JP4299333B2 - ｎ段のコンデンサから構成されているマルクス発生器におけるトリガ／点弧装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数のスイッチ／スパークギャップと同数のｎ（ここでｎは自然数であり且つ１より大きい）段のコンデンサおよび２（ｎ−１）個の充電分岐路から構成されており、そのスパークギャップは自己降伏式に動作するマルクス発生器におけるトリガ／点弧装置に関する。マルクス発生器は単極の出力電圧では通常の場合、段コンデンサと同数のスパークギャップを有する。最も簡単な構造においては、スパークギャップは自己降伏式に動作する。出力側を除く各スパークギャップには２つの充電分岐路が接続されており、しかもスパークギャップの２つの端子の各々に１つずつ接続されている。したがって、ｎ段のマルクス発生器においては全部で２（ｎ−１）個の充電分岐路が存在する。各段コンデンサにおける充電電圧Ｕでは、降伏時のマルクス発生器の出力側にｎ*Ｕのピーク値を有する電圧パルスが生じる。

制御して通弧可能なマルクス発生器は３電極スパークギャップか、点弧プラグのような点弧ピンを備えたスパークギャップを有し、これはトリガトロン原理としても公知である。そのようなマルクス発生器は大部分が単一パルスモードで動作する。反復的に動作するマルクス発生器をトリガするために、前述の原理にしたがいスパークギャップを僅かな燃焼に関して最小化すること（/１/を参照されたい）、または最適化された点弧発生器によるトリガを動作の点でより確実に実施すること（/２/を参照されたい）が試みられる。さらには、レーザでトリガするための方法（/３/を参照されたい）またはスパークギャップの代わりに半導体スイッチを使用すること（/４/を参照されたい）も試みられる。トリガの別の可能性は電圧反転、ＬＣマルクス発生器の原理である。/５/にはこの原理の変形が記載されており、そこにおいては段間の結合のために変圧器が使用される。その他には、自由継続的な動作のためにスパークギャップの自己降伏の最適化が取り組まれている（/６/を参照されたい）。

トリガ可能なスパークギャップにおける点弧電極は、その危険に曝された位置のために高められた要求が課されている。さらにはトリガ可能なスパークギャップの機械的な構造は、自己降伏式に動作するスパークギャップの構造よりもコストがかかる。

本発明が基礎とする課題は、反復的に動作するマルクス発生器が僅かな摩耗でスパークギャップを自己降伏式に所定の時点に所期のように、殊に反復的な動作に関して通弧することである。

この課題は請求項１の特徴部分によるトリガ／点弧装置によって解決される。

トリガ／点弧装置は基本的に、パルス発生器に接続されている少なくとも１つのパルス変圧器から構成されている。所属の段コンデンサを用いて、マルクス発生器の出力側におけるスパークギャップを除いたスパークギャップを橋絡するマルクス発生器の充電分岐路の内の少なくとも１つにそのようなパルス変圧器が設けられている。変圧器の出力側巻線または二次巻線または上位電圧側の巻線は充電中に充電コイル／充電インダクタンスとしてまたは充電コイル／充電インダクタンスにより作用する。パルス変圧器の入力側巻線または一次巻線または下位電圧側の巻線はパルス変圧器の出力側に接続されている。パルス発生器の点弧／トリガの際には、パルス変圧器の出力側巻線に電圧パルスが形成され、この電圧パルスは対応する段のコンデンサの充電電圧に加えられ、相応の極性で電圧パルスの上昇時に、自己降伏に達する過電圧をこのスパークギャップにおいて短時間形成する。

従属請求項２から１３においては、スパークギャップをトリガするための装置の可能な実施形態が記載されており、これらの実施形態は一方ではマルクス発生器をより確実に点弧させ、他方では構造を経済的なもの実現する。

マルクス発生器は、反復的な動作に使用されるかただ１回の動作に使用されるかに応じて２通りに構成することができる。反復的な動作のために請求項２によれば、充電分岐路に充電コイルを設け、これらの充電コイルの内の少なくとも１つの充電コイルがパルス変圧器を補完することが示されている。電気的な絶縁の煩雑性を並の程度または僅かなものに維持するために、少なくともアース側の充電分岐路においてはパルス変圧器を補完する／パルス変圧器に拡張されるそのような充電コイルが設けられている。

マルクス発生器が充電抵抗を介して充電される場合には、少なくとも１つの充電分岐路にパルス変圧器が設けられている。パルス変圧器の出力側巻線は選択的に充電抵抗と直接的に直列または並列に接続されている（請求項３）。

マルクス発生器においては出力側のスパークギャップを除く全てのスパークギャップが、充電分岐路および所属の段コンデンサによって二度橋絡されている。スパークギャップの両方の端子には常に充電分岐路が接続されている。請求項４によればトリガ／点弧装置は、２つの充電分岐路にそれぞれパルス変圧器が挿入されるように構成されている。このことは基本的には（ｎ−１）個のスパークギャップの各々において実施することができるか、絶縁の煩雑性を制限的なものに保つために、有利には電位的に一番下のスパークギャップにおいて実施することができる。

請求項５によれば２つのパルス変圧器の入力側巻線は相互に電気的に直列に接続されており、且つ共通のパルス発生器に接続されている。請求項６によれば、２つのパルス変圧器の入力側巻線は相互に並列にパルス発生器に接続されている。請求項７によれば比較的コストはかかるが各入力側巻線は固有のパルス発生器に接続されている。

１つまたは複数のパルス発生器を様々に制御することができる。請求項８によれば電気的に制御され、請求項９によればそれぞれ光ファイバを介して制御される。後者の場合には少なくともパルス変圧器は絶縁構造の点で全て等しい。各パルス変圧器が固有のパルス発生器を有する場合には、モジュールユニット：パルス変圧器−パルス発生器は絶縁技術的に各段において等しい。

パルス発生器および接続されている入力側巻線を種々に構成することができる。先ず請求項１０によれば高速に遮断可能な電流源として構成されており、請求項１１によれば電圧源として構成されている。前者の場合にはスイッチは１つまたは複数のスイッチングトランジスタでよく、例えばオットー機関のトランジスタ化された点火装置に使用される。後者の場合には電流を制限するために充電分岐路にはさらにチョークコイルがパルス変圧器における出力側巻線に直列に接続されている。

電圧源として例えばスイッチを備えたコンデンサ（請求項１２）を使用することができる、または大電力に対してはそれどころか勿論、動作すべきマルクス発生器に比べて電力が小さいマルクス発生器（請求項１２）を使用することができる。

電気的な動作安全性を支援するために、パルス変圧器における入力側巻線の巻線方向は、マルクス発生器の放電電流の上昇によって入力側巻線に誘導される電圧が、変圧器の原理にしたがい出力側巻線によって誘導される電圧と逆方向になるように設計されている（請求項１３）。

既述の装置の内の１つの利点は従来のトリガ方式に比べて一方では構造が簡潔で経済的ということであり、他方では従来の３電極スパークギャップよりも実質的に摩耗が少ないことである。したがってマルクス発生器を長期間一定の動作特性を有する装置のために提供することができる。このことは工業的な用途において確実に動作するためには必須である。

多段型のマルクス発生器における自己降伏式に動作する少なくとも１つのスパークギャップをトリガするための装置を図面に基づき詳細に説明する。図面は３部からなり、それぞれ、
図１は第１のスパークギャップの過電圧トリガ部を備えたマルクス発生器を示し、
図２は２つの充電分岐に変圧器が設けられている過電圧トリガ部を示し、
図３は充電電流からトリガ回路への給電を示し、
図４はトリガ過電圧（１００ｎｓ／Ｄｉｖ、２．５ｋＶ／Ｄｉｖ）の例示的な経過を示す。

以下説明する装置においては、ここでは例えば３段型のマルクス発生器の第１のスパークギャップＦＳ１の降伏が短時間印加される過電圧によって達成される。ここで紹介するマルクス発生器は反復的な動作のためのものであり、したがって充電フェーズの間にコンデンサＣ１からＣ３を並列に接続する充電コイルＬ１からＬ４が設けられている（図１から図３を参照されたい）。ここでは例えばアース側の充電コイルＬ１がパルス変圧器を補完している。この変圧器によって形成される電圧は一段目のコンデンサの充電電圧に加えられ、適切な極性でこの段のスパークギャップＦＳ１における過電圧を形成する。すなわち過電圧によって時間的に的確なスパークギャップＦＳ１の自己降伏が得られる。

パルス変圧器Ｌ１の一次巻線または入力側巻線として巻数の少ない巻線が使用される。適切な高さ、例えばここでは６ｋＶの一次パルス電圧において、マルクス発生器はその静的な点弧電圧以下で再現可能に通弧する。

充電コイルＬ１を介する給電の際には、スパークギャップＦＳ１がコンデンサＣ２を介して充電コイルＬ２と並列に接続されている。充電コンデンサＣ２のキャパシタンスの大きさを無視できる場合には、パルス変圧器Ｌ１の漏れインダクタンスおよび充電コイルＬ２からなる、そのように形成された誘導性電圧分配器は、スパークギャップを介する電圧をアイドリング時に比べて低減する。相応に、アイドリング時よりも高い一次電圧でもって給電し、充電コイルＬ２が可能な限り大きいインダクタンスを有するように実施されなければならない。他方では、トリガパルス発生器の電源インピーダンスが比較的小さい場合には、Ｌ１の漏れインダクタンスを任意に低減することはできない。何故ならば、さもなければマルクス発生器の点弧後に比較的大きい電流がＬ１および接続されているトリガパルス発生器に流れるおそれがあるからである。

可能な限り僅かな電力でもってトリガを実施するために、充電コイルＬ２もパルス変圧器Ｌ２に拡張することが示されている（図２を参照されたい）。このために点弧パルスは一次側の適切な直列回路または並列回路（請求項４または５）によって同時に且つ同じ極性でもって２つの分岐路に供給される。漏れキャパシタンスの僅かな充電電流を除いて、スパークギャップＦＳ１の点弧まで２つの分岐路に電流は流れないので、最初の実施例とは異なり、スパークギャップＦＳ１を介する電圧は、パルス変圧器Ｌ１の漏れインダクタンスにおける誘導性の電圧降下だけ低減される。もっともこのような回路の変形の欠点は、付加的に段電圧に対して絶縁されなければならないパルス変圧器Ｌ２の絶縁に比較的高い煩雑性が生じることである。

マルクス発生器の充電電流がトリガユニットへの給電に使用される場合には、そのような高まった絶縁の煩雑性を低減することができる。このために充電中には少なくとも次のトリガパルスのためのエネルギが適切なエネルギ蓄積部、有利にはコンデンサに中間的に蓄積される。図３は装置を示す。この装置においては電圧供給部を選択的に、所属の充電コイルＬ１に直列に接続することができるか、ＳＶ２において示されているように隣接する分岐路に接続することができる。したがって、動作中には再充電が不可能なバッテリからの給電に比べて、整備の不要な動作を実現することができる。このトリガは絶縁技術的な理由により好適には、接続されている光導体を通過する光信号により行われる。電圧供給部、パルス発生器およびコイルからなるトリガユニットを容易に、マルクス発生器の任意のあらゆる段に集積することができる。つまり、殊に段の数が比較的多い場合に発生器の通弧特性を狭い時間窓内で強制するために、複数のトリガの簡単な構造も実現される。

図１から３に示されている３段型のマルクス発生器は例であり、そのようなマルクス発生器は５０ｋＶの定格段電圧において１５０ｋＶの合計充電電圧が生じるように設計されている。Ｃ１におけるマルクス発生器のベースは接地されている。ここでは負荷として負荷抵抗Ｒ１が採用されている。導通接続される発生器と負荷の直列回路から構成されている主電流回路の構造に起因する現実的に通常は無視すべきでないインダクタンスは以下の考察にとって重要ではないので、さらには説明しない。従来の方式にしたがいトリガされるマルクス発生器のように、スパークギャップの静的な降伏電圧は個々の段の充電電圧よりも５〜１０％高く調節されている。調節はパッシェン曲線に応じて、通常のように電極の間隔および／またはスパークギャップにおけるガス圧力を変化させることによって行われる。

３つのスパークギャップＦＳ１〜ＦＳ３の通弧後にコンデンサＣ１〜Ｃ３は負荷Ｒ１に直列に接続され、この負荷を介してスパークギャップが主電流経路において放電する。電流が小さい副放電経路は充電コイルＬ１〜Ｌ４にわたり延びている。一番下の段のコンデンサＣ１は基準電位としてのアース電位にある。充電過程の間に３つの段の全てのコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３は電源機構ＮＴによって、例えば５０ｋＶの段電圧に充電コイルＬ１〜Ｌ４を介して、開始時に制限のある制御されていない電流または例えば３００ｍＡの定電流でもって充電される。試験動作のために電源機構の出力電圧は５０ｋＶの充電遮断電圧に制限されている。電源機構としては商用のコンデンサ充電装置または直流電圧電源機構を使用することができる。図１においてパルス変圧器に拡張されている充電コイルでは、点弧のために入力側巻線には電圧源からの給電の際に、例えば約６ｋＶの頂上値の電圧パルスが、電圧源から給電するための別の設計では例えば約３００ナノ秒内に例えば１２０Ａから０Ａに降下する電圧パルスが印加され、これは電圧変圧器、充電コイルの出力側巻線においてはスパークギャップが降伏するまで上昇する電圧パルスを形成する。

図４はそのような電圧パルスの経過を例示的に表したものであり、スパークギャップの動的な降伏電圧の値はここでは１２．５ｋＶである。この測定はトリガ回路のテスト中のマルクス発生器の外で行った。使用されるオーム／減衰容量性の測定分配器の反作用に基づき、この測定における電圧上昇は測定分配器が接続されていない動作よりも緩慢である。実験テスト動作時にスパークギャップは簡単な球スパークギャップであり、殊に長期間一定の動作特性を目的として工場装置での要求の多い動作に対しては、スパークギャップの半休形状は例えば燃焼の乏しいプロフィール、ボルダプロフィール（例えばDE 102 03 649を参照されたい）を有する。

この実施例において示した数値は既述のやり方でトリガされるマルクス発生器の具体的な実施形態に関連する。原理的には、新たなトリガ方式を数ｋVから数１００ｋVの段電圧を有するマルクス発生器に適用することができ、殊に段数が比較的多いマルクス発生器にも適用することができる。

凡例
/1/ McPhee等 : The Design and Electrostatic Modelling of a High Voltage, Low Jitter Trigatron For Repetitive Operation, IEE, 1995
/2/ Wang等 : A Compact Repetitive Marx Generator, IEEE, 1999
/3/ Kellogg : A Laser-Triggered Mini-Marx For Low-Jitter High-Voltage Applications, IEEE, 1999
/4/ Frost等 : Ultra-Low Jitter Repetitive Solid State Picosecond Switching, IEEE, 1999
/5/ Engel, Kristiansen : A Compact High Voltage Vector Inversion Generator, IEEE
/6/ Turnbull等 : The Repetitive Operation of a Sparc Gap Column, IEEE, 1997

第１のスパークギャップの過電圧トリガ部を備えたマルクス発生器。 ２つの充電分岐に変圧器が設けられている過電圧トリガ部。 充電電流からトリガ回路への給電。 トリガ過電圧の例示的な経過。

Claims (13)

1. 複数のスパークギャップと同数のｎ（ここでｎは自然数であり且つ１より大きい）段のコンデンサおよび２（ｎ−１）個の充電分岐路から構成されており、スパークギャップが自己降伏式に動作するマルクス発生器におけるトリガ装置において、
   前記トリガ装置はパルス発生器に接続されている少なくとも１つのパルス変圧器から構成されており、
   前記パルス変圧器は、出力側におけるスパークギャップを除いたスパークギャップを所属の段コンデンサを用いて橋絡する、マルクス発生器の充電分岐路の内の少なくとも１つに設けられており、
   パルス変圧器を有し、該パルス変圧器の出力側巻線は充電中に充電コイルとしてまたは充電コイルによって作用し、該パルス変圧器の入力側巻線は、前記パルス発生器の点弧／トリガの際に、パルス変圧器を用いて形成される電圧パルスが対応する段のコンデンサの充電電圧に加えられ、且つ相応の極性で電圧パルスの上昇時に、自己降伏に達する過電圧を前記スパークギャップに形成するように前記パルス発生器に接続されていることを特徴とする、トリガ装置。
2. 前記マルクス発生器の前記充電分岐路はそれぞれ１つの充電コイルを有し、且つ該充電コイルの内の少なくとも１つの充電コイルはパルス変圧器を補完している、請求項１記載のトリガ装置。
3. 前記マルクス発生器の前記充電分岐路はそれぞれ充電抵抗を有し、少なくとも１つの充電分岐路においてはパルス変圧器が出力側巻線を用いて直接的に前記充電抵抗と直列または並列に接続されている、請求項１記載のトリガ装置。
4. それぞれがスパークギャップの端子に接続されている２つの充電分岐路にはそれぞれ１つのパルス変圧器が挿入されている、請求項２または３記載のトリガ装置。
5. ２つの前記パルス変圧器の入力側巻線は相互に電気的に直列であり、且つ共通のパルス発生器に接続されている、請求項４記載のトリガ装置。
6. ２つの前記パルス変圧器の入力側巻線は相互に電気的に並列であり、且つ共通のパルス発生器に接続されている、請求項４記載のトリガ装置。
7. ２つの前記パルス変圧器の入力側巻線はそれぞれパルス発生器に接続されている、請求項４記載のトリガ装置。
8. 前記パルス発生器は電気的に制御装置と接続されている、請求項５から７までのいずれか１項記載のトリガ装置。
9. 前記パルス発生器は光ファイバを介して制御装置と接続されている、請求項５から７までのいずれか１項記載のトリガ装置。
10. 前記パルス発生器および前記接続されている入力側巻線は電流源であり、電流は該電流源によって高速に遮断可能である、請求項１から９までのいずれか１項記載のトリガ装置。
11. 前記パルス発生器は電圧源であり、前記パルス変圧器の前記出力側巻線はチョークコイルと直列に接続されている、請求項１から９までのいずれか１項記載のトリガ装置。
12. 前記電圧源はスイッチを備えたコンデンサであるか、動作すべきマルクス発生器に比べて電力が小さいマルクス発生器である、請求項１１記載のトリガ装置。
13. 前記パルス変圧器における入力側巻線の巻線方向は、前記マルクス発生器の放電電流の上昇によって前記入力側巻線に誘導される電圧が、前記出力側巻線において誘導される電圧と逆方向になるように設計されている、請求項１から１２までのいずれか１項記載のトリガ装置。

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