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요약 펄스파워기술은 고전압 또는 대전류의 대전력 펄스를 고속으로 제어하는 기술 로 그 핵심은 기계적인 또는 전기적인 장치에 에너지를 저장하였다가 어느 정 도의 짧은 시간에 부하로 방출하는 기술이다. 예를 들어 1.0 J 의 에너지를 1 초 동안에 방출하면 출력파워가 1 W에 불과하지만 이를 1 μsec의 짧은 시간 동안에 그 에너지를 방출하면 그 파워는 1 MW가 된다. 산업이 고도화됨에 따라 이와 같은 큰 파워를 필요로 하는 분야가 증가하므로 펄스파워기술은 중요한 기술 분야들 중의 하나로 자리 잡고 있다. 펄스파워기술은 전자성형, 전기폭파 와 같이 펄스파워 자체를 이용하는 분야에서부터 기초과학, 군용기기, 의료기 기, 환경설비, 농업기술, 산업설비 등의 다양한 분야에서 응용되고 있다. Marx Generator의 기본 원리는 기본적으로 동일하다. 충전 시 병렬로 구성된 캐 패시터가 방전 시 직렬로 구성되어 방출하게 된다. 출력전압은 각 단에 충전된 캐패시터의 전압의 합과 같다. 본 논문에서는 절연 가스에 의한 Marx Generator의 출력 특성을 연구하였다. 제 작된 Marx Generator는 2단으로 구성되었으며 각 단은 하나의 캐패시터와 두 개 의 전극 그리고 충전 저항으로 구성하였다. 또한 상승 시간을 향상시키기 위해서 인덕턴스 성분을 최소화 하였다. 내부의 절연 가스는 순수 가스와 혼합가스를 사 용하여 각각의 가스에 의해서 출력에 미치는 영향을 알아보았다. Marx Generator의 내부 절연 내력은 SF 6 가스의 절연 내력이 가장 높았으며 N 2 의 절연 내력이 가장 낮았다. SF 6-N 2혼합가스의 경우 N 2 가스보다 절연 내력이 높 았다. 동일하게 충전된 캐패시터의 경우 출력 신호의 상승시간이 SF 6 가스를 사 용할 때 보다 N 2 가스를 사용할 때 더 빠른 상승시간이 출력되었다. 각각의 절연 가스에 따라서 다른 특성이 나타나는 것을 확인하였다. 또한 Marx Generator에서 발생되는 출력 파형을 PFL(Pulse Forming Line)을 이용하여 원하는 출력파형으로 성형하였다. - iv -

Abstract Electrical-energy based pulse-power generation is to control high-voltage and large-current using fast switching-devices such as semiconductor switches, vacuum switches, and magnetic power compression. Most of the pulse-power generators consist of a prime electrical energy-source, a storage equipment, a fast switching device or pulse forming network, and load. The system performance of the generator is strongly dependent on the switching capability of the rated voltage, current, recovery-time and switching speed. For instant, 1 MW pulse-power with pulse-width of 1 μsec is obtained if 1 J of electrical energy is switched on/off in 1 μsec, whereas that 1 J of energy can generate only 1 W if it is dissipated in 1 second. The application field of the pulse-power is very wide. It includes electric rock-fragmentation, electric blast, material manufacturing, science and military equipment, medical equipment, and power sources for environmental facility. The fundamental principle is to charge several capacitors in parallel, then switch them into a series configuration commonly referred to as erecting the Marx Generator. The output voltage then becomes equal to the sum of the voltages across each capacitor. The marx generator has 2 stages in this study. Each stage was constructed one charging capacitor, two electrodes and one charging resistor. A inductance structure is used in order to improve the switching performances of the whole generator. The experiments of rise time in pure gas and mixtures of gases were described. The Marx generator has been tested at different insulation gas. The results show that the dielectric strength of - v -

the N 2 -SF 6 mixture was significantly increased compared with pure N 2 gas. The experimental results show that the rise time characteristics of the Marx generator can be controlled through varying insulation gas. Marx Generator that also occurs in the output waveform using the PFL(Pulse Forming Line) was formed with the desired output waveform. - vi -

목 차 제 1장 서 론 1 1.1 연구 배경 및 목적 1 제 2장 이 론 3 2.1 Marx generator 3 2.1.1 고전압 임펄스 전압 발생 원리 4 2.1.2 Marx generator의 인덕턴스 계산 9 2.1.3 설계방법 14 2.2 Pulse Forming Line 16 2.3 고전압 임펄스 측정 20 제 3장 실험구성 및 장치 26 3.1 직류 고전압 전원장치 26 3.2 Marx Generator 설계 제원 28 3.3 Marx Generator 출력 신호 측정 32 3.4 실험방법 36 제 4장 실험결과 및 고찰 39 4.1 N 2 가스, SF 6가스, SF 6-N 2 혼합가스에 의한 Marx generator의 출력특성 39 4.2 출력 파형 42 4.3 PFL의 출력특성 48 제 5장 결 론 51 참고문헌 53 - vii -

그 림 차 례 그림 2.1 펄스 파워의 개념 3 그림 2.2 Marx Generator의 충/방전 회로도 4 그림 2.3 고전압 임펄스 발생장치의 등가회로 5 그림 2.4 기생 캐패시터를 포함한 Marx Generator의 회로 8 그림 2.5 a, b, c, d의 부분 기생 캐패시턴스 8 그림 2.6. Marx Generator 등가회로 9 그림 2.7 RLC회로의 응답 13 그림 2.8 고출력 펄스 시스템 다이어그램 17 그림 2.9 Peaking gap에 의한 출력 펄스의 파미 변화 18 그림 2.10 저항성 분압기 21 그림 2.11 기생 인덕턴스만 포함한 저항성 전압분압기 22 그림 2.12 기생 캐패시터만 포함한 저항성 전압분압기 23 그림 2.13 저항성 전압분압기의 종류 24 그림 3.1 High Voltage power Supply 26 그림 3.2 High Voltage power supply 구성도 27 그림 3.3 캐패시터와 충전 저항 29 그림 3.4 2단 Marx Generator 제원 30 그림 3.5 Peaking Gap의 연결 회로도 31 그림 3.6 Peaking Gap 32 그림 3.7 전해액저항 전압분압기 35 그림 3.8 전해액저항 전압분압과 I-400 전류센서의 비교 35 그림 3.9 실험 계략도 37 그림 4.1 N 2가스, SF 6가스, SF 6-N 2혼합가스의 최대 출력전압 40 그림 4.2 N 2 가스, SF 6 가스, SF 6 -N 2 혼합가스의 상승시간 41 그림 4.3 N 2 가스, SF 6가스, SF 6-N 2 혼합가스의 3dB Frequency 42 - viii -

그림 4.4 N 2 가스에 의한 출력 파형 43 그림 4.5 SF 6 가스에 의한 출력 파형 44 그림 4.6 SF 6-N 2 = 1 : 9 혼합 가스에 의한 출력 파형 45 그림 4.7 SF 6 -N 2 = 2 : 8 혼합 가스에 의한 출력 파형 46 그림 4.8 SF 6-N 2 = 3 : 7 혼합 가스에 의한 출력 파형 47 그림 4.9 Peaking Gap에 의해 성형된 출력 파형 48 그림 4.10 Peaking Gap에 의한 상승시간 49 그림 4.11 Peaking Gap에 의한 3dB Frequency 50 - ix -

표 차 례 표 3.1 High Voltage power supply의 사양 27 표 3.2 캐패시터의 특성 28 표 3.3 초고속 Marx generator의 특성 30 표 3.4 펄스 전압 측정용 분압기의 특징 33 - x -

제 1 장 서 론 1.1 연구 배경 및 목적 펄스파워(Pulsed power)란 에너지 압축 기술로써 단위 시간당의 에너지 변화량을 나타내는 물리량(dE/dt)으로 그 크기는 주어진 에너지를 어느 정도의 시간 내에 부하로 방출하느냐에 의해 결정된다. 즉 펄스파워 기술 은 에너지 보존 법칙의 원리에 의한 것으로 에너지 저장장치를 통하여 전 력변환 혹은 에너지 압축을 이용하는 기술이다. 지금까지 펄스파워기술들은 핵융합 에너지 발생장치, 군사용 대출력 레 이더, 고전압 전력시스템의 절연시험설비 및 기타 특수한 목적을 위하여 활용되어 왔으나, 최근에는 미사일 또는 우주선 로켓발사체로 개발되고 있는 레일건 및 코일건 등과 같은 산업 분야에서도 많이 활용되고 있다. 이처럼 산업기술이 고도화됨에 따라 더욱 다양한 분야에서 펄스파워기술 에 대한 수요가 증가하고 있으며 핵심기술로 자리 잡고 있다. 펄스 파워를 발생시키는 대표적인 발생장치로는 Marx Generator, 테슬라 변압기, 자장압축 발전기 등이 있다. 20세기 초의 Marx에 의해 고안된 고 전적 Marx Generator 발전기는 전력기술 분야에서 수 μs의 펄스폭에 수 MV의 임펄스 전압에 의한 절연내력 시험 등에 많이 적용이 되고 있다. 일반적으로 Marx Generator는 동일한 기본적인 작동원리를 갖지만 각각 의 구성과 성능 특성, 기능, 용도에 따라 크게 4가지로 대형, 중형, 소 형, 그리고 반도체형 Marx Generator로 나눈다. 대형 Marx Generator는 큰 규모의 Z-machine이나 대형 HPM 시스템과 같 은 고가 및 고 에너지의 시스템에 사용되며 이러한 대형 Marx Generator 는 Mega-volt 및 Mega-Joule의 상대적으로 긴 펄스를 발생시킨다. 중형 - 1 -

Marx Generator는 작은 방이나 큰 데스크 탑 컴퓨터 크기이며 100 kv ~ 수 MV의 전압을 발생시킨다. 상승시간은 일반적으로 수십 ns 이며 펄스폭 은 10 ns ~ 10 μs 로써 펄스 에너지는 Mega-Joule 이다. 소형 Marx Generator는 휴대할 수 있는 크기부터 데스크탑 컴퓨터 정도 의 크기 정도로 구성된다. 이러한 소형 Marx Generator는 10 J ~ 1 kj 정 도로 중형 Marx Generator 보다 낮은 펄스 에너지를 갖지만 100 kv ~ 수 MV의 높은 전압을 발생한다. 또한 수백 ps정도의 빠른 상승시간이 가능하 며 1 khz이상의 빠른 반복률도 가능하다. 반도체형 Marx Generator는 회 로 보드 크기로 구성 할 수 있으며 출력 전압은 수 kv와 1 Joule보다 작 은 에너지를 출력한다. 상승시간은 100 ps정도이며 반복률은 10 ~ 100 khz대 이다[2,5]. 본 연구의 목적은 Marx generator를 동축 원통형으로 제작하여 Marx Generator 절연 가스 N 2 가스, SF 6 가스, SF 6 -N 2 혼합가스가 Marx generator 내부의 전극 간의 방전 특성에 어떠한 영향을 미치는가를 알아 보고자 한다. 또한 Pulse Forming Line을 이용하여 Marx Generator에서 출력되는 신호를 원하는 신호로 성형을 실시하였다. - 2 -

제 2 장 이 론 2.1 Marx Generator 펄스파워는 에너지 저장 장치로써 상대적으로 낮은 전압으로 축적하여 전압 방출시 순간적으로 고전압을 발생시킬 수 있다. 즉, 이상적으로 에 너지의 손실이 존재하지 않는다면 입력 에너지 와 출력 에너지 양은 동일하다[1]. 그림 2.1 펄스 파워의 개념 Fig. 2.1 Conception of pulse power Marx Generator는 용량성 소자를 이용한 에너지 저장 회로이며 주어진 전압으로 충전되어 빠른 속도로 방전되는 회로이다. 그림 2는 Marx Generator의 충 방전 시 작동에 대한 그림이다. 일반적으로 Marx Generator는 충전 저항과 전압 V로 충전된 N개의 캐패시터가 병렬로 구성 되는데 충전 회로는 그림 2.2(a)와 같다. 트리거 장치에 의해 1단 전극 갭이 트리거 되었을 때, 첫 번째 스위치에서 전압강하가 발생하고 이로 - 3 -

인해 나머지 스위치들의 전압이 상승하게 된다. 따라서 연쇄반응에 의해 전체 Marx Generator가 트리거된다. (a) 충전 회로 (b) 방전 회로 그림 2.2 Marx Generator의 충/방전 회로도 Fig. 2.2 Charging/Discharging circuit of Marx Generator 캐패시터들은 순간 직렬연결 회로로 구성되고 그림 2.2(b)에서 보인 것 과 같이 이론적으로 N V kv 전압이 부하에 전달된다. 충전 저항은 Marx Generator가 방전될 때 충전용 DC 전압발생장치와 Marx Generator를 격리 하여 DC 전압발생장치를 보호하는 역할을 한다[4-5]. 2.1.1 고전압 임펄스 발생 원리 고전압 임펄스 발생원리는 캐패시터에 전하를 충전한 후, 충전된 전하를 폐회로를 통하여 방전함으로써 필요한 파형의 전압을 얻는다. 고전압 임 - 4 -

펄스 발생 장치의 등가회로는 그림 2.3과 같다. 그림 2.3 고전압 임펄스 발생장치의 등가회로 Fig. 2.3 Equivalent circuit of high voltage impulse supply 고전압 DC 전압 발생장치로부터 전압이 공급되면 충전저항 R C 를 통하여 캐패시터 C에 충전된다. C의 전압이 E가 되었을 때에 방전전극 G를 통하 여 R S+L+R 0 회로에 C의 전하를 방전시키면 회로정수에 따라 R 0단자에 충격 전압이 발생한다. 그림 2.3의 회로에서 방전전극 G의 방전 시 저항을 무 시하면 다음 식이 성립한다. (2.1) 식 (2.1)에서 로 놓고, 초기조건 t=0에서 방전 전극이 트리거 된다고 할 때, R의 3가지 조건에 대하여 식 (2.1)을 풀면 (a) 일 때, 이 때는 과제동으로 발생되는 전압에 관한 해는 - 5 -

(2.2) 로 되며 전압파형은 급상승 후 서서히 감쇄되는 형태로 된다. (b) 일 때, 이 경우는 임계제동으로 발생되는 전압은 (2.3) (c) 일 때, 부족제동 즉, 진동성분을 포함하는 서지를 발생시키며, 진동에 과한 해는 아래와 같다. (2.4) 여기서, 이다. 표준 서지전류파형은 식 (2.3)를 그리고 감쇄진동파형의 발생에는 식 (2.4)를 만족하도록 한다. 일반적으로 고전압 임펄스 전압을 발생시키기 위해서는 전기에너지를 저 장시킨 후 단시간에 방전시키게 된다. 전기에너지를 저장할 수 있는 방법 으로는 용량성 부하자체를 이용하거나, 인덕터 또는 추가로 캐패시터를 사용하게 된다. 임펄스 전압은 빠른 상승과 천천히 감쇄되는 파형이므로 수학적으로 두 개의 지수함수를 합성하는 이중 지수형이 된다. 1단의 임펄스 전압 발생회로로 고전압을 얻기 위해서는 회로 소자의 크 - 6 -

기가 너무 커지고, 충전 캐패시터 C 1 에 높은 전압이 충전되어야 하며, 높 은 전압으로 인해 부분방전이 일어날 수 있는 단점이 있다. 그러나 여러 개의 캐패시터와 저항을 이용하여 구 갭들을 직렬로 연달아 방전시킬 경 우에는 낮은 충전전압으로도 고전압을 얻을 수 있다. 그림 2.4는 Marx Generator가 3단으로 구성된 경우로써, 3개의 C 0가 R c 를 통해 각각 충전되며 부하저항 Z를 통해 방전된다. 그림 2.4의 동작상 태를 표유 용량을 무시할 경우와 표유 용량을 고려할 경우로 나눌 수 있 다. 표유 용량을 무시할 경우 회로 소자만으로 동작 상태를 고려할 경우 충 전시에 점 a, c, e는 충전저항 R c 를 통해 각 충전 캐패시터 C 0 가 충전되 어 직류전원의 전위로서 대지에 대해 -V의 전위로 된다. 또한, 점 b, d, f는 접지로 연결되어 있으므로 대지전위가 된다. 방전시에는 먼저 최저단 의 구 갭 S 1 을 터뜨리게 되어 방전이 개시된다. 이에 따라 결국 다른 구 갭들도 동시에 터진다. 즉, S 1 방전시 점 a의 전위 V A는 -V에서 0로 된 다. 표유 용량을 고려할 경우에는 구 갭 S 1 이 터진 후 구 갭 S 2 가 터지도록 구 갭의 거리는 S 1 < S 2로 D G2가 약간 멀어야 한다. 여기서, 저항들은 개 회로(open circuit)라고 생각하면 점 b의 전위는 어느 정도는 표유 용량 의 상대적인 크기를 나타내는 것이라고 고려할 수 있다[6]. - 7 -

Rc : Charging resistor C0 : Charging capacitor S1, S2 : Spark gap Z : Load resistor C1, C2, C3, C4, Cg : Stray capacitor 그림 2.4 기생 캐패시터를 포함한 Marx Generator의 회로 Fig. 2.4 Marx Generator circuit with stray capacitor included 그림 2.5 a, b, c, d의 부분 기생 캐패시턴스 Fig. 2.5 Stray capacitance of the portion a, b, c, d - 8 -

점 C에서 전압은 그리고 (2.5) 이다. 식(2.5)로부터 일 때, 이다. 다시 말하면 이다. 하지만 일반적으로 정도 이다[2]. 2.1.2 Marx Generator의 인덕턴스 계산 Marx Generator의 등기회로는 기본적인 RLC 구성을 가지고 있으며 그림 2.6은 Marx Generator의 등가회로이다. Marx Generator는 일반적으로 저 항, 인덕터, 캐패시터의 조합으로써 출력 파형을 조정한다. 그림 2.6. Marx Generator 등가회로 Fig. 2.6 Equivalent circuit of Marx Generator Marx Generator의 특성 임피던스를 알기위해서 캐패시터와 인덕턴스를 - 9 -

알아야된다. 하지만 Marx Generator의 정확한 인덕턴스 성분을 측정하기 는 쉽지가 않다. 그림 2.6에 주어진 RLC 직렬 회로에 대해서 2계 미분 방정식을 이용한 다. 루프에 대한 키로히호프법칙(KVL)을 이용하면 (2.6) 을 얻을 수 있다. 여기서 는 캐패시터 전압니다. 이 방정식을 다시 쓰면 (2.7) 가 된다. 또한 (2.8) 이므로 식(2.8)을 식 (2.7)에 대입하면 원하는 2계 미분 방정식을 얻을 수 있다. (2.9) 식 (2.9)을 다시 쓰면 다음과 같다. (2.10) - 10 -

2계 미분방정식을 만족하는 해가 다음과 같은 지수 함수라고 가정한다. (2.11) 여기서 A와 s는 결정해야 할 상수이다. 식 (2.11)을 식 (2.10)에 대입하 며 미분하면 (2.12) 을 얻는다. 여기서 이므로 식 (2.12)을 다시쓰면 다음과 같다. (2.13) 그런데, 은 무의미하므로 (2.14) 이 되어야 한다. 이 방정식은 항으로 이루어져 있으며, 특성 방정식 (characterstic equation)이라 부른다. 식 (2.14)의 2차 방정식해는 다음과 같은 두 근 과 를 갖는다. - 11 -

, (2.15) 이 특성 방정식의 근은 다음과 같이 다시 쓸 수 있다., 여기서 는 제동 계수(damping coefficient)이며 는 공 진 주파수(resonant frequency)라 한다. 특성 방정식의 근은 다음 세 가지 조건이 가능하다. 과제동(Over damping) 임계제동(Critical damping) 부족제동(Under damping) 두 근이 실수이며 서로 다르면 회로는 과제동(over damping), 근이 실수 이며 서로 같을 때는 임계제동(critical damping), 두 근이 공액 복소수 이면 회로는 부족 제동(under damping)이라고 한다. 그림 2.7은 RCL회로 의 응답 파형을 나타낸다. - 12 -

그림 2.7 RLC회로의 응답 Fig. 2.7 Response of RLC circuit 직렬 RLC회로의 특성 방정식은 일 때 두 공액 복소근을 갖는다. 이때의 조건은 (2.16) 이다. 즉, 일 때 ± (2.17) 이 된다. 여기서 이다. 복소근은 진동 형태 응답과 연관된다. 여기서 을 제동 공 - 13 -

진 주파수(damped resonant frequency) 라 한다. 제동 계수 ( )는 진 동이 얼마나 빨리 감소하는가를 나타낸다. 그러므로 근은 ± 이다. 제동 진동의 주기(period of the damped oscillation)는 시간 간격 로 쓰고 다음과 같이 표시된다. (2.18) 식 (2.18)을 정리하면 Marx Generator의 인덕턴스 성분은 다음과 같다 [7]. (2.19) 2.1.3 설계 방법 중 대형 Marx Generator는 보통 충전용 전원장치의 용량과 부하의 열적 평형을 고려하여 짧은 반복률을 가진다. Marx Generator의 중요한 변수는 동작 후 재충전하고 다시 동작하는 데 걸리는 시간이다. 소형이나 반도체형의 Marx Generator는 동작 시 적은 에너지를 저장하므 로 부피가 작고 전형적으로 좁은 펄스폭으로 높은 출력 전압을 출력하기 - 14 -

때문에 열적 특성에 큰 문제는 없다. 높은 반복률은 충전전원 장치의 한 계와 스위치의 회복시간이 중요한 변수로 작용하게 된다. Marx Generator의 충전시간은 동작 전에 대략 의 시간이 필요하므 로 충전효율이 낮다. 따라서 고속 Marx Generator에서는 저항대신에 인덕 터를 작용하여 빠르고 충전의 효율을 높일 수 있다. Marx Generator의 단을 구성하는 두 개의 인덕터 상호 커플링으로 더 높 은 반복률을 가질 수 있으며, 개별 인덕턴스가 충전기간에는 적고, 방전 기에는 크므로 충전은 매우 빠르게 방전 시에는 절연의 효과를 가진다. 부하저항 R인 싱글루프 RLC Marx Generator 회로의 등가 리액턴스 L eq, 등가 캐패시터를 C eq라 하면, 감쇄진동회로에서의 진동주기는 식(2.20)과 같고, Marx Generator의 임피던스는 식 (2.21)와 나타낼 수 있다. (2.20) (2.21) 임계진동은 식 (2.22) ~ (2.24)와 같이 최대 전압 파고치와 오버슈트를 적절히 조절함에 의해 설정이 가능하다. 펄스폭은 감쇄진동의 반주기의 약 80 %이며, n이 Marx Generator의 총 단수로 V charge가 입력전압일 때 이 론적 방정식은 식 (2.23) 및 식 (2.24)와 같다. (2.22) (2.23) - 15 -

(2.24) 그러므로 Marx Generator 설계는 다음과 같은 방법으로 수행한다. 1. 실험계획에 적합한 T pulse, V out, R을 선택한다. 2. 식 (2.24)를 이용하여 Marx Generator 단수와 충전전압 V charge를 결정 한다. 최종적으로 각 단의 인덕턴스는 와 캐패시터 를 구한다[5,8]. 2.2 Pulse Forming Line 일반적인 고출력 발생장치는 낮은 전력 레벨에서 1차적으로 에너지를 축 적하였다가 순간적으로 높은 에너지를 방출한다. 기본적인 고 출력 펄스 장치에 대한 구조와 작동원리는 그림 2.8의 다이어그램과 같다. 그림 2.8 과 같이 1차 에너지는 전기적, 화학적, 기계적인 에너지 소스를 이용할 수 있다. 에너지는 기계적인 스프링, 가스 압축, 캐패시터, 인덕터, 배터 리 등에 저장된다[2]. - 16 -

그림 2.8 고출력 펄스 시스템 다이어그램 Fig. 2.8 Block diagram of a typical high power pulse system 일반적인 Marx Generator의 수십 ns 상승시간이지만 광대역 범위의 Marx Generator을 제작하기 위해서는 수백 ps의 상승 시간이 요구된다. 이처럼 광대역 영역까지 범위를 확장하기 위해서 Marx Generator의 출력부분에 Pulse Forming Line(PFL) 장치를 설치한다. 그림 2.9는 Peaking Gap에 의한 출력 펄스의 성형에 대한 그림이다. 출 력 펄스의 상승시간( )는 방전 지연시간( )와 상승 시간( )에 의존된 다. 일 때, 갭의 방전 전압 은 더 커지고 펄스 상승 시간 는 더 짧아진다. 지연 시간 는 갭 거리와 통계적인 특성에 의존하는데 여 기서 통계적인 특성은 생략할 수 있다. 만약 방전이 전극의 끝부분에서 일어난다면 상승시간( )은 최소화 될 수 있다. 또한 그림 2.9에 n지점 에서 방전이 일어난다면 전계의 크기는 에 의해서 결정될 것이다. 갭거리( )가 최적의 갭거리( )보다 길어진다면 상승시간( )는 길어지 고 전계값은 감소할 것이다. 최적의 갭거리( )보다 갭거리( )가 짧아진 다고 해도 의 시간이 증가하기 때문에 상승시간( )은 늘어난다. 갭거 리가 0일때는 이다. 따라서, 갭거리가 일때 펄스의 상승 시 간은 가장 짧다. - 17 -

그림 2.9 Peaking gap에 의한 출력 펄스의 파미 변화 Fig. 2.9 Transformation of the front of a wave by a peaking gap Peaking Gap에서 최적의 갭 거리( )는 가스 압력(p)와 전계(E)는 방전 형성시간의 종속변수에 의해서 예측할 수 있다. 식 (2.25)은 최적의 갭거 리이다. (2.25) 여기서 이고, 라면, 이다. 초기의 상승시간은 그림 2.10에서처럼 식 (2.26)로 나타낼 수 있다. (2.26) 여기서 는 - 18 -

(2.27) 이다. 는 (2.28) 이다. 은 대략적으로 스파크 갭의 방전에 대한 스위칭 시간 와 비슷 하다. atm 일때, 는 상수이고 이다. 여기서 는 대기 압에서의 스위칭 시간이다. 식(2.27)을 식 (2.28)에 대입하면 (2.29) 이다. 만약 식(2.28)의 괄호 안에 pd가 계속 증가한다면 괄호 안은 0이 되고 이 된다. Marx Generator의 임피던스와 일치하는 Peaking Gap의 임피던스 는 다음과 같이 구할 수 있다. Peaking Gap의 인덕턴스 L은 (2.30) 와 같다. 여기서 는 도체 내경과 외경의 지름(mm)이다. 만약 주파 수가 높다면 식 (2.30)의 는 무시할 수 있다. Peaking - 19 -

Gap의 캐패시턴스는 식 (2.31)은 (2.31) 이다. 여기서 ε은 유전율이다. Peaking Gap의 특성 임피던스는 이다. 다시 식 (2.32)처럼 (2.32) 로 나타낼 수 있다[2,15]. 여기서 진공(air)일 때는 =1이고, 테프 론일 경우에는 이다. 2.3 고전압 임펄스 측정 일반적으로 고전압을 직접 측정할 수 없으므로 저항이나 캐패시터의 직 렬 연결시 나타나는 분압 효과를 이용하여 전압을 측정하는 경우가 많다. 따라서, 교류, 직류, 및 펄스 전압의 측정을 위한 분압기는 저항이나 캐 패시터 또는 이들의 조합으로 구성된다. 고전압 분압기의 크기는 공기의 방전 전압에 따라 달라진다. 분압기 설계에서 가장 문제되는 것은 기생 캐패시턴스(stray capacitance)와 기생 인덕턴스(stray inductance)이다. 설계 형상 및 설 치 위치 등에 따라 기생 캐패시턴스이 달라지므로 정확한 분압비 및 전압 파형을 얻기 위한 분압기의 설계는 어렵다. 또한, 장치가 커짐에 따라 회 - 20 -

로 정수는 분포 정수로 되기 때문에, 이를 등가 회로로 나타내기란 상당 히 어렵다. 저항성 전압 분압기는 전압을 측정하는데 널리 이용되고 있다. 저항성 전압분압기를 그림 2.10과 같이 실제 저항 의 기생 인덕턴스 성분인 와 이와 병렬로 구성되는 기생 캐패시터, 를 고려하여야 한다. 이들 인덕턴스 와 캐패시터, 는 각각 기생 인덕턴스(stray inductance)와 기생 캐패시턴스(stray capacitance)으로서, 기생 인덕턴 스는 분압기를 흐르는 전류에 의한 자계에 따라 변화되며, 병렬 기생 캐 패시터 는 저항을 어떻게 구성하는가에 따라 달라진다. (a) 이상적인 저항성 전압분압기 그림 2.10 저항성 분압기 Fig. 2.10 Resistive voltage (b) 실제적인 저항성 전압분압기 이상적인 전압분압기와 실제적인 저항성 전압분압기의 기본적인 구조는 그림 2.10에 나타났다. 고전압용 저항 과 저전압용 저항 에 의해서 전압 가 측정된다. 입력 전압 은, 그리고 에 의해서 식 - 21 -

(2.33)에서 알 수 있다. (2.33) 저항성 전압분압기를 를 구하기 위해서 기생 캐패시턴스를 무시하고 기생 인덕턴스를 고려한 경우와 기생 인덕턴스를 무시하고 기생 캐패시턴 스만을 고려한 2가지로 나눌 수 있다. 첫째로, 기생 캐패시터를 무시하고 기생 인덕턴스를 고려할 경우 식 (2.34)와 같이 나타난다. (2.34) 여기서 L g는 회로의 등가 전체 인덕턴스이다. (a) 인덕턴스를 포함한 (b) 실제 출력 파형 등가회로 그림 2.11 기생 인덕턴스만 포함한 저항성 전압분압기 Fig. 2.11 Equivalent circuit with stray inductance included - 22 -

그림 2.11으로부터 의 값이 더 큰 것을 볼 수 있다. 이때문 에 입력 전압 V 1의 초기 파형이 더 크게 왜곡이 된다. 따라서 회로 인덕 턴스 값은 가능한 줄여야한다. 저항성 전압분압기의 설계는 의 값이 식 (2.30)의 관계를 만족해야한다. (2.30) 여기서 은 입력 전압의 상승시간이다. 그림 2.13은 두 번째로 기생 인 덕턴스를 무시하고 기생 캐패시턴스에 대해서만 고려한 경우이다. 그림 2.12 기생 캐패시터만 포함한 저항성 전압분압기 Fig. 2.12 Equivalent circuit with stray inductance included 기생 캐패시턴스만을 고려할 경우, 입력 전압 에대해서 출력되는 측 정 전압 는 식 (2.36)와 같다. - 23 -

(2.36) 여기서 C는 분압기에 대한 전체 기생 캐패시턴스이다. 식 (2.36)에서 일때 는 식 (2.33)와 같다. 그러나 회로에서 나타나는 기생 캐패 시턴스는 따라서 측정 전압 의 상승시간은 이상적으로 측정될 전압의 상승시간보다 더 크다. 이 상승시간의 변화는 의 값에 의해서 결정된다. 그림 2.14의 경우에 식(2.37)과 같이나타난다. (2.37) 이다. 여기서 은 이상적으로 측정될 전압의 상승시간이다. (a) 병렬 연결된 정합 저항성 전압분압기 그림 2.13 저항성 전압분압기의 종류 Fig. 2.13 Type of Resistive voltage (b) 직렬 연결된 정합 저항성 전압분압기 - 24 -

이밖에도 측정상의 에러를 발생시키는 원인은 입력단과 출력단의 케이블 의 끝부분에서 임피던스 부정합에 의해서도 발생될 수 있다. 케이블 임피 던스는 일반적으로 50 ~ 100 Ω을 사용하며, 단위 길이 당 캐패시턴스 용 량은 57 ~ 115 μf/m이다. 케이블의 길이는 일반적으로 수 ~ 수십 미터 길이 범위에서 사용한다. 혹시 케이블의 끝부분에서 정합이 되지 않는다 면, 전압 펄스는 끝부분에서 반사가 일어나게 된다. 이 반사된 펄스는 실 제 펄스 파형을 왜곡시킬 수 있다. 이 문제의 해결하기위해서 그림 2.13(a) 또는 (b)처럼 각각 오실로스코프의 입력부분에 병렬저항( ) 또는 분압기의 출력부분 끝에 직렬 저항( )을 연결한다. 그림 2.13(a)에서 의 값은 케이블의 특성임피던스와 동일한 값으로 한다. 그림 2.13(b)의 의 값은 를 만족하는 값으로 결정한 다. 경우일 때, 직렬 연결은 적용할 수가 없다. 병렬연결일 때, 측정 전압 와 입력 전압 의 관계는 (2.38) 로 나타난다. 직렬 연결일 때, 와 사이의 관계는 (2.39) 이다. 병렬연결의 임피던스 정합은 쉽게 제작이 가능하며 사양이 자유롭기 때문에 실제적으로 더 많이 이용된다[2,9]. - 25 -

제 3 장 실험 장치 및 방법 3.1 직류 고전압 전원 장치 Marx generator의 충전을 하고 고속 충 방전, 즉 높은 반복률을 수행하 기 위해 정전압, 정전류 제어가 가능한 방식의 고전압 전원회로가 요구된 다. 그런 요구에 맞춰 High Voltage Power Supply는 표준 rack size로 설 계 되었으며 높은 효율과 안정을 목표로 설계 제작되어 유지 및 보수가 쉽다. 그림 3.1 High Voltage power Supply Fig.3.1 High Voltage power Supply - 26 -

표 3.1 High Voltage power supply의 사양 Table. 3.1 Characteristics of the high voltage power supply 항 목 사 양 입력 전압 AC220 V 50~60 Hz 출력 전압 0 ~ 60 kv 가변형 출력 전류 0 ~ 5 ma PIPPLE 0.1 % RMS 최대 출력시 LOAD REGULATION 0.01 % LINE REGULATION 0.01 % Efficiency 80 % 이상 최대 출력시 보호 회로 Over volt, Over current Marx generator는 반복률이 높고 일정한 피크 출력을 얻기 위해서는 정 전압 특성이 우수해야 하며 급속충전에 의해 캐패시터의 파손이나 충전 저항의 파손을 막기위해서 정전류로 충전이 되어야 한다. 전원장치의 출 력은 캐패시터의 급속한 충전을 방지하기 위해 2 MΩ의 충전 저항을 설치 하고, 전원장치도 캐패서터의 내압을 고려하여 40 kv로 설정하였다. High Voltage power supply의 전체적인 구성도는 그림 3.2와 같다. 그림 3.2 High Voltage power supply 구성도 Fig. 3.2 Set-up of high voltage power supply - 27 -

3.2 Marx Generator 설계 제원 본 실험에 사용된 Marx Generator는 2단으로 제작되었으며, 필요에 따라 단을 추가나 제거가 용이하도록 설계되었다. Marx Generator 발전기의 에너지 저장소자인 캐패시터는 크기가 작고 손 실이 적으며, 높은 전압-캐패시터 특성을 가진다. 캐패시터에 대한 낮은 온도특성을 가진 필름 캐패시터나 세라믹 캐패시터가 많이 사용되고 있 다. 각 단은 원형 세라믹 캐패시터의 용량 250 pf, 내압 40 kv의 TDK 제품을 사용하였다. 표 3.2는 세라믹 캐패시터의 특성을 나타낸다. 표 3.2 캐패시터의 특성 Table 3.2 Characteristics of the charging capacitor 항 목 사 양 Operating temperature range -35 ~ 85 C Rated voltage DC 40 kv Insulation resistance 100,000 MΩmin capacitance 250 pf Capacitance tolerance ± 10 % Capacitance temperature characteristics Z5T : +22, 33%[+10 ~ +85 C, 25 C ] AC Corona starting voltage 3 P C max at 50% of V R Withstanding voltage No 방전 at 1.5 * V R Size(ΦD * T * L) 38 * 28 * 32 실제 Marx Generator의 운전에서는 회로의 여러 부분에 존재하는 각 단 과 접지 간의 기생 캐패시턴스, 각 스위치의 갭 전극사이의 기생 캐패시 턴스, 그리고 각 단 사이의 기생 캐패시턴스의 영향으로 인하여 전술한 회로의 동작원리 보다 훨씬 복잡한 현상이 발생된다. - 28 -

세라믹 캐패시터 그림 3.3 캐패시터와 충전 저항 Fig. 3.3 Capacitor and charging resister 충전 저항 Marx Generator가 충전시간 동안 단과 단 사이에 아주 좁은 공간에서 높 은 전계가 형성되고 기립 동작하는 순간에 매우 높은 전계가 모듈에 형성 되어 방전이 일어나므로 철저한 절연 대책이 요구된다. 각 단은 아세탈 플라스틱을 이용하여 두께 26 mm, 외경 180 mm, 내경 74 mm 원형 디스크 로 제작되었다. Marx generator의 외부 원통은 아크릴 두께 10 mm, 내경 210 mm로 절연 가스 압력 0.5 MPa 까지 견딜 수 있도록 하였다. 아크릴 원통 내부 전극 은 반구형의 텅스텐과 구리의 합금 재질로 곡률반경 14.66 mm로 하였으며 전극 앞부분은 방전에 의한 손실을 방지하기 위해서 텅스텐과 구리를 7대 3 비율로 합금 하였다. 갭 스위치의 전극은 거리 조절이 가능하며 평등 전계가 형성되도록 설계하였으며, 모서리는 부분의 전계집중을 줄이기 위 해 둥글게 가공했다. 갭 거리는 기생 인덕턴스를 줄이기 위한 목적과 부 분 방전을 최소화하기 위해서 첫 번째 스파크 갭의 거리는 1.2 mm이며 순 차적인 방전이 될 수 있도록 두 번째 간격은 첫 번째 갭 거리보다 1/4 증 가시킨 1.5 mm로 하였다. 충전 저항은 2 MΩ으로 설치하였으며 급속히 충전되는 충전전압으로부터 - 29 -

캐패시터를 보호하며 또한 Marx generator가 방전될 때 충전용 DC power supply와 Marx generator를 격리하여 DC power supply를 보호하는 역할을 한다. 부하저항은 110 Ω으로 설계하였으며 분압비율은 44 : 1로 설정하 였다. 표 3.3 초고속 Marx generator의 특성 Table 3.3 Parameters of Ultra fast Marx generator Number of stages Maximum charging voltage per stage Capacitance per stage Erected capacitance Load resistance Pulse rise time Gas type 절연체 지지 봉 각 단의 절연체 Marx Generator 외관 그림 3.4 2단 Marx Generator 제원 N2, SF6, 2단 35 kv 250 pf 125 pf 110 Ω > 7 ns SF6-N2 혼합가스 Marx 챔버 내 2단 전극 2단 Marx Generator Fig. 3.4 Parts of the 2 stage Marx Generator Marx Generator에서 출력되는 신호를 원하는 신호로 성형하기 위해서 - 30 -

PFL을 설치하였다. PFL으로 Peaking Gap을 제작하였다. Peaking Gap은 펄 스의 상승 시간을 원하는 신호로 성형을 한다. 일반적으로 Peaking Gap은 그림 3.5에서와 같이 케이블 과 사이에 직렬로 연결된다. 긴 상승시 간 을 가진 펄스 는 케이블 을 통해서 케이블 에 도착할 때 Peaking Gap에 의해서 의 상승시간이 줄일 수 있다. 그림 3.5 Peaking Gap의 연결 회로도 Fig. 3.5 Circuit of the connection of the a Peaking Gap 그림 3.6은 Peaking Gap의 설계 제원이다. 내부 전극은 총 길이는 50 mm 이며 끝부분에는 텅스텐과 구리에서 7 대 3로 합금하였다. 외함과 전 극 사이에는 테프론으로 지지하였으며 총 길이 48 mm, 외경 44 mm, 내경 14.8 mm로 설계하였다. 외함은 고압가스에 의해서 외함이 파괴되는 것을 방지하기위해서 스틸 제질로써 두께 8 mm, 외경 60 mm로 제작하였다 [17-20]. - 31 -

절연체 전극 외함 그림 3.6 Peaking Gap Peaking Gap 내부 Fig.3.6 Peaking Gap 3.3 Marx Generator 출력 신호 측정 Marx Generator의 출력은 상승시간이 매우 짧고 Marx 기립 동작시 발생 하는 서지나 노이즈의 영향으로 인해 정확한 전압, 전류 파형을 측정하기 는 매우 어렵다. 전압 측정은 대형이나 중형급에서는 D-Dot 센서를 챔버에 내장하지만, 소형이나 반도체 형의 Marx Generator는 설치공간도 없을 뿐만 아니라 펄 스의 상승시간이 너무 빨라 정확한 측정이 어려우므로 더미저항의 역할을 분담하는 저항 분압기를 많이 사용한다. 분압기에는 저항분압기, 용량분압기, 제동용량분압기가 이용된다. 그 중 에서 저항 분압기는 크게 고체식 분압기와 전해액저항분압기로 나눌 수 있다. - 32 -

고체식분압기는 에폭시 수지에 흑연분말을 섞어 만든 solid저항, 금속피 막저항 등이 이용된다. 구조가 간단하나 응답성이 좋지 않고 고전압 대전 류에 대하여 저항치가 변하는 등의 결점이 있다. 표 3.4 펄스 전압 측정용 분압기의 특징 Table. 3.4 Characteristics of the pulse voltage measurement divider 분압기의 종류 용량분압기 고 체 식 저항분압기 액 체 식 저항.용량분압기 장점 전력소비가 없다 특징 분압비가 크기 때문에 2차분압 기가 필요없다 구조가 간단하고 소형이다. 구조가 간단하다 직류부터 단펄스까지 측정가능 내전압,전류특성이 우수하다 펄스응답성이 좋다 잡음의 혼입이 적다 측정주파수가 넓다 저항치를 크게 할 수 있다 단점 잡음이 들어오기 쉽다 저 인덕턴스의 캐패시터 가 필요하다 분압이 크기 때문에 교정 이 어렵다 대전압전류에 대하여 저 항이 바뀐다 잡음이 침입하기 쉽다 응답특성이 좋지 않다 구조가 복잡하다 저주파에서는 전기분해 때문에 측정이 불가하다 저항치가 경년변화한다 구조가 복잡하다. 전해액저항분압기는 파이렉스 유리등의 절연통에 CuSO 4 및 Na 2 S 2 O 3 5H 2 O 등의 용액을 봉입하여 저항분압기로 한 것이다. 진공중 및 유중에 사용되 어 또한 단시간이기 때문에 1 MV당 20 cm정도의 길이로써 충분하다. 분압기 저압부는 용액 중에 놓여진 원판전극으로써 구성되어 이것과 대 지전극간의 간격에 의해서 분압된다. 전해액의 저항은 온도에 의해서 변 화하나 분압비는 보상되어 일정하다. 전해액 분압기는 0.25 ns의 상승시 - 33 -

간도 측정이 가능하나 분압비가 1/50 ~ 1/1000 정도로 작기 때문에 다음 단에 2차 분압기를 필요로 한다[9]. 본 실험에 사용한 Marx generator의 부하저항은 110 Ω으로 설치하다. Marx generator와 CuSO 4 수용액의 전해액저항 전압분압기 사이에서 발생 할 수 있는 출력파형의 왜곡을 최소화하였다. 또한 전해액저항 전압분압 기 저항 R 1 과 저항 R 2 를 하나의 원형 튜브로 제작하여 전압 분압비율을 항상 일정하게 유지시켰다. 전해액저항의 총길이는 76.5 mm이며 저항 R 1 의 길이는 75 mm, 저항 R 2의 길이는 1.5 mm 이다. 저항 R 1과 저항 R 2사이 의 전극의 두께는 3 mm 이다. 그림 6는 Prodyn사의 I-400 전류센서를 오 실로스코프의 수식기능을 이용하여 제작된 전해액저항 전압비율을 비교한 그림이다. 전해액저항 전압분압기는 원통형의 튜브에 전해액을 채우고 양 끝에 전극을 연결하여 제작하였다. 전해액저항 분압기의 저항값은 110 Ω 으로 식 (3.6)에 의해서 직경은 38 mm, 총길이 70 mm, 전도율 6.01 ms/cm 로 제작하였다. 여기서 는 튜브의 단면적, 는 길이, 는 전해액의 전 도율이다. (3.6) - 34 -

(a) 좌측 전극 (b) 우측 전극 (c) 제작된 전해액저항 전압분압기 그림 3.7 전해액저항 전압분압기 Fig. 3.7 Aqueous electrolyte resistor divider 전해액저항 전압분압기 I-400 전류센서 그림 3.8 전해액저항 전압분압과 I-400 전류센서의 비교 Fig. 3.8 Aqueous electrolyte resistor divider and I-400 current sensor - 35 -

3.4 실험방법 N 2 가스, SF 6 가스, SF 6-N 2 혼합가스에 의한 Marx generator의 출력 특성 을 알아보기 위하여 그림 3.9(a)와 같이 실험구성을 하였다. Marx generator의 하단부에는 Marx generator 내부의 캐패시터(250 pf / 40 kv)를 충전시키기 위해서 전압 DC 60 kv 전류 5 ma 사양의 DC power supply를 설치하였다. 또한 절연가스로 N 2 가스, SF 6 가스, SF 6 -N 2 혼합가 스관을 설치하였다. 절연가스를 Marx generator의 내부로 주입하기 전에 절연가스의 순도를 유지시켜주기 위해서 Marx generator 내부를 진공펌프 를 이용하여 진공상태로 유지시켰다. 또한 내부 전극 표면 거칠기를 동일 하게 해주기 위해서 절연 가스를 교체해 주는 과정에서 주기적으로 Marx generator의 내부 전극도 교체해주었다. N 2 가스의 경우 0 MPa에서 Marx generator의 케이스가 파괴되지 않는 최 대 0.5 MPa 까지 가스 압력 범위에서 실험하였다. 가스 압력 간격은 0.05 MPa 간격으로 총 11구간 실험하였으며 각 구간에서 5회 반복 실험하였다. SF 6 가스의 경우에서는 0 MPa에서 0.4 MPa 까지 가스 압력 범위에서 실험 하였다. SF 6 가스의 압력 0.4 MPa 초과범위에서 자발 트리거를 하기위해 서는 충전 전압을 40 kv 이상이 필요하다. 하지만 캐패시터 사양의 최대 사양이 내압 전압 40 kv 이기 때문에 0.4 MPa 까지만 실험하였다. 혼합가 스는 혼합비율 SF 6 : N 2 = 1 : 9, SF 6 : N 2 = 2 : 8, SF 6 : N 2 = 3 : 7 로 실험하였다. SF 6 가스와 혼합가스의 가스 압력 간격은 0.04 MPa 간격으로 설정하였으며 총 11구간에서 5회 반복 실험하였다. 혼합가스 역시 SF 6 와 동일한 방법으로 실험하였다. Marx generator의 트리거 방식은 동일한 전 극 갭거리, 각각의 가스 압력에서 고전압 DC 전압을 이용하여 자발 방전 될 때 까지 전압을 충전하는 자발 트리거 방식으로 하였다. - 36 -

(a) 절연가스에 의한 출력 특성 실험 구성 그림 3.9 실험 계략도 Fig. 3.9 Test set-up (b) PFL에 의한 출력 특성 실험 구성 그림 3.9(b)는 일정하게 출력되는 Marx Generator의 출력 신호를 원하는 출력 신호로 성형하기 위하여 출력 부분에 Peaking Gap을 설치한 실험계 략도이다. 전극 사이의 갭 거리는 0.5 mm, 0.8 mm로 설정하여 실험 하였다. 절연 가스는 N2를 사용하였으며 갭 거리 0.5 mm에서는 0.5 MPa에서 최대 2.5 MPa 까지 0.5 MPa 압력 간격으로 실험하였다. 그리고 갭거리 0.8 mm에서 는 0.5 MPa에서 최대 2 MPa까지 실험하였으며 0.5 MPa 압력 간격으로 동 일하게 실험하였다. Marx generator의 출력 전압 측정은 전해액저항 전압분압기와 감쇄기를 이용하여 측정하였다. 1차적으로 전해액저항 전압분압기를 이용하여 저항 R 1과 저항 R 2 길이의 비율에 의하여 44 : 1 의 비율로 감쇄하였다. 그리 고 2차적으로 20 W, 20 db 사양의 감쇄기 2개를 이용하여 100 : 1 의 비 - 37 -

율로 감쇄시켰으며 이렇게 감쇄된 신호는 Tektronics TDS 7404B 오실로스 코프를 이용하여 측정하였다. - 38 -

제 4 장 실험결과 및 고찰 본 논문에서 소형 Marx Generator를 제작하여 N 2 가스, SF 6 가스, SF 6 -N 2 혼합가스에 따른 출력 특성을 분석하였으며 PFL을 이용하여 Marx Generator에서 출력하는 파형을 원하는 출력 신호로 성형하였다. 본 장에서는 절연가스의 종류에 따라서 압력 구간에 따라 출력 전압, 상 승시간 그리고 3dB 주파수 영역에 대해서 실험하고 Peaking Gap에 의해서 출력 변화의 특성에 대해서 연구하였다. 4.1 N 2 가스, SF 6 가스, SF 6 -N 2 혼합가스에 의한 출력특성 Marx Generator 출력 특성 실험에서는 출력 펄스 측정을 위하여 Tektronics TDS 7404B 오실로스코프를 이용하였고 부하 저항은 인덕턴스 성분이 작고 제작이 용이하며 에너지 흡수율이 높은 전해액저항을 제작하 여 활용하였다. 그림 4.1은 N 2 가스, SF 6 가스, SF 6-N 2 혼합가스에 의한 최대 출력전압 그래프이다. 절연 가스의 압력이 증가함으로써 절연내력이 증가하여 최대 출력전압이 증가하였다. N 2 가스의 경우 가장 낮은 출력 전압이 나왔으며 SF 6 가스의 경우 N 2 가스보다 약 2.5 배 높은 출력 전압이 나타났다. 혼 합가스의 경우 N 2 가스와 SF 6 가스의 출력전압의 사이의 전압이 나타났으 며 SF 6 가스의 혼합 비율이 증가할수록 출력 전압 또한 높아졌다[10,11]. - 39 -

그림 4.1 N 2가스, SF 6가스, SF 6-N 2혼합가스의 최대 출력전압 Fig. 4.1 The peak voltage of the N 2 gas, SF 6 gas, SF 6-N 2 mixture gas 그림 4.2는 N 2 가스, SF 6 가스, SF 6-N 2 혼합가스에 의한 출력 전압의 상 승시간 그래프이다. 각각의 절연가스는 충전 전압이 높아질수록 출력전압 의 상승시간이 짧아졌다. SF 6 가스의 경우 14.6 ns에서 9.5 ns까지 상승 시간이 짧아졌으며 N 2 가스의 경우 12.8 ns에서 8.7 ns까지 상승시간이 짧아졌다. 평균적으로 순수한 절연가스의 경우 5 ns 정도의 상승시간이 줄어들었다. 반면 혼합가스는 상승시간은 약 9 ns에서 8 ns까지 줄어들었 으며 순수 절연가스보다 상승시간의 변화 폭이 낮았다. 또한 Marx generator의 인덕턴스는 상승시간에 비례한다. 그림 4.3은 N 2 가스, SF 6 가스, SF 6-N 2 혼합가스의 상승시간을 주파수 영역으로 변환한 3 db frequency 그래프이다. SF 6 가스는 27 MHz에서 37 MHz까지의 주파수 영역 이 나타났으며 N 2 가스의 경우 27 MHz에서 40 MHz까지의 주파수 영역이 - 40 -

나타났다. 혼합가스는 주파수 영역이 최소 36 MHz에서 최대 44 MHz까지 나타났으며 그 중 SF 6 : N 2 = 3 : 7의 혼합가스의 경우에서는 주파수 영 역 변화 폭이 가장 낮았다. 그림 4.2 N 2 가스, SF 6가스, SF 6-N 2 혼합가스의 상승시간 Fig. 4.2 Therise time of the N 2 gas, SF 6 gas, SF 6-N 2 mixture gas 그림 4.3는 N 2 가스, SF 6 가스, SF 6-N 2 혼합가스의 상승시간을 주파수 영 역으로 변환한 3 db 주파수 그래프이다. SF 6 가스는 27 MHz에서 37 MHz까 지의 주파수 영역이 나타났으며 N 2 가스의 경우 27 MHz에서 40 MHz까지의 주파수 영역이 나타났다. 혼합가스는 주파수 영역이 최소 36 MHz에서 최 대 44 MHz까지 나타났으며 그 중 SF 6 : N 2 = 3 : 9의 혼합가스의 경우에 서는 주파수 영역 변화 폭이 가장 낮았다. - 41 -

그림 4.3 N 2 가스, SF 6가스, SF 6-N 2 혼합가스의 3dB 주파수 Fig. 4.3 The 3dB frequency of the N 2 gas, SF 6 gas, SF 6-N 2 mixture gas 4.2 출력 파형 TDK 250 pf/ 40 kv의 세라믹 캐패시터를 2단으로 제작하여 상승시간 수 ns 의 소형 Marx generator의 출력 특성은 그림 4.4 ~ 4.8과 같다. 출력 전압은 최대 약 55 kv이며 효율은 70 %로 우수한 출력 특성을 나타내었 다. - 42 -

0.0 MPa (V out : 9.24 kv, t r : 11.99 ns) 0.15 MPa (V out : 11.35 kv, t r : 11.43 ns) 0.25 MPa (V out : 15.58 kv, t r : 10.08 ns) 그림 4.4 N 2 가스에 의한 출력 파형 Fig. 4.4 Output waveform of the N 2 Gas 0.4 MPa (V out : 19.45 kv, t r : 9.224 ns) - 43 -

0.0 MPa (V out : 10.03 kv, t r : 14.92 ns) 0.16 MPa (V out : 23.06 kv, t r : 11.73 ns) 0.24 MPa 0.4 MPa (V out : 30.62 kv, t r : 11.39 ns) (V out : 43.39 kv, t r : 9.408 ns) 그림 4.5 SF 6 가스에 의한 출력 파형 Fig. 4.5 Output waveform of the SF 6 Gas - 44 -

0.0 MPa (V out : 7.488 kv, t r : 9.82 ns) 0.16 MPa (V out : 16.32 kv, t r : 8.694 ns) 0.24 MPa 0.4 MPa (V out : 19.97 kv, t r : 8.273 ns) (V out : 30.53 kv, t r : 7.737 ns) 그림 4.6 SF 6-N 2 = 1 : 9 혼합 가스에 의한 출력 파형 Fig. 4.6 Output waveform of the SF 6-N 2 = 1 : 9 mixture Gas - 45 -

0.0 MPa (V out : 7.565 kv, t r : 9.775 ns) 0.16 MPa (V out : 16.99 kv, t r : 8.865 ns) 0.24 MPa 0.4 MPa (V out : 21.22 kv, t r : 8.929 ns) (V out : 30.91 kv, t r : 8.513 ns) 그림 4.7 SF 6-N 2 = 2 : 8 혼합 가스에 의한 출력 파형 Fig. 4.7 Output waveform of the SF 6-N 2 = 2 : 8 mixture Gas - 46 -

0.0 MPa (V out : 7.642 kv, t r : 9.599 ns) 0.16 MPa (V out : 17.47 kv, t r : 9.159 ns) 0.24 MPa 0.4 MPa (V out : 21.31 kv, t r : 8.894 ns) (V out : 31.3 kv, t r : 8.798 ns) 그림 4.8 SF 6-N 2 = 3 : 7 혼합 가스에 의한 출력 파형 Fig. 4.8 Output waveform of the SF 6-N 2 = 3 : 7 mixture Gas - 47 -

4.3 PFL의 출력특성 그림 4.9는 Marx Generator의 출력 전압을 Peaking Gap에 의해서 성형된 그림이다. 출력 전압 35.28 kv, 상승 시간 9.859 ns의 신호를 출력 전압 32.93 kv, 상승시간 2.434 ns로 성형하였다. 출력 전압은 3.35 kv 정도 손실이 발생하였다. 하지만 상승시간은 7.425 ns정도 빠르게 측정 되었 다. (전) V out : 35.28 kv, t r : 9.859 ns (후) V out : 32.93 kv, t r : 2.434 ns 그림 4.9 Peaking Gap에 의해 성형된 출력 파형 Fig. 4.9 Peaking Gap formed by the output waveform 그림 4.10는 Peaking Gap 압력과 갭거리에 의한 상승시간 변화 그래프이 다. Peaking Gap의 갭 거리가 0.5 mm일 경우 압력을 0.5 MPa 간격으로 증 가하였다. 가스의 압력이 증가함에 따라 상승시간도 약 7 ns 정도에서 2 ns 정도의 상승시간이 짧아졌다. Peaking Gap 내부의 가스압력이 2.5 MPa 초과 범위에서는 Marx Generator의 출력 전압보다 절연내력이 높아져 신 호를 측정할 수가 없었다. 갭 거리 0.8 mm의 경우 Peaking Gap 내부의 압 - 48 -

력을 0.5 MPa에서 2 MPa 사이의 범위에서 측정하였으며 0.5 MPa 간격으로 설정하였다. 내부 가스압력이 0.5 MPa일 경우 약 4 ns의 상승시간으로 성 형되었다. 최대 압력 2 MPa일 경우 약 2 n의 상승시간으로 성형되었다 [12-16]. Peaking Gap 내부의 압력이 0.2 MPa 초과 범위에서는 Marx Generator의 출력 전압보다 절연 내력이 높아 측정을 할 수가 없었다. 그 림 4.11은 성형된 출력 신호를 시간대역에서 주파수 대역으로 변환한 그 림이다. Marx Generator의 출력 신호의 주파수 영역 수십 MHz 대역에서 100 MHz 이상대역까지 더 넓은 광대역 범위까지 증가하였다. 그림 4.10 Peaking Gap에 의한 상승시간 Fig. 4.10 Rise time of Peaking Gap - 49 -

그림 4.11 Peaking Gap에 의한 3dB Frequency Fig. 4.11 3dB Frequency of Peaking Gap - 50 -

제 5 장 결 론 이 논문에서는 일반적인 방식의 저항 충전식 Marx Generator의 동작 원리를 해석하고 설계 및 제조기법을 확립하였다. Marx generator를 이 용하여 절연가스가 Marx generator의 출력특성에 미치는 영향을 분석 위하여 실험하였다. N 2 가스, SF 6 가스, SF 6 -N 2 혼합가스의 절연가스를 사용하여 Marx generator에서 발생된 출력 전압, 펄스 상승시간, 3dB 주 파수에 대하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 1. Marx Generator의 각종 부품에 대한 가공 및 조립기술, 특히 고전계 에 대한 절연 대책과 많은 실험을 통해 취득한 절연가스 상태에서의 PFL 설계 기술을 확보하였다. 2. SF 6 가스는 N 2 가스보다 절연 내력이 높아 동일한 가스 압력에서 더 높은 출력 전압을 얻었다. 또한 SF 6 가스는 낮은 에너지에서도 매우 높은 부착단면적을 가지고 있어 순수 N 2 가스에 소량의 SF 6 가스를 혼합했을 때 순수 N 2 가스보다 높은 출력 전압을 얻었다. 3. 순수 절연 가스의 경우 충전 전압이 증가할수록 상승시간이 짧아져서 일정한 주파수 영역의 신호를 구할 수 없었다. 하지만 혼합가스의 경우 충전 전압이 높아지더라도 상승시간이 크게 짧아지지 않았다. 특히 SF 6 : N 2 = 3 : 7의 경우에는 상승시간의 변화 폭이 낮았다. 이와 같은 경우 충 전 전압에 관계없이 동일한 주파수 영역의 신호를 얻을 수 있다. 4. Marx Generator의 출력 전압을 측정하기 위해 전해액 분압기에 대한 - 51 -

연구를 수행하여 수십 kv의 출력 전압, 수 ns의 상승시간의 펄스신호 측 정기술을 확보하였다. 본 연구를 통해 개발된 Marx Generator는 고전압의 펄스 파워분야는 물론 전자물리, 살균처리의 환경산업 및 전자무기와 같은 국방관련 산업 에도 충분히 활용할 수 있을 것으로 기대한다. 또한 다양한 혼합가스를 이용한다면 짧은 상승시간과 더 넓은 광대역 범위의 주파수 영역을 얻을 수 있을 것으로 사료된다. - 52 -

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