KR20150023015A

KR20150023015A - 스파크 갭

Info

Publication number: KR20150023015A
Application number: KR1020157000984A
Authority: KR
Inventors: 올리버 헤이드; 티모시 휴즈; 제니퍼 서틀
Original assignee: 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2012-06-14
Filing date: 2012-06-14
Publication date: 2015-03-04
Also published as: WO2013185824A1; EP2839499B1; KR101689486B1; CN104364875B; CN104364875A; US20150187539A1; RU2608364C2; JP2015526838A; US9679737B2; EP2839499A1; RU2015100885A

Abstract

본 발명은 캐소드(12) 및 애노드(11)를 포함하는 스파크 갭에 관한 것이다. 본 발명에 따라, 상기 스파크 갭은 중앙 피스(13)에 의해 2개의 부분 스파크 갭, 즉, 고압 스파크 갭(14) 및 가용 스파크 갭(15)으로 나누어진다. 예를 들어, 단색 X-선(26)을 생성하기 위해 상기 가용 스파크 갭(15)이 이용된다. 정의된 스위칭 시간을 보장하기 위해, 정의된 전압으로 초기에 스위칭되도록 고압 스파크 갭(14)이 이용된다. 중앙 피스 상에 매우 높은 전위를 스위칭하여, 고압 스파크 갭(14)이 스위칭 될 때 큰 지연이 없이 정의된 방식에서 분명하게 더 높은 전압으로 가용 스파크 갭(15)이 스위칭 될 수 있게 된다.

Description

스파크 갭{SPARK GAP}

본 발명은 애노드(anode) 및 캐소드(cathode)를 포함하는 스파크 갭에 관한 것이다.

처음에 특정되는 타입의 스파크 갭은, 예를 들어, 독일 특허 출원 제2 259 382호에 설명되어 있다. 이는 스파크 갭을 이용하여 X-방사선을 생성하는 X-방사선 소스이다. 이 스파크 갭은 애노드 및 캐소드를 포함하는데, 여기서, 애노드는 X-방사선을 생성하기 위한 표적(target)으로서 이용된다. 스파크 갭에 아크가 점화되면 X-방사선이 생성되는데, 아크는 표적을 여기시켜 X-방사선이 방출되도록 유도한다.

X-방사선의 애플리케이션에 있어서, 스파크 갭이, 정의 가능한 점화 포인트(striking point)를 갖는 것이 바람직할 것이다. 그에 따라, 본 발명의 목적은 정의 가능한 점화 포인트가 구현될 수 있는 스파크 갭을 구체화하는 것으로 구성된다.

본 발명에 따라 처음에 명시된 스파크 갭은, 중앙 피스에 의해 서로 연결되는 고압 스파크 갭(high-pressure spark gap) 및 가용 스파크 갭(useful spark gap)을 포함함으로써 이러한 목적이 달성된다. 이 경우에, 캐소드와 중앙 피스 사이에 스파크 갭이 형성된다. 중앙 피스는 전기 저항이 제공된 선을 통해 애노드에 연결된다. 가용 스파크 갭은 중앙 피스와 애노드 사이에 형성된다. 이 배열은 이롭게도 잘 정의된 점화 포인트를 가능하게 하고, 상기 점화 포인트는 다음 점화 매커니즘에 따라 보장된다.

고압 스파크 갭 및 가용 스파크 갭의 배열은 직렬 회로이다. 그러나, 중앙 피스는 저항을 통해 애노드로 연결된다. 가용 스파크 갭을 점화하기 위해, 전체 배열에 상승 전압이 인가된다. 고압 스파크 갭은 고압에서의 가스로 채워지기 때문에, 여기서 상대적으로 높은 섬락(flashover) 전위가 보장된다. 이 때, 가용 스파크 갭이 중앙 피스와 연결되고 접지에 연결된 것과 동일하게 되기 때문에, 전압이 상승하더라도 스위칭 관련 차분 전위가 더 이상 제공되지 않는다. 고압 스파크 갭의 상대적으로 정의된 스위칭 포인트에 도달되자마자 상기 스파크 갭이 점화된다. 고압 스파크 갭에서의 섬락 동안, 캐소드와 중앙 피스의 저-임피던스 연결과 동일한 아크가 형성된다. 그에 따라, 가용 스파크 갭에 갑자기 전위가 제공되게 되는데, 이것은 가용 스파크 갭의 요구 점화 전위보다 현저하게 높다. 따라서, 개시되는 연쇄 반응으로 인해 정의된 시간에서 신뢰성있게 상기 가용 스파크 갭이 점화된다. 고압 스파크 갭이 점화됨으로써, 요구 전압이 즉시 이용가능하게 된다(전압-시간 곡선의 상승 레이트가 매우 높음).

본 발명의 한 구성에 따라, 저항은 100 내지 1000MΩ의 값을 갖는다. 이 경우에, 높은 저항으로 인해 중앙 피스에서 애노드로 연결되는 선을 따라 제공 전압이 감소되지 않기 때문에, 가용 스파크 갭의 스위칭이 발생하는 것이 보장된다.

본 발명의 다른 구성에 따라, X-방사선을 생성하기 위한 가용 스파크 갭이 제공된다. X-방사선을 생성하기 위한 표적으로서 애노드가 이용된다. 그에 따라, X-방사선은 정의된 스위칭 시간에서 이용가능하도록 만들어질 수 있다. 이것은 다양한 애플리케이션들을 위한 중요한 전제 조건이다. 예를 들어, 플래시 X-방사선 소스에서와 같이 촬영 방법으로써 X-방사선이 이용될 수 있다.

본 발명의 특정 구성에 따라, 단색 X-방사선을 생성하는 데 애노드가 이용될 수 있도록 제공된다. 가용 스파크 갭이 단색 X-방사선을 생성하기 위해 이용되는 경우에, 생성을 위한 충분히 높은 펄스가 바람직하게 이용가능하게 됨으로써, 단색 X-방사선이 추구하는 검사 목적에 충분할 정도로 이용가능하게 된다. 예를 들어, 알루미늄 또는 다른 경금속을 포함하는 매우 얇은 금속 박막이, 예를 들어, 표적으로서 이용되는 경우에, 단색 X-방사선이 생성될 수 있다. 또한 표적 물질(target material)로서 란타노이드가 이용될 수 있다. 애플리케이션의 의미에서, 경금속은 5g/cm³ 이하의 밀도를 갖는 금속 및 합금을 나타내는 데 이용된다. 구체적으로, 이러한 정의는 다음 경금속들 - 모든 알칼리 금속들, 라듐을 제외한 모든 알칼리성 토류 금속들, 또한 스칸듐, 이트륨, 티타늄 및 알루미늄 - 에 적용된다. 표적을 형성하기 위한 다른 바람직한 물질 그룹은 텅스텐, 몰리브덴 및 란타노이드 그룹이다. 구체적으로, 란타노이드 그룹은 주기율표에서 란타늄 원소 및 란타늄 다음에 있는 14개의 원소들이다.

기술적으로 X-방사선 소스를 구현하기 위해, 가용 스파크 갭이 배기가능 하우징(evacuable housing)에 수용된다면 바람직할 것이다 - 여기서, 배기가능 하우징 내에 X-방사선에 대한 투명창이 제공되고, 배기가능 하우징으로부터 X-방사선이 결합 방출(coupled out)될 수 있음 -. 애노드에 의해 가속화된 전자의 흐름을 정전기적으로 둔화시키는 목적으로 컬렉터(collector)가 제공되고, 그에 따라, 컬렉터 상의 전자들의 영향이 있는 경우에, 운동 에너지가 제동 복사(bremsstrahlung)를 생성하는 데 필요한 레벨 이하가 되는 정도로 운동 에너지를 뽑아낸다. 이러한 방식으로, 광대역 제동 복사의 기생 생성(parasitic generation)을 방지하게 되는데, 그렇지 않다면 애노드에 의해 생성된 단색 특성 방사선에 중첩될 것이다.

또한 애노드, 중앙 피스 및 캐소드가 동일한 축에 배열된다면 바람직할 것이다. 또한, 애노드, 중앙 피스 및 캐소드가 공동 축에 대하여 중앙 대칭으로 형성된다면 바람직할 것이다. 결과적으로, 시간이 지남에 따른 스파크 갭들의 펄스 응답(펄스 전류의 상승 시간)에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 인덕턴스의 형성이 최소화된다.

또한 도면을 참조하여 본 발명에 대한 세부사항들이 이하에 설명된다. 도면의 동일한 또는 대응하는 엘리먼트들은 동일한 참조 부호들로 각각 제공되고, 개별 도면들 간의 차이점들이 있는 경우에만 여러 차례 설명된다.

도 1은 컬렉터의 기능을 포함하지 않고 스위칭 동작을 도시하는 본 발명에 따른 스파크 갭의 예시적인 실시예의 설계를 도시적으로 보여준다.
도 2는 컬렉터를 도시하는 부분과, 도 1에 도시된 스파크 갭의 기하학 구성을 도시적으로 보여준다.

도 1은 본 발명에 따른 스파크 갭의 설계를 보여준다. 상기 스파크 갭은 애노드(11) 및 캐소드(12)를 갖는다. 중앙 피스(13)는 애노드(11)와 캐소드(12) 사이에 연결되어, 결과적으로 2개의 스파크 갭들, 즉, 고압 스파크 갭(14) 및 가용 스파크 갭(15)이 제작된다. 또한, 가용 스파크 갭(15)의 애노드로서 역할을 하는 중앙 피스(13)는, 선(16) 및 저항(17)을 통해 높은 저항으로 애노드 전위에 연결된다.

고압으로 채워진 가스가 이용되는 고압 스파크 갭에 대하여, 중앙 피스(13)가 캐소드를 형성한다. 고압 스파크 갭에 채워지는 가스로서 비활성 가스가 이용될 수 있다. 고압 스파크 갭은 정의된 스위칭 응답(18)을 보여주는데, 알려진 상승 레이트를 갖는 정의된 전압(U)으로 상승하는 경우에, 정의된 시간(t)이 흐른 뒤 스위칭 포인트에 도달한다. 스위칭 포인트(t_S/U_S)를 이용하여, 가용 스파크 갭의 스위칭 시간은 상대적으로 정확하게 예측될 수 있다. 이미 설명 바와 같이, 고압 스파크 갭을 스위칭하는 경우에, 즉, 가용 스파크 갭(15)을 스위칭하기 위한 요구 스위칭 전위가 즉시 이용가능하게 된다. 가용 스파크 갭(15)의 저-저항 특성으로 인해, 가용 스파크 갭(15)의 스위칭 시간에서 중앙 피스(13)는 캐소드 전위를 갖는다. 캐소드와 애노드 간의 총 전압은 이제 저항(17)에 제공된다. 저항(17)의 저항값으로 정의되는 전류가 저항을 통해 흐른다. 저항(17)의 기생 인덕턴스(parasitic inductance)는 저항(17)을 통한 시스템-관련 전류 흐름(system-related current flow)을 추가적으로 감소시킨다. 중앙 피스(13) 및 애노드(11) 간의 전압의 가파른 증가로 인해, 가용 스파크 갭(15)의 섬락 응답이 긍정적인 영향을 받게 됨으로써, 가용 스파크 갭(15)의 섬락 시간에, 낮은 기울기의 전압 상승을 갖는 종래의 충돌을 통해 가능한 것보다 훨씬 더 높은 전압이 제공된다. 배열의 낮은 인덕턴스로 인해 전압 상승이 매우 급격하기 때문에, 시간 t_S에서의 가용 스파크 갭(15)의 스위칭은 대략 t₀가 된다. 매우 급격한 전압 기울기로 인해, 가용 스파크 갭(15)의 요구 스위칭 전위(U_S)를 현저하게 초과한다. 결과적으로, 매우 짧은 주기의 시간(나노초) 내에 점화 전압보다 훨씬 더 높은 전압이 가용 스파크 갭에 제공된다. 그에 따라, 애노드를 통한 강한 섬락이 형성된다. 이 배열로 인해, 가용 스파크 갭(15)의 브레이크다운 전압(breakdown voltage)은, 대체로 기하학적 구조 및 진공에 의존하는 U_S에 더 이상 의존하지 않고, 외부적으로 인가된 애노드 전압과 고압 스파크 갭(14)의 대응하는 구성에만 의존하게 된다. 가용 스파크 갭의 방전 시간은 설계상의 배열의 커패시턴스, 저장된 에너지 및 기생 인덕턴스에 의해 결정된다.

도 2는 애노드(12), 중앙 피스(13), 캐소드(11) 및 컬렉터(21)가 동일한 축에 있는 배열을 보여준다. 게다가, 모든 이러한 컴포넌트 부분들은 또한 동축 구성의 공동 축(22)에 대해 중앙 대칭형이다. 제1 하우징(23)에 고압 스파크 갭이 수용되는데, 요구 압력으로 적절한 동작 가스가 제1 하우징에 채워질 수 있다(디바이스를 채우는 것은 더 상세하게 도시되지 않음). 배기 가능한 제2 하우징(24)에 컬렉터(21)와 함께 가용 스파크 갭(15)이 위치된다. 이 제2 하우징은 또한 창(25)을 갖고 있으며, 이 창(25)을 통해 X-방사선(26)이 하우징 외부로 결합 방출되어 애플리케이션에 공급될 수 있다.

Claims

애노드(11) 및 캐소드(12)를 포함하는 스파크 갭으로서,
상기 스파크 갭은 중앙 피스(13)에 의해 서로 연결되는 고압 스파크 갭(14) 및 가용 스파크 갭(15)을 갖고,
상기 고압 스파크 갭(14)은 상기 캐소드(12)와 상기 중앙 피스(13) 사이에 형성되고,
상기 중앙 피스(13)는 전기 저항(17)이 제공된 선(16)을 통해 상기 애노드(11)에 연결되며,
상기 가용 스파크 갭(15)은 상기 중앙 피스(13)와 상기 애노드(11) 사이에 형성되는 것
을 특징으로 하는 스파크 갭.
제1항에 있어서,
상기 저항은 100 내지 1000MΩ의 값을 갖고, 특히 또한 단위 길이당 인덕턴스를 갖는 것을 특징으로 하는 스파크 갭.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 가용 스파크 갭(15)은 X-방사선을 생성하기 위해 제공되고, 상기 애노드(11)는 X-방사선을 생성하기 위한 표적(target)으로서 이용되는 것을 특징으로 하는 스파크 갭.
제3항에 있어서,
상기 애노드(11)는 단색 X-방사선을 생성하는 데 이용될 수 있는 것을 특징으로 하는 스파크 갭.
제3항 또는 제4항에 있어서,
상기 가용 스파크 갭은, 컬렉터(21)가 또한 제공되고 X-방사선이 결합 방출(coupled out)될 수 있는 배기가능 하우징(24; evacuable housing)에 수용되는 것을 특징으로 하는 스파크 갭.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 애노드(11), 중앙 피스(13) 및 캐소드(12)는 동일한 축으로 배열되는 것을 특징으로 하는 스파크 갭.
제6항에 있어서,
상기 애노드(11), 중앙 피스(13) 및 캐소드(12)는, 공동 축에 대하여 중앙 대칭으로 형성되는 것을 특징으로 하는 스파크 갭.