импульсов на нагрузке ГИНПО открывает перспективу промышленного применения таких генераторов для микробиологически обеззараживающей обработки (инактивации микроорганизмов) водосодержащих пищевых продуктов
Мета. Експериментально отримати на навантаженні генератора імпульсних напруг величиною менше 50 Ом у вигляді більш, ніж двох робочих камер з водовмісним продуктом тривалість фронту імпульсів високої напруги менше 1,5
наносекунд, що підвищує ефективність знезараження оброблюваних продуктів. Методика. Для одержання високовольтних імпульсів на робочих камерах – навантаженні генератора застосована методика генерування імпульсів за
схемою Аркадьєва – Маркса. Імпульси на навантаженні вимірювалися за допомогою низькоомного резистивного дільника напруги, передавалися по широкосмуговому коаксіальному кабелю і реєструвалися за допомогою осцилографа С7-
19 зі смугою пропускання 5 ГГц. Робочі камери заповнювалися водою і складалися з кільцевидного корпусу, який виконано з фторопласту, і металевих електродів, що утворюють дно та кришку камери, мають плоскі накладки з харчової неіржавіючої сталі для контакту з харчовим продуктом усередині камери. Результати. Високовольтні імпульси
на навантаженні генератора приблизно 50 Ом і менше мають трапецієвидну форму з закругленою вершиною і тривалість по основі не більше 80 нс. Експериментально одержані амплітуди імпульсів на навантаженні генератора – до
18 кВ. При зменшенні опору навантаження амплітуда імпульсів зменшується, а тривалість фронту і імпульсів у цілому скорочується із-за прискореного розряду ємнісних нагромаджувачів каскадів. Наукова новизна. Вперше на навантаженні генератора у вигляді трьох паралельно включених робочих камер з водою, активний опір кожної з котрих
менше, ніж 50 Ом, експериментально отримано тривалість фронту імпульсів tf≈1 нс. Крім того, налагоджено стабільний 9-10 канальний режим спрацьовування вихідного розрядника тригатронного типу в п’ятикаскадному генераторі імпульсних напруг з покаскадним загостренням фронту імпульсів (ГІНПЗ). Практична значущість. Одержана експериментально наносекундна тривалість фронту імпульсів на навантаженні ГІНПЗ відкриває перспективу промислового застосування таких генераторів для мікробіологічно знезаражувальної обробки (інактивації мікроорганізмів)
водовмісних харчових продуктів
Purpose. To obtain experimentally that the duration of the highvoltage pulse front is less than 1.5 nanoseconds on the load of a
pulse voltage generator of less than 50 ohms in the form of more
than two working chambers with a water-containing product.
That increases the efficiency of disinfection of treated products.
Methodology. To obtain high-voltage pulses in working chambers - the generator load - the pulse generation method was
used according to the Arkadyev-Marx scheme. The pulses on the
load were measured with a low-ohm resistive voltage divider,
transmitted over a broadband coaxial cable, and recorded using
a C7-19 oscilloscope with a 5 GHz bandwidth. The working
chambers were filled with water and consisted of an annular
body made of PTFE 4 and metal electrodes forming the bottom
and the chamber cover having flat linings of food stainless steel
for contact with the food product inside the chamber. Results.
The high-voltage pulses on the generator load of about 50 Ohm
or less have a trapezoidal shape with a rounded apex and a base
duration of no more than 80 ns. The experimentally obtained
pulse amplitudes on the generator load are up to 18 kV. As the
load resistance decreases, the amplitude of the pulses decreases,
and the duration of the front and pulse duration in general are
shortened because of the accelerated discharge of cascade capacitive storages. Originality. For the first time we have obtained experimentally on the load of the generator in the form of
three parallel working chambers with water, the active resistance of each of which is less than 50 Ohm, the pulse front duration tf≈1 ns. In addition, we have obtained experimentally a
stable 9-10 channel triggering mode of the trigatron type spark
gap in a five-cascade pulse voltage generator with a step-bystep peaking (exacerbation) of the pulse front in its cascades
(GPVCP). Practical value. We have obtained experimentally the
nanosecond pulse front duration on the GPVCP load and that
opens the prospect of industrial application of such generators
for microbiologically disinfecting treatment (inactivation of
microorganisms in food) water-containing food products.
|
| issn |
2074-272X |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147580 |
| citation_txt |
Генератор по схеме Аркадьева – Маркса с покаскадным обострением фронта импульсов для обеззараживающей обработки пищевых продуктов / Н.И. Бойко, А.В. Макогон // Електротехніка і електромеханіка. — 2017. — № 4. — С. 49-54. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT boikoni generatorposhemearkadʹevamarksaspokaskadnymobostreniemfrontaimpulʹsovdlâobezzaraživaûŝeiobrabotkipiŝevyhproduktov AT makogonav generatorposhemearkadʹevamarksaspokaskadnymobostreniemfrontaimpulʹsovdlâobezzaraživaûŝeiobrabotkipiŝevyhproduktov AT boikoni generatoronarcadyevmarxschemewithpeakingofthepulsefrontinitscascadesforfooddisinfecting AT makogonav generatoronarcadyevmarxschemewithpeakingofthepulsefrontinitscascadesforfooddisinfecting |
| first_indexed |
2025-11-27T07:25:46Z |
| last_indexed |
2025-11-27T07:25:46Z |
| _version_ |
1850806391349968896 |
| fulltext |
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №4 49
© Н.И. Бойко, А.В. Макогон
УДК 621.373 doi: 10.20998/2074-272X.2017.4.08
Н.И. Бойко, А.В. Макогон
ГЕНЕРАТОР ПО СХЕМЕ АРКАДЬЕВА – МАРКСА С ПОКАСКАДНЫМ
ОБОСТРЕНИЕМ ФРОНТА ИМПУЛЬСОВ ДЛЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАЮЩЕЙ
ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
Мета. Експериментально отримати на навантаженні генератора імпульсних напруг величиною менше 50 Ом у ви-
гляді більш, ніж двох робочих камер з водовмісним продуктом тривалість фронту імпульсів високої напруги менше 1,5
наносекунд, що підвищує ефективність знезараження оброблюваних продуктів. Методика. Для одержання високово-
льтних імпульсів на робочих камерах – навантаженні генератора застосована методика генерування імпульсів за
схемою Аркадьєва – Маркса. Імпульси на навантаженні вимірювалися за допомогою низькоомного резистивного діль-
ника напруги, передавалися по широкосмуговому коаксіальному кабелю і реєструвалися за допомогою осцилографа С7-
19 зі смугою пропускання 5 ГГц. Робочі камери заповнювалися водою і складалися з кільцевидного корпусу, який вико-
нано з фторопласту, і металевих електродів, що утворюють дно та кришку камери, мають плоскі накладки з харчо-
вої неіржавіючої сталі для контакту з харчовим продуктом усередині камери. Результати. Високовольтні імпульси
на навантаженні генератора приблизно 50 Ом і менше мають трапецієвидну форму з закругленою вершиною і трива-
лість по основі не більше 80 нс. Експериментально одержані амплітуди імпульсів на навантаженні генератора – до
18 кВ. При зменшенні опору навантаження амплітуда імпульсів зменшується, а тривалість фронту і імпульсів у ці-
лому скорочується із-за прискореного розряду ємнісних нагромаджувачів каскадів. Наукова новизна. Вперше на наван-
таженні генератора у вигляді трьох паралельно включених робочих камер з водою, активний опір кожної з котрих
менше, ніж 50 Ом, експериментально отримано тривалість фронту імпульсів tf≈1 нс. Крім того, налагоджено стабі-
льний 9-10 канальний режим спрацьовування вихідного розрядника тригатронного типу в п’ятикаскадному генерато-
рі імпульсних напруг з покаскадним загостренням фронту імпульсів (ГІНПЗ). Практична значущість. Одержана екс-
периментально наносекундна тривалість фронту імпульсів на навантаженні ГІНПЗ відкриває перспективу промис-
лового застосування таких генераторів для мікробіологічно знезаражувальної обробки (інактивації мікроорганізмів)
водовмісних харчових продуктів. Бібл. 6, рис. 8.
Ключові слова: генератор імпульсних напруг, покаскадне загострення фронту імпульсів, робоча камера, ємнісний
нагромаджувач, розрядник, інактивація мікроорганізмів в харчових продуктах.
Цель. Экспериментально получить на нагрузке генератора импульсных напряжений величиной менее 50 Ом в виде более
двух рабочих камер с водосодержащим продуктом длительность фронта импульсов высокого напряжения менее 1,5 на-
носекунд, что повышает эффективность обеззараживания обрабатываемых продуктов. Методика. Для получения вы-
соковольтных импульсов на рабочих камерах - нагрузке генератора применена методика генерирования импульсов по
схеме Аркадьева – Маркса. Импульсы на нагрузке измерялись при помощи низкоомного резистивного делителя напряже-
ния, передавались по широкополосному коаксиальному кабелю и регистрировались при помощи осциллографа С7-19 с
полосой пропускания 5 ГГц. Рабочие камеры заполнялись водой и состояли из кольцеобразного корпуса, выполненного из
фторопласта, и металлических электродов, образующих дно и крышку камеры, имеющих плоские накладки из пищевой
нержавеющей стали для контакта с пищевым продуктом внутри камеры. Результаты. Высоковольтные импульсы на
нагрузке генератора примерно 50 Ом и менее имеют трапециевидную форму со скругленной вершиной и длительность
по основанию не более 80 нс. Экспериментально полученные амплитуды импульсов на нагрузке генератора – до 18 кВ.
При уменьшении сопротивления нагрузки амплитуда импульсов уменьшается, а длительность фронта и импульсов в
целом укорачивается из-за ускоренного разряда емкостных накопителей каскадов. Научная новизна. Впервые на нагрузке
генератора в виде трех параллельно включенных рабочих камер с водой, активное сопротивление каждой из которых
менее 50 Ом, экспериментально получена длительность фронта импульсов tf≈1 нс. Кроме того, отлажен стабильный 9-
10 канальный режим срабатывания выходного разрядника тригатронного типа в пятикаскадном генераторе импульс-
ных напряжений с покаскадным обострением фронта импульсов (ГИНПО). Практическая значимость. Полученная
экспериментально наносекундная длительность фронта импульсов на нагрузке ГИНПО открывает перспективу про-
мышленного применения таких генераторов для микробиологически обеззараживающей обработки (инактивации мик-
роорганизмов) водосодержащих пищевых продуктов. Библ. 6, рис. 8.
Ключевые слова: генератор импульсных напряжений, покаскадное обострение фронта импульсов, рабочая камера,
разрядник, инактивация микроорганизмов в пищевых продуктах.
Введение. Генераторы по схеме Аркадьева-
Маркса широко используются в высоковольтной им-
пульсной технике [1]. Благодаря возможности полу-
чать наносекундные фронты при напряжении 100 кВ
и больше на нагрузке таких генераторов [2], частотах
следования 200 импульсов в секунду и более они пер-
спективны для обеззараживающей обработки жидких
водосодержащих продуктов.
Обработка продуктов импульсными электриче-
скими полями (ИЭП) с наносекундными фронтами
позволяет лучше, чем при использовании традицион-
ных тепловых методов, сберечь исходное качество
пищевых продуктов при уменьшении удельных энер-
гозатрат на инактивацию микроорганизмов в них
[3, 4]. В методе ИЭП, или комплексе высоковольтных
импульсных воздействий (КВИВ), используются ко-
роткие электрические импульсы, которые можно по-
лучить при помощи генераторов Аркадьева – Маркса.
Обеззараживающая обработка ведется в рабочих ка-
мерах с обрабатываемым продуктом, которые явля-
ются нагрузкой для генераторов высоковольтных им-
пульсов. Типичная длительность импульсов напря-
женности сильного импульсного электрического поля
50 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №4
в рабочих камерах может варьироваться от 50 нс до 1
мкс, амплитуда – от 5 кВ/см до 200 кВ/см без пробоев.
Несколько рабочих камер с водосодержащим продук-
том, подключенных к выходу генератора, являются
низкоомной нагрузкой для генератора, которая может
не превышать 50 Ом и может привести к нежелатель-
ному удлинению фронта импульсов напряжения. В [5]
предложен способ обработки жидкостей и текучих
продуктов в нескольких рабочих камерах, позволяю-
щий избежать нежелательного удлинения фронта бла-
годаря использованию обострителей фронта импуль-
сов. Генераторы импульсных напряжений Аркадьева
– Маркса в режиме покаскадного обострения фронта
импульсов (ГИНПО) позволяют на практике решить
проблему нежелательного удлинения фронта. В дан-
ной работе проведена экспериментальная проверка
работы ГИНПО на нагрузку не более 50 Ом в виде
трех рабочих камер с водой, включенных параллель-
но, без удлинения фронта импульсов на нагрузке.
Цель работы – экспериментально получить на
нагрузке генератора менее 50 Ом в виде более двух
рабочих камер с водосодержащим продуктом дли-
тельность фронта импульсов высокого напряжения
менее 1,5 наносекунд, что повышает эффективность
обеззараживания обрабатываемых продуктов.
Экспериментальная установка. Схема уста-
новки приведена на рис. 1.
8 5 6 1
2
ttr.п ttr.(N-1)
he
3
4
9
hс
CH1
CH2
CS
7
Rd
Rch Rch
Ld Ld
Rch Rch
Css
Rch RchRch
Sss
Rpr
Rpr Rch
Ld Ld Ld
Ld LdLd
Рис. 1. Схема установки с генератором импульсных напряжений с покаскадным обострением фронта импульсов
На рис. 1 заштрихованы предварительно заря-
женные до напряжения Umain участки энергопровода и
емкостные накопители; N – количество каскадов;
1 – емкостный накопитель каскада с емкостью Сst,
который может представлять собой длинную линию с
распределенными параметрами; 2 – энергопровод –
широкополосная однородная длинная линия с распре-
деленными параметрами с расстоянием he между пря-
мым и обратным токопроводами с волновым сопро-
тивлением ze; 3 – разрядник каскада; 4 – емкость (Сgap)
между электродами разрядника 3; 5 – стартовый раз-
рядник ГИНПО; 6 – емкость (Сgap.о) между электрода-
ми разрядника 5; 7 – система (устройство) запуска; 8 –
длинная линия передачи с волновым сопротивлением
Zп=Ze между устройством 7 и стартовым разрядником
5; 9 – нагрузка с импедансом Zload; ttr.п и ttr. k соответст-
венно время пробега электромагнитной волны по ли-
нии 8 и между двумя соседними разрядниками каска-
дов; k – номер каскада (k=1, 2,…, N); hc – длина раз-
рыва в прямом токопроводе, в который (разрыв)
включен емкостный накопитель k-го каскада.
Rpr=1 МОм, Rch=3,2 кОм, Rd=1440 Ом, Ld≈0,5 мкГн.
Оба зарядных устройства CH1 и CH2 собраны по
схеме умножения Кокрофта [6] и запитываются от
повышающих трансформаторов, на вход которых по-
дается регулируемое переменное напряжение от сис-
темы управления CS. Устройство запуска 7 содержит
керамический конденсатор К15-10 емкостью 10 нФ
(Css) и двухэлектродный искровой разрядник Sss, сра-
батывающий от перенапряжения (на самопробое).
В ГИНПО, на котором проведены эксперименты,
5 каскадов. Емкостные накопители каскадов
Сst =3×10-9 Ф выполнены в виде низкоомных полоско-
вых линий (которые при заряде можно рассматривать
как плоские конденсаторы) из фольгированного стек-
лотекстолита, высотой и шириной обкладок по 0,45 м,
толщиной диэлектрика hc=5 мм.
Энергопровод данного ГИНПО выполнен в виде
реальной полосковой линии с расстоянием между
прямым и обратным токопроводом he=50 мм [2].
Обратный токопровод представляет собой латунный
лист длиной 1 м, шириной 0,4 м, толщиной 1 мм. На
него положен лист оргстекла толщиной 8 мм. Осталь-
ное пространство между прямым и обратным
токопроводом заполнено воздухом при атмосферном
давлении.
Общий вид пятикаскадного генератора импульс-
ных напряжений с покаскадным обострением фронта
формируемых импульсов, на котором проведены экс-
перименты, представлен на рис. 2.
Разрядники каскадов – тригатронного типа с воз-
душным заполнением при атмосферном давлении.
Каждый из двух электродов разрядника выполнен в
виде металлической пластины, закрепленной на опоре
из оргстекла, толщиной 5 мм, в которой выполнено 10
отверстий на равных расстояниях друг от друга. В эти
отверстия вставлено 10 игольчатых электродов, со-
единенных накоротко с соответствующей обкладкой
емкостного накопителя каскада ГИНПО и через ин-
дуктивность Ld≈0,5 мкГн – с пластиной.
Межэлектродные промежутки в разрядниках ре-
гулируются по длине. Такая конструкция разрядников
обеспечивает однородное электрическое поле в них
при заряде каскадов ГИНПО и резконеоднородное
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №4 51
поле при разряде. Поэтому при разряде ГИНПО ис-
кровые каналы образуются только между соответст-
вующими двумя игольчатыми электродами, располо-
женными встречно на одной оси. В каждом из разряд-
ников каскадов может образоваться при разряде
от 1 до 10 искр.
Рис. 2. Общий вид ГИНПО
Нагрузка 9 (рис. 1) в ходе экспериментов варьи-
ровалась: выполнялась в виде 10 резисторов ТВО-10
номинальным сопротивлением 560 Ом каждый (изме-
ренная величина сопротивлений составляла от 580 до
630 Ом), в виде одной рабочей камеры с водой, трех
рабочих камер с водой. Нагрузочные резисторы и ра-
бочие камеры подключались к соответствующим ост-
рийным электродам десятиканального выходного раз-
рядника ГИНПО.
Экспериментальная установка работает следую-
щим образом. При помощи системы управления CS
через CH1 заряжаются емкостные накопители каска-
дов ГИНПО, а затем через CH2 заряжается емкостный
накопитель Css системы запуска до самопробоя Sss.
Уровень заряда контролируется киловольтметрами
С-196.
Предварительно емкостные накопители 1 каска-
дов генератора заряжаются до напряжения Umain
(рис. 1). В общем случае зарядка может быть как вы-
прямленным напряжением, так и импульсной. После
предварительной зарядки единственным разрядником,
на котором отсутствует «дежурное» напряжение Umain,
является разрядник на выходе ГИНПО, он же – раз-
рядник последнего N - го каскада. После зарядки кас-
кадов от устройства запуска 7 на стартовый разрядник
5 по линии 8 подается инициирующий разряд генера-
тора импульс напряжения с амплитудой Uivp, обеспе-
чивающий время его коммутации tsw.0 и длительность
фронта tf.0 формируемого импульса меньшими време-
ни 2ttr.0 двойного пробега электромагнитной волны
между стартовым разрядником и разрядником перво-
го каскада. Разрядники ГИНПО срабатывают после-
довательно, начиная со стартового, срабатывающего
от управляющего импульса из системы запуска, и за-
канчивая выходным разрядником с наименьшим вре-
менем коммутации.
Начало спада импульсного напряжения на на-
грузке генератора ГИНПО сразу после нарастания
напряжения на ней до величины АN [2]:
eload
load
ivpmainN ZZ
Z
UNUA
2 , (1)
или
eload
load
NN ZZ
Z
AA
12 , (2)
где Zload – импеданс нагрузки, обеспечивается тем, что
возможные отражения от устройства 7 запуска, могу-
щие привести к медленному нарастанию амплитуды
напряжения на нагрузке до 2АN, компенсируются
разрядом емкостей каскадов, а также тем, что устрой-
ство запуска отделено от собственно ГИНПО линией
передачи 8 с соответствующим временем пробега
электромагнитной волны по ней. Количество каскадов
в данном ГИНПО N=5.
Согласно (1) при Umain=6 кВ, Uivp=12 кВ, Zload =
= 50 Ом, Ze=50 Ом АN=(5×6+2×12)×50/(50+50)=27 кВ.
Результаты исследований. Исследование ха-
рактеристик импульсов на различных нагрузках
ГИНПО проводилось при помощи низкоомного рези-
стивного делителя напряжения, подключенного к на-
грузке генератора, регистрирующего осциллографа
С7-19 с полосой пропускания 5 ГГц и широкополос-
ного коаксиального кабеля с волновым сопротивлени-
ем Zc=50 Ом, соединяющего экранированное низко-
вольтное плечо делителя с входом осциллографа че-
рез аттенюатор 20 dB. Осциллограф располагался в
измерительной кабине, защищающей его от электро-
магнитных помех.
Сопротивление высоковольтного плеча делителя
R1 = 560 Ом – один из нагрузочных резисторов
ТВО-10 в ГИНПО, сопротивление низковольтного
плеча R2 = 3 Ом набрано из параллельно включенных
резисторов ТВО – 0,5 (рис. 3). Низковольтное плечо
делителя и согласующее сопротивление R3=50 Ом
расположены в экранирующем металлическом корпу-
се цилиндрической формы с фланцем, соединенном
накоротко с обратным токопроводом генератора. Ка-
бель подключен к низковольтному плечу делителя
при помощи коаксиального разъема.
Импульс с выхода
ГИНПО
R1
R2
R3
Zc
К осц.
Рис. 3. Схема резистивного делителя напряжения на выходе
ГИНПО
С учетом того, что входное сопротивление ос-
циллографа С7-19 составляет 50 Ом, коэффициент
деления делителя Kd = [(R1+R2)/R2]×(R3+Zc)/Zc =
= [(560+3)/3]×(50+50)/50 ≈ 375 (Ом). Между входом
осциллографа С7 – 19 и концом кабеля с разъемом
вставлялся аттенюатор 20 dB, ослабляющий прихо-
дящий по кабелю сигнал в 10 раз.
52 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №4
Поэтому общий коэффициент деления
Kd total≈3750. Чувствительность осциллографа С7-19
составляет 1,6 В/дел=1,6 В/см.
Выходной многоканальный разрядник ГИНПО
при амплитуде зарядного напряжения высоковольтно-
го емкостного накопителя системы управления, пре-
вышающей в два раза и более амплитуду зарядного
напряжения основных накопителей каскадов ГИНПО,
стабильно срабатывает в 9-10 канальном режиме
(10 – максимально возможное количество каналов
разряда в разряднике). Этот режим при работе
ГИНПО на резистивную нагрузку в виде десяти рези-
сторов ТВО-10 с номинальным сопротивлением
560 Ом каждый иллюстрирует рис. 4. После форми-
рования десяти каналов в выходном разряднике все
десять нагрузочных резисторов соединены парал-
лельно.
Рис. 4. Фото многоканального искрового разряда
в выходном разряднике ГИНПО
Отметим, что яркость каналов разряда примерно
одинакова, что свидетельствует о том, что ток по ка-
налам разряда распределяется достаточно равномер-
но. Получены осциллограммы импульсов с наносе-
кундными фронтами на нагрузке ГИНПО в виде рези-
сторов ТВО-10, одной рабочей камеры, трех рабочих
камер. Форма импульсов на нагрузке близка к трапе-
цеидальной, что иллюстрирует рис. 5.
Из осциллограмм на рис. 5 видно, что фронт им-
пульсов содержит две части: первую (начальную)
крутую часть и вторую (ближе к вершине) более
пологую. Это свидетельствует о том, что в разрядни-
ках ГИНПО в данном конкретном режиме имеет ме-
сто не полное, частичное обострение фронта форми-
руемых импульсов. Из-за наличия пологой части об-
щая длительность фронта tf импульсов составляет
примерно tf≈20 нс. Пологая часть фронта импульсов
имеет место также вследствие отражений электромаг-
нитных волн, вызванных срабатыванием разрядников,
от различных неоднородностей в энергопроводе
ГИНПО и в системе запуска. Длительность импульсов
по основанию составляет примерно 80 нс, амплитуда
– 18 кВ. Это в 1,5 раза меньше, чем приведенная вы-
ше расчетная амплитуда.
Рис. 5. Осциллограммы (наложено две осциллограммы)
импульсов напряжения на нагрузке в виде 10 резисторов
ТВО-10 по 560 Ом: цена деления по оси времени 100 нс/дел,
по оси процесса 6 кВ/дел
Меньшие значения экспериментально получен-
ной амплитуды, по сравнению с расчетной амплиту-
дой, объясняются удлинением фронта за счет непол-
ного его обострения разрядниками каскадов, недоста-
точного согласования волнового сопротивления энер-
гопровода ГИНПО с его резистивной нагрузкой, по-
являющихся из-за этого нежелательных отражений
напряжения в ГИНПО и достаточно быстрым разря-
дом емкостных накопителей ГИНПО.
Осциллограмма на рис. 6 иллюстрирует форму
напряжения на нагрузке в виде одной рабочей камеры
и пяти резисторов ТВО-10 по 560 Ом.
Из осциллограммы на рис. 6 следует, что дли-
тельность фронта импульса составляет примерно 2,5
нс, а амплитуда 12 кВ. Амплитуда уменьшилась из-за
того, что нагрузка стала более низкоомной после под-
ключения рабочей камеры с водой (см. также форму-
лу (1)). Кольцеобразный корпус рабочей камеры вы-
полнен из фторопласта, а металлические электроды,
образующие дно и крышку камеры, имеют плоские
накладки из пищевой нержавеющей стали для контак-
та с пищевым продуктом внутри камеры.
Рабочий объем рабочей камеры, заполненный
водой, имеет дисковую форму с диаметром D = 90 мм
и высотой h=15 мм. При удельном объемном сопро-
тивлении воды ρ = 10 Ом×м активное сопротивление
Rw воды в рабочей камере составляет Rw=ρh/(πD2/4) =
= 10×0,015/(3,14×0,092/4)≈23,6 Ом.
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №4 53
Рис. 6. Осциллограмма фронтовой части импульса напря-
жения на нагрузке ГИНПО в виде одной рабочей камеры,
включенной в параллель с пятью нагрузочными резистора-
ми ТВО-10; цена деления по оси времени 2,5 нс/дел, по оси
процесса – 6 кВ/дел
В связи с уменьшением сопротивления нагрузки
емкостные накопители каскадов стали разряжаться
быстрее, что в свою очередь привело к уменьшению
амплитуды. При этом вклад необостренной части в
длительность фронта импульса на нагрузке значи-
тельно уменьшился, и фронт укоротился до ≈2,5 нс.
При подключении в качестве нагрузки трех ра-
бочих камер (см. рис. 7) амплитуда напряжения на
них становится еще меньше (см. рис. 8), чем на одной
рабочей камере.
Рис. 7. Нагрузка ГИНПО в виде трех рабочих камер с водой
Из осциллограммы на рис. 8 следует, что дли-
тельность фронта импульса на нагрузке составляет
примерно 1 нс, а амплитуда – примерно 8 кВ.
Для увеличения напряженности импульсного
электрического поля в рабочих камерах и напряжения
на них без удлинения фронта импульсов следует уве-
личить зарядные напряжения емкостных накопителей
от зарядных устройств CH1 и CH2, увеличив при этом
соответствующим образом зазоры в разрядниках
ГИНПО.
Рис. 8. Осциллограмма фронтовой части импульса напря-
жения на нагрузке ГИНПО в виде трех рабочих камер,
включенных в параллель между собой и с нагрузочным
резистором ТВО-10; цена деления по оси времени
2,5 нс/дел, по оси процесса – 6 кВ/дел
Показанная экспериментально (см. рис. 8) воз-
можность получения на нескольких рабочих камерах,
включенных параллельно, напряжений, а, следова-
тельно, и напряженностей импульсного электрическо-
го поля с рекордно коротким фронтом (примерно
1 нс) открывает перспективу уменьшения удельных
энергозатрат на микробиологически обеззараживаю-
щую обработку водосодержащих пищевых продуктов,
увеличения сроков их хранения без ухудшения потре-
бительской ценности. А, следовательно, и перспекти-
ву промышленного применения ГИНПО.
Выводы.
1. Предложен метод укорочения фронта импульсов
в рабочих камерах для инактивирующей микроорга-
низмы обработки пищевых продуктов за счет исполь-
зования генераторов импульсных напряжений по схе-
ме Аркадьева – Маркса в режиме покаскадного обо-
стрения фронта импульсов.
2. Экспериментально получена длительность фрон-
та tf≈1 нс импульсов на нагрузке ГИНПО в виде трех
параллельно включенных рабочих камер с водой, ак-
тивное сопротивление каждой из которых менее
50 Ом. Такая короткая длительность фронта импуль-
сов подтверждает, что генераторы – ГИНПО перспек-
тивны для микробиологически обеззараживающей
обработки водосодержащих пищевых продуктов
(инактивации микроорганизмов в продуктах).
3. Отлажен стабильный 9-10 канальный режим сра-
батывания выходного разрядника пятикаскадного
генератора – ГИНПО.
4. Импульсы на нагрузке измерены при помощи
низкоомного резистивного делителя напряжения, в
качестве передающей линии использован широкопо-
лосный коаксиальный кабель, подключенный к реги-
стрирующему устройству - осциллографу С7-19 с по-
лосой пропускания 5 ГГц.
5. Использованы рабочие камеры, выполненные в
виде кольцеобразного корпуса из фторопласта и ме-
таллических электродов, образующих дно и крышку
54 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №4
камеры, имеющих плоские накладки из пищевой не-
ржавеющей стали для контакта с пищевым продуктом
внутри рабочего объема. Камеры заполнялись водой.
6. Высоковольтные импульсы на нагрузке ГИНПО
примерно 50 Ом и менее имеют трапециевидную
форму с длительностью по основанию не более 80 нс,
экспериментально полученные амплитуды импульсов
на нагрузке – до 18 кВ. При уменьшении сопротивле-
ния нагрузки амплитуда импульсов уменьшается, а
длительность фронта и импульсов в целом укорачива-
ется. Укорочение фронта происходит вследствие того,
что пологая (медленная) часть фронта импульсов,
имеющая место вследствие отражений электромаг-
нитных волн, вызванных срабатыванием разрядников,
от различных неоднородностей в энергопроводе
ГИНПО и в системе запуска, убирается частично или
полностью ускоренным разрядом емкостных накопи-
телей каскадов на нагрузку с уменьшенным сопро-
тивлением.
СПИСОК ЛІТЕРАТУРЫ
1. Месяц Г.А. Импульсная энергетика и электроника. – М.:
Наука, 2004. − 704 с.
2. Бойко Н.И. Генератор по схеме Аркадьева-Маркса в
режиме с покаскадным обострением фронта импульсов //
Технічна електродинаміка. Тематичний випуск «Проблеми
сучасної електротехніки». − 2000. – Частина 6. − С. 94-97.
3. Barbosa-Canovas G.V., Gongora-Nieto M.M., Pothakamury
U.R., Swansson B.G. Preservation of Foods with Pulsed Electric
Fields. − Washington, San Diego, Academic Press Publ., 1999.
− 200 p. doi: 10.1016/b978-0-12-078149-2.x5000-4.
4. Jasim Ahmed, Hosahalli S. Ramaswamy, Stefan Kasapis,
Joyce I Boye. Novel Food Processing: Effects on Rheological
and Functional Properties. − CRC Press Publ., 2016. − 510 p.
Chapter 11. Pulsed Electric Fields for Food Processing Technol-
ogy by Maged E.A. Mohamed and Ayman H. Amer Eissa. –
2012. − pp. 275-306. doi: 10.5772/48678.
5. Пат. 113592 Україна, МПК (2016.01) C02F 1/48(2006.01).
Спосіб обробки рідин і текучих продуктів / М.І. Бойко, А.В.
Макогон. − Опубл. 10.02.2017, бюл. № 3.
6. М. Бейер, В. Бёк, К. Мёллер, В. Цаенгль. Техника высо-
ких напряжений: теоретические и практические основы
применения / Пер. с нем. И.П. Кужекина / Под ред. В.П.
Ларионова. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 555 с.
REFERENCES
1. Mesiats G.A. Impul'snaia energetika i elektronika [Pulsed
power and electronics]. Moscow, Nauka Publ., 2004. 704 p.
(Rus).
2. Boyko N.I. Generator on Arcadyev-Marx scheme in the mode
with peaking of the pulse front in its cascades for food disinfect-
ing. Tekhnichna elektrodynamika. Tem. vypusk «Problemy
suchasnoyi elektrotekhniky», 2000, part 6, pp. 94-97. (Rus).
3. Barbosa-Canovas G.V., Gongora-Nieto M.M., Pothakamury
U.R., Swansson B.G. Preservation of Foods with Pulsed Elec-
tric Fields. − Washington, San Diego, Academic Press Publ.,
1999. − 200 p. doi: 10.1016/b978-0-12-078149-2.x5000-4.
4. Jasim Ahmed, Hosahalli S. Ramaswamy, Stefan Kasapis,
Joyce I Boye. Novel Food Processing: Effects on Rheological
and Functional Properties. CRC Press Publ., 2016. 510 p.
Chapter 11. Pulsed Electric Fields for Food Processing Tech-
nology by Maged E.A. Mohamed and Ayman H. Amer Eissa.
2012. pp. 275-306. doi: 10.5772/48678.
5. Boyko N.I., Makogon A.V. Sposib obrobky ridyn i teku-
chykh produktiv [The method of treatment liquids and fluid
products]. Patent UA, no. 113592, 2017. (Ukr).
6. Beier M., Bek V., Meller K., Tsaengl V. Tekhnika vysokikh
napriazhenii: teoreticheskie i prakticheskie osnovy primeneniia
[Technics of high voltages. Theoretical and practical application
bases]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1989. 555 p. (Rus).
Поступила (received) 08.06.2017
Бойко Николай Иванович1, д.т.н., проф.,
Макогон Артём Витальевич1,
1 Национальный технический университет
«Харьковский политехнический институт»,
61002, Харьков, ул. Кирпичева, 2,
тел/phone +380 57 7076245, e-mail: qnaboyg@gmail.com
M.I. Boyko1, A.V. Makogon1
1 National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute»,
2, Kyrpychova Str., Kharkiv, 61002, Ukraine.
Generator on Arcadyev-Marx scheme with peaking
of the pulse front in its cascades for food disinfecting.
Purpose. To obtain experimentally that the duration of the high-
voltage pulse front is less than 1.5 nanoseconds on the load of a
pulse voltage generator of less than 50 ohms in the form of more
than two working chambers with a water-containing product.
That increases the efficiency of disinfection of treated products.
Methodology. To obtain high-voltage pulses in working cham-
bers - the generator load - the pulse generation method was
used according to the Arkadyev-Marx scheme. The pulses on the
load were measured with a low-ohm resistive voltage divider,
transmitted over a broadband coaxial cable, and recorded using
a C7-19 oscilloscope with a 5 GHz bandwidth. The working
chambers were filled with water and consisted of an annular
body made of PTFE 4 and metal electrodes forming the bottom
and the chamber cover having flat linings of food stainless steel
for contact with the food product inside the chamber. Results.
The high-voltage pulses on the generator load of about 50 Ohm
or less have a trapezoidal shape with a rounded apex and a base
duration of no more than 80 ns. The experimentally obtained
pulse amplitudes on the generator load are up to 18 kV. As the
load resistance decreases, the amplitude of the pulses decreases,
and the duration of the front and pulse duration in general are
shortened because of the accelerated discharge of cascade ca-
pacitive storages. Originality. For the first time we have ob-
tained experimentally on the load of the generator in the form of
three parallel working chambers with water, the active resis-
tance of each of which is less than 50 Ohm, the pulse front dura-
tion tf≈1 ns. In addition, we have obtained experimentally a
stable 9-10 channel triggering mode of the trigatron type spark
gap in a five-cascade pulse voltage generator with a step-by-
step peaking (exacerbation) of the pulse front in its cascades
(GPVCP). Practical value. We have obtained experimentally the
nanosecond pulse front duration on the GPVCP load and that
opens the prospect of industrial application of such generators
for microbiologically disinfecting treatment (inactivation of
microorganisms in food) water-containing food products. Refer-
ences 6, figures 8.
Key words: generator of pulsed voltages, peaking of the pulse
front in cascades of generator, working chamber, spark gap
or switch, inactivation of microorganisms in food products.
|