JP2571862B2 - レールガン型電磁加速装置のプラズマ電機子形成方法および装置 - Google Patents

レールガン型電磁加速装置のプラズマ電機子形成方法および装置

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、レールガン型電磁加速装置に関するもの
である。
〔従来の技術〕
電磁力を用いて巨視的な物体を高速に加速するレール
ガン型電磁加速装置(以下レールガンと呼ぶ)は、火薬
の燃焼ガスや高圧ガスの膨張力を用いる方式では達成が
困難な、秒速10km/s以上の飛翔体速度を得ることが可能
とされ、近年注目されている。
レーズガンの電機子のための材料としては、固体金属
とプラズマの2種類が用いられているが、特にプラズマ
電機子を用いる方式は、重量が数グラムの小型飛翔体を
超高速に加速する場合に主として採用され、例えば、物
質同志の衝突により1000万気圧以上の衝撃超高圧力を発
生させるための加速装置として、また宇宙空間における
隕石衝突問題のシミュレーション装置として、さらには
核融合炉への固体水素燃料ペレット打ち込み装置等への
利用が期待され、実用化へ向けての開発が盛んに行なわ
れている。
レールガンの研究開発とその利用技術に関しては、IE
EE Transactions on Magnetics,vol.Mag−20、No.2(19
84),vol.Mag−22,No.(1986),及び、vol.25,No1(19
89)の諸論文に紹介されている。
プラズマ電機子を用いるレールガンの加速原理および
構造を第3図(a),(b)に示した。2本のレール状
電極1間の加速孔2内に絶縁物の飛翔体3を設置し、そ
の背後にプラズマ電機子形成用の金属板あるいは金属箔
4を設置して、2本のレール電極間が電気的に接触する
ようにする。この状態でキャパシタ−バンク等の主電源
5を2本のレールに接続しスイッチ6を閉じて電源電圧
を付加すると、第3図(b)のように金属板あるいは金
属箔は大電流によりプラズマ化する。このプラズマ7は
レール間の電流を保ちつつ、電磁誘導の法則による電磁
力を受けて飛翔体に力を及ぼし加速する。このプラズマ
7は、飛翔体と共に移動して常に飛翔体背後に位置する
電機子としての役割を果たし、電流の2乗に比例する力
で飛翔体を加速し続ける。
レールガンによる飛翔体加速においては、加速初期の
飛翔体速度が遅い時点で、レール電極表面に著しい損傷
が生じる。これは加速初期においてはプラズマ電機子の
移動速度が遅く、レール電極表面の狭い領域に大電流が
集中してしまうためである。レール電極表面の損傷は加
速孔の断面形状の機械的に変形させるのみならず、プラ
ズマ電機子の質量増加をもたらし加速効率を低下させ
る。そのため、電磁加速する飛翔体をあらかじめ他の方
法で初期加速し、電磁加速初期のプラズマ電機子の移動
速度をできるだけ増して、レール表面の損傷を軽減させ
る方式が一般化している。この場合、初期加速されてレ
ールガン内に入射した飛翔体の背後にプラズマ電機子を
形成することが必要であり、その方法として、 (1)絶縁物の飛翔体の背面にあらかじめ金属箔等のプ
ラズマ形成材料を接着しておき、金属箔が飛翔体と共に
レールガンに入射してレール電極間を短絡した時点で、
レール電極間に主電源の電圧を荷して金属箔をプラズマ
化する方法(例:S.USUBA,K.KONDO,S.SAWAOKA,IEEE Tran
sactions on Magnetics,vol.Mag−20,No.2,p260(198
4))と、 (2)レールガン加速孔内の絶縁体表面上に付加的な一
対の点電極を露出させ、その位置を飛翔対が通過した後
に、高圧電源を用いて点電極間にスパークを起こさせ、
それと同期してレール電極間に主電源の電圧を荷して、
その場所でのレール電極間の絶縁破壊を誘起しアーク放
電を開始させる方法(例:R.S.HAWKE,et.al,IEEE Transa
ctions on Magnetics,vol.25,p219(1989))がある。
上記(1)は、簡便な方法ではあるものの、金属箔に
よるレール電極間の短絡が確実性に乏しく、短絡が不十
分なままでレール電極間に主電源の電圧を荷すると、レ
ールガンの他の個所で異常放電を起こす可能性がある。
その対策として、金属箔によるレール電極間の短絡を検
出し、小電源を用いて金属箔を一旦プラズマ化した後に
主電源の電圧を荷すという方法が報告されているが(R.
S.HAWKE,et.al,IEEE Transactions on Magnetics,vol.M
ag−22,No.6,p1510(1989))、これは金属箔による短
絡を確実化するものではなく、また複雑な短絡検出回路
および付加的電源回路を要するという欠点がある。
(2)の方法は、飛翔体背面に金属箔等を接着する必
要が無いため、例えば複数の独立したレールガンを連結
して多段階に電磁加速を行なう場合に、各レールガンに
おけるプラズマ電気子の発生方法としても利用できる。
しかし、(1)の場合と同様に付加的な電源回路を必要
とし、またスパークを発生させてから主電源電圧をレー
ル電極間に荷すまでの遅延時間を、精密に制御する必要
がある。さらに、加速孔内に付加的電極が存在するた
め、その位置でのレール電極間の耐電圧が低下し、電磁
加速中に再点弧プラズマが発生する原因になる可能性が
ある。この再点弧プラズマの発生は、電磁加速の効率を
急激に低下させる原因と考えられている。
〔発明が解決しようとする課題〕
本発明は、レールガンのプラズマ電機子形成における
従来技術の上記課題を解消して、簡単な回路を用いて、
飛翔体の背後にプラズマ電機子を確実に形成できる方法
と、これを用いたレールガン型電磁加速装置を提供しよ
うとするものである。
〔課題を解決するための手段〕
前記課題を解決するため、発明者らは鋭意研究を重ね
た結果、本発明をなすに至った。
すなわち、本発明の構成は、レールガンと、加速電流
を供給するための大電流電源(スイッチングシステム、
クローバー回路を含む)からなる回路において、新たに
線爆発回路をレールガンと並列に接続して、その線爆発
部を片方のレール電極内部の空洞内に設置し、電源電圧
が付加されると同時に空洞内に発生する線爆発プラズマ
をレール電極表面の細孔を通して加速孔内部に吹き込
み、レール電極間の特定の場所にアーク放電を生じさせ
ることにより、加速孔内部に付加的な電極を設置するこ
となく、なおかつ付加的な電源及びスイッチングシステ
ムを用いることなしに、金属箔等のプラズマ形成材料が
あらかじめ存在しない加速孔内の特定の場所にプラズマ
電機子を形成することを可能にした、レールガンのプラ
ズマ電機子形成方法である。
〔作用〕
すなわち、本発明ではレールガンと並列に接続された
線爆発回路の使用により、問題が解決された。図面を参
照して具体的に説明すると、第1図(a)は本発明の代
表的な例である。線爆発回路の線爆発部は金属の細線8
で、片方のレール電極内部の空洞9内に設置され、この
細線の一端は空洞内面に接触し、他端は抵抗体10を介し
てもう一方のレールに接続されている。空洞は細孔11を
介して加速孔とつながっている。第1図(b)のように
主電源のスイッチ6を閉じて電圧をレールガン及び線爆
発回路に荷すると、主電源からの電流Iはまず線爆発回
路8,10に流れ、細線8は線爆発によりプラズマ化する。
発生したプラズマ12は細孔を通って加速孔内へ高速に吹
き込まれ、それと同時に線爆発回路両端の電圧がレール
電極間に荷せられる。吹き込まれたプラズマの先端が加
速孔内の反対側のレール電極面に到達するとレール電極
間の絶縁が破壊され、第1図(c)のように主電源から
の電流は被爆発回路からレール電極間のアーク放電へと
急速に移行し、このアーク放電プラズマ13は電磁力を受
けて加速されプラズマ電機子としての役割を果たすよう
になる。線爆発回路に通電を開始してからレール電極間
のアーク放電が発生するまでの遅延時間は本発明にとっ
て重要な特性であり、線爆発部の細線の直径、空洞の容
積、細孔の直径に大きく依存する。この遅延時間は10μ
s以下が要求され、そのため線爆発回路の細線としては
直径0.1mm程度の金属細線、空洞の容積は数mm3、また細
孔の直径は1〜2mmが望ましい。また線爆発回路両端に
発生する電圧は、上記の遅延時間のみならず、アーク放
電開始後の線爆発回路電流のアーク電流への移行速度に
とって重要であり、500V以上3kV以下が要求される。そ
のため線爆発回路の抵抗体としては数百mΩが望まし
い。
〔実施例〕
以下、実施例によって本発明を具体的に説明する。
第1図(a)に示す方法において、全長約300mmのレ
ールガンと6kVに充電された1500μFのキャパシターバ
ンクを用いてプラズマ電機子の形成実験を行なった。線
爆発部として直径0.1mmの銅細線を、抵抗体として200m
Ωを用いた。細孔の直径は1.5mm、空洞部の体積は細孔
を含めて約5mm3である。両レール電極間の距離は14mmで
ある。キャパシターの放電電流と線爆発回路電流をそれ
ぞれ独立に測定し、またレールガン内部におけるプラズ
マ電機子の形成および加速の様子は、プラズマからの発
光を加速孔に沿って設置された光プローブを用いて観測
することにより評価した。
その結果、第2図に示すような結果が得られた。放電
開始とともに全電流14はまず線爆発回路に流れ、線爆発
によって発生したプラズマは細孔を通って加速孔内に吹
き込まれる。この現象は細孔付近に設置された光プロー
ブからの信号16の初期の小さなピークから確認できる。
約10μs後、電流値が約20kAに達した時点でレール電極
間の細孔のある場所で新たなアーク放電が発生し、それ
とともに線爆発回路の電流は急速に減衰し、全電流はア
ーク放電電流へ急速に移行する。各位置の光プローブ信
号16,17,18,19,20からわかるように、アーク放電プラズ
マは約2.5〜3.0km/sの速度で移動するプラズマ電機子に
なっていることがわかる。
〔発明の効果〕
以上説明したようにレールガンと並列に接続された線
爆発回路を使用する本発明の方法により、プラズマ形成
材料が存在しないレールガン加速孔内に、付加的な電極
や付加的な電源及びスイッチシステムを用いることな
く、容易、かつ再現性がきわめて良好にプラズマ電機子
の形成を行なうことができる。又、本発明は複数のレー
ルガンを用いて多段の電磁加速を行なう場合において、
各レールガンのプラズマ電機子の形成方法及びこれを用
いたレールガン型電磁加速装置としても有効に利用でき
るものである。
【図面の簡単な説明】
第1図(a),(b),(c)は、本発明の具体例を説
明するための模式図、第2図は実施例の結果を示す線図
であり、第3図(a),(b)は従来の技術を説明する
ための模式図である。 1:レール電極、2:加速孔、3:飛翔体、4:プラズマ形成材
料、5:主電源、6:スイッチ、7:プラズマ電機子、8:線爆
発部の金属細線、9:空洞、10:抵抗体、11:細孔、12:線
爆発プラズマ、13:アーク放電プラズマ(プラズマ電気
子)、14:全電流、15:線爆発回路電流、16〜20:各光プ
ローブからの信号。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 薄葉 州 茨城県つくば市東1丁目1番地 工業技 術院化学技術研究所内 (72)発明者 角舘 洋三 茨城県つくば市東1丁目1番地 工業技 術院化学技術研究所内 (72)発明者 吉田 正典 茨城県つくば市東1丁目1番地 工業技 術院化学技術研究所内 (72)発明者 青木 勝敏 茨城県つくば市東1丁目1番地 工業技 術院化学技術研究所内 (72)発明者 山脇 浩 茨城県つくば市東1丁目1番地 工業技 術院化学技術研究所内 (72)発明者 藤原 修三 茨城県つくば市東1丁目1番地 工業技 術院化学技術研究所内 (72)発明者 宮本 昌広 神奈川県横須賀市長坂2丁目2番1号 株式会社富士電機総合研究所内 (72)発明者 久保田 彰 東京都千代田区有楽町1丁目1番2号 旭化成工業株式会社内 (72)発明者 田 実 京都府京都市中京区御池通烏丸東入一筋 目仲保利町191番地の4 上原ビル3階 ニチコン株式会社内 審査官 土屋 保光

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】レールガン型電磁加速装置と、加速電流を
    供給するための大電流電源(スイッチングシステム、ク
    ローバー回路を含む)からなる回路において、新たに線
    爆発回路をレールガン型電磁加速装置と並列に接続し
    て、その線爆発部を片方のレール電極内部の空洞内に設
    置し、電源電圧が付加されると同時に空洞内に発生する
    線爆発プラズマをレール電極表面の細孔を通して加速孔
    内部に吹き込み、レール電極間の特定の場所にアーク放
    電を生じさせることにより、金属箔等のプラズマ形成材
    料があらかじめ存在しない加速孔内の特定の場所に、プ
    ラズマ電機子を形成することを特徴とする、レールガン
    型電磁加速装置のプラズマ電機子形成方法。
  2. 【請求項2】加速電流を供給する大電流電源を有するレ
    ールガン型電磁加速装置において、この電磁加速装置
    が、レールガン型電磁加速装置と並列に接続され、いず
    れか一方のレール電極内部の空洞内に設けられ電源電圧
    の付加により加速孔内にプラズマ電機子を形成させる線
    爆発部とからなる線爆発回路を備えたことを特徴とする
    レールガン型電磁加速装置。
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