JPS581950A - 高電圧同軸スイツチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、一般的には高電圧、高電流電気パルスの高速
スイッチングに関し、さらに詳しくは、−例えば高出力
紫外線レーザーのトリガーやその他の応用に用いるため
の、市販サイラトロンで得られる範囲を超えた電圧およ
び電流の信頼性のある高速スイッチングに関するもので
ある。

ある程度の大きさの高電圧および高電流は、慣用的な市
販シリコン薊御整流器（ＳＣＲ）、サイラトロン等によ
って迅速かつかなりの信頼性をもってスイッチングを行
なうことができる。

非常に高い電■を迅速にスイッチングするために火花ギ
ャップ法が用いられている。この方法においては、比較
的近接して隔置された２つの−電極間に高電圧差を印加
して、それらの間に高速のスイッチング火花を生せしめ
る。このとき起る電気的作用は、従来から慣用されてい
るガソリン自動車の内燃機′関における点火プラグの機
能と類似するものである。電極間隔は主として電極間の
電圧差やガス、空気または介在する環境の性質によって
影響される。

、シかしながら、かような火花ギャップ、・スイッチに
おいては本来的な問題があ乞。先ず、連続的点火により
電極が侵食し、比較的短寿命であるために頻繁な保守と
交換を必要とする。また、点火タイミングが正確でない
ためパルス・ジッターを生ずる。高い周期すなわち高い
゛繰返し数で作動する火花ギャップ・スイッチにおいて
生ずるもう１つの問題は、電極間の環境が火花によって
事実上汚染され、再安定化するのに有限の時間を要する
ことである。信頼性のある火花ギャップ作用の速度をあ
げるために、ガスその他の電極間媒体を点火電極に流通
せしめて電極間に常時比較的純粋な媒体を維持するよう
な手段が開発されている。キロヘルツ範囲およびそれ以
上の高い点火速度においては、媒体交換流の容量と速度
は非常に大とｄるため、信頼しうる安定な高電圧、高電
流パルスを得ようとする場合にはさらに補助的な負担が
かかる。

そのため本発明の目的は、紫外線レーザー等をトリガー
するのに好適な、信頼しうる高電圧、高電流、高繰返し
数のスイッチを提供することである。

本発明の別な目的は、火花侵食やその他の劣化機構のな
い、長寿命の高電圧、高電流スイッチを提供することで
ある。

本発明のさらに別の目的は、安定で信頼しうる、比較的
ジッターのない高電圧、高電流スイッチを提供すること
である。

本発明による高電圧スイッチは、電子を放出するための
複数の尖鋭点を備えた中実金属製円筒からなる冷陰極と
、この陰極と同軸的に配置された中空薄壁の第１の円筒
と、この第１円筒を包囲しかつ前記陰極と同軸的に配置
されたより大径の第２の中空円筒、からなっている。陰
極と第１円筒との間の領域は数ミクロンまで排気され、
第１と第２の円筒の間の領域は適当な放電パラメーター
をもつ空気または他のガスで充満されている。特に高ス
ィッチング速度が要求される場合には、第１と第２の円
筒の間の領域を通して空気または他のガスを流通させる
ことが望ましい。

このスイッチを作動させるに際しては、第２の円筒に高
圧電荷を印加したのち、高電圧トリガー・パルスを冷陰
極に印加すると、冷陰極上の尖鋭点から放出される電子
は第１円筒へと流さ−れ、小型コンデンサーを通って高
電圧トリガ、−源へ戻される一０放出された電子のいく
つかは第一１円筒を透過し、これによって二次電子を生
成して第１と第２の円筒間の領域で大容量放電を起し、
第２の円筒から第１の円筒へ高圧電荷をスイッチングし
、またここから適当なケーブルを介して負荷へスイッチ
ングする。この負荷は高出力レーザー等とすることがで
きる。

本発明の利点は、最初のトリガー・パルスのために冷陰
極と場放出が用いられ、これにより従来の火花トリガー
の侵食や他の劣化の問題を解消できることである。

本発明の別な利点は、同軸的電極設計が点放電に比べて
均一容量放電を誘導し、比較的低い電極間ガス交換流速
および圧力のもとて信頼できる高繰返し数のスイッチン
グをもたらすことである。

本発明のさらに別な利点は、電極の同軸配置により低イ
ンダクタンス、低ジツタ−、高電圧、高電流スイッチを
与え、このスイッチは特定のスイッチング出力の要求に
依存して容易に大型化したり小型化できることである。

上記した以外の本発明の目的、利点および新規な特徴は
、図面に示した実施例を参照する以下の説明から明らか
にされよう。ｉ 第１図は本発明による装置の好ましい実施例を示してお
り、中実円筒状陰極１１を薄い中空円筒状電極１３とこ
れより大きい中空円筒状外側電極１５が同軸的に包囲し
ている。゛陰極１１表面には複数の尖鋭点１７が設けら
れている。

後述するように、陰極１１と内側円筒状電極１３との間
は真空に維持され、一方、内側電極１３と外側電極１５
との間には、ガスを満たすかあるい流通１させる。ガス
は空気でもよい。

このスイッチを作動させるには、外側電極１６に高圧電
荷が印加される。この印加は、高圧端子２１と接地端子
２３との間に高電圧を印加して抵抗体１９を介してコン
デンサー１８を充電することによって達成される。コン
デンサー１８と抵抗体１９との間の接続点２６はリード
線２７を介して外側円筒状電極１６に接続される。コン
デンサー１８は接続点２６と大地２３とめ間に接続され
る。外側電極１．５が負荷されたのち、端子２９と３１
の間に高電圧トリ。

ガー・パルスが印加される。端子２９は小型コンデンサ
ー３３を介して内側電極１３へ接続され、端子３１は陰
極１１へ直接接続される。高電圧トリガー・パルスによ
って、陰極１１は冷陰極として機能し、この陰極、特に
著しくは尖鋭点１７から電子が放出される。かくして放
出された電子は内側電極１３へと流れ、コンデンサー３
３を通って高電圧トリガー寺パルス端子２９へ戻る一次
径路をつくる。しかしながら、放出された電子のいくつ
かは薄い中−円筒状電極１３を通って透過し、”内側電
極１３と外側電極１６と、の間に大容量放電を生じさせ
るに十分な多数の二次電子を発生させる。この放電作用
により外側電極１５に負荷された高圧電荷を内側電極１
３へ、さらにはケーブル３５を介して負荷３７ヘスイツ
チさせることができる。この負荷３７は大地２３への帰
路ケーブル３９を有している。上述した作用によって、
例えば紫外線高出力レーザーのごとき負荷３１へ非常に
高いエネルギーの電荷を信頼性をもってスイッチあるい
はトリガーすることができる。

第２図は本発明の同軸配置構造を説明するものである。

冷陰極１１は薄い中空円筒１３によって同・軸的に包囲
されており、この円筒１３はさらに外側円筒状電極１６
によって同軸的に包囲されている。陰極１１上の尖鹸点
１７は第２図に示したように局面を四分する位置に配設
されている。尖鋭点１１のかような配置は陰極１１から
内側電極１３への電子の均一な放電を確実にする。電極
１３と１６の円形断面は、これらの間での均一放電をも
たらすことが理解できよう。

第３図には、冷陰極１１が非導電性円形頂板４１に固定
されている状態が示ぎれている。陰極１１にはねじ付き
レセプタクル４３が設けられており、ここで電気的結合
がなされる。非導電性円形頂板４１にはさらに円筒状電
極１３゜１６を受容するための溝が設けられている。気
密シールを確実にするための０−リング４５゜４７がそ
れぞれ設けられている。冷陰極１１と内側電極１３との
間での゛表面トラッキングやミスファイヤーを防止する
ために、複数の円形溝４９．５１．５３が非導電性円形
頂板４１に刻′設されている。同様に、溝５７．５９を
頂板４１に設けて内側電極１３と外側電極１５との間の
表面トラッキングやミスファイヤーを防止する。

外側電極はさら゛己卯導電性円形底板６１によって固定
されている。頂板４１で行なったように、外側電極１５
のための０−リング６３を配して気密シールを確実にし
、またｉ形溝６５゜６７を配して内側電極１３と外側電
極１６をの間の表面トラッキングとミスファイヤーを防
止する。さらに、０−リング６９を配して内側電極１３
に対する気密シールを確実にする。小さいガスまたは空
気交換ロア１，７３を頂板４１に穿設し、この交換口に
よって加圧ガスまたは空気の連続的交換を行なうことが
できる。同様な空気ロア５．７７を底板６１にも設ける
ことが望ましい。これによって頂板４１から導入し底板
６１から排出させる円滑な連続的ガス交換が可能となる
。パルス速度が、１秒当り１パルスといったオーダーの
非常に遅い場合ニハ、カスまたは空気交換ロア１．７３
，７５，７７は必要ないだろう。　　、 内側電極１３はさらに導電性円形底板７９によって固定
されている。０−リング８１を配して、導電性円形底板
７９と内側電極１３との間の気密接続を確、実にしであ
る。導電性円形底板７９には真空口８３を設け、内側円
筒状電極１３と非導電性円形頂板４１と導電性円形底板
７９とで囲まれた円筒状領域内を排気できるようになっ
ている。好ましくは数ミクロンまで真空口８３から排気
して真空にする。導電性円形底板７９にも電気的接続の
ための２個のねじレセプタクル８５．８７が設けられて
いる。

非導電性ねじ８９力も、頂板４１、非導電性底板６１、
および導電性底板７９を貫通し、適当個所に置かれた複
数のナツト９１によって固定されている。第３図には非
導電性ねじ８９が２本しか図示されていないが、８本ま
たはこれ以上の複数本のねじを非導電性円形頂板４１．
非導電性円形頂板６１および導電性円形底板７９の円周
のまわりに等間隔に配設できることが理解できよう。

第２図と第３図に図示した実施例においては、冷陰極１
１上の尖鋭点１７は弓のこ刃のごとき尖った刃を冷陰極
１１の平滑局面に取付けることによって形成することが
できる。図示の例では４個の弓のこ刃を取付けて尖鋭点
１１を形成しているが、より多くの、恐らくは８個以上
の弓のこ刃を取付けることが可能であろう。あるいはま
た、平滑な冷陰極１１面に尖った溝を慣用手段を用いて
刻設することもできる。

第１〜３図の実施例で詳述したごとき本発明スイッチは
、その用途によって適当な寸法にすることができる。例
えば陰極１１と内側電極１３の寸法は、電極１３．１５
間の領域に二次電子を生成せしめるに十分な冷陰極１１
からの電子放出を確実にするような寸法が必要となる。

そのための寸法は、主として冷陰極１１に印加される高
電圧トリガーの大きさと内側電極１３の材質と厚さによ
って変化する。同様に、内側電極１３と外側電極１５と
の間の領域の寸法は、主にその領域内にあるガスまたは
空気の性質と外側電極１５に印加される高ＩＥ′ｔＩＬ
荷の大きさに依存して変化させることができる。寸法上
の必要条件は、電極１３を透過する電子を、外側電極１
５と内側電極１３との間の容量放電を開始するのに十分
にすることである。

本発明の実施例をより詳細に説明するために、第１〜３
図に示した構成部品の寸法を以下に示す。これらの数値
は単に実施例の説明のためのみであり、本発明を限定す
るものではない。第１図においては、抵抗体１９は１メ
グオームのオーダー、コンデンサー１８は００４マイク
ロフ９アランド、コンデンサー３３は２７０ナノフアラ
ツドのオーダーとすることかできる。端子２９．３１間
に印加される高電ｔ］：、　トＩＪガー・パルスは、ナ
ノ秒パルスに対して２０〜１００キロボルトのオーダー
とし、１ヘルツ〜１０キロヘルツの間の繰返し数で発生
する。端子２１．２３間に印加される高電圧レベルは１
キロポル１ト〜１００キロボルトのオーダーとすること
かできる。

負荷３７は例えば高出力紫外線レーザーとすることがで
きる。

第２図に示したような冷陰極１１は真ちゅう製で、直径
約２．５４ｃｆｎ（１インチ）のオーダーとすることが
できる。弓のこ刃を冷陰極１１に取付けて、少なくとも
冷陰極の四分位置に尖鋭点１７を形成することができる
。内側電極１３の直径は約５．４ｍ（約２．６インチ）
とし、厚さは約１．６１１ｍ１　（１／１６インチ）以
下とすることができる。外側電極１５はアルミニウム製
で、直径約８．９ｚ　（３，５インチ）、厚さ約６４鰭
（１／ゼンチ）のオーダーとすることができる。

第３図に示した非導電性円形頂板４１は、直径約１５２
（７）（６インチ）、厚さ約１．３（ＷＩ（０，５イン
チ）のオーダーとすることができ、［レキサン（Ｌｅｘ
ａｎ　）　Ｊから作製することができる。非導電性円形
底板６１は、直径約４５．２ｃｍ（６インチ）、厚さ約
２．５４ｃｒ１１（１インチ）、「し竹ン」製とするこ
とがで、きるＡ電性底板７９は直径約１５．２ｃＩＲ（
６インチ）、厚さ約１．３ｃｌＲ（０，５インチ）、ア
ルミニウム製とすることができる。冷陰極１１の円形頂
板４１下方の長さは約１１．４ｃｆｎ（４，５インチ）
にできる。内側電極１３の長さは約１４’ｃｍ　（５，
５インチ）、外側電−１５の長さは約１１、４　Ｆ　（
４，５インチ）とすることができる。

本発明の好ましい実施例についての上述した記載は、説
明のためのものであり、本発明をこの実施例に限定する
ためのものではない。上述の説明に照らして多くの修正
や変更が可能である。例えば、外側電極１６を同軸的に
包囲する外側円筒を追加し、これに大地電位をもたせれ
ば、安全対策にもなり、同軸構造を完全にし、インダク
タンースの低いスイッチング装置とすることができる。

また、特に１００Ｈｚまたはそれ以上のスイッチング繰
返し数が必要の場合には、外側電極１６に印加される高
電王は共振充電回路のごときパルス電源から与えること
もできる。

従って、上記の実施例は本発明原理とその実際的応用を
説明するために示したものであり、意図する特定の用途
に適するように本発明を種々に変更することができる。

本発明は特許請求の範囲によって限定されるものである
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の電気スイッチ構造の説明図；第２図は
本発明による中実陰極と２個の中空円筒状電極の同軸配
置の断面図：および第３図は本発明の好ましい実施例に
おける構成部品の一部破断側面図である。 １１・・・陰極、１３・・・内側電極、１６・−外側電
極、１７・・・尖鋭点、３７−・負荷、４１−非導電性
円形頂板、４３　・・・陰極レセプタクル、６１・・・
非導電性円形底板、７１．７３，７５，７７・・・空気
口、７９−・・導電性円形底板。　　　゛特許出願人　
　アメリカ合衆国

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　断面円形の円筒状陰極と：該陰極を同軸的に包囲
   する断面円形の薄肉中空円筒状内側電極と；該内側電極
   を同軸的に包囲する断面円形の中空円筒状外側電極と：
   前記陰−と内側電極との間の領域を排気状態にする手段
   と；前記内側電極と外側電極との間の領域にガスを供給
   する手段と；前記外側電極に高圧電荷を印加する手段と
   ；前記内側電極に負荷を接続する手段と：前記陰極と内
   側電極との間に高電圧パルスを印加して陰極から電子を
   放出させて内側電極方向へ加速せしめ、前記内側電極と
   外側電極との間の領域で二次電子放出と容置放電を起さ
   せ°るのに十分な量の電子を内側電極を通して透過させ
   る手段とからなり、これによって前記外側電極に印加さ
   れた高圧゛電荷を内側電極へ、さらにはこの内側電極に
   接続された負荷へ放電できるようにしたことを特徴とす
   る高電圧同軸スイッチ。 ２、　前記断面円形の円筒状陰極は冷陰極である特許請
   求の範囲第１項記載の高電圧同軸スイッチ。 ３、　前記冷陰極はその表面に複数の尖鋭点を有し、こ
   れによって冷陰極からの電子放出を促進するようにした
   特許請求の範囲第２項記載の高電圧同軸スイッチ。 ４、　前記冷陰極上の複数の尖鋭点は、冷陰極と内側電
   極との間の領域で比較的均一な電子放出を誘導するよう
   に配置されている特許請求の範囲第３項記載の１高電圧
   同軸スイツチ。 ５　前記冷−極は中実な断面円形の円筒状冷陰極である
   特許請求の範囲第２項記載の高電圧同軸スイッチ。 ６　前記中実な断面円形の円筒状冷陰極は中実な真ちゅ
   う製の断面円形の円筒状冷陰極である特許請求の範囲第
   ６項記載の高電圧同軸スイッチ。 ７　前記断面円形の薄肉中空円筒状内側電極はアルミニ
   ウム製である特許請求の範囲第２項記載の高電圧同軸ス
   イッチ。 ８　前記断面円形の薄肉中空円筒状内側電極は１６闘以
   下の厚さである特許請求の範囲第２項記載の高電圧同軸
   スイッチ。