JPH0754665B2

JPH0754665B2 - 磁界を備えた中空陰極プラズマスイッチ装置

Info

Publication number: JPH0754665B2
Application number: JP4068700A
Authority: JP
Inventors: ダン・エム・ゲーベル; ロバート・エル・ペシェル; ロバート・ダブリユ・シューマッハー; ジュリアス・ハイマン・ジュニア
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1991-03-26
Filing date: 1992-03-26
Publication date: 1995-06-07
Anticipated expiration: 2010-06-07
Also published as: EP0506001A1; US5132597A; IL101342A; DE69219190D1; EP0506001B1; DE69219190T2; JPH05190100A; IL101342A0

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、中空陰極プラズマスイ
ッチおよびスイッチング方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ゲートターンオフサイリスタおよび集積
ゲート双極トランジスタを含む固体スイッチング装置は
以前から開発されている。これらの装置は迅速なスイッ
チング、低い電圧降下および低温動作が可能であり、低
いＤＣ電圧の高電力を高いＤＣ電圧に変換するインバー
タ／変換器システムにおいて使用されている。しかしな
がら、固体スイッチは著しく低い電圧（１ｋＶより小さ
い）で動作しなければならず、高電圧出力に対するそれ
らの変換器結合は10を越す高いステップアップ率で低
い。それらはまた単一の過電流または過電圧下において
致命的な故障にさらされ、高温／高放射線環境において
動作することができない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】固体スイッチのこれら
の欠点を克服した低圧力プラズマ開放スイッチはクロス
アトロン（Crossatron）変調スイッチ（クロスアトロン
は本発明の出願人であるヒューズエアクラフト社の商標
である）と呼ばれている。このスイッチの詳細は、Ｒ．
Ｗ．Ｓchumacher 氏他による米国特許第4,596,945 号明
細書（1986年 6月24日出願、ヒューズエアクラフト社に
譲渡された）に示されている。

【０００４】クロスアトロンスイッチは高速度および高
い反復周波数での開閉の両パルスパワー回路に対する制
御された拡散放電を使用し、実質的に固体スイッチより
高い電圧および電流での動作を可能にする２次電子放射
器、冷陰極装置である。さらに、クロスアトロンスイッ
チは堅牢で故障に耐え、極低温に冷却されることができ
る。しかしながら、それは典型的に500 ボルト程度で比
較的高い順方向電圧降下を生じさせ、これは約５ｋＶよ
り低い電源電圧用には不適切である。

【０００５】クロスアトロンスイッチの利点を保持する
が、かなり低い順方向電圧降下（20ボルト程度）および
高いシステム効率で動作するプラズマスイッチが最近開
発された。ホロトロンスイッチ（ホロトロンはヒューズ
エアクラフト社の商標である）と呼ばれるこの装置は、
Ｒobert Ｗ．Ｓchumacher 氏により1989年 9月13日に出
願され、ヒューズエアクラフト社に譲渡された本出願人
の別出願の米国特許出願第07/406,673号明細書（1989年
9月13日出願）に記載されている。それは導電中に低い
順方向電圧降下を生成する高濃度のキセノンプラズマを
形成するために熱イオン中空陰極放電を使用する。この
スイッチはまた速い方形パルス変調を行うためにグリッ
ド制御電流遮断特性を含む。

【０００６】上記のホロトロンスイッチの欠点は、それ
が遮断のために密度を十分に減少させるように中空陰極
プラズマの幾何学的な拡大に依存していることである。
この方法は約２Ａ／cm²の電流密度でほぼ２Ａのピーク
電流にスイッチングを制限する。電流がこのレベルの上
に高められるとき、スイッチにおいて発生された高いプ
ラズマ密度はプラズマの電流伝送チャンネルの絞り（ピ
ンチング）または領域制限（“フィラメンテイショ
ン”）を伴い、したがって電流を遮断してスイッチを開
くことを阻止する。高い電流レベルで電流を遮断できな
いのは制御グリッドの開口における遮断電圧のデバイ
（Ｄebye）シールディングのためであると考えられる。
大型中空陰極を簡単に構成し、中空陰極から制御グリッ
ドおよび陽極をさらに離すことは大きいプラズマ領域ま
たは低いプラズマ密度を保証せず、スイッチの電流容量
を高めない。中空陰極の内部に形成された濃縮プラズマ
から電流を伝送するプラズマチャンネルは、プラズマチ
ャンネルが負の抵抗を示し、プラズマにおける中和され
た電子流からの有限な内部Ｊ×Ｂ力が存在するために小
さい断面に自分で絞る傾向がある。高いプラズマ密度は
スイッチが処理できる電流および電流密度を制限する。

【０００７】中空陰極は始めに長寿命、高電流および低
電力消費を実現するように電子衝撃イオン源中の加熱フ
ィラメントを取除くために開発された。イオンスラスタ
において使用するために開発された典型的な中空陰極は
Ｗ．Ｋerslake ，Ｄ．Ｃ．ＢyersおよびＪ．Ｆ．Ｓtagg
s 氏らによる論文（AIAA Paper No.67-700,1967 ）に記
載されている。このタイプの中空陰極は上記のホロトロ
ンスイッチに使用された。イオン源の磁界のない領域に
おけるプラズマ源としての中空陰極の動作はＤ．Ｍ．Ｇ
oebel 氏他による雑誌（“Plasma Studies on a Hollow
Cathode，Magnetic Multipole Ion Source for Neutra
l Beam Injection”，Rev.Sci.Instrum.，Vol.53，No.
6，1982年 6月， 810乃至 815頁）に記載されている。
この場合、イオンスラスタの幾何学形状におけるよう
に、中空陰極はイオン生成および最終的にイオンビーム
の形成ための放電を発生させる電子源として使用され
る。中空陰極は負にバスアスされたイオン加速器と対向
して位置され、間の領域は陽極電位でバイアスされた気
密室壁によって包囲される。

【０００８】磁界は典型的に放電のイオン化効率を改良
するためにイオンスラスタ中で使用される。この適用に
おいて、２次イオン化領域（放電室）は中空陰極プラズ
マ源とビーム抽出グリッドとの間に位置される。この領
域は陰極電位でバイアスされた２つの平板によって軸方
向に全体的に境界を限定され、中空陰極に関して正電位
でバイアスされた電極（陽極）によって半径方向で限定
される。磁界は主として電子が中性ガス原子とのエネル
ギ衝突を最初に経験せずに中空陰極プラズマから直接陽
極に進むことを阻止するために使用され、それによって
付加的なイオン化を発生する。

【０００９】Ｇoebel 氏他による文献に記載されたイオ
ン源においては、中空陰極開口から高密度プラズマ流を
広がりする機構は設けられていない。中空陰極開口から
のフィラメント化されたプラズマチャンネルは20cm以上
イオン源の中に延在した。衝突によって絞られたプラズ
マ流を広げ、イオン抽出電極において均一なプラズマを
生成するために、イオン源は陰極からイオン加速器まで
40cm以上の長さで構成されなければならなかった。この
長さは結果的に陽極壁に対する著しいプラズマ損失、典
型的にイオン化電位の６倍の比較的高い電圧降下および
装置の中程度の全体効率をもたらした。

【００１０】中空陰極からプラズマ流を広がりする問題
はイオンスラスタ開発の初期段階で表明された。Ｈ．
Ｊ．Ｋing 氏他による文献（“Electron-Bombardment T
hrusters Using Liquid-Mercury Cathodes”，J.Spacec
raft and Rockets，Vol.4 ，No.5，1967年 5月， 599乃
至 602頁）において、発散した磁界はビーム抽出グリッ
ドで大面積にわたって水銀中空陰極からプラズマを広げ
るために部分的に使用された。それにもかかわらず不均
一で強いピークを軸上に有する密度プロフィールが生成
された。

【００１１】中空陰極から放射された電子は陰極と第１
の加速グリッドとの間で静電的に限定され、陽極に対す
る放射線損失が妨げられるように磁気的に制限され、電
子は衝突およびＥ×Ｂ不安定さを介して強制的に円筒形
の陽極に放射状に広がりさせられる。高められたイオン
化速度は放電効率を改良するが、ソースの軸から陽極に
進行するためのイオン化した電子に対する長い拡散距離
は結果的に不均一で強いピークを軸上に有するプラズマ
プロフィールを生じさせる傾向がある。イオンスラスタ
における高いピークを軸上に有するプラズマプロフィー
ルを避けるためにバッフルが中空陰極の直ぐ前面におい
て軸上に配置された。軸方向の磁界は陽極からの電子の
限定を行い、イオン化効率を高めるために保持される。
バッフルはビーム抽出グリッドの外径におけるプラズマ
密度を増大させるために電子放電を強制的に軸から外れ
て進行させ、一方電子プラズマ衝突は放電室プラズマが
バッフルの中空プロフィール下流を満たすことを可能に
する。

【００１２】文献にはこのようなイオンスラスタのいく
つかの幾何学形状が示されている。これらはＨ．Ｒ．Ｋ
aufman氏による論文（“Technology of Electron-Bomba
rdment Ion Thrusters”，Advanced in Electronics
and Electron Physics，ed.Ｌ．Ｍarton ，Vol.,36 ，A
cademic Press，1974， 266乃至 373頁）に記載されて
いる。成形された磁界およびバッフルの組合せはイオン
加速グリッドにおいて均一なプラズマ密度を生成する
が、陽極から陰極への放電電圧をイオン化電位の２倍以
上上昇させる。事実、バッフルの幾何学形状は通常イオ
ン化効率を高めるために放電インピーダンスを上昇させ
るように最適化される。

【００１３】中空陰極および発散した磁界を持つ一般的
なイオン源構造はまたオークリッジナショナルラボラト
リィにおいて研究されており、Ｃ．Ｃ．Ｔsai 氏他によ
る文献（“Plasma Studies on a DuoPIGatron Ion Sour
ce”，Rev.Sci.Instrnm.，Vol.48，No.6，1977年 6月，
651乃至 655頁）に記載されている。大面積（10cm乃至
30cmの直径）にわたって均一なプラズマを生成するため
に、中空陰極開口において軸上にバッフルを挿入し、陽
極壁における表面多極磁界によって付加的な磁気制限を
付加することも必要である。

【００１４】前記のようなバッフルを備えた従来の装置
における磁界を使用する目的は主として中空陰極の外側
の放電室におけるイオン生成速度（放電効率）を高める
ことであり、さらに、これらの磁界によって加速電極へ
のイオン流を均一にすることができる。このようなバッ
フル領域における磁界の成形は、通常放電のイオン化効
率を高めるためにイオン化電位の数倍に放電電圧を適切
に上昇させるように最適化される。

【００１５】本発明は従来のこのタイプのスイッチの利
点を保持しているが、低い順方向電圧降下で著しく高い
電流遮断能力を有する中空陰極プラズマスイッチおよび
スイッチング方法を提供することを目的とするものであ
る。

【００１６】

【課題解決のための手段】本発明はプラズマを拡大する
ために、それが制御電極を通過する中空陰極と陽極間に
発散磁界を与えることによってこの目的を達成する。制
御電極を横断するこのプラズマ広がりは、全遮断電流が
グリッドおよび陽極領域を増加することによって増大さ
れることができるように均一な電流密度を生成する。磁
界は制御グリッドの制御能力を抑制する高い電流密度の
プラズマ流を阻止して電流を遮断する。

【００１７】この磁気ホロトロンスイッチ構造は外見が
上記の装置に類似しているが、動作は著しく異なってい
る。イオン源技術と対照的に、本発明は静止ガス充填
で、中空陰極開口にバッフルがなく、イオン化電位より
少しだけ大きい陰極陽極間電圧降下により動作する。電
子を陰極から陽極に流動させる装置中の電界は磁界に平
行である。したがって、与えられた磁界は陽極領域にわ
たって均一に電流を分配するように中空陰極の内部の濃
縮プラズマから陽極に電子を案内するように機能する。

【００１８】イオンスラスタ技術とは異なって、本発明
の磁界形態は陽極での衝突前にイオン化確率を高めるよ
うに中空陰極から抽出された１次電子を限定するために
使用されない。ホロトロンスイッチにおけるプラズマ
は、１次電子が静電的に限定される中空陰極において主
として発生する。磁界は中空陰極プラズマからの電子を
直接陽極に案内し、電子路長を減少することによって中
空陰極の外側におけるイオン化率を実際に減少する。こ
の案内機能は従来技術において報告された高いピークを
軸上に有するプラズマ密度プロフィールを著しく減少
し、バッフルを使用せずに制御グリッドにおける均一な
プラズマ密度を提供する。陰極から陽極へのプラズマ流
におけるバッフルその他の制限（キープアライブグリッ
ドのような）の除去は、スイッチにおいて所望の低い順
方向電圧降下を提供する。磁界形状は制御グリッドに対
して均一で制御された電流密度を生成することによって
スイッチの電子流遮断能力を最適化するように選択され
る。

【００１９】特定の構造において、Ｘｅガス圧力は約0.
1 トルより小さく、好ましくは約0.06トルであり、陰極
と制御グリッドとの間隔は約５cmであり、好ましくは約
3.5cm であり、磁界強度は少なくとも50ガウス、好まし
くは約200 ガウスである。制御電極路におけるグレッド
のメッシュ孔寸法は、遮断を行うために制御グリッド上
で要求される負のバイアスを 250Ｖよりも小さく減少す
るように直径が0.3mmより小さいように選択される。こ
れらのパラメータによりスイッチは3.3 Ａ／cm²以上の
制御グリッドにおける電流密度で従来のホロトロン技術
より高い大きさのオーダーである20Ａを越える全ピーク
電流パルスを生成した。２Ａ／cm²の電流密度における
12Ａのピーク電流パルスはわずか20Ｖの順方向電圧降下
および0.3 μ秒以下の開閉時間で実現される。

【００２０】本発明のこれらおよび他の特徴は以下の詳
細な説明および添付図面から当業者に明らかになるであ
ろう。

【００２１】

【実施例】ここに示された改良されたホロトロンプラズ
マスイッチにおいて、プラズマはプラズマコラム上に発
散した磁界を印加することによって強制的に大領域に均
一に拡大させられる。本発明を表す磁化ホロトロンプラ
ズマスイッチは図１に概略的に示されている。スイッチ
は示されたユニットに使用された特定された面積および
パラメータにより説明されるが、これらの特定された量
は変化されることが可能であり、特定と考えられるべき
ではない。スイッチは圧力ハウジング14内に包囲され、
キセノンガス源16がバルブ18を介してハウジングに結合
される。内径0.64cmのＢａ酸化物含浸中空陰極20は被覆
タンタルヒータ22によって加熱される。加熱電流は電気
供給端子24を通じて供給される。中空陰極20から放出さ
れた電子は陰極の近くでハウジングの内側のガス粒子と
の衝突によってプラズマを形成する。

【００２２】先端を切られた円錐形状を有し、プラズマ
の通過のために先端を切られた部分に開口を持つキープ
アライブ電極26はスイッチが動作される前、陰極出口の
近くにプラズマを維持するために中空陰極出口の直ぐ外
側に位置される。類似の円錐状のキーパが中空陰極イオ
ン源中に以前使用されていたが、ホロトロンおよびクロ
スアトロン装置のような従来のプラズマスイッチは平坦
なグリッドキーパを使用していた。この幾何学形状は、
グリッドまたは固体ディスクを直接プラズマ中に配置し
た結果生じたプラズマコラムを絞ることなくスイッチジ
ッタを減少するために必要なキーパ電流を供給する。

【００２３】キーパ支持管の周囲の７巻コイル28は、中
空陰極20から外側に発散する磁力線を有する磁界を形成
する。コイルはキーパ円錐位置で測定して 2.8ガウス／
Ａの磁界を生成する。この磁界の形成は結果的にスイッ
チの電流容量を著しく増加させた。これは以下詳細に論
じられる本発明の重要な観点である。

【００２４】制御電極30は、中空陰極20から3.5cm の距
離に位置される。制御電極30は、直径が2.8cm の通路を
持つ直径7.7cm のステンレス鋼ディスクから構成され
る。0.3mm のメッシュ孔を持つステンレス鋼グリット32
は通路を覆ってスポット溶接される。制御電極30は同じ
メッシュ材料のシリンダ34上に取付けられ、それはセラ
ミック支持体によって支持される。電流は端子36を通じ
てコイル28に供給され、一方適切な電圧電位は端子38お
よび40をそれぞれ介してキーパ26および制御電極30に与
えられる。

【００２５】導電体陽極42は制御電極30の中空陰極20と
反対側から２mmの距離に位置される。動作において、陽
極は陰極に関して正の電圧で維持される。プラズマは陰
極から陽極まで延在し、制御電極上の正電圧パルスに応
答して両者間に電流を導き、負の制御電圧パルスは電流
を遮断し、プラズマをキーパ領域に戻す。

【００２６】スイッチがオンに切替えられ、陰極と陽極
との間に電流を導いたときの動作は図２に示されてい
る。この図において、磁界コイル28は永久環状磁石48に
よって置換され、要求される発散磁界を形成する限り電
磁石または永久磁石のいずれかが使用されることも可能
である。

【００２７】発散磁界を使用しない従来のホロトロンス
イッチは、ほぼ２Ａ／cm²の制御電極での電流密度に対
して約２アンプのピーク電流を切替えることができた。
電流はこのレベルの上に増加されたとき、プラズマ流
（外部境界を破線50によって示す）は制御電極および陽
極において制限され、その外端付近でふくらむ傾向があ
った。プラズマ密度の増加は制御グリッド32の開口にお
ける遮断電圧のデバイシールディングによる電流の遮断
を阻止した。

【００２８】本発明において、中空陰極20と制御グリッ
ド32との間において発散する磁界（磁力線52によって示
されている）は制御グリッドにおいて広範囲の領域に強
制的にプラズマを拡散させる。スイッチの磁界強度およ
びその他のパラメータの適切な設定により、プラズマは
実質的にグリッド32によって限定された制御電極の通路
全体にわたって強制的に拡散されることができる。この
拡大されたプラズマボリュームは図２の影付けによって
示されている。所望された場合、選択的に付加すること
のできる磁石54または簡単な鉄のマスが発散した磁界の
成形を助けるように制御電極路の背後およびその横に配
置されることができる。

【００２９】制御電極路におけるプラズマ内の電子分布
は遮断電流を最大にするためにできるだけ均一であるこ
とが望ましい。一般に、陰極と陽極との間の電流の約95
％は陰極から放出された１次電子によって、或は１次電
子とガス分子間のイオン化衝突の結果生じた２次電子に
よって伝送される。図２において制御電極30と陽極42の
右側に分布図56で示されているような非常に平坦な電子
密度分布は、プラズマが非常に多数の電子・ガス分子衝
突が発生するように形成された場合に得られることがで
きる。しかしながら、非常に多数のこのような衝突はス
イッチの順方向電圧降下を増加させ、したがって中空陰
極の主な利点の１つを劣化する。他方プラズマがほとん
ど衝突が生じないように生成された場合、電子密度分布
は電子密度図58で示されるように制御電極グリッドの中
心の近くに顕著なピークを有する。それは遮断されるこ
とができる電流の量を減少するため、これも望ましくな
い。電流遮断能力および順方向電圧降下の両方において
小さい性能低下を伴ういくつかの、しかし比較的少数の
衝突が存在する中間的な条件が一般に望ましい。所望の
プラズマ形態に対する電子密度分布は図60によって示さ
れているような滑らかな弧であり、図58の急峻なピーク
のない。

【００３０】電子・ガス分子衝突数の２つの最も重要な
決定要因は圧力ハウジング内のガス圧力および中空陰極
18と制御電極グリッド32との間の距離である（電子エネ
ルギは２次的な要因である）。本質的に、これらの要因
の選択は順方向電圧降下と電流遮断能力のいずれも著し
く劣化されないようにそれらの間の相互関係に関与す
る。陰極と制御電極との間隔はまた磁界の形状に関係
し、磁界がさらに発散したときに、間隔は一般に減少さ
れることができる。好ましい圧力および間隔範囲は以下
に論じられる。

【００３１】プラズマを拡大するために必要とされる磁
界の値は電子広がり理論から計算されることができる。
この理論において、電子は中性ガスとのランダムウォー
ク衝突によって与えられた磁界を横切って進行する。磁
界を横切る電子運動に対する垂直拡散係数は次の式によ
って与えられる；Ｄ_p＝Ｄ／（１＋ω_c ²ｔ²）ここで、Ｄはプラズマにおける電子拡散に対する標準係
数であり、ω_cは電子サイクロトロン（軌道）周波数で
あり、ｔは中性ガス圧力に依存している電子中性衝突期
間である。量ω_c ²ｔ²は１よりかなり大きく、電子は
磁化されて磁力線にしたがって運動する。この式は基本
的に電子の中性ガスとの衝突がそれらを次の磁力線に移
動させる前に多数のサイクロトロン軌道を実行した場
合、電子分散を制御するときの磁界の効果を表してい
る。４つの異なるガス圧力に対するキセノン中のω_c ²
ｔ²対供給磁界の関係が図３に示されている。

【００３２】図１の装置は、図３の影付けされた方形62
によって示された領域において実験的に動作された。15
0 ガウスより下の磁界において、プラズマはそれ程磁化
されず、プラズマコラムは視覚的にさらに絞られた。こ
の場合、遮断されることができる最大電流は約４アンペ
アであった。同様に、0.1 トルより上の圧力において磁
界は高い衝突率のためにプラズマ形状に影響を与えない
ことが認められた。新しいプラズマスイッチに対して好
ましい圧力および磁界は約0.06トルおよび約 200ガウス
であることが認められた。これらのパラメータ内におい
て、中空陰極と制御電極グリッドとの間の２乃至５cm、
好ましくは3.5cm の間隔は図２中の曲線60によって示さ
れたように制御グリッドで滑らかに弧を成した電子密度
分布を生成する。これらのパラメータ内においてイオン
は磁化されず、十分な電子中性衝突によりプラズマは制
御グリッドのかなり近くでは磁化されない。これはプラ
ズマが発散した磁力線に完全に制限された場合より、制
御グリッドにおけるプラズマをさらに均一にさせる（衝
突および広がりにより）。

【００３３】このプラズマスイッチは、50％のデューテ
ィサイクルおよび20ｋＨｚのパルス反復周波数により２
Ａ／cm²のピーク陽極電流密度で５ｋＶ、12アンペアの
方形パルスを生成した。構造の簡単な等価回路図が図４
に与えられている。正電圧Ｖ＋は抵抗Ｒ1 を通じて陽極
42に供給され、陽極電圧は端子Ｖ_Aで取出された。中空
陰極18は接地され、約1.5 マイクロ秒の期間を持つ制御
パルスが制御電極グリッド32に与えられた。

【００３４】上記のパラメータを持つ単一の25マイクロ
秒の幅のパルスの波形のオシログラフ波形が図５に示さ
れている。上部波形64は陽極電圧のものであり、スイッ
チが閉じられたときに５ｋＶから接地電位に急速に降下
した。下部波形66は陽極電流を示し、スイッチが閉じら
れたときに12アンペアに急速に上昇した。スイッチは制
御電極グリッドに与えられた電圧パルス68によって閉じ
られ、グリッドに与えられた負のパルス70によって25マ
イクロ秒後に開かれた。50％のデューティにおける４つ
のパルスおよび10のパルスのバーストもまた実行され、
非常に正しい方形で再生可能な陽極電圧および電流パル
スを生成した。スイッチパルス化能力に対する制限は認
められなかった。

【００３５】12アンペア、２Ａ／cm²電流密度のパルス
はわずか20Ｖの陰極陽極間の順方向電圧降下により得ら
れた。順方向電圧降下は、値がガスのイオン化エネルギ
の２倍より小さい、すなわちキセノンに対して24Ｖより
小さい場合低いと考えられる。0.055 トルおよび200 ガ
ウスでの動作中の順方向電圧降下は図６に示されている
ように陽極電流密度と共に増大した。ガス圧力の増加は
全電流レベルに対して順方向電圧降下を低くした。2.5
Ａ／cm²より高い電流密度での順方向電圧降下の急速な
増大は中空陰極開口中の電流の空間電荷制限を示すもの
と認められる。この効果の潜在的に有効な適用は故障中
のインバータスイッチのピーク電流能力を制限すること
である。順方向電圧降下をかなり低く維持するために一
般に約３Ａ／cm²以下の電流密度で動作することが好ま
しい。

【００３６】スイッチの開閉動作は図７のａおよび図７
のｂにそれぞれ示されている。２Ａ／cm²でのスイッチ
電流の上昇時間は約0.2 μ秒であった。上部波形は陽極
電圧を、下部波形は陽極電流をそれぞれ時間の関数とし
て示す。図７に示されていない制御グリッドバイアス電
圧は典型的に約1.5 マイクロ秒の期間の間150 ボルトの
正パルスである。数百ナノ秒の遅延後、制御グリッド電
圧は制御グリッド電流が10オームの電流制限抵抗を通過
したときに順方向電圧降下の近くに急速に減少した。

【００３７】２Ａ／cm²でのスイッチの開放時間は約0.
3 μ秒であり、ガス圧力および−220 ボルトの負のバイ
アス制御グリッド電圧により強く変化した。負のバイア
スの減少はスイッチが遮断できないほどに遮断時間を増
加した。

【００３８】0.06トルのキセノンガス圧力で急速に遮断
されることができる最大電流密度は、負の制御グリッド
遮断電圧および制御グリッド32のメッシュ寸法の関数と
して図８に示されている。3.3 Ａ／cm²の電流密度に対
応した20アンペアまでの電流での方形パルスは 270ボル
トの負の制御グリッド電位を使用することによって高い
信頼性により発生された。

【００３９】制御グリッドメッシュ寸法は要求された負
のバイアスを減少するために調節されることが可能であ
り、したがってグリッドのスパッタリングを減少し、ス
イッチ寿命を増加することができる。図８は0.3mm およ
び0.075mm のメッシュ孔を持つ制御グリッドに対して要
求される制御グリッド遮断電圧に対するプラズマ電流密
度のグラフである。負の制御グリッドバイアスは0.075m
m のメッシュ孔寸法により50Ｖより小さく減少できるこ
とが認められた。50Ｖより下に負の制御グリッドバイア
スを減少することは、Ｘｅスパッタリングしきい値がほ
とんどのグリッド材料に対して約50Ｖであるため制御グ
リッドスパッタリングを除去することができる。これは
スイッチ寿命を大幅に延長する。0.075mm のメッシュ孔
寸法は0.3mm のメッシュに比較してスイッチの閉時間を
増加するが、スイッチは依然として１μ秒以下で閉じら
れることができる。

【００４０】制御グリッドのパワー負荷およびスパッタ
リングはまたそれが遮断中に収集した電流によって決定
されることができる。制御グリッドによって収集された
ピーク電流は図９において全陽極電流に対して示されて
いる。制御グリッドは陽極電流の20％だけを収集するこ
とが理解できる。これは遮断中にクロスアトロンスイッ
チ制御グリッドによって収集されたものより著しく低い
電流である。クロスアトロンスイッチでは電流の半分は
イオンによって伝送され、制御グリッドは陽極電流にほ
ぼ等しいピーク電流を遮断中に収集しなければならな
い。この発明のスイッチの制御グリッドはスイッチ電流
が主として電子によって主に伝送されるため著しく少な
い電流を収集する。制御グリッドにおけるプラズマ密度
はクロスアトロンスイッチよりかなり低く、したがって
利用可能なイオン流は減少される。測定はこのピーク電
流が半分以下の遮断時間で収集されることを示す。低い
制御グリッド電流および短い収集時間は結果的にクロス
アトロンスイッチに比較して制御グリッドパワー負荷を
著しく減少させる。

【００４１】モリブデン制御グリッドに対して、100 Ｖ
の遮断電圧に対するグリッド寿命は約1,030 時間と計算
されることができる。長いグリット寿命のために、グリ
ッド浸食は約50Ｖに遮断電圧を減少することによって実
質的に避けられることができる。モリブデンのキセノン
スパッタリングに対するしきい値は49.3ｅＶであり、そ
の下ではスパッタノングは生ぜず、グリッド寿命は実質
的に無限である。スパッタリング生成量はイオンエネル
ギがこの値より上に増加すると急速に増加する。図８の
データから0.15mmより小さい制御グリッドメッシュ孔お
よび１乃至２Ａ／cm²の電流密度で動作すると、浸食の
制限されたスイッチ寿命は10,000時間以上に増加される
ことができる。この場合、スイッチ寿命は中空陰極によ
って適切に制限される。

【００４２】このスイッチは閉状態および故障条件中の
スイッチの過渡現象に対して通常レベルを越えて電流を
供給して遮断することが通常要求される。上記の実験的
なスイッチは0.055 トルのキセノン圧力および200 ガウ
スの磁界で100 Ａの閉電流を達成した。この電流は高密
度のプラズマ生成中スイッチのベースにおける遮蔽され
ていない電気供給端子上での絶縁破壊によってのみ制限
された。これらの試験中、スイッチはまた3.3 Ａ／cm²
の電流密度に対応する20Ａの電流を遮断した。この非常
に望ましい特性は図10に示され、これは100 Ａを閉じ、
20Ａを開くスイッチに対する時間の関数として陽極電流
を示す。

【００４３】本発明はイオン源プラズマの陽極・陰極ギ
ャップ特性における電子トラップをせずにホロトロンス
イッチに発散した磁界を付加する。電子は陰極と反対側
の境界で反射されないため電子密度は軸上に集合しな
い。したがって、プラズマプロフィールは強いピークを
軸上に持たない。プラズマプロフィールの平坦化は中空
陰極の正面におけるバッフルの除去を可能にし、したが
ってイオン化電位の２倍以下に放電インピーダンスを減
少し、動作ガス圧力を低くし、順方向電圧降下を減少し
た。

【００４４】広がりプロフィールによる制御電極での広
範囲の領域にわたる電子流の広がりは高い全ピーク電流
の遮断を可能にする。

【００４５】クロスアトロンスイッチに比較して実質的
に減少されたグリッドパワー負荷および順方向電圧降下
に加えて、このプラズマスイッチは従来のホロトロンス
イッチより著しく高い電流伝送能力を示した。増加は２
Ａから数十および数百Ａの範囲である。本発明の実施例
が示され説明されているが、当業者は種々の変形および
別の実施例を認識するであろう。この様な変形および別
の実施例は検討され、添付された特許請求の範囲のよう
な本発明の技術的範囲を逸脱することなく実現されるこ
とが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を内蔵した修正されたホロトロンスイッ
チの概略図。

【図２】本発明の動作の説明図。

【図３】異なる圧力に対して与えられた磁界の関数とし
て示したプラズマ磁化のグラフ。

【図４】スイッチに対して行われた試験を示す簡単な電
気回路図。

【図５】与えられた制御パルスに対するプラズマスイッ
チの応答特性のグラフ。

【図６】本発明の１構造に対する電流密度の関数として
のスイッチの順方向電圧降下のグラフ。

【図７】本発明により得られる開閉応答特性のグラフ。

【図８】異なる制御電極メッシュ寸法に対する遮断電圧
と電流密度のグラフ。

【図９】陽極電流に対する遮断中の制御電圧電流のグラ
フ。

【図１０】スイッチ開閉動作中の時間の関数として示し
た陽極電流のグラフ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ロバート・エル・ペシェルアメリカ合衆国、カリフォルニア州 91360、サウザンド・オークス、カレ・コラド 935 (72)発明者ロバート・ダブリユ・シューマッハーアメリカ合衆国、カリフォルニア州 91367、ウッドランド・ヒルズ、カリファ・ストリート 23737 (72)発明者ジュリアス・ハイマン・ジュニアアメリカ合衆国、カリフォルニア州 90035、ロサンゼルス、モンテ・マー・ドライブ 9116

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】低い順方向電圧降下で高電流のプラズマ
スイッチ装置において、プラズマを形成するための電子
を放射する中空陰極と、中空陰極から間隔を隔てて配置
され、スイッチ装置がオンのときに中空陰極からプラズ
マを通って流れる電流を受ける陽極と、中空陰極と陽極
との間に配置されて中空陰極からのプラズマの陽極への
到達を制御する制御電極と、中空陰極と制御電極との間
に発散磁界を形成する手段とを具備し、前記制御電極は
発散磁界を使用しないときの最大遮断電流レベル以上の
プラズマ電流に対する制御電極におけるプラズマの領域
の断面積より大きい断面積のプラズマ通路を有してお
り、前記発散磁界を形成する手段はその形成した発散磁
界によって最大遮断電流レベル以上のプラズマ電流に対
して制御電極の前記プラズマ通路におけるプラズマの断
面積を拡大させることを特徴とするプラズマスイッチ装
置。
【請求項２】前記スイッチ装置を包囲する圧力ハウジ
ングと、この圧力ハウジング内のイオン化可能なガスと
を含み、前記圧力ハウジングが約０．１トルより小さい
圧力で前記ガスを維持する請求項１記載のプラズマスイ
ッチ装置。
【請求項３】低い順方向電圧降下で高電流のプラズマ
スイッチ装置において、圧力ハウジングと、前記ハウジ
ング内のイオン化可能なガスと、前記ガスからプラズマ
を形成するために電子を放射する前記ハウジング内の中
空陰極と、前記ハウジンク内に中空陰極から間隔を隔て
て配置され、プラズマを通って中空陰極から流れる電流
を受ける陽極と、プラズマ路を含み、中空陰極から陽極
へのプラズマの到達を制御する中空陰極と陽極との間の
ハウジング内に配置された制御電極と、中空陰極と陽極
との間においてプラズマを通る電流の流通を開始および
遮断させるために前記制御電極に制御電圧信号を供給す
る手段と、前記プラズマ路の横断方向に前記プラズマを
広げるためにハウジング内に発散磁界を形成する手段
と、前記プラズマ路の横断方向におけるピークのない丸
められた形状のプラズマ電子密度分布曲線を設定するレ
ベルに前記ハウジング内のガス圧力を設定する手段とを
具備していることを特徴とするプラズマスイッチ装置。
【請求項４】前記圧力設定手段は約０．１トル以下に
前記ハウジング内の圧力を設定する請求項２または３記
載の装置。
【請求項５】磁界強度は少なくとも約１５０ガウスで
ある請求項１または３記載の装置。
【請求項６】前記ハウジング内の磁界強度およびガス
圧力はそれぞれ２００ガウスおよび０．０６トル程度で
ある請求項２または３記載の装置。
【請求項７】前記制御電極の通路におけるプラズマ電
流密度は約３．５Ａ／ｃｍ^２以下に維持される請求項６
記載の装置。
【請求項８】前記制御電極は前記中空陰極から２乃至
５ｃｍ程度の間隔で配置されている請求項４記載の装
置。
【請求項９】前記制御電極の通路は約０．３ｍｍ以下
のメッシュ孔寸法を有するメッシュで構成されている請
求項１または３記載の装置。
【請求項１０】前記制御電極の通路はメッシュで構成
され、前記メッシュ孔の寸法および通路におけるプラズ
マ電流密度は、スイッチ電流を遮断するために必要な制
御電極遮断電圧を約５０ボルト以下に維持するように選
択されている請求項１または３記載の装置。
【請求項１１】中空陰極の近くにプラズマを維持する
ために中空陰極と制御電極との間に先を切られた円錐形
状のキーパを備え、このキーパは前記中空陰極と前記制
御電極との間のプラズマの通過のためにその先を切られ
た部分に開口を有する請求項１または３記載の装置。
【請求項１２】２つの端子が電気的に接続されたとき
回路を閉じ、端子が電気的に分離されたとき回路を開く
ために電気回路中に１対のスイッチ端子を設け、前記端
子の一方に接続された中空陰極からプラズマを生成し、
前記中空陰極からのプラズマが陽極まで到達したとき回
路を閉じ、到達しないときに回路を開くように前記スイ
ッチ端子の他方の端子に接続された陽極に向かう前記中
空陰極からの前記プラズマの到達を制御し、前記中空陰
極と陽極との間で前記プラズマの広がりを拡大するため
に発散磁界を与え、前記陽極における前記プラズマの断
面積がその電流遮断容量を制限する発散磁界を使用しな
いときのプラズマ電流レベルにおける断面積より発散磁
界によって拡大されてそれによって電流遮断容量を増加
させることを特徴とする電気回路のスイッチ方法。
【請求項１３】磁界強度は少なくとも約１５０ガウス
である請求項１２記載の方法。
【請求項１４】前記プラズマは約０．１トルより小さ
い圧力に維持されたガスから形成される請求項１３記載
の方法。
【請求項１５】前記中空陰極と陽極との間の前記プラ
ズマの到達は、中空陰極から３乃至４ｃｍ程度の距離で
中空陰極と陽極との間に位置された制御電極に電圧を供
給して制御され、前記制御電極はプラズマ路を含んでい
る請求項１２記載の方法。