KR101633748B1 - 펄스발생장치 - Google Patents

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Abstract

고전압의 펄스전압을 발생하는 본 발명의 펄스발생장치(100)는 전원 단(Vin)과 부하 단(Rload) 사이에 접속된 N(단, N은 짝수) 개의 커패시터(Ci)와 N개의 방전 스위치(GSi)를 포함하며, N개의 방전 스위치는 스파크 갭 스위치이고, N개의 커패시터는, 각 커패시터에 전압이 충전되는 충전 사이클에서 전원 단에 인가되는 전압이 각각의 커패시터에 병렬로 충전되도록 접속된 N/2개의 커패시터로 이루어지는 제 1 커패시터 열(100_1)과, 제 1 커패시터 열과 병렬로 접속되며, 전원 단에 인가되는 전압이 각각의 커패시터에 병렬로 충전되도록 접속된 나머지 N/2개의 커패시터로 이루어지는 제 2 커패시터 열(100_2)을 구성하도록 접속되고, N개의 방전 스위치는 각 커패시터에 충전된 전압을 부하 단으로 방전하는 방전 사이클에서 N개의 커패시터에 충전된 전압을 부하 단에 직렬로 방전하도록 각각 접속된다.

Description

펄스발생장치{PULSE GENERATOR}
본 발명은 펄스발생장치에 관한 것으로, 특히, 막스 발생기(Marx Generator) 방식을 이용한 펄스발생장치에 관한 것이다.
펄스발생장치는 수백 ㎸ 이상의 전압을 갖는 펄스를 극히 짧은 시간 내에 방출함으로써 초고온, 초강자계, 초고전계와 같은 극한 상태를 용이하게 실현하며, 레이저, 마이크로웨이브, X-ray, 전자 가속, 핵융합의 발생, 전자빔의 발생, 폭파 등과 같은 다양한 분야에 이용하고 있다.
막스 발생기 방식의 펄스발생장치에 관한 기술로 특허문헌 1에 개시된 기술이 알려져 있다. 도 1은 종래기술의 펄스발생장치의 회로도이다.
도 1에서 R은 충전저항, C1 내지 C4는 충전용 커패시터, SW1 내지 SW5는 갭 스위치, Rload는 부하이며, 도 1에서는 전원(Vin)과 부하(Rload) 사이에서 병렬로 접속된 4개의 충전용 커패시터(C1~C4)를 갖는 4단 구성의 막스 발생기 방식의 펄스발생장치를 나타내고 있다.
충전 사이클에서는 전원(Vin)으로부터 공급되는 에너지는 도 1에 점선으로 나타내는 경로를 따라서 각각의 충전용 커패시터(C1~C4)에 충전된다. 충전용 커패시터(C1~C4)에 충전이 완료되면 방전 사이클에서 각 단의 갭 스위치(SW1~SW4)가 차례로 단락 하여(불꽃방전) 충전용 커패시터(C1~C4)를 직렬접속상태로 하여 방전시킴으로써 부하(Rload)에는 각 충전용 커패시터(C1~C4)의 충전전압의 단수 배(도 1에서는 4배)의 전압의 펄스를 출력하게 되어 있다.
갭 스위치(SW1~SW5)는 반도체소자를 이용하는 경우도 있으나, 충전전압이 수십 KV 이상의 막스 발생기에서는 스파크 갭 방식의 갭 스위치를 주로 사용한다.
이와 같은 막스 발생기가 이상적인 펄스 전압을 출력하기 위해서는 방전 사이클에서 각 단의 갭 스위치(SW1~SW5)가 사실상 동시에 단락 상태가 되어야 하나, 스파크 갭 방식의 갭 스위치에서는 ON 전압(방전 타이밍)에 물리적인 편차가 존재할 수밖에 없으므로 각 단의 갭 스위치(SW1~SW5)가 동시에 단락 상태가 되기 어렵다는 문제가 있고, 심한 경우에는 일부의 갭 스위치가 단락 되지 않거나 또는 단락 동작에 시간차가 발생하며, 이는 출력 전압의 감소 또는 출력 파형의 왜곡으로 이어져서 동작 안정성에 문제를 초래하며, 이와 같은 문제는 막스 발생기의 단수가 증가할수록 더 커진다.
이와 같은 문제의 해결방안으로 외부 트리거 회로를 추가하여, 외부 트리거 회로에 의해 갭 스위치의 ON 타이밍을 조정하는 방안을 생각할 수 있으나, 이와 같은 외부 트리거 방식은 외부 트리거 회로라는 별도의 회로가 더 필요하고, 갭 스위치를 포함한 주변기구의 구조가 복잡해지는 등의 문제가 있으며, 펄스발생장치의 소형화 및 제조비용의 절감이라는 측면에서도 바람직하지 않다.
일본 특개 2000-152666호 공보(2000. 5. 30. 공개)
본 발명은 종래기술의 상기 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 별도의 외부 트리거 장치의 추가 없이도 펄스발생장치의 동작 안정성을 향상시킬 수 있는 자기 트리거 방식의 펄스발생장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 펄스발생장치는, 고전압의 펄스전압을 발생하는 펄스발생장치로, 전원 단과 접지 단 사이에 접속된 N(단, N은 짝수) 개의 커패시터와 N개의 방전 스위치를 포함하고, 상기 N개의 방전 스위치는 스파크 갭 스위치이며, 상기 N개의 커패시터는, 각 커패시터에 전압이 충전되는 충전 사이클에서 상기 전원 단에 인가되는 전압이 각각의 커패시터에 병렬로 충전되도록 접속된 N/2개의 커패시터로 이루어지는 제 1 커패시터 열과, 상기 제 1 커패시터 열과 병렬로 접속되며, 상기 전원 단에 인가되는 전압이 각각의 커패시터에 병렬로 충전되도록 접속된 나머지 N/2개의 커패시터로 이루어지는 제 2 커패시터 열을 구성하도록 접속되며, 상기 제 1 커패시터 열 중 제 1 단째의 커패시터는 제 1 전원 측 충전저항을 통해서 상기 전원 단과 접속되는 동시에 제 1 접지 측 충전저항을 통해서 상기 접지 단과 접속되고, 상기 제 2 커패시터 열 중 제 1 단째의 커패시터는 제 1 전원 측 충전저항과 제 2 전원 측 충전저항을 통해서 상기 전원 단과 접속되는 동시에 제 2 접지 측 충전저항을 통해서 상기 접지 단과 접속되며, 상기 제 1 커패시터 열 및 상기 제 2 커패시터 열의 제 2 단째 이후의 커패시터는 각각 자기 단(自己 單)의 전원 측 충전저항을 통해서 앞 단의 커패시터와 접속되고, 상기 N개의 방전 스위치는 각 커패시터에 충전된 전압을 부하 단으로 방전하는 방전 사이클에서 상기 제 1 커패시터 열의 상기 제 1 단째 커패시터, 상기 제 2 커패시터 열의 상기 제 1 단째 커패시터, 상기 제 1 커패시터 열의 상기 제 2 단째 커패시터, 상기 제 2 커패시터 열의 상기 제 2 단째 커패시터와 같은 순서로 직렬로 연결되어 상기 N개의 커패시터 각각에 충전된 전압을 상기 부하 단에 방전하도록 각각 접속된다.
또, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 펄스발생장치는, 고전압의 펄스전압을 발생하는 펄스발생장치로, 전원 단과 접지 단 사이에 접속된 N(단, N은 짝수) 개의 커패시터와 N개의 방전 스위치를 포함하고, 상기 N개의 방전 스위치는 스파크 갭 스위치이며, 상기 N개의 커패시터는, 각 커패시터에 전압이 충전되는 충전 사이클에서 상기 전원 단에 인가되는 전압이 각각의 커패시터에 병렬로 충전되도록 접속된 N/2개의 커패시터로 이루어지는 제 1 커패시터 열과, 상기 제 1 커패시터 열과 병렬로 접속되며, 상기 전원 단에 인가되는 전압이 각각의 커패시터에 병렬로 충전되도록 접속된 나머지 N/2개의 커패시터로 이루어지는 제 2 커패시터 열을 구성하도록 접속되며, 상기 제 1 커패시터 열 중 제 1 단째의 커패시터는 제 1 전원 측 인덕터를 통해서 상기 전원 단과 접속되는 동시에 제 1 접지 측 인덕터를 통해서 상기 접지 단과 접속되고, 상기 제 2 커패시터 열 중 제 1 단째의 커패시터는 제 1 전원 측 인덕터와 제 2 전원 측 인덕터를 통해서 상기 전원 단과 접속되는 동시에 제 2 접지 측 인덕터를 통해서 상기 접지 단과 접속되며, 상기 제 1 커패시터 열 및 상기 제 2 커패시터 열의 제 2 단째 이후의 커패시터는 각각 자기 단(自己 單)의 전원 측 인덕터를 통해서 앞 단의 커패시터와 접속되고, 상기 N개의 방전 스위치는 각 커패시터에 충전된 전압을 부하 단으로 방전하는 방전 사이클에서 상기 제 1 커패시터 열의 상기 제 1 단째 커패시터, 상기 제 2 커패시터 열의 상기 제 1 단째 커패시터, 상기 제 1 커패시터 열의 상기 제 2 단째 커패시터, 상기 제 2 커패시터 열의 상기 제 2 단째 커패시터와 같은 순서로 직렬로 연결되어 상기 N개의 커패시터 각각에 충전된 전압을 상기 부하 단에 방전하도록 각각 접속된다.
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또, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 펄스발생장치는, 한 쌍의 커버와, 상기 한 쌍의 커버를 연결하는 중심선 상에 배치되는 내측 커패시터 지지대와, 상기 내측 커패시터 지지대의 양측에서 상기 중심선과 평행한 방향으로 배치된 2개의 외측 커패시터 지지대에 구성되는 2열의 커패시터 배치공간과, 상기 2열의 커패시터 배치공간에 각각 배치된 N(단, N은 짝수) 개의 커패시터로 이루어지는 2개의 커패시터 열과, 상기 중심선 방향과 평행한 방향으로 배치된 한 쌍의 방전 스위치 지지대와, 상기 한 쌍의 방전 스위치 지지대에 일렬로 배치된 N개의 방전 스위치를 포함하며, 상기 2개의 커패시터 열은, 각 커패시터에 전압이 충전되는 충전 사이클에서는 각각의 커패시터에 병렬로 전원전압이 충전되도록 접속된 N/2개의 커패시터로 이루어지는 제 1 커패시터 열과, 상기 제 1 커패시터 열과 병렬로 접속되며, 상기 전원전압이 각각의 커패시터에 병렬로 충전되도록 접속된 나머지 N/2개의 커패시터로 이루어지는 제 2 커패시터 열을 구성하도록 접속되고, 상기 제 1 커패시터 열 중 제 1 단째 커패시터는 제 1 전원 측 충전저항을 통해서 전원 단과 접속되는 동시에 제 1 접지 측 충전저항을 통해서 접지 단과 접속되고, 상기 제 2 커패시터 열 중 제 1 단째 커패시터는 제 1 전원 측 충전저항과 제 2 전원 측 충전저항을 통해서 상기 전원 단과 접속되는 동시에 제 2 접지 측 충전저항을 통해서 상기 접지 단과 접속되며, 상기 제 1 커패시터 열 및 상기 제 2 커패시터 열의 제 2 단째 커패시터 이후의 커패시터는 각각 자기 단(自己 單)의 전원 측 충전저항을 통해서 앞 단의 커패시터와 접속되고, 상기 N개의 방전 스위치는 각 커패시터에 충전된 전압을 부하 단으로 방전하는 방전 사이클에서 상기 제 1 커패시터 열의 상기 제 1 단째 커패시터, 상기 제 2 커패시터 열의 상기 제 1 단째 커패시터, 상기 제 1 커패시터 열의 상기 제 2 단째 커패시터, 상기 제 2 커패시터 열의 상기 제 2 단째 커패시터와 같은 순서로 직렬로 연결되어 상기 N개의 커패시터 각각에 충전된 전압을 상기 부하 단에 방전하도록 각각 접속되며, 상기 N개의 방전 스위치는 스파크 갭 스위치이다.
본 발명에 의하면 복수 단으로 이루어지는 커패시터 각각의 충전전압을 방전하도록 동작하는 특정 방전 스위치의 단락 시에 다음 단의 방전 스위치의 양단에 순간적으로 발생하는 높은 전압에 의해, 방전 스위치의 ON 전압이 정밀하게 조정되어 있지 않아도, 복수 단의 방전 스위치가 거의 동시에 ON 되어서 복수의 커패시터에 충전된 전압을 동시에 부하 단으로 출력할 수 있으며, 이에 따라 펄스발생장치의 동작 안정성을 향상시킬 수 있는 자기 트리거 방식의 펄스발생장치를 제공할 수 있다.
도 1은 종래기술의 펄스발생장치의 회로도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시형태의 펄스발생장치의 등가 회로도,
도 3은 갭 스위치 ON 동작에서의 커패시터 및 다음 단의 갭 스위치 양단의 전압 파형의 변화를 나타내는 도면,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시형태의 펄스발생장치의 저항 부하에 흐르는 펄스전류의 파형을 100회 측정하여 누적한 결과를 나타내는 도면,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시형태의 펄스발생장치의 분해 사시도,
도 6은 도 5의 펄스발생장치의 조립도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시형태에 대해 첨부 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 도 2는 본 발명의 바람직한 실시형태의 펄스발생장치의 등가 회로도이다.
본 발명의 바람직한 실시형태의 펄스발생장치(100)는 전원 단(Vin)과, 접지 단(GND)과, 전원 단(Vin)과 접지 단(GND) 사이에 접속되는 N(단, N은 짝수) 개의 커패시터(Ci)와, 각 커패시터(Ci)에 충전된 전하를 부하 단(Rload)에 방전하도록 제어하는 N개의 갭 스위치(GSi)를 포함하며, 도 2의 예에서는 N은 8로 하고 있다.
또, 본 실시형태에서는 전원 단(Vin)과 접지 단(GND) 사이에서 병렬로 접속된 4개의 커패시터로 이루어지는 2개 열의 커패시터 열(100_1, 100_2)을 가지며, 또, 각각의 커패시터(Ci)는 전원 측 충전저항(Rvi)과 접지 측 충전저항(Rgi)을 갖는다.
전원 측 충전저항(Rvi)과 접지 측 충전저항(Rgi)은 커패시터(Ci)에 충전된 전하의 방전 시에 이웃하는 커패시터와 전기적으로 격리(isolation)하는 기능을 한다.
도 2에서는 커패시터(C1), 커패시터(C3), 커패시터(C5) 및 커패시터(C7)에 의해 제 1 커패시터 열(100_1)을 구성하며, 커패시터(C1)는 전원 측 충전저항(Rv1)을 통해서 전원 단(Vin)과 접속되는 동시에 접지 측 충전저항(Rg1)을 통해서 접지 단(GND)과 접속되어 있다.
또, 커패시터(C3)는 전원 측 충전저항(Rv3)을 통해서 커패시터(C1)의 일단 및 전원 측 충전저항(Rvi)과 접속되는 동시에 접지 측 충전저항(Rg3)을 통해서 커패시터(C1)의 타단 및 접지 측 충전저항(Rg1)과 접속되어 있으며, 커패시터(C5) 및 커패시터(C7)도 동일한 방법으로 각각 전원 단(Vin) 및 접지 단(GND) 사이에 순차 접속되어 있다.
또, 커패시터(C2), 커패시터(C4), 커패시터(C6) 및 커패시터(C8)에 의해 제 2 커패시터 열(100_2)을 구성하며, 커패시터(C2)는 서로 직렬 접속된 전원 측 충전저항(Rv2) 및 전원 측 충전저항(Rv1)을 통해서 전원 단(Vin)과 접속되는 동시에 접지 측 충전저항(Rg2)을 통해서 접지 단(GND)과 접속되어 있고, 커패시터(C4) 및 커패시터(C6) 및 커패시터(C8)도 동일한 방법으로 각각 전원 단(Vin) 및 접지 단(GND) 사이에 순차 접속되어 있다.
따라서, 도 2에서는 병렬 접속된 4개의 커패시터(Ci)로 이루어지는 2개 열의 커패시터 열(100_1, 100_2)이 전원 단(Vin)과 접지 단(GND) 사이에서 병렬로 접속된 형태를 이루고 있으므로, 펄스발생장치(100)의 충전 사이클에서 8개의 커패시터(C1~C8)에는 각각 전원 단(Vin)의 전압과 동일한 전위의 전압이 충전된다.
갭 스위치(GSi)는 커패시터(Ci)에 전하가 충전되는 충전 사이클에서는 개방(OFF) 상태를 유지하고, 커패시터(Ci)에 미리 전해진 크기의 전압이 충전되면 단락(ON)되어서 커패시터(Ci)에 충전된 전압을 부하 단(Rload)으로 출력하도록 동작한다.
본 실시형태에서는 갭 스위치(GSi)는 자기 트리거 방식(self-triggered method)의 방전 갭 스위치를 사용하며, 각 갭 스위치(GSi)는 그 양단에 커패시터(Ci)에 인가되는 전압과 사실상 동일한 전압이 인가되도록 전원 단(Vin)과 접지 단(GND) 사이에 접속되어 있다.
또, 갭 스위치(GSi)는 커패시터(Ci)와 동일 개수를 가지며, 1개의 커패시터(Ci)에 1개의 갭 스위치(GSi)가 접속되며, 도 2에서는 8개의 갭 스위치(GSi)는 펄스발생장치(100)의 방전 사이클에서 8개의 커패시터(C1~C8)를 부하 단(Rload)에 대해서 직렬로 접속시키도록 구성되어 있다.
상세하게는, 커패시터(C1)에 충전된 전하를 방전시키도록 동작하는 갭 스위치(GS1)는 커패시터(C1)의 일단과 접지 단(GND) 사이에 접속되며, 커패시터(C1)에 충전된 충전전압이 미리 설정된 전압에 도달하면 동작하여 커패시터(C1)에 충전된 전하를 부하 단(Rload)으로 방전하도록 한다. 또, 갭 스위치(GS2)는 커패시터(C2)의 일단과 커패시터(C1)의 타단 사이에 접속되며, 커패시터(C2)에 충전된 충전전압이 미리 설정된 전압에 도달하면 동작하여 커패시터(C2)에 충전된 전하를 부하 단(Rload)으로 방전하도록 하고, 갭 스위치(GS3)는 커패시터(C3)의 일단과 커패시터(C2)의 타단 사이에 접속되어서, 커패시터(C3)에 충전되는 충전전압이 미리 설정된 전압에 도달하면 동작하여 커패시터(C3)에 충전된 전하를 부하 단(Rload)으로 방전하도록 하며, 다른 갭 스위치(GS4~GS8)도 동일한 방법으로 접속되어 있다.
따라서 갭 스위치(GS1~GS8)의 동작에 의해 8개의 커패시터(C1~C8)는 모두 부하 단(Rload)에 직렬로 접속되게 되며, 이에 의해 부하 단(Rload)에는 전원 단(Vin)에 인가되는 전압의 대략 8배의 크기의 전압을 갖는 펄스가 출력되게 된다.
미 설명부호 GSout은 출력 갭 스위치이며, 생략해도 좋다.
이상과 같은 본 실시형태의 펄스발생장치(100)의 구성을 일반화하면, 본 실시형태의 펄스발생장치(100)는 전원 단(Vin)과, 접지 단(GND)과, 전원 단(Vin)과 접지 단(GND) 사이에 접속된 N개의 커패시터(Ci)를 가지며, N개의 커패시터(Ci)는, 각 커패시터(Ci)에 전압이 충전되는 충전 사이클에서는, 전원 단(Vin)에 인가되는 전압이 각각의 커패시터(Ci)에 병렬로 충전되도록 접속되며 N/2개의 커패시터(Ci)로 이루어지는 제 1 커패시터 열(100_1)과 나머지 N/2개의 커패시터(Ci)로 이루어지며 마찬가지로 전원 단(Vin)에 인가되는 전압이 각각의 커패시터(Ci)에 병렬로 충전되도록 접속된 제 2 커패시터 열(100_2)의 2개 열의 커패시터 열(100_1, 100_2)을 갖는다.
또, 상기 접속관계를 갖는 N개의 커패시터(Ci)는 각각 당해 커패시터(Ci)에 충전된 전압을 방전하도록 동작시키는 N개의 갭 스위치(GSi)를 가지며, 각 커패시터(Ci)에 충전된 전압을 부하 단(Rload)으로 방전하는 방전 사이클에서 상기 N개의 갭 스위치(GSi)는 상기 N개의 커패시터(Ci)에 충전된 전압을 부하 단(Rload)에 직렬로 방전하도록 각각 접속되어 있다.
이어서, 도 3을 참조하면서 본 실시형태의 펄스발생장치(100)의 방전 사이클에서의 동작을 설명한다. 도 3은 갭 스위치 ON 동작에서의 커패시터 및 다음 단의 갭 스위치 양단의 전압 파형의 변화를 나타내는 도면으로, (a)는 종래기술의 전압 파형을, (b)는 본 발명의 전압 파형을 각각 나타내며, 전압 V는 전원 단(Vin)에 인가되는 전압의 크기를 나타낸다.
먼저, 도 1의 종래기술의 펄스발생장치에서는 커패시터(C1)에 전압 V가 충전되면 갭 스위치(SW1)에도 마찬가지로 동일한 V의 전압이 인가되며, 이에 의해 갭 스위치(SW1)이 단락 되면 커패시터(C1) 및 그 다음 단의 커패시터(C2)에 충전된 전압이 접지 측 저항(R)을 통해서 방전되는 동시에, 다음 단의 갭 스위치(SW2) 양단에 인가되는 전압도 함께 저하한다.
도 3 (a)는 갭 스위치(SW1)의 단락(ON) 동작에 따른 커패시터 C1 및 C2 양단 전압 및 갭 스위치(SW2) 양단의 전압 변화를 나타내며, 특히, 갭 스위치(SW1)의 단락과 동시에 갭 스위치(SW2) 양단의 전압이 저하하며, 이는 시간의 경과에 따라서 더 심해지는 것을 볼 수 있고, 도 3 (a)에서는 갭 스위치(SW1) 단락 시의 갭 스위치(SW2) 양단의 전압의 변화만을 나타내고 있으나, 갭 스위치(SW2) 단락 시의 갭 스위치(SW3) 양단의 전압의 변화는 물론 복수 단으로 접속된 이후의 단의 갭 스위치 양단의 전압 변화도 동일하다.
앞에서도 설명한 것과 같이, 펄스발생장치의 정상적인 동작을 위해서는 각 단의 갭 스위치들이 거의 동시에 단락되어야 하므로 갭 스위치(SW1)의 단락에 따른 갭 스위치(SW2) 양단의 전압이 어느 레벨 이하로 저하하기 전에 갭 스위치(SW2)가 단락 되도록 갭 스위치(SW2)의 스파크 갭 간격을 정밀하게 조정하여야 하며, 이는 복수 단으로 이루어지는 각 단 모두 동일하다.
그러나 매우 고전압의 펄스를 발생하는 펄스발생장치에서 8단, 10단 또는 그 이상의 복수 단의 각각의 갭 스위치의 스파크 갭 간격의 조정은 용이하지는 않다. 또, 비록 복수 단의 갭 스위치가 거의 동시에 ON 동작이 이루어질 수 있도록 조정이 되었다고 하더라도, 펄스발생장치는 수백 ㎸ 이상의 전압에서 수 ㎱ 단위의 충전 및 방전을 계속하므로, 시간의 경과에 따라서 복수의 갭 스위치 각각에 단락 시간의 차이가 발생할 수밖에 없으며, 수시로 이를 조정한다는 것은 현실적으로는 어려운 문제의 하나였다.
이에 반해, 도 2에 나타내는 등가 회로 구성의 본 발명의 펄스발생장치(100)에 대해서 앞에서와 마찬가지로 갭 스위치(GS1)의 단락에 따른 커패시터 C1, C2 양단 및 갭 스위치(GS2) 양단의 전압 변화를 관찰한 결과, 도 3 (b)에 나타내는 것과 같이, 커패시터 C1, C2 양단의 전압은 종래기술의 펄스발생장치와 마찬가지로 갭 스위치(GS1)가 단락 됨과 동시에 하락하였으나, 갭 스위치(GS2) 양단의 전압은 갭 스위치(GS1)가 ON이 되는 순간 1.5V로 상승한 후 점차 저하하였다.
이와 같이 갭 스위치(GS1)의 단락 시에 다음 단의 갭 스위치(GS2)의 양단에 순간적으로 발생하는 높은 전압에 의해, 예를 들어 갭 스위치(GS2)의 ON 전압이 정밀하게 조정되어 있지 않아도, 갭 스위치(GS1)의 단락과 거의 동시에 갭 스위치(GS2)가 ON이 되는 효과가 발생하며, 이와 같은 현상은 갭 스위치(GS2)의 단락 시 갭 스위치(GS3) 양단에서는 물론, 그 이후의 단에서도 동일하게 발생하며, 따라서 복수 단의 갭 스위치(GSi)가 거의 동시에 ON 되어서 복수의 커패시터(Ci)에 충전된 전압을 동시에 부하 단(Rload)으로 출력할 수 있어서 펄스발생장치(100)의 동작 안정성이 크게 향상된다.
이와 같은 현상은 본 발명의 펄스발생장치(100)가 종래의 펄스발생장치와는 접속구조를 갖는 전원 측 충전저항(Rvi) 및 접지 측 충전저항(Rgi)의 전압분배효과의 차이에 의한 것으로 보인다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시형태의 펄스발생장치의 저항 부하에 흐르는 펄스전류의 파형을 100회 측정하여 누적한 결과를 나타내는 도면이며, 본 발명의 펄스발생장치(100)의 부하 단(Rload)에 저항 부하를 접속하고, 이 저항 부하에 흐르는 펄스전류의 파형을 100회 측정하여 누적해 본 결과, 도 4에서 보는 것과 같이, 100회의 출력펄스 모두 사실상 동일한 크기의 펄스전류 파형을 나타내며, 100개의 파형이 사실상 서로 겹치는 것을 볼 수 있고, 이는 본 발명의 펄스발생장치(100)의 동작 안정성이 매우 높다는 것을 나타낸다.
다음에, 도 2의 등가 회로와 같은 구성의 펄스발생장치(100)의 물리적인 배치구조에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다. 도 5는 본 발명의 바람직한 실시형태의 펄스발생장치의 분해 사시도, 도 6은 도 5의 펄스발생장치의 조립도이다.
본 실시형태의 펄스발생장치(100)는 한 쌍의 커버(108, 108')와, 상기 한 쌍의 커버(108)를 연결하는 중심선(O-O') 상에 배치되는 내측 커패시터 지지대(103)와, 상기 내측 커패시터 지지대(103)의 양측에서 상기 중심선(O-O')과 평행한 방향으로 배치된 2개의 외측 커패시터 지지대(102, 102')를 포함하며, 이에 의해 한 쌍의 커버(108, 108') 사이에 커패시터(101)를 배치하기 위한 2열의 커패시터 배치공간이 구성된다.
즉, 펄스발생장치(100)를 구성하는 N(단, N은 짝수, 도 4, 5의 예에서는 N=10임) 개의 커패시터(101) 중 N/2개의 커패시터(101)는 내측 커패시터 지지대(103)와 외측 커패시터 지지대(102)에 의해 구성되는 커패시터 배치공간 내에 일렬로 배치되고, 나머지 N/2개의 커패시터(101)는 내측 커패시터 지지대(103)와 외측 커패시터 지지대(102')에 의해 구성되는 커패시터 배치공간 내에 배치된다. 당연하나, 이때의 N개의 커패시터(101)의 전기적인 접속관계는 도 2의 등가 회로를 이용하여 설명한 것과 동일한 접속관계를 갖는다.
또, 펄스발생장치(100)는 한 쌍의 커버(108, 108') 사이에서 중심선(O-O') 방향과 평행한 방향으로 배치되며 N개의 갭 스위치(104)를 배치하기 위한 한 쌍의 갭 스위치 지지대(105, 105')를 가지며, N개의 갭 스위치(104)는 한 쌍의 갭 스위치 지지대(105, 105')에 일렬로 배치되며, N개의 갭 스위치(104)의 전기적인 접속관계는 도 2에서 설명한 것과 같다.
본 실시형태에서 N개의 갭 스위치(104)가 일렬로 배치되도록 구성한 이유는, N개의 갭 스위치(104) 중 어느 하나의 갭 스위치에서 방전에 의한 단락(ON)이 발생하면 이 방전에서 발생하는 자외선 방사 등의 영향에 의해 인접하는 갭 스위치도 방전의 발생이 유도되는 경향이 있으므로, 이와 같은 현상을 이용하여 인접 갭 스위치(104)의 방전을 촉진하기 위해서이다.
또, 펄스발생장치(100)는 한 쌍의 커버(108, 108') 사이에서 중심선(O-O')과 평행한 방향으로 배치된 한 쌍의 충전저항 지지대(107, 107')를 가지며, 충전저항 지지대(107)에는 N/2개의 커패시터(101)에 대응하는 제 1 열의 전원 측 및 접지 측 충전저항(106)이 배치되고, 충전저항 지지대(107')에는 나머지 N/2개의 커패시터(101)에 대응하는 제 2 열의 전원 측 및 접지 측 충전저항(106)이 배치되며, 이들 충전저항(106)의 전기적인 접속관계는 도 2에서 설명한 것과 같다.
또, 도 4, 5에는 도시되어 있지 않으나, 펄스발생장치(100)는 한 쌍의 커버(108) 사이에 배치된 상기 각 구성요소들을 수용하는 하우징을 가지며, 하우징의 내부에는 N2 가스가 충전되어 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시형태에 대해서 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능하다.
상기 실시형태에서는 8개 또는 10개의 커패시터를 갖는 펄스발생장치를 예로 들어서 설명하였으나, 이에 한정되지는 않으며, 그 이하 또는 그 이상의 커패시터를 갖는 구성이라도 좋으며, 커패시터의 개수는 펄스발생장치의 용량에 따라서 적절하게 설정할 수 있다.
또, 상기 실시형태에서는 복수의 커패시터로 이루어지는 각 단을 격리하는 수단으로 저항을 이용하는 것으로 하였으나, 격리수단으로 저항 대신 인덕터를 이용해도 좋다.
또, 도 2에서는 부하 단에는 저항 부하가 접속되는 것으로 하고 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 펄스발생장치의 사용용도에 적합한 다양한 부하가 접속될 수 있다.
100 펄스발생장치
Ci, 101 커패시터
Rvi, Rgi, 106 충전저항
Gsi, 104 갭 스위치
Vin 전원 단
GND 접지 단
Rload 부하 단

Claims (5)

  1. 고전압의 펄스전압을 발생하는 펄스발생장치로,
    전원 단과 접지 단 사이에 접속된 N(단, N은 짝수)개의 커패시터와 N개의 방전 스위치를 포함하고,
    상기 N개의 방전 스위치는 스파크 갭 스위치이며,
    상기 N개의 커패시터는, 각 커패시터에 전압이 충전되는 충전 사이클에서 상기 전원 단에 인가되는 전압이 각각의 커패시터에 병렬로 충전되도록 접속된 N/2개의 커패시터로 이루어지는 제 1 커패시터 열과, 상기 제 1 커패시터 열과 병렬로 접속되며, 상기 전원 단에 인가되는 전압이 각각의 커패시터에 병렬로 충전되도록 접속된 나머지 N/2개의 커패시터로 이루어지는 제 2 커패시터 열을 구성하도록 접속되며,
    상기 제 1 커패시터 열 중 제 1 단째 커패시터는 제 1 전원 측 충전저항을 통해서 상기 전원 단과 접속되는 동시에 제 1 접지 측 충전저항을 통해서 상기 접지 단과 접속되고,
    상기 제 2 커패시터 열 중 제 1 단째 커패시터는 제 1 전원 측 충전저항과 제 2 전원 측 충전저항을 통해서 상기 전원 단과 접속되는 동시에 제 2 접지 측 충전저항을 통해서 상기 접지 단과 접속되며,
    상기 제 1 커패시터 열 및 상기 제 2 커패시터 열의 제 2 단째 커패시터 이후의 커패시터는 각각 자기 단(自己 單)의 전원 측 충전저항을 통해서 앞 단의 커패시터와 접속되고,
    상기 N개의 방전 스위치는 각 커패시터에 충전된 전압을 부하 단으로 방전하는 방전 사이클에서 상기 제 1 커패시터 열의 상기 제 1 단째 커패시터, 상기 제 2 커패시터 열의 상기 제 1 단째 커패시터, 상기 제 1 커패시터 열의 상기 제 2 단째 커패시터, 상기 제 2 커패시터 열의 상기 제 2 단째 커패시터와 같은 순서로 직렬로 연결되어 상기 N개의 커패시터 각각에 충전된 전압을 상기 부하 단에 방전하도록 각각 접속되는 것을 특징으로 하는 펄스발생장치.
  2. 삭제
  3. 고전압의 펄스전압을 발생하는 펄스발생장치로,
    전원 단과 접지 단 사이에 접속된 N(단, N은 짝수)개의 커패시터와 N개의 방전 스위치를 포함하고,
    상기 N개의 방전 스위치는 스파크 갭 스위치이며,
    상기 N개의 커패시터는, 각 커패시터에 전압이 충전되는 충전 사이클에서 상기 전원 단에 인가되는 전압이 각각의 커패시터에 병렬로 충전되도록 접속된 N/2개의 커패시터로 이루어지는 제 1 커패시터 열과, 상기 제 1 커패시터 열과 병렬로 접속되며, 상기 전원 단에 인가되는 전압이 각각의 커패시터에 병렬로 충전되도록 접속된 나머지 N/2개의 커패시터로 이루어지는 제 2 커패시터 열을 구성하도록 접속되며,
    상기 제 1 커패시터 열 중 제 1 단째 커패시터는 제 1 전원 측 인덕터를 통해서 상기 전원 단과 접속되는 동시에 제 1 접지 측 인덕터를 통해서 상기 접지 단과 접속되고,
    상기 제 2 커패시터 열 중 제 1 단째 커패시터는 제 1 전원 측 인덕터와 제 2 전원 측 인덕터를 통해서 상기 전원 단과 접속되는 동시에 제 2 접지 측 인덕터를 통해서 상기 접지 단과 접속되며,
    상기 제 1 커패시터 열 및 상기 제 2 커패시터 열의 제 2 단째 커패시터 이후의 커패시터는 각각 자기 단(自己 單)의 전원 측 인덕터를 통해서 앞 단의 커패시터와 접속되고,
    상기 N개의 방전 스위치는 각 커패시터에 충전된 전압을 부하 단으로 방전하는 방전 사이클에서 상기 제 1 커패시터 열의 상기 제 1 단째 커패시터, 상기 제 2 커패시터 열의 상기 제 1 단째 커패시터, 상기 제 1 커패시터 열의 상기 제 2 단째 커패시터, 상기 제 2 커패시터 열의 상기 제 2 단째 커패시터와 같은 순서로 직렬로 연결되어 상기 N개의 커패시터 각각에 충전된 전압을 상기 부하 단에 방전하도록 각각 접속되는 것을 특징으로 하는 펄스발생장치.
  4. 삭제
  5. 한 쌍의 커버와,
    상기 한 쌍의 커버를 연결하는 중심선 상에 배치되는 내측 커패시터 지지대와, 상기 내측 커패시터 지지대의 양측에서 상기 중심선과 평행한 방향으로 배치된 2개의 외측 커패시터 지지대에 구성되는 2열의 커패시터 배치공간과,
    상기 2열의 커패시터 배치공간에 각각 배치된 N(단, N은 짝수)개의 커패시터로 이루어지는 2개의 커패시터 열과,
    상기 중심선 방향과 평행한 방향으로 배치된 한 쌍의 방전 스위치 지지대와,
    상기 한 쌍의 방전 스위치 지지대에 일렬로 배치된 N개의 방전 스위치를 포함하며,
    상기 2개의 커패시터 열은, 각 커패시터에 전압이 충전되는 충전 사이클에서는 각각의 커패시터에 병렬로 전원전압이 충전되도록 접속된 N/2개의 커패시터로 이루어지는 제 1 커패시터 열과, 상기 제 1 커패시터 열과 병렬로 접속되며, 상기 전원전압이 각각의 커패시터에 병렬로 충전되도록 접속된 나머지 N/2개의 커패시터로 이루어지는 제 2 커패시터 열을 구성하도록 접속되고,
    상기 제 1 커패시터 열 중 제 1 단째 커패시터는 제 1 전원 측 충전저항을 통해서 전원 단과 접속되는 동시에 제 1 접지 측 충전저항을 통해서 접지 단과 접속되고,
    상기 제 2 커패시터 열 중 제 1 단째 커패시터는 제 1 전원 측 충전저항과 제 2 전원 측 충전저항을 통해서 상기 전원 단과 접속되는 동시에 제 2 접지 측 충전저항을 통해서 상기 접지 단과 접속되며,
    상기 제 1 커패시터 열 및 상기 제 2 커패시터 열의 제 2 단째 커패시터 이후의 커패시터는 각각 자기 단(自己 單)의 전원 측 충전저항을 통해서 앞 단의 커패시터와 접속되고,
    상기 N개의 방전 스위치는 각 커패시터에 충전된 전압을 부하 단으로 방전하는 방전 사이클에서 상기 제 1 커패시터 열의 상기 제 1 단째 커패시터, 상기 제 2 커패시터 열의 상기 제 1 단째 커패시터, 상기 제 1 커패시터 열의 상기 제 2 단째 커패시터, 상기 제 2 커패시터 열의 상기 제 2 단째 커패시터와 같은 순서로 직렬로 연결되어 상기 N개의 커패시터 각각에 충전된 전압을 상기 부하 단에 방전하도록 각각 접속되며,
    상기 N개의 방전 스위치는 스파크 갭 스위치인 것을 특징으로 하는 펄스발생장치.
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