[논문 리뷰] A New Linear Inductive Voltage Adder Driver for the Saturn Accelerator

M.G. Mazarakis, R. B. Spielman외 2명|ArXiv.org|2000. 08. 17.

Pulsed Power Technology Applications참고 문헌 4인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 마르크 발진기와 펄스 형상 네트워크를 제거하고, 평행 연결된 선형 유도 전압 덧셈기(LIVA)를 기반으로 한 새롭게 설계된 Saturn 가속기용 드라이버를 제안한다. 각 캐비티는 빠르고 저유감도인 100-kV 콘덴서를 원형 배열로 배치하여 직접 구동되며, 이로 인해 50ns 이내의 전압 펄스를 구현하고 고전류 능력을 확보하여 이중 모드 작동(플래시 X선 소스 또는 Z-핀치 드라이버)이 가능하다.

ABSTRACT

Saturn is a dual-purpose accelerator. It can be operated as a large-area flash x-ray source for simulation testing or as a Z-pinch driver especially for K-line x-ray production. In the first mode, the accelerator is fitted with three concentric-ring 2-MV electron diodes, while in the Z-pinch mode the current of all the modules is combined via a post-hole convolute arrangement and driven through a cylindrical array of very fine wires. We present here a point design for a new Saturn class driver based on a number of linear inductive voltage adders connected in parallel. A technology recently implemented at the Institute of High Current Electronics in Tomsk (Russia) is being utilized[1]. In the present design we eliminate Marx generators and pulse-forming networks. Each inductive voltage adder cavity is directly fed by a number of fast 100-kV small-size capacitors arranged in a circular array around each accelerating gap. The number of capacitors connected in parallel to each cavity defines the total maximum current. By selecting low inductance switches, voltage pulses as short as 30-50-ns FWHM can be directly achieved.

연구 동기 및 목표

• 기존의 마르크 발진기 및 펄스 형상 네트워크 아키텍처를 대체하여 보다 컴act하고 효율적인 Saturn 가속기용 드라이버를 개발하기 위해.
• 유도 전압 덧셈기 캐비티에 직접 콘덴서를 공급하여 30–50 ns FWHM의 더 짧고 급격한 전압 펄스를 구현하기 위해.
• 각 캐비티에 다수의 콘덴서를 병렬로 연결하여 전류 능력을 향상시켜 고전류 Z-핀치 및 플래시 X선 모드를 지원하기 위해.
• 러시아 톰스크의 고전류 전자기구에서 최근 도입된 저유감도 스위칭 기술을 활용하기 위해.
• 중간 펄스 형상 성분을 제거하여 신뢰성 향상과 시스템 복잡성 감소를 위해.

제안 방법

• 다수의 선형 유도 전압 덧셈기(LIVA)를 평행 연결하여 높은 총 전류 출력을 달성한다.
• 각 LIVA 캐비티는 병렬로 연결된 빠른, 100-kV, 소형 콘덴서로 구성된 원형 배열에 의해 직접 구동된다.
• 각 캐비티당 병렬로 연결된 콘덴서의 수는 시스템의 최대 전류 출력 능력을 직접 결정한다.
• 저유감도 스위치를 사용하여 FWHM가 30–50 ns에 이르는 매우 짧은 전압 펄스를 직접 생성한다.
• 마르크 발진기와 펄스 형상 네트워크를 회피함으로써 아키텍처를 단순화하고 전기적 스트레스를 감소시킨다.
• 모든 모듈의 전류는 Z-핀치 모드에서 미세한 실선의 원통형 배열을 구동하기 위해 포스트홀 컨볼루트를 통해 합쳐진다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 직접 콘덴서 공급 방식의 LIVA 아키텍처는 펄스 형상 네트워크 없이 50ns 이내의 전압 펄스를 달성할 수 있는가?
• RQ2 마르크 발진기를 제거하면 고전류 가속기 드라이버의 시스템 신뢰성과 펄스 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 LIVA 캐비티에 병렬로 콘덴서를 공급함으로써 도달 가능한 최대 전류 능력은 얼마인가?
• RQ4 이 설계는 플래시 X선 및 Z-핀치 응용 분야에 모두 이중 모드 작동을 지원할 수 있는가?
• RQ5 저유감도 스위칭 기술은 LIVA 구성에서 더 짧고 급격한 전압 펄스를 어떻게 가능하게 하는가?

주요 결과

• 제안된 LIVA 드라이버는 FWHM가 30–50 ns에 이르는 전압 펄스를 달성하여 고대역폭 응용이 가능하다.
• 병렬로 연결된 100-kV 콘덴서를 통해 LIVA 캐비티에 직접 공급함으로써 마르크 발진기와 펄스 형상 네트워크의 필요성을 제거한다.
• 각 캐비티당 병렬로 연결된 콘덴서의 수는 시스템의 총 최대 전류 출력 능력을 직접 제어한다.
• 이 설계는 이중 모드 작동을 지원한다: 2-MV 전자 이완원 플래시 X선 소스 또는 K-선 X선 생성을 위한 Z-핀치 드라이버로 사용할 수 있다.
• 저유감도 스위치의 사용으로 인해 띠어남과 왜곡이 최소화된 빠르고 깔끔한 전압 펄스가 가능하다.
• 이 아키텍처는 확장 가능하며 기존의 Saturn 가속기 인프라, 특히 전류 합성에 사용되는 포스트홀 컨볼루트와 호환된다.