JP5100330B2

JP5100330B2 - 電磁波発生装置

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Publication number: JP5100330B2
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Inventors: 勝已佐橋
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Filing date: 2007-11-22
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Description

本発明は、電磁波パルスを発生させる電磁波発生装置に関り、特に、電磁波発振素子である仮想陰極電子管を高電圧パルスで駆動してＧＨｚオーダーの周波数で高出力の電磁波を発生させ、各種分野での応用が可能な電磁波発生装置に関する。

従来の電磁波発生装置として例えば特許文献１に記載のものがあり、これを図10を参照して説明する。図10に示す電磁波発生装置は、直流電圧を発生する直流電圧発生手段として作用するコンデンサ群１と、このコンデンサ群１から供給される電流を増幅するエネルギー増幅手段として作用するＭＣ(Magnetic Cumulation；磁場濃縮)型爆薬発電機３と、このＭＣ型爆薬発電機３と一次側が接続され、増幅した電流を電気エネルギーとして蓄積するエネルギー蓄積手段として作用する空芯トランス６と、この空芯トランス６の二次側と接続され、常時は閉状態で空芯トランス６による電気エネルギーの通過を可能とし、制御部４０からの制御信号がＭＣ型爆薬発電機用***３０に与えられると開状態となって高電圧パルスを発生させるスイッチング手段として作用するプラズマスイッチ７と、プラズマスイッチ７により発生した高電圧パルスをより高い電圧に昇圧する昇圧手段としての空芯トランス１１を備える。

更に、常時は開状態で高電圧パルスの電圧値が所定の値になると作動し、高速な立ち上がりパルス電圧波形を供給する波形整形手段として作用するギャップスイッチ１０と、高速な立ち上がり波形をもつ高電圧パルスがアノード１２ａとカソード１２ｂとの間に印加されると電磁波を発生する電磁波発生手段として作用する仮想陰極電子管１２と、この仮想陰極電子管１２に接続され電磁波放射手段として作用するアンテナ１３と、コンデンサ群１とＭＣ型爆薬発電機３との間に接続されたスイッチ２と、このスイッチ２、ＭＣ型爆薬発電機３に設けられたＭＣ型爆薬発電機用***３０及びプラズマスイッチ７に設けられたプラズマスイッチ用***３１へ起動信号又は制御信号を所定タイミングで供給する制御部４０とを備えて構成されている。

このような構成の電磁波発生装置において、制御部４０からの制御信号によってスイッチ２が閉状態とされると、ＭＣ型爆薬発電機３がインダクタンスを小さくしながらコンデンサ群１から発生される電流を増幅しながら、空芯トランス６及びプラズマスイッチ７へ通電する。そして、増幅を終えた時点でインダクタンスが零となり、電気エネルギーが空芯トランス６へ蓄積される。

プラズマスイッチ７は、常時は閉状態で空芯トランス６による電気エネルギーの通過を可能とし、制御部４０から制御信号が与えられると開状態となって、高電圧パルスを発生させるが、空芯トランス６でのインダクタンスの存在により、空芯トランス６からプラズマスイッチ７へのエネルギーの移行が正常に行われた場合、プラズマスイッチ７で発生する高電圧パルスは大きな値となる。

空芯トランス１１は高電圧パルスを更に高い電圧へ昇圧する。高電圧パルスの電圧値が所定の値になるとギャップスイッチ１０が作動し、仮想陰極電子管１２に高速な立ち上がり電圧波形を持つ高電圧パルスを印加することが可能となり、アンテナ１３から高周波、高出力の電磁波が放射される。

また、高電圧パルスの値は、プラズマスイッチ７がスイッチングする時の回路のインダクタンス値及び電流の時間変化率の積に比例するが、空芯トランス６の一次漏れインダクタンス値を例えば０．５μＨに、二次漏れインダクタンス値を例えば概ね５μＨから１０μＨにしておくことにより、ＭＣ型爆薬発電機３の電流増幅作用を阻害することなく、空芯トランス６のエネルギー蓄積を可能とし、プラズマスイッチ７の作動時、上記のインダクタンス値及び電流の時間変化率の積が大きくなり、プラズマスイッチ７の発生パルス電圧の値を大きくすることができるようになっている。

この高電圧パルスは空芯トランス１１により更に昇圧されて仮想陰極電子管１２に印加することによってアンテナ１３から高周波、高出力の電磁波が出力されるようになっている。

特開２００６−３３２８９９号公報

ところで、上記特許文献１の電磁波発生装置においては、ＭＣ型爆薬発電機３とプラズマスイッチ７の２つの装置で爆薬を使用するため、装置のスペースが大きくなり、制御装置４０の構成も複雑になる。また、エネルギー蓄積用の空芯トランス６と、昇圧用の空芯トランス１１の２つの空芯トランスが必要となり、装置全体の構成が複雑であり、装置の寸法も大きくなるという問題があった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、少ない構成機器により仮想陰極電子管を動作させるに必要な高電圧且つ立ち上がりの速い電圧パルスを発生することができ、これによって、簡素な構成で高出力の電磁波を放射することができる電磁波発生装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係る電磁波発生装置の第１の構成は、直流電圧を発生する直流電圧発生手段と、前記直流電圧発生手段から供給される電流を増幅しながら電圧を発生するエネルギー増幅手段と、前記エネルギー増幅手段で発生された電流または電圧を電気エネルギーとして蓄積しながらさらに高電圧に変換するエネルギー蓄積・変換手段と、前記エネルギー蓄積・変換手段で得られた電気エネルギーを蓄積するエネルギー蓄積手段と、前記エネルギー蓄積手段に蓄積された電気エネルギーの電圧値が所定値になると高速に導通し、高速な立ち上がり波形の高電圧パルスを出力する波形整形手段と、前記波形整形手段からの高速な立ち上がり波形の高電圧パルスの印加によって電磁波を発生する高周波発生手段と、前記高周波発生手段で発生された電磁波を放射するアンテナと、前記エネルギー増幅手段に対して制御信号を所定タイミングで出力する制御手段とを備えたことを特徴とする。

このような構成は、例えば、制御信号が与えられると作動するスイッチと、直流電圧を発生する直流電圧発生部として作用するコンデンサ群と、制御信号が与えられると作動し前記コンデンサ群から供給される電流を増幅するエネルギー増幅部として作用するＭＣ型爆薬発電機と、増幅した電流、電圧を蓄積しながら高電圧へ変換するエネルギー蓄積・変換装置と、前記エネルギー蓄積・変換装置から供給される電気エネルギーを蓄積するエネルギー蓄積手段として作用するコンデンサと、前記コンデンサと接続され、常時は開状態で前記コンデンサが所定の値になると作動し、高速な立ち上がり電圧波形を供給する波形整形部として作用するギャップスイッチと、高速な立ち上がり波形をもつ高電圧パルスが印可されると高出力の電磁波を発生する仮想陰極管電子管と、前記仮想陰極電子管に接続され電磁波放射部として作用するアンテナと、前記エネルギー増幅手段に対して制御信号を所定のタイミングで供給する制御手段とを含み、前記ＭＣ型爆薬発電機は、爆薬と、制御信号が与えられると起爆して前記爆薬を起爆させる電気***とを内蔵するライナと、概ねライナの外周に設けたコイルと、を含んで成り、前記仮想陰極電子管は真空容器中に対向して配置された陰極と陽極に高電圧パルスを印可すると発振し高出力マイクロ波を発生することを特徴とする電磁波発生装置として構成出来る。

また、本発明に係る電磁波発生装置の第２の構成は、前記第１の構成において、前記エネルギー蓄積・変換手段は一次巻き線および二次巻き線を有する空芯トランスであって、前記一次巻き線は一次側インダクタンスが概ね１μＨ以内となるよう巻き数が１ターンから３ターンとし、前記二次巻き線は前記一次巻き線の少なくとも１０倍以上の巻き数を有することを特徴とする。

また、本発明に係る電磁波発生装置の第３の構成は、前記第１の構成において、前記エネルギー蓄積・変換手段は５０ターン以上の巻き線を有するロゴスキー型トランスを少なくとも２個以上並べて構成し、前記エネルギー増幅手段の出力側導体に前記ロゴスキー型トランスのコイルを貫通させ、前記ロゴスキー型トランスのコイルは直列接続とし、該コイル端間に電圧検出用抵抗を設けたことを特徴とする。

本発明に係る電磁波発生装置の第１の構成によれば、エネルギー増幅手段はインダクタンスを小さくしながら直流電圧発生手段から発生する電流を増幅しながら、同時に電圧も発生する。これをエネルギー蓄積・変換手段であるエネルギー蓄積・変換装置へ通電し、前記発生電圧はエネルギー蓄積・変換装置により高い電圧に変換され、エネルギー蓄積手段であるコンデンサに蓄積される。このコンデンサの電圧値が所定の値になると波形整形手段が作動し、電磁波発生装置として作用する高周波発生手段に高速な立ち上がり電圧波形をもつ高電圧パルスを印加することが可能となり、高周波発生手段はマイクロ波を生成し、アンテナから高周波、高出力の電磁波が出力される。

また、本発明に係る電磁波発生装置の第２の構成によれば、エネルギー蓄積・変換装置が空芯トランスで構成され、該空芯トランスの一次巻き線はインダクタンスが概ね１μＨ以下となるようにしているので、前記エネルギー増幅手段として作用するＭＣ型爆薬発電機が電流を増幅する作用を阻害しない。更に、前記空芯トランスの二次巻き線は一次巻き線の１０倍以上の巻き数を有すため、二次巻き線には高電圧パルスが誘起され、前記仮想陰極電子管を発振させ、高出力の電磁波パルスを得ることができる。

また、本発明に係る電磁波発生装置の第３の構成によれば、５０ターン以上の巻き線を有するロゴスキー型トランスを少なくとも２個以上、前記ＭＣ型爆薬発電機のコイルとライナーに接続される導体に貫通させ、前記ロゴスキー型トランスのコイルは直列接続とし、該コイル端間に電圧検出用抵抗を設けているので、前記ＭＣ型爆薬発電機が発生する電圧パルスを高電圧パルスに変換することが可能となり、前記仮想陰極電子管を発振させ、高出力の電磁波パルスを得ることができる。

以上説明したように本発明に係る電磁波発生装置によれば、ＭＣ型爆薬発電機が発生する電圧パルスの出力を直接、高電圧パルスに変換するため、簡素な構成で仮想陰極電子管を動作させるに必要な高電圧で且つ立ち上がりの速い高出力の電磁波電圧パルスを発生することができるという効果があり、電磁波発生装置全体の小型化が可能になる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る電磁波発生装置の構成を示すブロック図である。図１に示す電磁波発生装置は、直流電圧を発生する直流電圧発生手段として作用するコンデンサ群１と、このコンデンサ群１から供給される電流を増幅しながら電圧を発生するエネルギー増幅手段として作用するＭＣ型爆薬発電機３と、このＭＣ型爆薬発電機３と一次側が接続され、該ＭＣ型爆薬発電機３で発生された増幅した電流または電圧を電気エネルギーとして蓄積しながら、さらに高い電圧に変換するエネルギー蓄積・変換手段として作用する空芯トランス４と、この空芯トランス４の二次側と接続され、該空芯トランス４で得られた電気エネルギーを蓄積するエネルギー蓄積手段として作用するコンデンサ８とを備える。

更に、常時は開状態で、エネルギー蓄積手段として作用するコンデンサ８に蓄積された電気エネルギーの高電圧パルスの電圧値が所定の値になると高速に導通して作動し、高速な立ち上がりパルス電圧波形の高電圧パルスを出力して供給する波形整形手段として作用するギャップスイッチ１０と、該ギャップスイッチ１０からの高速な立ち上がり波形をもつ高電圧パルスがアノード１２ａとカソード１２ｂとの間に印加されると電磁波を発生する高周波発生手段として作用する仮想陰極電子管１２と、この仮想陰極電子管１２に接続され、該仮想陰極電子管１２で発生された電磁波を放射する電磁波放射手段として作用するアンテナ１３と、コンデンサ群１とＭＣ型爆薬発電機３との間に接続されたスイッチ２と、このスイッチ２と、ＭＣ型爆薬発電機３に設けられたＭＣ型爆薬発電機用***３０へ起動信号又は制御信号を所定タイミングで供給する制御手段となる制御部４０とを備えて構成されている。

コンデンサ群１は、複数の単体のコンデンサを直並列に接続することにより直流電圧発生手段として構成されている。更に説明すると、所望の電圧を得るためにコンデンサを必要数直列接続し、所望の電流を得るためにコンデンサを並列接続することができる。

なお、直流電圧発生手段としてはコンデンサ群１の他に、バッテリやＭＨＤ（電磁流体力学）発電機でも構成することができる。

ＭＣ型爆薬発電機３は、図２（ａ）に示すように、内部に爆薬３ｃを充填したライナ３ｂと、このライナ３ｂの外周に沿って構成されるコイル３ａとを有し、通常、コイル３ａとライナ３ｂの間隔に絶縁ガスが封入された構成となっており、更に、爆薬３ｃ中に制御部４０からの起動信号が与えられると起爆するＭＣ型爆薬発電機用***３０が設けられている。なお、コイル３ａの一方の端子はコンデンサ群１に接続され、他方の端子は空芯トランス４に接続されている。

爆薬３ｃ中に設けたＭＣ型爆薬発電機用***３０を起爆させて爆薬３ｃを爆発させると、図２（ｂ）に示すように、ライナ３ｂが順次拡張してコイル３ａを順次短絡するので、コイル３ａのインダクタンスが小さくなる。一方、コイル３ａ中の磁束φは、｛φ（磁束）＝Ｌ（インダクタンス）×ｉ（電流）＝一定｝から分かるように一定に保持されているので電流が急激に増幅される。

このように、起爆信号が与えられたＭＣ型爆薬発電機用***３０が起爆して爆薬３ｃを爆発し、ライナ３ｂを順次拡張してコイル３ａを短絡していくので図３（ａ）に示すように大きな電流増幅が行われるとともに、図３（ｂ）に示すように電圧も発生する。

図４（ｂ）は従来技術の空芯トランスを模式図的に示したものである。図４（ｂ）において、６は空芯トランス、６ａは一次コイル、６ｂは二次コイル、２０ａから２０ｄは電気配線を示す。

この空芯トランス６の一次コイル６ａはＭＣ型爆薬発電機３の電流増幅作用を妨害しないよう巻き線は１ターンまたは２ターンとし、１μＨ以下の低インダクタンスとなっている。二次コイル（巻き線）６ｂはプラズマスイッチ７への電流供給をできるだけ大きくするため、巻き線数は５倍以下と少なく構成している。

図４（ａ）は本発明によるエネルギー蓄積・変換手段となる空芯トランスを模式図的に示したものである。図４（ａ）において、４はエネルギー蓄積・変換手段となる空芯トランス、４ａは一次コイル（巻き線）、４ｂは二次コイル（巻き線）、２０ｃから２０ｆは電気配線を示す。

この空芯トランス４の一次コイル（巻き線）４ａはＭＣ型爆薬発電機３の電流増幅作用を妨害しないよう一次側インダクタンスが概ね１μＨ以内（以下）となるよう巻き数は１ターンまたは２ターンとし、低インダクタンスとなっている。尚、空芯トランス４の一次コイル（巻き線）４ａの巻き数は、一次側インダクタンスが概ね１μＨ以内となるよう１ターンから３ターンとすることが出来る。

二次コイル（巻き線）４ｂは、該二次コイル（巻き線）４ｂに誘起される電圧をできるだけ大きくするため、一次コイル（巻き線）４ａの巻き数の少なくとも１０倍以上の巻き数を有して巻き線比を１０倍以上としている。

次に図１を用いてエネルギー蓄積手段となるエネルギー蓄積放電用コンデンサ８について説明する。コンデンサ８は空芯トランス４の二次コイル（巻き線）４ｂに直接接続されているため、二次コイル（巻き線）４ｂに誘起された電気エネルギーがそのまま蓄積される。

次に、波形整形手段となるギャップスイッチ１０について、図５を参照して説明する。図５（ａ）はギャップスイッチ１０の一例の構成を模式的に示したものである。

ギャップスイッチ１０は、銅等の導電性材料を球状に形成した２つの電極１０ａ，１０ｂを空気中で狭いギャップを介して対向させ、各電極１０ａ，１０ｂに電線２０ｅ，２０ｇを接続し、これら電極１０ａ，１０ｂと、当該電極１０ａ，１０ｂと平行に配置した電線２０ｃとを、エネルギー蓄積手段となるコンデンサ８及び高周波発生手段となる仮想陰極電子管１２に接続して成る。

このようなギャップスイッチ１０の動作を、図５（ｂ）及び図５（ｃ）を参照して説明する。図５（ｂ）の縦軸はコンデンサ８の充電電圧を示し、横軸は時間を示す。図５（ｃ）の縦軸はギャップスイッチ１０の出力電圧を示し、横軸は時間を示す。

コンデンサ８の充電電圧がギャップスイッチ１０の電極１０ａと電極１０ｂとの間隔によって決まる所定の電圧値に達したとき、図５（ｂ）に示す時刻ｔ４でギャップスイッチ１０が作動し、図５（ｂ）に示すような立ち上がり速度の速いパルス電圧を仮想陰極電子管１２へ供給する。つまり、ギャップスイッチ１０は波形整形手段として作用する。

次に、仮想陰極電子管１２について、図６を参照して説明する。図６（ａ）に示すように、仮想陰極電子管１２は、金属製の真空容器内にアノード１２ａ及びカソード１２ｂを対向させて構成される。アノード１２ａは金属メッシュ、カソード１２ｂは円筒金属の先端にベルベットを貼って構成される。図６（ｂ）に示すように、仮想陰極電子管１２は、アノード１２ａとカソード１２ｂとの間に概ね２００ｋＶ以上のパルス電圧が印加されるとカソード１２ｂからプラズマが放射され、プラズマ中の電子は負の高電圧パルスで加速され、アノード１２ａへ向かう。アノード１２ａへ向かった電子はアノード１２ａを越えて、実在しない仮想陰極まで到達し、この位置から方向を変え非常に速い速度で振動する。この電子の振動が電磁波としてアンテナ１３へ出力される。

アンテナ１３は、仮想陰極電子管１２から出力される電磁波を放射するためのものであり、例えば、パラボラ型、角錐ホーン型、円錐ホーン型、レンズ付円錐ホーン型等のアンテナで実現可能である。仮想陰極電子管１２とアンテナ１３との接続のために、導波管やコーナベント等の高周波デバイスを必要に応じて用いるようにすれば良い。

制御部４０は、後に説明する制御動作を行うものであって、例えば、動作プログラムを内蔵したＲＯＭ（Read-Only Memory；読み出し専用メモリ）と、動作プログラムにしたがって所望の信号を出力するＣＰＵ（Central Processing Unit；中央演算処理装置）を有して実現可能である。

また、ＭＣ型爆薬発電機用***３０としては、鉱工業用６号電気***、時間精度が高い地震探索用電気***、ガス導管起爆システム、ノネルシステム（両システムは、非電式起爆システムで周囲の電流による誤動作が防止され、高信頼性を有する）等を用いれば良い。また、爆薬としては、ダイナマイト、含水爆薬、硝安爆薬、硝安油剤爆薬等の爆薬や、ＰＥＴＮ（Penta Erithritol Tetra. Nitrate；ペンスリット）、ＲＤＸ（Research Department Explosive；ヘキソーゲン）、ＨＭＸ（High Meltingpoint Explosive；高温融点爆薬）、ＴＮＴ (TriNitro Torien；トリニトロトルエン）爆弾等の単一品または２種以上の混合品、又は、これらに、油脂系・シリコン系のバインダ、硝酸塩・塩素酸等の酸化剤を加えたものを用いれば良い。

このような構成の実施例１による電磁波発生装置の動作を、図１及び図７を参照して説明する。

但し、コンデンサ群１として４５μＦのコンデンサを６個並列に接続し、電圧７．５ＫＶで充電したものを用いる。ＭＣ型爆薬発電機３として、全長１０００ｍｍ、直径２００ｍｍ、コイル径１６０ｍｍ、コイルピッチ８ｍｍ、コイル巻き数６３、コイル初期インダクタンス１００μＨのものを用いる。空芯トランス４として、直径０．２ｍ、長さ０．１ｍ、一次コイル２ターン、二次コイル４０ターン、一次漏れインダクタンス１μＨ、二次漏れインダクタンス３３０μＨ、相互インダクタンス２．５μＨのものを用いる。コンデンサ８として２０ｎＦのものを用いた。

ギャップスイッチ１０として、空気中に径１０ｍｍの球ギャップを対向させ、ギャップ間隔を８ｍｍとし、作動電圧２００ｋＶ、パルス立ち上がりを１００ｎｓとしてものを用いる。仮想陰極電子管１２として周波数１０ＧＨｚ、出力２０ＭＷ、パルス電圧２００ＫＶのものを用い、アンテナ１３として角錐ホーンアンテナ、ゲイン２０ｄＢのものを用いた。

図７（ａ）は、制御部４０による制御信号や起動信号の供給タイミングを示し、この図７（ａ）に示すように、まず、制御部４０は、スイッチ２に起動信号を供給する。これによってコンデンサ群１から電流がＭＣ型爆薬発電機３に供給される。例えば概ねｔ２＝１００μｓ後、制御部４０が電気***３０に起動信号を供給すると起爆する。

これによって電流が、コンデンサ群１、ＭＣ型爆薬発電機３、空芯トランス４の一次コイル４ａを増幅されながら流れ、同時に空芯トランス４の二次コイル４ｂにはパルス電圧が誘起される。この誘起電圧により空芯トランス４の二次コイル４ｂに電流が流れ、空芯トランス４の二次コイル４ｂに電気エネルギーを蓄積しながら、コンデンサ８を概ね電圧２５０ｋＶに充電する。

そのパルス電圧Ｖがギャップスイッチ１０の一次側に印加され、これに応じてギャップスイッチ１０の二次側から図７（ｅ）に示すパルス電圧Ｖが出力される。つまり、ギャップスイッチ１０に印加されたパルス電圧がギャップ間隔で決まる所定の電圧値に到達したとき、ギャップ間で放電が発生し、ギャップスイッチ１０の二次側に立ち上がり時間の速い高電圧パルスが発生する。

ギャップスイッチ１０のギャップ間の放電電圧は２００ｋＶに設定されているため、仮想陰極電子管１２には２００ｋＶ以上の電圧が印可される。

この立ち上がりの速い高電圧パルスが仮想陰極電子管１２のアノード１２ａとカソード１２ｂ間に印加されると、電磁波が発振され、この電磁波がアンテナ１３から放射される。

この電磁波放射までの電磁波発生装置における主要部の出力波形を図７（ａ）〜（ｅ）に示す。図７（ａ）はＭＣ型爆薬発電機３の出力電流、図７（ｂ）は空芯トランス４の一次コイル４ａの電圧、図７（ｃ）は空芯トランス４の二次コイル４ｂの出力電圧、図７（ｄ）はギャップスイッチ１０の第２の出力電圧、図７（ｅ）は仮想陰極電子管の１２の出力電力の波形である。

このように実施例１の電磁波発生装置によれば、印加パルス電圧の立ち上がりが速く且つ発振条件下限電圧が高い仮想陰極電子管１２であっても、高出力で高周波数（ＧＨｚオーダー）の電磁波を発振してアンテナ１３から放射することができる。

図７（ｄ）が本実施例によるギャップスイッチ１０の出力電圧の波形であり、パルス電圧のピーク値が２５０ｋＶとなっている。この２５０ｋＶのパルス電圧を印加することによって仮想陰極電子管１２は発振し、アンテナ１３から周波数約１０ＧＨｚ〜１５ＧＨｚ、電力２０ＭＷ以上、アンテナ１３から１ｍの地点において電界強度２．４ｋＶ／ｃｍ以上の電界強度を得た。

このように、簡素な構成の装置にもかかわらず、従来装置とほぼ同等の出力電力を得ることができた。

図８は、本発明の実施例２に係る電磁波発生装置の構成を示すブロック図である。

図８に示す電磁波発生装置が上記実施例１の電磁波発生装置と異なる点は、図１に示した空芯トランス４の代わりに、エネルギー蓄積・変換手段として、５０ターン以上の巻き線を有するロゴスキー型トランス５を少なくとも２個以上並べて構成し、図９に示すように、エネルギー増幅手段となるＭＣ型爆薬発電機３からの出力側導体である配線２０ｃ，２０ｄをロゴスキー型トランス５のそれぞれのコイル５ａに貫通させて一次導体とし、該ロゴスキー型トランス５のそれぞれのコイル５ａの端部を直列接続して配線し、該コイル５ａ端間に電圧検出用抵抗９を設けたことにある。

エネルギー増幅手段となるＭＣ型爆薬発電機３からの出力側導体である一次導体２０ｃ，２０ｄと、エネルギー蓄積・変換手段となるロゴスキー型トランス５のコイル５ａとの間の相互インダクタンスをＭ、一次導体２０ｃ，２０ｄに流れる電流をｉとすると、ロゴスキー型トランス５のコイル５ａに誘起される電圧はＶは、Ｖ＝Ｍ×（ｄｉ／ｄｔ）となる。ロゴスキー型トランス５を複数台直列接続にすると、その台数に比例する電圧が得られる。

実施例として、ロゴスキー型トランス５のコイル５ａの巻き数を１００、前記コイル５ａの半径を０．０２（ｍ）、前記コイル５ａの周の半径を０．０１（ｍ）、貫通部の一次導体２０ｃ，２０ｄの導体長を０．０５（ｍ）、ＭＣ型爆薬発電機３の電流の傾きのピークを１００ｋＡ／μｓとし、ロゴスキー型トランス５を２個直列接続した場合、コイル５ａの端子電圧２５０ｋＶを得ることができ、前記実施例１の空芯トランス４の場合と同等、前述した図７に示すような結果が得られた。

このように、エネルギー蓄積変換手段として作用するロゴスキー型トランス５を用いてＭＣ型爆薬発電機３の電流、電圧を直接高電圧パルスに変換したので、その分、電磁波発生装置全体を小型化することができる。

なお、以上の電磁波発生装置の応用例としては、それらの装置を各種電子機器の耐電磁波ノイズ性の評価用に用いることが考えられる。具体的には、アンテナ１３から放射される電磁波を評価対象機器に照射し、その破損状態を評価することによって各種の電子機器の耐ノイズ性を評価することが可能となる。

また、電磁波発生装置から放射される電磁波を、受信基地側のアンテナで検出して、電磁波を放射した装置の存在位置を把握可能とするシステムに用いることも可能である。このような使用様態によれば、海洋上、山間地等の遠隔地における、自身の存在位置を通知することが可能となる。

このように、電磁波発生装置の応用には様々なものが考えられ、ここに記載した応用例は、その数例に過ぎないことは言うまでもない。上記のように爆薬を用いた構成にすれば、小型な装置構成であっても高出力の電磁波を出力可能な装置を実現することが可能となる。

本発明の活用例として、電磁波パルスを発生させる電磁波発生装置に適用出来、特に、電磁波発振素子である仮想陰極電子管を高電圧パルスで駆動してＧＨｚオーダーの周波数で高出力の電磁波を発生させ、各種分野での応用が可能な電磁波発生装置に適用出来る。

本発明の実施例１に係る電磁波発生装置の構成を示すブロック図である。ＭＣ型爆薬発電機の構成図である。（ａ），（ｂ）はＭＣ型爆薬発電機用***が起爆して爆薬を爆発しライナを順次拡張してコイルを短絡した際の電流増幅と電圧発生をそれぞれ示す図である。（ａ）は本発明のエネルギー蓄積・変換手段としての空芯トランスの構成図であり、（ｂ）は従来技術のエネルギー蓄積・変換手段としての空芯トランスの構成図である。（ａ）はギャップスイッチの構成図、（ｂ）はギャップスイッチの入力電圧の波形図、（ｃ）はギャップスイッチの出力電圧の波形図である。（ａ）は仮想陰極電子管の構成図、（ｂ）は仮想陰極電子管の動作原理説明図である。（ａ）はコンデンサ群、ＭＣ型爆薬発電機、空芯トランスの線路に流れる電流の波形図および、制御部の制御信号又は起動信号の供給タイミング図、（ｂ）は空芯トランスの一次コイルに誘起される電圧波形図、（ｃ）は空芯トランスの二次コイルに誘起される電圧波形図、（ｄ）はギャップスイッチの二次側からの出力パルス電圧の波形図、（ｅ）は仮想陰極電子管の出力電力の波形図である。本発明の実施例２に係る電磁波発生装置の構成を示すブロック図である。本発明の実施例２に係るエネルギー蓄積・変換手段としてのロゴスキー変圧器の構成図と接続図である。従来技術による電磁波発生装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１…コンデンサ群（直流電圧発生手段）
２…スイッチ
３…ＭＣ型爆薬発電機（エネルギー増幅手段）
３ａ…コイル
３ｂ…ライナ
３ｃ…爆薬
４…空芯トランス（エネルギー蓄積・変換手段）
４ａ…１次コイル
４ｂ…２次コイル
５…ロゴスキー型トランス（エネルギー蓄積・変換手段）
５ａ…コイル
６…従来技術の空芯トランス
６ａ…１次コイル
６ｂ…２次コイル
７…プラズマスイッチ
８…エネルギー蓄積放電用コンデンサ（エネルギー蓄積手段）
９…電圧検出用抵抗
１０…ギャップスイッチ（波形整形手段）
１０ａ，１０ｂ…電極
１１…従来技術の空芯トランス
１２…仮想陰極電子管（高周波発生手段）
１２ａ…アノード
１２ｂ…カソード
１３…アンテナ（電磁波放射手段）
２０，２０ａ〜２０ｈ…電気配線(電線）
３０…ＭＣ型爆薬発電機用***
３１…プラズマスイッチ用***
４０…制御部（制御手段）

Claims

直流電圧を発生する直流電圧発生手段と、
前記直流電圧発生手段から供給される電流を増幅しながら電圧を発生するエネルギー増幅手段と、
前記エネルギー増幅手段で発生された電流または電圧を電気エネルギーとして蓄積しながらさらに高電圧に変換するエネルギー蓄積・変換手段と、
前記エネルギー蓄積・変換手段で得られた電気エネルギーを蓄積するエネルギー蓄積手段と、
前記エネルギー蓄積手段に蓄積された電気エネルギーの電圧値が所定値になると高速に導通し、高速な立ち上がり波形の高電圧パルスを出力する波形整形手段と、
前記波形整形手段からの高速な立ち上がり波形の高電圧パルスの印加によって電磁波を発生する高周波発生手段と、
前記高周波発生手段で発生された電磁波を放射するアンテナと、
前記エネルギー増幅手段に対して制御信号を所定タイミングで出力する制御手段と、
を備えたことを特徴とする電磁波発生装置。
前記エネルギー蓄積・変換手段は一次巻き線および二次巻き線を有する空芯トランスであって、前記一次巻き線は一次側インダクタンスが概ね１μＨ以内となるよう巻き数が１ターンから３ターンとし、前記二次巻き線は前記一次巻き線の少なくとも１０倍以上の巻き数を有することを特徴とする請求項１に記載の電磁波発生装置。
前記エネルギー蓄積・変換手段は５０ターン以上の巻き線を有するロゴスキー型トランスを少なくとも２個以上並べて構成し、前記エネルギー増幅手段の出力側導体に前記ロゴスキー型トランスのコイルを貫通させ、前記ロゴスキー型トランスのコイルは直列接続とし、該コイル端間に電圧検出用抵抗を設けたことを特徴とする請求項１に記載の電磁波発生装置。