[논문]Marx 펄스발생기를 응용한 소형 고전압 급준 펄스 발생장치

박승록; 정석환; 김진규; 문재덕

Marx 펄스발생기를 응용한 소형 고전압 급준 펄스 발생장치
Fast Rise Time High Voltage Pulse Generator Applying The Marx Generator 원문보기

전기학회논문지. The transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. C/ C, 전기물성·응용부문, v.50 no.2, 2001년, pp.72 - 78

박승록 (경북대 공대 전기공학과) , 정석환 ((주)상록코리아) , 김진규 (경북대 공대 전자전기공학부) , 문재덕 (경북대 공대 전자전기공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

A compact size high voltage pulse generator with nanosecond rise time has been designed and investigated experimentally. The inductance of a pulse generator can be reduced by fixing the Marx generator and pulse forming network components into a single cylindrical unit. As a result, nanosecond rise time about $8{\sim}10[ns]$ and pulse width of several hundred [ns] can be obtained from a modified Marx pulse generator. And parametric studies showed that the rise time of the output pulse was depended little on the change of the load resistance and the charging capacitance while, the pulse width of the output pulse was depended greatly upon the change of the load resistance and the charging capacitance. The theoretical showed the possibility to design the laboratory-size pulse generator very fast rising time and a proper pulse width by minimizing stray inductance and varying resistance and capacitance.

주제어

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문제 정의

본 연구는 Marx 펄스 발생장치를 이용한 소형 나노초고 전압 펄스 발생장치 개발을 위한 연구로써, 2단의 Marx펄스 발생단 과 펄스형성회로와 외부 전극을 동축원통 형태로 구성함으로써 인덕턴스가 최소화되게 설계제작하였다. 실험 결과, 본 펄스발생기에서 발생 돤 출력 전압의 펄스상숭시간과 펄스폭 및 펄스발생기 내에서 발생하는 스파크 방전 구간의 방전 특성을 실험적으로 조사하고, 또 이론적으로 펄스파형을 시뮬레이션하여 실험 결과와 비교 검토함으로써 다음과 같온 결론을 얻었다.
본 연구는 실험용이나 산업용의 나노 초 상숭 시간을 갖는 소형펄스발생장치 개발을 위한 기초연구로써, Marx 펄스발생 단을 2단으로 구성하여 금속동축원통형 펄스 발생장치를 설계하여 제작한 뒤 펄스 발생장치의 주요 변수들인 L, C, 을 가변하면서 기초특성을 검토하였다. 이때, 펄스 장치나 펄스 형 성회로 부품, 그리고 Marx 펄스발생부 모두를 일체형의 금속원통내에 인입설계함으로서 구조적으로 인덕턴스와 부유인덕 턴스가 최소화되도록 하였다, 이렇게 설계제작된 펄스발생 기에서 발생된 출력 전압의 펄스 상승시간과 펄스폭 및 펄스 발생기 내에서 발생하는 스파크 방전 구 간의 방전 특성을 실험적으로 조사하고, 또 이론적으로 펄스파형을 시뮬레이션하여 실험 결과와 비교 검토 하여 임의의 펄스발생장치로서의 제작 가능성을 검토하였다.

제안 방법

0[mm]로 설정하였다.[9] 제작한 Marx 펄스 발생부는 여러 단으로 구성하거나 단 당 충전 전압을 높이는 것도 가능하며 이렇게 함으로써 매우 높은 출력 전압을 얻을 수 있으나, 본 실험에서는 기본적인 특성조사를 위해 그림 1(b)에 보이는 바와 같이 Marx 펄스발생부와 펄스형성희로 부품 들이 모두 일체형으로 형성된 2단으로만 구성하고 2kV]를 출력 전압으로 설정하였다.
따라서 펄스 발생부와 펄 스형성회로는 단일동축원통형태로 구성되게 된다. 내부의 충전저항(Rc)은 2.2[1] 올 사용하였으며, 충전 커패시터(430, 750, 1500, 3300[pF] 및 각각의 최대충전 전압 3kV])는 4종류를 사용하여 실험하였다. 또한 방전구는 직경 황동그에 방전에 의한 표면의 산화 및 스퍼터링에 매우 강한 니켈을 도금하여 사용하였다.
단자간 및 회로 내의 인덕턴스는 LCR 측정기(AG-4311B, ANDO)를 사용하여 측정하였으며, 출력 전압과 파형은 고주파 고전압 프로브(P6015A, Tektronix)와 고주파용 축적형 오실로스코프(PM3392I200Iz], Philips)를 사용하여 측정하였다.
본 연구는 Marx 펄스 발생장치를 이용한 소형 나노초고 전압 펄스 발생장치 개발을 위한 연구로써, 2단의 Marx펄스 발생단 과 펄스형성회로와 외부 전극을 동축원통 형태로 구성함으로써 인덕턴스가 최소화되게 설계제작하였다. 실험 결과, 본 펄스발생기에서 발생 돤 출력 전압의 펄스상숭시간과 펄스폭 및 펄스발생기 내에서 발생하는 스파크 방전 구간의 방전 특성을 실험적으로 조사하고, 또 이론적으로 펄스파형을 시뮬레이션하여 실험 결과와 비교 검토함으로써 다음과 같온 결론을 얻었다.
본 연구는 실험용이나 산업용의 나노 초 상숭 시간을 갖는 소형펄스발생장치 개발을 위한 기초연구로써, Marx 펄스발생 단을 2단으로 구성하여 금속동축원통형 펄스 발생장치를 설계하여 제작한 뒤 펄스 발생장치의 주요 변수들인 L, C, 을 가변하면서 기초특성을 검토하였다. 이때, 펄스 장치나 펄스 형 성회로 부품, 그리고 Marx 펄스발생부 모두를 일체형의 금속원통내에 인입설계함으로서 구조적으로 인덕턴스와 부유인덕 턴스가 최소화되도록 하였다, 이렇게 설계제작된 펄스발생 기에서 발생된 출력 전압의 펄스 상승시간과 펄스폭 및 펄스 발생기 내에서 발생하는 스파크 방전 구 간의 방전 특성을 실험적으로 조사하고, 또 이론적으로 펄스파형을 시뮬레이션하여 실험 결과와 비교 검토 하여 임의의 펄스발생장치로서의 제작 가능성을 검토하였다.

대상 데이터

그림 1온 실험에 사용된 펄스발생장치의 개략도 및 펄스 형 성부의 사진으로써, 펄스발생장치는 펄스 발생부(PG), 펄스트리거부(PT), 급전부(CC)와 부하단(RD으로 구성되어 있다. 펄 스발생부는 충전 커패시터와 충전저항을 두께 10mm]의 아크릴판 상 하에 각각 균형 있고 대칭되게 배치하고, 이를 내경 90[mm], 두께 5[mm]의 아크릴 원통 속에 넣어 절연되게 한 후 실린더형 금속 제 원통(113[mms], 함석) 속에 넣어 외부 접지 및 펄스진행도 선으로 하였다.
2[1] 올 사용하였으며, 충전 커패시터(430, 750, 1500, 3300[pF] 및 각각의 최대충전 전압 3kV])는 4종류를 사용하여 실험하였다. 또한 방전구는 직경 황동그에 방전에 의한 표면의 산화 및 스퍼터링에 매우 강한 니켈을 도금하여 사용하였다. Marx 펄스발생부의 각단은 DC 1kV]로 충전하였고, 방전 구간 간격은 1kV] 에서 자폭방전이 발생하지 않는 3.
펄스급전선(CC)은 고전압 동축케이블(Z=75[Q])을 사용하였으며, 부하(RD로는 충분한 전류용량과 방전연면 길이를 가진 저항(25, 75, 375, 5000] 및 각 50[W], 연면길이:10[cm])을 사용하였다.

성능/효과

1. Marx 펄스 발생장치를 동축원통 형태로 구성하여 구조적으로 인덕턴스와 부유인덕턴스가 최소화되도록 함으로써 출력 펄스의 상승시간이 8~ 10〔ns] 인 매우 뾱른 고전압급 준 펄스를 얻올 수 있었다.
2.부하저항(25~ 500[Q])과 충전 커패시터(430 ~ 330이 pF]) 를 변화시켜 도 출력 펄스의 상숭시간은 8~로서 변화폭이 5[%] 이내의 낮은 변화를 보여주어 큰 영향을 받지 않았다. 또한, 부하 저항과 충전 커패시터를 변화시킴으로서 펄스폭은 가변되며 부하 저항(25~50이 QD 과 충전 커패시터 (430~00[)를 가변시킴으로써 100~50이]의 펄스 폭을 갖는 출력 펄스를 임의로 얻을 수 있었다.
3.제작돤 Marx 펄스 발생장치의 등가회로를 이론적으로 시뮬레이션한 결과는 실험 결과에서 얻온펄 스파형의 결과에 잘 일치하는 값(약 1이%] 이내)을 보여주었으며, 이를 이용하여 L을 최소화하고 R, C롤 변화시킴으로써 빠른 펄스 상승시간과 필요한 펄스폭 올 갖는 실험용의 소형펄스 발생 장치를 임의설계할 수 있음을 보여주었다.
4.실제의 펄스플라즈마 부하는 그 장치의 크기에 따라 부하 저항값의 변화가 크므로 적절한 단수를 가지는 부가적인 펄스 형성회로를 통해 원하는 펄스폭과 상숭시간을 얻을 수 있을 것으로 사료 돤다.
구 대구 방전에 있어서 방전간격이 방전구 지름이 하의 거리에서는 대기습도와 주위 물체의 영향을 크게 받지 않고 평등 전계에서 나타나는 전형적인 방전 특성을 보이고 부분 방전이 거의 발생하지 않고 바로 아크방전으로 가는 장점이 있다.⑼그림 2에 나타나듯이 스파크 갭의 상온상압의 공기 중에서의 방전 특성은 습도, 온도 등의 주위 환경에 거의 영향을 받지 않고 전압-전류 특성에 왜곡이 작은 전형적인 구대구 방전의 특성을 보여주었으며, 부분방전도 관측되지 않았다. 다만 문헌상(standard로 표시)의 스파크 방전 전압에 비해 갭의 간격이 4[mm] 이하에서는 3% 이내의 오차값을 보여주었으나 그 이상에서는 l~2[kV] 정도로 약 10%의 차이를 보여주었다.
부하저항(25~ 500[Q])과 충전 커패시터(430 ~ 330이 pF]) 를 변화시켜 도 출력 펄스의 상숭시간은 8~로서 변화폭이 5[%] 이내의 낮은 변화를 보여주어 큰 영향을 받지 않았다. 또한, 부하 저항과 충전 커패시터를 변화시킴으로서 펄스폭은 가변되며 부하 저항(25~50이 QD 과 충전 커패시터 (430~00[)를 가변시킴으로써 100~50이]의 펄스 폭을 갖는 출력 펄스를 임의로 얻을 수 있었다.

후속연구

표1은 제작된 동축원통형 Marx 펄스발생장치의 특성을 요약해서 나타낸 것으로서, 본 연구 결과 아주 단순하면서도 펄스 상승시간이 매우 높은 소형 펄스발생장치를 제작할 수 있었으며, 본 펄스발생장치는 비열플라즈마 발생장치[12T4] 나 기 타 급준 펄스를 필요로 하는 다양한 분야[15T기에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것으로 사료되며, 필요에 따라서는 다단화함으로서 더 높은 전압을 얻을 수도 있게 될 것이다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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