KR20110120428A - Compact blumlein line high voltage pulse generator using solid insulator - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 고전압 펄스 발생장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 동축형 블룸라인 선 펄스 전원장치의 크기를 줄이고 절연 내력을 향상시켜 전원장치의 안정성을 향상시키는 것에 관한 것이다.
The present invention relates to a high voltage pulse generator, and more particularly, to reducing the size of the coaxial bloomline line pulse power supply and improving the dielectric strength to improve the stability of the power supply.
나노초(nanosecond, ns)급의 고전압 펄스를 발생시키기 위하여 블룸라인 선(Blumlein Line) 펄스 성형회로가 많이 이용된다. 블룸라인 선 펄스 성형회로는 초고압의 상승시간이 매우 빠른 단펄스를 발생시킬 수 있어서 전자빔 발생장치, 레이저 발생 전원, 초고주파 발생 전원으로 다양하게 활용된다.In order to generate nanosecond (ns) class high voltage pulses, a bloom line line (Blumlein Line) pulse shaping circuit is widely used. The Bloomline line pulse shaping circuit can generate short pulses with a very high rise time of ultra high voltage, and thus is widely used as an electron beam generator, a laser generating power source, and an ultra high frequency generating power source.
첨부한 도 1은 종래의 블룸라인 선 펄스 성형회로(100)의 구조를 나타내고 있다. 블룸라인 선 펄스 성형회로(100)에는 3개의 동축 도체 원통이 사용되는데, 동축의 가장 안쪽에 위치한 가운데 도체 원통을 중심도체(130), 중간에 위치한 도체 원통을 중간도체(140), 가장 바깥쪽에 위치한 도체를 외부도체(150)라 한다.1 shows the structure of a conventional Bloomline line
상기 블룸라인 선 펄스 성형회로는 중간도체(140)에 고전압을 인가하여 충전시키고 상기 중간도체(140)와 중심도체(130) 또는 상기 중간도체(140)와 외부도체(150) 사이에 스위치(120)를 개입시켜 이 스위치(120)를 통전 시킴으로써 중심도체(130)와 외부도체(150) 사이에 고전압 펄스를 발생시키며, 펄스의 상승시간을 더욱 단축시키기 위하여 출력단의 중심도체와 부하 사이에 추가로 스위치(160)를 설치하는 방법을 사용한다.The bloomline line pulse shaping circuit is charged by applying a high voltage to the
상기 중간도체(140)가 고전압 발생장치(110)에 의해 충전되는 동안, 중심도체(130)와 외부도체(150)는 접지되어 있어야 하는데, 외부도체(150)는 직접 접지되어 있으며, 중심도체(130)는 외부도체(150)에 연결된 상기 인덕터(180)를 통해 접지되어 있다. 만약 상기 중심도체(130)와 외부도체(150)를 일반 도선을 연결하여 접지시키면, 중심도체(130)에 고전압이 인가될 경우에 상기 도선을 따라 고전압이 외부도체(150)로 빠져나가게 된다.While the
따라서, 이를 방지하기 위해 상기 충전용 인덕터(180)를 사용한다. 교류에서의 인덕터의 리액턴스는 X = ωL 로 나타낼 수 있는데, 교류의 주파수가 높아질수록 리액턴스가 증가하게 된다. 따라서 상기 충전용 인덕터(180)는 중간도체(140)가 충전되는 동안에는 중심도체(130)를 접지된 외부도체(150)와 연결시킴으로 접지시키고, 중심도체(130)로 고전압 펄스가 전달되는 동안에는 높은 리액턴스로 인하여 개방회로가 되는 역할을 한다. 즉, 평상시에는 중심도체(130)를 접지시키는 역할을 하다가, 고주파 전원이 인가될 경우에는 순간적으로 개방회로가 된 것과 같은 효과를 가져다준다.Therefore, the
한편, 중간도체에 펄스 고전압을 인가하기 위한 고전압 발생장치(110)로 주로 펄스트랜스나 막스발생기(Marx Generator)를 사용한다. 펄스트랜스나 막스발생기를 이용하여 중간도체(140)에 수백 kV의 전압을 인가하면 중간도체(140)와 접지된 중심도체(130) 또는 접지된 외부도체(150) 사이에 높은 전계가 형성되어 절연파괴가 발생할 수 있는데, 이를 방지하기 위하여 각 도체들 사이에 기체 또는 액체 절연물(유전체, 170)을 채우게 된다. 대표적인 유전체로는 공기, SF6(육플루오린화 황) 가스, 물(순수), 절연유가 사용된다.On the other hand, a
그러나 상기 유전체들은 여러 가지 단점을 지니고 있다. 먼저 펄스 전원장치의 크기가 커진다는 점이다. 이들 유전체의 유전율과 절연내력을 고려하여 블룸라인 선의 형상을 결정하게 되는데, 수 나노초, 수백 kV의 고전압 펄스를 발생시키기 위해서는 절연거리를 확보하기 위하여 각 도체 사이의 거리를 늘려야 하므로 전체 시스템의 크기가 커지게 된다.However, these dielectrics have various disadvantages. Firstly, the size of the pulse power supply increases. The shape of the bloom line is determined by considering the dielectric constant and dielectric strength of these dielectrics. In order to generate high voltage pulses of several nanoseconds and hundreds of kV, the distance between each conductor must be increased to secure the insulation distance. It becomes bigger.
또한, 유전체의 관리가 어려운 문제가 발생할 수 있다. 예를 들어, 물(순수(純水))을 사용하는 경우에는 물 내부에 존재하는 이온으로 인하여 전기전도성이 증가하고 저항율이 감소하여 절연내력이 떨어질 수 있는데, 이에 대하여 항상 저항율을 매우 높게 유지하기 위해 순수 제조장치를 사용하여 물을 지속적으로 순환시켜야 한다. 그리고 절연유를 사용하는 경우에는 유중의 가스가 발생하여 절연 내력이 떨어질 수가 있으며, 이에 따라 절연유를 주기적으로 교체해주어야 한다. 이와 같은 번거로운 작업들은 고전압 펄스전원장치의 유지 및 관리를 어렵게 한다.In addition, a problem of difficult management of the dielectric may occur. For example, in the case of using water (pure water), ions in the water may increase the electrical conductivity and decrease the resistivity due to the decrease in resistivity. For this reason, the pure water production unit must be used to continuously circulate the water. In the case of using the insulating oil, the gas in the oil may be generated to reduce the insulation strength, and thus the insulating oil should be replaced periodically. These cumbersome tasks make it difficult to maintain and manage high voltage pulsed power supplies.
따라서, 본 발명이 속하는 기술분야에서는 상기 언급한 펄스 전원장치의 크기가 커지고, 유전체의 관리가 어려운 종래 기술의 불편함이 있어 이러한 문제점을 해결하고 유지 관리가 용이한 소형화된 펄스 전원장치의 개발이 요구되고 있다고 할 수 있다.
Therefore, in the technical field to which the present invention belongs, the size of the above-mentioned pulse power supply is increased, and there is an inconvenience of the prior art, which is difficult to manage the dielectric, thereby solving this problem and developing a miniaturized pulse power supply that is easy to maintain. It can be said that it is required.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점들을 해결하는데 그 목적이 있는 발명으로서, 동축형 블룸라인 선 펄스 발생장치의 각 도체 사이를 고체 절연물(유전체)로 채움으로 절연 내력을 확보하면서 소형화된 고전압 펄스 전원장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has an object thereof to solve the problems described above. The high voltage pulsed power supply device has been miniaturized while securing insulation strength by filling a solid insulator (dielectric) between the conductors of the coaxial Bloomline line pulse generator. The purpose is to provide.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 블룸라인 선 고전압 펄스 발생장치(200)는, 중심도체(240), 중간도체(242), 외부도체(244)로 구성된 3개의 도체 원통; 상기 중간도체(242)와 상기 중심도체(240) 사이에 연결된 고속스위치(230); 상기 중심도체(240)와 상기 외부도체(244) 사이에 연결된 충전용 인덕터(270); 상기 고전압 펄스 발생장치 양 끝단에 위치한 절연체 외함(280, 282); 상기 3개의 도체 원통 사이에 개입되도록 형성되는 고체절연체(250); 상기 고전압 펄스 발생장치 양 끝단의 상기 절연체 외함(280, 282) 내부에서 상기 고체절연체(250)의 양 끝단과 접촉하며 고속스위치(230) 및 충전용 인덕터(270) 사이에 채워지는 절연유(252, 254)를 포함하며; 상기 고체 절연체(250)는 폴리머 고체절연물인 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the bloom line high
또한, 상기 폴리머 고체절연물은, 바람직하게는 캡톤(Kapton), 마일러(Mylar), 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 테프론으로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the polymer solid insulator is preferably characterized in that it comprises at least one material selected from the group consisting of Kapton, Mylar, polyethylene, polypropylene, Teflon.
본 발명의 다른 실시예에 따라, 상기 고체절연체(250)가 상기 절연유(262, 264)와 맞닿는 양쪽 끝은 원뿔기둥 형상으로 구성되어 상기 절연유(262, 264)에 노출된 상기 외부도체(244), 중간도체(242) 및 중심도체(240)의 끝단부 사이의 절연거리를 증가시키는 것을 특징으로 한다.According to another exemplary embodiment of the present invention, both ends of the
또한, 상기 고체절연체(250)가 상기 절연유(252)와 맞닿는 전단부(262)의 단면은 굴곡(263)을 이루도록 구성되어 상기 절연유에 노출된 상기 외부도체(244), 상기 중간도체(242) 및 상기 중심도체(240)의 끝단부 사이의 절연거리를 증가시키는 것을 특징으로 한다.In addition, the cross section of the
본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 상기 중간도체(242)는 상기 중심도체(240)와 상기 외부도체(244) 사이에서 상기 중심도체(240) 및 상기 외부도체(244)와 동축으로 형성된 나선형 금속테이프(243)로 이루어진 것을 특징으로 한다.
According to another embodiment of the present invention, the
본 발명에서 제공하는 고체 유전체(절연체)를 활용한 불룸라인 선 고전압 펄스 발생장치는 다음과 같은 장점이 있다.Bloom line high voltage pulse generator using the solid dielectric (insulator) provided by the present invention has the following advantages.
첫째, 불룸라인 선 고전압 펄스 발생장치의 유전체로서 기존의 기체나 액체가 아닌 고체절연체를 사용함으로, 절연 내력을 유지하면서 펄스 발생장치의 크기를 대폭 줄일 수 있다.First, by using a solid insulator, not a gas or liquid, as a dielectric of the plumline line high voltage pulse generator, the size of the pulse generator can be greatly reduced while maintaining the dielectric strength.
둘째, 유전체의 관리를 위해 추가적인 장치나 작업이 필요하여 유전체의 관리가 어려운 종래 기술과는 달리, 고체 절연체를 사용함으로 유전체의 관리에 드는 비용 및 시간을 대폭 감소시킬 수 있는 효과가 있다.Second, unlike the prior art in which it is difficult to manage the dielectric because additional equipment or work is required for managing the dielectric, the use of a solid insulator can significantly reduce the cost and time required for managing the dielectric.
셋째, 소형 이동형의 블룸라인 선 고전압 펄스 성형장치가 제공됨으로써 나노초급의 초고압 펄스를 이용하는 다양한 기기의 전체시스템의 크기가 줄어든다.
Third, by providing a small portable bloomline line high voltage pulse shaping device, the size of the entire system of various devices using nanosecond class ultra high voltage pulses is reduced.
도 1은 종래 블룸라인 선(Blumlein Line) 성형회로의 구조를 나타낸 단면도이고,
도 2는 본 발명에 따른 블룸라인 선(Blumlein Line) 성형회로의 구조를 나타낸 단면도이고,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 성형회로의 충전용 인덕터를 나타낸 측면도이고,
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 나선형 금속테이프로 구성된 중간도체를 나타낸 투시도이고,
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고체 절연체 끝단의 단면을 나타낸 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional bloom line line (Blumlein Line) forming circuit,
2 is a cross-sectional view showing the structure of a Bloomline Line forming circuit according to the present invention;
3 is a side view showing a charging inductor of a molded circuit according to an embodiment of the present invention,
4 is a perspective view showing an intermediate conductor composed of a helical metal tape according to another embodiment of the present invention,
5 is a cross-sectional view showing a cross section of a solid insulator end according to another embodiment of the present invention.
본 발명은 고체 절연체를 이용한 블룸라인 선 고전압 펄스 발생장치에 관한 것으로서, 종래 기술에서 펄스 발생장치의 절연파괴를 막고 에너지 저장을 위한 유전체 물질로서 기체나 액체를 사용하였던 것과는 달리, 고체 절연체를 유전체로 사용하여 절연 내력을 향상시키고 에너지 저장 매체로 활용함으로써 펄스 발생장치의 크기를 대폭 줄일 수 있는 컴팩트 블룸라인 선 고전압 펄스 발생장치에 대한 것이다.The present invention relates to a Bloomline line high voltage pulse generator using a solid insulator. Unlike the prior art, a solid insulator is used as a dielectric material to prevent breakdown of the pulse generator and use gas or liquid as a dielectric material for energy storage. It is a compact bloom line high voltage pulse generator that can greatly reduce the size of the pulse generator by improving the dielectric strength and using it as an energy storage medium.
이하에서는 첨부된 도 2 내지 도 5를 참조로 하여 본 발명에 따른 고체 절연체를 이용한 컴팩트 블룸라인 선 고전압 펄스 발생장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying Figures 2 to 5 will be described in detail a preferred embodiment of a compact bloomline line high voltage pulse generator using a solid insulator according to the present invention.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고체 절연체를 이용한 컴팩트 블룸라인 선 고전압 펄스 발생장치(200)를 나타내기 위한 도면이다. 상기 블룸라인 선 고전압 펄스 발생장치(200)는 두 개의 스위치와 3개의 동축 도체 원통, 충전용 인덕터 및 절연물로 구성될 수 있다.2 is a view showing a compact bloom line high
상기 3개의 동축 도체 원통 중, 가장 안쪽의 도체 원통을 중심도체(240), 중간에 있는 도체 원통을 중간도체(242), 가장 바깥쪽의 도체 원통을 외부도체(244)라 한다. 상기 중간도체(242)는 고압선(220)을 통해 고전압 발생장치(210)와 연결되어 있으며, 상기 고전압 발생장치로는 펄스트랜스나 막스 발생기가 사용될 수 있다. 중심도체(240)와 중간도체(242)는 고속스위치(230)로 연결되어 있으며, 상기 고속스위치(230)는 중간도체(242)가 최대전압(출력전압)으로 충전되었을 때 동작하여 중심도체(240)로 고주파 펄스를 전달하는 역할을 한다. 한편, 외부도체(244)는 접지되어 있다.Among the three coaxial conductor cylinders, the innermost conductive cylinder is referred to as the
중간도체(242)에 고전압이 인가됨에 따라 동축 원통인 중심도체(240)와 중간도체(242) 사이, 중간도체(242)와 외부도체(244) 사이에는 높은 전계가 발생하게 되는데, 이 전계에너지를 저장하고 도체들 간의 절연 파괴가 일어나는 것을 방지하기 위해 고체절연체(250)를 채운다. 본 발명에서 사용되는 상기 고체절연체(250)는 높은 절연내력과 적정한 유전율(예를 들면, 2~5)을 가지는 고체 물질들이 포함될 수 있으며, 구체적으로 캡톤(Kapton), 마일러(Mylar), 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 테프론 등이 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예는 상기 언급한 물질들에 한정하지 않으며, 본 발명의 목적을 만족시킬 수 있는 범위 내에서 높은 절연내력과 적정한 유전율을 가지는 폴리머 고체절연물들이 사용될 수 있음은 물론이다. 상기 고체절연체는 높은 절연내력과 적정한 유전율을 가짐으로 인하여 절연 파괴가 일어나지 않으면서 중심도체(240)와 중간도체(242) 사이, 중간도체(242)와 외부도체(244) 사이의 간격(gap)을 줄일 수 있게 해준다.As a high voltage is applied to the
상기 중심도체(240)와 출력단의 부하(290) 사이에는 피킹스위치(출력스위치, 260)가 연결되어 있는데, 이는 출력되는 펄스의 상승시간을 더욱 단축시키는 역할을 한다.A peaking switch (output switch) 260 is connected between the
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 충전용 인덕터(270)의 구조를 나타내고 있다. 충전용 인덕터(270)는 고체 절연체의 원뿔기둥형 후면(264)을 코일 모양으로 감싸고 있으며, 인덕터 양단의 한쪽 끝은 중심도체(240)에 다른 한쪽 끝은 외부도체(244)에 연결되어 있다. 충전용 인덕터는 상기 설명한 바와 같이 중간도체(242)가 충전되는 동안에는 중심도체(240)를 접지시키고, 중심도체(240)로 고전압 펄스가 전달되는 동안에는 개방회로가 되는 역할을 한다.3 illustrates a structure of a charging
한편, 본 발명의 실시예에 따라 고체절연체(250)를 사용할 경우, 블룸라인 선 펄스 성형 회로의 내부 전체를 고체절연체(250)로 채워서 가공하는 것은 번거롭고 어려운 일이 될 수 있다. 그것은 스위치 및 충전용 인덕터의 비교적 복잡한 구조 때문 일수 도 있으며, 제조 공정 설계상의 복잡성 때문일 수도 있다. 이러한 방식의 고체절연체 설계는 결과적으로 펄스 성형회로의 제작 비용을 증가시키는 문제점이 있다.On the other hand, when using the
따라서 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 구조적으로 간단한 중심도체(240)와 중간도체(242) 사이, 중간도체(242)와 외부도체(244) 사이만을 고체절연체(250)로 채우고, 나머지 고속스위치(230), 출력스위치(260), 충전용 인덕터(270)가 있는 부분은 액체 물질인 절연유(252, 254)를 유전체로 사용하는 구성상의 특징이 있다. 이러한 구성은 고체절연체(250)의 컴팩트한 구조를 가능하게 하며, 펄스 발생장치의 생산성을 증대시킴은 물론이다. Therefore, in the preferred embodiment of the present invention, between the structurally
블룸라인 선 펄스 성형 회로에서 고속스위치(230)가 있는 부분을 펄스 성형 회로의 전단부, 출력스위치(260)가 있는 부분을 펄스 성형 회로의 후단부라고 할 때, 이처럼 고압단자가 고체절연체(250) 외부로 노출되는 블룸라인 선 펄스 성형 회로의 전단부와 후단부는 상기 설명한 바와 같이 절연유(252, 254)를 채움으로 절연파괴를 막을 수 있다.When the part with the
한편, 동축 도체 원통들의 끝단부가 절연유(252)에 노출되는 고체절연체의 전단부(262)는, 절연내력이 고체절연체보다 약한 절연유를 사용할 경우 절연파괴가 일어날 수 있다. 따라서, 중심도체(240)와 중간도체(242), 중간도체(242)와 외부도체(244) 사이의 절연거리를 증가시키기 위하여 고체절연체의 전단부(262)를 사선으로 가공한다. 이는 중심도체(240)와 외부도체(244)의 끝단부가 절연유(254)에 노출되는 고체절연체의 후단부(264)도 마찬가지이다. 결국, 본 발명의 바람직한 실시예에서 고체 절연체(250)는 원통 형상을 갖되 양 끝단이 원뿔기둥 모양으로 형성된다.On the other hand, the
본 발명의 바람직한 실시예에서, 펄스 발생장치의 양 끝단에는 절연체 외함(280, 282)이 위치한다. 상기 펄스발생장치 전단의 바깥쪽은 절연체 외함(280)이 덮고 있으며, 이 절연체 외함(280) 내부에 절연유(252)가 채워지게 된다. 한편, 펄스 발생장치의 후단부는 외부도체(244)가 고체 절연체(250)보다 길게 연장되며, 상기 연장된 외부도체 원통 끝의 플렌지(테두리)를 따라 절연체 외함(282)이 접합된다. 상기 절연체 외함(282)에 의해 형성된 폐공간 내부 역시 절연유(254)가 채워지게 되며, 출력스위치(260)는 상기 절연체 외함(282)에 관통 형성되어 부하(290)와 연결된다.In a preferred embodiment of the invention,
본 발명이 목적으로 하는 컴팩트 블룸라인 선 고전압 펄스 발생장치를 만들기 위해 추가적인 구성이 사용될 수 있다.Additional arrangements can be used to make compact bloomline line high voltage pulse generators for the purposes of the present invention.
도 4는 본 발명의 다른 실시예로서 중간도체의 형상을 나타내고 있다. 앞서 설명한 실시예에서 중간도체가 동축의 원통으로 구성된 것과 달리, 본 실시예에서의 중간도체는 금속테이프(243)를 이용하여 구성된다. 중심도체를 감싸고 있는 고체절연체의 원통형 옆면에 상기 금속테이프(243)를 나선형으로 감는다. 상기 나선형 금속테이프는 중심도체(240) 및 외부도체(244)와 동축을 이루고 있으며, 상기 중심도체(240)와 외부도체(244)의 사이에 위치한다. 나선형 금속테이프의 한쪽 끝은 고전압 발생장치(210)로부터 고전압을 인가받을 수 있도록 고압선(220)에 연결되어 있다. 이렇게 구성된 나선형 금속테이프(243)에서 금속테이프의 길이가 중간도체의 실질적인 길이가 되는데, 상기 금속테이프(243)가 나선형으로 감겨 있으므로 같은 길이의 펄스를 발생시키면서 블룸라인 선의 길이를 더욱 감소시키는 것이 가능하다.Figure 4 shows the shape of the intermediate conductor as another embodiment of the present invention. In the above-described embodiment, the intermediate conductor is constructed of a coaxial cylinder, whereas the intermediate conductor of the present embodiment is constructed using the
본 발명의 또 다른 실시예로서, 도 5에 나타낸 바와 같이 절연유와 접촉하는 고체절연체의 단면이 굴곡(263)을 이루도록 만들 수 있다. 도 5에서는 사인파(Sine) 형태의 굴곡을 나타내었으나, 이러한 굴곡 외에도 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 용이하게 유추할 수 있는 다른 형태의 굴곡도 적용될 수 있음은 물론이다. 이렇게 할 경우 절연유에 접촉하는 중심도체(240)와 중간도체(242), 중간도체(242)와 외부도체(244) 사이의 절연거리를 더욱 증가시켜 절연파괴를 방지할 수 있다.As another embodiment of the present invention, as shown in FIG. 5, the cross section of the solid insulator in contact with the insulating oil may be formed to bend 263. Figure 5 shows a sinusoidal (Sine) form of curvature, in addition to the curvature of this invention can be applied to other forms of curvature that can be easily inferred by those skilled in the art. In this case, the insulation distance between the
본 발명의 구성에 따른 컴팩트 고전압 펄스 발생장치의 동작과정을 설명하면 다음과 같다.Referring to the operation of the compact high voltage pulse generator according to the configuration of the present invention.
고전압 발생장치(펄스트랜스 또는 막스발생기, 210)에서 고전압을 발생시키면 고전압이 고압선(220)을 통해 블룸라인 선 펄스 성형 회로의 중간도체(242)에 인가된다. 중간도체(242)가 최대전압(출력전압)으로 충전되면 중간도체(242)와 중심도체(240) 사이에 있는 고속스위치(230)가 동작한다. 고속스위치(230)가 동작하면 중심도체(240)를 통하여 나노초에서 수십 나노초의 펄스가 전달된다. 이때, 충전용 인덕터(270)는 일시적으로 개방된 상태처럼 되어 중심도체(240)에 인가된 고전압이 외부도체(244)로 빠져나가는 것을 방지한다. 한편, 중심도체(240)와 부하(290) 사이에 설치된 피킹스위치(출력스위치, 260)는 출력되는 펄스의 상승시간을 더욱 단축시킨다.When a high voltage is generated in the high voltage generator (pulse transformer or the max generator) 210, the high voltage is applied to the
출력스위치(260)를 나온 고전압 펄스는 부하(290)에 전달되어 원하는 작용을 하게 된다. 부하(290)로 연결된 장치에 따라 전자빔 발생장치, 레이저 발생전원, 초고주파 발생전원 등으로 다양하게 활용될 수 있다.The high voltage pulse from the
이하 종래의 액체 및 기체절연체를 사용한 펄스 발생장치에 대한 비교예와 본 발명에 따른 고체절연체를 사용한 펄스 발생장치의 실시예를 구체적으로 대비한 비교데이터를 통해 본 발명의 효과를 설명하기로 한다.Hereinafter, the effect of the present invention will be described through comparative data comparing a comparative example of a pulse generator using a conventional liquid and gas insulator and an embodiment of a pulse generator using a solid insulator according to the present invention.
먼저, 비교데이터를 제공하기 위하여 펄스 성형회로를 설계하는데 필요한 기본적인 수식들을 살펴보기로 한다. 블룸라인 펄스 성형 회로를 설계하기 위해서는 기본적으로 세 개의 동축 도체 원통의 형상을 결정하여야 한다. 먼저, 얻고자 하는 펄스의 사양이 주어져야 하는데, 펄스의 폭(T=2τ, τ:특성시간), 출력전압(Vout), 특성임피던스(Z0=1/2ZL, ZL:부하 임피던스)가 초기의 조건으로 주어진다.First, the basic equations required to design a pulse shaping circuit to provide comparative data will be described. To design a bloomline pulse shaping circuit, the shape of three coaxial conductor cylinders is basically determined. First, the specification of the pulse to be obtained should be given. The width of the pulse (T = 2τ, τ: characteristic time), output voltage (V out ), characteristic impedance (Z 0 = 1 / 2Z L , Z L : load impedance) Is given as an initial condition.
동축 원통의 길이(l)는 원통사이를 채우는 유전체(절연물)에 따라 다음 식으로 주어진다.The length l of a coaxial cylinder is given by the following equation depending on the dielectric material (insulation) filling between the cylinders.
여기서, c0는 진공중의 빛의 속도이며, εr은 유전체의 유전율을 나타낸다.Where c 0 is the speed of light in a vacuum and ε r represents the dielectric constant of the dielectric.
종래 기술에 사용된 물질 및 본 발명의 실시예로 사용된 여러 가지 물질의 유전율 및 절연내력은 아래 표 1과 같다.The dielectric constant and dielectric strength of materials used in the prior art and various materials used in the embodiments of the present invention are shown in Table 1 below.
출처: H.Bluhm. "Pulsed Power Systems", Springer (2006)
Source: H.Bluhm. "Pulsed Power Systems", Springer (2006)
또한, 동축 원통이 가진 커패시턴스(C)는 다음 식으로 구하여진다.In addition, the capacitance C of the coaxial cylinder is obtained by the following equation.
여기서, ε0는 진공의 유전율을 나타내며, R1, R2, R3는 각각 중심도체, 중간도체, 외부도체의 반경에 해당한다. 상기 수학식 2를 이용하면 각 도체 원통의 상대적 크기(R3/R2, R2/R1)를 결정할 수 있다. 다만, 여기에서 식을 간단히 하기 위해 중간도체의 두께는 무시하였다. 시스템의 실제 크기를 고려하여 R3 또는 R1을 결정하면 나머지 두 개의 원통의 반경이 계산된다.Here, ε 0 represents the dielectric constant of vacuum, and R 1 , R 2 , and R 3 correspond to the radius of the center conductor, the intermediate conductor, and the outer conductor, respectively. Using Equation 2, the relative sizes (R 3 / R 2 , R 2 / R 1 ) of each conductive cylinder can be determined. However, for the sake of simplicity, the thickness of the intermediate conductor is ignored. If R 3 or R 1 is determined by considering the actual size of the system, the radius of the other two cylinders is calculated.
이제 다음으로 고려하여야 할 사항은, 위에서 결정한 도체 원통들의 크기 및 도체 사이의 절연물이 원하는 전압을 발생시키기 위하여 절연 내력을 충분히 갖는지를 점검해보아야 한다. 동축 원통 구조에서 발생할 수 있는 최대전계가 절연물의 절연내력(절연파괴 전계)보다 충분히 작아야 펄스성형회로로서 정상적으로 작동할 수 있다.The next thing to consider now is to check that the size of the conductor cylinders determined above and that the insulation between the conductors have sufficient dielectric strength to generate the desired voltage. The maximum electric field that can occur in the coaxial cylindrical structure must be sufficiently smaller than the dielectric strength (insulation breakdown field) of the insulator in order to operate normally as a pulse molding circuit.
절연파괴 전계는 공기의 경우 약 30kV/cm가 되며, 폴리머 계통의 고체 절연체는 수백 kV/cm가 되고, 액체 유전체의 경우 펄스폭이 수 마이크로초(㎲) 일 때 아래의 식으로 주어진다.The dielectric breakdown field is about 30 kV / cm for air, the polymer solid insulator is hundreds of kV / cm, and for liquid dielectrics, the pulse width is several microseconds.
여기서, t(㎲)는 펄스 폭, A(cm2)은 고압인가 전극의 면적을 가리키며, k±는 상수로서 절연유에 대해서는 0.5이며, 물의 경우 양의 고전압에서는 0.3 음의 고전압에서는 0.6의 값을 가진다. 절연파괴 전압은 상기 절연파괴 전계에 각 동축 원통간의 갭간격(R2-R1 or R3-R2)을 곱하여 구할 수 있다.Where t (㎲) is the pulse width, A (cm 2 ) is the area of the high-voltage applied electrode, k ± is a constant, 0.5 for insulating oil, 0.3 for positive high voltage and 0.6 for high voltage for water. Have The dielectric breakdown voltage can be obtained by multiplying the dielectric breakdown electric field by the gap interval (R 2 -R 1 or R 3 -R 2 ) between each coaxial cylinder.
한편, 펄스 성형회로의 안전계수(safety factor)를 아래의 식으로 정의할 수 있다.On the other hand, the safety factor (safety factor) of the pulse shaping circuit can be defined by the following equation.
안전계수가 1보다 클 때에는 인가전압이 절연파괴 전압보다 작으므로 그 절연물은 절연파괴가 발생하지 않아 안전하게 동작할 수 있다. 반면, 이값이 1보다 작을 때에는 절연파괴가 발생하므로 펄스성형 회로로서 사용할 수 없게 된다.If the safety factor is greater than 1, since the applied voltage is less than the breakdown voltage, the insulation can be operated safely because no breakdown occurs. On the other hand, when this value is smaller than 1, insulation breakdown occurs, and thus it cannot be used as a pulse molding circuit.
아래 표2는 펄스폭 5ns, 출력전압 300kV, 부하 임피던스 50Ω의 블룸라인 선 펄스 성형 회로를 설계한 것을 보여주고 있다. 소형의 펄스성형 회로를 구현하기 위하여 외부원통(244)의 반경을 5cm로 제한하였으며, 대조군으로서 공기, 물(순수), 절연유를 절연물(유전체)로 사용한 결과와, 본 발명의 실시예로서 고체절연체를 사용한 결과의 비교데이터를 나타내고 있다. 여기서 진공의 유전율 ε0는 8.85E-12(F/m), 빛의 속도 c0는 3.00E+08, 원주율 π는 3.141592이며, 원통의 커피시턴스(C)는 1E-10(F)으로 하였다.Table 2 below shows the design of a bloomline line pulse shaping circuit with a pulse width of 5ns, an output voltage of 300kV, and a load impedance of 50Ω. In order to implement a compact pulse forming circuit, the radius of the
parameter
unit
(순수)water
(pure)
에틸렌Poly
Ethylene
(ln(R_o/R_i))The logarithm of the radius ratio
(ln (R_o / R_i))
면적(A_out)Of external high pressure applied electrode
Area (A_out)
면적(A_in)Internal high pressure of the electrode
Area (A_in)
절연파괴
전계(E_break_out)Outer to middle cylinder
Breakdown
Electric field (E_break_out)
30.0
30.0
291.8
291.8
194.9
194.9
2750.0
2750.0
2000.0
2000.0
1770.0
1770.0
3780.0
3780.0
590.0
590.0
kV/cm
kV / cm
절연파괴
전계(E_break_in)Inner to middle cylinder
Breakdown
Electric field (E_break_in)
30.0
30.0
424.7
424.7
207.4
207.4
2750.0
2750.0
2000.0
2000.0
1770.0
1770.0
3780.0
3780.0
590.0
590.0
kV/cm
kV / cm
절연파괴
전압(V_break_out)Outer to middle cylinder
Breakdown
Voltage (V_break_out)
51.2
51.2
1424.9
1424.9
449.6
449.6
7517.7
7517.7
4828.4
4828.4
4082.4
4082.4
9125.7
9125.7
1338.0
1338.0
kV
kV
절연파괴
전압(V_break_in)Inner to middle cylinder
Breakdown
Voltage (V_break_in)
33.7
33.7
48.6
48.6
257.7
257.7
3407.5
3407.5
2497.1
2497.1
2199.2
2199.2
4719.4
4719.4
731.1
731.1
kV
kV
안전계수(sf_out)Outer to middle cylinder
Safety Factor (sf_out)
안전계수(sf_in)Inner to middle cylinder
Factor of Safety (sf_in)
표에서 알 수 있는 바와 같이, 공기의 경우 검출된 안전계수가 0.1 정도여서 사용할 수가 없고, 물(순수)을 유전체로 사용하는 경우 원통의 형상이 비현실적(반경이 1mm 이하)으로 되어 제작이 불가능하다. 절연유의 경우 회로의 외부(중간원통과 외부원통 사이)에 대해서는 안전계수가 1.5로서 가능하나, 내부(중간원통과 중심원통 사이)는 안전계수가 0.9로서 절연에 문제가 발생할 수 있다. 반면, 고체 절연체인 캡톤(Kapton), 마일러(Myler), 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 테프론을 사용하는 경우 도체들의 형상이 제작 가능한 수준이고, 안전계수도 회로의 내부 및 외부에서 1 이상의 값을 가지므로 충분한 절연내력을 가짐을 알 수 있다.As can be seen from the table, it is impossible to use air because the detected safety factor is about 0.1, and when water (pure water) is used as the dielectric, the shape of the cylinder becomes impractical (radius less than 1mm), making it impossible to manufacture. . In the case of insulating oil, the safety factor is 1.5 for the outside of the circuit (between the intermediate cylinder and the outer cylinder), but the safety factor for the inside (between the intermediate cylinder and the center cylinder) is 0.9, which may cause insulation problems. On the other hand, when using Kapton, Myler, polyethylene, polypropylene, and Teflon as solid insulators, the shape of the conductors can be manufactured, and the safety factor can be more than 1 inside and outside the circuit. It can be seen that it has sufficient dielectric strength.
나아가, 상기 설명한 바와 같이 원통 구조의 중간도체(242)를 나선형의 금속테이프(243)로 대체하면 같은 길이의 펄스를 발생시키면서 블룸라인 선의 길이를 더욱 감소시키는 것이 가능하다.Further, as described above, by replacing the
이상에서는 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 설명하였으나, 당업자라면 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정, 변경을 할 수 있다. 따라서 본 발명의 상세한 설명 및 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에 속한 사람이 용이하게 유추할 수 있는 것은 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 해석된다.
In the above described the present invention through specific embodiments, those skilled in the art can make modifications, changes without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, what can be easily inferred by the person of the technical field to which this invention belongs from the detailed description and the Example of this invention is interpreted as belonging to the scope of the present invention.
200 : 블룸라인 선 고전압 펄스 발생장치 210 : 고전압 발생장치
220 : 고압선 230 : 고속스위치
240 : 중심도체 242 : 중간도체
243 : 금속테이프 244 : 외부도체
250 : 고체절연체 252, 254 : 절연유
260 : 출력스위치 262 : 고체절연체 전단부
263 : 고체 절연체 단면의 굴곡 264 : 고체절연체 후단부
270 : 충전용 인덕터 280, 282 : 절연체 외함
290 : 부하200: bloom line high voltage pulse generator 210: high voltage generator
220: high voltage cable 230: high speed switch
240: center conductor 242: intermediate conductor
243: metal tape 244: outer conductor
250:
260: output switch 262: front end of the solid insulator
263: bending of the cross section of the solid insulator 264: rear end of the solid insulator
270: charging
290: load
Claims (6)
중심도체(240), 중간도체(242), 외부도체(244)로 구성된 3개의 도체 원통;
상기 중간도체(242)와 상기 중심도체(240) 사이에 연결된 고속스위치(230);
상기 중심도체(240)와 상기 외부도체(244) 사이에 연결된 충전용 인덕터(270);
상기 고전압 펄스 발생장치 양 끝단에 위치한 절연체 외함(280, 282);
상기 3개의 도체 원통 사이에 개입되도록 형성되는 고체절연체(250);
상기 고전압 펄스 발생장치 양 끝단의 상기 절연체 외함(280, 282) 내부에서 상기 고체절연체(250)의 양 끝단과 접촉하며 고속스위치(230) 및 충전용 인덕터(270) 사이에 채워지는 절연유(252, 254)를 포함하며;
상기 고체 절연체(250)는 폴리머 고체절연물인 것을 특징으로 하는 블룸라인 선 고전압 펄스 발생장치.
In the bloom line high voltage pulse generator 200,
Three conductor cylinders including a center conductor 240, an intermediate conductor 242, and an outer conductor 244;
A high speed switch 230 connected between the intermediate conductor 242 and the center conductor 240;
A charging inductor 270 connected between the center conductor 240 and the outer conductor 244;
Insulator enclosures 280 and 282 located at both ends of the high voltage pulse generator;
A solid insulator 250 formed to intervene between the three conductor cylinders;
Insulating oil 252, which is in contact with both ends of the solid insulator 250 and filled between the high speed switch 230 and the charging inductor 270, in the insulator enclosures 280 and 282 at both ends of the high voltage pulse generator. 254);
The solid insulator 250 is a bloom line high voltage pulse generator, characterized in that the polymer solid insulator.
상기 블룸라인 선 고전압 펄스 발생장치(200)는 상기 중심도체(240)와 부하(290) 사이에 연결된 출력스위치(260)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 블룸라인 선 고전압 펄스 발생장치.
The method according to claim 1,
The bloom line high voltage pulse generator 200 further comprises an output switch 260 connected between the center conductor 240 and the load 290.
상기 폴리머 고체절연물은 캡톤(Kapton), 마일러(Mylar), 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 테프론으로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 블룸라인 선 고전압 펄스 발생장치.
The method according to claim 1 or 2,
The polymer solid insulator includes at least one material selected from the group consisting of Kapton, Mylar, polyethylene, polypropylene, and Teflon.
상기 고체절연체(250)가 상기 절연유(262, 264)와 맞닿는 양쪽 끝은 원뿔기둥 형상으로 구성되어 상기 절연유(262, 264)에 노출된 상기 중심도체(240), 중간도체(242) 및 외부도체(244)의 끝단부 사이의 절연거리를 증가시키는 것을 특징으로 하는 블룸라인 선 고전압 펄스 발생장치.
The method according to claim 3,
Both ends of the solid insulator 250 contacting the insulating oils 262 and 264 have a conical column shape, and the center conductor 240, the intermediate conductor 242, and the outer conductor exposed to the insulating oils 262 and 264. Bloom line line high voltage pulse generator, characterized in that for increasing the insulating distance between the ends of (244).
상기 고체절연체(250)가 상기 절연유(252)와 맞닿는 전단부(262)의 단면은 굴곡(263)을 이루도록 구성되어 상기 절연유에 노출된 상기 중심도체(240), 중간도체(242) 및 외부도체(244)의 끝단부 사이의 절연거리를 증가시키는 것을 특징으로 하는 블룸라인 선 고전압 펄스 발생장치.
The method of claim 4,
The cross section of the front end portion 262 in which the solid insulator 250 is in contact with the insulating oil 252 is configured to form a bend 263 to expose the center conductor 240, the intermediate conductor 242, and the outer conductor exposed to the insulating oil. Bloom line line high voltage pulse generator, characterized in that for increasing the insulating distance between the ends of (244).
상기 중간도체(242)는 상기 중심도체(240)와 상기 외부도체(244) 사이에서 상기 중심도체(240) 및 상기 외부도체(244)와 동축으로 형성된 나선형 금속테이프(243)로 이루어진 것을 특징으로 하는 블룸라인 선 고전압 펄스 발생장치.
The method according to claim 3,
The intermediate conductor 242 is composed of a spiral metal tape 243 formed coaxially with the center conductor 240 and the outer conductor 244 between the center conductor 240 and the outer conductor 244. Bloomline line high voltage pulse generator.
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