KR101731822B1 - 고전압 펄스들을 발생시키기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 특히 유도 전압 가산기(IVA; inductive voltage adder)에 의해 고전압 펄스(high-voltage pulse)들을 발생시키기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 제 1 스테이지(stage)(17)는 방사상 전송 라인(radial transmission line)(19)으로부터 동축 전송 라인(coaxial transmission line)(21)으로 전자기파(electromagnetic wave)들을 전송하는 목적을 위해, 방사상 전송 라인(19)과 동축 전송 라인(21) 사이에 포지셔닝(positioning)된 전자기적 커플링 퍼늘-형상 중간 피스(electromagnetically coupling funnel-shaped intermediate piece)(23)를 포함한다.

Description

고전압 펄스들을 발생시키기 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR GENERATING HIGH-VOLTAGE PULSES}
본 발명은 메인 청구항(main claim)의 미리 특징짓는 절에 따른 고전압 펄스(high-voltage pulse)들을 발생시키기 위한 장치 및 대응(coordinate) 청구항에 따른 대응하는 방법에 관한 것이다.
전기 엔지니어링(electrical engineering)에서, 수 kW 내지 수백 TW의 진폭을 가진 고전압 펄스들 및 고전력 펄스(high-power pulse)들이 펄스 전력 기술(pulsed power technology) 분야에서 과학적 및 산업적 목적들을 위해 이용되며, 펄스 지속기간(pulse duration)들은 ps 내지 ms 범위이다.
예를 들어, 1 ㎲ 내지 2 ㎲의 펄스 지속기간을 가진 250 kV의 전압들 및 수십 kA의 전류들을 발생시킬 수 있는 펄스 발생기(pulse generator)가 이른바 전기천공법(electroporation)을 위해 요구되며, 전기천공법은 여기서 산업 적용의 예로서 언급된다.
이러한 펄스 발생기를 구현하기 위한 하나의 가능한 토폴로지(topology)는, 이른바 "유도 전압 가산기(inductive voltage adder)"이며, "유도 전압 가산기"는 IVA(inductive voltage adder)를 이용하여 축약된다. 이러한 발생기는 콤팩트한 구조(compact structure)를 가능하게 하는데, 그 이유는 상기 발생기가 펄스 발생(pulse generation) 동안 n개의 이산 전압원(discrete voltage source)들의 직렬 회로(series circuit)로서 구성되기 때문이다. 전자기장(electromagnetic field)들은 변압기(transformer)로 지칭되는 전도체 기하학적 구조의 IVA에서 물리적으로 결합된다.
"Pulsed Power Systems Principles and Applications"(Hansjochim Bluhm, Springer Verlag Berlin Heidelberg, 2006)는 특히, 챕터 7(chapter 7), 페이지 192-201(pages 192-201)에서, IVA들의 구조 및 동작 방법들을 개시한다.
이러한 방식에서, 변압기는 실질적으로 IVA(inductive voltage adder)의 설계를 결정한다. 개개의 변압기 스테이지(transformer stage)들의 적절한 설계는, IVA의 크기를 최적화하기 위한 모듈식 설계(modular design)를 획득하는 것을 가능하게 한다. 특히, 개개의 연속적인 스테이지(stage)들이 최적의 방식으로 서로 전기적으로 매칭(matching)될 필요가 있고, 그 결과로, IVA의 동작 방법에 문제가 될, 스테이지들 사이의 전기 신호들의 어떠한 반사도 존재하지 않는다. 이는 특히, 제 1 및 제 2 스테이지들에 적용되는데, 그 이유는 종래에 일반적으로 이용되는 동축 어레인지먼트(coaxial arrangement)에서, 제 2 스테이지 그 자체가 입력측을 갖지 않음으로 인해, 제 1 스테이지는 제 2 스테이지와 기하학적으로 동일할 수 없기 때문이다.
IVA는, 반사율들 때문에 정상 상태에서 그리고 스위치-온 프로세스(switch-on process) 동안 전류 진폭을 증가시키기 위해 파 특징들(wave properties)을 이용하는 것을 가능하게 한다. 도 1은 IVA의 종래의 원리를 도시한다. 도 1은 4개의 스테이지들의 예를 이용하여 IVA의 기본 원리를 도시한다. 도 1의 좌측 상에 예시되는 전압원들의 직렬 어레인지먼트(serial arrangement)의 경우에서와 유사한 방식으로, 도 1의 우측 상에 예시되는 바와 같은 펄스 라인(pulse line)들은, 하나의 라인(line)의 포지티브 전도체(positive conductor)를 다른 라인의 네거티브 전도체(negative conductor)에 연결함으로써, 전압 증배기 회로(voltage multiplier circuit)들의 형태로 구현될 수 있다. 전도체들의 이러한 교번적 연결을 이용시 어떠한 회로 단락(short circuit)도 생성되지 않도록, 그 연결은 펄스(pulse)의 지속기간 동안 절연되어야 한다. 이는, 케이블 변압기(cable transformer)의 형태의 충분히 긴 전송 라인(transmission line)들의 도움으로, 또는 IVA의 실시예에 따라 충분히 높은 커플링 인덕턴스(coupling inductance)들에 커플링(coupling)시킴으로써 달성될 수 있다. 개개의 스테이지들의 펄스 라인들을 부가할 때 전파 시간 대신에 유도 절연(inductive insulation)이 이용되는 경우, 더 콤팩트한 구조(compact structure)가 가능하다. IVA에 따른 자기 절연(magnetic insulation)을 이용한 전압 부가의 원리가 도 2에 예시된다.
도 2는 자기 절연을 이용한 IVA의 종래의 예시적인 실시예를 도시한다. 도 2는 동축 방식으로 배열된 6개의 스테이지들을 도시한다. 참조 부호 1은 진공 인터페이스(vacuum interface)를 나타내고, 참조 부호 3은 진공을 나타내고, 참조 부호 5는 환형 갭(annular gap)을 나타내고, 참조 부호 7은 자기 코어(magnetic core)를 나타내고, 참조 부호 9는 다이오드(diode)를 나타내고, 그리고 참조 부호 11은 오일(oil)을 나타낸다. 원통형 캐비티(cylindrical cavity)들은 IVA의 내부 전도체를 형성하고, 동축 방식으로 배열된 종래의 전압원들(Ux)에 의해 방사상으로 공급된다. 설명된 애플리케이션(application)들의 경우에서, 개개의 캐비티(cavity)들 각각은, 예를 들어, 0.1 내지 50 ㎲의 지속기간, 수 kV, 예를 들어 1 내지 10 kV의 범위의 전압 진폭(U0), 및 수 kA 내지 10 kA 초과의 최대 전류 진폭(I0)을 가진 펄스를 제공한다. 전압 진폭들을 부가하기 위해, 동축 전송 라인(coaxial transmission line)에 대한 전이 구역에서의 전자기장들의 벡터 부가(vector addition)가 이용된다. 그러므로, IVA는 n개의(n: 스테이지들의 수) 개별 전압원들의 합으로부터 중첩된 전압 펄스(voltage pulse)를 발생시킨다. 따라서, 도 2에 따른 어레인지먼트(arrangement)는 6배 전압 펄스(sextuple voltage pulse)를 발생시킨다. 전압 진폭들을 부가하기 위해, 하나의 전압원의 포지티브 전도체(positive conductor)가 뒤따르는 전압원의 네거티브 전도체(negative conductor)에 연결된다. 이는 필연적으로, 각각의 캐비티의 전류로부터 원거리의 중앙 전극과 외부 전극 사이에 전도성 연결을 생성한다. 이러한 방식에서 라인의 출력에 회로 단락이 생성되는 것을 방지하기 위해, 이러한 부분에서의 상대 투자율(relative permeability)을 증가시킴으로써, 그 연결의 임피던스(impedance)가 크게 증가된다. 이러한 목적을 위해, 전압원의 부분 볼륨(partial volume)은 강자성 재료로 이루어진 토로이달 코어(toroidal core)들로 채워진다.
도 3은 제 1 스테이지의 종래의 예시적인 실시예를 도시한다. 도 3은 파 전파 주축(wave propagation main axis)(HA)을 중심으로 회전적으로 대칭인 종래의 시뮬레이션 모델(simulation model)의 부분을 도시한다. 이러한 경우에서, 신호는 연결(connection)(13)(또는 포트(port))에 공급되고 연결(15)에 포워딩(forwarding)된다. 방사상 전송 라인(radial transmission line)(19)의 중공 원통형 채널(hollow cylindrical channel)(18)을 따라 동축 라인(coaxial line) 또는 동축 전송 라인(coaxial transmission line)(21)의 중공 원통형 채널(20)로 그리고 동축 라인 또는 동축 전송 라인(21)의 중공 원통형 채널(20)을 따라 안내(guidance)가 이루어진다. 채널(channel)들(18 및 20)은 전기 전도성 재료(22)를 가진 벽(wall)들을 이용하여 경계지어져(bounded) 생성된다.
도 4의 상부 곡선은 피드 신호(feed signal)(E)의 시간적 프로파일(temporal profile)을 도시하고, 도 4의 중앙 곡선은 상기 피드 신호의 반사된 신호 컴포넌트(signal component)(R)의 시간적 프로파일을 도시하고, 그리고 하부 신호 프로파일(lower signal profile)은 전송된 신호 컴포넌트들(T)을 도시한다. 이러한 구조를 이용시, 펄스 발생 모듈(pulse generation module)들(도시되지 않음)은 연결(13)을 특징으로 한다. 이러한 기하학적 구조는, 후속 스테이지(subsequent stage)들과 기하학적으로 매우 동일하다는 이점을 갖는다. 그러나, 제 1 커플링(coupling) 또는 변압기 스테이지(transformer stage)가 입력 신호의 상당한 반사들을 가지며, 이는 실제로는 연결(15)에서 필요한 출력 전력을 제공하기 위해 심하게 더 높은 입력 전력을 초래할 것임이, 특히 도 4에 따른 시뮬레이션 결과(simulation result)들로부터 추측될 수 있다. 그러므로, 이러한 종래의 솔루션(solution)은 기술적으로 매우 바람직하지 않은데, 그 이유는 연결(13) 모듈(module)들은 후속 스테이지들에서 이용되는 모듈들과 전기적으로 매우 상이해야 하기 때문이다.
그러므로, IVA의 제 1 스테이지는 종래에 일반적으로 동축 피드(coaxial feed)를 이용하여 구현되며, 그 결과로, 제 1 스테이지는 후속 스테이지들과 기하학적으로 그리고 전기적으로 상당히 상이하다. 그러므로, 알려진 솔루션들에서는 어레인지먼트의 복잡성 및 그에 따라 또한 어레인지먼트의 비용들이 높다.
그러므로, 본 발명의 목적은, 적용가능한 경우, 펄스들을 발생시키기 위해 후속 스테이지들에서 이용되는 것과 동일한 서브모듈(submodule)들을 이용하여 구현될 수 있는 유도 전압 가산기(IVA; inductive voltage adder)의 제 1 스테이지의 적절한 기하학적 어레인지먼트(geometrical arrangement)를 명시하는 것이다. 마찬가지로, 그 의도는 대응하는 펄스-매칭 방법(pulse-matching method)을 제공하는 것이다.
그 목적은 메인 청구항에 따른 장치 및 대응 청구항에 따른 방법에 의해 달성된다.
제 1 양상은, 고전압 펄스들을 발생시키기 위한 장치, 특히 유도 전압 가산기를 청구하며, 펄스 발생(pulse generation) 동안, 파 전파 주축을 따라 배열되는 전압원들의 다수(n)의 이산 스테이지(discrete stage)들의 직렬 회로의 전자기장(electromagnetic field)들이 변압기에서 결합되고, 각각의 스테이지에서, 파(wave)들은, 제 1 특성 임피던스(characteristic impedance)를 가진 방사상 전송 라인(radial transmission line)을 따라 제 2 특성 임피던스를 가진 동축 전송 라인(coaxial transmission line)으로 각각 전파되며, 후속 스테이지들과 대조적으로, 제 1 특성 임피던스로부터 제 2 특성 임피던스로의 정상 및 연속적 전이가, 방사상 전송 라인으로부터 동축 전송 라인으로의 정상 및 연속적 전이 구역을 이용하여 제 1 스테이지에서 생성되는 것을 특징으로 한다.
제 2 양상은, 특히 유도 전압 가산기에 의해 고전압 펄스들을 발생시키기 위한 방법을 청구하며, 펄스 발생 동안, 파 전파 주축을 따라 배열되는 전압원들의 다수(n)의 이산 스테이지들의 직렬 회로의 전자기장들이 변압기에서 결합되고, 각각의 스테이지에서, 파들은, 제 1 특성 임피던스를 가진 방사상 전송 라인을 따라 제 2 특성 임피던스를 가진 동축 전송 라인으로 각각 전파되며, 후속 스테이지들과 대조적으로, 제 1 특성 임피던스로부터 제 2 특성 임피던스로의 정상 및 연속적 전이가, 방사상 전송 라인으로부터 동축 전송 라인으로의 정상 및 연속적 전이 구역을 이용하여 제 1 스테이지에서 생성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 가능한 한 콤팩트하게(compactly) 그리고 비용-효율적으로 구성될 수 있는 펄스 발생기를 생성 및 이용한다. 본 발명은 제 1 변압기 스테이지의 일 실시예를 제안하며, 제안된 기하학적 구조는, 모든 다른 변압기 스테이지들에 관해 모듈식 방식(modular manner)으로 모든 매칭(matching)되는 네트워크(network)들, 스위치(switch)들, 커패시터(capacitor)들 및 구동기 회로들을 선택하는 것을 가능하게 한다. 이는 이제, 제 1 변압기 스테이지와 후속 변압기 스테이지들 사이의 모듈식 구조(modular structure)를 가능하게 한다. IVA의 모듈식 설계(modular design)는 비용들을 감소시키는 동시에 더 콤팩트한 설계(compact design)를 가능하게 한다. 본 발명은, 전자기파가 방사상 전송 라인을 통해 동축 전송 라인에 전송되는 IVA의 제 1 변압기 스테이지의 일 실시예를 제안한다. 이러한 2개의 라인들은 퍼늘-형상 중간 피스(funnel-shaped intermediate piece)(테이퍼(taper))에 의해 서로 연결된다. IVA의 제 1 스테이지의 제안된 실시예는 전력을 반사 없이 제 1 스테이지에 공급하기 위해 이용된다. 후속 스테이지들에서도 방사상 어레인지먼트(radial arrangement)는 마찬가지로 여기서 펄스 발생 모듈들(제 1 연결(13))이 커플링(coupling)되는 구역에서 획득된다. 제 2 스테이지에 대한 무반사 커플링(reflection-free coupling) 때문에, 동작은 제 1 스테이지에서, 후속 스테이지들에서와 동일한 전력을 이용하여 수행될 수 있다. 이는 또한, 제 1 스테이지에서 모든 후속 스테이지들에서와 동일한 모듈들을 이용하는 것을 가능하게 하며, 이는 이러한 설비의 복잡성, 신뢰성 및 비용들을 상당히 감소시킨다. 이는 전체 시스템(overall system)의 모듈성(modularity) 및 구성 볼륨(construction volume)을 최적화하는 것을 가능하게 한다. 게다가, 이러한 시스템(system)에 대한 전체적인 비용들이 효과적으로 감소될 수 있다.
추가의 유리한 구성들은 종속 청구항들과 관련해서 청구된다.
하나의 유리한 구성에 따르면, 제 1 스테이지에서의 연속적 전이는, 방사상 전송 라인의 제 1 특성 임피던스 및 동축 전송 라인의 내측 반경 및 외측 반경뿐만 아니라 필드 특성 임피던스(field characteristic impedance)를 이용하여 생성될 수 있다.
다른 유리한 구성에 따르면, 제 1 스테이지의 전이 구역에서, 파 전파 주축에 관해 가로방향으로 연장되는 방사상 전송 라인의 벽(wall)들은, 파 전파 주축에 관해 회전적으로 대칭적인 방식으로 와인딩 프로파일(winding profile)들을 따라 파 전파 주축에 관해 길이방향으로 연장되는 동축 전송 라인의 벽들에 연속적으로 병합될 수 있다.
다른 유리한 구성에 따르면, 제 1 공간적 재료 연장부(spatial material extent)가 제 1 스테이지의 전이 구역에서 생성될 수 있고, 상기 재료 연장부는 파 전파 주축(HA)에 수직하는 원형 단면 영역(circular cross-sectional area)들을 가지며, 원형 단면 영역들의 반경들은 감소되는 방식(diminishing manner)으로 생성되어서, 이들은 파 전파 주축을 따라 그리고 그것의 방향의 방향으로, 동축 전송 라인의 외부 전도체의 외측 반경으로부터 시작하여 내부 전도체의 외측 반경으로 연속적으로 줄어든다(fall). 공간적 재료 연장부는 특히, 재료를 가진 일반적 3차원 물리적 몸체 또는 이러한 몸체의 구역이다.
이러한 경우, "파 전파 주축(HA)을 따라 그리고 그것의 방향의 방향으로"는, "파 전파 주축(HA)을 따라 그리고 파 전파 주축(HA) 방향의 방향으로" 그리고 특히 "파 전파 주축과 평행하게, 더 정확히 말하면 파 전파 주축이 향하는 방향으로 진행되는 것"을 의미한다. 이러한 방향은 파(wave)들이 주로 전파되는 방향이다.
다른 유리한 구성에 따르면, 제 2 공간적 재료 연장부는 제 1 스테이지의 전이 구역(
Figure 112015110866620-pct00001
)에서 생성될 수 있고, 상기 재료 연장부는, 파 전파 주축에 수직하는 원형 단면 영역들을 가지며, 원형 단면 영역들의 외측 반경들은 일정한 방식(constant manner)으로 생성되고, 원형 단면 영역들의 내측 반경들은 감소되는 방식으로 생성되어서, 이들은, 파 전파 주축을 따라 그리고 파 전파 주축 방향의 방향으로 동축 전송 라인의 외부 전도체의 외측 반경으로부터 시작하여 내측 반경으로 연속적으로 줄어든다.
다른 유리한 구성에 따르면, 제 1 공간적 재료 연장부의 단면 영역들의 반경들 및/또는 제 2 공간적 재료 연장부의 단면 영역들의 내측 반경들은 감소되는 방식으로 생성될 수 있어서, 이들은 방사상 전송 라인의 측으로부터 시작하여 동축 전송 라인의 측의 방향으로 기하급수적으로 줄어든다.
다른 유리한 구성에 따르면, 제 1 공간적 재료 연장부의 단면 영역들의 반경들 및 제 2 공간적 재료 연장부의 단면 영역들의 내측 반경들의 반경 프로파일(radius profile)들은, 방사상 전송 라인의 측으로부터 시작하여 동축 전송 라인의 측의 방향으로 서로 평행하게 진행되는 방식으로 생성될 수 있다.
다른 유리한 구성에 따르면, 제 1 공간적 재료 연장부는 솔리드 개별 중간 피스(solid separate intermediate piece)로서 생성될 수 있다.
다른 유리한 구성에 따르면, 중간 피스(intermediate piece)는 파 전파 주축을 따라 그리고 파 전파 주축 방향의 방향으로 솔리드(solid), 특히 방사상으로 테이퍼링(tapering)되는 퍼늘 형상(funnel shape)의 외측 표면 프로파일(outer surface profile)을 가질 수 있다.
다른 유리한 구성에 따르면, 제 1 및 제 2 공간적 재료 연장부들은 동일한 재료, 특히 구리, 강철 또는 알루미늄(aluminum)을 가질 수 있다.
다른 유리한 구성에 따르면, 모든 n개의 스테이지들은 자신들의 전기기술적 연결(electrotechnical connection) 또는 자신들의 전기적 연결들에 관해 동일한 모듈식 구조(modular structure)를 가질 수 있다.
본 발명은 도면들과 함께 예시적인 실시예들을 이용하여 더 상세하게 설명된다. 도면들에서:
도 1은 IVA의 종래의 예시적인 실시예를 도시하고;
도 2는 IVA의 추가의 종래의 예시적인 실시예를 도시하고;
도 3은 IVA의 제 1 변압기 스테이지의 종래의 예시적인 실시예를 도시하고;
도 4는 제 1 변압기 스테이지의 종래의 예시적인 실시예를 시뮬레이팅(simulating)하기 위한 도면을 도시하고;
도 5는 IVA의 제 1 변압기 스테이지의 본 발명에 따른 예시적인 실시예를 도시하고;
도 6은 IVA의 제 1 변압기 스테이지의 본 발명에 따른 예시적인 실시예에 대한 신호 프로파일(signal profile)들을 도시하고;
도 7은 IVA의 본 발명에 따른 제 1 스테이지의 전기장(electrical field)들의 도면을 도시하고;
도 8은 IVA의 제 1 스테이지의 본 발명에 따른 예시적인 실시예의 자기장(magnetic field)들의 도면을 도시하고;
도 9는 IVA의 제 1 스테이지의 본 발명에 따른 예시적인 실시예의 추가의 도면을 도시한다.
도 5는 IVA(inductive voltage adder)의 제 1 스테이지의 본 발명에 따른 제 1 예시적인 실시예를 도시하고, 이러한 제 1 스테이지는 파 전파 주축(HA)을 따라 회전적으로 대칭적인 방식으로 연장된다. 도 3에서와 유사한 방식으로, 신호가 제 1 연결(13)에 공급되고, 제 2 연결(15)에 포워딩(forwarding)된다.
제 1 스테이지(17)에서, 전자기파들은 가장 먼저, 방사상 전송 라인(19)을 따라 그리고 그 다음으로는 동축 전송 라인(21)을 따라 전송된다. 중공 원통형 전송 라인(hollow cylindrical transmission line)(19) ― 중공 원통형 전송 라인(19)은 이 경우 수직임 ― 을 따라 중공 원통형 동축 라인(hollow cylindrical coaxial line)(21) ― 중공 원통형 동축 라인(21)은 이 경우 수평이고 외부측 상에 외부 전도체(27)를 갖고 내부측 상에 내부 전도체(25)를 가짐 ― 으로 안내(guidance)가 이루어진다.
전이 구역(
Figure 112015110866620-pct00002
)은, 파 전파 주축(HA)에 관해 가로방향으로 연장되는 방사상 전송 라인(19)의 중공 원통형 채널(18)을, 와인딩 프로파일들을 따라 곡선형 한계(curved delimitation)를 제공하는 전기 전도성 재료(22)의 표면들을 따라, 동축 전송 라인(21)의 중공 원통형 채널(20)로 동질적으로 계속해서 이어지게 하며, 동축 전송 라인(21)은 파 전파 주축(HA)을 따라 연장된다.
방사상 전송 라인(19)으로부터 동축 전송 라인(21)으로의 전이를 따라, 솔리드 중간 피스(solid intermediate piece)(23)가 여기에 포지셔닝(positioning)된다. 이러한 중간 피스(23)는 바람직하게, 제 1 반경을 가진 제 1 외측 원형 표면으로부터 제 1 반경보다 더 작은 제 2 반경을 가진 제 2 외측 원형 표면으로, 파 전파 주축(HA)에 회전적으로 대칭적인 방식으로 그리고 파 전파 주축(HA)을 따라 원형 단면 영역들과 함께 공간적으로 연장된다. 이러한 경우, 제 2 반경은 바람직하게, 내부 전도체(25)의 외측 반경과 동일하고 그러므로 중공 원통형 동축 라인(21)의 내측 반경과 동일하다. 제 2 공간적 재료 연장부가, 중공 원통형 동축 라인(21)을 외부에 대해 한정짓는(delimit) 외부 전도체(27)와, 외부 전도체(27)와 접촉하는 연관된 재료(22) 사이의 전이 구역(
Figure 112015110866620-pct00003
)에 생성되는 경우, 상기 재료 연장부는 파 전파 주축(HA)에 수직하는 원형 단면 영역들을 가지며, 원형 단면 영역들의 외측 반경들은 일정한 방식으로 생성되고, 원형 단면 영역들의 내측 반경들은 감소되는 방식으로 생성되어서, 이들은 파 전파 주축(HA)을 따라 그리고 파 전파 주축(HA)의 방향으로 동축 전송 라인(21)의 외부 전도체의 외측 반경으로부터 시작하여 내측 반경으로 연속적으로 줄어드는 것이 또한 바람직하다. 단면 영역들의 반경들 및/또는 내측 반경들은 감소되는 방식으로 생성될 수 있어서, 이들은 방사상 전송 라인(19)의 측으로부터 시작하여 동축 전송 라인(21)의 측의 방향으로 기하급수적으로 줄어든다. 제 1 및 제 2 공간적 재료 연장부들의 단면 영역들의 반경들 및/또는 내측 반경들의 반경 프로파일들은 바람직하게, 방사상 전송 라인(19)의 측으로부터 시작하여 동축 전송 라인(21)의 측의 방향으로 서로 평행하게 진행되는 방식으로 생성된다.
솔리드 중간 피스(23)는 예를 들어, 솔리드 퍼늘(solid funnel)의 형태를 갖고, 방사상 전송 라인을 동축 전송 라인에 커플링(coupling)하고, 그리고 마찬가지로 테이퍼(taper)로 지칭될 수 있다. 중간 피스(23)는 마찬가지로, 예를 들어, 관통-개구(through-opening) 또는 홀(hole)을 가진 퍼늘(funnel)의 형태로, 솔리드(solid)가 아닌 설계로 생성될 수 있다. 특히 유리한 방식에서, 방사상 전송 라인의 그리고 동축 전송 라인의 특성 임피던스들은 서로 매칭(matching)된다. 방사상 라인의 제 1 특성 임피던스는 다음의 방정식(1)을 이용하여 설명될 수 있다:
Figure 112015110866620-pct00004
이러한 경우, k는 파 넘버 벡터(wave number vector)이고, Z0은 377 Ω의 크기를 가진 필드 특성 임피던스(field characteristic impedance)이고, 그리고 G0(kr), G1(kr)은 한케(Hanke)와 유사한 방식으로 그리고 홀랜드(Holland)에 의해 정의된 함수들이다.
동축 라인의 제 2 특성 임피던스는 예를 들어, 다음의 방정식(2)에 의해 설명될 수 있다:
Figure 112015110866620-pct00005
이러한 경우, R1은 동축 라인의 내측 반경이고, R2는 동축 라인의 외측 반경이고, 그리고 Z0은 377 Ω의 크기를 가진 필드 특성 임피던스이다. R1은 마찬가지로, 내부 전도체(25)의 반경이다. R2는 마찬가지로, 외부 전도체(27)의 내측 반경이다. 특성 임피던스의 영향은 방정식(1) 및 방정식(2)를 이용하여 인식될 수 있다. 본 발명에 따르면, 퍼늘-형상 구조(funnel-shaped structure)의 형태의, 동축 전송 라인(21)에 대한 방사상 전송 라인(19)의 숙련된 연결은, 특성 임피던스들 양쪽 모두를 서로 매칭시키기 위해 이용되도록 의도된다. 이는, 방사상 전송 라인(19)으로부터 동축 전송 라인(21)으로의 그리고 IVA의 동축 구조로의 무반사 공급(reflection-free feeding)을 가능하게 한다.
도 6은 IVA의 본 발명에 따른 제 1 스테이지를 이용할 때, 시간 영역(time domain)에서 반사된 신호(R) 및 전송된 신호(T)의 시간적 프로파일을 도시한다. 이러한 시뮬레이션(simulation)은 2% 미만의, 근사치에 의해 야기된 반사들(R)을 도시한다. 방사상 전송 라인(19) 및 동축 전송 라인(21)은 마찬가지로, 2개의 라인들을 서로 연결하는 지수 함수들을 이용하여 매칭될 수 있다. 이러한 지수 함수들은 특징을 가져야 하며, 그 특징에 의해 구조들이 서로 연속적으로 병합된다.
도 7은 IVA의 본 발명에 따른 제 1 스테이지에서의 전기장들의 프로파일(profile)의 도면을 도시한다. 화살표들은 벡터 필드(vector field)를 나타낸다.
도 8은 IVA의 본 발명에 따른 제 1 스테이지에서의 자기장들의 도면을 도시한다. 화살표들은 벡터 필드를 나타낸다.
도 9는 본 발명에 따른 퍼늘-형상 중간 피스(23)의 추가의 도면을 도시한다. 이러한 경우, 방사상 전송 라인(19)으로부터 동축 전송 라인(21)으로 상이한 내측 및 외측 반경들을 선택함으로써, 중간 피스(23) 또는 테이퍼는 상이한 전도체 구조들에 매칭된다. 도 9는 예를 들어, 53.5의 크기를 가진 외부 전도체(27)의 외측 반경(R) 그리고 R=45의 크기를 가진 내부 전도체(25)의 반경 R1을 도시한다. 도 9는, 퍼늘-형상 중간 피스(23)에 의해 연결되는 방사상 전송 라인(19) 및 동축 전송 라인(21)의 매칭(matching)을 도시하며, 그것의 내측 및 외측 반경들은 연결에 따라 변화된다. 실제로는, 2개의 상이한 반경들로 방사상 전송 라인(19) 및 동축 전송 라인(21)을 연결하는 것이 충분하다.
본 발명은, 특히 유도 전압 가산기(IVA; inductive voltage adder)에 의해 고전압 펄스들을 발생시키기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 이 경우, 방사상 전송 라인(19)으로부터 동축 전송 라인(21)으로 전자기파(electromagnetic wave)들을 전송하는 목적을 위해 제 1 스테이지(17)에서 전자기적 커플링 퍼늘-형상 중간 피스(electromagnetically coupling funnel-shaped intermediate piece)(23)가 방사상 전송 라인(19)과 동축 전송 라인(21) 사이에 포지셔닝(positioning)된다.

Claims (27)

  1. 전압 펄스(voltage pulse)들을 발생시키기 위한 장치로서,
    펄스 발생(pulse generation) 동안, 파 전파 주축(wave propagation main axis)(HA)을 따라 배열되는 전압원들의 다수(n)의 이산 스테이지(discrete stage)들의 직렬 회로의 전자기장(electromagnetic field)들이 변압기에서 결합되고,
    각각의 스테이지(stage)에서, 파(wave)들은, 제 1 특성 임피던스(characteristic impedance)를 갖는 방사상 전송 라인(radial transmission line)(19)을 따라 제 2 특성 임피던스를 갖는 동축 전송 라인(coaxial transmission line)(21)으로 각각 전파되며,
    후속 스테이지들과 대조적으로, 상기 제 1 특성 임피던스로부터 상기 제 2 특성 임피던스로의 연속적 전이가, 상기 방사상 전송 라인(19)으로부터 상기 동축 전송 라인(21)으로의 정상(steady) 및 연속적 전이 구역(
    Figure 112016098465542-pct00006
    )을 이용하여 제 1 스테이지(17)에서 생성되는,
    전압 펄스들을 발생시키기 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 스테이지(17)에서의 연속적 전이는, 상기 방사상 전송 라인(19)의 제 1 특성 임피던스 및 상기 동축 전송 라인(21)의 내측 반경 및 외측 반경뿐만 아니라 필드 특성 임피던스(field characteristic impedance)를 이용하여 생성되는,
    전압 펄스들을 발생시키기 위한 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 스테이지(17)의 전이 구역(
    Figure 112016098465542-pct00007
    )에서, 상기 파 전파 주축(HA)에 관해 가로방향으로 연장되는 상기 방사상 전송 라인(19)의 벽(wall)들은, 상기 파 전파 주축(HA)에 관해 회전적으로 대칭적인 방식으로 와인딩 프로파일(winding profile)들을 따라, 상기 파 전파 주축(HA)에 관해 길이방향으로 연장되는 상기 동축 전송 라인(21)의 벽들에 연속적으로 병합되는,
    전압 펄스들을 발생시키기 위한 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 스테이지(17)의 전이 구역(
    Figure 112016098465542-pct00008
    )에서 제 1 공간적 재료 연장부(spatial material extent)가 생성되고,
    상기 제 1 공간적 재료 연장부는 상기 파 전파 주축(HA)에 수직하는 제 1 원형 단면 영역(circular cross-sectional area)들을 가지며, 상기 제 1 원형 단면 영역들의 반경들은 감소되는 방식(diminishing manner)으로 생성되어서, 상기 제 1 원형 단면 영역들의 반경들은 상기 파 전파 주축(HA)을 따라 그리고 상기 파 전파 주축(HA) 방향의 방향으로, 상기 동축 전송 라인(21)의 외부 전도체(27)의 외측 반경으로부터 시작하여 내부 전도체(25)의 외측 반경으로 연속적으로 줄어드는,
    전압 펄스들을 발생시키기 위한 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 공간적 재료 연장부의 단면 영역들의 반경들은 감소되는 방식으로 생성되어서, 상기 제 1 공간적 재료 연장부의 단면 영역들의 반경들은 상기 방사상 전송 라인(19)의 측으로부터 시작하여 상기 동축 전송 라인(21)의 측의 방향으로 기하급수적으로 줄어드는,
    전압 펄스들을 발생시키기 위한 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 스테이지(17)의 전이 구역(
    Figure 112016098465542-pct00009
    )에서 제 2 공간적 재료 연장부가 생성되고, 상기 제 2 공간적 재료 연장부는, 상기 파 전파 주축(HA)에 수직하는 제 2 원형 단면 영역들을 가지며,
    상기 제 2 원형 단면 영역들의 외측 반경들은 일정한 방식(constant manner)으로 생성되고, 상기 제 2 원형 단면 영역들의 내측 반경들은 감소되는 방식으로 생성되어서, 상기 제 2 원형 단면 영역들의 내측 반경들은, 상기 파 전파 주축(HA)을 따라 그리고 상기 파 전파 주축(HA) 방향의 방향으로 상기 동축 전송 라인(21)의 외부 전도체(27)의 외측 반경으로부터 시작하여 내측 반경으로 연속적으로 줄어드는,
    전압 펄스들을 발생시키기 위한 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 공간적 재료 연장부의 단면 영역들의 내측 반경들은 감소되는 방식으로 생성되어서, 상기 제 2 공간적 재료 연장부의 단면 영역들의 내측 반경들은 상기 방사상 전송 라인(19)의 측으로부터 시작하여 상기 동축 전송 라인(21)의 측의 방향으로 기하급수적으로 줄어드는,
    전압 펄스들을 발생시키기 위한 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 공간적 재료 연장부의 단면 영역들의 반경들 및 상기 제 2 공간적 재료 연장부의 단면 영역들의 내측 반경들의 반경 프로파일(radius profile)들은, 상기 방사상 전송 라인(19)의 측으로부터 시작하여 상기 동축 전송 라인(21)의 측의 방향으로 서로 평행하게 진행되는 방식으로 생성되는,
    전압 펄스들을 발생시키기 위한 장치.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 공간적 재료 연장부는 개별 중간 피스(separate intermediate piece)(23)로서 생성되는,
    전압 펄스들을 발생시키기 위한 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 중간 피스(intermediate piece)(23)는 상기 파 전파 주축(HA)을 따라 그리고 상기 파 전파 주축(HA) 방향의 방향으로 테이퍼링 퍼늘(tapering funnel)의 외측 표면 프로파일(outer surface profile)을 갖는,
    전압 펄스들을 발생시키기 위한 장치.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 공간적 재료 연장부들은 동일한 재료를 갖는,
    전압 펄스들을 발생시키기 위한 장치.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    모든 n개의 스테이지들은 자신들의 전기기술적 연결(electrotechnical connection)에 관해 동일한 모듈식 구조(modular structure)를 갖는,
    전압 펄스들을 발생시키기 위한 장치.
  13. 유도 전압 가산기(IVA; inductive voltage adder)에 의해 전압 펄스들을 발생시키기 위한 방법으로서,
    펄스 발생 동안, 파 전파 주축(HA)을 따라 배열되는 전압원들의 다수(n)의 이산 스테이지들의 직렬 회로의 전자기장들이 변압기에서 결합되고,
    각각의 스테이지에서, 파들은, 제 1 특성 임피던스를 갖는 방사상 전송 라인(19)을 따라 제 2 특성 임피던스를 갖는 동축 전송 라인(21)으로 각각 전파되며,
    후속 스테이지들과 대조적으로, 상기 제 1 특성 임피던스로부터 상기 제 2 특성 임피던스로의 연속적 전이가, 상기 방사상 전송 라인(19)으로부터 상기 동축 전송 라인(21)으로의 정상 및 연속적 전이 구역(
    Figure 112016098465542-pct00010
    )을 이용하여 제 1 스테이지(17)에서 생성되는,
    전압 펄스들을 발생시키기 위한 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 스테이지(17)에서의 연속적 전이는, 상기 방사상 전송 라인(19)의 제 1 특성 임피던스 및 상기 동축 전송 라인(21)의 내측 반경 및 외측 반경뿐만 아니라 필드 특성 임피던스를 이용하여 생성되는,
    전압 펄스들을 발생시키기 위한 방법.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 스테이지(17)의 전이 구역(
    Figure 112016098465542-pct00011
    )에서, 상기 파 전파 주축(HA)에 관해 가로방향으로 연장되는 상기 방사상 전송 라인(19)의 벽들은, 상기 파 전파 주축(HA)에 관해 회전적으로 대칭적인 방식으로 와인딩 프로파일들을 따라, 상기 파 전파 주축(HA)에 관해 길이방향으로 연장되는 상기 동축 전송 라인(21)의 벽들에 연속적으로 병합되는,
    전압 펄스들을 발생시키기 위한 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 스테이지(17)의 전이 구역(
    Figure 112016098465542-pct00012
    )에서 제 1 공간적 재료 연장부가 생성되고,
    상기 제 1 공간적 재료 연장부는 상기 파 전파 주축(HA)에 수직하는 제 1 원형 단면 영역들을 가지며, 상기 제 1 원형 단면 영역들의 반경들은 감소되는 방식으로 생성되어서, 상기 제 1 원형 단면 영역들의 반경들은 상기 파 전파 주축(HA)을 따라 그리고 상기 파 전파 주축(HA) 방향의 방향으로, 상기 동축 전송 라인(21)의 외부 전도체(27)의 외측 반경으로부터 시작하여 내부 전도체(25)의 외측 반경으로 연속적으로 줄어드는,
    전압 펄스들을 발생시키기 위한 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 공간적 재료 연장부의 단면 영역들의 반경들은 감소되는 방식으로 생성되어서, 상기 제 1 공간적 재료 연장부의 단면 영역들의 반경들은 상기 방사상 전송 라인(19)의 측으로부터 시작하여 상기 동축 전송 라인(21)의 측의 방향으로 기하급수적으로 줄어드는,
    전압 펄스들을 발생시키기 위한 방법.
  18. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,
    상기 제 1 스테이지(17)의 전이 구역(
    Figure 112016098465542-pct00013
    )에서 제 2 공간적 재료 연장부가 생성되고, 상기 제 2 공간적 재료 연장부는, 상기 파 전파 주축(HA)에 수직하는 제 2 원형 단면 영역들을 가지며,
    상기 제 2 원형 단면 영역들의 외측 반경들은 일정한 방식으로 생성되고, 상기 제 2 원형 단면 영역들의 내측 반경들은 감소되는 방식으로 생성되어서, 상기 제 2 원형 단면 영역들의 내측 반경들은, 상기 파 전파 주축(HA)을 따라 그리고 상기 파 전파 주축(HA) 방향의 방향으로 상기 동축 전송 라인(21)의 외부 전도체(27)의 외측 반경으로부터 시작하여 내측 반경으로 연속적으로 줄어드는,
    전압 펄스들을 발생시키기 위한 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 2 공간적 재료 연장부의 단면 영역들의 내측 반경들은 감소되는 방식으로 생성되어서, 상기 제 2 공간적 재료 연장부의 단면 영역들의 내측 반경들은 상기 방사상 전송 라인(19)의 측으로부터 시작하여 상기 동축 전송 라인(21)의 측의 방향으로 기하급수적으로 줄어드는,
    전압 펄스들을 발생시키기 위한 방법.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 1 공간적 재료 연장부의 단면 영역들의 반경들 및 상기 제 2 공간적 재료 연장부의 단면 영역들의 내측 반경들의 반경 프로파일들은, 상기 방사상 전송 라인(19)의 측으로부터 시작하여 상기 동축 전송 라인(21)의 측의 방향으로 서로 평행하게 진행되는 방식으로 생성되는,
    전압 펄스들을 발생시키기 위한 방법.
  21. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,
    상기 제 1 공간적 재료 연장부는 개별 중간 피스(23)로서 생성되는,
    전압 펄스들을 발생시키기 위한 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 중간 피스(23)는 상기 파 전파 주축(HA)을 따라 그리고 상기 파 전파 주축(HA) 방향의 방향으로 테이퍼링 퍼늘의 외측 표면 프로파일을 갖는,
    전압 펄스들을 발생시키기 위한 방법.
  23. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 공간적 재료 연장부들은 동일한 재료를 갖는,
    전압 펄스들을 발생시키기 위한 방법.
  24. 제 13 항, 제 14 항, 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,
    모든 n개의 스테이지들은 자신들의 전기기술적 연결에 관해 동일한 모듈식 구조를 갖는,
    전압 펄스들을 발생시키기 위한 방법.
  25. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 펄스들을 발생시키기 위한 장치는 유도 전압 가산기(IVA; inductive voltage adder)인,
    전압 펄스들을 발생시키기 위한 장치.
  26. 제 11 항에 있어서,
    상기 동일한 재료는 구리, 강철 또는 알루미늄(aluminum)인,
    전압 펄스들을 발생시키기 위한 장치.
  27. 제 23 항에 있어서,
    상기 동일한 재료는 구리, 강철 또는 알루미늄인,
    전압 펄스들을 발생시키기 위한 방법.
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