(57)【要約】【課題】本発明は、分布定数線路内の誘電体に着目することで、諸特性が可変なパルス発生装置を提供する。【解決手段】少なくとも２つの導体と、前記導体間の空間に充填された誘電体と、を備えた分布定数線路と、分布定数線路を充電するための充電手段と、分布定数線路からパルスを出力させるためのスイッチと、を備えたパルス発生装置において、前記分布定数線路は、少なくとも２つの導体と、前記導体間の空間に充填された誘電体と、を備え、前記誘電体を、第１の誘電率を備えた誘電性液体と、第１の誘電率よりも大きい第２の誘電率を備えた誘電性粉末と、の混合流体から構成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
分布定数線路からなるパルス成形線路と、
パルス成形線路を充電するための充電手段と、
パルス成形線路からパルスを出力させるためのスイッチと、
を備えたパルス発生装置において、
前記分布定数線路は、少なくとも２つの導体と、前記導体間の空間に充填された誘電体と、を備え、前記誘電体を、第１の誘電率を備えた誘電性液体と、第１の誘電率よりも大きい第２の誘電率を備えた誘電性粉末と、の混合流体から構成したことを特徴とするパルス発生装置。
【請求項２】
前記混合流体はスラリーである、請求項１に記載のパルス発生装置。
【請求項３】
前記誘電性粉末は誘電性セラミックス粉末である、請求項１、２いずれか１項に記載のパルス発生装置。
【請求項４】
前記誘電性粉末はチタン酸バリウム粉末である、請求項３に記載のパルス発生装置。
【請求項５】
前記誘電性液体はエチレングリコールである、請求項１〜４いずれか１項に記載のパルス発生装置。
【請求項６】
前記混合流体は、前記導体間の空間に充填後に固化される、請求項１〜４いずれか１項に記載のパルス発生装置。
【請求項７】
前記誘電性液体はエポキシ樹脂であり、前記混合流体は、エポキシ樹脂と誘電性粉末の混合流体である、請求項６に記載のパルス発生装置。
【請求項８】
前記分布定数回路は、円筒状の外側導体と、外側導体内の円筒状の中間導体と、中間導体内の中心導体と、を備え、外側導体、中間導体、中心導体は同心状に配置されており、前記混合流体は、外側導体と中間導体との間の空間、中間導体と中心導体との間の空間に、充填されている、請求項１〜７いずれか１項に記載のパルス発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルス発生装置に係り、好ましい態様では、ナノ秒パルス発生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
直流高電圧からパルス高電圧を発生させる手段の１つとして分布定数線路からなるパルス成形線路を用いるものが知られている。分布定数線路としては、コンデンサやインダクタンスの集中定数回路素子を組み合わせた分布定数線路や同軸ケーブルによる分布定数線路が既に製品化されており、その組み合わせを変更するだけで、容易に分布定数線路としての特性を変更することができる。例えば、同軸ケーブルを用いた通常のパルス発生装置では、同軸ケーブルの長さやその並列本数により、パルス時間幅や特性インピーダンスを調整することができる。
【０００３】
本出願の発明者は、ナノ秒パルス電源（非特許文献１、２）やナノ秒パルス放電（特許文献１）について研究を行なっている。ナノ秒パルス電源は、既製品の分布定数線路を用いて構築することは困難であり、本発明者は、同心状の３つの導体を備えたナノ秒パルス発生装置を開発した（特許文献１、非特許文献１、２）。このナノ秒パルス発生装置の分布定数線路は、上記分布定数線路に比べて複雑な構造を有しており、線路の構造を調整するような従来のやり方で分布定数線路の諸特性を調整ないし変更することが困難である。
【特許文献１】ＷＯ２０１０／０７４１９５
【非特許文献１】D. Wang, T. Namihira, S. Katsuki and H.Akiyama, "Ultra-short pulse generator for environmental control",15th International Conference on Gas Discharges and Their Applications,Toulouse, France, vol.2, pp.709-712, 2004.09.
【非特許文献２】T. Sakugawa, D. Wang, K. Shinozaki, T. Namihira,S. Katsuki, H. Akiyama, “Repetitive short-pulsed generator using MPC andBlumlein line”, presented at the 14th IEEE International Pulsed PowerConference, Dallas, TX, USA, Vol.1, pp. 657-660, 2003
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、分布定数線路内の誘電体に着目することで、諸特性が可変なパルス発生装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明が採用した技術手段は、
分布定数線路からなるパルス成形線路と、
パルス成形線路を充電するための充電手段と、
パルス成形線路からパルスを出力させるためのスイッチと、
を備えたパルス発生装置において、
前記分布定数線路は、少なくとも２つの導体と、前記導体間の空間に充填された誘電体と、を備え、前記誘電体を、第１の誘電率を備えた誘電性液体と、第１の誘電率よりも大きい第２の誘電率を備えた誘電性粉末と、の混合流体から構成したことを特徴とするパルス発生装置、である。
【０００６】
１つの態様では、前記パルス発生装置は、生成されるパルスの立上り時間が10ns以下（0は除く）のいわゆるナノ秒パルス発生装置である。本発明において、パルスの立上り時間は10ns以下のいかなる値（例えば、9ns，8ns，7ns，6ns，5ns，4ns，3ns，2ns，1ns、ないし、これらの間の任意の数値）を取り得る。
【０００７】
１つの態様では、前記混合流体はスラリーである。混合流体スラリーは、誘電性液体に誘電性粉末を分散させることで得られる。
【０００８】
１つの態様では、前記誘電性粉末は誘電性セラミックス粉末である。
１つの態様では、前記誘電性粉末はチタン酸バリウム粉末である。
誘電性セラミック粉末としては、様々なものが当業者に知られており、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）粉末を用いることもできる。
【０００９】
１つの態様では、前記誘電性液体はエチレングリコールである。
比較的誘電率の高い汎用性の有機液体としては、エチレングリコールの他に、プロピレンカーボネート、メタノール、ジメチルスルホキシド（DMSO)、ジメチルホルムアミド（DMF）、アセトニトリル、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、プロピレングリコール、ホルムアミド、メチルホルムアミド、メチルアセトアミド、ニトロベンゼン、ブチレングリコール、グリセリン、を例示することができる。
【００１０】
本発明において、混合流体が所望の誘電率を提供できるものであればよく、混合流体の誘電率は、選択された材料の誘電率、混合割合によって規定されるため、本発明において、具体的な材料や混合割合は限定されない。選択される材料は、例えば、材料の誘電率、入手の容易性、コスト、安全性等を考慮して、当業者が適宜決定することができる。
粉末の大きさは限定されないが、混合流体が導体間の空間（導体の形状によっては角部や狭小部位が存在し得る）に隙間なく行きわたる必要があることから、細かい方が有利であり、例えば、粉末の平均粒径は、１mm以下である。
また、複数種類の誘電性液体、あるいは／および、複数種類の誘電性粉末から、混合流体を形成してもよい。
ここで、例えば、誘電性液体が、誘電率αの液体Ａと誘電率βの液体Ｂとの混合液体、誘電性粉末が、誘電率γの固体Ｃの粉末と誘電率δの固体Ｄの粉末の混合粉末とすると、γ＞α、β、及び、δ＞α、βを満たす限り、いかなる配合割合の混合流体は、「第１の誘電率を備えた誘電性液体と、第１の誘電率よりも大きい第２の誘電率を備えた誘電性粉末と、の混合流体」となる。すなわち、１種類あるいは複数種類の混合液体からなる誘電性液体と、１種類あるいは複数種類の混合粉末からなる誘電性粉末と、の混合流体において、「誘電性粉末を形成する材料の中で最も低い誘電率＞誘電性液体を形成する材料の中で最も高い誘電率」を満たせばよい。
【００１１】
１つの態様では、前記混合流体は、前記導体間の空間に充填後に固化される。
１つの態様では、前記誘電性液体はエポキシ樹脂であり、前記混合流体は、エポキシ樹脂と誘電性粉末の混合流体である。エポキシ樹脂を所定温度に加熱して硬化させることで、混合流体を固化させることができる。
【００１２】
１つの態様では、前記分布定数回路は、円筒状の外側導体と、外側導体内の円筒状の中間導体と、中間導体内の中心導体と、を備え、外側導体、中間導体、中心導体は同心状に配置されており、前記混合流体は、外側導体と中間導体との間の空間、中間導体と中心導体との間の空間に、充填されている。
【００１３】
１つの態様では、前記スイッチは、スパークギャップスイッチである。
スパークギャップスイッチは好ましい例であって、本発明は、磁気スイッチや半導体スイッチ等の他のスイッチを排除するものではない。
１つの態様では、前記充電手段は前記中間導体と電気的に接続されており、外側導体はグランドされている。
１つの態様では、前記充電手段は、初段パルス発生回路である。
１つの態様では、スパークギャップスイッチは、外側導体と中間導体とを導通し、前記スパークギャップスイッチが動作すると、中間導体から放電し、中心導体からパルス出力が発生する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明では、液体と粉末の混合流体からなる媒体を分布定数線路の誘電層に導入することで、分布定数線路を構成する導体の構成を変えることなく、分布定数線路の諸特性を容易に変更することができる。これに関して、従来の典型的な分布定数線路は同軸ケーブルなどのように固体の誘電層を有しており、誘電層を変えることでその特性を変更させるような着想はなかった。
【００１５】
より具体的な効果は以下の通りである。
共通の筐体（分布定数線路の導体構造）において、分布定数線路の誘電体を形成する流体の種類を変更するだけで、あらゆる時間幅と特性インピーダンスを有するナノ秒パルス電源を構築できる。
液体と粉末の混合流体を採用することで、液体のみで誘電層を形成する場合と比較して、比誘電率を大きくでき、エネルギー密度が増加し、装置の小型化ができる。
液体と粉末の混合流体を採用することで、気体（例えば空気）と粉末との混合流体から誘電層を形成する場合と比較して、比誘電率を大きくでき、絶縁破壊電圧が大きくなるため、エネルギー密度が増加し、装置の小型化ができる。
誘電層は、流体なので、隙間なく筐体の導体間を満たすことができ、絶縁破壊等の問題を回避できる。ナノ秒パルス電源は複雑な構造を有しているため、導体と誘電体の間にちょっとした隙間があるとそこで絶縁破壊が起きてしまうため、流体を用いて導体間を隙間なく埋めることが重要となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】パルス発生装置の概略図である。
【図２】パルス発生装置のパルス成形線路を示す図である。
【図３】充電手段としてのパルス発生回路を例示する図である。
【図４】パルス発生装置をより詳細に示す図である。
【図５】３軸ブルームライン型線路からなる分布定数線路の誘電体としてシリコンオイルを用いた場合の電流波形である。
【図６】３軸ブルームライン型線路からなる分布定数線路の誘電体としてエチレングリコールを用いた場合の電流波形である。
【図７】エチレングリコールとチタン酸バリウム粉末との混合流体において、チタン酸バリウム粉末の含有量と比誘電率との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
パルス発生装置の概略図を図１に示す。パルス発生装置は、分布定数線路からなるパルス成形線路１と、パルス成形線路１を充電するための充電手段２と、パルス成形線路１からパルスを出力させるためのスイッチ３と、を備えている。
【００１８】
パルス成形線路１として、３軸ブルームライン型線路（Triaxial Blumlein
Line）が採用されている。3軸ブルームライン型線路は、円筒状の外側導体４と、外側導体４内に設けた円筒状の中間導体５と、中間導体５内に設けたロッド状（円柱状）の中心導体（内側導体）６と、からなる。外側導体４、中間導体５、中心導体６は、同心状に互いに離間して配置されており、外側導体４と中間導体５の間、中間導体５と中心導体６との間、には空間が形成されている。これら空間には、誘電性の混合流体（誘電性液体＋誘電性粉末）が充填されている。ブルームライン型線路の長さは、非限定的な例として500mmであり、外側導体４、中間導体５、中心導体６の径は、非限定的な例として、110mm（外側導体内径）、22mm（中間導体外径）、20mm（中間導体内径）、4mm（中心導体外径）、である。本実施形態では、これらの導体は真鍮（黄銅）から形成されているが、もちろん、導体として他の金属を用いてもよい。
【００１９】
図２に示す態様では、円筒状の外側導体４の内部には、長さ方向の一端側に第１内壁７Ａが形成されており、長さ方向の中間部位より他端側に寄った部位に第２内壁７Ｂが形成されている。中間導体５の一端側及び中心導体６の一端側は第１内壁７Ａに支持されており、中間導体５の他端側及び中心導体６の他端側は第２内壁７Ｂに支持されている。図４に示す態様では、円筒状の外側導体４の長さ方向の一端側には、内壁７（図２の内壁７Ａに相当する）が形成されており（内壁７Ｂに相当する要素はない）、円筒状の中間導体５の長さ方向の一端側は内壁７に片持ち状に支持されており、長さ方向他端側は開口している。中心導体６の一端側も内壁７に支持されている。内壁７Ａないし７は、絶縁体から形成されている。図２、図４において、中間導体５の一端側と中心導体６の一端側は絶縁体を介して絶縁されている。
【００２０】
パルス成形線路１を充電するための充電手段２は、充電キャパシタ、サイラトロンスイッチ、パルス変圧器からなるパルスフォーミング回路（初段パルス発生回路）であり、パルス成形線路１にパルス電圧を提供する。パルス電源を図３に例示する。充電手段２（パルス電源）としては、マイクロ秒パルス発生装置（電圧立上がり・立下がり時間：数十から数千ナノ秒）を広く用いることができ、例えば、非特許文献２に記載されたMPC(Magnetic Pulse Compression：磁気パルス圧縮)を用いてもよい。
【００２１】
図２に示すように、外側導体４には、充電ポート８が形成されており、充電手段２と中間導体５は電気的に接続されている。パルスフォーミング回路からのパルス電力により中間導体５が充電される。図４に示す態様では、内壁７に位置して充電ポート８が形成されている。
【００２２】
中心導体６と外側導体４は、充電インダクタ９を介して連結されており、外側導体４は接地されている。充電インダクタ９は例えば0.5から3.0μHである。
【００２３】
パルス成形線路１からパルスを出力させるためのスイッチ３は、低インダクタンスで高速自己閉鎖型のスイッチとしての高圧スパークギャップスイッチ（SGS）である。外側導体４の一端側の端面１０と内壁７Ａないし７との間の空間には、SF6絶縁ガスが充填されている。中間導体５の一端側は内壁７Ａないし７から前記空間内に突出しており、中間導体５の一端側の端部には第１電極が形成され、外側導体４の一端側の端面１０の内面には第２電極が形成されている。第１電極と第２電極との間のギャップ間隔は、1mmである。SF6絶縁ガスの圧力は、例えば、0.1から1.0MPaである。パルス発生装置からの出力電圧の大きさは、SF6の圧力値を選択することで調整可能である（非特許文献１）。ギャップスイッチが短絡すると、外側導体４と中間導体５間が導通される。
【００２４】
外側導体４は中間導体５に比べて長尺であり、外側導体４の他端側は、中間導体５の他端を越えて延びており、外側導体４の他端には絶縁体の端壁１１が形成されている。中心導体６の一端側は内壁７Ａないし７に支持されており、他端側は中間導体５の開口状の他端から延出しており、延出部は、ブルームライン型線路から負荷(Load)へのエネルギー伝送線路(Transmission Line)となっている。
【００２５】
図４に示す態様では、負荷は、中心導体６の延出部と電気的に接続された内部電極と外部電極（接地されている）とから同軸状に配置されたオゾン発生器１０であるが、電極の形状は図示のものに限定されないことは当業者に理解される。本発明において、パルス発生装置によって出力されるパルスパワーの使用用途は限定されず、オゾン生成の他に、排ガス処理、排水処理が例示される。１つの態様では、3軸ブルームライン型線路は負のパルス電圧が充電され、正極が負荷に与えられる。尚、負荷に負極を与えるようにパルス発生装置を構成してもよい。なお、図４に示す実験装置において、容量性の電圧分圧器を伝送線路に設けることで、パルス発生装置の出力電圧を測定することができ、また、パルス発生装置の出力電流は、伝送線路の端部に設けた電流変圧器によって測定することができる。
【００２６】
3軸ブルームライン型線路の内部空間は、分布定数線路の誘電体として、誘電性液体と誘電性粉末からなる誘電性の混合流体で充填されている。具体的には、円筒状の外側導体４の内周面と、内壁７と、端壁１０と、で形成された内部空間、円筒状の外側導体４の内周面と円筒状の中間導体５の外周面との間の空間、円筒状の中間導体５と円柱状の中心導体６との間の空間、には誘電性の混合流体が充填されている。誘電性の混合流体は、誘電性液体と誘電性粉末を所定の割合で混合・撹拌させ、誘電性粉末を誘電性液体に分散させることで得られる。誘電性粉末を、その誘電率が分散媒である誘電性液体の誘電率よりも大きい材料から選択することで、誘電性液体の誘電率を下限として、誘電性粉末の混合割合に応じて、混合流体の誘電率を変化させることができる。
【００２７】
１つの態様では、パルス成形線路１は組立分解可能であり、パルス成形線路１を分解することで、誘電性流動体を入れ替えることができる。１つの態様では、外側導体４に、混合流体の供給口（図示せず）と排出口（図示せず）を設け、供給口と混合流体源（図示せず）とを連通させることで、混合流体が交換可能なように構成してもよい。
【００２８】
１つの態様では、混合流体は、誘電性液体としてのエチレングリコールと、誘電性粉末としてのチタン酸バリウム粉末と、のスラリー状の混合流体から構成される。エチレングリコール（比誘電率：約40）とチタン酸バリウム粉末（比誘電率：約1200）を混合した流体の比誘電率を、その混合比率により４０以上の任意の値に制御できると考えられる。比誘電率の上限は、混合流体を形成することができるチタン酸バリウム粉末の最大割合によって制限されると考えられる。
【００２９】
分布定数線路で形成されるパルスのパルス幅（持続時間）は、分布定数線路の長さ及びその内部誘電体の誘電率・透磁率に依存する。また、分布定数線路の特性インピーダンスは、分布定数線路の形状と内部誘電体とによって定まる。したがって、3軸ブルームライン型線路の内部空間に充填される誘電体の種類を選択することによって、3軸ブルームライン型線路の構成（形状や寸法）を変えずに、パルス幅や特性インピーダンスが可変であると考えられる。このことを実験で確認した。
【００３０】
図５、図６は、同じ分布定数線路の誘電層へシリコンオイル、エチレングリコールを入れた場合に得られる抵抗（シリコンオイル時：50Ω、エチレングリコール時：12.5Ω）に流れる電流波形を示している。実験では、ギャップスイッチのSF6絶縁ガスの圧力を変化させて電流を計測した。同じ分布定数線路であるにもかかわらず、シリコンオイル誘電層とエチレングリコール誘電層とで、時間の半値全幅が5nsと20nsと異なっていることが確認される。また、算出されるインピーダンスはそれぞれ50Ωと12.5Ωである。この実験は異なる誘電率を有する誘電性液体を用いたものではあるが、本実験結果から、誘電性混合流体の誘電率を変えることで、パルス幅やインピーダンスが可変であることが裏付けられる。
【００３１】
次に、エチレングリコールとチタン酸バリウム粉末との混合流体において、チタン酸バリウム粉末の含有量と比誘電率、抵抗率との関係を実験で検証した。チタン酸バリウム（BaTiO3）をエチレングリコール（EG）に対して分散させる（分散方法：ロータリーミル法）。125mlの樹脂製容器にEG15mlに対して、体積率で50%、100%、200%のBaTiO3微粉末（粒径150nm）を加え、メディアとしてφ4mmのZrO2ボールを同じく15ml加えて、30rpmで1時間回転させる処理を行ってスラリー状の混合流体を得た。得られた試料について、測定周波数60kHz、600kHz、5.5MHzで、比誘電率、抵抗率の測定を行った。結果を表１に示す。
【表１】
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【００３２】
比誘電率についての結果を抽出したグラフを図７に示す。図７は、エチレングリコールとチタン酸バリウム粉末との混合流体において、チタン酸バリウム粉末の含有量と比誘電率との関係を示す図である。BaTiO3含有量の増加とともに、比誘電率が増加することが確認できた。
【００３３】
本発明の誘電性混合流体には、初期（分布定数線路内部への充填時）に流体であり、充填後、固化する場合も含まれる。１つの態様では、混合流体は、誘電性液体としてのエポキシ樹脂と、誘電性粉末としてのチタン酸バリウム粉末と、のスラリー状の混合流体から構成される。１つの態様では、混合流体を、円筒状の外側導体４の内周面と、内壁７と、端壁１０と、で形成された内部空間、円筒状の外側導体４の内周面と円筒状の中間導体５の外周面との間の空間、円筒状の中間導体５と円柱状の中心導体６との間の空間、に充填した後、加熱によりエポキシ樹脂を硬化させ、もって、誘電性混合流体を固化させる。
【００３４】
上述のように、本実施形態では、分布定数線路内の誘電体に着目することで、ナノ秒パルス発生装置の分布定数線路（比較的複雑な構造を有する）の構造を調整することなく、分布定数線路の特性を調整することについて論じた。所定の形状・寸法を備えたパルス成形線路を備えたナノ秒パルス発生装置が与えられた場合に、キャリブレーションによって、使用する可能性のある誘電性液体と誘電性粉末との異なる混合割合毎の特性を測定しておけば、所望の特性を得るように混合流体を選択するだけで、所望の特性を備えたナノ秒パルス発生装置を得ることができる。また、分布定数線路（導体構造）の構成（形状・寸法等）を変える必要が無いので、同じ形状・寸法の導体を作製して用意すればよく、量産にも適する。
【符号の説明】
【００３５】
１  パルス成形線路
２  充電手段
３  スイッチ
４  外側導体
５  中間導体
６  中心導体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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