JP4114738B2

JP4114738B2 - Electromagnetic wave generator

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Publication number: JP4114738B2
Application number: JP2002094303A
Authority: JP
Inventors: 信介松井
Original assignee: Asahi Kasei Chemicals Corp
Current assignee: Asahi Kasei Chemicals Corp
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2002-03-29
Publication date: 2008-07-09
Anticipated expiration: 2022-03-29
Also published as: JP2003298352A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁波を発生させる装置に係わり、特に、電磁波発振素子であるマグネトロンを高電圧パルスで駆動してＧＨｚオーダーの周波数で高出力の電磁波を発生させ、各種の分野での応用が可能な電磁波発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２１は、従来の電磁波発生装置２００の構成図であり、この電磁波発生装置２００は、高い直流電圧を発生するための直流電圧発生部１０と、直流電圧発生部１０から供給される電流を増幅するＭＣ爆薬発電機（エネルギー増幅・蓄積部）２０と、常時は閉状態でＭＣ型爆薬発電機２０による電気エネルギーの通過を可能とし、制御信号が与えられると閉状態となって高電圧パルスを発生させるプラズマスイッチ（スイッチング部）４０と、アノード６１、バッテリ６４の両端にスイッチ６５を介して接続されたカソード６２を有し、高電圧パルスが印可されると電磁波を発振する高周波出力部６３を備えるマグネトロン６０と、マグネトロン６０に接続されたアンテナ７０と、直流電圧発生部１０に設けられたスイッチ１１と、ＭＣ型爆薬発電機２０に設けられた電気雷管２１およびスイッチ６５に起動信号や制御信号を所定のタイミングで供給する制御部８０と、制御部８０を起動するためのスイッチ９０とを含んで構成されている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
ここで、プラズマスイッチ４０は、ＭＣ型爆薬発電機２０が接続される２つの電極と、２つの電極間に供給される電流が所定以上になったときに溶融してプラズマとなる図示しない金属薄膜と、図示しない爆薬と、前記制御信号が与えられるとこれを起動信号として前記爆薬を爆発させる電気雷管４１とを有している。
この従来の電磁波発生装置２００の動作は次のようになる。
【０００４】
先ず、スイッチ９０を操作すると、制御部８０は、制御信号をスイッチ６５に与えてスイッチ６５を閉状態にして、バッテリ６４を加熱電源としてカソード６２に電圧供給を行ってマグネトロン６０の加熱を開始する。そして、制御部８０は、マグネトロン６０の加熱開始から所定時間経過後、スイッチ１１に起動信号を供給する。これにより直流電圧が電流としてＭＣ型爆薬発電機２０に供給され始めた後、制御部８０は電気雷管２１に起動信号を供給する。これにより、「直流電圧発生部１０→ＭＣ型爆薬発電機２０→プラズマスイッチ４０」の経路中を増幅されながら電流が流れる。
【０００５】
さらに、制御部８０は、電気雷管２１を起爆してから所定時間経過後、電気雷管４１に起動信号を供給する。これにより、プラズマスイッチ４０は閉状態から高抵抗状態（開状態）となり、プラズマスイッチ４０に電流が流れなくなる。これにより、立ち上がりの速い高電圧パルスがマグネトロン６０のアノード６１、カソード６２間に印可され、マグネトロン６０の高周波出力部６３では電磁波が発振され、発振された電磁波はアンテナ７０を介して放射される。
【０００６】
なお、電磁波発生装置２００においては、高い直流電圧を発生する直流電圧発生部１０から供給される電流を増幅しつつ、その増幅した電流を電気エネルギーとして蓄積するＭＣ型爆薬発電機２０は、常時は閉状態で当該ＭＣ型爆薬発電機２０による電気エネルギーの通過が可能とされて、制御部８０からの制御信号が与えられると開状態となって高圧パルスを発生させるプラズマスイッチ４０と接続するように構成されている。
【特許文献１】
特開２０００−０４９５３７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような従来の電磁波発生装置２００は、以下のような課題を有していた。
ＭＣ型爆薬発電機２０の作動後、プラズマスイッチ４０を開にする時点で、回路のインダクタンスはほとんど零になっており、そのためＭＣ型爆薬発電機２０からプラズマスイッチ４０へのエネルギーの伝達がうまく行えず、これにより、プラズマスイッチ４０で発生した高電圧パルスは３０ｋＶ程度を越えることができず、その結果、マグネトロン６０から出力される電磁波の電力値を大きくすることが困難となっていた。
【０００８】
さらに、高電圧パルスの立ち上がりは、プラズマスイッチ４０の抵抗値の上昇時間により決まり、通常数μｓかかる。しかし、マグネトロン６０を正常に発振させるために数１０ｎｓの立ち上がり時間をもつパルス波形をなすような高電圧パルスが望まれていた。
そこで、本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたもので、その目的は、電気エネルギーの蓄積およびその伝達がうまくでき、スイッチング部を開にしたとき、より高い高電圧パルスを発生することを可能にすることで高出力の電磁波を出力することができる電磁波発生装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明では、直流電圧を発生する直流電圧発生部と、前記直流電圧発生部から供給される電流を増幅するエネルギー増幅部と、前記エネルギー増幅部と直列に接続され、増幅した電流を電気エネルギーとして蓄積するエネルギー蓄積部と、前記エネルギー蓄積部と接続され、常時は閉状態で前記エネルギー蓄積部による電気エネルギーの通過を可能とし、制御信号が与えられると開状態となって高電圧パルスを発生させるスイッチング部と、常時は開状態で前記高電圧パルスの電圧値が所定の値になると作動して、高速な立ち上がりパルス電圧波形を供給するスイッチと、前記高電圧パルスが印可されると電磁波を発生するマグネトロンと、前記マグネトロンに接続されたアンテナと、前記制御信号を所定のタイミングで供給する制御部とを備えていることを特徴としている。
【００１０】
これによれば、エネルギー増幅部は、インダクタンスを小さくしながら直流電圧発生部から発生する電流を増幅しながら、エネルギー蓄積部およびスイッチング部へ通電し、増幅を終えた時点ではインダクタンスは零となり、電気エネルギーはエネルギー蓄積部へ蓄積される。
さらに、スイッチング部は、常時は閉状態でエネルギー蓄積部による電気エネルギーの通過を可能とし、制御部から制御信号が与えられると開状態となって、高電圧パルスを発生させるが、エネルギー蓄積部でのインダクタンスの存在により、エネルギー蓄積部からスイッチング部へのエネルギーの移行が正常に行われ、スイッチングで発生する高電圧パルスは大きな値となる。
【００１１】
そして、高電圧パルスの電圧値が所定の値になるとスイッチが作動し、マグネトロンに高速な立ち上がり電圧波形をもつ高電圧パルスを印可することが可能となり、アンテナから高周波、高出力の電磁波が出力される。
【００１２】
また、請求項１に係る発明では、前記制御部が、起動信号を所定のタイミングで供給するようにも構成されており、前記エネルギー増幅部が、爆薬及び前記起動信号が与えられると起爆して前記爆薬を起爆させる電気雷管とを内蔵するライナと、このライナの外周に設けたコイルと、を含んで成るＭＣ型爆薬発電機で構成されていることを特徴としている。
【００１３】
これによれば、起動信号が与えられた電気雷管が起爆して爆薬を爆発しライナを順次拡張してコイルを短絡していくので、大きな電流増幅が行われる。
また、請求項１に係る発明では、前記スイッチング部が、前記エネルギー蓄積部が接続される２つの電極と、前記２つの電極間に供給される電流が所定以上になったときに溶融してプラズマとなる金属薄膜と、爆薬と、前記制御信号が与えられると前記爆薬を爆発させる電気雷管と、を含んで成ることを特徴としている。
【００１４】
これによれば、制御信号が与えられた電気雷管が爆発して爆薬を爆発し、導電性を有するプラズマが高速に圧縮するので、急激に抵抗値が大きくなって蓄積されていたエネルギーを急速にスイッチングして高電圧パルスを得ることができる。
また、請求項１に係る発明では、前記スイッチが、電極が対向されて配置されており、所定の電圧に達したときに前記電極間がオン状態とされるギャップスイッチであることを特徴としている。すなわち、ギャップスイッチにより高電圧パルスの電圧値が所定の値になると作動するスイッチを構成することができる。
また、請求項２に係る発明では、請求項１に係る発明において、前記エネルギー蓄積部が、直列リアクトルで構成され、そのインダクタンス値が、周波数１ｋＨｚにおいて４μＨ〜１０μＨに設定されていることを特徴としている。
【００１５】
これによれば、電圧パルスの値はスイッチングするときの回路のインダクタンス値および電流の時間変化率の積に比例するが、エネルギー蓄積部の直列リアクトルのインダクタンス値を周波数１ｋＨｚにおいて４μＨから１０μＨに選定しておくことにより、エネルギー蓄積部の電気エネルギーの蓄積を可能とし、スイッチング作動時、回路のインダクタンス値および電流の時間変化率の積が大きくなり、スイッチング部の発生パルス電圧の値を大きくすることができる。
【００１６】
また、請求項３に係る発明では、請求項１又は２に係る発明において、前記エネルギー蓄積部が、空芯トランスで構成され、前記空芯トランスの一次側コイルの漏れインダクタンス値が、周波数１ｋＨｚにおいて０．４μＨ〜０．６μＨ、前記空芯トランスの二次側コイルの漏れインダクタンス値が、周波数１ｋＨｚにおいて４μＨ〜１０μＨに設定されていることを特徴としている。
【００１７】
これによれば、電圧パルスの値はスイッチングするときの回路のインダクタンス値および電流の時間変化率の積に比例するが、エネルギー蓄積部の空芯トランスの一次漏れインダクタンス値を周波数１ｋＨｚにおいて０．４μＨから０．６μＨに、二次漏れインダクタンス値を周波数１ｋＨｚにおいて４μＨから１０μＨにしておくことにより、エネルギー増幅部の電流増幅作用を阻害することなく、エネルギー蓄積部のエネルギー蓄積を可能とし、スイッチング作動時、回路のインダクタンス値および電流の時間変化率の積が大きくなり、スイッチング部の発生パルス電圧の値を大きくすることができる。
【００１８】
また、請求項４に係る発明では、請求項１乃至３のいずれかに係る発明において、前記エネルギー蓄積部が、三巻線をもつ鉄芯トランスで構成され、前記鉄芯トランスの一次巻線の漏れインダクタンス値が、周波数１ｋＨｚにおいて０．４μＨ〜０．６μＨ、前記鉄芯トランスの二次側コイルの漏れインダクタンスが、周波数１ｋＨｚにおいて４μＨ〜１０μＨに設定されていて、前記鉄芯が、高飽和磁束密度および高透磁率をもち、前記鉄芯トランスの三次巻き線が、リセット電流の通電を可能とし、前記スイッチング部が動作する前にリセット電流を通電しておくことにより、パルス電流２００ｋＡを通電しても前記鉄芯は磁気飽和を起こさないことを特徴としている。
【００１９】
これによれば、電圧パルスの値はスイッチングするときの回路のインダクタンス値および電流の時間変化率の積に比例するが、エネルギー蓄積部の鉄芯は高飽和磁束密度および高透磁率をもち、鉄芯トランスの一次漏れインダクタンス値を周波数１ｋＨｚにおいて０．４μＨから０．６μＨに、二次漏れインダクタンス値を周波数１ｋＨｚにおいて４μＨから１０μＨにしておき、三次巻き線はリセット電流の通電を可能とし、スイッチング部の作動前にリセット電流を通電しておくことにより、エネルギー増幅部の電流増幅作用を阻害することなく、二次巻き線に流れる電流の磁気飽和による限流をなくし、エネルギー蓄積部のエネルギー蓄積を可能とし、スイッチング作動時、回路のインダクタンス値および電流の時間変化率の積が大きくなり、スイッチング部の発生パルス電圧の値を大きくすることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の実施の形態にかかる電磁波発生装置１００のブロック構成図を示している。
電磁波発生装置１００は、直流電圧を発生させる直流電圧発生部１０と、直流電圧発生部１０から供給される電流を増幅するエネルギー増幅部としてのＭＣ型爆薬発電機２０と、ＭＣ型爆薬発電機２０と直列に接続され、増幅した電流を電気エネルギーとして蓄積するエネルギー蓄積部３０と、エネルギー蓄積部３０と接続され、常時は閉状態でエネルギー蓄積部３０による電気エネルギーの通過を可能とし、制御信号が与えられると開状態となって高電圧パルスを発生させるスイッチング部としてのプラズマスイッチ４０と、常時は開状態でプラズマスイッチ４０の高電圧パルスが所定の電圧値になると作動し、高速な立ち上りパルスを発生させるスイッチとされるギャップスイッチ５０と、アノード６１、バッテリ６４の両端にスイッチ６５を介して接続されたカソード６２を有し、高電圧パルスが印加されると電磁波を発振する高周波出力部６３を備えるマグネトロン６０と、発振された電磁波を放射するためのアンテナ７０と、直流電圧発生部１０に設けられたスイッチ１１と、ＭＣ型爆薬発電機２０に設けられた電気雷管２１およびスイッチ６５に起動信号や制御信号を所定のタイミングで供給する制御部８０と、制御部８０を起動するためのスイッチ９０とを有している。
【００２１】
先ず、各構成要素の構成や動作について説明し、その後、装置全体について説明する。
図２は、本発明による直流電圧発生部１０の一例であるＭＨＤ型爆薬発電機１２０の構成例を示す図である。
ＭＨＤ型爆薬発電機１２０は、図２に示すように、プラズマを発生させるプラズマ発生部１３０（図３に詳細を示す。）と、プラズマの進行に起因した起電力を得るための起電力発生部１４０（図４に詳細を示す。）とを有している。
【００２２】
プラズマ発生部１３０は、図３中（ａ）および（ｂ）に示すように、収納容器１３１に爆薬１３２とアルゴンガスを封入したものに電気雷管１３３を設けた構成になっていて、制御部８０が電気雷管１３３に起動信号を与えると、電気雷管１３３が起爆して爆薬１３２が爆発することによってアルゴンガスがプラズマ状態になってプラズマが所定方向に進行する。
【００２３】
また、図４中（ａ）および（ｂ）は、各々起電力発生部１４０の正面図、平面図であり、図４中（ｂ）の平面図は、図４中（ａ）の正面図を図４中（ａ）中の符号Ａ方向から見たものである。図４中（ｂ）に示すように、プラズマの進行方向は、図中、左から右に向かう方向に設定するため、図４中（ａ）でのプラズマの進行方向は、紙面に垂直に、紙面手前側から向かう側の方向（矢印で「プラズマの進行方向」を図示）となる。
【００２４】
この起電力発生部１４０は、長手方向が、プラズマの進行方向となるように、所定の間隔を設けて延在する１対の電極固定部材１４４ａ，１４４ｂと、同じく長手方向がプラズマの進行方向となるように、所定の間隔を設けて延在する１対の磁石固定部材１４２ａ，１４２ｂとを有し、１対の電極固定部材１４４ａ，１４４ｂと１対の磁石固定部材１４２ａ，１４２ｂとで、起電力発生部外観が、プラズマ進行方向に長い直方体形状となっていて、１対の磁石固定部材１４２ａ，１４２ｂには夫々、プラズマ進行方向が長手方向となる、Ｎ極永久磁石１４１ａ、Ｓ極永久磁石１４１ｂ（磁界発生手段）が装着されているとともに、１対の電極固定部材１４４ａ，１４４ｂには夫々、プラズマ進行方向が長手方向となる、電極１４３ａ、電極１４３ｂが装着されていて、さらに、電極１４３ａ、電極１４３ｂの夫々には得られた直流起電力を後に説明するＭＣ型爆薬発電機２０に供給するための電線１４５ａ、電線１４５ｂが接続されている。したがって、図４中（ａ）において、磁界の方向は、紙面に平行で、紙面上側から下側に向かう方向になり、プラズマ進行方向と磁界の方向とが直交する。
【００２５】
さて、プラズマが進行すると、以下に示すような起電力が発生し、この起電力が電線１４５ａ、電線１４５ｂを介して電流としてＭＣ型爆薬発電機２０に供給される。この起電力はフレミング右手の法則によって求まり、起電力をＥ、プラズマの速度をＶ、電極間の間隔をｄ、Ｎ極永久磁石１４１ａ、Ｓ極永久磁石１４１ｂで発生される磁界をＢとすると、「Ｅ＝ｖ・Ｂ・ｄ」なる式で求まる。
【００２６】
したがって、充電操作等を不要として、爆薬１３２の爆発によって生成され高速で進行するプラズマによって充分高い直流電圧を得ることが可能となる。
もちろん、電流電圧発生部１０にＭＨＤ型爆薬発電機の替わりに、充電されたコンデンサ等を用いてもよく、これによって小型、軽量な装置を実現できる。
図５は、直流電圧発生部１０をコンデンサ群で構成した例を示す。この図５に示す直流電圧発生部１０は、コンデンサバンク１１０として構成されたものであり、コンデンサ１１１を直・並列して構成されている。このような構成により、所望の電圧を得るためにコンデンサ１１１を必要数直列接続し、所望の電流を得るために、コンデンサ１１１を並列接続することができる。
【００２７】
図６は、直流電圧発発生部１０をバッテリ群１５０として構成した例を示す。この図６に示すバッテリ群１５０は、所望の電圧を得るためにバッテリ１５１を直列接続し、所望の電流を得るためにバッテリ１５１を並列接続して構成されている。
次に、図７の模式図を参照して、ＭＣ型爆薬発電機２０の構成や動作の概要について説明する。
【００２８】
ＭＣ型爆薬発電機２０は、内部に爆薬２４を充填したライナ２３とこのライナ２３の外周に沿って構成されるコイル２２とを有し、通常、コイル２２とライナ２３の間隔に絶縁ガスが封入された構成となっていて、さらに、爆薬２４中には起動信号が与えられると起爆する電気雷管２１が設けられている。
なお、コイル２２の一方の端子は、直流電圧発生部１０の電線１４５ａに接続されるとともに、コイル２２の他方の端子は、マグネトロン６０のアノード６１に接続されている。
【００２９】
そして、爆薬２４中に設けた電気雷管２１を起爆させて爆薬２４を爆発させると、ライナ２３が順次拡張してコイル２２を短絡していくので、コイルのインダクタンスが小さくなる。一方、コイル中の磁束φは一定に保たれているため（φ（磁束）＝Ｌ（インダクタンス）×ｉ（電流）＝一定）、電流が急激に増幅される。
【００３０】
このように、起爆信号が与えられた電気雷管が起爆して爆薬２４を爆発し、ライナ２３を順次拡張してコイル２２を短絡していくので、大きな電流増幅が行われる。
次に、図８から図１３を参照して、エネルギー蓄積部３０の構成や動作の概要について説明する。
【００３１】
先ず、図８および図９を参照して、エネルギー蓄積部３０の構成や動作の概要について説明する。図８は、第１のコイル３２ａおよび第２のコイル３２ｂから構成されるエネルギー蓄積部３０の一例である直列リアクトル３１ａを示す。また、図９は、その直列リアクトル３１ａからなるエネルギー蓄積部３０の電磁波発生装置１００における具体的な接続状態を示す。
【００３２】
第１のコイル３２ａおよび第２のコイル３２ｂは、ＭＣ型爆薬発電機２０と直列に接続されており、ＭＣ型爆薬発電機２０の電流を通電し、電気エネルギーとして蓄積する。
直列リアクトル３１ａのインダクタンス値は、周波数１ｋＨｚにおいて４μＨ〜１０μＨに設定されていて、例えばインダクタンス値が６μＨとすると、ＭＣ型爆薬発電機２０のインダクタンス値が作動して、その初期値が例えば１００μＨが作動終了後０μＨに変化しても、前記直列リアクトル３１ａ電流値は概ねインダクタンス値の比（１００÷６）として、概ね１６倍に増幅され、それが直列リアクトル３１ａに電気エネルギーとして蓄積される。
【００３３】
電圧パルスの値はスイッチングするときの回路のインダクタンス値および電流の時間変化率の積に比例するが、前述したようにエネルギー蓄積部３０を直列リアクトル３１ａとして構成し、その直列リアクトル３１ａのインダクタンス値を周波数１ｋＨｚにおいて４μＨから１０μＨに選定しておくことにより、エネルギー蓄積部３０としての電気エネルギーの蓄積を可能にしている。
【００３４】
なお、直列リアクトル３１ａのインダクタンス値は、周波数１ｋＨｚにおいて４μＨ〜１０μＨに設定されることに限定されるものではなく、望ましくは周波数１ｋＨｚにおいて５μＨ〜１０μＨであってもよい。
次に、図１０および図１１を参照して、他の構成のエネルギー蓄積部３０の構成や動作の概要について説明する。図１０は、一次コイル３３ａおよび二次コイル３４ａから構成されるエネルギー蓄積部３０の一例である空芯トランス３１ｂを示す。また、図１１は、その空芯トランス３１ｂからなるエネルギー蓄積部３０の電磁波発生装置１００における接続状態を示す。
【００３５】
一次コイル３３ａおよび二次コイル３４ａは、ＭＣ型爆薬発電機２０と直列に接続されており、ＭＣ型爆薬発電機２０の電流を通電し、電気エネルギーとして蓄積する。ここで、空芯トランス３１ｂの一次コイル３３ａの漏れインダクタンス値は、周波数１ｋＨｚにおいて０．４μＨ〜０．６μＨに設定されており、二次コイル３４ａの漏れインダクタンス値は、周波数１ｋＨｚにおいて４μＨ〜１０μＨに設定されている。
【００３６】
例えば一次コイル３３ａの漏れインダクタンス値を周波数１ｋＨｚにおいて０．５μＨと設定したときでは、ＭＣ型爆薬発電機２０が作動して、その初期のインダクタンス値、例えば１００μＨが作動終了後０μＨに変化しても、電流値は概ねインダクタンス値の比（１００÷０．５）として、概ね２００倍に増幅されるが、空芯トランスの一次コイル３３ａと二次コイル３４ａとの結合係数が概ね０．１であるため、空芯トランス３１ｂの二次コイル３４ａにはＭＣ型爆薬発電機２０の初期電流の２０倍の電流が通電され、それが空芯トランス３１ｂに電気エネルギーとして蓄積される。
【００３７】
電圧パルスの値はスイッチングするときの回路のインダクタンス値および電流の時間変化率の積に比例するが、前述したようにエネルギー蓄積部３０を空芯トランス３１ｂとして構成し、その空芯トランス３１ｂの一次漏れインダクタンス値を周波数１ｋＨｚにおいて０．４μＨから０．６μＨに、二次漏れインダクタンス値を周波数１ｋＨｚにおいて４μＨから１０μＨにしておくことにより、エネルギー増幅部（ＭＣ爆薬発電機２０）の電流増幅作用を阻害することなく、エネルギー蓄積部３０としてエネルギー蓄積を可能にしている。
【００３８】
なお、空芯トランス３１ｂの一次コイル３３ａの漏れインダクタンス値は、周波数１ｋＨｚにおいて０．４μＨ〜０．６μＨに設定されることに限定されるものではなく、望ましくは周波数１ｋＨｚにおいて０．５μＨ〜０．６μＨであってもよい。また、空芯トランス３１ｂの二次コイル３４ａの漏れインダクタンス値は、周波数１ｋＨｚにおいて４μＨ〜１０μＨに設定されることに限定されるものではなく、望ましくは周波数１ｋＨｚにおいて５μＨ〜１０μＨであってもよい。
【００３９】
次に、図１２ないし図１４を参照して、さらに他のエネルギー蓄積部３０の構成や動作の概要について説明する。図１２は、一次コイル３３ｂおよび二次コイル３４ｂから構成されるエネルギー蓄積部３０の一例である鉄芯トランス３１ｃを示す。また、図１３は、その鉄芯トランス３１ｃからなるエネルギー蓄積部３０の電磁波発生装置１００における接続状態を示す。
【００４０】
一次コイル３３ｂおよび二次コイル３４ｂはＭＣ型爆薬発電機２０と直列に接続されており、ＭＣ型爆薬発電機２０の電流を通電し、電気エネルギーとして蓄積する。
ここで先ず、鉄芯３６の磁気飽和現象について説明する。図１４は、鉄芯３６のヒステリシス特性を示すＢ（磁束密度）−Ｈ（起滋力）曲線である。
【００４１】
ここでは、鉄芯３６の磁気特性にかかわる飽和磁束密度および透磁率の大きいものを用いることにより、Ｂ（磁束密度）およびＨ（起磁力）を大きくしている。さらに、作動前に、図１２および図１３に示すスイッチ３８をオンし、バッテリ３７からリセットコイル３５に通電することにより、鉄芯３６の磁気特性の初期状態を図１４に示すヒステリシス曲線のａ点からｃ点に移動させておく。こうすることにより、鉄芯３６の磁気特性はｃ点からｂ点上を移動するため、鉄芯３６の磁気飽和が起こりにくくなる。
【００４２】
このような構成において、ＭＣ型爆薬発電機２０を動作させたとき鉄芯トランス３１ｃの動作は次のようになる。
ここで、鉄芯トランス３１ｃの一次コイル３３ｂの漏れインダクタンス値は、周波数１ｋＨｚにおいて０．４μＨ〜０．６μＨに設定されており、二次コイル３４ｂの漏れインダクタンス値は、周波数１ｋＨｚにおいて４μＨ〜１０μＨに設定されている。
【００４３】
例えば一次コイル３３ｂの漏れインダクタンスを周波数１ｋＨｚにおいて０．５μＨと設定したときでは、ＭＣ型爆薬発電機２０のインダクタンス値が作動して、その初期値概ね１００μＨが作動終了後０μＨに変化しても、電流値は概ねインダクタンス値の比（１００÷０．５）として、概ね２００倍に増幅されるが、鉄芯トランス３１ｃの一次コイル３３ｂと二次コイル３４ｂとの結合係数が概ね０．３であるため、鉄芯トランス３１ｃの二次コイル３４ｂにはＭＣ型爆薬発電機２０の初期電流の６０倍の電流が通電され、鉄芯トランス３１ｃに電気エネルギーとして蓄積される。
【００４４】
電圧パルスの値はスイッチングするときの回路のインダクタンス値および電流の時間変化率の積に比例するが、前述したようにエネルギー蓄積部３０を高飽和磁束密度および高透磁率をもつ鉄芯トランス３１ｃとして構成し、その鉄芯トランスの一次漏れインダクタンス値を周波数１ｋＨｚにおいて０．４μＨから０．６μＨに、二次漏れインダクタンス値を周波数１ｋＨｚにおいて４μＨから１０μＨにしておき、三次巻き線をリセット電流の通電を可能とし、プラズマスイッチ４０の作動前にリセット電流を通電しておくことにより、エネルギー増幅部（ＭＣ爆薬発電機２０）の電流増幅作用を阻害することなく、二次巻き線に流れる電流の磁気飽和による限流をなくし、エネルギー蓄積部３０としてエネルギー蓄積を可能にしている。
【００４５】
なお、鉄芯トランス３１ｃの一次コイル３３ｂの漏れインダクタンス値は、周波数１ｋＨｚにおいて０．４μＨ〜０．６μＨに設定されることに限定されるものではなく、望ましくは１ｋＨｚにおいて０．５μＨ〜０．６μＨであってもよい。また、鉄芯トランス３１ｃの二次コイル３４ｂの漏れインダクタンス値は、周波数１ｋＨｚにおいて４μＨ〜１０μＨに設定されることに限定されるものではなく、望ましくは周波数１ｋＨｚにおいて５μＨ〜１０μＨであってもよい。
【００４６】
このように、種々の構成としてエネルギー蓄積部３０が構成されており、その構成に応じた動作特性を有している。
次に、図１５を参照して、プラズマスイッチ４０の構成や動作の概要について説明する。図１５中（ａ）および（ｂ）は、プラズマスイッチ４０の一例の構成を模式的に示したもので、図１５中（ｂ）は、図１５中（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【００４７】
このプラズマスイッチ４０は、円盤状で銅等の導電性材料で形成された電極４４ａと、この電極４４ａの外形より大きな円形状の中空部を有し、銅等の導電性材料で形成された円盤状の電極４４ｂと、その中空部を塞ぐように設けられた、アルミ箔等の金属薄膜４５とを有していて、これらの上下両側に爆薬４３が備えられた状態で収納筺体４２に収納されている。さらに、爆薬４３中には、起動信号が与えられると起爆する電気雷管４１が設けられているとともに、電極４４ａ，４４ｂの夫々には電線４６ａ，４６ｂが接続されていて、この電線４４ａ，４４ｂは、エネルギー蓄積部３０の両端子と、ギャップスイッチ５０の両端子に接続されている。
【００４８】
さて、エネルギー蓄積部３０によって蓄積された電流は、電線４６ａおよび電線４６ｂを介して電極４４ａおよび電極４４ｂ間を流れるが、所定値以上の電流が流れるとアルミ箔が溶融し、導電性を有するプラズマとなった状態で、電流が電極４４ａ、電極４４ｂ間を流れるようになる。
そして、この後、電気雷管４１を起爆し、爆薬４３を爆発させると、アルミ箔の溶融によって生成されたプラズマが上下両側から急激に圧縮されるため、導電部の体積が急激に小さくなって急激に抵抗値が大きくなり、プラズマスイッチ４０が電流を流さないような状態になる。
【００４９】
このように、爆薬を用いて高速にスイッチング動作を行うことが可能となり、これにより蓄積されたエネルギーを高速にスイッチングして高電圧パルスを得ることが可能になる。
なお、プラズマスイッチ４０の代わりに、オフスイッチとして機能するヒューズを用いてもよく、これによっても装置構成を簡素化できる。
【００５０】
次に、図１６を参照して、ギャップスイッチ５０の構成や動作の概要について説明する。図１６は、ギャップスイッチ５０の一例の構成を模式的に示したものである。
このギャップスイッチ５０は、球状で銅等の導電性材料で形成された電極５１ａと電極５１ｂとを気中で狭いギャップを隔てて対向させており、所定の電圧に達したときに電極５１ａ，５１ｂ間がオン状態とされるスイッチである。このギャップスイッチ５０の電極５１ａ，５１ｂがそれぞれ電線５２ａ，５２ｂに接続され、電線５２ｃとともに、プラズマスイッチ４０およびマグネトロン６０へ接続されている。
【００５１】
図１７中（ａ）および（ｂ）を用いてギャップスイッチ５０の動作を説明する。図１７中（ａ）では、縦軸はプラズマスイッチ４０が作動を開始後のプラズマスイッチ４０の出力電圧を示し、横軸は時間を示す。図１７中（ｂ）では、縦軸はギャップスイッチ５０の出力電圧を示し、横軸は時間を示す。
プラズマスイッチ４０が作動後、ギャップスイッチ５０の電極５１ａ，５１ｂの間隔によって決まる所定の電圧値に達したとき（図１７中（ａ）の電圧値Ｖ１）、ギャップスイッチ５０が作動し、図１７中（ｂ）に示すような立ち上がり速度の速いパルス電圧をマグネトロン６０へ供給する。
【００５２】
マグネトロン６０は、アノード６１に発振下限電圧Ｖ１以上かつ電圧の立ち上がり波形がＶ２／秒傾きを有する電圧が印可されると、高周波出力部６３で発振された電磁波を出力するもので、このために、制御信号を与えてスイッチ６５を閉状態にしてバッテリ６４の電圧をカソード６２に印可して、マグネトロン６０を加熱状態にしておく。
【００５３】
アンテナ７０は、マグネトロン６０の高周波出力部６３から出力される電磁波を放射するためのものであり、例えば、パラボラ型、角錐ホーン型、円錐ホーン型、レンズ付円錐ホーン型等のアンテナで実現可能である。高周波出力部６３とアンテナ７０との接続のために、導波管やコーナベント等の高周波デバイスを必要に応じて用いるようにすればよい。
【００５４】
制御部８０は、後に説明する制御動作を行うものであって、例えば、動作プログラムを内蔵したＲＯＭと、動作プログラムにしたがって所望の信号を出力するＣＰＵを有して実現可能である。
以上のように電磁波発生装置１００が構成されている。なお、以上のような構成において、具体的には、電気雷管２１、４１、１３３としては、鉱工業用６号電気雷管、時間精度が高い地震探索用電気雷管、ガス導管起爆システム、ノネルシステム（両システムは、非電式起爆システムで周囲の電流による誤動作が防止され、高信頼性を有する）等を用いればよく、また、爆薬としては、ダイナマイト、含水爆薬、硝安爆薬、硝安油剤爆薬等の爆薬や、ＰＥＴＮ、ＲＤＸ、ＨＭＴ、ＴＮＴ等の単一品または２種以上の混合品、または、これらに、油脂系・シリコン系のバインダ、硝酸塩・塩素酸等の酸化剤を加えたものを用いればよい。
【００５５】
次に、制御部８０による制御信号や起動信号の供給タイミングに基づく電磁波発生装置１００全体としての動作について説明する。図１８は、制御部８０による制御信号や起動信号の供給タイミングを示す。
図１８に示すように、まず、スイッチ９０を操作すると制御部８０は、制御信号をスイッチ６５に与えてスイッチ６５を閉状態にして、バッテリ６４を加熱電源としてカソード６２に電圧供給を行ってマグネトロン６０の加熱を開始する。
【００５６】
３００（秒）経過してマグネトロン６０の加熱が充分行われた後、制御部８０は、スイッチ１１に起動信号を供給する。これにより直流電圧が電流としてＭＣ型爆薬発電機２０に供給され始めた後、制御部８０は電気雷管２１に起動信号を供給する。
これにより、電流が「直流電圧発生部１０→ＭＣ型爆薬発電機２０→エネルギー蓄積部３０→プラズマスイッチ４０」の経路中を増幅されながら流れ、「（１／２）・Ｌ・ｉ²（Ｌはエネルギー蓄積部二次側から見たインダクタンス、ｉは電流）」なる電気エネルギーがエネルギー蓄積部３０のコイルに蓄積される。
【００５７】
このとき、前記経路に流れる電流は、図１９中（ａ）（電流ｉ）の符号Ａで示すようになる。さらに、電気雷管２１を起爆してから５０（μｓ）を経過して、制御部８０は、電気雷管４１に起動信号を供給する。これにより、プラズマスイッチ４０は閉状態から高抵抗状態（開状態）となり、プラズマスイッチ４０に電流が流れなくなり、前述経路に流れる電流は、図１９の符号Ｂで示すようになる。
【００５８】
このときのスイッチング時間（閉状態から開状態にする時間をｄｔとすると、「−Ｌ・（ｄｉ／ｄｔ）」なる高電圧がギャップスイッチ５０に印可される。この高電圧の発生の様子を図１９中（ｂ）のＶｐとして併記する。
ギャップスイッチ５０に印可された電圧がギャップ間隔で決まる所定の電圧値に到達したとき、ギャップ間で放電が発生し、ギャップスイッチ５０の二次側に立ち上がり時間の速い高電圧パルスが発生する。この高電圧の発生の様子を図１９中（ｃ）のＶｇとして併記する。
【００５９】
このようにして、立ち上がりの速い高電圧パルスがマグネトロン６０のアノード６１、カソード６２間に印可され、マグネトロン６０の高周波出力部６３では電磁波が発振され、発振された電磁波はアンテナ７０を介して放射される。
このようにして、パルス電圧の立ち上がり要求が速く（３０〜５０ｋＶ／μｓ）、発振条件下限電圧が高いマグネトロンであっても、電磁波の発振が可能となり、高出力、高周波数（ＧＨｚオーダー）の電磁波が放射される。
【００６０】
ここで具体的な実験例について説明する。
直流電圧発生部１０として４５μＦのコンデンサを６個並列に接続し、電圧７．５ｋＶで充電したものを用いた。ＭＣ型爆薬発電機２０として、全長１０００ｍｍ、直径２００ｍｍ、コイル径１６０ｍｍ、コイルピッチ８ｍｍ、コイル巻数６３、コイル初期インダクタンス１００μＨのものを用いた。プラズマスイッチ４０として、直径２４０ｍｍ、厚さ３４ｍｍ、電極間隔６０ｍｍ、金属箔として銅箔、厚さ５０μｍ、ギャップスイッチ５０として、空気中に径１０ｍｍの球ギャップを対向させ、ギャップ間隔を３．２ｍｍとしたもの、マグネトロン６０として周波数９．４ＧＨｚ、出力５００ｋＷ、パルス電圧５０ｋＶ、パルス立ち上がり１５０ｋＶ／μｓ、アンテナとして角錐ホーンアンテナ、ゲイン２０ｄＢのものを用いた。
【００６１】
図２０中（ａ）は、従来技術によるもので、エネルギー蓄積部３０のないものであって、プラズマスイッチ４０の電流は５００ｋＡと大きいにもかかわらず、プラズマスイッチ４０の発生するパルス電圧は３０ｋＶにとどまって、マグネトロン６０を発振するに至らなかった。
図２０中（ｂ）は、エネルギー蓄積部３０として、図８および図９に示す第１の直列リアクトル３１ａを用いた場合の結果を示す。結果では、そのインダクタンス値を１ｋＨｚにおいて４．５μＨとしたところ、プラズマスイッチ４０の電流は１００ｋＡであったが、プラズマスイッチ４０の発生するパルス電圧は６０ｋＶであり、これにより、マグネトロン６０を発振することができた。
【００６２】
図２０中（ｃ）は、エネルギー蓄積部３０として、図１０および図１１に示す空芯トランス３１ｂを用いた場合の結果を示す。結果では、その一次漏れインダクタンス値を０．５μＨとし、二次漏れインダクタンス値を５μＨとしたところ、プラズマスイッチ４０の電流は１５０ｋＡであったが、プラズマスイッチ４０の発生するパルス電圧は８０ｋＶであり、これにより、マグネトロン６０を発振することができた。
【００６３】
図２０中（ｄ）は、エネルギー蓄積部３０として、図１２および図１３に示す鉄芯トランス３１ｃを用いた場合の結果を示す。結果では、その一次漏れインダクタンス値を０．５μＨとし、二次漏れインダクタンス値を５μＨとしたところ、プラズマスイッチ４０の電流は２００ｋＡであったが、プラズマスイッチ４０の発生するパルス電圧は１００ｋＶであり、これにより、マグネトロン６０を発振することができた。このように、ＧＨｚオーダーの高い周波数で、かつ、電界強度の大きな電磁波が得られることが確認できた。
【００６４】
なお、この電磁波発生装置１００の応用例としては、まずこれらの装置を各種電子機器の耐電磁波ノイズ性の評価用に用いることが考えられる。具体的には、評価対象機器に対して、アンテナ７０から放射される電磁波を照射して、その破損状態を評価することによって、各種の電子機器の耐ノイズ性の評価が可能になる。
【００６５】
また、この電磁波発生装置１００から放射される電磁波を、受信基地側のアンテナで検出して、電磁波を放射した装置の存在位置を把握可能とするシステムに用いることも可能である。このような使用様態によれば、海洋上、山間地等の遠隔地における、自身の存在位置を通知することが可能となる。
このように、この電磁波発生装置の応用には様々なものが考えられ、ここに記載した応用例はその数例に過ぎないことは言うまでもない。
【００６６】
以上説明した本発明の実施形態によれば、スイッチ６５を閉状態にしてマグネトロン６０のカソード６２へのヒート電圧印可を開始し、このヒート電圧印可開始から３００（ｓ）後に、スイッチ１１を閉にし、直流電圧発生部１０から直流電圧を発生し、その後１００（μｓ）後に、電気雷管２１を起爆してＭＣ型爆薬発電機２０の爆発制御を行い、直流電圧発生部１０で生成された直流電流によって供給される電流を増幅し、さらに、この増幅電流を通常は電気エネルギーとしてエネルギー蓄積部３０に蓄積されるようにしておき、電気エネルギーを用いて高電圧パルスを発生するように、ＭＣ型爆薬発電機２０の爆発制御から３０（μｓ）後に電気雷管４１を起爆してプラズマスイッチ４０を爆発制御するため、プラズマスイッチ２０の作動時は回路に所定のインダクタンス値が存在するため、高電圧パルスが発生し、さらに、発生した直流電圧が所定の電圧値に到達すると放電して閉状態になるようギャップ間隔を調整したギャップスイッチ５０により、直流パルス電圧は鋭い立ち上がり波形をもつ電圧パルスに変換され、発生した高電圧パルスをマグネトロン６０に印可するので、高出力、高周波の電磁波を出力可能な装置を実現できる。
【００６７】
さらにエネルギー増幅部として、ＭＣ型爆薬発電機２０を用いた場合には、爆薬２４を爆発しライナを順次拡張してコイルを短絡していくので、爆薬を用いることによって、大きな電流増幅を行わせることができる。
さらに、エネルギー蓄積部３０を設けることにより、ＭＣ型爆薬発電機２０が作動した後も、回路にインダクタンスが存在し、エネルギーの蓄積が可能になる。
さらにまた、スイッチング部として、プラズマスイッチ４０を用いた場合には、爆薬４３を爆発し、導電性を有するプラズマが高速で圧縮され急激に抵抗値が大きくなるので、爆薬を用いることによって、蓄積されていたエネルギーを高速にスイッチングして高電圧パルスを得ることができる。
【００６８】
さらにまた、ギャップスイッチ５０を用いることにより、プラズマスイッチ４０により発生した高電圧パルスが所定の電圧に到達したときにギャップスイッチ５０が作動し、立ち上がりの速い高電圧パルスを得ることができる。
このように爆薬を用いた構成にすれば、小型な装置構成であっても高出力の電磁波を出力可能な装置を実現することが可能となる。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明によれば、エネルギー増幅部はインダクタンスを小さくしながら直流電圧発生部から発生する電流を増幅しながら、エネルギー蓄積部およびスイッチング部へ通電し、増幅を終えた時点ではインダクタンスは零となり、電気エネルギーはエネルギー蓄積部へ蓄積される。
【００７０】
さらに、スイッチング部は、常時は閉状態で前記エネルギー蓄積部による電気エネルギーの通過を可能とし、制御部から制御信号が与えられると開状態となって、高電圧パルスを発生させるが、エネルギー蓄積部でのインダクタンスの存在により、エネルギー蓄積部からスイッチング部へのエネルギーの移行が正常に行われ、スイッチングで発生する高電圧パルスは大きな値となる。
【００７１】
さらに、高電圧パルスの電圧値が所定の値になるとギャップスイッチが作動し、マグネトロンに高速な立ち上がり電圧波形をもつ高電圧パルスを印可することが可能となり、アンテナから高周波、高出力の電磁波が出力される。
また、起動信号が与えられた電気雷管が起爆して爆薬を爆発しライナを順次拡張してコイルを短絡していくので、大きな電流増幅を実現することができる。
【００７２】
また、制御信号が与えられた電気雷管が爆発して爆薬を爆発し、導電性を有するプラズマが高速に圧縮するので、急激に抵抗値が大きくなって蓄積されていたエネルギーを急速にスイッチングして高電圧パルスを得ることができる。
また、ギャップスイッチにより高電圧パルスの電圧値が所定の値になると作動するスイッチを構成することができ、よって、高電圧パルスの電圧値が所定の値になると作動するスイッチを簡単な構成として実現することができる。
また、請求項２に係る発明によれば、電圧パルスの値はスイッチングするときの回路のインダクタンス値および電流の時間変化率の積に比例するが、エネルギー蓄積部の直列リアクトルのインダクタンス値を周波数１ｋＨｚにおいて４μＨから１０μＨに選定しておくことにより、エネルギー蓄積部の電気エネルギーの蓄積を可能とし、スイッチング作動時、回路のインダクタンス値および電流の時間変化率の積が大きくなり、スイッチング部の発生パルス電圧の値を大きくすることができる。
【００７３】
また、請求項３に係る発明によれば、電圧パルスの値はスイッチングするときの回路のインダクタンス値および電流の時間変化率の積に比例するが、エネルギー蓄積部の空芯トランスの一次漏れインダクタンス値を周波数１ｋＨｚにおいて０．４μＨから０．６μＨに、二次漏れインダクタンス値を周波数１ｋＨｚにおいて４μＨから１０μＨにしておくことにより、エネルギー増幅部の電流増幅作用を阻害することなく、エネルギー蓄積部のエネルギー蓄積を可能とし、スイッチング作動時、回路のインダクタンス値および電流の時間変化率の積が大きくなり、スイッチング部の発生パルス電圧の値を大きくすることができる。
【００７４】
また、請求項４の発明によれば、電圧パルスの値はスイッチングするときの回路のインダクタンス値および電流の時間変化率の積に比例するが、エネルギー蓄積部の鉄芯は高飽和磁束密度および高透磁率をもち、鉄芯トランスの一次漏れインダクタンス値を周波数１ｋＨｚにおいて０．４μＨから０．６μＨに、二次漏れインダクタンス値を周波数１ｋＨｚにおいて４μＨから１０μＨにしておき、三次巻き線はリセット電流の通電を可能とし、スイッチング部の作動前にリセット電流を通電しておくことにより、エネルギー増幅部の電流増幅作用を阻害することなく、二次巻き線に流れる電流の磁気飽和による限流をなくし、エネルギー蓄積部のエネルギー蓄積を可能とし、スイッチング作動時、回路のインダクタンス値および電流の時間変化率の積が大きくなり、スイッチング部の発生パルス電圧の値を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかる電磁波発生装置のブロック構成図である。
【図２】ＭＨＤ型爆薬発電機の構成図である。
【図３】ＭＨＤ型爆薬発電機のプラズマ発生部の構成図である。
【図４】ＭＨＤ型爆薬発電機の起電力発生部の構成図である。
【図５】他の直流電圧発生部の構成図である。
【図６】他の直流電圧発生部の構成図である。
【図７】ＭＣ型爆薬発電機の構成図である。
【図８】エネルギー蓄積部の構成例を示す図である。
【図９】前記図８に示す構成例のエネルギー蓄積部の電磁波発生装置における具体的な接続状態を示す図である。
【図１０】他のエネルギー蓄積部の構成例を示す図である。
【図１１】前記図１０に示す他の構成例のエネルギー蓄積部の電磁波発生装置における具体的な接続状態を示す図である。
【図１２】他のエネルギー蓄積部の構成例を示す図である。
【図１３】前記図１２に示す他の構成例のエネルギー蓄積部の電磁波発生装置における具体的な接続状態を示す図である。
【図１４】鉄芯のヒステリシス特性図である。
【図１５】プラズマスイッチの構成図である。
【図１６】ギャップスイッチの構成図である。
【図１７】ギャップスイッチの特性を説明するために用いた特性図である。
【図１８】制御部が供給する制御信号（起動信号）の説明図である。
【図１９】高電圧パルスを生成する説明図である。
【図２０】高電圧パルスを生成する実験結果を示す図である。
【図２１】従来技術の説明図である。
【符号の説明】
１０直流電圧発生部
１１スイッチ
２０ＭＣ型爆薬発電機
２１電気雷管
２２コイル
２３ライナ
２４爆薬
３０エネルギー蓄積部
３１ａ直列リアクトル
３２ａコイル
３２ｂコイル
３１ｂ空芯トランス
３１ｃ鉄芯トランス
３３ａ一次コイル
３３ｂ二次コイル
３４ａ一次コイル
３４ｂ二次コイル
３５リセットコイル
３６鉄芯
３７バッテリ
３８スイッチ
３９抵抗
４０プラズマスイッチ
４１電気雷管
４２収納筐体
４３爆薬
４４ａ電極
４４ｂ電極
４５金属薄箔
４６ａ電線
４６ｂ電線
５０ギャップスイッチ
５１ａ電極
５１ｂ電極
５２ａ電線
５２ｂ電線
５３収納筐体
６０マグネトロン
６１アノード
６２カソード
６３高周波出力部
６４バッテリ
６５スイッチ
８０制御部
９０スイッチ
１００，２００電磁波発生装置
１１０コンデンサバンク
１１１コンデンサ
１２０ＭＨＤ型爆薬発電機
１３０プラズマ発生部
１３１収納容器
１３２爆薬
１３３電気雷管
１３４アルゴンガス
１４０起電力発生部
１４１ａＮ極磁石
１４１ｂＳ極磁石
１４２ａ電極固定部材
１４２ｂ磁石固定部材
１４３ａ電極
１４３ｂ電極
１４４ａ電極固定部材
１４４ｂ電極固定部材
１５０バッテリ群
１５１バッテリ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an apparatus for generating an electromagnetic wave, and in particular, a magnetron, which is an electromagnetic wave oscillation element, is driven by a high voltage pulse to generate a high output electromagnetic wave at a frequency on the order of GHz, and can be applied in various fields. The present invention relates to an electromagnetic wave generator.
[0002]
[Prior art]
  FIG. 21 is a configuration diagram of a conventional electromagnetic wave generator 200. The electromagnetic wave generator 200 amplifies a DC voltage generator 10 for generating a high DC voltage and a current supplied from the DC voltage generator 10. MC explosive generator (energy amplifying / accumulating unit) 20 that is normally closed and allows the MC-type explosive generator 20 to pass electrical energy, and when a control signal is given, it closes and becomes a high voltage pulse. A plasma switch (switching unit) 40 to be generated, an anode 61, a cathode 62 connected to both ends of a battery 64 via a switch 65, and a high frequency output unit 63 that oscillates electromagnetic waves when a high voltage pulse is applied. A magnetron 60 provided; an antenna 70 connected to the magnetron 60; a switch 11 provided in the DC voltage generator 10; A control unit 80 supplies the startup signal and a control signal a predetermined timing to the electric detonator 21 and a switch 65 provided in the generator 20 is configured to include a switch 90 for starting the control unit 80(For example, see Patent Document 1).
[0003]
Here, the plasma switch 40 includes two electrodes to which the MC-type explosive generator 20 is connected, and a metal thin film (not shown) that melts and becomes plasma when the current supplied between the two electrodes exceeds a predetermined value. An explosive (not shown) and an electric detonator 41 that explodes the explosive using the control signal as an activation signal.
The operation of this conventional electromagnetic wave generator 200 is as follows.
[0004]
First, when the switch 90 is operated, the control unit 80 applies a control signal to the switch 65 to close the switch 65, supplies voltage to the cathode 62 using the battery 64 as a heating power source, and starts heating the magnetron 60. . Then, the control unit 80 supplies an activation signal to the switch 11 after a predetermined time has elapsed since the heating of the magnetron 60 was started. Thus, after the DC voltage starts to be supplied to the MC-type explosive generator 20 as a current, the control unit 80 supplies an activation signal to the electric detonator 21. As a result, a current flows while being amplified in the path of “DC voltage generator 10 → MC explosive generator 20 → plasma switch 40”.
[0005]
Furthermore, the control unit 80 supplies an activation signal to the electric detonator 41 after a predetermined time has elapsed since the electric detonator 21 was detonated. As a result, the plasma switch 40 changes from the closed state to the high resistance state (open state), and no current flows through the plasma switch 40. As a result, a high voltage pulse that rises quickly is applied between the anode 61 and the cathode 62 of the magnetron 60, an electromagnetic wave is oscillated at the high frequency output unit 63 of the magnetron 60, and the oscillated electromagnetic wave is radiated through the antenna 70.
[0006]
  In the electromagnetic wave generator 200, the MC-type explosive generator 20 that amplifies the current supplied from the DC voltage generator 10 that generates a high DC voltage and stores the amplified current as electric energy is always used. The MC-type explosive generator 20 is allowed to pass electric energy in the closed state, and when it receives a control signal from the control unit 80, the MC type explosive generator 20 is opened and connected to the plasma switch 40 that generates a high-pressure pulse. It is configured.
[Patent Document 1]
JP 2000-049537 A
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, such a conventional electromagnetic wave generator 200 has the following problems.
When the plasma switch 40 is opened after the operation of the MC-type explosive generator 20, the inductance of the circuit is almost zero, so that energy transfer from the MC-type explosive generator 20 to the plasma switch 40 can be performed well. Therefore, the high voltage pulse generated in the plasma switch 40 cannot exceed about 30 kV, and as a result, it is difficult to increase the power value of the electromagnetic wave output from the magnetron 60.
[0008]
Furthermore, the rise of the high voltage pulse is determined by the rise time of the resistance value of the plasma switch 40, and usually takes several μs. However, in order to oscillate the magnetron 60 normally, a high voltage pulse having a pulse waveform having a rise time of several tens of ns has been desired.
Therefore, the present invention has been made to solve such a conventional problem, and the object thereof is to successfully store and transmit electric energy, and when the switching unit is opened, a higher high voltage pulse can be obtained. It is an object of the present invention to provide an electromagnetic wave generator that can output a high-power electromagnetic wave by making it possible to generate.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the invention according to claim 1, a DC voltage generating unit that generates a DC voltage, an energy amplifying unit that amplifies a current supplied from the DC voltage generating unit, and the energy amplifying unit, An energy storage unit that is connected in series and stores the amplified current as electric energy, and is connected to the energy storage unit, and is normally closed to allow electric energy to pass through the energy storage unit and to receive a control signal. A switching unit that is in an open state and generates a high voltage pulse, a switch that is normally open and operates when the voltage value of the high voltage pulse reaches a predetermined value, and supplies a high-speed rising pulse voltage waveform; A magnetron that generates an electromagnetic wave when the high-voltage pulse is applied; an antenna connected to the magnetron; and the control signal It is characterized by comprising a control unit for supplying a predetermined timing.
[0010]
According to this, the energy amplification unit amplifies the current generated from the DC voltage generation unit while reducing the inductance, and energizes the energy storage unit and the switching unit. Energy is stored in the energy storage unit.
Further, the switching unit is normally closed and allows the electric energy to pass through the energy storage unit. When the control signal is given from the control unit, the switching unit is opened and generates a high voltage pulse. Due to the presence of the inductance, energy transfer from the energy storage unit to the switching unit is performed normally, and the high voltage pulse generated by switching takes a large value.
[0011]
  When the voltage value of the high voltage pulse reaches a predetermined value, the switch is activated, and it becomes possible to apply a high voltage pulse having a fast rising voltage waveform to the magnetron, and high frequency and high output electromagnetic waves are output from the antenna. Ru.
[0012]
  Claims1In the invention according to,in frontThe control unit is also configured to supply an activation signal at a predetermined timing, and the energy amplification unit includes an explosive and an electric detonator that detonates the explosive when given the activation signal. And an MC type explosive generator including a coil provided on the outer periphery of the liner.
[0013]
  According to this, the electric detonator to which the activation signal is given detonates, explodes the explosive, sequentially expands the liner, and shorts the coil, so that a large current amplification is performed.
  Claims1In the invention according to,in frontThe switching unit includes two electrodes to which the energy storage unit is connected, a metal thin film that is melted into plasma when a current supplied between the two electrodes exceeds a predetermined value, an explosive, and the An electrical detonator that explodes the explosive when supplied with a control signal.
[0014]
  According to this, the electric detonator to which the control signal is given explodes and explodes the explosive, and the conductive plasma compresses at high speed, so the resistance value increases rapidly and the accumulated energy rapidly increases. High voltage pulses can be obtained by switching.
  Further, the invention according to claim 1 is characterized in that the switch is a gap switch in which the electrodes are arranged to face each other and the electrode is turned on when a predetermined voltage is reached. . That is, a switch that operates when the voltage value of the high-voltage pulse reaches a predetermined value can be configured by the gap switch.
  Claims2In the invention according to claim1In the invention according to the invention, the energy storage unit is configured by a series reactor, and an inductance value thereof is set to 4 μH to 10 μH at a frequency of 1 kHz.
[0015]
According to this, the value of the voltage pulse is proportional to the product of the inductance value of the circuit when switching and the time rate of change of the current, but the inductance value of the series reactor of the energy storage unit is selected from 4 μH to 10 μH at a frequency of 1 kHz. This makes it possible to store electrical energy in the energy storage unit, and during switching operation, the product of the inductance value of the circuit and the time change rate of the current increases, and the value of the generated pulse voltage of the switching unit can be increased. it can.
[0016]
  Claims3In the invention according to claim 1,Or 2In the invention according to the invention, the energy storage unit is composed of an air-core transformer, and the leakage inductance value of the primary coil of the air-core transformer is 0.4 μH to 0.6 μH at a frequency of 1 kHz, and the secondary of the air-core transformer. The side coil has a leakage inductance value set to 4 μH to 10 μH at a frequency of 1 kHz.
[0017]
According to this, although the value of the voltage pulse is proportional to the product of the inductance value of the circuit at the time of switching and the time change rate of the current, the primary leakage inductance value of the air core transformer of the energy storage unit is 0.4 μH at a frequency of 1 kHz. By changing the secondary leakage inductance value from 4 μH to 10 μH at a frequency of 1 kHz from 0.6 μH to 0.6 μH, it is possible to store energy in the energy storage unit without hindering the current amplification action of the energy amplification unit. The product of the inductance value of the circuit and the time change rate of the current increases, and the value of the pulse voltage generated in the switching unit can be increased.
[0018]
  Claims4In the invention according to claim 1, the claims 1 to3In the invention according to any one of the above, the energy storage unit is configured by an iron core transformer having three windings, and a leakage inductance value of a primary winding of the iron core transformer is 0.4 μH to 0.6 μH at a frequency of 1 kHz. The leakage inductance of the secondary coil of the iron core transformer is set to 4 μH to 10 μH at a frequency of 1 kHz, the iron core has a high saturation magnetic flux density and a high magnetic permeability, and the third winding of the iron core transformer. The wire enables energization of a reset current, and the iron core does not cause magnetic saturation even when a pulse current of 200 kA is energized by energizing the reset current before the switching unit operates. Yes.
[0019]
According to this, the value of the voltage pulse is proportional to the product of the inductance value of the circuit at the time of switching and the time rate of change of the current, but the iron core of the energy storage unit has a high saturation magnetic flux density and a high magnetic permeability. The primary leakage inductance value of the core transformer is changed from 0.4 μH to 0.6 μH at a frequency of 1 kHz, and the secondary leakage inductance value is changed from 4 μH to 10 μH at a frequency of 1 kHz. By energizing the reset current before the operation, the current amplifying function of the energy amplifying unit is not obstructed, the current limiting due to the magnetic saturation of the current flowing in the secondary winding is eliminated, and the energy accumulating unit The product of the inductance value of the circuit and the time change rate of the current is large during switching operation. Ri, it is possible to increase the value of the generated pulse voltage of the switching unit.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram of an electromagnetic wave generator 100 according to an embodiment of the present invention.
The electromagnetic wave generator 100 includes a DC voltage generating unit 10 that generates a DC voltage, an MC type explosive generator 20 as an energy amplifying unit that amplifies a current supplied from the DC voltage generating unit 10, and an MC type explosive generator 20. Is connected in series with the energy storage unit 30 that stores the amplified current as electrical energy, and is connected to the energy storage unit 30, and is normally closed so that the energy storage unit 30 can pass electrical energy. When given, the plasma switch 40 as a switching unit that is in an open state and generates a high voltage pulse, and is normally in an open state and operates when the high voltage pulse of the plasma switch 40 reaches a predetermined voltage value. Gap switch 50, which is a switch to be generated, and switches at both ends of anode 61 and battery 64 5, a magnetron 60 having a high-frequency output unit 63 that oscillates an electromagnetic wave when a high voltage pulse is applied, an antenna 70 for radiating the oscillated electromagnetic wave, a DC voltage A switch 11 provided in the generator 10, a control unit 80 for supplying start signals and control signals to the electric detonator 21 and switch 65 provided in the MC-type explosive generator 20 at a predetermined timing, and start the control unit 80 And a switch 90 for performing the operation.
[0021]
First, the configuration and operation of each component will be described, and then the entire apparatus will be described.
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration example of an MHD-type explosive generator 120 that is an example of the DC voltage generator 10 according to the present invention.
As shown in FIG. 2, the MHD-type explosive generator 120 includes a plasma generator 130 (details are shown in FIG. 3) for generating plasma, and an electromotive force generator for obtaining an electromotive force due to the progress of the plasma. 140 (details are shown in FIG. 4).
[0022]
As shown in FIGS. 3A and 3B, the plasma generator 130 is configured such that an electric detonator 133 is provided in a container 131 in which an explosive 132 and argon gas are sealed. When an activation signal is given to the electric detonator 133, the electric detonator 133 detonates and the explosive 132 explodes, whereby the argon gas becomes a plasma state and the plasma advances in a predetermined direction.
[0023]
4A and 4B are a front view and a plan view, respectively, of the electromotive force generation unit 140. A plan view of FIG. 4B is a front view of FIG. FIG. 4 is a view from the direction of symbol A in FIG. As shown in FIG. 4 (b), the plasma traveling direction is set in the direction from left to right in the figure, so the plasma traveling direction in FIG. 4 (a) is perpendicular to the paper surface. This is the direction from the front side of the page (the direction of plasma travel is indicated by an arrow).
[0024]
The electromotive force generator 140 includes a pair of electrode fixing members 144a and 144b extending at a predetermined interval so that the longitudinal direction is the plasma traveling direction, and the longitudinal direction is the plasma traveling direction. The pair of magnet fixing members 142a and 142b extending at a predetermined interval, and the pair of electrode fixing members 144a and 144b and the pair of magnet fixing members 142a and 142b. The external appearance of the power generation part has a rectangular parallelepiped shape that is long in the plasma traveling direction, and the pair of magnet fixing members 142a and 142b have the plasma traveling direction in the longitudinal direction, respectively. 141b (magnetic field generating means) is mounted, and a pair of electrode fixing members 144a and 144b are respectively provided with electrodes 143a and 1 in which the plasma traveling direction is the longitudinal direction. 3b is seated, further, the electrode 143a, the wire 145a to be supplied to the MC-type explosive generator 20 for explaining a DC electromotive force respectively obtained electrode 143b after the wire 145b is connected. Accordingly, in FIG. 4A, the direction of the magnetic field is parallel to the plane of the paper and is from the upper side to the lower side of the plane of the paper, and the plasma traveling direction and the direction of the magnetic field are orthogonal.
[0025]
Now, when the plasma advances, an electromotive force as shown below is generated, and this electromotive force is supplied to the MC-type explosive generator 20 as a current through the electric wires 145a and 145b. This electromotive force is obtained by Fleming's right-hand rule, where E is the electromotive force, V is the plasma velocity, d is the distance between the electrodes, and B is the magnetic field generated by the N pole permanent magnet 141a and S pole permanent magnet 141b. It is obtained by the equation “E = v · B · d”.
[0026]
Accordingly, it is possible to obtain a sufficiently high direct current voltage by plasma generated at an explosion of the explosive 132 and traveling at a high speed without requiring a charging operation or the like.
Of course, a charged capacitor or the like may be used in place of the MHD-type explosive generator in the current / voltage generator 10, thereby realizing a small and lightweight device.
FIG. 5 shows an example in which the DC voltage generating unit 10 is composed of a capacitor group. The DC voltage generator 10 shown in FIG. 5 is configured as a capacitor bank 110, and includes capacitors 111 in series and parallel. With this configuration, the necessary number of capacitors 111 can be connected in series to obtain a desired voltage, and the capacitors 111 can be connected in parallel to obtain a desired current.
[0027]
FIG. 6 shows an example in which the DC voltage generator 10 is configured as a battery group 150. The battery group 150 shown in FIG. 6 is configured by connecting batteries 151 in series to obtain a desired voltage and connecting the batteries 151 in parallel to obtain a desired current.
Next, with reference to the schematic diagram of FIG. 7, the outline | summary of a structure and operation | movement of MC type explosive generator 20 is demonstrated.
[0028]
The MC-type explosive generator 20 has a liner 23 filled with an explosive 24 therein and a coil 22 configured along the outer periphery of the liner 23, and usually an insulating gas is sealed between the coil 22 and the liner 23. In addition, an electric detonator 21 is provided in the explosive 24, which explodes when an activation signal is given.
One terminal of the coil 22 is connected to the electric wire 145 a of the DC voltage generator 10, and the other terminal of the coil 22 is connected to the anode 61 of the magnetron 60.
[0029]
When the electric detonator 21 provided in the explosive 24 is detonated to explode the explosive 24, the liner 23 is sequentially expanded and the coil 22 is short-circuited, so that the inductance of the coil is reduced. On the other hand, since the magnetic flux φ in the coil is kept constant (φ (magnetic flux) = L (inductance) × i (current) = constant), the current is rapidly amplified.
[0030]
Thus, the electric detonator to which the initiation signal is given detonates and explodes the explosive 24, and the liner 23 is sequentially expanded to short-circuit the coil 22, so that a large current amplification is performed.
Next, with reference to FIGS. 8 to 13, an outline of the configuration and operation of the energy storage unit 30 will be described.
[0031]
First, with reference to FIG. 8 and FIG. 9, the outline | summary of a structure and operation | movement of the energy storage part 30 is demonstrated. FIG. 8 shows a series reactor 31a which is an example of the energy storage unit 30 including the first coil 32a and the second coil 32b. Moreover, FIG. 9 shows the specific connection state in the electromagnetic wave generator 100 of the energy storage part 30 which consists of the series reactor 31a.
[0032]
The first coil 32a and the second coil 32b are connected in series with the MC-type explosive generator 20, energize the current of the MC-type explosive generator 20, and store it as electric energy.
The inductance value of the series reactor 31a is set to 4 μH to 10 μH at a frequency of 1 kHz. For example, when the inductance value is 6 μH, the inductance value of the MC-type explosive generator 20 is activated, and the initial value is activated, for example, 100 μH. Even if it changes to 0 μH after the completion, the current value of the series reactor 31a is amplified approximately 16 times as a ratio of inductance value (100 ÷ 6), and it is accumulated as electric energy in the series reactor 31a.
[0033]
The value of the voltage pulse is proportional to the product of the inductance value of the circuit at the time of switching and the time change rate of the current. As described above, the energy storage unit 30 is configured as the series reactor 31a, and the inductance value of the series reactor 31a is By selecting from 4 μH to 10 μH at a frequency of 1 kHz, it is possible to store electric energy as the energy storage unit 30.
[0034]
The inductance value of the series reactor 31a is not limited to being set to 4 μH to 10 μH at a frequency of 1 kHz, and may desirably be 5 μH to 10 μH at a frequency of 1 kHz.
Next, with reference to FIG. 10 and FIG. 11, the outline | summary of a structure and operation | movement of the energy storage part 30 of another structure is demonstrated. FIG. 10 shows an air-core transformer 31b which is an example of the energy storage unit 30 including the primary coil 33a and the secondary coil 34a. Moreover, FIG. 11 shows the connection state in the electromagnetic wave generator 100 of the energy storage part 30 which consists of the air core transformer 31b.
[0035]
The primary coil 33a and the secondary coil 34a are connected in series with the MC-type explosive generator 20, energize the current of the MC-type explosive generator 20, and store it as electric energy. Here, the leakage inductance value of the primary coil 33a of the air-core transformer 31b is set to 0.4 μH to 0.6 μH at a frequency of 1 kHz, and the leakage inductance value of the secondary coil 34a is 4 μH to 10 μH at a frequency of 1 kHz. Is set.
[0036]
For example, when the leakage inductance value of the primary coil 33a is set to 0.5 μH at a frequency of 1 kHz, even if the MC-type explosive generator 20 is activated and its initial inductance value, for example, 100 μH changes to 0 μH after the operation ends. The current value is amplified approximately 200 times as the ratio of inductance values (100 ÷ 0.5), but the coupling coefficient between the primary coil 33a and the secondary coil 34a of the air-core transformer is approximately 0.1. For this reason, the secondary coil 34a of the air-core transformer 31b is energized with a current 20 times the initial current of the MC-type explosive generator 20, and is stored as electric energy in the air-core transformer 31b.
[0037]
The value of the voltage pulse is proportional to the product of the inductance value of the circuit at the time of switching and the time change rate of the current. As described above, the energy storage unit 30 is configured as the air core transformer 31b, and the primary of the air core transformer 31b. By setting the leakage inductance value from 0.4 μH to 0.6 μH at a frequency of 1 kHz and the secondary leakage inductance value from 4 μH to 10 μH at a frequency of 1 kHz, the current amplification function of the energy amplification unit (MC explosive generator 20) is inhibited. Thus, the energy storage unit 30 enables energy storage.
[0038]
Note that the leakage inductance value of the primary coil 33a of the air-core transformer 31b is not limited to 0.4 μH to 0.6 μH at a frequency of 1 kHz, and preferably 0.5 μH to 0.00 at a frequency of 1 kHz. It may be 6 μH. Further, the leakage inductance value of the secondary coil 34a of the air-core transformer 31b is not limited to being set to 4 μH to 10 μH at a frequency of 1 kHz, and may desirably be 5 μH to 10 μH at a frequency of 1 kHz.
[0039]
Next, with reference to FIG. 12 to FIG. 14, an outline of the configuration and operation of still another energy storage unit 30 will be described. FIG. 12 shows an iron core transformer 31c which is an example of the energy storage unit 30 including the primary coil 33b and the secondary coil 34b. Moreover, FIG. 13 shows the connection state in the electromagnetic wave generator 100 of the energy storage part 30 which consists of the iron core transformer 31c.
[0040]
The primary coil 33b and the secondary coil 34b are connected in series with the MC-type explosive generator 20, and the current of the MC-type explosive generator 20 is energized and accumulated as electrical energy.
First, the magnetic saturation phenomenon of the iron core 36 will be described. FIG. 14 is a B (magnetic flux density) -H (stressing force) curve showing the hysteresis characteristics of the iron core 36.
[0041]
Here, B (magnetic flux density) and H (magnetomotive force) are increased by using a material having a large saturation magnetic flux density and magnetic permeability related to the magnetic characteristics of the iron core 36. Furthermore, by turning on the switch 38 shown in FIGS. 12 and 13 and energizing the reset coil 35 from the battery 37 before the operation, the initial state of the magnetic characteristics of the iron core 36 is indicated by point a in the hysteresis curve shown in FIG. To point c. By doing so, the magnetic characteristics of the iron core 36 move from the point c to the point b, so that the magnetic saturation of the iron core 36 hardly occurs.
[0042]
In such a configuration, when the MC-type explosive generator 20 is operated, the operation of the iron core transformer 31c is as follows.
Here, the leakage inductance value of the primary coil 33b of the iron core transformer 31c is set to 0.4 μH to 0.6 μH at a frequency of 1 kHz, and the leakage inductance value of the secondary coil 34b is set to 4 μH to 10 μH at a frequency of 1 kHz. Is set.
[0043]
For example, when the leakage inductance of the primary coil 33b is set to 0.5 μH at a frequency of 1 kHz, even if the inductance value of the MC-type explosive generator 20 is activated and its initial value approximately 100 μH changes to 0 μH after the operation ends, The current value is amplified approximately 200 times as a ratio of inductance values (100 ÷ 0.5), but the coupling coefficient between the primary coil 33b and the secondary coil 34b of the iron core transformer 31c is approximately 0.3. Therefore, a current 60 times as large as the initial current of the MC explosive generator 20 is applied to the secondary coil 34b of the iron core transformer 31c, and is stored as electric energy in the iron core transformer 31c.
[0044]
The value of the voltage pulse is proportional to the product of the inductance value of the circuit at the time of switching and the time change rate of the current. As described above, the energy storage unit 30 is used as the iron core transformer 31c having a high saturation magnetic flux density and a high magnetic permeability. The primary leakage inductance value of the iron core transformer is changed from 0.4 μH to 0.6 μH at a frequency of 1 kHz, the secondary leakage inductance value is changed from 4 μH to 10 μH at a frequency of 1 kHz, and the third winding is energized with a reset current. By allowing the reset current to flow before the plasma switch 40 is activated, the magnetic saturation of the current flowing in the secondary winding can be achieved without impeding the current amplification function of the energy amplification unit (MC explosive generator 20). Therefore, the energy storage unit 30 can store energy.
[0045]
Note that the leakage inductance value of the primary coil 33b of the iron core transformer 31c is not limited to 0.4 μH to 0.6 μH at a frequency of 1 kHz, and preferably 0.5 μH to 0.6 μH at 1 kHz. It may be. Further, the leakage inductance value of the secondary coil 34b of the iron core transformer 31c is not limited to 4 μH to 10 μH at a frequency of 1 kHz, and may desirably be 5 μH to 10 μH at a frequency of 1 kHz.
[0046]
As described above, the energy storage unit 30 is configured as various configurations, and has operating characteristics according to the configurations.
Next, with reference to FIG. 15, an outline of the configuration and operation of the plasma switch 40 will be described. 15A and 15B schematically show an example of the configuration of the plasma switch 40. FIG. 15B is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. is there.
[0047]
The plasma switch 40 has a disk-shaped electrode 44a formed of a conductive material such as copper, and a disk formed of a conductive material such as copper, and has a circular hollow portion larger than the outer shape of the electrode 44a. Electrode 44b and a metal thin film 45 such as an aluminum foil provided so as to close the hollow portion of the electrode 44b. ing. Further, the explosive 43 is provided with an electric detonator 41 that starts when an activation signal is given, and wires 44a and 46b are connected to the electrodes 44a and 44b, respectively. The two terminals of the energy storage unit 30 and the two terminals of the gap switch 50 are connected.
[0048]
The current accumulated by the energy storage unit 30 flows between the electrode 44a and the electrode 44b via the electric wire 46a and the electric wire 46b. When a current of a predetermined value or more flows, the aluminum foil is melted and the plasma has conductivity. In this state, a current flows between the electrodes 44a and 44b.
After that, when the electric detonator 41 is detonated and the explosive 43 is exploded, the plasma generated by the melting of the aluminum foil is rapidly compressed from both the upper and lower sides. As a result, the resistance value increases, and the plasma switch 40 enters a state in which no current flows.
[0049]
In this way, it is possible to perform a switching operation at high speed using explosives, and thereby it is possible to switch the stored energy at high speed to obtain a high voltage pulse.
Note that a fuse functioning as an off switch may be used instead of the plasma switch 40, and this also simplifies the apparatus configuration.
[0050]
Next, an outline of the configuration and operation of the gap switch 50 will be described with reference to FIG. FIG. 16 schematically shows an example of the configuration of the gap switch 50.
The gap switch 50 has a spherical electrode 51a and an electrode 51b made of a conductive material such as copper, facing each other with a narrow gap in the air, and when a predetermined voltage is reached, the electrodes 51a and 51b. This is a switch that is turned on. The electrodes 51a and 51b of the gap switch 50 are connected to electric wires 52a and 52b, respectively, and are connected to the plasma switch 40 and the magnetron 60 together with the electric wires 52c.
[0051]
The operation of the gap switch 50 will be described using (a) and (b) in FIG. In FIG. 17A, the vertical axis indicates the output voltage of the plasma switch 40 after the plasma switch 40 starts operating, and the horizontal axis indicates time. In FIG. 17B, the vertical axis indicates the output voltage of the gap switch 50, and the horizontal axis indicates time.
After the plasma switch 40 is activated, when it reaches a predetermined voltage value determined by the gap between the electrodes 51a and 51b of the gap switch 50 (voltage value V1 in FIG. 17A), the gap switch 50 is activated, and in FIG. A pulse voltage having a fast rising speed as shown in FIG.
[0052]
The magnetron 60 outputs an electromagnetic wave oscillated by the high-frequency output unit 63 when a voltage having an oscillation lower limit voltage V1 or more and a rising waveform of the voltage having a slope of V2 / sec is applied to the anode 61. A control signal is applied to close the switch 65 and apply the voltage of the battery 64 to the cathode 62 to keep the magnetron 60 in a heated state.
[0053]
The antenna 70 is for radiating an electromagnetic wave output from the high-frequency output unit 63 of the magnetron 60. For example, the antenna 70 can be realized by a parabola type, a pyramid horn type, a conical horn type, a conical horn type with a lens, or the like. is there. In order to connect the high-frequency output unit 63 and the antenna 70, a high-frequency device such as a waveguide or a corner vent may be used as necessary.
[0054]
The control unit 80 performs a control operation described later, and can be realized, for example, by including a ROM incorporating an operation program and a CPU that outputs a desired signal according to the operation program.
The electromagnetic wave generator 100 is configured as described above. In the above-described configuration, specifically, the electric detonator 21, 41, 133 is a No. 6 electric detonator for industrial use, an electric detonator for earthquake search with high time accuracy, a gas conduit detonation system, a nonel system ( Both systems only need to use non-electric detonation system that prevents malfunction due to ambient current and has high reliability), and as explosives, there are dynamite, hydrous explosives, ammonium nitrate explosives, ammonium nitrate explosive explosives, etc. If you use explosives, single items such as PETN, RDX, HMT, TNT, or a mixture of two or more types, or oils / silicone binders, and oxidants such as nitrate / chloric acid Good.
[0055]
Next, the operation of the electromagnetic wave generator 100 as a whole based on the supply timing of the control signal and the activation signal by the controller 80 will be described. FIG. 18 shows the supply timing of the control signal and the start signal by the control unit 80.
As shown in FIG. 18, first, when the switch 90 is operated, the control unit 80 supplies a control signal to the switch 65 to close the switch 65, and supplies the voltage to the cathode 62 using the battery 64 as a heating power source. Start heating 60.
[0056]
After 300 (seconds) has passed and the magnetron 60 is sufficiently heated, the control unit 80 supplies an activation signal to the switch 11. Thus, after the DC voltage starts to be supplied to the MC-type explosive generator 20 as a current, the control unit 80 supplies an activation signal to the electric detonator 21.
As a result, the current flows while being amplified in the route of “DC voltage generator 10 → MC type explosive generator 20 → energy storage unit 30 → plasma switch 40”, and “(1/2) · L · i²The electric energy “L is an inductance viewed from the secondary side of the energy storage unit and i is a current” is stored in the coil of the energy storage unit 30.
[0057]
At this time, the current flowing through the path is as indicated by a symbol A in FIG. 19 (a) (current i). Further, after 50 (μs) has elapsed since the electric detonator 21 was detonated, the control unit 80 supplies an activation signal to the electric detonator 41. As a result, the plasma switch 40 changes from the closed state to the high resistance state (open state), and no current flows through the plasma switch 40, and the current flowing through the path is as indicated by symbol B in FIG.
[0058]
At this time, a high voltage of “−L · (di / dt)” is applied to the gap switch 50, where dt is a time from the closed state to the open state. 19 is also shown as Vp in (b).
When the voltage applied to the gap switch 50 reaches a predetermined voltage value determined by the gap interval, a discharge occurs between the gaps, and a high voltage pulse with a fast rise time is generated on the secondary side of the gap switch 50. The appearance of this high voltage is also shown as Vg in FIG.
[0059]
In this way, a fast rising high voltage pulse is applied between the anode 61 and the cathode 62 of the magnetron 60, an electromagnetic wave is oscillated at the high frequency output unit 63 of the magnetron 60, and the oscillated electromagnetic wave is radiated through the antenna 70. The
In this way, even a magnetron whose pulse voltage rise request is fast (30 to 50 kV / μs) and whose oscillation condition lower limit voltage is high, electromagnetic waves can be oscillated, and an electromagnetic wave with high output and high frequency (GHz order). Is emitted.
[0060]
Here, a specific experimental example will be described.
As the DC voltage generation unit 10, six 45 μF capacitors connected in parallel and charged at a voltage of 7.5 kV were used. As the MC-type explosive generator 20, one having a total length of 1000 mm, a diameter of 200 mm, a coil diameter of 160 mm, a coil pitch of 8 mm, a coil winding number of 63, and a coil initial inductance of 100 μH was used. The plasma switch 40 has a diameter of 240 mm, a thickness of 34 mm, an electrode interval of 60 mm, a metal foil of copper foil, a thickness of 50 μm, and the gap switch 50 as opposed to a spherical gap of 10 mm in diameter in air, with a gap interval of 3.2 mm. A magnetron 60 having a frequency of 9.4 GHz, an output of 500 kW, a pulse voltage of 50 kV, a pulse rising of 150 kV / μs, a pyramid horn antenna having a gain of 20 dB was used.
[0061]
In FIG. 20, (a) is based on the prior art, without the energy storage unit 30, and the pulse voltage generated by the plasma switch 40 is 30 kV even though the current of the plasma switch 40 is as large as 500 kA. The magnetron 60 was not oscillated and stayed.
20B shows the result when the first series reactor 31a shown in FIGS. 8 and 9 is used as the energy storage unit 30. FIG. As a result, when the inductance value was 4.5 μH at 1 kHz, the current of the plasma switch 40 was 100 kA, but the pulse voltage generated by the plasma switch 40 was 60 kV, thereby oscillating the magnetron 60. I was able to.
[0062]
FIG. 20C shows the result when the air core transformer 31 b shown in FIGS. 10 and 11 is used as the energy storage unit 30. As a result, when the primary leakage inductance value was 0.5 μH and the secondary leakage inductance value was 5 μH, the current of the plasma switch 40 was 150 kA, but the pulse voltage generated by the plasma switch 40 was 80 kV, Thereby, the magnetron 60 could be oscillated.
[0063]
FIG. 20D shows the result when the iron core transformer 31 c shown in FIGS. 12 and 13 is used as the energy storage unit 30. As a result, when the primary leakage inductance value was 0.5 μH and the secondary leakage inductance value was 5 μH, the current of the plasma switch 40 was 200 kA, but the pulse voltage generated by the plasma switch 40 was 100 kV, Thereby, the magnetron 60 could be oscillated. Thus, it has been confirmed that an electromagnetic wave having a high frequency on the order of GHz and a large electric field strength can be obtained.
[0064]
In addition, as an application example of this electromagnetic wave generator 100, it can be considered that these devices are first used for evaluation of electromagnetic wave noise resistance of various electronic devices. Specifically, it is possible to evaluate the noise resistance of various electronic devices by irradiating the evaluation target device with electromagnetic waves radiated from the antenna 70 and evaluating the damage state.
[0065]
Further, the electromagnetic wave emitted from the electromagnetic wave generating device 100 can be detected by an antenna on the receiving base side and used for a system that makes it possible to grasp the location of the device that radiated the electromagnetic wave. According to such a mode of use, it is possible to notify the location of the user in a remote place such as on the ocean or in a mountainous area.
As described above, various applications of the electromagnetic wave generator are conceivable, and it goes without saying that the application examples described here are only a few.
[0066]
According to the embodiment of the present invention described above, the switch 65 is closed to start application of the heat voltage to the cathode 62 of the magnetron 60. After 300 (s) from the start of application of the heat voltage, the switch 11 is closed. DC voltage is generated from the DC voltage generator 10, and after 100 (μs), the electric detonator 21 is detonated to control the explosion of the MC-type explosive generator 20, and the DC current generated by the DC voltage generator 10 is generated. MC type explosive so that a high voltage pulse is generated using the electric energy while the amplified current is stored in the energy storage unit 30 as electric energy. In order to control the explosion of the plasma switch 40 by detonating the electric detonator 41 30 (μs) after the explosion control of the generator 20, the operation of the plasma switch 20 is performed. A gap switch that adjusts the gap interval so that a high-voltage pulse is generated and the generated DC voltage reaches a predetermined voltage value and is discharged and closed when there is a predetermined inductance value in the circuit during operation. 50, the direct current pulse voltage is converted into a voltage pulse having a sharp rising waveform, and the generated high voltage pulse is applied to the magnetron 60, so that a device capable of outputting a high output and high frequency electromagnetic wave can be realized.
[0067]
Further, when the MC type explosive generator 20 is used as the energy amplifying unit, the explosive 24 is exploded, the liner is sequentially expanded, and the coil is short-circuited, so that a large current amplification is performed by using the explosive. be able to.
Furthermore, by providing the energy accumulating unit 30, an inductance exists in the circuit even after the MC-type explosive generator 20 is activated, and energy can be accumulated.
Furthermore, when the plasma switch 40 is used as the switching unit, the explosive 43 is exploded, and the conductive plasma is compressed at a high speed and the resistance value is rapidly increased. The high voltage pulse can be obtained by switching the energy that has been stored at high speed.
[0068]
Furthermore, by using the gap switch 50, when the high voltage pulse generated by the plasma switch 40 reaches a predetermined voltage, the gap switch 50 operates and a high voltage pulse with a fast rise can be obtained.
If the explosive is used in this way, it is possible to realize a device that can output high-power electromagnetic waves even with a small device configuration.
[0069]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the present invention, the energy amplifying unit amplifies the current generated from the DC voltage generating unit while reducing the inductance while energizing the energy accumulating unit and the switching unit to perform amplification. At the end, the inductance becomes zero, and the electric energy is stored in the energy storage unit.
[0070]
Further, the switching unit is normally closed and allows electric energy to pass through the energy storage unit. When the control signal is supplied from the control unit, the switching unit is opened and generates a high voltage pulse. Due to the presence of the inductance, the energy is normally transferred from the energy storage unit to the switching unit, and the high voltage pulse generated by the switching takes a large value.
[0071]
  Furthermore, when the voltage value of the high voltage pulse reaches a predetermined value, the gap switch is activated, and it becomes possible to apply a high voltage pulse having a fast rising voltage waveform to the magnetron, and high frequency and high output electromagnetic waves are output from the antenna. Is done.
  Also, StartingThe electric detonator to which a dynamic signal is given detonates, explodes the explosive, expands the liner sequentially, and shorts the coil, thus realizing a large current amplification.
[0072]
  Also, SystemThe electric detonator given the control signal explodes and explodes the explosive, and the conductive plasma compresses at high speed, so the resistance value increases rapidly and the stored energy is rapidly switched to high voltage. A pulse can be obtained.
  In addition, a switch that operates when the voltage value of the high voltage pulse reaches a predetermined value can be configured by the gap switch, and thus a switch that operates when the voltage value of the high voltage pulse reaches the predetermined value is realized as a simple configuration. can do.
  Claims2According to the invention, the value of the voltage pulse is proportional to the product of the inductance value of the circuit at the time of switching and the time change rate of the current, but the inductance value of the series reactor of the energy storage unit is changed from 4 μH to 10 μH at a frequency of 1 kHz. By selecting, it is possible to store electrical energy in the energy storage unit, and during switching operation, the product of the inductance value of the circuit and the time change rate of current increases, and the value of the generated pulse voltage of the switching unit increases. be able to.
[0073]
  Claims3According to the invention, the value of the voltage pulse is proportional to the product of the inductance value of the circuit at the time of switching and the time rate of change of the current, but the primary leakage inductance value of the air core transformer of the energy storage unit is 0 at a frequency of 1 kHz. By switching the secondary leakage inductance value from 4 μH to 0.6 μH and from 4 μH to 10 μH at a frequency of 1 kHz, it is possible to store energy in the energy storage unit without hindering the current amplification function of the energy amplification unit. During operation, the product of the inductance value of the circuit and the time change rate of the current increases, and the value of the generated pulse voltage of the switching unit can be increased.
[0074]
  Claims4According to the invention, the value of the voltage pulse is proportional to the product of the inductance value of the circuit when switching and the time rate of change of the current, but the iron core of the energy storage unit has a high saturation magnetic flux density and a high magnetic permeability, The primary leakage inductance value of the iron core transformer is changed from 0.4 μH to 0.6 μH at a frequency of 1 kHz, and the secondary leakage inductance value is changed from 4 μH to 10 μH at a frequency of 1 kHz. The tertiary winding enables a reset current to flow. By energizing the reset current before the operation of the unit, the current amplification function of the energy amplification unit is not hindered, the current limit caused by the magnetic saturation of the current flowing through the secondary winding is eliminated, and the energy storage unit stores energy. During switching operation, the product of the circuit inductance value and the current time rate of change is large. It is possible to increase the value of the generated pulse voltage of the switching unit.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block configuration diagram of an electromagnetic wave generator according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram of an MHD-type explosive generator.
FIG. 3 is a configuration diagram of a plasma generation unit of an MHD type explosive generator.
FIG. 4 is a configuration diagram of an electromotive force generation unit of an MHD-type explosive generator.
FIG. 5 is a configuration diagram of another DC voltage generator.
FIG. 6 is a configuration diagram of another DC voltage generator.
FIG. 7 is a configuration diagram of an MC type explosive generator.
FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration example of an energy storage unit.
9 is a diagram showing a specific connection state in the electromagnetic wave generator of the energy storage unit of the configuration example shown in FIG.
FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration example of another energy storage unit.
11 is a diagram showing a specific connection state in the electromagnetic wave generator of the energy storage unit of the other configuration example shown in FIG.
FIG. 12 is a diagram illustrating a configuration example of another energy storage unit.
13 is a diagram showing a specific connection state in the electromagnetic wave generator of the energy storage unit of the other configuration example shown in FIG.
FIG. 14 is a hysteresis characteristic diagram of an iron core.
FIG. 15 is a configuration diagram of a plasma switch.
FIG. 16 is a configuration diagram of a gap switch.
FIG. 17 is a characteristic diagram used to explain the characteristics of the gap switch.
FIG. 18 is an explanatory diagram of a control signal (start signal) supplied by a control unit.
FIG. 19 is an explanatory diagram for generating a high-voltage pulse.
FIG. 20 is a diagram illustrating an experimental result of generating a high voltage pulse.
FIG. 21 is an explanatory diagram of a prior art.
[Explanation of symbols]
10 DC voltage generator
11 switch
20 MC type explosive generator
21 Electric detonator
22 coils
23 liner
24 Explosives
30 Energy storage unit
31a Series reactor
32a coil
32b coil
31b Air core transformer
31c Iron core transformer
33a Primary coil
33b Secondary coil
34a Primary coil
34b Secondary coil
35 Reset coil
36 Iron core
37 battery
38 switches
39 Resistance
40 Plasma switch
41 Electric detonator
42 Storage case
43 Explosives
44a electrode
44b electrode
45 Thin metal foil
46a electric wire
46b electric wire
50 gap switch
51a electrode
51b electrode
52a electric wire
52b Electric wire
53 Storage case
60 Magnetron
61 Anode
62 Cathode
63 High frequency output section
64 battery
65 switch
80 Control unit
90 switch
100,200 Electromagnetic wave generator
110 capacitor bank
111 capacitors
120 MHD type explosive generator
130 Plasma generator
131 storage container
132 Explosives
133 electric detonator
134 Argon gas
140 Electromotive force generator
141a N pole magnet
141b S pole magnet
142a Electrode fixing member
142b Magnet fixing member
143a electrode
143b electrode
144a Electrode fixing member
144b Electrode fixing member
150 battery group
151 battery

Claims

A DC voltage generator for generating a DC voltage;
An energy amplifying unit for amplifying the current supplied from the DC voltage generating unit;
An energy storage unit connected in series with the energy amplifying unit and storing the amplified current as electrical energy;
A switching unit that is connected to the energy storage unit, allows electrical energy to pass through the energy storage unit in a normally closed state, and is in an open state when a control signal is applied to generate a high voltage pulse;
A switch that operates when the voltage value of the high voltage pulse reaches a predetermined value in a normally open state, and supplies a fast rising pulse voltage waveform;
A magnetron that generates electromagnetic waves when the high voltage pulse is applied;
An antenna connected to the magnetron;
A control unit that supplies the control signal at a predetermined timing ,
The control unit is also configured to supply an activation signal at a predetermined timing,
The energy amplifying unit includes a liner containing an explosive and an electric detonator for detonating the explosive when given the activation signal, and a coil provided on the outer periphery of the liner, and an MC type explosive power generation. Composed of machine
The switching unit includes two electrodes to which the energy storage unit is connected, a metal thin film that is melted into plasma when a current supplied between the two electrodes exceeds a predetermined value, an explosive, and the An electrical detonator that explodes the explosive when given a control signal,
2. The electromagnetic wave generating apparatus according to claim 1, wherein the switch is configured by a gap switch that is arranged so that electrodes are opposed to each other and that turns on between the electrodes when a predetermined voltage is reached .

In the electromagnetic wave generating device according to claim 1 Symbol placement, the energy storage unit is composed of a series reactor, the inductance value, the electromagnetic wave generating device, characterized in that it is set to 4μH~10μH at a frequency 1 kHz.

3. The electromagnetic wave generation device according to claim 1, wherein the energy storage unit includes an air core transformer, and a leakage inductance value of a primary coil of the air core transformer is 0.4 μH to 0.6 μH at a frequency of 1 kHz. A leakage inductance value of the secondary coil of the air core transformer is set to 4 μH to 10 μH at a frequency of 1 kHz.

In the electromagnetic wave generator according to any of claims 1 to 3, wherein the energy storage unit is constituted by iron core transformer with three windings, the leakage inductance of the primary winding of the iron core transformer, frequency 1kHz 0.4 μH to 0.6 μH, and the leakage inductance of the secondary coil of the iron core transformer is set to 4 μH to 10 μH at a frequency of 1 kHz. The iron core has a high saturation magnetic flux density and a high magnetic permeability. The tertiary winding of the iron core transformer allows energization of a reset current. By energizing the reset current before the switching unit operates, the iron core is magnetic even when a pulse current of 200 kA is energized. An electromagnetic wave generator characterized by not causing saturation.