Генератор википедия – Категория:Генераторы псевдослучайных чисел — Википедия

Генератор Маркса — Википедия

Генера́тор Ма́ркса — генератор импульсного высокого напряжения, принцип действия которого основан на зарядке электрическим током соединённых параллельно (через резисторы) конденсаторов, соединяющихся после зарядки последовательно при помощи различных коммутирующих устройств (например, газовых разрядников или тригатронов). Таким образом выходное напряжение увеличивается пропорционально количеству соединённых конденсаторов.

Общая схема и стадия заряда Стадия разряда

После зарядки конденсаторов запуск генератора обычно производится после срабатывания первого разрядника (на рисунке обозначенного как trigger (триггер). После срабатывания триггера перенапряжение на разрядниках заставляет срабатывать все зарядники практически одновременно, чем и производится последовательное соединение заряженных конденсаторов.

Генераторы Маркса позволяют получать импульсные напряжения от десятков киловольт до десятка мегавольт.

Частота импульсов, вырабатываемых генератором Маркса, зависит от мощности генератора в импульсе — от единиц импульсов в час до нескольких десятков герц.

Энергия в импульсе генераторов Маркса широко варьируется (от дециджоулей до десятков мегаджоулей).

Коаксиальная конструкция генератора Маркса. Является источником импульсов с ~5 нс фронтом. Голубые полоски — диэлектрик (вода) конденсаторов, обкладки которых соединены резисторами (выполнены из скрученной высокоомной проволоки). Разрядные промежутки (двойная линия шаров посередине) расположены так близко, как возможно, и самосинхронизируются вспышками УФ-излучения. Питающее напряжение подводится снизу, высокое снимается с цилиндра наверху.

Лабораторные малые генераторы Маркса до напряжений в 100—200 киловольт могут исполняться с воздушной изоляцией, более мощные генераторы Маркса с более высокими рабочими импульсными напряжениями могут выполняться с вакуумной, газовой (газ с высокой электрической прочностью под давлением, например элегаз), масляной изоляцией, препятствующей как непосредственным паразитным пробоям воздуха, так и стеканию зарядов с установки вследствие коронных разрядов.

В случае исполнения генераторов Маркса с вакуумной, газовой или масляной изоляцией генератор обычно помещается в герметичную вакуумированную или заполненную указанными веществами ёмкость. В некоторых конструкциях генераторов Маркса применяют герметизацию конденсаторов и резисторов, но газовые разрядники располагают на воздухе.

В качестве разрядников применяют воздушные разрядники (например, с глушителями звука) на напряжение до 100 кВ и ток до 1000 кА, вакуумные разрядники, игнитроны, импульсные водородные тиратроны. Тиристоры в качестве коммутирующих элементов практически не применяются в связи с малыми значениями обратного напряжения и трудностями синхронизации их срабатывания в случае последовательного соединения. Все виды разрядников отличаются теми или иными различными недостатками (эрозией электродов, недостаточным быстродействием, незначительным сроком службы и т. д.) либо дороги, как, например, водородные тиратроны.

Для снижения потерь в качестве защитных и разделительных (зарядных) элементов генератора вместо резисторов в некоторых случаях применяют высокодобротные дроссели. В некоторых конструкциях генераторов в качестве резисторов применяют жидкостные сопротивления (резисторы).

На рисунке (коаксиальная конструкция) изображён генератор Маркса, использующий жидкостные конденсаторы на деионизированной воде. Такая конструкция улучшает технологичность конденсатора, уменьшает длину соединительных проводников, а также позволяет значительно уменьшить общее время срабатывания разрядников благодаря их облучению УФ-излучением разрядников, сработавших чуть раньше.

Основной недостаток генератора Маркса состоит в том, что при уровне зарядного напряжения порядка (50—100)⋅103 В он должен содержать 5—8 ступеней с таким же количеством искровых коммутаторов, что связано с ухудшением удельных энергетических и массо-габаритных параметров и снижением КПД. В режиме разряда генератора Маркса потери складываются из потерь в конденсаторах и искровых промежутках и сопротивления нагрузки, например, канала разряда в главном разрядном промежутке. Для уменьшения потерь стремятся снижать сопротивления искровых коммутаторов ГИН, например, помещением их в электрически прочный газ под давлением, применяют конденсаторы с повышенной добротностью, оптимизируют инициирование пробоя для достижения минимальных пробивных градиентов и т. п.

Генератор импульсов высокого напряжения (генератор импульсного напряжения, ГИН) Маркса используется в разнообразных исследованиях в науке, а также для решения разнообразных задач в технике. В некоторых установках генераторы Маркса работают и в качестве генераторов импульсного тока (ГИТ).

В некоторых установках объединяют два генератора Маркса в единую установку, в которой многоступенчатый ГИН с конденсаторами небольшой общей ёмкостью обеспечивает высокий потенциал напряжения, необходимый для развития разряда основного малоступенчатого ГИТ с конденсаторами большой общей ёмкости, со сравнительно невысоким потенциалом, но большой силой тока в продолжительном импульсе.

Например, генераторы Маркса применяются (начальное историческое применение) в ядерных и термоядерных исследованиях для ускорения различных элементарных частиц, создания ионных пучков, создания релятивистских электронных пучков для инициирования термоядерных реакций.

Генераторы Маркса применяются в качестве мощных источников накачки квантовых генераторов, для исследований состояний плазмы, для исследований импульсных электромагнитных излучений.

В военной технике генераторы Маркса в комплексе с, например, виркаторами в качестве генераторов излучения применяются для создания портативных средств радиоэлектронной борьбы[источник не указан 3559 дней], в качестве электромагнитного оружия[1], действие которого основано на поражении целей радиочастотным электромагнитным излучением (РЧЭМИ).

В промышленности генераторы Маркса наряду с другими источниками импульсных напряжений и токов применяются в электрогидравлической обработке материалов, дроблении, бурении, уплотнении грунтов и бетонных смесей.

Генератор импульсов высокого напряжения изобретён немецким инженером Эрвином Марксом в 1924 году, построен в 1926 году. В отечественных источниках генератор Маркса часто называют генератором Аркадьева — Маркса[2] или генератором Маркса — Аркадьева[3]. Отдельные отечественные исследователи генератор Маркса называют генератором Аркадьева — Баклина — Маркса. Такое название возникло в связи с тем, что в 1914 году В. К. Аркадьев совместно с Н. В. Баклиным[4] построил так называемый «генератор молний»[5], который являлся первым импульсным генератором в России, работавшим на принципе последовательного соединения конденсаторов для получения умноженного напряжения. Генератор Аркадьева — Баклина принципиально напоминал работу генератора Маркса, но в отличие от него использовал контактно-механический способ соединения конденсаторов ступеней, а не бесконтактный, как в генераторе Маркса.

Ежегодно Ассоциация электротехники, электроники и информационных технологий Германии присуждает премии им. Эрвина Маркса лучшим выпускникам Брауншвейгского технического университета и Брауншвейгского университета прикладных наук «Ostfalia»[6].

  • Бабкин A.B., Велданов В. А., Грязнов Е. Ф. Средства поражения и боеприпасы: Учебник. — Москва: МГТУ, 2008. — ISBN 978-5-7038-3171-7.
  • Фрюнгель Ф. Импульсная техника. Генерирование и применение разрядов конденсаторов, пер. с нем., M.- Л., 1965
  • Техника высоких напряжений, под ред. Л. И. Сиротинского, ч. 1, M., 1951
  • Гончаренко Г. M., Жаков E. M., Дмоховская Л. Ф., Испытательные установки и измерительные устройства в лабораториях высокого напряжения, M., 1966;
  • Техника больших импульсных токов и магнитных полей, под ред. В. С. Комелькова, M., 1970
  • Кремнев В. Формирование наносекундных импульсов высокого напряжения, M., 1970
  • Булан В. и др. Высоковольтный наносекундный генератор Маркса с импульсами квазипрямоугольной формы. //ПТЭ. — 1999.- N.6.

Генератор Армстронга — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Схемы генераторов Армстронга из патента US1,113,149 Oct.06, 1914

Генератор Армстронга[1] и генератор Мейснера (Майснера)) называются в честь их изобретателей, электротехников Эдвина Армстронга и Александра Мейснера.

В обоих генераторах применяется трансформаторная обратная связь, но в генераторе Армстронга колебательный контур стоит и на входе и на выходе усилительного каскада, а в генераторе Мейснера колебательный контур стоит на выходе усилительного каскада.

Генераторы Армстронга и Мейснера представляют собой усилительные каскады (на лампе, биполярном или полевом транзисторе) с трансформаторной положительной обратной связью. Колебательный контур, образованный одной из катушек трансформатора и ёмкостью, может стоять или в выходной цепи (генератор Мейснера), или во входной цепи (генератор Армстронга), или в обеих цепях усилительного каскада (генератор Армстронга).

Генератор Армстронга на полевом транзисторе Fazowaja diagramma1.jpg

Частота генератора Армстронга приблизительно определяется по формуле:

f=12⋅π⋅L⋅C{\displaystyle f={1 \over {2\cdot \pi \cdot {\sqrt {L\cdot C}}}}}.

В практических схемах действительная частота немного отличается от частоты по формуле.

Эта схема является основой регенеративного приёмника с амплитудно модулированным радиосигналом. В этом применении антенна присоединяется к дополнительной катушке, обратная связь уменьшается, например, небольшим уменьшением расстояния между катушками T и L.

По виду каскада усиления (с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК), с общей базой (ОБ)) возможны три разновидности генераторов Армстронга и Мейснера. Так как усилитель по схеме с общей базой — наиболее высокочастотный, то и генератор на усилительном каскаде с общей базой — наиболее высокочастотен.

f={1 \over {2\cdot \pi \cdot {\sqrt  {L\cdot C}}}} Рис.1. Схема генератора Мейснера Fazowaja diagramma3.jpg
Fazowaja diagramma3.jpg Генератор на каскаде с общей базой, имеет трансформаторную обратную связь, как в генераторе Мейснера, и частичное включение второго LC-контура ко входной цепи через ёмкостной делитель напряжения, как в генераторе Колпитца.

Схема на рис.1 представляет собой генератор Мейснера на каскаде с общим эмиттером. Каскад с общим эмиттером сдвигает фазу на 180°. В коллекторной цепи применено полное включение колебательного контура L2C2, которое фазу не сдвигает, но сильно шунтирует контур. Положительная обратная связь создаётся трансформатором L2L1, который при согласном включении обмоток сдвигает фазу приблизительно на 180°. Ёмкость C1 с эквивалентным параллельным сопротивлением резисторов R1 и R2 создаёт дополнительный сдвиг фазы приблизительно равный 60°. Суммарный петлевой сдвиг фазы составляет приблизительно 180°+180°+60°=420°. Запас устойчивости по фазе приблизительно -150°÷+30°. Другая разновидность этой схемы приведена в

[2] на рис.8.1.а).

Маломощные генераторы строят на однотактных усилительных каскадах, генераторы большей мощности строят на двухтактных усилительных каскадах, которые имеют больший КПД[3].

На высоких частотах трансформатор выполняется в виде двух полосок печатного проводника.

Fazowaja diagramma3.jpg

Осциллятор Ван дер Поля является разновидностью генератора Армстронга с возбуждением от внешнего генератора Es.

Ударный генератор — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

У этого термина существуют и другие значения, см. Генератор.

Уда́рный генера́тор — синхронный генератор (как правило, трёхфазного тока), предназначенный для кратковременной работы в режиме короткого замыкания (КЗ).

Обычно ударный генератор выполняется в виде двухполюсной синхронной машины с воздушным охлаждением. Отличаются от обычных синхронных генераторов, рассчитанных на длительную отдачу электрической энергии, тем, что являются накопителями энергии, генерирующими большую электрическую мощность в течение весьма короткого промежутка времени, обычно исчисляемого долями секунды или секундами (КЗ длится 0,06-0,15 сек, после чего ударный генератор в течение нескольких минут охлаждают). Ударные генераторы применяются при испытаниях высоковольтной аппаратуры на включающую-отключающую способность, термическую и электродинамическую устойчивость, в физических экспериментах по управляемому термоядерному синтезу и т. д.

Ударные генераторы для испытания выключающих аппаратов высокого напряжения в многополюсном исполнении начали изготавливать в 1916 г. Эти генераторы обладали относительно высоким значением сверхпереходной индуктивности Xd (недоступная ссылка). Самый крупный из выпущенных в тот период — ударный генератор мощностью в 100 МВА позволял получать мощность отключения порядка 500 МВА. В 1925 г. фирмой «Метрополитен-Виккерс» был построен первый двухполюсный быстроходный ударный генератор. Понижение величины сверхпереходной индуктивности позволило увеличить мощность отключения при коротком замыкании.

Для получения больших значений тока, необходимого для исследования сверхсильных магнитных полей по методу акад. П. Л. Капицы, был разработан однофазный импульсный синхронный генератор Капицы-Костенко. Цепь статора такого генератора для получения тока одного направления закорачивалась при помощи выключателя специальной конструкции в момент прохождения тока через максимальное значение и размыкалась в момент прохождения первой полуволны через нулевое значение. Первый импульсный генератор Капицы-Костенко был разработан в 1924 г. под руководством акад. М. П. Костенко и изготовлен заводом «Электросила».

В СССР разработчиком и производителем генераторов являлся завод «Электросила».

Основные модели ударных генераторов:
  • ТИ-12-2;
  • ТИ-25-2;
  • ТИ-75-2;
  • ТИ-100-2.

За рубежом ударные генераторы производят фирмы Siemens Power Generation и Mitsubishi Electric

  • «Электрические машины. Специальная часть»,Костенко М. П.,М.-Л.,Госэнергоиздат, 1949 г., 712 с. ил.
  • «Техника высоких напряжений», И. К. Федченко, изд. «Вища Школа», Киев, 1969 г.
  • «Электрические машины», А. И. Вольдек

Аппаратный генератор случайных чисел — Википедия

Аппара́тный генера́тор случа́йных чи́сел (генератор истинно случайных чисел) — устройство, которое генерирует последовательность случайных чисел на основе измеряемых, хаотически изменяющихся параметров протекающего физического процесса. Работа таких устройств часто основана на использовании надёжных источников энтропии, таких, как тепловой шум, дробовой шум, фотоэлектрический эффект, квантовые явления и т. д. Эти процессы в теории абсолютно непредсказуемы, на практике же получаемые из них случайные числа проверяются с помощью специальных статистических тестов.

Аппаратные генераторы случайных чисел главным образом применяются для проведения статистических испытаний и в криптографии, где они используются для создания криптографических ключей для зашифрованной передачи данных. Также такие устройства широко используются в интернет-казино для имитации, например, рулетки. Но из-за сложности реализации и относительной медленности использование подобных генераторов зависит от потребностей конкретной предметной области и от устройства самого генератора.

Простая игральная кость, широко использовавшаяся в азартных играх в прошлом и в настольных играх в настоящее время, является простейшим истинным генератором случайных чисел. В 1890 году английский исследователь Фрэнсис Гальтон описал способ использования игровых костей для генерации случайных чисел в научных целях[1].

Дальнейшим развитием аппаратных генераторов случайных чисел можно считать специальные устройства — лототроны, использующиеся для генерации чисел в лото и кено. Они главным образом состоят из барабана, перемешивающего шары с числами, и устройства, извлекающего их из него поочерёдно. Однако такой метод генерации является очень медленным и непригодным для автоматической генерации больших массивов данных[2].

Для прикладных задач были необходимы большие массивы данных. В 1939 М. Ж. Кендалл и Б. Бабингтон-Смит построили первую машину, генерирующую случайные числа для построения таблицы[en], содержащей 100 000 случайных чисел. А через 16 лет корпорацией RAND, с использованием специальных устройств, была построена таблица из миллиона случайных чисел. Несмотря на оживление табличного метода в 1996 году Дж. Марсальей[en], построившим 650 Мбайт случайных чисел, круг применимости таких таблиц очень узок[3].

Гораздо большее распространение получили генераторы случайных чисел, генерирующие их в реальном времени. В 1951 году в компьютер Ferranti Mark 1[en] была включена программа, которая генерировала случайные числа, используя шум резистора. Идея создания этой программы принадлежала А. Тьюрингу[4]. А в 1957 году была изобретена машина ERNIE (Electronic Random Number Indicator Equipment)[en], четвёртая версия которой была представлена в 2004 году. Это устройство изначально предназначено для генерации номеров выигрышных облигаций в британской лотерее[5].

Аппаратные генераторы случайных чисел могут быть основаны на макроскопических случайных процессах с использованием таких предметов, как монетка, игральная кость или колесо рулетки. Наличие непредсказуемости в данных объясняется теорией неустойчивых динамических систем и теории хаоса. Даже полностью определённые уравнениями Ньютона макроскопические системы на практике имеют непредсказуемый выход, поскольку он зависит от микроскопических деталей начальных условий[6].

Генераторы, использующие физические случайные процессы[править | править код]

Устройства, основанные на макроскопических случайных процессах, не могут обеспечить скорость получения случайных чисел, достаточную для прикладных задач. Поэтому в основе современных АГСЧ лежит источник шума, из которого извлекаются случайные биты. Источники шума разделяют на два типа: имеющие квантовую природу и не использующие квантовые явления[7][8].

Следствием законов квантовой физики является тот факт, что некоторые природные явления (например, радиоактивный распад атомов) абсолютно случайны и не могут быть в принципе предсказаны (одним из первых опытов, доказывающих вероятностную природу некоторых явлений, можно считать опыт Дэвиссона — Джермера). Также из статистической механики следует, что при температуре, не равной абсолютному нулю, каждая система имеет случайные флуктуации своих параметров.

Поскольку некоторые квантово-механические процессы абсолютно случайны, они являются «золотым стандартом» для АГСЧ. Явления, использующиеся в генераторах, включают:

Неквантовые явления проще детектировать, но АГСЧ, основанные на них, будут сильно зависеть от температуры (например, величина теплового шума пропорциональна температуре окружающей среды). Среди процессов, использующихся в АГСЧ, можно отметить:

  • Тепловой шум в резисторе, из которого после усиления получается генератор случайных напряжений. В частности, генератор чисел в компьютере Ferranti Mark 1[en] был основан на этом явлении[4].
  • Атмосферный шум[en], измеренный радиоприёмником; сюда же можно отнести и приём частиц, прилетающих на Землю из космоса, которые регистрируются приёмником, а их количество в разные промежутки времени случайно. Веб-сервис Random.org использует данный подход.
  • Разница в скорости хода часов[en] — явление, заключающееся в том, что ход разных часов не будет абсолютно совпадать[10].

Существует несколько подходов для получения последовательности случайных битов из физического случайного процесса. Один из них заключается в том, что полученный сигнал-шум усиливается, фильтруется и подаётся на вход быстродействующего компаратора напряжений, чтобы получить логический сигнал. Длительность состояний компаратора будут случайными, что позволяет создать последовательность случайных чисел, измеряя длительности этих состояний. В таких системах необходимо принимать во внимание, что, помимо используемого генератора шума, его могут вносить и другие компоненты системы (например, силовая линия), что может сильно повлиять на статистические параметры генерируемой последовательности битов[11][8].

Другой подход заключается в том, что случайный сигнал подаётся на вход аналого-цифрового преобразователя (могут использоваться как специальные устройства, так и аудиовход компьютера), в результате оцифрованный сигнал будет представлять собой последовательность случайных чисел, которая может быть программно обработана. Также существуют методы объединения быстродействующего генератора псевдослучайных чисел с медленным аппаратным генератором[11][8].

Генераторы, использующие другие явления[править | править код]

Генераторы случайных чисел, использующие физические случайные процессы, позволяют получить хорошие случайные числа, но их производство относительно сложно и дорого (в особенности это касается АГСЧ, основанных на радиоактивном распаде), но существуют и более доступные источники случайности[12]:

К наиболее необычным генераторам следует отнести работы, которые используют цифровые видеокамеры, снимающие макроскопические явления. Например, команда из Silicon Graphics использовала видеозапись лавовой лампы для генерации случайных чисел, так как воск в лампе хаотически меняет свои формы. Также в качестве объекта съёмки могут быть использованы пузыри в аквариуме или ленты в потоке воздуха от вентилятора[13].

Основная проблема аппаратных генераторов случайных чисел — это их относительная медленная по сравнению с генераторами псевдослучайных последовательностей работа. Также многие из них деградируют постепенно (например, из-за уменьшения радиоактивности вещества со временем), поэтому их необходимо тестировать на статистическую случайность перед каждым использованием (многие из них тестируются в реальном времени)[8].

Другая проблема, связанная с аппаратными генераторами случайных чисел, — это смещение математического ожидания последовательности выходных битов (когда одних чисел в последовательности больше, чем других, например, единиц больше, чем нулей в двоичной системе). Она вызвана особенностями физических процессов, используемых в генераторах шума. Данная проблема решается с помощью специальных алгоритмов, которые позволяют выровнять число нулей и единиц в среднем в достаточно длинной выборке чисел[14][8].

Дж. Нейман одним из первых предложил простой алгоритм для исправления перекоса математического ожидания в последовательности. Алгоритм заключается в том, что биты рассматриваются парами: если в паре два одинаковых значения, то пара отбрасывается, если биты разные, то вместо пары записывается только первый бит в этой паре. Недостаток этого алгоритма заключается в том, что около 75 % битов отбрасываются, и в результате сильно падает скорость генерации случайных бит[14].

Другой метод заключается в использовании криптографических хеш-функций (например, MD5 или SHA-1), так как они удовлетворяют строгим требованиям криптографической стойкости. Но, несмотря на относительную быстроту этого метода, их трудно воспроизвести аппаратным способом из-за нелинейности хеш-функций и из-за сильной зависимости такого генератора от качества самой хеш-функции[14].

Также для уменьшения смещения математического ожидания используются криптографически стойкие генераторы псевдослучайной последовательности, поток битов которых с помощью операции XOR складывается с потоком битов из аппаратного генератора. Главное достоинство данного метода заключается в том, что он может быть реализован полностью аппаратно, например, на FPGA[14].

  1. Гальтон Ф. «Dice for statistical experiments» журнал «Nature». — 1890. — С. 13-14. — 43 с.
  2. ↑ «Патент „Random number generator“»
  3. Кнут Д. Э. Искусство программирования. Том 2. Получисленные алгоритмы. — 2011. — С. 12—14. — 832 с. — ISBN 978-5-8459-0081-4.
  4. 1 2 Turing A. Programmers’ Handbook for the Manchester Electronic Computer Mark II. — 1952. — С. 25. — 110 с.
  5. ↑ «История ERNIE» (недоступная ссылка)
  6. Панкратов С. Законы непредсказуемы» журнал «Наука и жизнь. — М.: Правда, 1988. — С. 75—77. — 172 с.
  7. 1 2 3 Бобнев, 1966, с. 7-14.
  8. 1 2 3 4 5 Henk, 2005.
  9. Marandi A., Leindecker N. C., Vodopyanov K. L., Byer. All-optical quantum random bit generation from intrinsically binary phase of parametric oscillators. — 2012. — Vol. 20. — DOI:10.1364/OE.20.019322.
  10. Velichko S. Random-number generator prefers imperfect clocks. — 1996.
  11. 1 2 Shcindler, 2001, с. 103.
  12. Callas J. Using and Creating Cryptographic-Quality Random Numbers (англ.) (недоступная ссылка) (3 June 1996). Дата обращения 9 октября 2014. Архивировано 14 марта 2015 года.
  13. ↑ «Патент „Method for seeding a pseudo-random number generator with a cryptographic hash of a digitization of a chaotic system“»
  14. 1 2 3 4 Claudio A. Ardagna, Jianying Zhou, 2011.
  • Бобнев М. П. «Генерирование случайных сигналов и измерение их параметров». — М.: Энергия, 1966. — 120 с.
  • Henk C. A. va Tilborg. Encyclopedia of Cryptography and Security. —  США: Springer Science+Business Media, 2005. — С. 509—514. — 684 с. — 45 000 экз. — ISBN 978-0-387-23473-1.
  • Schindler W. Efficient Online Test for True Random Numbers Generators (англ.) // Naccache D., Paar C., Cetin K. Koc Cryptographic Hardware and Embedded Systems — CHES 2001 : сборник. — 2001. — P. 103. — ISBN 3-540-42521-7. — ISSN 0302-9743.
  • Siew-Hwee Kwok, Yen-Ling Ee, Guanhan Chew, Kanghong Zheng, Khoongming Khoo, Chik-How Tan. A Comparison of Post-Processing Techniques for Biased Random Number Generators (англ.) // Claudio A. Ardagna, Jianying Zhou Information Security Theory and Practice. Security and Privacy of Mobile Devices in Wireless Communication : сборник. — 2011. — P. 175—190. — ISBN 978-3-642-21039-6.

Генератор Ван де Граафа — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Миниатюрный генератор Ван де Граафа Генератор Ван де Граафа для первого в Венгрии линейного ускорителя. На нём было получено напряжение 1 МВ в 1952 году.

Генератор Ван де Граафа — генератор высокого напряжения, принцип действия которого основан на электризации движущейся диэлектрической ленты. Первый генератор был разработан американским физиком Робертом Ван де Граафом в 1929 году и позволял получать разность потенциалов до 80 киловольт. В 1931 и 1933 им же были построены более мощные генераторы, позволившие достичь напряжения в 1 миллион и 7 миллионов вольт соответственно[1].

Схема генератора, см. пояснения в тексте

Простой генератор Ван де Граафа состоит из диэлектрической (шёлковой или резиновой) ленты (4 на рисунке «Схема генератора»), вращающейся на роликах 3 и 6, причём верхний ролик диэлектрический, а нижний металлический и соединён с землёй. Один из концов ленты заключён в металлическую сферу 1. Два электрода 2 и 5 в форме щёток находятся на небольшом расстоянии от ленты сверху и снизу, причём электрод 2 соединён с внутренней поверхностью сферы 1. Через щетку 5 воздух ионизируется от источника высокого напряжения 7, образующиеся положительные ионы под действием силы Кулона движутся к заземлённому 6 ролику и оседают на ленте, движущаяся лента переносит заряд внутрь сферы 1, где он снимается щёткой 2, под действием силы Кулона заряды выталкиваются на поверхность сферы и поле внутри сферы создается только дополнительным зарядом на ленте. Таким образом на внешней поверхности сферы накапливается электрический заряд. Возможность получения высокого напряжения ограничена коронным разрядом, возникающим при ионизации воздуха вокруг сферы.

Современные генераторы Ван де Граафа вместо лент используют цепи, состоящие из чередующихся металлических и пластиковых звеньев, и называются пеллетронами.

Исторически изначально генераторы Ван де Граафа применялись в ядерных исследованиях для ускорения различных заряженных частиц. В настоящее время их роль в ядерных исследованиях уменьшилась по мере развития иных способов ускорения частиц.

Они продолжают использоваться для моделирования процессов, происходящих при ударе молний, для имитации грозовых разрядов на земле.

  • В романе Е. Л. Войскунского и И. Б. Лукодьянова «Экипаж Меконга» генератор Ван де Граафа используется для придания свойства проницаемости твёрдым телам
  • В романе братьев Стругацких «Понедельник начинается в субботу», генератор Ван де Граафа служит метафорическим сравнением для дистиллятора детского смеха
  • Генератор Ван де Граафа

  • Генератор без металлической сферы

  • Верхний ролик и гребёнки

  • Нижний ролик и гребёнки

Униполярный генератор — Википедия

Униполярный генератор — разновидность электрической машины постоянного тока. Содержит проводящий диск, постоянное магнитное поле, параллельное оси вращения диска, 1 токосъёмник на оси диска и 2-й токосъёмник у края диска.

Диск Фарадея, первый униполярный генератор

В классическом представлении, на электроны, находящиеся в диске, действует сила Лоренца:

F=q(E+[v×B]){\displaystyle \mathbf {F} =q\left(\mathbf {E} +[\mathbf {v} \times \mathbf {B} ]\right)} (в СИ)

В режиме холостого хода (без нагрузки), генератор создаёт на выходных контактах напряжение Uxx{\displaystyle U_{xx}}. При этом электроны в цепи не движутся[1], поэтому сила Лоренца, записанная ранее, равна нулю[2]. Но второе слагаемое[3] в силе Лоренца, пропорциональное векторному произведению напряжённости магнитного поля и скорости перемещения электрона вместе с проводником, не равно нулю. Получается, первое слагаемое компенсирует второе. В результате, при вращении диска возникает напряжённость электрического поля, которую можно рассчитать, выразив её из уравнения для силы Лоренца:

Exx=−Ω⋅r⋅B{\displaystyle \mathbf {E_{xx}} =-\mathbf {\Omega } \cdot \mathbf {r} \cdot \mathbf {B} } (в СИ)

где Ω⋅r{\displaystyle \mathbf {\Omega } \cdot \mathbf {r} } это угловая скорость помноженная на радиус (расстояние от оси диска до рассматриваемого участка диска), то есть это линейная скорость рассматриваемого участка диска. Чем дальше от оси вращения, тем больше напряжённость электрического поля в рассматриваемом участке диска.

Разность потенциалов, или, иначе говоря, напряжение, интегрируется из напряжённости. Получается: Uxx=ΩR2B2{\displaystyle U_{xx}={\frac {\mathbf {\Omega } \mathbf {R} ^{2}\mathbf {B} }{2}}} в вольтах, где R это радиус диска.

Диск Фарадея[править | править код]

В 1831 году Майкл Фарадей, открыв закон электромагнитной индукции, помимо прочих экспериментов, построил наглядное устройство преобразования механической энергии в электрическую — диск Фарадея. Это было чрезвычайно неэффективное устройство, однако оно имело значительную ценность для дальнейшего развития науки.

Закон электромагнитной индукции, сформулированный Фарадеем, рассматривал проводящий контур, пересекающий линии магнитного поля. Однако в случае диска Фарадея магнитное поле было направлено вдоль оси вращения, контур относительно поля не перемещался. Наибольшее же удивление вызвал тот факт, что вращение магнита вместе с диском также приводило к появлению ЭДС в неподвижной внешней цепи. Так появился парадокс Фарадея, разрешённый только через несколько лет после его смерти с открытием электрона — носителя электрического заряда, движение которого обуславливает электрический ток в металлах.

Наглядно видимая парадоксальность униполярной индукции выражается следующей таблицей, в которой описаны различные комбинации из вращения и неподвижности частей установки, и восклицательным знаком отмечен результат, интуитивно не объяснимый — возникновение тока в неподвижной внешней цепи при одновременном вращении диска и закреплённого вместе с ним магнита.

магнит диск внешняя цепь есть ли напряжение?
неподвижен неподвижен неподвижен отсутствует
неподвижен вращается неподвижен Есть
неподвижен неподвижен вращается Есть
неподвижен вращается вращается отсутствует
вращается неподвижен неподвижен отсутствует
вращается вращается неподвижен Есть (!)
вращается неподвижен вращается Есть
вращается вращается вращается отсутствует

Униполярная индукция – релятивистский эффект, в котором ясно проявляется относительный характер деления электромагнитного поля на электрическое и магнитное.[4]

Патенты и некоторые практические конструкции[править | править код]

  • Charles E. Ball (US238631; March 1881), en:Sebastian Ziani de Ferranti, en:Charles Batchelor получили самые ранние известные патенты на конструкции униполярных генераторов.
  • Никола Тесла (U.S. Patent 406 968) разработал конструкцию, в которой вращались на параллельных осях два диска в разных по направлению магнитных полях связаные металлическим ремнём.
  • В 1989 году в Австралии действовал униполярный генератор, вырабатывавший ток 1500 кА при напряжении 800 В.

Генератор для рельсотрона[править | править код]

Такие положительные свойства униполярных генераторов, как простота, надёжность и стоимость, проявляются в основном в применениях, где необходимо получить низкие напряжения (порядка 10 вольт) при высоком токе.[5] Одним из таких применений стал генератор для рельсотрона. Так, по инициативе Марк Олифанта, в австралийской национальной лаборатории был построен крупный униполярный генератор, ставший надёжным источником мегаамперных импульсов для рельсотрона, а позже он использовался в токамаке LT4 для возбуждения плазмы.[6]

Физика плазмы, МГД генераторы[править | править код]

Астрофизика[править | править код]

Наиболее существенной сферой современного применения представления об униполярном генераторе является астрофизика. В ряде звёздных систем в космосе наблюдаются природные магнитные поля и проводящие диски из плазмы, поведение которых как бы повторяет опыты Фарадея и Теслы.

Псевдонаучное шарлатанство[править | править код]

Данный тип электрических машин неоднократно использовался для построения вечного двигателя, источника даровой энергии и тому подобных мистификаций.

Наиболее известна история так называемой «N-машины» Брюса де Пальма (2 октября 1935 — октябрь 1997), который декларировал, что в его конструкции произведённая диском Фарадея энергия будет в пять раз больше, чем затраченная на его вращение. Однако в 1997 году, уже после смерти Брюса де Пальма, построенный экземпляр его машины был официально испытан с отрицательным результатом. Произведённая энергия рассеивалась в виде тепла, и величина её не превышала затраченной.

Основой для таких спекуляций служит неверное понимание известного «парадокса Фарадея» и представление о том, что разрешение этого «парадокса» кроется в каких-то особых полях и свойствах пространства (например, «торсионных»), а также утверждение о том, что в униполярных генераторах отсутствует обратная ЭДС, противодействующая вращению при замыкании тока через нагрузку.

Также встречаются конструкции «униполярных генераторов» и двигателей, авторы которых рекламируют колоссальный выигрыш по сравнению с традиционными электрическими машинами.

Также муссируется буквальное («однополюсный») понимание неверно применённого к данному классу устройств термин «униполярный» (homopolar). На самом деле эти устройства следовало бы правильнее называть «устройствами однородного магнитного поля, постоянного тока и некоммутируемого соединения ротора», так как в прочих электрических машинах используется и/или неоднородное магнитное поле и/или переменный ток и/или коммутация частей обмотки ротора.

Дополнительные сложности при объяснении работы униполярных электрических машин вызывает представление о движении носителей заряда, электронов, в частности термин «скорость». Во-первых, сразу возникает вопрос о том, скорость относительно чего мы рассматриваем в данном случае. Во-вторых, ознакомление невнимательного энтузиаста со специальной теорией относительности может привести его к запутывающему жонглированию понятиями «наблюдатель», «скорость» и тому подобными.

Самосверточный генератор — Википедия

Самосверточный генератор — это генератор псевдослучайных чисел, который основан на идеи сверточного генератора. Однако в отличие от него самосверточный генератор использует только один регистор сдвига с линейной обратной связью.

Основным отличием алгоритма самосверточного генератора является рассмотрение выходных битов РСЛОС не по отдельности, а по парам. Пошагово алгоритм[1] выглядит так:

  1. Дважды запускаем РСЛОС, формируем пару из двух битов на выходе.
  2. Если парой является ’10’, на выходе генератора — 0.
  3. Если парой является ’11’, на выходе генератора — 1.
  4. В противном случае на выходе ничего нет.
  5. Возвращаемся к первому шагу.

Взаимосоотвествие со сверточным генератором[править | править код]

Утверждение №1. Самосверточный генератор может быть представлен, как сверточный генератор[2].
Доказательство. Пусть a=(a0,a1,a2,…){\displaystyle a=(a_{0},a_{1},a_{2},…)} — последовательность длины N, сгенерированная РСЛОС, которая определяет выход самосверточного генератора. Тогда (a0,a2,a4,…){\displaystyle (a_{0},a_{2},a_{4},…)}определяет наличие битов на выходе, а (a1,a3,…){\displaystyle (a_{1},a_{3},…)} определяет последовательность выхода. Обе последовательности могут быть сгенерированы двумя РСЛОС с начальными состояниями (a0,a2,…,a2N−2){\displaystyle (a_{0},a_{2},…,a_{2N-2})} и (a1,a3,…,a2N−1){\displaystyle (a_{1},a_{3},…,a_{2N-1})}. Таким образом самосверточный генератор может быть представлен сверточным генератором, у которого оба РСЛОС имеют одинаковую обратную связь.
Утверждение №2. Сверточный генератор может быть реализован как частный случай самосверточного генератора[2].
Доказательство. Рассмотрим два РСЛОС с начальными последовательностями битов b=(b0,b1,…){\displaystyle b=(b_{0},b_{1},…)} и c=(c0,c1,…){\displaystyle c=(c_{0},c_{1},…)} с полиномами обратной связи b(x){\displaystyle b(x)} и c(x){\displaystyle c(x)} соответственно. Далее сформируем последовательность a=(c0,b0,c1,b1,…){\displaystyle a=(c_{0},b_{0},c_{1},b_{1},…)}. Если, например, в c0{\displaystyle c_{0}} (управляющая последовательность) находится 0, тогда на выходе самосверточного генератора ничего не будет. А если в c0{\displaystyle c_{0}} будет находиться 1, тогда на выходе будет b0{\displaystyle b_{0}}. Таким образом, выходы сверточного и соответствующего ему самосверточного генератора будут одинаковы. Утверждение доказано.

Утверждение №1. Пусть a{\displaystyle a} — последовательность максимального периода, сгенерированная РСЛОС длины N{\displaystyle N}. Пусть также s{\displaystyle s} — последовательность на выходе самосверточного генератора. Тогда период s{\displaystyle s} делится на 2N−1{\displaystyle 2^{N-1}}[2].
Пусть далее a(N){\displaystyle a(N)} — максимальная последовательность на выходе самосверточного генератора РСЛОС длины N. Тогда справедливы:
Утверждение №2. Период P{\displaystyle P} последовательности a{\displaystyle a} удовлетворяет: 2N−1≥P≥2[N/2]{\displaystyle 2^{N-1}\geq P\geq 2^{[N/2]}}[3].
Утверждение №3. Линейная сложность последовательности a{\displaystyle a} удовлетворяет неравенству: L>2[N/2]−1{\displaystyle L>2^{[N/2]-1}}[2].
Cогласно экспериментальным данным, период P{\displaystyle P} всегда достигает максимального значения при N>3 [3]

Предположим, что известна последовательность (s0,s1,…){\displaystyle (s_{0},s_{1},…)} выхода самосверточного генератора. Бит s0{\displaystyle s_{0}} получен из пары (aj,aj+1){\displaystyle (a_{j},a_{j+1})}, где j{\displaystyle j} — некоторый неизвестный индекс.Тогда aj=1{\displaystyle a_{j}=1}, а aj+1=s0{\displaystyle a_{j+1}=s_{0}}. Для следующей пары битов (aj+2,aj+3){\displaystyle (a_{j+2},a_{j+3})} возможны три случая.

  1. aj+2=1,aj+3=s1{\displaystyle a_{j+2}=1,a_{j+3}=s_{1}}.
  2. aj+2=0,aj+3=0{\displaystyle a_{j+2}=0,a_{j+3}=0}.
  3. aj+2=0,aj+3=1{\displaystyle a_{j+2}=0,a_{j+3}=1}.

В двух последних случаях генерации s1{\displaystyle s_{1}} не происходит. Далее для каждых из трех случаев пара (aj+4,aj+5){\displaystyle (a_{j+4},a_{j+5})} образует три аналогичных случая. Таким образом, для восстановления n{\displaystyle n} пар (то есть 2n=N{\displaystyle 2n=N} битов) необходимо рассмотреть: S=3n−1≈3N/2=2((log2⁡3)/2)N=20.79∗N{\displaystyle S=3^{n-1}\approx 3^{N/2}=2^{((\log _{2}3)/2)N}=2^{0.79*N}} случаев
Необходимо учеть то, что варианты не являются равновероятными. Если предположить, что восстанавливаемая последовательность случайна, тогда вероятность того, что P(aj+2=1)=1/2{\displaystyle P(a_{j+2}=1)=1/2}, а остальные два случая также равновероятны: P(aj+2=0,aj+3=0)=P(aj+2=0,aj+3=1)=1/4{\displaystyle P(a_{j+2}=0,a_{j+3}=0)=P(a_{j+2}=0,a_{j+3}=1)=1/4}
Тогда информационная энтропия пары битов (aj+2,aj+3){\displaystyle (a_{j+2},a_{j+3})}:
H=(−1/2)log2⁡(1/2)−(1/4)log2⁡(1/4)−(1/4)log2⁡(1/4)=1.5{\displaystyle H=(-1/2)\log _{2}(1/2)-(1/4)\log _{2}(1/4)-(1/4)\log _{2}(1/4)=1.5}
Предполагая, что пары битов независимы между собой, общая энтропия будет равна 3n/2{\displaystyle 3n/2}. Если использовать оптимальную стратегию для восстановления N{\displaystyle N} бит, тогда средняя сложность будет равняться 20.75N{\displaystyle 2^{0.75N}}[2]
Если предположить, что известны некоторая последовательность на выходе генератора длиной N{\displaystyle N} и полином обратной связи, тогда возможно уменьшить время атаки до 20.694N{\displaystyle 2^{0.694N}} [3]

Ниже приведен код возможной реализации на языке Python 3

# Регистр сдвига с обратной линейной связью
class LFSR():

        def __init__(self,f,initial_state):
                self.f = f # Коэффициенты многочлена по убыванию степени
                self.state = initial_state # текущее состояние
        # Вычисление нового элемента
        def new_elem(self):
                new_el = 0
                for i,j in zip(self.f,self.state):
                        new_el +=  int(i)*int(j)
                return str(new_el%2)
        # Выход регистра
        def get_output(self):
                last_elem = self.state[-1]
                self.update_state()
                return last_elem
        # Обновление состояния
        def update_state(self): # 
                self.state = self.new_elem()+self.state[:-1]
# Самосверточный генератор
class SelfShrinking():
        def __init__(self,lfsr):
                self.lfsr = lfsr
        # Выход генератора
        def get_output(self):
                fst_output = self.lfsr.get_output()
                snd_output = self.lfsr.get_output()
                pair = fst_output + snd_output
                if pair == '10':
                        return '0'
                elif pair == '11':
                        return '1'
                else:
                        return 'N/A'

if __name__ == '__main__':
        lfsr = LFSR('10001110','10110110')
        selfshr = SelfShrinking(lfsr)
        ITTERATIONS = 20
        for i in range(ITTERATIONS):
                print(selfshr.get_output())

В качестве примера возьмем полином связи x7+x5+x2+x+1{\displaystyle x^{7}+x^{5}+x^{2}+x+1} и начальное состояние 1110001{\displaystyle 1110001}.

После первых трех итераций на генератор подается пара битов (1,0){\displaystyle (1,0)}, которая согласно пункту 2 алгоритму преобразуется в 0{\displaystyle 0}. На пятой итерации на генератор подается пара битов (0,1){\displaystyle (0,1)}. Так как первый бит равен нулю, выход генератора не обновляется. На седьмой итерации на вход поступает пара (1,1){\displaystyle (1,1)}, которая согласно пункту 3 алгоритма преобразуется в 1{\displaystyle 1}.

Обобщение самосверточного генератора[править | править код]

Существует[4] обобщение бинарного самосверточного генератора. Рассматривается p{\displaystyle p}-ичный РСЛОС длины N{\displaystyle N} c начальным состоянием (a0,a1,…,aN){\displaystyle (a_{0},a_{1},…,a_{N})}. На его выходе образуется последовательность чисел ai:p−1≥ai≥0{\displaystyle a_{i}:p-1\geq a_{i}\geq 0}. Коэффициенты полинома обратной связи удовлетворяют неравенствам: p−1≥qi≥0{\displaystyle p-1\geq q_{i}\geq 0}.
Далее алгоритм работы следующей:

  1. Путем запуска p−{\displaystyle p-}ичного РСЛОС получаем последовательность (a0,a1,…,ap−1){\displaystyle (a_{0},a_{1},…,a_{p-1})}
  2. Если a0=0{\displaystyle a_{0}=0}, тогда на выходе генератора ничего нет.
  3. Если a0=1{\displaystyle a_{0}=1}, тогда на выходе a1{\displaystyle a_{1}}. И остальные символы в последовательности игнорируются.
  4. По аналогии: если a0=i{\displaystyle a_{0}=i}, то генератор выдает ai{\displaystyle a_{i}}. Оставшиеся символы не учитываются.
  5. Каждый элемент последовательности преобразуется в бинарный: 2[log2(p−1)]−p−12{\displaystyle {\frac {2^{[log_{2}(p-1)]}-p-1}{2}}}. Если p=0{\displaystyle p=0}, тогда этот элемент преобразуется в 1, в случае если предыдущий равен p−1{\displaystyle p-1} или в (di−1+1){\displaystyle (d_{i-1}+1)} mod{\displaystyle mod} p{\displaystyle p} в противном случае.
  6. Вернуться к первому шагу.
  1. Fontain C. Encyclopedia of Cryptography and Security (англ.) // Springer, Boston, MA. — 2011. — P. 1175.
  2. 1 2 3 4 5 Meier, Willi & Staffelbach, Othmar. The Self-Shrinking Generator. Lecture Notes in Computer Science (англ.) // LNCS. — 1994. — P. 205—214.
  3. 1 2 3 Zenner, Erik; Krause, Matthias; Lucks, Stefan. Improved Cryptanalysis of the Self-Shrinking Generator (англ.) // Information Security and Privacy 13th Australasian Conference ACISP 2008 : journal. — P. 30.
  4. ↑ Generalization of the Self-Shrinking Generator in the Galois Field.
  • Meier W., Staffelbach O. (1995) The self-shrinking generator. In: De Santis A. (eds) Advances in Cryptology — EUROCRYPT’94. EUROCRYPT 1994. Lecture Notes in Computer Science, vol 950. Springer, Berlin, Heidelberg

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о