Le multiplicateur de tension continue, nomme CASCADE DE GREINACHER  (1919)  ou CASCADE de COCKROFT-WALTON, est constitue par une pile de n redresseurs doubleurs de tension de Schenkel.

Son principe est dû a Greinacher et il a ete applique, presque simultanement et independamment, par J.D. Cockroft a Cambridge ( Angleterre) et par Bouwers ,a Eindowen (Pays-Bas).

Tres simple dans son principe, ce type de generateur est le premier a avoir ete utilise pour produire une reaction nucleaire ( Sir John Cockroft et Mr Ernest T.S. Walton , Cavendish Laboratory,Cambridge ,1932) .Il represente le premier generateur electromagnetique a haute tension d'un accelerateur de particule.

L'experience a ete recree par Fred M. Niell:

  "A typical modern accelerator can cost up to $1 trillion. The famous pioneer team, Cockroft and Walton, did work using a 150,000 electron volt accelerator, which can be built for under $100 today.(../..) The original Cockroft-Walton accelerator made in 1932 served as my model. Armed with simplified original plans and household parts, I designed and built my own accelerator over the period of a year. My accelerator consists of three main parts, the high voltage power supply, the accelerator tube, and the vacuum system.

The high voltage power supply is of the Cockroft and Walton type. It is a cascading voltage doubler, with twenty stages, and a total of sixty components. It develops a positive potential of approximately 100,000 volts. The circuit is a "ladder" of rectifiers and capacitors, supplied by a neon sign transformer (from a garage-sale beer sign), and immersed in oil, for dielectric purposes."(Fred M. Niell.)

SCHEMAS DE PRINCIPE

  Le redressement d'une tension alternative est le procede le plus couramment utilise pour obtenir une tension continue a partir du resau electrique.

  Le principe est schematise sur la figure a : la tension alternative est amenee a la valeur desiree au moyen du transformateur T. Elle est ensuite redressee par la diode D et filtree par le condensateur C.Les alternances positives de la tension aux bornes du secondaire chargent progressivement le condensateur.En regime permanent, le condensateur ne se charge plus et sa tension est egale a la tension crete alternative V au secondaire du transformateur. Ce resultat est peu modifie si le generateur continu (en l'occurence le condensateur) debite un courant relativement faible. Lorsqu'on cherche a produire des tensions continues de plus en plus elevees, des problemes d'isolement, rapidement insolubles, se posent pour le transformateur, la diode et le condensateur. Il n'est guere permisde depasser quelques centaines de kilovolts. Par contre, les intensites peuvent etre tres elevees.

  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 crete 2V. Si l'on redresse a nouveau cette tension, on obtiendra, aux bornes de C', la tension continue 2V ( figure b).Ce montage doubleur de tension (de Schenkel) reporte les problemes 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 troisieme cellule, on obtient ( figure c) une tension 2V qui vient s'ajouter a la tension aux bornes de C.

  Rien n'empeche de recommencer le processus. On obtient ainsi un multiplicateur de tension qui permet -theoriquement- d'atteindre un potentiel aussi eleve que l'on veut sans faire supporter une tension superieure a 2V a aucun des elements du montage. Le montage Greinacher ou Cockroft-Walton permet d'atteindre des tensions de plusieurs millions de volts. Toutefois, au fur et a mesure que le nombre d'etages augmente, la tension parasite d'ondulation ( ripple ) , a la frequence d'alimentation du transformateur, devient de plus en plus genante. On peut la reduire considerablement en utilisant un montage symetrique (figure d) ,des condensateurs de forte valeur ou encore une alimentation a frequence elevee ( quelques kilohertz).

MULTIPLICATEURS DE TENSION CONTINUE ( ET REGIME CONTINU)

A Le redresseur doubleur de tension de Schenkel

  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 :

  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 ).

* 3MV Singletron Accelerator (HVEE)

  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.

* 2 MV Tandetron Accelerator ( HVEE)

* 3MV Tandetron Accelerator (HVEE)

  La societe Radiation Dynamics Inc. (RDI) commercialise le Dynamitron , qui est un accelerateur de particules qui utilise le meme principe.La gamme des voltages accelerateurs est etendue entre 500 kV et 5 MV.

A pressure vessel filled with pure SF6 houses the beam tubes, stripper assembly and the major part of the high voltage power supply. The power supply is a parallel-fed rectifier system driven by a RF oscillator of amplitude E. N=92 rectifier assemblies - each containing nearly 500 solid state diodes - are arranged in cascade. The RF oscillator driving the rectifier system is capable of approximately 100 kW RF power at a frequency of 120 kHz. This is sufficient to provide a maximum DC output of more than 5 MV and load currents up to 10 mA (Dynamitron Tandem Accelerator at Bochum) .

The Dynamitron is a high voltage accelerator , made by Radiation Dynamics (RDI) in USA, providing 3MeV electron beam of 30kW beam power. High voltage is obtained from a parallel-feed series cascaded rectifier system operated with a high frequency (250kHz) oscillator. A stable beam is easily controlled and is used in the experiment.(The Dynamitron Electron Beam Accelerator - RCNST - Tokyo)

C 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."

D Realisations ( Hobby made Cockroft Walton) : Bob Lapointe a realise un multiplicateur de tension alimente par un transformateur d'enseigne lumineuse.Il a realise un generateur a 3 etages puis a 4 etages avec des condensateurs de 2500 pf @ 30 kVDC et des diodes de 12 kV @ 350 mA.

"I built my full wave, three stage, Cockcroft-Walton voltage multiplier from nine 2500 picofarad, 30 kVDC, ceramic capacitors and twenty-four 12 kVDC, 350 mA, diodes". ( Bob Lapointe)

A 200 kV multiplier par Sam Barros , http://www.powerlabs.org/cascade.htm