(57)【要約】  本発明は、例えば誘導電圧重畳装置（ＩＶＡ）を用いた、高電圧パルス発生装置及び高電圧パルス発生方法に関する。この場合、同軸伝送線路（２１）の内導体（Ｉ）は、波動伝播主軸（ＨＡ）に対し回転対称にすべての段を通過するボディとして形成されており、このボディの外半径は、初段から最終段まで連続的に一定の勾配で小さくなるように形成されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高電圧パルス発生装置、例えば誘導電圧重畳装置（ＩＶＡ）であって、
パルス発生中、波動伝播主軸（ＨＡ）に沿って配置されたｎ個の個別の電圧源段から成る直列接続回路の複数の電磁界が、トランスにおいて合成され、
各段において波がそれぞれ、半径方向伝送線路（１９）に沿って同軸伝送線路（２１）へと伝播する、
高電圧パルス発生装置において、
前記同軸伝送線路（２１）の内導体（Ｉ）は、前記波動伝播主軸（ＨＡ）に対し回転対称にすべての段を通過するボディとして形成されており、該ボディの外半径は、初段から最終段まで連続的に一定の勾配で小さくなるように形成されていることを特徴とする、
高電圧パルス発生装置。
【請求項２】
前記内導体（Ｉ）は、直線的な円錐台又は円錐の幾何学的外形を有する、
請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記内導体（Ｉ）は円錐として形成されている、
請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記同軸伝送線路（２１）の外導体（Ａ）は、それぞれ１つの段に個別に前記波動伝播主軸（ＨＡ）に対し回転対称に設けられた中空ボディとして形成されており、該中空ボディの外半径及び内半径は、すべての段について等しく一定である、
請求項１、２又は３に記載の装置。
【請求項５】
前記中空ボディはそれぞれ、中空シリンダの幾何学的形状を有する、
請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記半径方向伝送線路（１９）と前記同軸伝送線路（２１）は同じ材料を含み、例えば銅、鋼又はアルミニウムを含む、
請求項１から５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記ｎ個の段はすべて、電気工学的な結線に関して同一のモジュール構造を有する、
請求項１から６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
例えば誘導電圧重畳装置（ＩＶＡ）を用いた、高電圧パルス発生方法であって、
パルス発生中、波動伝播主軸（ＨＡ）に沿って配置されたｎ個の個別の電圧源段から成る直列接続回路の複数の電磁界が、トランスにおいて合成され、
各段において波がそれぞれ、半径方向伝送線路（１９）に沿って同軸伝送線路（２１）へと伝播する、
高電圧パルス発生方法において、
前記同軸伝送線路（２１）の内導体（Ｉ）を、波動伝播主軸（ＨＡ）に対し回転対称にすべての段を通過するボディとして形成し、該ボディの外半径を、初段から最終段まで連続的に一定の勾配で小さくなるように形成することを特徴とする、
高電圧パルス発生方法。
【請求項９】
前記内導体（Ｉ）は、直線的な円錐台又は円錐の幾何学的外形を有する、
請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記内導体（Ｉ）を円錐として形成する、
請求項８又は９に記載の方法。
【請求項１１】
前記同軸伝送線路（２１）の外導体（Ａ）を、それぞれ１つの段に個別に前記波動伝播主軸（ＨＡ）に対し回転対称に設けられた中空ボディとして形成し、該中空ボディの外半径及び内半径を、すべての段について等しく一定にする、
請求項８、９又は１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記中空ボディはそれぞれ、中空シリンダの幾何学的形状を有する、
請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記半径方向伝送線路（１９）と前記同軸伝送線路（２１）は同じ材料を含み、例えば銅、鋼又はアルミニウムを含む、
請求項８から１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
前記ｎ個の段すべては、電気工学的な結線に関して同一のモジュール構造を有する、
請求項８から１３のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、独立請求項の上位概念に記載の高電圧パルスを発生させるための装置、及びこの装置に対応する独立請求項に記載の方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気工学においてパワーパルス技術（パルスパワー）の分野では、科学技術及び産業上の用途として、数ｋＷ〜数１００ＴＷの振幅の高電圧パルス及び高電力パルスが利用され、この場合、パルス持続時間はｐｓ〜ｍｓの範囲にある。
【０００３】
産業上の用途の一例を挙げると、いわゆるエレクトロポレーションのためには、例えば２５０ｋＶの電圧、数１０ｋＡの電流を、１μｓ〜２μｓのパルス持続時間で発生させることができるようなパルス発生装置が必要とされる。
【０００４】
このようなパルス発生装置を実現するために可能なトポロジーは、いわゆる誘導電圧重畳装置 "inductive voltage adder"であり、これはＩＶＡと略される。このような発生装置によって、コンパクトな構造が実現される。その理由は、この発生装置はパルス発生中、ｎ個の個別の電圧源から成る直列回路として合成されるからである。物理的には、トランスとみなされる導体ジオメトリにおいて、ＩＶＡ内の電磁界が合成される。
【０００５】
この手法によれば、ＩＶＡ（誘導電圧重畳装置）の設計は実質的にトランスによって決定される。
【０００６】
この場合、トランスは、同軸伝送線路と半径方向伝送線路とによって構成されており、半径方向伝送線路は、同軸伝送線路の外導体と垂直に接続されている。このようなトポロジーによって、トランスにおける電界をベクトルとして加算し、つまりは電圧振幅が合計されるようにすることができる。この場合、高周波パルスが扱われるため、特性インピーダンスを相互に整合させて反射を防止する必要がある。
【０００７】
さらに、電圧が加算されるときに反射が生じるのを回避するために、適正な特性インピーダンスを選定する必要がある。従来技術によれば、同軸伝送線路は段状に形成されており、個々の段はいわゆるテーパ状に相互に移行している。このようなテーパ形状が必要となるのは、発生させるべき電磁波に継ぎ目が生じるのを回避するためである。
【０００８】
Hansjoachim Bluhm著 "Pulsed Power Systems Principles and Applications", Springer Verlag Berlin Heidelberg, 2006には、従来の誘導電圧重畳装置ＩＶＡについて開示されており、特に第７章第１９２頁〜２０１頁には、ＩＶＡの構造及び動作が開示されている。
【０００９】
ＩＶＡによれば、スイッチオンプロセス中及び定常状態中、反射係数に基づき、波動特性を利用して電流振幅を高めることができる。図１には、ＩＶＡの従来の原理が示されている。図１には、具体例として４段のＩＶＡの基本原理が示されている。図１の左側に描かれている複数の電圧源の直列接続配置の場合と同様に、図１の右側に描かれているように、パルス線路を電圧増倍回路として実現することができ、これは１つの線路の正の導体を別の線路の負の導体と接続することによって行われる。このように導体を交互に接続しても短絡が発生しないようにする目的で、パルス持続時間中は接続を絶縁しておかなければならない。このような絶縁はＩＶＡの実施形態に応じて、ケーブルトランスの形態の十分に長い伝送線路によっても達成できるし、あるいは十分に大きい結合インダクタンスによる結合を介して達成できる。伝播遅延時間ではなく個々の段のパルス線路を加えて誘導的な絶縁を利用すれば、いっそうコンパクトな構造を実現することができる。図２には、ＩＶＡによる磁気的な絶縁を利用した電圧重畳の原理が示されている。
【００１０】
図２には、磁気的な絶縁を利用したＩＶＡの従来の実施例が示されている。図２には、同軸に配置された６つの段が示されている。参照符号１は真空インタフェースであり、参照符号３は真空、参照符号５はリング状ギャップ、参照符号７は磁気コア、参照符号９はダイオード、さらに参照符号１１はオイルである。シリンダ状のキャビティによってＩＶＡの内導体が形成されており、このキャビティに対し、同軸に配置された慣用の電圧源Ｕｘから半径方向で給電が行われる。ここで説明している適用事例の場合、個々のキャビティ各々は、例えば０．１〜５０μｓの持続時間のパルスを、例えば３〜１０ｋＶの範囲にある数ｋＶの電圧振幅Ｕ0と、例えば１０ｋＡよりも大きい１０数ｋＡないしは数１０ｋＡの最大電流振幅Ｉ0で供給する。電圧振幅を重畳する目的で、同軸伝送線路への移行領域における電磁界のベクトル加算が利用される。このようにしてＩＶＡは、ｎ個（ｎは段数）の個々の電圧源の合計によって重畳された１つの電圧パルスを発生する。したがって図２による装置は、６倍の電圧パルスを発生する。電圧振幅を重畳する目的で、１つの電圧源の正の導体が次の電圧源の負の導体と接続される。このことから各キャビティにおいて、中央電極と電流の流れる方向で下流にある外電極との間で、必然的に導電接続が形成される。このようにして線路出力端において短絡が発生するのを回避するために、この区間において相対的な透磁率を高めることで、接続のインピーダンスが著しく高められる。この目的で、電圧源の容積の一部分が、強磁性材料から成るトロイダルコアによって充填される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Hansjoachim Bluhm著 "Pulsed Power Systems Principles and Applications" Springer Verlag Berlin Heidelberg 2006
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の課題は、高電圧パルスの発生装置及び発生方法において、従来技術よりもコンパクトかつ低コストのパルス発生装置が用いられるようにすることである。さらにその際、できるかぎり反射の発生しない波の結合を実現したい。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この課題は、独立請求項に記載の装置及び方法により解決される。
【００１４】
第１の観点によれば、本発明は高電圧パルス発生装置、例えば誘導電圧重畳装置に関する。この場合、パルス発生中、波動伝播主軸に沿って配置されたｎ個の個別の電圧源段から成る直列接続回路の複数の電磁界が、トランスにおいて合成され、各段において波がそれぞれ、半径方向伝送線路に沿って同軸伝送線路へと伝播する。本発明によれば、同軸伝送線路の内導体は、波動伝播主軸に対し回転対称にすべての段を通過するボディとして形成されており、このボディの外半径は、初段から最終段まで連続的に一定の勾配で小さくなるように形成されている。
【００１５】
第２の観点によれば本発明は、例えば誘導電圧重畳装置を用いた、高電圧パルス発生方法に関する。この場合、パルス発生中、波動伝播主軸に沿って配置されたｎ個の個別の電圧源段から成る直列接続回路の複数の電磁界が、トランスにおいて合成され、各段において波がそれぞれ、半径方向伝送線路に沿って同軸伝送線路へと伝播する。本発明によれば、同軸伝送線路の内導体を、波動伝播主軸に対し回転対称にすべての段を通過するボディとして形成し、このボディの外半径を、初段から最終段まで連続的に一定の勾配で小さくなるように形成する。
【００１６】
本発明によれば、コンパクトでありかつできる限り低コストで構成可能なパルス発生装置が形成されて使用される。
【００１７】
波動伝播種主軸は、同軸伝送線路の内導体と外導体に共通する軸上に位置する。波動伝播主軸の方向は、ＩＶＡの波が主として伝播する方向に相応するものである。波動伝播主軸は、以下のような対称軸でもある。即ちこの対称軸に対し、ＩＶＡの部品例えば同軸伝送線路の内導体と外導体が回転対称に形成される。
【００１８】
本発明によるＩＶＡの構成によって、以下に挙げる利点が得られる。即ち、
・従来技術による段状の同軸内導体よりも製造が簡単になる。
・製造技術が簡単になることから、内導体の製造にかかるコストが下がる。
・円錐形の同軸内導体における電界が小さくなることから、電圧耐性が高まる。
・トランスにおいて生じる高周波信号成分の減衰損失が減少する。
【００１９】
従属請求項には、本発明のさらに別の有利な実施形態が記載されている。
【００２０】
１つの有利な実施形態によれば、内導体は、直線的な円錐台又は円錐の幾何学的外形を有することができる。この場合、内導体を、内部空間のないソリッドなボディとして形成することができる。
【００２１】
さらに別の有利な実施形態によれば、内導体を円錐として形成することができる。
【００２２】
さらに別の有利な実施形態によれば、同軸伝送線路の外導体を、波動伝播主軸に対し回転対称にそれぞれ１つの段に個別に設けられた中空ボディとして形成し、この中空ボディの外半径及び内半径を、すべての段について等しく一定にすることができる。
【００２３】
さらに別の有利な実施形態によれば、中空ボディはそれぞれ、中空シリンダの幾何学的形状を有することができる。外導体は、例えば内導体に対し同軸に延在している。つまり外導体と内導体は１つの共通の軸を有しており、これらの導体はこの軸に対し例えば回転対称に形成されている。
【００２４】
さらに別の有利な実施形態によれば、半径方向伝送線路及び同軸伝送線路が、同じ材料を含むようにすることができ、例えば銅、鋼又はアルミニウムを含むようにすることができる。
【００２５】
さらに別の有利な実施形態によれば、ｎ個の段はすべて、それらの電気工学的な結線に関して、同一のモジュール構造を有することができる。
【００２６】
次に、図面を参照しながら実施例に基づき本発明について詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】ＩＶＡの従来の実施例を示す図
【図２】ＩＶＡの従来の別の実施例を示す図
【図３】本発明によるＩＶＡの実施例を示す図
【図４】本発明によるＩＶＡの実施例のシミュレーションを示す図
【図５】本発明によるＩＶＡの実施例のシミュレーションを示す別の図
【図６】本発明によるＩＶＡの実施例のシミュレーションを示すさらに別の図
【図７】本発明による方法の１つの実施例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図３には、本発明によるＩＶＡ（誘導電圧重畳装置）の実施例が示されている。図３には、連続的に円錐状に形成された内導体Ｉが示されており、これは特性インピーダンスの状態を考慮して、従来の同軸導体における段状の内導体と置き換わるものである。このようにすることで、製造に手間がかかる段状の同軸導体の内導体を、本発明によるＩＶＡのためには不要とすることができ、本発明によればこの内導体を、簡単に製造することのできる円錐状の内導体Ｉによって置き換えることができる。図３に示されている同軸内導体Ｉの本発明による実施形態は、ここでは円錐形でＩＶＡ内に設けられており、これによって従来の複雑な個々のテーパセクションを省くことができる。連続的に円錐状に形成された同軸内導体Ｉを採用した結果、従来技術による段状の同軸内導体に比べて、工業生産が効果的に簡略化され、コストを下げて製造することができる。図３には、本発明による円錐状の同軸内導体Ｉが略示されている。図３によるＩＶＡは、波動伝播主軸ＨＡに沿って延在している。参照符号Ａは、同軸伝送線路２１の外導体を表しており、したがって同軸伝送線路２１は、外導体Ａと内導体Ｉとによって構成されている。外導体Ａを、波動伝播主軸ＨＡに対し回転対称に位置する複数の中空シリンダとして構成することができる。参照符号Ｓは、個々の段に割り当てられた電圧パルスの発生に用いられるスイッチを表す。図３には、円錐状に構成された同軸内導体Ｉを備え３つの段を有する誘導電圧重畳装置が示されている。連続的に円錐状に形成された同軸内導体Ｉを利用した本発明によるＩＶＡ構造によって、製造が簡単になり、コストを効果的に下げることができる。
【００２９】
図４には、本発明によるＩＶＡの実施例のシミュレーションを示す図が表されている。図４に示されているのは、円錐状に形成された同軸内導体Ｉを備えた１つの段の電磁モデルである。この電磁モデルは、例えば３つのポート又は端子１０，２０，３０を有している。図４には、ＩＶＡの横断面の上面だけが示されている。第１端子１０を介して給電信号Ｅとして電圧Ｕ１が加えられ、この電圧は、ポートもしくは第２端子２０を介して電圧Ｕ２として加えられる第２の給電信号Ｅと合算されて、電圧Ｕ１とＵ２の加算により生じる信号が、第３端子３０において得られるようになる。この出力信号Ａは同軸伝送線路２１に沿って伝播し、この場合、第２端子２０において第２給電信号Ｅが半径方向伝送線路１９に沿って入力結合される。図４に示した本発明による段における電磁界シミュレーションによれば、驚くべきことに、電圧Ｕ１及びＵ２の形態の給電信号Ｅがトランスにおいて適切に加算されることがわかる。図４にはトランスのモデルが示されている。
【００３０】
図５には、本発明によるＩＶＡの実施例のシミュレーションを示す別の図が示されている。この図には、図４に示した本発明によるＩＶＡの初段を用いた場合の、給電電圧信号Ｕ１及びＵ２と、第３端子３０における出力信号Ｔの時間推移が、時間領域で表されている。このシミュレーションによれば、中央に第１給電信号Ｅ＝Ｕ１が示されており、下方に第２給電信号Ｅ＝Ｕ２が、上方に出力信号Ｔが示されており、ここでｘ軸は時間をｎｓで表し、ｙ軸は電圧をＶで表す。
【００３１】
図６には、図４に示した本発明によるＩＶＡの初段における電界の推移が示されている。この場合、矢印はベクトル場を表す。図６には、図４に示した１つの段のトランスにおける電界が、円錐状に形成された同軸内導体Ｉとともに示されている。左側の第１端子１０には第１給電信号Ｅが、第２端子には第２給電信号が示されており、右側の第３端子３０において出力信号Ｔを検出することができる。電界は個々のベクトル場として、図４に示した電圧重畳領域に示されている。下方に示されている傾斜した横方向に延びる線によって、内導体Ｉの円錐形状が表されている。
【００３２】
この電磁界シミュレーションによれば、本発明による内導体Ｉの機械的に簡単にされた形状に加え、半径方向伝送線路１９の入力結合個所の領域で、過剰な局所的電界が減少していることも示されている。このようにすれば、ＩＶＡのトランス自体における電圧耐性が自動的に高まることになり、したがってＩＶＡが必要とする段が少なくなる。さらにこのような有利な電圧耐性によって、ＩＶＡの構造も小さくなる。電圧耐性が高まるほか、本発明による同軸内導体によれば、比較的高い周波数における伝送特性も向上する。このようにすれば、減衰をいっそう僅かに抑えることができる。さらにこれらのことから本発明による構造は、高周波パルス即ち著しく急峻な立ち上がり縁を伴うパルスにいっそう適したものとなっている。同軸内導体において、マックスウェルの方程式に基づき電界が最大となる。本発明による実現形態の場合、電界に関して均質な電界プロフィルとなっていることが、図６にはっきりと示されている。さらにこのように構成したことで、過渡的な信号に対しても従来技術より反射を抑えることができる。
【００３３】
図７には、本発明による方法の１つの実施例が示されている。第１のステップＳ１によれば、パルス発生中、波動伝播主軸に沿って配置されたｎ個の個別の電圧源段の直列接続おいて生じた電磁界が、トランスにおいて合成される。第２のステップＳ２によれば、同軸伝送線路の内導体に沿ってこの合成が行われ、この内導体は、ＩＶＡ内で初段から最終段まで先細りしていく円錐形状として延在している。
【００３４】
本発明は、例えば誘導電圧重畳装置（ＩＶＡ）を用いた、高電圧パルス発生装置及び高電圧パルス発生方法に関する。この場合、同軸伝送線路（２１）の内導体（Ｉ）は、波動伝播主軸（ＨＡ）に対し回転対称にすべての段を通過するボディとして形成されており、このボディの外半径は、初段から最終段まで連続的に一定の勾配で小さくなるように形成されている。
【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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【国際調査報告】
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2016522611.tif 000011
2016522611.tif 000012
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