한상보
(Sang-Bo Han)
†
Copyright © The Korean Institute of Illuminating and Electrical Engineers(KIIEE)
Key words
Pulsed power, Current, Copper wire, Pinch
1. 서 론
펄스파워 기술은 콘덴서, 리액터에 저장된 에너지, 또는 화학적으로 저장된 에너지를 매우 짧은 단시간에 큰 에너지를 방출시킬 수 있는 기술을 의미한다.
이러한 펄스파워는 콘덴서 충전에너지의 방전으로 얻은 펄스 대전류를 핵융합 연구에 활용하기도 하였다. 현재 레일건과 같이 콘덴서로부터 대출력 발생,
충-방전 기술 등 수많은 연구를 통해 다양한 응용분야가 도출되고 있다. 주요한 응용분야로는 펄스파워를 이용한 금속 내 이온주입, 특정 가스제거, 나노분말
대량생산, 핀치효과를 이용한 X선 및 중성자 빔 발생 등 많은 연구가 진행되고 있으며, 다양한 상용화가 추진되고 있다[1-7].
Fig. 1. Principle of generating pulsed power
그림 1은 펄스파워 발생원리를 나타낸 것으로서, 동일 면적의 에너지를 1s에서 1ns의 짧은 시간 동안에 방출시키면 매우 큰 에너지를 순간적으로 얻을 수
있다. 본 연구에서는 이러한 펄스파워 에너지를 이용하여 핀치생성에 관한 기초적 연구를 진행하였다.
그림 2는 펄스파워에 의한 매우 큰 전류(I)가 흐름에 의하여 주위에 자속밀도(B)[$wb / m^{2}$]가 발생되고, 이로 인해 로렌츠 법칙에 따라서
도선의 모든 부분에서 내부로 수축하는 힘(F)을 받게 된다. 이로 인해 도선이 수축 폭발하면서 도선 구성 원소들과 주위 매질과의 상호작용으로 X선이
발생되게 된다.
Fig. 2. Principle of pinch formation and example of z pinch structure
대전류가 Z축 중심으로 흐르고 자기장이 전류가 흐르는 도선 주변에 형성되어 도선 중심으로 향하는 전자기력에 의해 수축하는 것을 Z 핀치라고 하며,
대전류가 원형으로 흐르고 자기장이 Z축으로 형성되어 수축하는 경우를 $\theta$ 핀치라고 한다.
X 핀치는 고밀도 플라즈마를 생성시키기 위하여 두가닥 이상의 금속선을 교차시켜 중심의 교점에서 핀치를 발생시키는 것을 의미한다[8-9].
본 연구에서는 z 핀치 및 x 핀치를 가변적으로 생성시킬 수 있는 구조를 자체 설계하여 제작하였으며, z 핀치를 발생시키기 위한 펄스파워 전원의 동작특성에
대하여 논하고, 핀치 발생에 관한 기초적인 연구결과에 대하여 논하였다.
2. 본 론
2.1 펄스파워 전원 구성 및 동작원리
사진 1은 펄스파워 전원의 방전특성 측정을 위한 장비 사진을 보인 것으로서, 펄스파워 전원, 트리거 회로, 방전전극, 진공챔버 등으로 구성되어 있다. 펄스
고전압 파형은 고전압 프로브(Tektronix, P6015A, 1000:1), 방전전류는 로고우스키 코일(Pearson, 2878, 100mV/A)을
이용하여 오실로스코프(Tektronix, TDS2014)로 측정하였다. 로터리 펌프를 이용하여 진공상태를 만들고 바라트론(MKS, 626A 13TBE)게이지로
압력을 측정하였다.
Pic. 1. Manufactured pulsed power
초기 기초실험을 통하여, 펄스파워의 콘덴서 뱅크 용량 6nF으로는 핀치 발생을 위한 대전류를 생성시키지 못하였으므로, 사진 2와 같이 2,000pF인 콘덴서 6개의 콘덴서뱅크를 병렬로 추가하여 총 18nF 콘덴서 뱅크를 사용하여 연구를 진행하였다. 그림 3은 펄스파워 전원 구성에 대한 전체 회로도를 보인 것으로서, 다이오드를 통과한 전류가 콘덴서 뱅크에 충전되고, 트리거 신호에 의해 스파크 갭 스위치가
동작되면서 콘덴서에 저장된 에너지가 케이블을 통해 부하측으로 전달되도록 구성하였다.
Pic. 2. Arrangement of capacitor banks
Fig. 3. The circuit configuration of the manufactured pulsed power source
Pic. 3. Electrodes arrangement for the measurement of output characteristics of pulsed power
사진 3은 진공챔버 내부에 설치된 침전극과 평판전극의 전극배치를 보인 것으로서, 펄스파워의 기초적인 출력 특성을 측정하기 위한 것이다. 핀치 생성 연구에서는
침·평판 전극을 제거하고 자체 제작한 핀치 리액터를 통해 실험을 진행하였다.
2.2 펄스파워의 출력특성 분석
그림 4는 진공 챔버 내부에 침-평판 전극구조에서 압력과 갭 길이(1∼12mm) 변화에 따른 방전개시시의 인가전압과 방전전류의 최대치 관계를 나타내었다.
Fig. 4. The change of voltage and current according to pressure and gap distance
그림 4(a)에서 갭 길이가 1mm(600torr)일 때 방전개시전압은 18kV이지만, 12mm인 경우는 33kV로서 동일 압력에서 갭 길이가 증가될수록 방전개시전압이
증가됨을 보였다. 갭 길이 증가에 따라서 침전극 주위의 전계강도가 감소되기 때문에 방전개시전압이 증가되는 것으로 판단된다.
그림 4(b)에서 갭 길이 1mm(600tor])일 때 방전 전류는 660A이지만, 갭 길이 12mm에서는 250A로 약 62\%가 감소됨을 보였다. 동일 압력에서
갭이 짧을수록 방전전류가 매우 증가됨을 알 수 있다.
또한 갭 길이가 짧은 경우에는 압력에 따라 방전개시전압 및 전류의 변화가 없지만, 갭 길이가 증가됨에 따라 압력 증가와 함께 비선형적으로 전압, 전류
모두가 증가됨을 알 수 있다. 일반적으로 핀치 발생시는 매우 높은 진공에서 실시하므로 방전개시전압은 17∼22kV이 적절하다고 판단된다.
콘덴서 뱅크 용량을 변화시킴에 따른 펄스파워 출력 전류(최대치)의 변화를 그림 5에 나타내었다. 그림 5(a)(b) 전류 및 전압 파형이 감쇠진동상태를 보이고 있으며, 전압 최고점과 전류의 최고점의 시간적 차이는 케이블을 통한 펄스파워 진전시간에 기인되는 것으로
판단된다.
콘덴서 뱅크에 저장된 에너지는 인덕터를 통해 흐르는 에너지와 동일하므로 아래 식 (2)와 같이 표현할 수 있다.
식 (2)에 의해 콘덴서 뱅크 6nF일 때의 펄스파워 선로의 인덕턴스 값을 구하면 $6.67[\mu H]$에 해당됨을 알 수 있다.
$$L =\dfrac{C V^{2}}{I^{2}}=\dfrac{(6\times 10^{-9})(20000)^{2}}{600^{2}}=6.67[\mu
H]$$
이 인덕턴스 값을 이용하여 콘덴서 뱅크용량 18nF에 대한 전류 크기를 계산하면 약 883A로서 그림 5(b)와 거의 일치함을 알 수 있다.
$$\begin{align*}
I &=\sqrt{\dfrac{C V^{2}}{L}}\\
\\
&=\sqrt{\dfrac{(18\times 10^{-9})(17\times 10^{3})^{2}}{6.67\times 10^{-6}}}= 883.12[A]
\end{align*}$$
그림 6은 콘덴서 용량을 증가시킴에 따른 전류 피크값의 변화를 보인 것으로서, 콘덴서 용량 2nF 증가에 따라 전류가 약 46.8A씩 선형적으로 증가됨을
알 수 있다.
Fig. 5. Waveform of voltage and current by changing the capacity of condenser bank
Fig. 6. Relation of output current according to the change of condenser capacity
2.3 핀치 제작 및 동작특성 평가
그림 7은 핀치 내부의 구조를 나타내었고, 사진 4는 실제 제작한 핀치 사진을 보였다. 핀치 발생시 일정 영역 내에 발생시키도록 높이 40mm의 석영관으로 감싸도록 하였으며, 원하는 금속선을 15mm
간격에서 상단부가 회전하면서 교차되도록 제작하였다. 최상단 금속부분을 회전시켜 여러 개의 금속선이 크로스 형태가 되어 중심부분에서 접점 형성이 가능하다.
그리고 원형 금속을 핀치 발생용 금속선 양쪽 끝단에 고정시켜 중력에 의해 팽팽히 고정될 수 있도록 하였다.
핀치발생 기초 실험을 위하여 동선 직경 0.2mm, 0.05mm인 2종류를 사용하여 진행하였다.
사진 5는 동선 1개만을 사용한 경우의 트리거 이후의 시간 경과에 따른 핀치발생 사진을 보인 것으로서, 직경 0.2mm인 동선에서는 고정 금속 아래 부분에서
부분방전이 발생되어 핀치가 생성되지 않았다. 이것은 펄스파워 대전류에 의한 수축 전자기력(F)이 핀치 발생에 충분하지 않음을 의미한다. 그러나, 직경
0.05mm인 동선에서는 폭발음과 함께 금속선이 수축해 핀치가 발생됨을 확인하였다. 이때의 사진을 비교해보면 트리거 직후 0.01s에서 직경 0.2mm인
경우에는 하단부에서 부분방전에 의한 빛만이 보이지만, 0.05mm인 경우는 핀치 내부 전체적으로 강한 발광을 수반함을 알 수 있으며, 그림 5(b) 0.02s에서도 석영관 내부에서 수직방향으로 균일한 폭(width)으로 핀치가 발생됨을 알 수 있다.
Fig. 7. Design of the developed pinch structure
Pic. 4. Manufactured pinch in this work
Pic. 5. The variation of pinch formation with time duration(two kinds of copper wire)
3. 결 론
본 연구는 펄스파워 전원의 동작특성과 핀치 발생에 관한 기초적인 연구결과를 논하였다.
콘덴서 뱅크용량 18nF에 대한 감쇠진동 전류 피크치가 약 883A로 매우 높았으며, 콘덴서 용량 2nF 증가에 따라 전류가 약 46.8A씩 선형적으로
증가됨을 알 수 있었다.
트리거 이후의 시간 경과에 따른 핀치발생현상을 통하여 직경이 굵은 경우에는 펄스파워 전류에 의한 수축력이 낮아서 핀치가 생성되지 않고 하단 금속부분에서
부분방전이 발생됨을 확인하였으며, 직경이 가는 경우에는 강한 폭발음과 함께 핀치 내부 전체적으로 강한 발광이 발생되고, 시간 경과에 따라서 석영관
내부 수직방향으로 균일한 폭(width)으로 핀치가 발생됨을 알 수 있었다.
향후에는 고순도 알루미늄선, 백금선 등을 이용하여 z핀치 및 x핀치에 대하여 시간경과에 따른 분광분석 및 x선 변화에 대하여 연구할 계획이다.
References
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Syed Wasif, 2010, Development of novel techniques to study the magnetic field evolution
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Biography
He received the B.E. and M.E Degrees in Electrical Engineering from the Kyungnam University,
Korea, in 1998 and 2000, respectively, and the Ph. D. Degree in Electronic Engineering
from the University of Tokyo, Japan, in 2004.
He is currently an Associated Professor in the Department of Electrical Engineering
at the Kyungnam University.