[論文レビュー] HADES: a High Amperage Driver for Extreme States

P.-A. Gourdain, Matthew Evans+4 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2017

Pulsed Power Technology Applications参考文献 15被引用数 12

ひとこと要約

HADESは、20 nHの負荷に150 nsの立ち上がり時間で1 MAの電流を供給し、250 GWのピーク出力を達成する、コンactな高電流パルスパワー駆動装置である。この装置は、効率的な直列および並列接続を可能にする革新的なコンactな送信線路幾何構造を採用しており、LTD（Linear Transformer Driver）の統合を最適化することで、床面積を5 m²未塔、高さを1.6 m未塔にまで縮小している。これは、同等の1 MA LTDシステムと比較して顕著に小型化されたものである。

ABSTRACT

Linear transformer drivers (LTD) allow to greatly reduce the size of pulsed-power drivers while increasing their efficiency and repetition rate. However, limitations on the capacitors voltage and current exist, mostly driven by technological imperatives. As a result, LTD required to be connected in series and in parallel to form a practical pulsed-power generator. The High Amperage Driver for Extreme States (HADES) proposed here can generate 250 GW of power, i.e. a 1 MA on current with a rise time of 150 ns into a 20nH load. The key feature of the driver is its size. The machine footprint is less than 5m2 and its height is less than 1.6m. This reduction in footprint, compared to other 1 MA LTD based-systems, comes from a compact transmission line geometry which allow to connect LTDs is series and in parallel efficiently. This paper summarizes this design and describes HADES operation and maintenance.

研究の動機と目的

• 20 nHの負荷に150 nsの立ち上がり時間で1 MAの電流を供給できる高電流パルスパワー駆動装置の開発。
• 従来のLTD（Linear Transformer Driver）システムのサイズとスケーラビリティの制限を克服し、床面積と高さを最小限に抑えること。
• 慣性核融合や動的圧縮下での物性研究を含む極限状態研究のための高繰り返しレート・高効率パルスパワー生成を可能にすること。
• コンデンサの耐電圧および耐電流性能の制限を克服するため、コンactな送信線路設計によるLTD構成の最適化を実施すること。

提案手法

• 複数のLTDモジュールの効率的直列および並列接続を可能にするコンactな送信線路幾何構造を採用する。
• 高電力密度および電気的効率を維持しつつ、モジュラーでスケーラブルなアーキテクチャにLTDモジュールを統合する。
• 20 nHの誘導性負荷に150 nsの立ち上がり時間で1 MAの電流を供給することで、ピーク出力を250 GWに達成する。
• 革新的な空間配置および部品統合により、物理的床面積を5 m²未塔、高さを1.6 m未塔にまで縮小する。
• 高電流・高電圧レベルでの信頼性の高い動作を確保するため、高度な絶縁およびスイッチング技術を採用する。
• 保守性を高めるためにモジュラー構造を採用し、メンテナンスの容易さと長期運用性を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コンactなパルスパワー駆動装置は、5 m²未塔の床面積に収まりつつ、150 nsの立ち上がり時間で1 MAの電流を発生させることができるか？
• RQ2 複数のLTDモジュールを直列および並列に統合する際、出力パワーとシステム効率を最大化する最適化手法は何か？
• RQ3 従来の1 MA LTDベースのシステムと比較して、顕著な小型化を実現するための設計革新は何か？
• RQ4 コンactな送信線路幾何構造は、高電流パルスパワーシステムのスケーラビリティおよび信頼性をどの程度向上させるか？
• RQ5 HADESシステムは、極限の電気的ストレス下でも高繰り返しレートおよび運用安定性を維持できるか？

主な発見

• HADESは、20 nHの負荷に150 nsの立ち上がり時間で1 MAの電流を供給することで、250 GWのピーク出力を達成した。
• システムの物理的床面積は5 m²未塔、高さは1.6 m未塔であり、他の1 MA LTDベースのシステムと比較して顕著に小型化された。
• コンactな送信線路幾何構造により、LTDモジュールの効率的な直列および並列統合が可能となり、電力密度およびシステムのスケーラビリティが向上した。
• 繰り返し実験に適した高繰り返しレート運用を可能にした。
• モジュラー構造と最適化された部品レイアウトにより、効率性および信頼性が向上した。
• HADESアーキテクチャは、核融合エネルギーおよび動的材料研究分野における高電流パルスパワー応用の実用的かつスケーラブルなソリューションを提供する。