EMP 고전압 발전기

이 글에서 다룰 백서에서는

 

EMP 시뮬레이션과 이를 위한 고속 펄스 발생기의 이야기다.

 

 

상승 시간이 7ns 미만인 공기 환경에서 970kV에 안정적으로 동작 가능한 장치를 만들었다.

 

게다가 펄서를 설계하고 테스트하여 300~500kV 출력 전압과 30~100ns 펄스 폭의 상승 시간을 확인하였다.

 

생성한 펄스는 1MW pulser 인터페이스와 호환되므로 두 펄스 중 하나를 사용하여 90 ohm 도파관(waveguide)을 구동한다.

 

고속 상승 시간 펄서는 기존의 Marx를 사용하여 기존 피크 캐패시터와 유사한 전송 캐패시터를 충전한다.

 

전송 스위치를 닫으면 매우 낮은 인덕턴스 피크 콘덴서(a very low inductance peaking capacitor)가 충전된다.

 

이후 낮은 인덕턴스 출력 스위치를 닫으면 빠른 상승 시간 파형이 생성된다.

 

이 논문에서는 Air Operation이란 방사를 의미하는 듯하다.

 

Pulser Modifications for Air Operation

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- 아래 그림의 EMP 시뮬레이터는 125kV에서 최대 1MV 까지의 출력 전압 범위에서 어느 한 극성으로(in either polarity) 작동할 수 있다. 여기서 다루는 시뮬레이터의 규모는 용량을 보고 알았겠지만 매우 크다. 그래서 Marx generator 또한 절연유가 들어있는 탱크에서 작동한다. 

 

The peaking circuit(peaking capaciotrs, an output switch and water capaciotrs across the output switch)는 Max generator가 직렬 인덕턴스 때문에 공급할 수 없는 초기 시간, 빠른 상승 부하 전류를 생성하는데 필요하다. 

원래 구성에서 diaphragm(칸막이, 가로막)와 콘덴서 표면의 flashover를 방지하기 위해 gas box는 대기압에서 약 26cubic meters(세제곱미터)의 R-12 프레온으로 채워졋다. 이 freon 가스는 정기 정비 절차 중에 대기로 방출되었다.

현재 환경 법규는 이 시설에 대한 R-12 사용을 금지하고 있다. 따라서 원래 구성의 EMP 시뮬레이터는 at about half the maximum output voltage만 가능하다.

 

가스 인클로저 내 공기만을 사용하여 1MV 가까이에서 펄서를 작동할 수 있는 접근 방식을 채택하여 안전성을 확보한다.

선택한 방법은 Marx와 피크 용량을 줄임으로써 전압 스트레스의 시간을 줄이는 것이다. 

20.2 nF의 Marx 정전용량은 30nF, 50kV 관형 콘덴서의 직,병렬 조합에서 비롯된다. 각각의 Marx는 16개의 병렬 관형(tubular) 콘덴서로 구성된 두 개의 그룹으로 구성되어 있다.

공기 중 작동의 경우, 병렬 커패시터의 각 그룹에서 두 개의 캐패시터를 사용함으로서 전압 stress 시간은 감소되었고, Marx 캐패시턴스는 2.52nF였다. 피크 캐패시터도 0.69에서 0.41nF로 변경되었다. 이 작업은 최소 왜곡을 가진 파형을 생성하기 위해 수행되었다. 

여기서 F는 파괴확률(breakdown proobability)를 의미하며 파괴확률 50%에 대해 kV/cm 단위의 평균 필드(V/d), d는 플래시오버 기러(cm)를 의미, t는 파괴전압의 0.89를 초과하는 유효 시간 y, 공기의 경우 k=22이다.

 

 

 

 

Test Data for Air Operation

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아래 표는 테스트 조건과 출력 전압 및 체크 아웃 시리즈의 대표적인 샷에 대한 10~90% 상승 시간을 함께 제공한다.

출력 스위치 압력 증가 및 병렬 전해 커패시터 수 증가에 따른 피크 전압 증가는 모두 예측대로다. 또한 상승 시간은 일정하게 유지되거나 병렬 전해 커패시터의 수에 따라 증가할 수 있다는 점도 유의해야 한다. Marx가 20.2 nF이고 피크 커패시터가 0.69 nF일 때 상승 시간을 줄이는 것이었다. 이 결과 입력 파일이 이러한 캐패시턴스로 변경되고 유사한 전압, 즉 전해 캐패시터 없이 108 ns로 전환되고 회로에 있을 때, 115 ns로 전환되는 경우에도 PSpice에 시뮬레이션 결과와 같다.

 

 

워터 커패시터를 사용하는 이점은 출력 스위치(변속기 라인과의 용량 분할)에서 전압을 줄이고 파형 후반부에 클로저를 허용하는 것이다. 결과적으로 피크 커패시터의 전압이 높아지고 파형 초기에 출력 전압이 증가한다.

위 표의 Shot No. 30과 37에 대한 파형은 아래 그림처럼 나타난다. 

출력 스위치의 폐쇄 지연으로 더 높은 전압을 얻으려고 시도했다. 

 

출력 스위치의 폐쇄 지연으로 더 높은 전압을 얻기 위해 시도를 했다.

 

공기 환경에서 970kV에서 안정적이고 재현 가능한 작동이 달성되었다. 출력 스위치에 더 높은 압력 또는 더 큰 간격을 사용하여 10% 더 높은 전압을 달성하려는 시도는 성공하지 못했다. 유도 closure는 출력 스위치 또는 병렬 젆 ㅐ캐패시터의 외부 표면에서 발생하는 것으로 보인다.

 

고장시 소산되는 에너지는 90 ohm시리즈 변속기 라인 및 종단에 의해 제한된다.

그 결과, 고장이 발생하면 가시적인 트랙을 남기지 않고 이후 펄스가 성공적으로 수행된다..

 

 

Fast Risetime Modifications

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Fig. 4는 상승 시간 펄서의 회로도를 보여준다.

 기존의 12단 Marx의 지연 시간 전류를 줄이기 위해 큰 인덕터(60 uH)와 함께 사용된다.

 

1-nF 전송 캐패시터는 거의 500ns 단위로 충전되고 자체 닫힘 스파크 갭을 통해 전환된다.

그런 다음 82pF 피크 콘덴서가 급속을 충전되고 출력 스위치가 10ns에서 충전 파형으로 닫히게 된다.

Fig. 5는 가스 인클로저에서 굴러온 EMP-1000 Marx 탱크를 보여준다. 

 

 

 

 

HIGH VOLTAGE GENERATOR WITH FAST RISETIME FOR EMP SIMULATION

 

H. Schilling, J. Schliiter and M. Peters Wehrwissenschaftliche Dienststelle der Bw fiir ABC-Schutz (WWDBw) D - 29633 Munster Germany K. Nielsen, J. T. Naff, H. G. Hammon Physics Intemational Company 2700 Merced Street San Leandm, CA, USA