实验

在家进行的高电压实验（二）（我也来点科普）

guojie — Fri, 22 Feb 2008 01:08:04 -0800

警示：高压危险！电离辐射危险！

第三步改进（最终版）:

下图所示为最终的高压装置电路图。为了避免在电压峰值出现铁心饱和，用20 kV的高压互感器替换了11 kV高压互感器(PT1 和 PT2)，另外，11kV互感器噪音很大并且在直流输出电压超过130kV时会产生很高的激磁电流。TR1 是一台5kW自耦变压器(260V / 20A)。TR2是已前使用的3kW电力变压器，在实验中采用双150V二次绕组并联接法（在电路图中表示为一个等效绕组）。TR3是中型点引出的500W电力变压器230V原边线圈，作为平衡节点。

高压装置最终版

为了提高电路的耐用性，0.1 A 二极管(KYY 29/155)由0.2 A的替换。新换上的二极管通断速度比旧的二极管快很多（反向恢复时间达到150ns）所以不会产生对线圈的冲击电压。为了减小输出阻抗又向各级设备(C1 到 C8)中添加了若干电容器，整个装置的总储能目前达到了705 J。

现在，电路包含了一套永久的高压测量装置（替换了低压测量装置），高压测量装置由两只高压二极管、一只3nF负载电容、一只1.25 GΩ电阻和一台25μA 电流表。这样测量装置就可以在变压器的副边测量峰值电压，而不用再到原边测量，测量输出电压比测量原边电压更加精确。1.25 GΩ电阻器可以把12.5kV的交流峰值电压或100kV（8×12.5 kV）的直流输出电压（空载）的电流限制在10 μA 。测量装置并不能测量负载条件下的输出电压，计算负载电压需要在空载电压基础上减去压降（输出阻抗乘以负载电流）。不幸的是，我目前还没有足够的高压电阻器建立一个160kV的测量装置。

下面是升级过的元件的参数：

All diodes: 2CLG80KV/0.2A (PIV = 80 kV)

R1 ... R16: 2 kΩ / 10 W

R17: 800 kΩ (4 × 200 kΩ / 500 W)

R18: 1.25 GΩ (2×500 MΩ / 20 kV + 200 MΩ / 20 kV + 50 MΩ / 10 kV)

C1 , C2: 0.2 μF (2 × 0.1 μF / 20 kV DC)

C3 , C4: 132 nF (6 × 22 nF / 40 kV DC)

C5 , C6: 88 nF (4 × 22 nF / 40 kV DC)

C7 , C8: 44 nF (2 × 22 nF / 40 kV DC)

C9: 88 nF (4 × 22 nF / 40 kV DC)

C10: 44 nF (2 × 22 nF / 40 kV DC)

C11 , C12: 66 nF (3 × 22 nF / 40 kV DC)

C13 , C14: 1 nF / 40 kV DC / 80 kV peak

C15 , C16: 40 μF / 350 V AC

C17: 20 nF / 67 kV DC / 87 kV peak

C18: 3 nF / 30 kV DC

为了使效率最高，尽量低的输出阻抗可以用给定数量的电容器组合而成，我在设计时遵守了以下原则：

C5 = 2 × C7

C3 = 3 × C7

C1 = 4 × C7

从而：

C6 = 2 × C8

C4 = 3 × C8

C2 = 4 × C8

这种装置结构使交流电流分配比旧的设计更加合理。电容的分配比我最初的设想更加恶劣。让我感到震惊的是我观察到：比如，把C7 和 C8 每只从 44 nF 增加到 66 nF而不改变其他电容值，不仅不会提高效率而且还存在负面效果（使输出阻抗略微增加）。C1 和 C2 的实际电容值（每只0.2 μF）比计算值（176nF）略高。这主要是因为我恰好赶上了一批参数不稳定的0.1 μF / 20 kV 电容器存货。这样，参数较高的电容器略微减小了输出阻抗。

为了弄清电路工作原理，我们可以把它看作四级堆叠在一起的全波整流桥，每一级整流桥的正极与负极都分别与下一级的正、负级相连。流过每只二极管的平均直流电流为高压装置负载电流的一半。每级整流桥的交流电流流经一对电容器馈入，电容器起到通交流隔直流的作用，并在级间产生电压差。电路图所示，C7 和 C8向一级整流桥（连接着高压输出侧的）供电，C5 和 C6 向两级供电，C3 和 C4 向三级供电，以此类推。因为整流桥所需的交流电流是相等的，所以交流电流流过某对馈入电容器的大小，就与该电容器供电的整流桥数成正比。为了得到相同的电压降，每个电容要与流过它的电流相配合。我选用了重型脉冲电容器担任C1 和C2因为它们向所有整流桥供电，需要耐受电路中最高的交流电流。

整流桥的负载电容（从C9 到 C12 以及 C17）几乎仅仅起到了滤波的作用而对输出阻抗影响甚微。它们的电容值并不是最关键的，往往通过给定负载电流的最大电压纹波来确定。由于这些电容要承受相同的动态负荷，所以它们的值应该是相等的。实际设计较理论设计稍作改动，增加了C17 并且把C9 增加到88 nF，这是因为我有时取低级的电流作为低压应用信号，需要提高电流（才保证主电路不受影响）。

我使用下面的简单方法来测量装置的输出阻抗。首先，使用测量装置和VTVM 监视开路电压U0使它调节至40kV（测量装置的最大量程）。然后，关闭电源，电路放电后，测量装置和VTVM替换为电流表，再打开电源。这样测得的电流为短路电流IS 。输出阻抗Z为：

Z = U0 / IS

在这种新结构下，输出阻抗为近似值2.5 MΩ。负载时，在限流电感（800 kΩ）上的电压降约为电路总压降的三分之一，即装置的输出阻抗约1.7 MΩ。上述方法测量输出阻抗离不开限流电阻，因为仅有在负荷中等时装置的伏安关系近似为线性。曲线会在当装置输出电压小于空载电压的三分之一后变平缓。

下面的计算显示高压装置有多强大。在160kV的空载电压下，短路电流为64mA。这导致在四个限流电阻（4×200 kΩ）两端的电压降为51.2 kV。因此，耗散在串联电阻上的功率就达3277W！

下图为最终高压装置的照片：

最终版高压装置

低压侧：

下图是仪器的低压部分的照片。左侧是遥控软启动电路，包括两只继电器和一只大型22Ω绕线电阻器，电阻器用来限制冲击电流。冲击电流在启动时可以达到15A。中间的灰色盒子中装有5kW自耦变压器（260 V / 20 A），为3kW电力变压器（右）提供电源。

低压设备

放电实验装置：

出于好奇，我建立了一个临时的火花间隙，间隙由两根圆柱钢棒组成（见下图）。左侧棒接在高压装置输出端上，右侧棒接地，设定间隙为30 cm (12")。我慢慢升压，可见的电晕放电首先出现在100kV处，随着电压的进一步增加越来越剧烈。在最高电压（160kV）时，火花放电几乎立刻形成。电弧一直燃烧，直到我为了防止整流设备过热而切断电源。随后我发现整流装置工作于安全区域，因为流过电弧的平均电流得到了限制。伴随负载电压降有60mA电流通过。但是，此负载电流仍然不应该持续很长时间，这是因为电流的交流分量流过电容器对其绝缘造成压力（译者注：此说存疑，似乎应是“电流的交流分量流过电容器，引起电容器发热，热老化破坏电容器绝缘”较为确切）。

30 cm (12")160 kV直流弧光放电

30cm是我在最大电压下观察到的最长电弧长度。当级间距离增加后，就仅能观察到强烈的电晕放电，而没有火花放电。显然没人希望被这样的电弧击中，而强烈建议应保持大于1.5 m (6 ft)的安全距离。我使用一只遥控继电器控制电源通断，并且我每次实验后都通过把装置输出端接地来给电容放电。

下图展示了两个球形钢质电极（d = 15 mm）持续燃弧的情况。正如所预计的，最大击穿电压比前面实验有所减小，在这种情况下为28cm。

28 cm球隙(d：15mm)弧光放电

下图为远景图：

另一个28 cm 弧光放电

在下一个实验中，我把阴极换成了竖直的铁棒（直径20mm）。现在，最大弧光放电距离减小到18cm。

18 cm弧光放电

如下图所示，火花间隙设为19cm，略高于最大拉弧距离，通过定时曝光拍摄方法记录下了阳极电晕放电的情形，甚至连金属球形电极表面都出现了电晕。（译者注：这张照片所示实验现象很难得，电晕多发位置为尖锐的金属表面，一般球面是不易出现电晕现象的。）

电晕放电

能源与电力

在家进行的高电压实验（一）（我也来点科普）

guojie — Fri, 22 Feb 2008 01:02:12 -0800

前几天在网上看到的一个自己进行高压实验的日志。与我之前看到的高压实验不同，它没有高大的实验大厅，没有昂贵的实验设备，但是，通过他（她）自己的设计和亲手组装高压装置，做到了160kV的电压强度，十分惊人。
原文作者还拍摄了大量的图片，包括非常美丽的高压放电、X射线照片。
但是由于我的原因，没办法一次性翻译出全部实验，但是我保证一定会分批分次翻译出来和各位分享。
翻译上和专业上的错误，恳请指正。
（原文链接）

警示：高压危险！电离辐射危险！

高电压及X射线实验

中文翻译：郭捷

免责条款

本文记述仅为提供科普知识。作者不鼓励任何人按照文中所描述的实验进行实际操作，并对由操作本实验产生的后果免责。在高压或X射线环境下工作的人员应有坚实的物理学和电学专业知识并对他们的操作了如指掌。高电压电源的能量远比静电发生器强大，如静电发电机或Van de Graaff发电机等等。高压触电可以使人立即毙命，X射线如不正确使用会对人体引发长期不良影响（如：放射疾病、癌症）。

160kV高压电源的建立

建立一台真正强大的高压装置是我迄今为止最雄心勃勃的计划。因为装置的输出功率在千瓦级，所以全波高压装置会是一个极好的选择（当然，如果能建立一个三相电路会更好，但是我因缺乏元件而作罢）。利用40kV电容器，仅通过四个升压级就可以得到160kV的高电压。装置的建造其实更类似于一个进化过程，其中包括一些实验上的改进，比如一些新的想法和一些附加结构的实现。下面的设计过程按时间排序。

下面的电路图显示了最初版本的电路原理图。每组高压整流器都串接了一个2 kΩ的保护电阻。同时，三个200 kΩ的大电阻（绕线电阻，每个额定功率500 W ）串联在一起作为输出保护电阻。这些保护措施是必要的，因为在电压峰值时电容器储能将超过400 J ，如果放电电流不加限制，大概一次意外的瞬间放电就可能损毁许多昂贵的元件。所以电流必须限定在270 mA 以下。后来，我又加装了第四个电阻器，把电流限制在200 mA 以下。

160 kV全波串级直流高压装置电路

C1...C2 = 100 nF / 20 kV, C3...C4 = 88 nF / 40 kV, C5...C6 = 66 nF / 40 kV, C7...C12 = 44 nF / 40 kV, C13...C14 = 5 μF / 400 VAC, R1...R2 = 2 k / 10 W, R3...R18 = 5.6 k / 10 W, R19 = 600 k (3 × 200 k)

照片展示的是串级直流高压装置的构造。由于房间高度的限制，对120 kV 高压装置的简单扩展是不可行的。所以我必须拆解旧的装置，从零开始开发一种更加紧凑的装置。由于每级尺度的减小，避免由此产生拉弧故障便成为设计工作的主体。需要十分谨慎地注意相邻元件的电位差和他们之间的距离。除了连接用的导线，装置并不包含任何金属零件（当然不包括木制夹板上的螺钉）。装置结构包括三根垂直的圆柱和若干横梁（管子和外包材料均为聚丙烯），用塑料捆扎带和热融粘合剂把它们组合在一起。电子元件同样也用捆扎带固定。在照片左上角的灰色塑料管内装有200 kΩ 电阻（每个足有33厘米长）。高压端子刚好落在了画面之外。现在，装置已经准备好了进行第一次试验运行。桌子上是一台电子管电压计。电压计连着一根40 kV 的高压探棒，它们用来测量第一级整流电路，这级电路的电压是总开路电压的四分之一。

160 kV 高压装置

试验运行非常壮观。正如所预计的一样，电晕放电比旧的120 kV装置更为严重。随着接通电源，装置发出类似一群被激怒的蜜蜂一般的嗡嗡声，同时，刺激性的臭氧气味立即弥漫开来。空间中大量离子的存在，使房间中所有没有接地的金属性物体都被充电。空气中的电荷在我的脸上引起了一种令人不快的痒痒的感觉。经过一段时间以后，我注意到房间里的一个白色碗橱现在看起来又灰又旧。它被一薄层尘土所覆盖，土层并不均匀，有些地方呈现出奇怪的图案。尘突击乎可以说是粘在表面，非常难以清除，以至于我最终仅能使用酒精才把它们擦掉。这种现象的解释是：空气中的浮沉与空气离子结合后，由于电荷的吸引，沉积在物体的表面。这同静电除尘器的工作原理是一致的。

电压降:

接下来研究在负载情况下的现象。图表显示电压降同负载电流成线关系。负载阻抗（含保护电阻）为3.75 MΩ，还不错，这样如要驱动一支100 kV 电压4 mA 阳极电流的X射线管，就需要把装置的空载电压设定为115 kV。

第一步改进:

电路产生的高压有效值超过理论峰值，从而对电压互感器的高压绕组产生冲击电压并且经常击穿我事先安装的保护间隙。这种暂态电压过冲主要是由于高压二极管的开关延时所致。KYY 29/155型二极管是老旧的型号，反向恢复时间较长（约1000纳秒）。为了减轻上述附加电压对高压绕组绝缘的破坏，我安装了电容器C15和 C16 (每只1 nF, 40 kV)，它们起到低通滤波器的作用即吸收了输出电压的高频分量。（译者注：原文如此，存疑，译者认为它们的主要作用应为防止过电压，其次才是滤波，这样才能与前文的暂态过电压一说吻合。）

我进一步把C1 和 C2 的电容值增大为150 nF 并加入了滤波电容C17 (20 nF / 67 kV)和保护电阻R20 (2 kΩ, 10 W)从而尽可能减小高压装置的输出阻抗。根据手册所述C17的直流额定电压仅为67 kV ，但是它可以允许额定值130％的最高电压。

增强后的高压装置电路

现在，输出阻抗约为3.50 MΩ ，其改善并不是很大，但是当C17 作为容性负载之后负载条件下的电压纹波明显减小。

第二步改进:

由于使用高压探棒和VTVM测量输出电压不方便，我加入了一个简单的电压监视装置，它由二极管D1 和 D2 (1N4007)、滤波电容 C18 (20 μF)和电压表组成。C18上的电压与空载是高压装置的输出电压近似成正比（约为1：800），从而使电压测量更加精确

另外：由于在装置开启时的浪涌电流多次导致1N4007二极管失效，我给每只二极管串接了一只20 Ω的限流电阻（电路图中没有画出）。

接入电压表的装置电路图

下图展示了装置的改进版。左侧的变压器额定功率为3kW，向推挽式电压互感器（侧）提供2×150V的交流电压输出。

改良版的160 kV高压装置

能源与电力

没有窗户的房间

Yan — Tue, 31 Oct 2006 07:17:42 -0800

（提醒一下，如果你想到的是牢房的话，）这里没有窗户的房间指的是实验室。

我现在做实验的地方在地下室，空气流通靠一个日夜不停，嗡嗡作响的空调系统来完成。以前呆过的实验室，倒大多在楼上，但窗户常年关闭，而且用厚厚的黑帘挡死的。也许因为我是做“光”学方面的，所以见不得“光”。

这种经验并不只我一个人有，同事们一说起“实验室”“地下室”，都要会意地笑。

在这样的环境下做事，想象起来就是很郁闷的。其实也不见得，如果实验真的很有意思，就跟打开另一扇窗一样，风景也不错。

所以实验室不开窗还有另一层目的，帮助我们避开外部世界的干扰，专注于实验。在暗黑世界里找到光，那确实更美。想起刚做激光实验时，调出激光来那种兴奋劲了。

在格志这个“你做实验时听什么类型的音乐”的调查里，有大约一半人都选择了“不听”，这是合情合理的。音乐也是另一个“窗户”，而且和“实验”一样向内，两者弄不好就互相干扰了。除非这个“实验”只是常规性，采采数据之类，放放音乐可以帮助打发枯燥的时光。

听音乐激发实验灵感之类，也可能有，但比较少见。更多时候，放点背景音乐确实可以帮助调整情绪，心思静下来。

所以实验室没有窗户，是房间里太多“窗户”，已经太热闹的缘故。