JPH03110737A - 中空陰極を有するプラズマスイッチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、プラズマスイッチの分野に関するものであ
り、特にスイッチ両端の電圧降下が低く高い電圧および
電流のスイッチング（開閉）が可能な制御グリッドを備
えた中空熱陰極と組合わせたプラズマスイッチに関する
ものである。

［従来の技術］ ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）および集積ゲー
トバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を含む固体スイ
ッチング装置は速いスイッチング速度、低い電圧降下、
および低温動作が可能である。そのような装置は従来高
電力を低いＤＣ電圧から高いＤＣ電圧に変換する高電力
インバータまたはコンバータ（いかこれらを総称して変
換装置という）システムとして使用されている。しかし
ながら固体スイッチは低電圧装置（＜ｘｋＶ）であり、
基本電源を低電圧出力で動作させるか、直列に接続され
た多数のサイリスクまたはＩＧＢＴにより動作するため
にスイッチアレイを必要とするかのいずれかである。低
電圧動作は高い循環電流を必要とし関連する変圧器に高
いジュール熱を生じさせる。さらに変圧器の結合は高電
圧出力が要求されるときには高い１次２次巻数比が必要
であるから充分なものではない。ＩＧＢＴの直列動作は
スイッチ電力損失を倍加し、電圧を共用しオフスイッチ
ング中の電圧過渡現象を阻止するために付加的な回路が
必要である。これらの過渡現象は大きな自己インダクタ
ンスを持つ高い巻数比の変圧器を使用したとき特に厳し
いものとなる。急停止回路はインバータの重量を増加さ
せ、付加的に電力を消費する。固体装置はまた単一の過
電流または過電圧を受けたとき破壊的な故障を生じるか
ら充分に堅牢で故障に強いものではない。さらに固体装
置は核リアクタ電力電源と関連した宇宙空間のような高
温度、高放射線下で、或いはディーゼルまたはタービン
エンジン付近で遭遇するのような高温度の地上または車
両システム中で動作することができない。この発明の適
用される形式の変換装置システム中のこれらの問題につ
いての議論は文献（Ｍｏｄｅｒｎ　ＤＣ−Ｔｏ−ＤＣＳ
ｖｉｃｈＭｏｄｅ　ＰｏｗｅｒＣｏｎｖｅｒｔｅｒ−Ｃ
１ｒｃｕｉｔｓ″Ｒ，Ｐ、５ｅｖｅｒｎ外、Ｖａｎ　Ｎ
０８ｔｒａｎｄ　Ｒｅ１ｎｈｏｌｄ　Ｃｏ、ニューヨー
ク１９８５年、９５〜９７頁）に記載されている。

低圧力プラズマ開放スイッチが最近開発され、それは前
述のような従来の固体スイッチング素子の主要欠点を克
服するものである。このスイッチはクロサトロン変調器
スイッチ（クロサトロンはヒユーズエアクラフト社の商
標名である）と呼ばれている。このスイッチの詳細はシ
ニーマッハ氏の米国特許４．５９８，９４５号明細書お
よび文献（“Ｏｐｅｎｉｎｇ　５ｗ１ｃｈｅｓ　　のＬ
ｏｗ−Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ＰｌａｓＩＩｌａ　Ｏｐｅｎ
ｉｎｇ　５ｖｉｃｈｅｓの章、Ｓｃｈｉｍａｅｌｔｅｒ
外９３〜１２９頁）に記載されている。

クロサトロンスイッチは２次電子放射冷陰極装置であり
、それは高速度高繰返し周波数でパルス電力回路の開成
および開放の両者に対して制御された拡散放電を使用し
、固体スイッチング装置と比較して実質上増加された電
圧および電流で動作できる。さらにクロサトロンスイッ
チは堅牢であり故障がなく低温に冷却可能である。しか
しながらこのスイッチは典型的に５００ｖ程度の順方向
電圧降下を生じ、それは用途によっては不適当である。

［発明の解決すべき課題］ クロサトロンスイッチは冷陰極を使用するものであるが
、ウィリアムソン氏の米国特許４，８００，２８１号明
細書に記載されたプラズマ形成に交差電界放電を使用し
た中空陰極プラズマ源はプラズマ形成に熱陰極を使用し
ている。中空陰極形状はプラズマ閉込めのために磁界の
必要をなくしている。

このプラズマ閉込めは前記特許明細書に記載されたよう
に任意に設けられるものであるが、冷陰極形態における
充分に高いレベルのバックイオン衝撃を得るために必要
とされる。中空陰極放電において電位および任意の外部
加熱が陰極を熱電子放射温度に上昇させ、グロー放電を
開始させるために供給される。陰極の中空形態およびそ
こに形成される電子を反射するイオンシースは陰極の内
部から放射された熱電子の寿命およびパス長を増加させ
るように機能する。これは中空陰極中のガス分子と電子
の多重電離衝突の可能性を大きく増加させる。これはプ
ラズマ放電が何等他の外部手段の必要なく放電維持のた
めの十分なプラズマ閉込めを可能にする。中空陰極プラ
ズマ源の特性は非常に低い順方向電圧降下であり、それ
は電源の陰極と陽極間で約１０ボルト（キセノンガスを
使用する場合）程度にすることができる。

電子またはイオン源として使用される別の中空陰極ガス
放電装置の例は米国特許３，８３１，０５２号明細書に
記載されている。この装置の好ましい適用は高エネルギ
イオン化装置を備えたガスレーザ用の電子源としてのも
のである。

［課題解決のための手段］ この発明で使用されるスイッチは、ホロトロン（Ｈｏｌ
　Ｉｏｔｒｏｎ）スイッチ（ホロトロンはヒユーズエア
クラフト社の商標）と呼ばれ、オンスイツチングモード
とオフスイッチングモードの両方で迅速な電流スイッチ
ングを行うことができるガス充填１、グリッド制御整流
器である。このスイッチの動作はサイラトロンの動作に
若干類似している。しかしながらサイラトロンはゼロ電
流状態を強制する共振回路素子の使用なしには電流の遮
断はできない。この発明のホロトロンスイッチの特徴は
ＩＯ乃至２０ボルト程度の低い順方向電圧降下、比較的
高い電圧（１０ｋＶ）　、比較的高い電流密度（２Ａ／
Ｃｍ２）においてＤＣ電流を遮断する能力を有すること
である。これはクロサトロン管の電流遮断能力によりユ
ニークな形態でキセノンガス中の中空熱陰極放電を使用
することによって達成される。

この発明は、高温度および、または高放射線環境におい
て動作しなければならない高電圧、高電力システム用の
効率がよく信頼性の高い変換装置を実現することを可能
にする。このプラズマスイッチ装置は高電圧ＤＣ入力を
変調することを可能にし、それによって低い入力電流レ
ベルで関連した変圧器の動作を可能にする。これはジュ
ール熱損失を減少し、変圧器の設計を簡単にする（低い
巻数比、小さい電圧過渡現象のため）。

ホロトロンスイッチは軽い重量、信頼性、および高い効
率が要求されるような適用に最も価値があるものである
。それは約１　ｋＶより高い入力電圧のインバータ／コ
ンバータシステム中の固体スイッチおよび関連する保護
回路の全てを置換し、それによって固体スイッチを使用
するシステムよりも高効率、軽重量、および高い信頼性
を持った高電力（メガワット）変換装置システムの構成
を可能にする。

この発明で使用するプラズマスイッチは中空熱陰極を備
え、周囲イオンガス、好ましくはキセノンガスの軸方向
放電によりイオン化されたプラズマを生成する。電子は
陽極により軸方向または半径方向に抽出されることがで
きる。陽極が環状である半径方向の実施例において、電
圧は陰極と陽極との間に配置された環状キープ電極に供
給されて陰極と環状キープ電極との間のプラズマガス放
電を維持する。環状グリッドの制御電極がキープ電極と
陽極との間に配置されている。制御電極に過渡的正電圧
パルスを供給することによりプラズマ放電は陰極から陽
極に延在し、したがってスイッチは閉路される。スイッ
チの導通状態の期間中、制御電極は浮遊状態にされても
よく、導通を維持するための駆動電流は必要ない。負の
電圧を供給することにより制御電極はプラズマ放電をキ
ープ電極の区域に引戻し、スイッチを開放する。

この発明の好ましい実施例においては、中空陰極は熱電
子放射温度にバックイオン衝撃により自己加熱すること
のできる材料で形成される。バックイオン衝撃はマイク
ロ秒乃至ミリ秒程度の非常に短い時間でプラズマ放電を
開始させるのに十分である。

このプラズマスイッチは高電力変換装置に使用すると有
効である。それにおいてはスイッチは変圧器１次巻線中
に流れるＤＣ電流を高周波で変調する手段として使用さ
れる。ＤＣ電流は燃料電池、ＡＣ発電機、或いは他の電
池形式装置から与えられることができる。変圧器１次巻
線を流れる電流の変調により高周波交流電流が２次巻線
中に流れる。これは整流装置によって高電圧の直流電流
に変換される。

このプラズマスイッチの好ましい実施例は変換装置に使
用されているけれども、それに限定されるものではなく
高電力、高速度の開閉スイッチが必要とされる任意の装
置に有効に使用される。

［実施例］ これらおよびその他のこの発明の特徴は添付図面を参照
とした以下の実施例の詳細な説明により当業者には明白
になるであろう。各図において同じ素子は同じ参照符号
によって示される。

第１図を参照すると、この発明の１実施例のプラズマス
イッチは全体をｌＯで示され、キセノンであることが好
ましいイオン化可能ガス１４を含む容器１２を備えてい
る。中空陰極１６は図示のような垂直方向の軸１８ａを
有する管状体として容器１２中に配置されている。平板
陽極１８は陰極軸ｌｅａに垂直にそれと交差して延在す
る。板状であってよいバッフル状のキープ電極２０は陰
極１６と陽極との間に配置されている。制御電極２２は
メツシュスクリーンにより構成され、キープ電極２０と
陽極１８との間に配置されている。

動作において、電圧がキープ電極２０に供給され、その
電圧は陰極１Ｂに対して正である。所望ならば電気ヒー
タコイル２４として略図的に示した任意のヒータが陰極
１Ｂをその熱電子放射温度に最初だけまたは連続的に加
熱するために設けられることができる。

キープ電極２０に供給される電圧はこのキープ電極２０
と陰極ＩＢとの間の低電圧グロー放電を開始させ、ガス
をイオン化し、イオン化されたプラズマ２Ｂを生成する
。キープ電極２０に供給される電圧および陰極１Ｂ、キ
ープ電極２０、制御電極２２、および陽極１８の間隔、
並びにその他の変数は、制御電極２２に電圧が供給され
ないときにプラズマ２６がキープ電極２０の付近のみに
あるように選択される。したがって陽極１８に供給され
る電圧がガス１４のパッシェン放電を避けるように充分
に低ければ、陰極１Ｂと陽極１８との間には何等の電気
接続もない。キープ電極２０はまたプラズマ拡散に対し
てバッフルとして作用し、制御電極２２および陽極１８
を損傷させるような狭いジェットの形態でプラズマが陽
極１８に射突することを阻止する。

制御電極２２に充分に高い正電圧を印加すると、プラズ
マ２Ｂは陽極１８に延びる。プラズマ２６は非常に低い
電気抵抗を有しているから、それは陰極１６と陽極１８
との間に電気接続を生成する。電圧および電極間隔は特
定の装置に応じて変化するが、特定の設計値は以下説明
するように第５図の実施例について与えられている。同
様に電流遮断が可能な最大イオン電流密度は特定の装置
の形態および大きさに応じて広範囲で変化する。−船釣
にしきい値は、前記シューマツハ氏の特許明細書に論じ
られているようにチャイルドラングミュア理論により合
理的な正確さで予測される。

この発明の重要な特徴によれば、制御電極２２に負電圧
（陰極に対して）を印加するとプラズマ２６は陽極１８
からキープ電極２０の付近に引戻される。

陽極１８とキープ電極２０との間の区域にプラズマ２６
が存在しなければ、陰極１６と陽極１８との間の電気接
続は遮断される。陰極１Ｂと陽極１Ｂとがスイッチのコ
ンタクトを構成するとき、スイッチは、制御電極２２に
正電圧が印加されたとき閉じ、負電圧が印加されたとき
開くように可逆的に動作する。

−船釣原理として、プラズマ２Ｂの密度は上記のように
制御電極２２に印加された電圧に応じて延び、或いは引
込まれることかてぎるように充分に低いものでなければ
ならない。さらにキープ電極２０および制御電極２２は
、制御電極２２によってプラズマを遮断できるように陰
極ｌＢよりも陽極８にずっと接近して配置されなければ
ならない。

陰８ｉ１６は薄い耐熱性金属のような低熱容量の材料で
作られ、そのためヒータコイル２４が必要ないことが好
ましい。陰極１６として適当な材料はタングステン、タ
ンタル、レニウム等であるが、それに限定されるもので
はない。キープ電Ｆｉ２０に供給される電圧はプラズマ
放電を開始するためには比較的高い値を持たなければな
らず、続いて放電を維持するためにもっと低い値に減少
されてもよい。

陰極１Ｂの材料と関連してキープ電極２０の電圧は陰極
１６から熱電子放射を生じさせ、それら電子はキープ電
極２０の方向に加速される。これらの電子は多段階のメ
タステーブル状態イオン化プロセスによりキセノンガス
をイオン化し、８ｖ程度の低い放電電圧で動作させる。

キープ電極２０の電圧はまた陰極を加熱するためにプラ
ズマ放電中にキセノンイオンを加速するエネルギを与え
る。この加熱により陰極の材料は熱電子放射温度まで上
昇される。プラズマは陰極１６の表面に正のイオンシー
スを形成し、それは陰極１６から放射された電子を戻ら
ないように反撥する。これは陰極１６の内部における電
子のバス長を増加させ、電子とガス分子との多重衝突を
生じさせ、電子雪崩イオン化によりプラズマ２Ｂを形成
し維持させる。キープ電極２０の電圧はさらにプラズマ
２６の維持を行い、それを陰極１Ｂから陽極１８に向か
って延在させる。

第２図はこの発明の第２の実施例のプラズマスイッチ３
０を示す。このプラズマスイッチ３０はキセノンガス３
４を含む容器３２を備えている。中空陰極３Ｂはスイッ
チｌＯと同様に設けられている。しかしながら陽極３８
は中空陰極３Ｂの軸と同軸のほぼ環状形態に構成されて
いる。メツシュスクリーンの形態の環状のキープ電極４
０および環状の制御電極４２は陽極３８の内側に同軸に
配置されており、制御電極４２はキープ電極４０と陽極
３８との間に位置している。中空陰極３Ｂは軸方向に（
図で垂直方向）イオン化プラズマ放電を生じるが、陽極
３８は半径方向（水平）にプラズマ４４から電子を抽出
する。この装置はスイッチＩＯの場合のようにバッフル
を付加することなしにプラズマの拡散を改善することが
でき、しかもプラズマの電圧制御を高め、電流伝送能力
を増加させる。スイッチ３０を通る電流の流通能力の増
加は、直線状に中空陰極軸に沿った高電流密度と対照的
に放射状の増加したプラズマ領域によるものである。所
望ならば加熱コイル４６が中空陰極３６からの熱電子放
射を高めるために設けられでもよい。

この発明の目的に対して、半径方向への電子の抽出は、
電子がその最初の軸方向放電の方向から垂直に離れるよ
うに駆動されることを意味する。

実際の電子の進行方向は半径方向成分を有しているが、
完全に陰極軸に垂直になる必要はない。

さらに第１図および第２図にはコンタクト５０゜５２、
５４．５６が示されており、それらはそれぞれ陰極、陽
極、キープ電極、および制御電極から容器外部まで引出
されている。コンタクト５０．５２は上記のスイッチン
グ作用により開閉されるスイッチコンタクトを構成して
いる。

この発明の直線型の実施例は第３図に示されており、第
１図と同じ素子には同じ符号が付けられている。容器１
２は金属ベース１２ａと管状セラミック円筒１２ｂとを
備えている。入口管１２ｃが設けられてキセノンガスを
外部ガス源から容器１２内に導入する。

中空陰極１６は金属支持管１６ａを備え、それは管状陰
極挿入物１６ｂを内部に保持する。挿入物１６ｂは熱電
子放射を増加させるためにアルミニウム酸バリウムを含
浸した多孔性タングステンで作られることが好ましい。

プラズマ放電のオリフィスを定める直径の小さくされた
先端部１６ｃが支持管１６ａの上端に固定されている。

先端部１６ｃは不活性でも電子放射性材料でもよい。

この発明の同軸型の実施例は第４図に示されており、第
２図と同じ素子には同じ符号が付けられている。容器３
２は金属ベース３２ａと管状セラミック円筒３２ｂとを
備えている。入口管３２ｃが設けられてキセノンガスを
外部ガス源（図示せず）から容器３２内に導入する。

中空陰極１Ｂは金属支持管３８ａを備え、それは管状陰
極挿入物３６ｂを内部に保持する。挿入物３［ｉｂは第
１図および第３図の実施例と同様に熱電子放射を増加さ
せるためにアルミニウム酸バリウムを含浸した多孔性タ
ングステンで作られることが好ましい。プラズマ放電の
オリフィスを定める直径の小さくされた先端部３６ｃが
支持管Ｈａの上端に固定されている。さらにほぼ円板状
の支持部材５８および６０がキープ電極と制御電極のメ
ツシュスとリーン４０および４２の上端を固定するため
に設けｍｌれている。

第１図および第３図の実施例のスイッチでは１流密度は
２．５　Ａ／ａｍ２、陽極電圧は５　ｋＶ、スイッラン
グ時間は３００ナノ秒、等連中の順方向電圧降］はｌＯ
乃至２０ボルトの範囲の良好な電流遮断が得ぐれた。ス
イッチｌＯは５０％のデユーティサイクル１２０ｋｌ（
ｚの周期的スイッチング周波数（制御電極２に供給され
る電圧）で動作された。

キセノンのガス圧力１２０Ｉｌトルで、５　ｋＶの陽極
η圧において電流（２，５Ａ／ｃｍ２）が遮断された。

碑セノンのガス圧力４６０ＩＩｌトルで、５０％のデユ
ーティサイクルにおいても遮断は可能であったが、電が
密度は低かった。上述のように高いガス圧力にＪる電流
の制限は中空陰極軸上の高い電流の集中によって生じる
ものと信じられる。この理由から聾２図および第４図の
実施例のようなプラズマからの放射状の電子の抽出が高
電流密度を必要とすζ場合に好ましい。

第５図は高電流密度動作のための大型のプラズマスイッ
チの別の実施例を示す。第５図のスイッチ７０は第２図
および第４図の実施例のスイッチ３０と同様に同軸また
は放射状である。

スイッチ７０は主として中空陰極の形状においてスイッ
チ３０と異なっており、金属ベース７２ａとそれから立
上がっている管状セラミック絶縁体７２ｂとを備えてい
る。中空陰極のための支持構造はベース７２ｇから立上
がっている２つの対抗する環状の壁７４および７Ｂを備
え、それはプラズマ放電オリフィス７８を定めるために
その上端で互いに向合う方向に曲げられている。

中空陰極の２つの別の形態が第５図に示されている。図
の左側では中空陰極８０は２つの環状陰極挿入部分８２
および８４を壁７４と７６の間に保持し、それはその間
に中空空間８Ｂを定める。ヒータコイル８８も示されて
いる。挿入部分８２および８４はアルミニウム酸バリウ
ムを含浸した多孔性タングステンで作られることが好ま
しい。

第２の変形は第５図の右側に示されており、それはその
間に中空空間９６を定めるいる２つの環状陰極挿入部分
９２および９４を有する中空陰極９０を具備する。挿入
部分９２および９４はタンゲス、テンの多層箔のロール
で作られることが好ましく、ロールの層上に炭酸バリウ
ムの被覆を有する。

中空陰極８０は急速なスタートは要求されないが長い動
作寿命が優先される場合に使用される。加熱コイル８Ｂ
を設けることは任意であり、特定の設計に応じて省略さ
れてもよい。

陰極９０は陰極８０よりも低い熱容量を持ち、陰極８０
よりも急速なスタートができるが、動作寿命は短くなる
。陰極９０は外部ヒータがなくてもバックイオン衝撃に
よる自己加熱で非常に短い時間でプラズマ放電を開始し
、維持することができる。

第２図および第４図の実施例のように、プラズマ９８は
陰極８０または９０による軸方向放電により形成される
。しかしながらプラズマ９８は環状形状を持ち、陰極１
Ｂおよび３Ｂによる直線型プラズマ放電よりも大きい断
面を有する。これは実質的に第１図乃至第４図の実棒例
のものに比較して電流を増加させる。

プラズマスイッチ７０はさらに供給するキセノンガス１
０２を含む貯蔵部１００．ガスを陰極８ｏまたは９０の
内部に導く導管１０４、およびガスの供給を制御する弁
１０６を備えている。プラズマスイッチ７゜はさらにメ
ツシュスクリーンまたはグリッドの形態の環状キープ電
極１０８、このキープ電極１０８と同様の構造の制御電
極１１０、キープ電極１０Ｂおよび制御電極１１０と同
軸的にその外側に配置された環状陽極１１２を備えてい
る。電極１０８．１１０はそれぞれほぼ円板状の支持板
１１４，１１８によって上端で支持されている。同様の
支持板１１８は陽極１１２の上端に固定され、容器の一
部を構成している。陰極コンタクト１２０　、陽極コン
タクト１２２、キープ電極コンタクト１２４、および制
御電極コンタクト１２Ｂは外部手段に各素子を接続する
ために設けられている。さらに冷スタート電極１２８が
支持壁７４に最初のスタート電圧を供給するために設け
られてもよい。

実際の形態では、陽極１１２は例えば直径約６インチで
ある。陽極１１２と制御電極１１０との間の間隔は約０
．５ａ＋＋ａであり、一方キープ電極１０ｇと制御電極
１１０との間の間隔は約２ｍｍ程度でよい。陽極１１２
とキープ電極１０８と制御電極１１０の間隔および方向
を正確に維持し、それらの熱膨張を補償する手段が設け
られる。

この発明のプラズマスイッチの概念は低い電圧降下で高
電流密度の電流を伝導するプラズマ陰極の能力をクロサ
トロンスイッチの電極構造を利用して得られる電流遮断
能力との組合わせにある。

円筒陰極は低い順方向電圧降下を得るために電子放射温
度を上昇させなければならない。この形式０式％ にガスのメタステーブル状態に対する最低励起電位より
充分下の電圧に維持されることができる。

この性質はホロトロンの応用における中空陰極プラズマ
の本質的な特徴であり、マクスウェルの熱電子分布の他
界エネルギのテールによるメタステーブル状態励起の結
果であると信じられる。制御電極が陰極に対して正であ
れば常に陰極プラズマは陽極プラズマ領域に延び、電流
は陽極に導かれる。典型的に陰極陽極電流がゼロから増
加するとき順方向電圧降下は最小電圧に到達するまでま
ず減少し、それから電流の増加にしたがって増加する。

所定の順方向電圧降下に対する装置の電流伝送能力はガ
ス圧力、中空陰極の大きさ、熱電子放射面の放射能力（
温度）、およびキープ電極の幾何学的形状に依存する。

前記ウィリアムソンの特許に開示されたようなイオンス
ラスタ中空陰極は低い順方向電圧降下で陰極オリフィス
を通って１０００Ａ／ｃ＋＋＋２以上の電流密度で電流
を伝送できる。イオンスラスタ中空陰極では、ガスは連
続的に中空陰極領域を流れ、電流遮断或いは電圧スタン
ドオフは考えられない。この発明の装置の利用において
はプラズマ密度は制御電極が陽極プラズマを消滅させて
陰極・陽極電流を遮断できるように充分に低く維持され
なければならない。クロサトロンによる実験に基づいて
、ＩＯＡ／ｃｍ２までの電流密度でグリッド制御電極を
使用して電流の導通を遮断することが可能である。また
電圧スタンドオフを制御電極と実際的な大きさの陽極と
の間に維持するためには、ガス圧力はパッシェンの絶縁
破壊を避けるためには約ｌトルに制限されなければなら
ない。

中空陰極はタングステンその他任意の電子放射能力を有
する耐熱または高温金属で構成することができる。゛ガ
スは貴ガス、好ましくはキセノンが使用できるが、所望
のパラメータ内でイオン化可能な任意の他のガスも使用
可能である。制御電極に供給される電圧は＋ＩＯＶ程度
が必要であるに過ぎない。制御電極電圧はスイッチ開放
のために陰極と同じ値または一１０Ｖ程度の負電圧値に
減少されることができる。典型的にキープ電極に供給さ
れる電圧はプラズマ放電を開始させるために約５０乃至
ｔｏｏｖであり、それから放電を維持するためにｌＯ乃
至１５Ｖに減少される。陰極の付近におけるキセノンガ
スの圧力は典型的には５０乃至５００ミリトルであり、
好ましくは約２００　ミリトルである。この発明のプラ
ズマスイッチは２０Ｖより低い電圧降下で、２０ｋＨｚ
のスイッチング周波数で、平均電流１００Ａで、少なく
とも１０ｋＶの陽極電圧を遮断することができる。スイ
ッチング時間は３００乃至５００ナノ秒程度である。

第８図はこの発明の実施例の変換装置１３０を示し、そ
れは前述の実施例の任意の２個のプラズマスイッチ１３
２および１３４を備えている。変換装置１３０はさらに
燃料電池その他の直流電源１３Ｂを含み、それは典型的
にはＤＣ電圧５　ｋＶで２２ＯＡの電流を生成する。電
池１３Ｂの一方の端子は変圧器１３８の１次巻線１３８
ａの中央タップに接続されている。

１次巻線１３８ａの両端はそれぞれプラズマスイッチ１
３２および１３４を通り電池１３Ｂの他方の端子に接続
されている。変圧器１３８は４個の２次巻線１３８ｂを
有するものとして示されている。全波ブリッジ整流器１
４０が２次巻線１３８ｂの両端に接続されている。ブリ
ッジ整流器１４０の出力は２次巻線ｔａｓｂの両端の個
々の出力電圧の和が全体の出力電圧となるように互いに
重畳される。一方のスイッチが閉じて他方のスイッチが
開き、またはその逆になるように典型的に２０ｋＨｚの
周期的方形波が逆位相でスイッチ１３２および１３４の
制御電極に供給される。

これは１次巻線１３８ａに周期的な方形波電流を流通さ
せ、ＡＣ方形波電圧を２次巻線１３８ｂに誘起させる。

実際の応用では、変圧器１３ｇの巻線比は１次巻線１３
８ａの両端の１０ｋＶの電圧降下（燃料電池１３Ｂから
）が各２次巻線１３８ｂに２５ｋＶを誘起させるように
選択されることができる。２次巻線１３８ｂ中のＡＣ電
圧は各余波ブリッジ整流器１４０によって２５ｋＶのＤ
Ｃ電圧に変換され、したがってＩＯＡで１００ｋＶのＤ
Ｃ出力電圧を生成する。

以上この発明の幾つかの実施例が図示され、説明された
が当業者にはこの発明の技術的範囲を逸脱することなく
多くの変形および別の実施例が容品に考えられるであろ
う。したがってこの発明は示された実施例に限定される
ものではない。したがって各種の変形変更は特許請求の
範囲に記載されたこの発明の技術的範囲に含まれるべき
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明のプラズマスイッチの直線型の実施
例の概略図である。 第２図は、第１図のものに類似しているが、同軸または
放射状のプラズマスイッチを示す。 第３図は、この発明の直線型プラズマスイッチの垂直断
面図である。 第４図は、この発明のプラズマスイッチの同軸型の実施
例の垂直断面図である。 第５図は、この発明の高電力型プラズマスイッチの実施
例の垂直断面図、である。 第６図は、この発明のプラズマスイッチを含む変換装置
の概略図である。 ｌＯ・・・プラズマスイッチ、１２・・・容器、１４・
・・キセノンガス、１６・・・陰極、１８・・・陽極、
２０・・・キープ電極、２２・・・制御電極、２６・・
・プラズマ。

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. （１）イオン化可能なガスを含む容器と、 容器中に配置され、軸方向にガスのイオン化されたプラ
   ズマ放電を生成する中空陰極手段と、容器中に配置され
   、プラズマから電子を抽出するように配置されている陽
   極手段と、中空陰極手段と陽極手段との間に配置され、
   供給される第１の電圧に応じて中空陰極手段との間でガ
   スのプラズマ放電を維持させるキープ電極手段と、 キープ電極手段と陽極手段との間に配置され、供給され
   る第２の電圧に応じて中空陰極手段から陽極手段に可逆
   的にプラズマを延在させて中空陰極手段と陽極手段とを
   電気的に接続する制御電極手段とを具備していることを
   特徴とするプラズマスイッチ。
2. （２）イオン化可能なガスがキセノンである請求項１記
   載のプラズマスイッチ。
3. （３）中空陰極手段がアルミニウムカーボネイトを含浸
   させたタングステンから構成された多孔性材料から構成
   されている請求項１記載のプラズマスイッチ。
4. （４）中空陰極手段を熱電子放射を行うように加熱する
   ヒータ手段と、中空陰極手段とキープ電極手段との間で
   プラズマガス放電を開始させるに充分な大きさの電圧を
   キープ電極手段に一時的に供給するスタータ手段とを具
   備している請求項１記載のプラズマスイッチ。
5. （５）中空陰極手段は前記プラズマ放電を開始させ維持
   するのに充分な熱電子放射温度にバックイオン衝撃によ
   り自己加熱することのできる材料により構成されている
   請求項１記載のプラズマスイッチ。
6. （６）前記材料はタングステン、タンタル、およびレニ
   ウムよりなる群から選択され、炭酸バリウムで被覆され
   た少なくとも部分的な同心層の巻かれた箔の形態を有し
   ている請求項５記載のプラズマスイッチ。
7. （７）前記中空陰極手段、陽極手段、キープ電極手段、
   および制御電極手段は、スイッチング信号が制御電極手
   段から除去されたときのみ実質的にプラズマが中空陰極
   手段からキープ電極手段に延在するように構成され、そ
   れによって陽極手段を中空陰極手段から遮断する請求項
   １記載のプラズマスイッチ。
8. （８）各プラズマスイッチのキープ電極手段、制御電極
   手段、および陽極手段はほぼ環状であり、中空陰極手段
   の軸と同軸に配置されている請求項１記載のプラズマス
   イッチ。
9. （９）各プラズマスイッチの中空陰極手段は中空陰極手
   段の軸と同軸に配置されている２つのほぼ環状の部分を
   備え、それらの間に環状の空間を定めるために半径方向
   に互いに間隔を有している請求項１記載のプラズマスイ
   ッチ。
10. （１０）直流電源手段と、 この電源手段に回路的に接続された１次巻線手段と、２
    次巻線手段とを有する変圧器手段と、前記２次巻線手段
    に回路的に接続された整流手段と、 供給された電気スイッチング信号に応じて前記１次巻線
    手段に電源手段を可逆的に接続するように回路的に接続
    された少なくとも１個のプラズマスイッチとを具備し、 このプラズマスイッチは、 イオン化可能なガスを含む容器と、 この容器中に配置され、軸方向にガスのイオン化された
    プラズマ放電を生成する中空陰極手段と、 前記容器中に配置され、プラズマから電子を抽出するよ
    うに配置されている陽極手段と、中空陰極手段と陽極手
    段との間に配置され、供給される第１の電圧に応じて中
    空陰極手段との間でガスのプラズマ放電を維持させるキ
    ープ電極手段と、 キープ電極手段と陽極手段との間に配置され、スイッチ
    ング信号に応じて中空陰極手段から陽極手段に可逆的に
    プラズマを延在させて中空陰極手段と陽極手段とを電気
    的に接続する制御電極手段とを具備していることを特徴
    とする変換装置。
11. （１１）前記中空陰極手段、陽極手段、キープ電極手段
    、および制御電極手段は、スイッチング信号が制御電極
    手段から除去されたときのみ実質的にプラズマが中空陰
    極手段からキープ電極手段に延在するように構成され、
    それによって陽極手段を中空陰極手段から遮断する請求
    項１０記載の変換装置。
12. （１２）スイッチング信号が周期的に供給され、その結
    果として第１および第２のスイッチコンタクトがスイッ
    チング信号の周波数で交互に接続および遮断される請求
    項１１記載の変換装置。
13. （１３）電源手段が第１および第２の端子を備え、前記
    １次巻線手段が第１および第２の端部および中央タップ
    を備え、電源手段の第１の端子が１次巻線手段の中央タ
    ップに接続され、 前記少なくとも１個のプラズマスイッチは、前記電源手
    段の第２の端子と前記１次巻線手段の第１の端部との間
    に接続された第１のプラズマスイッチと、前記電源手段
    の第２の端子と前記１次巻線手段の第２の端部との間に
    接続された第２のプラズマスイッチとを具備し、 前記スイッチング信号は第１および第２のプラズマスイ
    ッチに交互に供給される請求項１０記載の変換装置。
14. （１４）各プラズマスイッチのキープ電極手段、制御電
    極手段、および陽極手段はほぼ環状であり、中空陰極手
    段の軸と同軸に配置されている請求項１０記載の変換装
    置。
15. （１５）各プラズマスイッチの中空陰極手段は中空陰極
    手段の軸と同軸に配置されている２つのほぼ環状の部分
    を備え、それらの間に環状の空間を定めるために半径方
    向に互いに間隔を有している請求項１０記載の変換装置
    。