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パルス形成ネットワーク( PFN )は、比較的長い時間にわたって電気エネルギーを蓄積し、その後、さまざまなパルス電力アプリケーション向けに、比較的短時間の比較的矩形のパルスの形で蓄積されたエネルギーを放出する電気回路です。 PFN では、コンデンサ、インダクタ、伝送線路などのエネルギー貯蔵コンポーネントが高電圧電源によって充電され、その後、スパークギャップや水素サイラトロンなどの高電圧スイッチを介して負荷に急速に放電されます。 繰り返し率は、単一パルスから約 10 4 /秒までです。 PFN は、レーダーセットのクライストロンまたはマグネトロン管発振器、パルスレーザー、粒子加速器、閃光管、高電圧ユーティリティテスト機器 などのデバイスに電力を供給するために、短時間の均一な電気パルスを生成するために使用されます。
高エネルギー研究機器の多くは、熱放散を抑えるため、また高エネルギー物理学は短い時間スケールで起こることが多いため、パルスモードで動作しており、高エネルギー研究では大型の PFN が広く使用されています。PFN は、最大 10 6～ 10 7ボルトの電圧と最大 10 6アンペアの電流を持つナノ秒長のパルスを生成するために使用されており、ピーク電力は雷に似たテラワットの範囲にあります。
実装
PFN は、一連の高電圧エネルギー貯蔵コンデンサとインダクタで構成されています。これらのコンポーネントは、伝送線路と同様に動作する「ラダーネットワーク」として相互接続されています。このため、PFN は「人工または合成伝送線路」と呼ばれることもあります。電気エネルギーは、最初に高電圧 DC 電源によって PFN の充電されたコンデンサ内に蓄えられます。PFN が放電されると、コンデンサが順に放電し、ほぼ矩形のパルスが生成されます。パルスは伝送線路を通じて負荷に伝導されます。PFN は、エネルギーが PFN に反射するのを防ぐために、負荷と インピーダンス整合されている必要があります。
伝送線路PFN
伝送線路の長さはパルス形成ネットワークとして使用することができます。[1] [2]これにより、長いケーブルを使用するという不便さで、実質的に平坦なパルスを得ることができます。
単純な充電伝送線路パルス発生器（アニメーション、右）では、同軸ケーブルなどの伝送線路の一端がスイッチを介して整合負荷R Lに接続され、他端は線路の特性インピーダンスZ 0に比べて大きい抵抗器R Sを介して DC 電圧源Vに接続されます。[1]電源が接続されると、 R Sを介して線路の静電容量がゆっくりと充電されます。スイッチが閉じると、V /2 に等しい電圧が負荷に印加され、線路に蓄積された電荷がV /2 Z 0の電流で負荷を通して放電し始め、電圧ステップが線路に沿ってソースに向かって移動します。[2]線路のソース端は、高いR Sのためにほぼ開回路であるため、[1]ステップは反転されずに反射され、線路に沿って負荷に向かって戻ります。その結果、負荷には 2 D / cに等しい持続時間の電圧パルスが印加されます。ここで、Dは線路の長さ、c は線路内のパルスの伝播速度です。[1]一般的な伝送線路の伝播速度は、一般に光速の50% 以上です。たとえば、ほとんどの種類の同軸ケーブルでは、伝播速度は光速の約 2/3、つまり 20 cm/ns です。
高出力PFNでは、高出力ストレスに対処するために、誘電体として油や脱イオン水で満たされたパイプで構成された特殊な伝送線路が一般的に使用されています。[2]
単純なPFNパルス発生器の欠点は、反射を防ぐために伝送線路を負荷抵抗R Lに一致させる必要があるため、線路に蓄えられた電圧が負荷抵抗と線路の特性インピーダンスの間で均等に分割され、負荷に適用される電圧パルスが電源電圧の半分だけになることです。[1] [2]
ブルームライン送電線
上記の問題を回避し、電源電圧Vに等しい出力パルスを生成する伝送線路回路は、1937 年に英国の技術者アラン・ブルムライン[3]によって発明され、今日では PFN で広く使用されています。[1]ブルムライン発生器 (右のアニメーション) では、負荷は 2 本の等長伝送線路の間に直列に接続され、一方の端で DC 電源によって充電されます (右側の線路は負荷のインピーダンスを介して充電されることに注意してください)。[1]パルスをトリガーするには、スイッチで電源端の線路を短絡し、負の電圧ステップを負荷に向かって移動させます。線路の特性インピーダンスZ 0 は負荷インピーダンスR L の半分に等しくされるので、電圧ステップは半分反射され、半分透過され、[1] 2 つの対称的な反対極性の電圧ステップが生成されます。これらの電圧ステップは負荷から離れて伝播し、負荷全体でV /2 − (− V /2)= Vの電圧降下が発生します。電圧ステップは両端で反射して戻り、パルスを終了します。他の充電線発生器と同様に、パルス持続時間は 2 D / cに等しくなります。ここで、D は個々の伝送線路の長さです。[1] Blumlein ジオメトリの 2 つ目の利点は、スイッチング デバイスを接地できることです。一般的な充電線のように伝送線路の高電圧側に配置しないと、トリガー エレクトロニクスが複雑になります。
PFN の用途
コマンドにより、高電圧スイッチは PFN 内に蓄えられたエネルギーを負荷に転送します。スイッチが「作動」 (閉じる) すると、PFN 内のコンデンサとインダクタのネットワークが、短時間で高電力のほぼ正方形の出力パルスを生成します。この高電力パルスは、負荷への高電力の短時間の供給源になります。
特別に設計されたパルストランスが PFN と負荷の間に接続されることもあります。この技術により、PFN と負荷の間のインピーダンス整合が改善され、電力伝送効率が向上します。パルストランスは、通常、クライストロンやマグネトロンなどの高インピーダンスデバイスを PFN から駆動する場合に必要です。PFN は比較的長い時間にわたって充電され、その後非常に短い時間で放電されるため、出力パルスのピーク電力はメガワット、さらにはテラワットになることがあります。
高電圧源、PFN、HV スイッチ、およびパルス トランス (必要な場合) の組み合わせは、「電力変調器」または「パルサー」と呼ばれることがあります。
参照
参考文献
- ^ abcdefghi Haddad, A.; DF Warne (2004). 高電圧工学の進歩。IET。pp. 600–603。ISBN 0852961588。
- ^ abcd Mesyats, Gennady A. (2005). パルスパワー. Springer. pp. 13–14, 125. ISBN 0306486547。
- ^ 英国特許589127、電気インパルス発生装置の改良、アラン・ダワー・ブルムライン、1941年10月10日出願、1947年6月12日付与。
外部リンク
- Eric Heine、「コンバージョン」。NIKHEF 電子部門、アムステルダム、オランダ。
- Riepe, Kenneth B.、「高電圧マイクロ秒パルス形成ネットワーク」。Review of Scientific Instruments Vol 48(8) pp. 1028–1030。1977年8月。(要約)
- Glasoe, G. Norris、Lebacqz, Jean V.、「パルス発生器」、McGraw-Hill、MIT放射線研究所シリーズ、第5巻、1948年。