JPH0512727B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は所定圧力のガスが封入された１対の
電極間の電極間空間で内部電極電界及び磁界が交
叉しているグローモード放電を用いた交叉電磁界
形導電制御装置に関する。ガス及び磁界状態は、
低圧力グロー・モード・プラズマ放電を制御する
ことによつて１対の電極間の導電制御がなされる
ように保たれている。

［従来の技術］ 従来の交叉電極磁界管及びペニングの放電管
は、高精度のシンメトリー（一様）性を有するよ
うに構成されている。大電力のオフ・スイツチン
グで用いられる交叉電磁界スイツチ装置において
は、プラズマの一様な分布が要求される。従つ
て、電界及び磁界のベクトル積Ｅ×Ｂの方向に旋
回するイオン化電子を導びく内部電極領域の全体
に亘つて磁界が生ずるように設計されている。磁
界が臨界値以下にまで減少されるときには、強力
な電子は一様にアノードで消失され、プラズマの
発生は電極間空間の全てに亘つて停止する。この
ことは、シヤープなオン・オフを有する双安定作
動特性は磁界に依存することを示す。

発明者R.J.ハーベイ（Harvey）の米国特許No.
4071801には磁界の制御によつて単一の内部電極
空間或はギヤツプ内を流れる電流のオン・オフを
行なう交叉電磁界スイツチ装置が開示されてい
る。発明者H.E.ギヤラハー（Gallagher）及びウ
オルフガングノイアー（Wolfgang Knauer）の
米国特許No.3906270及びNo.3963960は、いずれもオ
ンおよびオフの双安定状態を持つスイツチの構造
をその対象としている。発明者ギヤラハー及びノ
イアーの米国特許No.3906270は、いずれの極性に
あつても即ち磁界の方向に関係なく実質的に一様
な導電性を電極間空間に与えるように磁界を形成
した単一電極間空間の交叉電磁界スイツチ装置が
開示されている。

上記２つの米国特許は、ペニング（Penning）
の米国特許No.2182736及びバウチヤー（Boucher）
の米国特許No.3215893及びNo.3215939に示されてい
るような従来の交叉電磁界装置と実質上同一視さ
れるものである。他方、ギヤラハー及びノイアー
の米国特許No.3963960は、３電極によつて２個の
内部電極空間を形成したスイツチ装置を示し、こ
れは、G.A.Gホフマン等（Hofman etal）の米国
特許No.3641384に述べられた２つの内部電極空間
を有する３電極構造を有する従来技術と略同一視
されるものである。

更に、ロビンJ.ハーベイ（Robin J.Harvey）
の米国特許No.4123683は更に他の構成の交叉電磁
界スイツチ装置を開示している。この装置におい
ては、２つの円筒状電極を同心状に配置し、その
円筒軸方向に延びる２つの円筒状電極の間に電極
間空間を与えている。以上述べた各米国特許は、
全てオン・オフの２つの安定状態を有するスイツ
チ装置であつて、それらのいくつかは、オフ時に
シヤープなカツトオフ状態が得られることから特
に有用であると思われる。

［発明が解決しようとする課題］ この発明の目的は、電極間空間内のプラズマ密
度が磁界の制御によつて調整され、内部電極電流
を制御するグローモード放電を用いた交叉電磁界
形導電制御装置を提供するにある。

［課題を解決するための手段］ この発明によれば、電極間空間をへだてて配置
した第１および第２の電極と、 前記第１、第２電極の間の電極間空間内に電界
を与えてこの第１、第２の電極間にグロー放電に
よるイオンを発生させるように、前記第１、第２
の電極間に電位差を与える手段と、 前記電極間空間内に所定ガスを維持し、このガ
スと前記グロー放電によるイオンとの間で連鎖的
にイオン化によるイオンを発生させるために充分
な所定圧力で前記所定ガスを維持するための囲繞
手段と、 前記電極間空間内の前記電界と所定角度で交叉
する磁界を発生させてこの電極間空間内に交叉磁
界領域を形成し、この交叉電磁界領域に生じた付
勢されたイオンによる連鎖的イオン化によりプラ
ズマを発生させ、第１、第２の電極間のプラズマ
密度、即ち前記連鎖的イオン化より生じた電極間
の電流を制御して、グローモードのプラズマ放電
による導電制御を行なうための磁界発生手段と、 を具備したグローモード放電を用いた交叉電磁
界形導電制御装置が提供される。

［作用］ 本発明装置においては、両端に開口端を有する
磁性トラツプを有する交叉電磁界を形成するため
に、この両開口端で終端するトラツプ磁界を発生
させ、この磁性トラツプに対応する電極間空間内
のプラズマ密度を連続制御する。

そのプラズマ密度の連続制御により、電極間の
電流の連続制御を行なう。その作用は例えば、後
述の実施例では以下に記載するとおりである。

内部電極１２の外面及び外部電極１４の内面は
電極間空間１６に対向し、これらの面は電極間空
間１６内のプラズマに作用する電気的な作用面と
して働く。外部電極１４は電極間空間の外囲器と
して働き、この電極間空間に所定圧力の所定ガス
を供給する。

電磁石の作用脚３０は励磁された際に電極間空
間内に臨界値以上の磁界を生じさせる。電磁石の
コイルは電界に対して所定角度で交叉する（この
実施例では直交）磁界を生ずる。

ガス圧力及びガス組成が許容値内にあり、適切
な電界及び磁界が存在すれば、ガスと電子の衝突
により連鎖的なイオン化によるイオンを生じ、電
極間空間１６内に導電性のプラズマを生ずる。こ
のようなプラズマは、内部及び外部電極間で電極
上の電界極性に依存する方向に電子電流導通を与
える。

すなわち、電界と磁界のベクトル積によつて与
えられる方向に導びかれる強力に付勢された電子
は、磁界端の終端領域４８側のアノードで消失す
るが、領域４８で電子が消失する前にこれらの電
子によつて発生された十分高いレベルのイオンが
存在するので、持続するプラズマを発生し、その
プラズマは磁界の電子トラツプの始端領域４６の
上流端まで延在するようになりイオン、励起され
た中性子又はフオトンの衝突のような２次電子発
生過程によつて、領域４６で新たに強力な電子を
再発生する。

電子経路長は幾何学的に領域４６，４８間の作
用脚３０の長さＬ及び磁界の強さＢに関係してい
ることから、これらの値が増加すればイオン化効
率が増加する。同様に、中性ガス密度ｎを増加す
れば、イオン化に対する平均自由行程が減少し、
イオン化効率が増加する。

磁界トラツプの両端の開放端におけるイオント
ラツプ特性は、端部の磁界の強さに関連してい
る。電子がトラツプ磁界Ｂの端部領域４８から外
れると、トラツプから外れるために電子はアノー
ド電極１２で消失する。但し、磁界を与えるコイ
ルが環状に連続したものであれば、電子は途中で
消失することなく、連続した磁界中を進み続け
る。

コイルが終端するとトラツプはその場所で開放
される。電極間空間１６中の磁界は磁界コイルの
作用脚３０下のみ強い。このことは一般に磁界が
作用する作用脚３０下の領域に沿つてのみ電子ド
リフトする経路を与えることとなる。作用脚３０
の長さは、少なくともイオンの平均自由行程長以
上を、トラツプの始端領域４６から終端領域４８
までの理論的な電子経路長に対して与えるだけの
寸法になつている。

十分な量の電流が作用脚３０のコイルに供給さ
れた時には、外部電極１４からのカソード・エミ
ツシヨンによつて領域４６で生じた電子は、カー
ブした磁界ラインにより一時的にトラツプされ、
電子がアノード電位の内部電極１２で消失される
電極間空間内の近接領域４８に後述するような複
雑な態様で、ドリフトする。

［実施例］ 以下図面を参照しながら、この発明の一実施例
について説明する。

この実施例のグローモード放電を用いた交叉電
磁界形導電制御装置は第１図及び第２図の符号１
０で示されている。この装置は、アノード電極即
ち、内部電極１２及びカソード電極即ち、外部電
極１４から成り、これらの電極は、電極間空間１
６の境界を定めている。内部電極１２の外面及び
外部電極１４の内面は電極間空間１６に対向し、
これらの面は電極間空間１６内のプラズマに作用
する電気的な作用面として働く。外部電極１４は
電極間空間１６の外囲器として働き、従つてこの
電極間空間１６に所定圧力の所定ガスを囲繞する
ことができる。更に内部電極１２は外部電極１４
及び内部電極１２が電気的に分離されるように例
えば、米国特許No.4123683（発明者ロビン・Ｊ・ハ
ーベイ）に示されるように絶縁塔１８，２０及び
２２内の絶縁材によつて外部電極１４内に支持さ
れている。第３図に示されるように電気接点がラ
イン２４及び２６に接続する為に両電極１２，１
４に設けられている。このライン２４及び２６に
より電極間空間１６に電界を印加することができ
る。

電極間空間１６内で両端に開放端を有するトラ
ツプ磁界は、電磁石２８によつて与えられる。こ
の電磁石２８は、外部電極１４外に隣接し、電極
１２，１４の軸方向に沿つて配置された作用脚３
０を有し、コイル形状に形成されている。この電
磁石２８は側部脚３４及び３６のみならず不作用
脚３２をも有している。この側部脚３４，３６及
び不作用脚３２は、電極間空間１６内に実質的な
磁気的影響を与えないように配置されている。然
しながら、作用脚３０は励磁された際にこの作用
脚３０が電極間空間１６内に臨界値以上のトラツ
プ磁界を生じさせるように配置されている。電磁
石２８の作用脚３０のコイルは、第１図及び第２
図の矢印３８によつて示されるトラツプ磁界が、
電極間空間１６内の電界に対して所定角度で交叉
するように、この実施例では直交して生ずるよう
に巻回されている。第１図及び第３図に示される
ように、充電キヤパシタ４２及びスイツチ４４に
よつて表わされる電流源で形成された電力供給源
４０は、よじられた供給ラインを介して電流を電
磁コイル２８に供給して、外部からの電界、磁界
の影響を中性化している。このようにして、上述
した臨界値のトラツプ磁界が電極間空間１６内の
電界に対して直角に発生され交叉電磁界が形成さ
れる。

電極間空間１６内の交叉電磁界においてガス圧
力及びガス組成が許容値内にあり、適切な電界及
び磁界が存在すれば、ガスと電子の衝突により連
鎖的なイオン化を生じ、電極間空間１６内に導電
性のプラズマを生ずる。このようなプラズマは、
内部及び外部電極１２，１４間で電極上の電界極
性に依存する方向に電流の導通を与えることとな
る。第１、第２図に示した実施例装置では領域４
８で電子が消失する前に、領域４６からドリフト
して来た電子によつて発生された十分高いレベル
のイオンが電極間空間１６内に存在するので、持
続するプラズマを発生し、そのプラズマはトラツ
プ磁界の領域４６における始端まで延在するよう
になりイオン、励起された中性子及びフオトンの
衝突のような２次電子発生過程により領域４６で
新たに強力な電子を再発生する。再発生の効率
は、各電子が磁界によつて旋回され、カソード降
下せずに反射され、領域４６から領域４８までの
チヤンネルをドリフトし、アノード電極１２で消
失されるような状態での全電子経路長に依存して
いる。もしこの経路長がイオンの平均自由行程に
比べて長ければ、第２図の符号５０で示されるよ
うな追加的なプラズマを発生する。電子経路長は
幾何学的に領域４６，４８間のコイルの作用脚３
０の長さＬ及び磁界の強さＢに関係していること
から、これらの値が増加すればイオン化効率が増
加する。同様に、中性ガス密度ｎを増加すれば、
イオンの平均自由行程が減少し、電子再発生の効
率が向上する。

磁界トラツプの両開放端におけるトラツプ特性
は、電子に作用する両トラツプ端部の磁界の強さ
に関連している。電子がトラツプ磁界Ｂの端部領
域４８から外れると、電子はアノード電極１２で
消失する。トラツプという語は、電子が電極間空
間１６をドリフトしているときに作用脚３０によ
る磁界が作用する交叉電磁界内に電子が閉じ込め
られるという意味である。この作用脚３０上のコ
イルによる磁界が終端するときには、トラツプは
その場所で開放される。従つてこの実施例ではト
ラツプ磁界は作用脚３０に対応し、両端が開放さ
れるものとする。

第２図は、電極間空間１６中の磁界が磁界コイ
ルの作用脚３０下でのみ強いことを示している。
このことは一般に磁界が作用する作用脚３０下の
領域に沿つてイオンがドリフトする経路を与える
こととなる。作用脚３０の長さは、略イオンの平
均自由行程或いは、これよりも大きな、領域４６
から領域４８までの理論的な電子経路長を与える
ようになつている。十分な数のイオンとガスの衝
突があれば、連鎖的なイオン化が引き起こされ
る。イオン化はトラツプの長さ、磁界の強さ及び
電極間空間１６中のガス圧の指数関数として増加
する。

第１及び第２図中の制御装置１０における電極
間空間１６には、パツシエンのブレーク・ダウン
限界以下の圧力のガスが充填されている。電極間
空間１６内に作用脚３０から与えられるトラツプ
磁界が零である場合には電極１２，１４間に高電
圧が印加されていても、グロー放電が生じるのみ
で殆んど無視できる電流が流れるのみである。作
用脚３０は、外部電極１４の外壁に平行であり、
十分な高電流がその作用脚３０のコイルに供給さ
れた時には、外部電極１４からのカソード・エミ
ツシヨンによつて領域４６で生じた電子は、電極
間空間１６内のカーブした磁力線例えば、磁力線
３８によつて一時的にトラツプされ、電子がアノ
ード電位の内部電極１２で消失されるまで、電極
間空間１６内の領域４８に向つて複雑な態様でド
リフトする。複数の磁界が相互干渉せず、プラズ
マ領域が結合しないならば、いくつかのそのよう
なトラツプ磁界を同一のハウジング内で、同様の
電極間空間を有する複数の異なる領域において設
けることができる。

第３図は電源として予め充電されたキヤパシタ
４２を有し、更に電極１２，１４に直列の抵抗５
４を備え、電極１２，１４を流れる主電極電流を
この抵抗５４で平滑並びに制限するテスト回路を
示している。第４図は時間の関数として電極間空
間１６内を流れる電流Ｉを示す曲線５０が示され
ている。この曲線５０は、時間の関数として電極
間空間１６内の作用脚３０の前面のトラツプ磁界
内の磁界の強さＢを示す曲線５２と対応づけられ
る。ｔ＝０でスイツチ４４を閉じた瞬間からの時
間の経過とともに曲線５０に示すように、電極１
２，１４間を流れる電流は、抵抗５４、キヤパシ
タを介して安定化された電圧源５６から印加され
るが、電圧が略一定であるにも拘らず、曲線５２
で示す磁界の強さＢの変化とともに変化する。曲
線５０における電流のｔ＝０からの初期増加は電
極間空間１６のプラズマの形成並びに統計的な遅
れ時間に基いて磁界の強さの増加に対して通常遅
れる。曲線５０におけるｔ＝１の最初のピーク点
Pm′以降の電流波形は後述するように安定且つ再
現可能である。

第３図、第４図において、ｔ＝０の時点でスイ
ツチ４４が閉じられると、充電されたキヤパシタ
４２からの電流が電磁石２８に流れ、磁界３８が
作用脚３０から発生される。電極間空間１６にお
ける磁界の強さＢは第４図の曲線５２で示され、
時点ｔ＝１における最初のピーク値Pmまで増加
し、次いでｔ＝２でゼロになる。ｔ＝２の時点で
キヤパシタ４２は逆方向に充電され、電磁石２８
のコイルにも反対方向にｔ＝２からｔ＝４まで電
流が流れ、磁界の強さはｔ＝０からｔ＝２までと
同様に増加し、減少する。尚、第４図でスイツチ
４４が閉じられる時点ｔ＝０より以前では磁界３
８はゼロであり、従つて、電流Ｉもゼロである。

ｔ＝１で電極１２，１４間を流れる電流Ｉ（曲
線５０）が第１のピーク値Pm′となり、磁界の減
少とともに減少するが、ｔ＝３では磁界が反転し
て最大となるので、第２のピーク値Pm″を示す。

電極１２，１４間の電流Ｉは最初のピーク値
Pm′以降では、後述する近似式(1)で示すように、
変数を含まない定数のみで表わされるため、安定
且つ再現可能であり、換言すれば、安定な導電制
御が行い得ることを示している。

第５図は、磁界Ｂ印加以前（第４図のｔ＝０よ
り前）に印加された第３図のキヤパシタ５６の両
端電圧の初期値を種々に変化させた場合におけ
る、時間に関するカソード電圧に対するアノード
電圧の変化を示している。電極１２，１４間に印
加された電圧は、電流の関数として抵抗５４を介
して流れる電流に基いて低下する。前記従来の技
術の項に示した従来の交叉電磁界スイツチ装置に
おいては、この電圧は電極およびプラズマによる
電圧降下により固定値まで低下する。一方、この
実施例の場合には、電極１２，１４間の電圧は、
磁界強度Ｂと内部電極電流Ｉ及び始動電圧V₀の
関数として定まる平衡値V_nに達する。磁界Ｂの
所定の値に対して、内部電極電流Ｉは、始動電圧
V₁の特定値で最大値を示す。この平衡値V_nは、
略磁界Ｂとともに増加する。内部電極電流Ｉにつ
いてのトラツプ長Ｌ、中性ガス密度ｎ及び磁界Ｂ
に対する依存性をイオン化係数Ａを用いて概略的
に表現すれば、略下記のように表わされる。

ＩＡ exp（Ｌ／L₀・Ｂ／B₀・ｎ／n₀・ａ）……(1) ここでサブスクリプトの０は、この値から変化
が始まる一般的な関係の特定例を表わし、指数関
数は、次の類数で累乗されるネイピア定数の関数
である。典型的なトラツプ磁界では、A₀は略200
アンペアであり、L₀は略20cm、B₀は略200ガウ
ス、ガス密度n₀は略1.7×10¹⁵cm^-3及び幾何学的定
数ａは通常１から２の間である。

もし、第１、第２図の実施例において、電極１
２，１４間に高電圧が与えられた状態で作用脚３
０の領域４６側に隣接して他のイオン発生源（例
えば、ｔ＝０より僅か前の短かい期間にパルス電
磁が与えられる作用部３０と同様構成の他の磁界
コイル）から発生された追加的なイオンが領域４
６に存在すれば、イオン化が更に促進され、イオ
ン化係数Ａは次式で表わされるものとなる。

Ａ→A₀＋A₁ exp（−Ｘ／L₀−ｔ／t₀）……(2) ここで、Ｘ及びｔは、領域４６から上記他のイ
オン発生源までの空間の距離及び時間であり、上
記追加的なイオンが発生するまでの時間は、 t₀120μsecである。

これらの実験結果は、前述したようにプラズマ
放電を再現可能な態様で制御することができるこ
とを示す。

その結果、電極間空間を通じて流れる電流を制
限することができるので、大電力での電流制御を
容易に実現することができる。

［発明の効果］ 本発明装置は前述のように構成されているの
で、以下に記載するような効果を奏する。

(1) 両端に開口端を有する磁気トラツプを有する
交叉電磁界を形成することによりこの両開口端
で終端するトラツプ磁界を発生させ、このトラ
ツプ磁界に対する電極間空間内のプラズマ密度
を連続制限することができる。

(2) 前記プラズマ密度の連続制御により、電極間
空間を介して流れる電流を連続制御することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明のグローモード放電を用い
た交叉電磁界形導電制御装置を示す斜視図、第２
図は、第１図の一部を破断して示す断面図、第３
図は、この発明に用いられるスイツチング制御装
置を示す回路図、第４図は、この発明の制御装置
における磁界の強さに対する電流の変化を示すグ
ラフ、第５図は、種々の内部電極始動電圧につい
ての時間に対する内部電極電圧の変化を示すグラ
フである。 １０……交叉電磁界形導電制御装置、１２……
内部アノード電極、１４……外部カソード電極、
１６……電極間空間、１８，２０，２２……絶縁
塔、２４，２６……ライン、３０……作用脚、３
２……不作用脚、３４，３６……側部脚、４２…
…充電キヤパシタ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電極間空間をへだてて配置した第１及び第２
   の電極と、 前記第１、第２電極の間の電極間空間内に電界
   を与えてこの第１、第２の電極間にグロー放電に
   よるイオンを発生させるように、前記第１、第２
   の電極間に電位差を与える手段と、 前記電極間空間内に所定ガスを所定圧力で維持
   し、このガスと前記グロー放電によるイオンとの
   間で連鎖的にイオン化によるイオンを発生させる
   ために充分な所定圧力で前記所定ガスを維持する
   ための囲繞手段と、 前記電極間空間内で前記電界と所定角度で交叉
   し、且つ両端に開放磁界端を有する磁界を発生さ
   せてこの電極間空間内に前記開放磁界端で局限さ
   れた交叉電磁界領域を形成する手段であつて、こ
   の電極間空間内の前記両端の開放磁界端に対応す
   る第１の領域から第２の領域までの間に局限され
   た不連続の電流路を形成する手段を有し、前記電
   界および磁界が与えられると、この交叉電磁界領
   域に生じた付勢されたイオンによる連鎖的イオン
   化によりプラズマを発生させ、第１、第２の電極
   間のプラズマ密度が前記第１の領域の近傍におい
   てイオンの再発生を生じさせ第２の領域の近傍で
   第２の電極に集められる電子によつて制御される
   ように、このプラズマ密度、即ち前記連鎖的イオ
   ン化により生じた電極間の前記第１の領域から第
   ２の領域までの帰還路を持たない一方向の前記電
   流路に於ける電流を制御して、グローモードのプ
   ラズマ放電による導電制御を行なうための磁界発
   生手段と、 を具備したグローモードプラズマ放電を用いた交
   叉電磁界形導電制御装置。 ２ 電極間空間をへだてて配置した第１及び第２
   の電極と、 前記第１、第２電極の間の電極間空間内に電界
   を与えてこの第１、第２の電極間にグロー放電に
   よるイオンを発生させるように、前記第１、第２
   の電極間に電位差を与える手段と、 前記電極間空間内に所定ガスを所定圧力で維持
   し、このガスと前記グロー放電によるイオンとの
   間で連鎖的にイオン化によるイオンを発生させる
   ために充分な所定圧力で前記所定ガスを維持する
   ための囲繞手段と、 前記電極間空間内で前記電界と所定角度で交叉
   し、且つ両端に開放磁界端を有する磁界を発生さ
   せてこの電極間空間内に前記開放磁界端で局限さ
   れた交叉電磁界領域を形成する手段であつて、こ
   の電極間空間内の前記両端の開放磁界端に対応す
   る第１の領域から第２の領域までの間に局限され
   た不連続の電流路を形成する手段を有し、前記電
   界および磁界が与えられると、この交叉電磁界領
   域に生じた付勢されたイオンによる連鎖的イオン
   化によりプラズマを発生させ、第１、第２の電極
   間のプラズマ密度が前記第１の領域の近傍におい
   てイオンの再発生を生じさせ第２の領域の近傍で
   第２の電極に集められる電子によつて制御される
   ように、このプラズマ密度、即ち前記連鎖的イオ
   ン化により生じた電極間の前記第１の領域から第
   ２の領域までの帰還路を持たない一方向の前記電
   流路に於ける電流を制御して、グローモードのプ
   ラズマ放電による導電制御を行なうための磁界発
   生手段と、 を具備し、 前記交叉電磁界領域の第１の領域から第２の領
   域までの間に局限された不連続の電流路を形成す
   る手段は、 第１、第２の電極の一方に近接して設けられ、
   各電極の長軸の一部と平行な長軸を有し、前記局
   限された不連続の電流路を定める作用部と； この作用部の両端に設けられた各電極からその
   軸と直交する方向に離間して延びる側部と； 各電極から離れた方の側部の終端同士を互いに
   接続する非作用部を有し、前記作用部のみによつ
   て電極間空間内に一定値以上の磁界を発生させる
   ことを特徴とする、グローモードプラズマ放電を
   用いた交叉電磁界形導電制御装置。