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JP6240676B2 - 調節可能な傾斜を有する実質的に四角形の高電力パルスの発生器 - Google Patents

調節可能な傾斜を有する実質的に四角形の高電力パルスの発生器 Download PDF

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Description

本発明は、LTD(「Linear Transformer Driver(線形変圧器ドライバ)」)系の高電力パルス発生器に関し、より詳細には、パルスの上部の傾斜が調節可能な四角形のパルスを供給することが可能な、かかる発生器に関する。
「パルス高電力」の技術分野は、数百万ボルトの電圧および数百万アンペアの強度の極短パルスを供給することが可能な発生器を用いる。例えば、スイッチと呼ばれる制御されたスパークギャップを用いてコンデンサが並列に充電され、かつ直列に放電される、マルクス発生器と呼ばれる発生器が知られている。かかるスイッチは、例えばこのスイッチに関して更なる詳細を得るために参照できる、本出願人の特許文献1から知られている。
最近では、2つのコンデンサ間で直列に設置されたスイッチを各々が含む複数のモジュールからなり、スイッチが閉じられるとき、コンデンサが、並列に充電され、かつ直列に放電され、このようにして発生した電流パルスが、高電力パルスを形成するために他の全てのモジュールの電流パルスに加えられる、「線形変圧器ドライバ」すなわちLTDタイプの発生器を使用している。しかしながら、これらのパルスは、一般的にほぼ正弦波形を有し、ある種の用途によっては、実質的に長方形または台形を有するパルスを有することが必要であると思われている。
非特許文献1から、第1の周波数のパルスを生成するように構成された第1の容量値のコンデンサ対を含む第1の一連の標準モジュール、およびスイッチの閉止の際に、第1の周波数の3倍の周波数のパルスを生成するように構成された第2の容量値のコンデンサ対を含む第2の一連の修正モジュールの、二連の電力モジュールを含むLTDタイプの発生器が知られている。負荷におけるこれら2つのパルスの組合せは、フーリエの定理を応用して、ランプアップとプラトーとランプダウンとを含む、実質的に長方形の、結果として生じるパルスを供給する。しかしながら著者らは、上りまたは下り傾斜を有するプラトーを含むかかるパルスが、水素融合(軸方向収縮機)、迅速なX線撮影(強力X線)、または高電力マイクロ波のようなある種の用途に、より適合し得ることを示唆した。
この出版物は、プラトーの傾斜が、修正モジュールのインダクタンスを修正して、例えばコンデンサを負荷に連結する導体幅を修正して、調節できることを示唆している。しかしながら、かかる解決策は、短所を有する。すなわち、モジュールのインダクタンス低下に至る導体幅の増加は、寸法および導体間の絶縁を理由として限定される。同様に、導体幅の減少は、最大許容電力を減少させ、かつインダクタンス増加のためにパルス幅を増加させて、発生器の性能を劣化させる。
仏国特許第2879842号明細書
KIM、MAZARAKISら著、「Square pulse linear transformer driver」、2012年4月3日、雑誌「Physical Review Special Topics − Accelerators and Beams」、15号
したがって本発明は、先行技術の短所を有することなく、パルスのプラトーの傾斜が調節できる、高電力、かつ四角形のパルスを送出するように構成されたLTDタイプの発生器を対象とする。
本発明は、特に出力電力での最適出力性能を保つことが可能な、かかる発生器を対象とする。
本発明は、パルス形状の調節が、発生器のインダクタンスを修正せずに、かつ特には増加させずに行える、かかる発生器も対象とする。
本発明は、パルスのプラトーの傾斜の調節が、発生器の部品の加工または修正を必要とせずに行いやすい、かかる発生器も対象とする。
本発明は、標準部品の最大値を保ちながら、調節が製造終了時に実行できる、かかる発生器をさらに対象とする。
そのために、本発明は、
− トリガ電極を備え、第1の容量値の少なくとも1つのコンデンサと直列に設置された、標準スイッチと呼ばれるスイッチを各々が含む、標準モジュールと呼ばれる第1の一連の電力モジュールであって、標準モジュールが、スイッチの閉止の際に第1の周波数でパルスを生成するように構成される、第1の一連の電力モジュールと、
− トリガ電極を備え、第2の容量値の少なくとも1つのコンデンサと直列に設置された、修正スイッチと呼ばれるスイッチを各々が含む、修正モジュールと呼ばれる第2の一連の電力モジュールであって、修正モジュールが、スイッチの閉止の際に第2の周波数でパルスを生成するように構成され、前記第2の周波数が、第1の周波数の実質的に3倍である、第2の一連の電力モジュールと、
− 強磁性リングと同心の負荷内で標準および修正モジュールによって生成されたパルスを合計し、かつランプアップとプラトーとランプダウンとを含む実質的に四角形の、結果として生じるパルスを得るように構成された、少なくとも1つの前記リングを含む磁気コアを含む中央コアと、
− トリガ電極に適用されるトリガ信号によって標準および修正スイッチを制御するように構成されたトリガ装置と、を含む高電力パルス発生器であって、
前記トリガ信号が、スイッチのトリガ電極に連結されたトリガインピーダンスを介して適用され、修正インピーダンスと呼ばれる修正スイッチのトリガインピーダンスが、標準インピーダンスと呼ばれる標準スイッチのトリガインピーダンスと異なること、およびパルスのプラトーの傾斜が、標準インピーダンス値と修正インピーダンス値の間の差によって決まることを特徴とする、発生器に関する。
発明者らは、他の全ての問題、この場合にスイッチのトリガ時間変動を解決しようと試みて、驚くべきことに修正スイッチのトリガインピーダンスの修正が、パルスのプラトーの傾斜に対して影響を有することを確認した。発明者らは、そのときに影響力のあるパラメータが、修正スイッチおよび標準スイッチのトリガインピーダンス値の間の差であることを確認した。この予想外の技術的効果のために、電力モジュールの構造を修正することなしに、プラトーの傾斜が調節可能な高電力の四角形パルスを供給することができるパルス発生器を製作することが今や可能である。インピーダンスの簡単な変化は、検討される用途、例えば軸方向収縮機用の上昇するプラトーを有するパルス発生器に応じてパルス発生器を適合させることを可能にする。
有利には、かつ本発明によれば、標準および修正スイッチのトリガインピーダンスは、それぞれ標準抵抗および修正抵抗と呼ばれる、少なくとも1つのトリガ抵抗を各々が含む。このようにして、(標準または修正)モジュールのトリガインピーダンスは、純粋な抵抗から本質的になるが、直列インダクタンスも含んでも良く、標準および修正抵抗は、同一または異なるインダクタンス値に対して異なる値を示し、かつ逆の場合も同じである。しかしながら実際には、トリガインピーダンスは、抵抗である。
有利には、かつ本発明によれば、標準抵抗と修正抵抗間で決定された閾値よりも大きい差によって、パルスのプラトーの漸増傾斜が決定される。閾値は、発生器の構造(修正モジュール数/標準モジュール数)、使用されるスイッチのタイプおよび大きさ、ならびに通過する電流のような多数のパラメータによって決まる。この場合に、修正モジュールのスイッチを通過する電流は、(より小さい容量のコンデンサのために)標準スイッチを通過する電流よりも弱い。標準および修正抵抗間の差の閾値は、実質的に水平なパルスのプラトーを得られるようにする差の値によって決定される。同様に、標準抵抗と修正抵抗の間で決定されたこの閾値よりも低い差は、パルスのプラトーの漸減傾斜を決定する。
標準および修正モジュール間で異なるスイッチを使用することも可能である。それぞれのモジュールを通過する電流に適したスイッチを使用すると、決定された閾値は、一般的にゼロであり、かつ標準抵抗よりも低い修正抵抗は、パルスのプラトーの漸増傾斜を得られるようにする。
このようにして、例えば2つの修正モジュールに対して6つの標準モジュールを含む先行技術のパルス発生器において、2つの抵抗を変更すれば、出力パルスの形状を決定するには十分である。
有利には、かつ本発明によれば、トリガ抵抗は、凝集炭素棒で形成される。凝集炭素の固体抵抗を使用すると、手頃な費用で、良好な精度の抵抗値を得ることが可能である。当然に、臭化カリウムもしくは硫酸銅のような電解液を満たした管で形成される液体抵抗、または炭素粒子を装填したエラストマ材料のシリンダから形成される抵抗のような、このタイプの発生器で一般に用いられる他のタイプの抵抗も使用できる。これらの抵抗に関して、液体であろうと、エラストマであろうと、材料の長さ、断面および抵抗率が、抵抗値を決定する。
有利には、かつ本発明によれば、パルスのプラトーの傾斜は、標準および修正スイッチの閉止のときの入力寄生容量差によって同様に決まる。トリガ電極の寄生容量、すなわちトリガ電極および接地の間の容量が、パルスのプラトーの傾斜に対してより小さい程度に影響を有し得ることも同様に確認された。実際に、スイッチを閉じるために、トリガ信号は、トリガ電極およびスイッチの電極の1つの間でバースト電圧に達するまでにこの容量を充電せねばならない。この充電はトリガ抵抗を介して介在し、この容量値は、トリガ抵抗値のように、トリガ信号の適用およびスイッチの閉止の間の遅延を決定する。
有利には、かつ本発明によれば、標準および修正スイッチの入力容量は、直径によって決まる。実際に、スイッチの入力容量が、等しい動作電圧でスイッチの直径とともに増加することが注目された。したがって、標準スイッチまたは修正スイッチの直径を変更して、発生するパルスのプラトーの傾斜に対して介在することが可能である。
有利には、かつ本発明によれば、パルスのプラトーの傾斜は、トリガ信号およびスイッチの端子間のパルス電流の確立の間の遅延の、標準および修正モジュール間の差によって決定する。このために、標準モジュールおよび/または修正モジュールのトリガインピーダンスは、標準モジュールおよび修正モジュールの間の時間差を有するトリガ信号を各一連のモジュールに分配するように、トリガ装置の出力後すぐに全体的に修正できる。
例えば、このトリガ遅延に応じた標準または修正モジュールにおけるスイッチの選別およびペアリングのような他の手段は、所定のプラトーの傾斜を有するパルスを供給することに適した発生器を製作できるようにする。このようにして、このトリガ遅延の理由がいかなるものであれ、修正モジュールのスイッチが、標準モジュールのスイッチよりも速いならば、パルスのプラトーの傾斜は増加し、かつその逆も同様である。
本発明は、以上または以下に言及される特徴の全部または一部を組み合わせて特徴とする高電力パルス発生器にも関する。
本発明の他の目的、特徴および利点は、以下に続く説明および添付図面を考慮すれば明らかとなろう。
本発明による発生器のカバーを取り外した概略平面図である。 本発明による発生器の電力モジュールの断面図である。 本発明による発生器のトリガ装置の電気接続図である。 本発明による発生器によって得られる可能性のある様々な形状のパルスを示す図である。 本発明による発生器の一部を成すスイッチの動作の説明図である。
図1に示した発生器1は、二連の電力モジュールが内部に対称的かつ同等に配分されて配置されたキャビティ2を含む。発生器1は、各々が、全体的に記号3sを付された標準モジュールと呼ばれる、第1の一連の6つの電力モジュールと、各々が、全体的に記号3mを付された修正モジュールと呼ばれる、第2の一連の電力モジュールとを含む。
本文において、標準モジュールおよびその要素を、修正モジュールおよびその要素から、前者を指し示す参照符号に添え字sを、かつ後者に添え字mを付けて区別する。このようにして、標準電力モジュールは、3sと目印が付され、かつ修正電力モジュールは、3mと目印が付される。モジュールまたは要素の参照が、添え字sまたはmによって明確にされないとき、標準モジュールまたは修正モジュールに区別なく適用される。同様に、本文の簡略化に配慮して、修正モジュールに属する要素は、「修正要素」と呼ばれ得るが、但しそれ自体が標準要素と呼ばれる標準モジュールに属する対応する要素と異なることを意味しない。
図1の図面で、電力モジュールは、中心コアの周りに星形に配設され、修正モジュール3mは、12時と6時の位置を占め、かつ標準モジュール3sは、修正モジュールの両側に互いに45°の角度で配分される。
図2に、図1の発生器の放射面に沿った断面を示し、断面が、修正モジュール3mを上部に、かつ標準モジュール3sを下部に示す各モジュールは、スイッチ6(それぞれ修正モジュールのスイッチに関して6m、かつ標準モジュールのスイッチに関して6s)を含む。各スイッチは、加圧された絶縁容器と、容器の各端部に放電電極と、幾つかの中間電極とを含み、中間電極の1つが、トリガ電極9(それぞれ修正−モジュールの−スイッチに関して9m、かつ標準−モジュールの−スイッチに関して9s)である。各モジュールは、スイッチ6の両側に直列に設置され、電極の1つによりスイッチの対応する放電電極に接続された2つのコンデンサ4(それぞれ修正コンデンサに関して4m、かつ標準コンデンサに関して4s)を含む。示した実施例において、標準モジュール3sは、絶縁プレート15によって分離された、動作電圧100kVで容量8nFの2つのコンデンサ4s(内一方のみが図2の下部に示される)を含む。同様に、修正モジュール3mは、動作電圧50kVで1.7nFの値の直列の2つのコンデンサから各々がなる2つのコンデンサ4mを含む。各コンデンサ4s(それぞれ4m)は、絶縁プレート15に張り付けられ、かつキャビティ2の中心の方向に伸長する、実質的に長方形の金属板の形状で、スイッチの反対側で導体5s(それぞれ5m)に接続される。導体5は、複数の強磁性材料のリングからなる中心コア7をこのようにして貫通し、かつ臭化カリウムのような電解液を満たしたリングからなる負荷8との界面を形成する。
絶縁プレート15は、外周に、トリガリング11と呼ばれる導電性リングを含み、トリガ線12によってトリガリング11に連結されたトリガ装置13に由来するトリガ信号を配分することを可能にする。
修正モジュール3mのトリガ電極9mおよび標準モジュール3sの9sは、それぞれトリガインピーダンス10mおよび10sを介してトリガリング11に連結される。これらのトリガインピーダンスは、場合によりインダクタンスに関連した、少なくとも1つの抵抗18、好ましくは凝集炭素の固体抵抗からなる。ここに記載した発生器の特別な場合において、トリガインピーダンスは、標準モジュールに関して標準抵抗18s、かつ修正モジュールに関して修正抵抗18mと記される純抵抗からなる。
標準および修正モジュール、ならびにそのトリガ抵抗は、絶縁プレート15と同じ物質の2つのハーフシェル14内に含まれ、かつ絶縁油中に浸漬する。
本発明による発生器のモジュールの動作は、図3との関係で以下で詳述する。
コンデンサ4は、一方に関して+100kVかつ他方に関して−100kVの電圧によって並列に充電され、このようにしてスイッチ6の端子に200kVの電位差を確立する。トリガ装置13によって発せられたトリガ信号は、トリガリング11を介してトリガ抵抗10およびトリガ電極9に伝送される。一般的に数十キロボルトのパルスの形状のトリガ信号は、スイッチ6内部に電位配分の修正をもたらし、かつスイッチ6の閉止を引き起こす。スイッチ6が閉じられると、電流が、スイッチを介して確立され、かつコンデンサ4内に貯蔵されたエネルギーが、負荷8内を循環する電流を発生させる。
しかしながら、標準モジュール内でも、修正モジュール内でも、トリガ信号およびスイッチ内の電流確立の間に遅延が生成されることが確認された。その上、この遅延は、数ナノ秒のランダムな変動(ジッタ)を受ける期間を有する。発明者らが、修正モジュールに対する様々なトリガ抵抗値を使用して、発生器によって供給された、結果として生じるパルスが、パルスのプラトーの可変傾斜を有することを確認したのは、この現象に対する解決を探求することによってであった。
この現象の帰納的な分析により、次の解釈に至った。すなわち、スイッチ6は、トリガ電極9および接地の間にトリガ「寄生」容量17が存在するかのように振る舞う。当然に、図3および図5の図に示した容量17は、便宜的な表示に過ぎないが、実際の寄生容量は、トリガ電極およびスイッチ6の2つの端子間、かつ該2つの端子および接地間に配分される。その場合トリガ抵抗10および容量17の集合は、トリガ信号の適用およびスイッチ6の有効な閉止の間で遅延を引き起こす時定数を発生させる。
その上、この遅延が、標準スイッチ6sに対して修正スイッチ6mに同じ方向(遅れまたは先行)で影響を及ぼすとき、修正スイッチによって発生したパルスは、標準スイッチによって発生したパルスに対してディフェージングを有する。このディフェージングは、図4に示すように、パルスのプラトーの傾斜を引き起こす。この図で、標準モジュールのトリガ遅延が修正モジュールのトリガ遅延に等しい、発生器によって得られたパルス形状を文字Aを付して、実線で示した。(2本の目印となる垂直線の間の)このパルスのプラトーが、実質的に水平であることが確認できる。同様に、標準モジュールのトリガ遅延が、修正モジュールのトリガ遅延よりも長いときに得られたパルス形状(上り傾斜)を破線で示し、かつ文字Bを付し、かつ修正モジュールのトリガ遅延が、標準モジュールのトリガ遅延よりも長いときに得られたパルス形状を鎖線で示し、かつ文字Cを付した。
図5になされた本発明による発生器の概略図は、発生器の動作をより良く理解することを可能にする。この図に、発生器の修正モジュールの総和を示す修正モジュールを3mで、かつ発生器の標準モジュールの総和を示す標準モジュールを3sで示した。
トリガ信号が、標準モジュール3sに送出されるとき、モジュールのトリガ抵抗18sおよび入力寄生容量17sは、スイッチ6sの閉止に際し遅延を引き起こせるRC回路を形成し、遅延は、トリガ抵抗値および入力寄生容量の積によって決まる。スイッチ6sが閉じられるとき、コンデンサ4sは、負荷8内でスイッチを介して放電され、コンデンサ4sの値によって決まる第1の周波数で第1のパルスを形成する。
修正モジュール3mに関して動作は、同一である。スイッチ6mは、トリガ抵抗18mおよび寄生容量17mによって決まる遅延を伴って閉じられ、かつコンデンサ4mの値によって決まる第2の周波数で第2のパルスの発生を引き起こす。第2の周波数は、第1の周波数の3倍であるように定められている。
2つのパルスは負荷8内で組み合わされ、四角形の、結果として生じるパルスを発生させる。修正および標準モジュールの閉止の遅延差は、これらのパルスの相互のディフェージングを引き起こし、かつフーリエの定理を適用して、結果として生じるパルスのプラトーの傾斜を調整する。
しかしながら容量17mおよび17sの値が非常に低く、約15pFであり、かつスイッチの直径を変動させる以外に、値を変動させることが困難であることに気が付いた。したがって、標準モジュールおよび修正モジュールの間で異なる直径のスイッチを使用してこれらの容量の値に影響を及ぼすことが可能である。しかしながら、この変動は、寸法の制約によって限定され、スイッチ直径の増加は、スイッチ間の絶縁距離を保持するために、発生器全体の直径の増加を引き起こす。
したがって、パルスのプラトーの望ましい傾斜を得るために、トリガ抵抗値を修正することが好ましい。例として、直径140mmの標準スイッチ6sおよび直径78mmの修正スイッチ6mに関して、かつ500オームの標準モジュールのトリガ抵抗18sに関して、330オームの修正モジュールのトリガ抵抗18mを使用することは、パルスのプラトーの漸増傾斜を引き起こし、540オームのトリガ抵抗18mは、実質的に水平な傾斜を与え、かつ1000オームのトリガ抵抗18mは、漸減傾斜を与える。標準スイッチ6sと同一の修正スイッチ6mを使用すると、すなわち直径140mm、540オームの標準トリガ抵抗および330オームの修正トリガ抵抗は、実質的に水平な傾斜に至らせる。
当然に、特定のLTD発生器に関係して本発明を記載する以上の説明は、専ら説明に役立つ実施例として与えられ、かつ当業者は、例えば異なるキャビティ当たりのモジュール数(例えばキャビティ当たり40のモジュール)、修正および標準モジュール数の間の異なる比、または幾つかの直列のキャビティからなる発生器を含む、異なる幾何学的形状の発生器に本発明を応用するように、本発明の範囲から逸脱せずに、多数の修正をもたらすことができる。同様に、電力モジュールは、二重極性(±100KV、説明に役立つ実施例でのように、スイッチがコンデンサ間で直列である)か、または単一極性で、唯一のコンデンサがスイッチと直列であっても良く、1つまたは複数の異なる電圧(50KV)によって給電されるものであることができる。モジュールは、示した実施例でのように油浴、または加圧乾燥空気のようなガスその他によって絶縁できる。

Claims (9)

  1. − トリガ電極(9s)を備え、第1の容量値の少なくとも1つのコンデンサ(4s)と直列に設置された、標準スイッチ(6s)と呼ばれるスイッチを各々が含む、標準モジュール(3s)と呼ばれる第1の一連の電力モジュールであって、前記標準モジュールが、前記スイッチの閉止の際に第1の周波数でパルスを生成するように構成される、第1の一連の電力モジュールと、
    − トリガ電極(9m)を備え、第2の容量値の少なくとも1つのコンデンサ(4m)と直列に設置された、修正スイッチ(6m)と呼ばれるスイッチを各々が含む、修正モジュール(3m)と呼ばれる第2の一連の電力モジュールであって、前記修正モジュールが、前記スイッチの閉止の際に第2の周波数でパルスを生成するように構成され、前記第2の周波数が、前記第1の周波数の実質的に3倍である、第2の一連の電力モジュールと、
    − 強磁性リング(7)と同心の負荷(8)内で前記標準(3s)および前記修正(3m)モジュールによって生成されたパルスを合計し、かつランプアップとプラトーとランプダウンとを含む実質的に四角形の、結果として生じるパルスを得るように構成された、少なくとも1つの前記強磁性リング(7)を含む磁気コアを含む中央コアと、
    − 前記トリガ電極(9s,9m)に適用されるトリガ信号によって前記標準および前記修正スイッチ(6s,6m)を制御するように構成されたトリガ装置(13)と、
    を含む高電力パルス発生器(1)であって、
    前記トリガ信号が、前記スイッチの前記トリガ電極に連結されたトリガインピーダンス(10m,10s)を介して前記スイッチに適用され、修正インピーダンス(10m)と呼ばれる前記修正スイッチのトリガインピーダンスが、標準インピーダンス(10s)と呼ばれる前記標準スイッチのトリガインピーダンスと異なること、および前記パルスの前記プラトーの傾斜が、標準インピーダンス値と修正インピーダンス値の間の差によって決まることを特徴とする、発生器(1)。
  2. 前記標準(6s)および前記修正(6m)スイッチの前記トリガインピーダンス(10s,10m)が、それぞれ標準抵抗(18s)および修正抵抗(18m)と呼ばれる、少なくとも1つのトリガ抵抗(18s,18m)を各々が含むことを特徴とする請求項1に記載の発生器。
  3. 前記標準抵抗(18s)および前記修正抵抗(18m)間で決定された閾値よりも大きい差によって、前記パルスの前記プラトーの漸増傾斜が決定されることを特徴とする請求項に記載の発生器。
  4. 前記トリガ抵抗(18m,18s)が、凝集炭素棒で形成されることを特徴とする請求項に記載の発生器。
  5. 前記トリガ抵抗が、電解液を満たした管で形成される液体抵抗であることを特徴とする請求項に記載の発生器。
  6. 前記トリガ抵抗が、炭素粒子を装填したエラストマ材料のシリンダから形成されることを特徴とする請求項に記載の発生器。
  7. 前記パルスの前記プラトーの前記傾斜は、前記標準および前記修正スイッチ(6s,6m)の閉止のときの入力寄生容量(17s,17m)の差によって同様に決まることを特徴とする請求項1または2に記載の発生器。
  8. 前記標準および前記修正スイッチの前記入力寄生容量(17s,17m)が、それぞれ前記標準および前記修正モジュールにおいて使用されるスイッチの直径によって決まることを特徴とする請求項7に記載の発生器。
  9. 前記トリガ信号および前記スイッチ(6s,6m)の端子間のパルス電流の確立の間の、トリガ遅延と呼ばれる遅延を決定できる手段を含み、前記標準(3s)および前記修正(3m)モジュールの前記スイッチの前記トリガ遅延の差に応じて、前記パルスの前記プラトーの前記傾斜を調節するようにすることを特徴とする請求項1または2に記載の発生器。
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