JP2016146745A

JP2016146745A - 高電圧・大電流真空集積回路

Info

Publication number: JP2016146745A
Application number: JP2016060406A
Authority: JP
Inventors: カーティス・エー・バーンバック; A Birnbach Curtis
Original assignee: Advanced Fusion Systems LLC
Current assignee: Advanced Fusion Systems LLC
Priority date: 2010-10-05
Filing date: 2016-03-24
Publication date: 2016-08-12
Anticipated expiration: 2031-10-05
Also published as: EP2625581A4; JP5908913B2; JP2016146744A; WO2012048046A1; EP3156874A1; BR112013007799A2; US9711287B2; ES2683772T3; CA2809883A1; JP6411400B2; IL249070A0; CA2938102C; CA2938102A1; NZ626968A; CA2809883C; JP6376568B2; IL224986A; AU2011312045B2; US20120081097A1; KR20160113729A

Abstract

【課題】高電圧・大電流の送電グリッドまたは他の回路において、グリッド中の電気素子を破壊する可能性がある過渡電圧からグリッドを守ることのできる堅牢な高電圧・大電流調整器または電圧固定回路を提供する。
【解決手段】電流を調整するための高電圧・大電流調整器回路は、外部回路に接続した第一および第二端子１３、１５の間に間置し、当該第一および第二端子間で電流を伝導する少なくとも一つの主電流通過型冷陰極電界放出電子管２３から成る。電流調整器回路１２０は、少なくとも一つの冷陰極電界放出電子管を含む電圧固定回路を伴うこともある。高電圧・大電流真空集積回路を形成するように、高電圧および大電流で作動するよう組み立てられた少なくとも二つの冷陰極電界放出電子管は、好ましくは単一の真空筺体内に収納され、回路機能を備えるため相互接続される。
【選択図】図７

Description

本発明は高電圧・大電流調整回路に関するもので、一つの態様は回路中の大電流の制御に関し、もう一つの態様は回路中の高電圧の固定に関し、さらにもう一つの態様は真空集積回路に関する。

本出願は、本発明者による二つの以前の出願、２００９年１月２３日提出の米国出願番号１２／３５９，１９８標題「高電圧インバーター」および２００９年９月４日提出の米国出願番号１２／５５４，８１８標題「異常電磁パルスから電力システムを防護する方法および機器」に関連する。

高電圧・大電流回路には、電圧固定回路と共に、信頼性が高く効率的な電流調整器および電流固定回路が必要である。送電グリッドにおける臨界制御機能から医療診断システムや治療システム、そして軍事兵器に至るまで、このような技術に関する多くの出願がある。本出願で使用される「送電グリッド」とは、個人住宅、産業、政府の使用者に電力を供給するための電力配分グリッドを意味する。

送電グリッドの電流調整
高電圧および大電流で作動する大規模送電グリッドに関する最も重大な問題の一つは、故障電流を制限することである。送電グリッド上の有効な故障電流調整器の必要性が増す中で、米国およびその他の国々における送電グリッドを近代化する切実な必要性がある。
現在実施されている典型的な方法は、送電システムを実際の負荷能力の数倍の大きさにして、それがなければグリッドを不安定にさせるような一時的な故障電流状態に耐えるようにするものである。
これにより、実際の負荷能力にのみ合わせて送電グリッドを設計した場合に比べて経費が増し、その増加は７５％にもなる可能性がある。従って、不慮の故障電流を減らすことは、グリッドの有効能力を大幅に増加させ得る。更に、電力流の調整など、効果的な故障電流調整器によって恩恵を受ける、送電グリッド作動における他の電流調整に関する用途がある。

通常、故障電流の制限器の先行技術は、抵抗やインダクタンスの挿入などの技術に基づいており、それらの技術は、従来型または超伝導型インダクタンスコイルの技術であったり、金属酸化物バリスタのような固体装置の使用技術であることもある。これらの技術はいずれも、電力産業のニーズを満たすものではない。現在開発中の最も堅牢なシステムは最大定格電流の約５０％の故障電流制限を備えるが、電力産業は最大定格電流の８０％かそれ以上の制限を必要としている。更に先行技術は、その設計の持つ本質的な性質により、電圧および電流の操作能力に制限がある。

純粋に、抵抗性電流制限は、電流を制限するための最も古く、最も効率の悪い方法である。これは、一定の最大電流しか流れないように計算された値の直列抵抗を通電導体の中に挿入するものである。過剰な電流は熱に直接変換されるため、効率が極めて低い。抵抗性電流制限は、効率が５０％程度の場合が多いので、電気回路で使われることは稀である。

従来の誘導電流制限は、抵抗性電流制限よりも幾分優れており、実際に、電力産業において広く使われている。誘導電流制限の短所は、電圧に伴い電流の位相が変化し、その結果、力率が低くなることである。より高価な誘導電流制限器においては、コンデンサをインダクタと対にして力率を補正することが多い。インダクタとコンデンサの電力操作および定格耐電圧は限られているので、これは高電力システムでは問題となる。この限界が主な理由となり、より信頼性の高い効果的な電流制限技術を求めて、電力産業が現在の開発に努力を傾けてきているのである。

超電導技術の使用が提案され、送電グリッドにおける故障電流を制限するためのプロトタイプが製造されている。しかし、超電導素子を臨界温度またはそれ以下に維持する複雑な極低温冷凍システムの必要性が、超電導技法の信頼性を高める障害となっている。超低温システムが作動しなければ、超電導装置は超電導性を失い、電線上の抵抗となるよう「通常」状態になる。複雑な機械構成部品によりシステム設計の信頼性が低いだけでなく、この技術に基づく電流制限器の価格は高く、これらは現在最大約１３８ＫＶに限られている。グリッドを強固にするためには、約５００ＫＶまたはそれ以上で作動できる電流制限器が必要である。一般的に、４ＫＶから３５ＫＶまでの低電圧では、サイズとコスト両方の理由から超電導電流調整器は使用できない。

電流を制限するためのソリッド・ステート技術の場合は、他の半導体電力工学システムを特徴づける弱点と同じものが当てはまる。必要な電圧と電流の何れかを操作できる単一のソリッド・ステート装置はないので、設計者は電圧と電流それぞれの操作能力を高めるために、直列と並列の両方で複数の装置を連結しなければならない。しかし、装置を直列および並列に配置するには、一連の装置を通じて電圧と電流を均等に分布させるための「均整の取れたネットワーク」が必要である。これによりさらにシステムの複雑性とコストが増し、その信頼性が低くなる。またソリッド・ステート装置には単一アーク障害も起こり得る。単一アーク障害は、個々の装置に電気絶縁破壊が起きて半導体自体の結晶中にアークが生じる時に起こる。これは結晶を傷つけ、しばしば炭化路を残し、半導体装置を停止させる。

以上の考察は、なぜ既存の技術が高電力送電グリッドの電流調整（例えば電流制限）における使用に充分でないかという幾つかの理由を示している。従って、送電グリッドまたは他の回路において使用できる信頼性の高い効果的な故障電流の調整器が必要である。

送電グリッドの電圧調整送電グリッドに関するさらなる懸念は、グリッド中の電気素子を破壊する可能性がある過渡電圧である。過渡電圧は様々な原因によって起こる可能性があり、ほぼ全てが相当な故障電流がある場合に起こる。

従って、堅牢な電圧調整器、例えば送電グリッドまたは他の回路において高電圧および大電流で作動できる電圧固定回路が必要である。

好ましい実施態様においては、外部回路に接続される第一および第二端子の間に置かれる高電圧・大電流調整器回路は、当該第一および第二端子の間の電流を受け取り調整するための、当該第一および第二端子の間に接続される双方向電流調整回路から成る。当該電流調整回路は、当該第一および第二端子の間の電流を伝導する少なくとも一つの主電流通過型冷陰極電界放出電子管から成る。当該少なくとも一つの主電流通過型冷陰極電界放出電子管が、当該第一および第二端子上の電圧がそれぞれ正と負である時に、当該第一および第二端子間の電流伝導を制御するための第一および第二制御グリッドを有する。第一および第二グリッド制御冷陰極電界放出電子管はそれぞれ、当該第一および第二グリッド用の制御シグナルを供給する。

好都合なことに、前記の電流調整器は、送電グリッドにおいて使用できる信頼性の高い効果的な故障電流調整器を提供すると共に、下記に説明するような他の機能も提供する。

本発明のもう一つの態様によると、前記の電流調整器とは独立しても併せても使用できる可能性がある電圧固定回路を、外部回路に連結した第一および第二端子の間に置く。当該電圧固定回路は、少なくとも一つの冷陰極電界放出電子管を含む双方向電圧固定器から成る。当該双方向電圧固定器は、作動閾値電圧を有する。第一および第二制御グリッドが、当該少なくとも一つの冷陰極電界放出電子管に繋がり、当該第一および第二端子間の電流伝導主経路において電圧を調節するためのそれぞれの制御シグナルを受け取る。当該作動閾値電圧をセットするために、当該第一および第二制御グリッドを通じて回路が当該電圧固定器にバイアスをかける。

好都合なことに、前記の電圧固定回路は、送電グリッドまたは他の回路において高電圧および大電流で作動できる。

本発明の好ましい実施態様では、前記の電流調整器と電圧固定器を互いに組み合わせて使用する。これは、アーク放電による故障に対する抵抗性が極めて高いことから、ソリッド・ステート装置とは区別される。ソリッド・ステート装置では、単一の電気アークが壊滅的な故障を起こすが、ここで言及する態様では、本仕様に基づき、当該技術分野における通常の技術を用いるアーク放電に対して極めて高い耐性を持つように当該回路を作ることができる。

本実施態様は、相当広い作動温度域を有しているので、ソリッド・ステート型とはより明確に区別される。ソリッド・ステート装置では、通常摂氏約２６度になるだけで性能が急速に落ち始めるが、前記実施態様では対照的に、冷陰極電界放出電子管を用いる時には、特別に作った冷却手段を使用しないで摂氏６５０度の温度で成功裏に作動することが可能である。冷陰極電界放出電子管の温度上限は摂氏約７６０度であり、その温度では当該管の電極が自然熱電子放出を起こし、当該管は継続して電流を伝導し始める。通常シリコン炭化物に基づいた新しい半導体装置の中には、シリコンベースの装置よりも幾分高い温度、すなわち最高摂氏約２００度で作動できるものもある。これは大きな改良であるが、依然として冷陰極電界放出電子管の温度限界に比べるとはるかに低く、シリコン炭化物でも、今もなお単一アーク障害が起こり得るので、シリコンベースの装置とほぼ同じくらいの脆弱性を持つ。またシリコン炭化物は極めて高価であり、個々の装置の電圧および電流操作定格が低く、通常は定格電圧が約１５００ボルト以下で、より高い定格電圧を達成するには直列および並列ネットワークを広範に使用する必要がある。

本発明の前記実施態様では、電流調整器と電圧固定器を組み合わせて、１００万ボルトを超える電圧を操作するために単一冷陰極電界放出電子管を組み立てることが可能であり、既知の半導体装置が達成できていない１００キロワット単位で電流操作能力は測定される。

高電圧・大電流真空集積回路は、共通の真空筺体から成る。当該真空筺体は（１）少なくとも一つの内部真空ポンプ手段；（２）当該真空筺体を空にしてその後当該真空筺体を密封し少なくとも一つの外部真空ポンプから分離するための少なくとも一つの排気管；（３）当該真空筺体から導電体を電気的に絶縁し当該真空密封を維持しながら、当該真空筺体の外側から当該筺体の内側まで当該導電体を通す真空密封し電気的に絶縁したフィードスルー；（４）当該真空筺体の全体的サイズの必要条件を最小限にし、内部電気短絡を防ぐための内部電気絶縁、を含む。当該真空筺体の内部に少なくとも二つの冷陰極電界放出電子管が、高電圧および大電流で作動するように組み立てられ、回路機能実行のためにそれらを相互連結する。

前記の高電圧・大電流真空集積回路は、別個の真空容器内に各冷陰極電界放出電子管を格納する先行技術に比べて、システムの信頼性を増大させ、システムへの導入を簡素化する。

作図と関連付けて本発明に関する以下の詳細な説明を読むと、本発明の更なる特徴と利点が明らかになるであろう。

図１は、本発明の好ましい実施態様による、部分的にブロック形式の高電圧調整器の配電図である。図２は、図１の電流調整器に使用可能な双方向冷陰極電界放出テトロード管、すなわちＢｉ−ｔｒｏｎ管の簡単な全体図であり、部分的に断面図を示す。図３は、図１および２に示したＢｉ−ｔｒｏｎ管の代わりに使用できる一対の逆並列の冷陰極電界放出管の配電図である。図４は、地磁気誘導電流（ＧＩＣ）から防護するために本発明の電流調整態様を使用する、一対の電力変圧器の配電図であり、部分的にブロック形式で示す。図５は、地磁気誘導電流（ＧＩＣ）から当該変圧器を防護するために使用する場合、図４の電流調整器を制御するための電気回路の配電図である。図６は図４と類似するが、本発明の電流調整態様の異なる使用法を示す。図７は図１と類似するが、図１のように電流調整回路と電圧固定回路の両方を備えた高電圧・大電流調整器回路を示す。図８は、内部の部品を前面に示すように変更した、高電圧・大電流真空集積回路の中心軸に沿った簡素化した縦断面図である。］図９は、ＨＶＨＣＶＩＣおよび様々な外部真空ポンプのブロック図である。図１０は、磁気シールド材の一部の横断面図であり、当該シールドの両側の真空を均等化するための貫通がある。図１１は、図８で図１１、図１１と示された矢印方向で見た簡素化した拡大断面図である。図１２は、図８の高電圧・大電流真空集積回路において使用可能な集積コンデンサを備えたフェライトローパスフィルターの、一部を断面で示した全体図である。

文献番号および関連部分のリストはこの詳細な記述の終わり近くに挙げる。

以下の定義は本文書で使用する用語に関するものである。
定義「送電グリッド」は本文書では、個人住宅、産業、政府のユーザーに電力を供給するための電力配分グリッドを意味する。通常は、送電グリッドは複数の発電機と、個人住宅、産業、政府のユーザーに電力を配分する機能を持つ複数の配電変電所に送電する手段を有する。
「故障電流」は重度の過剰電流状態を意味する。
「大電流」は本文書では５０アンペアより大きい電流を意味する。
「高電圧」は本文書では交流４００ボルトより高い電圧を意味する。

高電圧電流調整器
本発明の最初の態様によって、図１は電流の調整が望まれる回路の間に間置する第一および第二端子１３および１５を有する高電圧電流調整器回路１０を示す。電流調整器回路５１０は上記で定義する「大電流」への対応能力を有することが好ましい。第一および第二端子１３および１５上の電圧の極性が陽であるときには、破線ループ１８によってほぼ完全に境界が付けられた回路１０の部分が、調整器回路１０の作動を制御する。逆に、第一および第二端子１３および１５上の電圧の極性が陰であるときには、破線ループ２０によってほぼ完全に境界が付けられた回路１０の部分が、調整器回路１０の作動を制御する。言うまでもなく、第一および第二端子１３および１５間の水平に図示した回路経路において、導体（番号なし）、Ｂｉ−ｔｒｏｎ管２３の電流通過用主電極（陰陽極（ｃａｔｈａｎｏｄｅ）と呼ばれる）（以下、「キャサノード」）２８および２９、および分路抵抗器４７が、第一および第二端子１３および１５上の陰陽両方の電圧偏位のために使用される。Ｂｉ−ｔｒｏｎ管２３のグリッド２６および３１はそれぞれ、第一および第二端子１３および１５上の電圧が陽と陰の偏位である時に使用される。

破線ループ１８に関連する電気回路のみを説明すれば破線ループ２０に関連する電気回路も充分説明できるように、破線ループ１８および２０は回路トポロジーと構成部分の値の両方について互いに対称に並ぶことが好ましい。

破線ループ１８の電気回路は、本文書で省略してＢｉ−ｔｒｏｎ管と呼ぶ双方向冷陰極電界放出管２３を含む。Ｂｉ−ｔｒｏｎ管２３の構造は、図１のＢｉ−ｔｒｏｎ管２３と同じ部品番号を持つ図２を参照するとより容易に理解できるかもしれない。図２に示す通り、Ｂｉ−ｔｒｏｎ管２３は、陰極と陽極として交互に機能する電流通過用主導体を意味する内部「キャサノード」２６を含む。
キャサノード２６は円柱形で、示されたように円柱の固体となり得る。第二のキャサノード２９は円柱形で、キャサノード２６を囲み、同じ縦軸（図示せず）を共有する。円柱形のグリッド２８はキャサノード２６を囲み、このキャサノードに隣接し、繋がる。円柱形のグリッド３１はキャサノード２９に包囲され、このキャサノードに隣接し、繋がる。Ｂｉ−ｔｒｏｎ管に関する更なる詳細は、２０１０年８月５日付け公開番号ＵＳ２０１０／０１９５２６６Ａ１標題「誘電セラミックおよび積層セラミックコンデンサ」に記されている。

高電圧電子管３５は破線ループ１８に含まれ、これから説明する電気回路に従い、第一端子１３上の電圧を感知し、Ｂｉ−ｔｒｏｎ管２３のグリッド３１を制御する。高電圧電子管３５はパルサトロン管としても知られ、陽極３７、陰極３９、および陰極３９に隣接し繋がるグリッド４１を有する冷陰極電界放出管である。実際の実施態様では、陽極３７、陰極３９、グリッド４１は円柱形である。パルサトロン管に関する更なる詳細は、１９９０年８月２１日発行の米国特許４，９５０，９６２標題「高電圧スイッチ管」に記されている。第一端子１３と第二端子１５は送電グリッド中の電力の流れの向きに沿って送電グリッド（図示せず）の中で相互接続されるのが好ましい。

図１の破線ループ１８では、第一および第二端子１３および１５上の正の電圧を仮定すると、抵抗器４２と調節可能な抵抗器４４はＢｉ−ｔｒｏｎ管２３のグリッド３１用のバイアス電圧を確立し、これは直列の電流調整器として機能する。抵抗器４２は伝導成分も同様に有することもある。Ｂｉ−ｔｒｏｎ管２３は、この回路ではＦＥＴに機能的に似ている。Ｂｉ−ｔｒｏｎ管２３からの電流は分路抵抗器４７を通って流れ、この抵抗器４７を通じて電圧が生じるようにする。この電圧は、抵抗器５０および５２から成る分圧器を通る。パルサトロン管３５のグリッド４１は抵抗器５０および５２の接合部に連結する。ＲＥＦ．１とマークされた基準電圧は、抵抗器５０の上側に適用する。第二端子１５で計る分路抵抗器４７の電圧と基準電圧ＲＥＦ．１の比率はパルサトロン管３５の伝導度を決定し、それが次にＢｉ−ｔｒｏｎ管２３の伝導を制御する。抵抗器５２の両端を接続するコンデンサ５５は、当該回路がゼロ交差点まで伝導を維持するように、抵抗器５０と共に第一の時間定数を確立する。基準電圧ＲＥＦ．１の値と分圧器５０および５２の抵抗器の値を補正することにより、異なる電流調整モードが実施できる。基準電圧ＲＥＦ．１はもう一つの回路によって供給され、この実施は当業者にとってはありふれたものとなるであろう。

高調波の抑制
高周波数の高調波は、システムの非効率につながるので送電グリッドにおいては望ましくない。公共企業は高周波数の高調波を除去するために多くの努力をしており、それらを産生するいかなる切り替え部品も、電力グリッドの応用設計には不適切である。高電圧電流調整器１０（図１）による切り替え作動における高調波量の低減は、（１）図２に示す陰極２６および２９から形成する電子銃アセンブリの長さを増加させる、および（２）Ｂｉ−ｔｒｏｎ管２３を制御するために図１のそれぞれの破線ループ１８または２０に第二の時間定数回路を含める、ことにより実施するのが好ましい。

従って、破線ループ１８内の電気回路は、抵抗器４２とコンデンサ５８によって形成されるＲＣ時間定数回路を含み、これは６０Ｈｚまたは他の電力分配グリッド回路において典型的な周波数における周波の１／８の大きさの立ち上がり時間を産生するように計算されている。代替的な時間定数回路は、Ｂｉ−ｔｒｏｎ管２３のグリッド２９と直列に、抵抗器４２の代わりに誘導子を用いる。前記の時間抵抗器−コンデンサ（ＲＣ）時間定数回路または誘導子コンデンサ（ＬＣ）時間定数回路は、上記の通り、高調波を最小限にするために望ましい遅い立ち上がり時間を備える。

抵抗器６４は、パルサトロン３５のグリッドバイアスをセットするための、調節可能な抵抗器４４を持つ調節可能な分圧器の一部である。抵抗器６４はＢｉ−ｔｒｏｎ管２３に繋がったグリッド３１のバイアスにも影響を与える。極めて細い線で示した追加された抵抗器６６も、パルサトロン管３５のバイアスグリッド４１で使うことができる。

図３は、図１における双方向冷陰極電界放出管、すなわちＢｉ−ｔｒｏｎ管２３使用の代替手段を示す。このように図３は、逆並列、すなわち逆方向の並列に接続した冷陰極電界放出電子管２４および２５を示すので、管２４の陽極はＢｉ−ｔｒｏｎ管２３の陰極２６（図１）に対応する主電流通過電極２７の電位にあり、管２５の陽極はＢｉ−ｔｒｏｎ管２３の陰極２９に対応する主電流通過電極３０の電位にある。管２４および２５はそれぞれ、図１のＢｉ−ｔｒｏｎ管２３の制御グリッド３１および２８に対応する制御グリッド３３および３４を有する。電子管２４および２５は円柱形の電子構造を有することが好ましく、上記のパルサトロン管から成るようにしてもよい。

第一および第二端子１３および１５上の電圧の極性が陰である時の高電圧電流調整器回路１０を作動させるために、破線ループ２０内の電気回路は、破線ループ１８内の前述の電気回路を補完する形で機能する。破線ループ２０内の対応する部品には対応する参照番号が付与され、最初に「１０」を追加している；それにより下側ループ２０内のパルサトロン管１１３５は上側ループ１８内のパルサトロン管３５に対応する。

電流調整回路の好ましい設計上の特徴
図１の高電圧電流調整器回路１０は以下の特徴のうち一つ以上を有するよう設計することが好ましい。
＊送電グリッド内の故障電流を制限するため、そして図７に関連して以下に説明するように送電グリッドにおける過剰電圧状態も制限するために、十分な電圧および電流操作能力を有する故障電流調整器。
＊送電グリッドの変圧器または発電機のＹ字形に接続した巻線の接地脚部に置く時に、当該巻線または発電機に障害を与えることを防ぐため双方向電流調整回路が地磁気により誘発した電流を調整するように、十分な電圧および電流能力を有すＧＩＣ防護。電流産生の回路は、ＧＩＣシグナルに典型的な極めて低い周波数（疑似直流）で機能する。
＊送電グリッドにおける電力の流れを制御するための十分な電圧および電流操作能力を有する電力の流れの制御。
＊電流調整器回路１０を回路遮断器として使用できるように、必要時に継続的なアナログ機能において、完全な伝導（１００％）から完全な遮断（すなわちゼロの電流の流れ）まで第一および第二端子１３および１５間の電流を調整する能力を有する回路遮断器。本仕様に基づくと、前記能力の実行は当業者にとってはありふれたものになるであろう。これらの能力については更に以下に述べる。

故障電流調整器。
故障電流制限は、送電グリッドにおける多くの場所で実行可能な極めて重要な技術である。これは、回路遮断器および変圧器など、このようなグリッドの個々の素子を防護するのに使用され；いわゆる「スマートグリッド」の中のアクティブな制御素子として使用され；以下に説明するように、地磁気により誘発した電流（ＧＩＣ）からの防護に使用される。

ＧＩＣ防護。
本発明の電流調整回路の使用法の一つは、電流を制限しＧＩＣによる障害から設備を防護するための故障電流調整器としての使用である。図４は、送電グリッド素子８５および８６間に接続される三相変圧器７０および８０を示すが、ここで示す当該素子は、「送電グリッド」の上記の定義で規定した素子である。変圧器７０はデルタ構成において接続される三相を持つ一次巻線７２と、Ｙ字形構成において接続される三相を持つ二次巻線７４を有する。変圧器８０は同様に、Ｙ字形構成において接続される一次巻線８２と、デルタ構成において接続される三相を持つ二次巻線８４を有する。参照番号８７は当該アースの表面と上部クラスト領域に渡るある程度確実な距離を示し、接地８８および８９はアース接地である。ＧＩＣ９０は一連の矢印によって表され、疑似直流電流を構成する。ＧＩＳについては２０１０年４月２２日付け米国特許公開番号２０１０／００９７７３４Ａ１標題「異常電磁パルスから電力システムを防護するための方法および機器」に詳述されている。

図４は、それぞれアース端子８８と８９に取り付けられた変圧器７０と８０のＹ字形に接続した巻線７４および８２のそれぞれの接地脚部に、高電圧・大電流調整器９１および９５が含まれることも示す。例えば、図１の高電圧電流調整器回路１０からそれぞれ成るかもしれない電流調整器９１および９５は、極めて低い周波数の疑似直流電流または他のＹ字形に接続した変圧器巻線の接地脚部を流れる他の直流電流であるＧＩＣを制限するよう働く。このような方法で、当該変圧器に容易に障害を与えたり、破壊し得るこのような疑似直流または直流故障電流に対して変圧器７０および８０は防護される。

図４の電流調整器９１および９５は、それぞれの高速電流分路９３および９７の抵抗９２および９６上の電圧から測定される巻線７４および８２の前記接地脚部における電流に反応して制御される。例えば、抵抗９２および９６上の電圧は、電流調整器９１および９５のＲＥＦ．１およびＲＥＦ．２の基準電圧（図１）をセットするため、図５のそれぞれの直流・交流微分器回路１００を備える。このような電圧はそれぞれ図５の直流・交流微分器回路のインプット端子１０１に送るのが好ましく、この回路は交流過渡電流が制限なく当該電流調整器を単に通過できるような方法で当該電流調整器を制御する。

抵抗９２および９６上の電圧（図４）は、それぞれの共軸接続手段９４および９８によって図５のそれぞれの回路のインプット端子１０１に送るのが好ましい。２０１０年４月２２日付け米国特許公開番号２０１０／００９７７３４Ａ１標題「異常電磁パルスから電力システムを防護するための方法および機器」に基づくと、当該高速電流分路の前記およびその他の詳細は、当分野における通常の技術の範囲内である。共軸接続手段９４および９８の使用よりも好ましくない代替手段は、インプット末端では電−光ステージと、アウトプット末端では光−電気ステージとの光ファイバーリンク（図示せず）である。

図５のそれぞれのインプット端子１０１が受け取る抵抗９２および９６の電圧は、他のアウトプットが接地１０５に接続される差動増幅器１０４の一つのインプットに応用される。変圧器の巻線７４および８２の上記の接地脚部においてＧＩＣを特徴づけるような直流または疑似直流電流が存在する場合には、それぞれの差動増幅器１０４は極めて少ないアウトプットしか産生しない。しかし、前記接地脚部において過渡交流電流が存在する場合には、差動増幅器１０４はそれぞれ鋭いスパイクを産生する。一つのインプットが差動増幅器１０４からアウトプットを受け取りもう一つのインプットがＲＥＦ．３基準電圧でアウトプットを受け取るようにするそれぞれのシュミットトリガー１０６は、前記スパイクを検出し、正常なＲＥＦ．１およびＲＥＦ．２基準電圧（図１）よりもかなり高いそれぞれのアウトプット端子１０３における電圧を作り、過渡交流電流の高い値が電流調整器９３および９７を通じて妨害なしに通過できるようにこれらの基準電圧をオーバーライドする。ＲＥＦ．１およびＲＥＦ．２基準電圧の選択を含む電流調整器９３および９７の設計は、交流通過電流が存在する場合に通過が許される電流の高い値の範囲を決定する。

シュミットトリガー１０６の他方のインプットは、基準電圧ＲＥＦ．３であり、これは電流調整器９３および９７の中を妨害なしに過渡交流電流の高い値が通れるようにするために、アウトプット端子１０３上の前述のオーバーライドアウトプット電圧をシュミットトリガー１０６が送れるようにするための閾値をセットするのに使用される。ＲＥＦ．３によってセットされる閾値が低いほど、電流調整器９３および９７の中を妨害なしに通れる過渡交流電流の範囲が大きい。

図４のＹ字形に接続された巻線７４および８２の前記接地脚部に検出される過渡交流電流がない場合には、図５のそれぞれの直流・交流微分器回路１００のアウトプット１０３からのオーバーライドなしに、それぞれの電流調整器９１および９５のＲＥＦ．１およびＲＥＦ．２基準電圧（図１）が作動する。

差動増幅器１０４およびシュミットトリガー１０６または他の閾値電圧検出器は、冷陰極電界放出管と共に、またはその他の起こり得る電圧および電流レベルで適切に作動できる電気回路と共に実行可能である。このような電圧および電流レベルは、１０ＫＶ、または２０−３０ＫＶさえ上回る範囲、１００キロアンペアを上回る範囲になり得る。直流・交流微分器回路１００の実行は、本仕様に基づくと、当業者にとってはありふれたものであろう。

図４の回路における高電圧・大電流調整器９１および９５の使用は、Ｙ字形に接続した変圧器の接地脚部における抵抗器またはコンデンサ（図示せず）の使用よりも優れている。なぜならば、抵抗器とコンデンサは故障しがちなので、燃え尽きてその結果開回路を作るヒューズのように動作するからである。ひとたび抵抗器またはコンデンサが燃え尽きて開回路を作ると、それらが位置する回路には接地がなくなり、極めて危険になる。またコンデンサは、図４の電流調整器９１および９５が安全に繰り返して操作できるよりも数桁低い定格電圧および電流によって制限されている。

電力の流れの制御
図１の高電圧・大電流調整器１０の重要な応用は、送電グリッドにおける電力の流れを制御することである。この機能は、防護機能である故障電流制限とは区別される。電力の流れの制御は、送電グリッドの送電能力を最適化するのに用いるエネルギー管理技術である。図６は、この応用の実行を示すが、全般的に図４に似ており、そのため、同じ部品には同じ参照番号を用いている。図６は電流調整器１１０、１１２、１１４の介在を示し、これら調整器はそれぞれ、変圧器７０のＹ字形に接続した巻線７４を変圧器８０のＹ字形に接続した巻線８２に相互接続するそれぞれの導体１１１、１１３、および１１５における例えば図１の高電圧・大電流調整器１０から成る。電流調整器１１０、１１２、および１１４は、送電グリッドの電圧がほぼ一定に調整されるので、そのグリッド内の電力の流れを制御することができる。従って、電流レベルの制御は電力の流れを直接制御する。電力の流れの制御に使用する時には、電流調整器１１０、１１２、および１１４は通常は継続的に電流を調整するために機能するが、過剰過渡電流を制限する目的で使用する時よりもさらに継続的に、電流を調整するために機能する。

好都合なことに、図６の回路における電流調整器１１０、１１２、および１１４は例えば送電グリッドにおける過剰電流状態を解消するためにも使うことができる。

回路遮断器
図１の高電圧・大電流調整器回路１０は、望まれる時には継続的アナログ機能において第一および第二端子１３および１５間の電流をゼロの値に調整するのに使用できるという利点がある。このように、電流調整器回路１０は回路遮断器として使用できる。

図１の高電圧・大電流調整器回路１０の他の応用は、本仕様に基づくと当業者にとっては明らかである。

電圧調整器と電流調整器の統合
例えば図７に示すように、電圧固定回路を追加することにより前述の図１の高電圧・大電流調整器回路１０の機能性を更に高めることが望ましい。これは、例えば故障過電流にはしばしば過剰電圧過渡電流が伴い、時には過剰電圧過渡電流が単独で起こるからである。このような過剰電圧過渡電流が十分な大きさであると、電気絶縁停止が起こり重大なシステム障害が起きかねない。

従って、図７は図１の電流調整器回路１０と類似する電流調整器回路１２０を示し、図７に関する記述が不必要になるよう、同様の部品を示すために図１と同じ参照番号を付けている。図７はまた、第一および第二端子１３および１５間に置く高電圧・大電流電圧固定回路１３０も示す。前述の図１のＢｉ−ｔｒｏｎ管２３と同じ説明が当てはまる双方向冷陰極電界放出電子管、すなわちＢｉ−ｔｒｏｎ管１４０は、図２のキャサノード２９に相当する最も外側の電極またはキャサノード１４１を抵抗器１４８を通して接地１４５に接続し、その中央電極またはキャサノード１４３を電流調整回路１２０に電流を供給する導体１５０に接続するのが好ましい。Ｂｉ−ｔｒｏｎ管１４０は作動閾値電圧を有する。第一の制御グリッド１４２はＢｉ−ｔｒｏｎ管１４０の外側の電極またはキャサノード１４１に繋がり、第二の制御グリッド１４４はＢｉ−ｔｒｏｎ管１４０の内側の電極またはキャサノード１４３に繋がる。これらのグリッド１４２および１４４はＢｉ−ｔｒｏｎ管１４０を通じる電流の流れの制御手段を備える。

例えば、抵抗器１４８および抵抗器１５２、１５４、１５７から成るＢｉ−ｔｒｏｎ管１４０にバイアスをかける外部回路は管１４０の作動のための作動閾値電圧をセットするのに使用される。成分値ならびに様々なバイアス電気回路の選択は、本仕様に基づくと当業者にとってはありふれたものとなるであろう。好ましいフェライトとして、第一のローパスフィルター１６０は、Ｂｉ−ｔｒｏｎ管１４０の前記作動閾値電圧より低く過渡電流を抑制するために、第一端子１３と双方向電流調整器回路１２０間に備えてもよい。フェライト製フィルターの使用には、防護された当該回路における強磁性共鳴を避けるという利点がある。

Ｂｉ−ｔｒｏｎ管１４０の前記バイアス回路は、管１４０が図７の回路で組み立てられる分路組み立てによって第一端子１３から接地まで過剰電圧から徐々に選択的に減らしていくことにより、予め決定された値での電圧固定を達成する。本仕様に基づくと、当業者にとってはＢｉ−ｔｒｏｎ管１４０の前記バイアス回路の設計はありふれたものとなるであろう。

送電グリッド中の電気の流れる方向において、電圧固定回路１３０は双方向電流調整器回路１２０より先行することが好ましい。なぜならば、電流の位相角度は電圧の位相角度よりも９０度遅れており、電流調整器回路１２０で電流を調整する前に電圧固定回路１３０で過渡電圧を固定する方が好ましいかもしれないからである。しかし、送電グリッド中の電気の流れる方向において電圧固定回路１３０は双方向電流調整器回路１２０の後に置いてもよい。

双方向電流調整器回路１２０において、以前のフィルターまたは抑制を避けたかもしれないあらゆる過渡電流を抑制するために、好ましいフェライトとして、第二のローパスフィルター１７０を使用することもできる。

図６の電圧固定回路１３０におけるＢｉ−ｔｒｏｎ管１４０を使用する代わりに、逆並列の、すなわち逆に並列した図３の冷陰極電解放出電子管２４および２５を使用することもできる。

高電圧・大電流真空集積回路半導体産業の場合のように、回路機能の集積は高電圧・大電流真空管回路に利点があると本発明者は考える。電子管回路の場合には、個別成分とは反対に集積は電気回路の機能を遮断する方法を備えるが、しばしば大きく異なる電圧および電流作動体制、ならびに全く異なる物理的発現および作動原理により、半導体集積回路とは区別される。

一つの実施態様では、例えば２０１０年８月５日付け公開番号ＵＳ２０１０／０１９５２５６Ａ１標題「異常電磁パルスから電力システムを防護するための方法および機器」の図６Ｅ、１２、および１３に示されているように、回路中で相互接続される三つの別個の管として、図１の高電圧電流調整器回路１０が実施される。対照的に、図８に示すように、好ましい実施態様では、高電圧・大電流真空集積回路（ＨＶＨＣＶＩＣ）を形成するために、長さに沿って、または図８に示すように水平方向に、円形断面の単一ステンレス鉄鋼真空筺体１８０に図１または図７の冷陰極電界放出電子管を少なくとも内蔵している。

図７に関しては、共通の真空筺体１８０（図８）に電子管１４０、２３、３５、および１１３５を置くことに加えて、例えば、筺体１８０はローパスフィルター１６０および１７０も収納する。真空筺体１８０内部で電気部品を修復することは困難なので、通常は当該筺体の中には真空耐性で信頼できる電気部品のみを収納するのが最善の方策である。この方策は、図７で示した繋げた抵抗器およびコンデンサの一部または全てが真空筺体の外に配置されるべきであることを示すこともある。

図８の真空筺体の中にある部品と図７の回路の対応は次の通りである。

図８に戻って言及すると、真空筺体１８０は、従来型の真空に密封して電気的に絶縁したフィードスルー２４１、２４３、２４５および２４７上にそれぞれ取り付けられていることが示される従来型の化学ゲッターポンプ２４０、２４２、２４４、および２４６も含む。図示していないが、ゲッターポンプ２４０、２４２、２４４および２４６は、一つ以上の内部電気バスに取り付けられており、それを次に一つ以上の従来型の真空に密封して電気的に絶縁したフィードスルーに接続するのが好ましい。化学ゲッターポンプに加えて、または化学ゲッターポンプの代わりに、真空筺体１８０の内側または外側に電気真空ポンプ（図示せず）を使用することもできる。特定の真空筺体に必要な真空ポンプの能力および数は当業者には容易に決定できる。

外部電気回路への電気接続および外部抵抗器、コンデンサ、または図７に示すようなその他の電気部品への電気接続ができるように、当該筺体中の他の電気部品から他の電気リード線を真空筺体１８０から取り出す。当該接続は、Ｂｉ−ｔｒｏｎ管２００の従来型の真空に密封し電気的に絶縁したフィードスルー２０２、２０４および２０６であり、Ｂｉ−ｔｒｏｎ管２１０の同種のフィードスルー２１２、２１４、および２１６、パルサトロン管２２０の同種のフィードスルー２２２、２２４および２２６、パルサトロン管２３０の同種のフィードスルー２３２、２３４および２３６である。代わりに、通常は厳密に真空密封して電気的に絶縁した直前に述べたフィードスルーと比較して融通性のあるリード線が望まれる場合には、真空筺体１８０中の当該電子管または他の電気部品の電極への外部接続ができるように、従来型の「フライングリード線」を用いることができる。

真空筺体１８０中の様々な電気部品は、多くの異なる方式で配置されていることがある。好ましい方法は、Ｂｉ−ｔｒｏｎ管２００とＢｉ−ｔｒｏｎ管２１０を図８で示したように互いをずらすのではなく、それぞれの縦軸に沿って揃えて並べるものである。さらに別の方法は、例えば図７の回路に示されたすべての部品よりも少ない部品を収納するために、真空筺体をそれぞれが有する複数のＨＶＨＣＶＩＣを使うことであり、これによりすべての集合回路成分の全体的な次元における融通性が増す。

図８は、真空筺体１８０から電気リード線が現れる移行領域における従来型の高真空電気フィードスルーの導体の間に電気的絶縁を備える電気埋め込み用樹脂２５０および２５２を使用する好ましいオプションを示す。このような埋め込み用樹脂は、様々なゴム、エラストマー、プラスティック、セラミックから選択できるが、最も高い温度での使用にはセラミックが好ましい。上記のように、「フライングリード線」の代替品を用いる時には埋め込み用樹脂の使用が強く好まれる。

図９は、作動中にＨＶＨＣＶＩＣ４００の中で必要な高真空を維持することを目的とする、外部真空ポンプ４０２に接続した、図８に示すようなＨＶＨＣＶＩＣ４００を示す。

図９は、排気管４０４によって製造中にＨＶＨＣＶＩＣ４００を排出することを目的とする、大型外部真空ポンプシステム４０６に接続したＨＶＨＣＶＩＣ４００も示す。排気管４０４は通常、長さの短い金属管である。排出過程の終わりに、ＨＶＨＣＶＩＣ４００および外部真空ポンプシステム４０６の両方に堅牢な真空密封を備えるために、排気管４０４をツール（図示なし）で「ピンチオフ」する。これは、本仕様に基づくと、当業者にとってはありふれたものになるであろう。

図８のＨＶＨＣＶＩＣ１９０に戻って言及すると、ピンチオフした排気管４０４は図の右下の角に示されている。

ＨＣＨＶＶＩＣで実行する複数の回路機能
上記の説明から明らかなように、共通の真空筺体内に収納した複数の電気部品は、図８のＨＶＨＣＶＩＣ１９０内の複数の回路機能を可能にする。真空筺体１８０中の電気部品から外部電気回路または電気部品までの様々な電気接続は、単一の多重管ＨＶＨＣＶＩＣが、外部電気部品を変えるだけで、異なる要件に対処することを可能にする。

通常、図８の真空筺体１８０は以下に詳細に説明する内部磁気シールド材２６０、２６２、２６４、および２６６やＢｉ−ｔｒｏｎ管２００の電気接地支持体２７５などの、様々な電気的に絶縁した機械支持構造も含む。真空伝導性を向上させ真空筺体１８０内の圧力を均等化することを目的として、接地支持体２７５には通常は通気口（図示なし）を備える。
通常、筺体１８０は真空筺体１８０のみの中に、円柱形絶縁体２７０などの多くのセラミック絶縁体も含む。図８は、図示を明確にするために、様々な電気的絶縁をする機械支持構造およびセラミック絶縁体を省略している。このような支持構造および絶縁体の使用は、当業者にとってはありふれたものになるであろう。

高電圧・大電流真空集積回路の有益性
複数の冷陰極電界放出電子管および好ましくは共通の真空筺体１８０の他の電気部品をＨＶＨＣＶＩＣ１９０の中に組み入れることにより、当該筺体に収納する電気回路の設置は簡素化し、設置に要するスペースも少なくなる。これは設置費用を軽減させ、当該ＨＶＨＣＶＩＣの停止期間の平均時間を短縮させることによりシステムの信頼性を高める。

同じ真空筺体の中で複数の回路機能を実行することにより、当該ＨＶＨＣＶＩＣは半導体回路と幾分類似するものとなる。しかし、ＨＶＨＣＶＩＣに対する刺激は半導体集積回路（ＩＣ）に対する刺激とは大きく異なる。半導体ＩＣにおいては集積の主な理由は回路密度を増加させることである。ＶＩＣにおいては主な刺激は信頼性を高め、システムへの設置を簡素化することである。ＨＶＨＣＶＩＣは主に、半導体は作動できない電界である高電圧・大電流の高電力電子回路で使うように作られている。同様に、ＨＶＨＣＶＩＣの製造は４００ボルトより低い電圧では実用的でない。４００ボルトより低い場合は半導体装置の方が実用的である。４００ボルトをかなり超えると、回路の電圧および電流の必要条件が増大するので、半導体の有用性は次第に失われる。２６，０００ボルトになると、それに対応できる半導体装置はまったく知られていない。対照的に、ＨＶＨＣＶＩＣ中の冷陰極電界放出電子管は１２０万ボルトまたはそれ以上の電圧を含むかなり高い電圧で、また同時に数百から数千メガアンペアの電流での作動を達成できる。さらに、電子管の極めて高いアーク抵抗および優位な熱性能が、ＨＣＨＣＶＩＣへの集積には、電子管が適切なものとなる。

上述した通り、特許請求をする本発明は、異なる反応モードを持つ異なる外部条件に反応することによって、複雑は回路機能を実行する。

磁気シールドに関する定義
内部磁気シールドおよび外部磁気シールドに関する以下の二つの項では、この文書中では下記に掲げる意味を持つ以下に続く様々な用語を使用している。
「磁気シールド材」とは、（１）完全に磁気シールド金属のみから形成する、または（２）電気的に絶縁したセラミックなどの非磁性材料のような磁気シールド金属と非磁性材料の混合物として形成するか、そのいずれかで形成された磁気シールド材料を含む構造を意味する。高電圧からのアーク放電を防ぐために、磁気シールド材は電気的に絶縁した材料で覆ってもよい。
「磁気絶縁体」は、上記の「磁気シールド材」の定義において定義された「磁気シールド材」と同じ意味で使われる。
「電気絶縁体」とは、電気的に絶縁するセラミックなどの誘電材料を意味する。
「電気および磁気絶縁体」は上記で定義された「電気絶縁体」と「磁気絶縁体」の組み合わせを意味する。
「磁気的に絶縁する」および「電気的に絶縁する」など前記の用語の変化形は前記定義と同様の意味を有する。
本文書では、「真空グレード」は、ガス放出の特性を示さない材料を意味しており、すなわち、その特性とは、圧力および温度の低減がある場合または圧力および温度両方の低減がある場合に、このような材料の原子または分子構造内にある格子間からガスが放出されるという特性のことである。
「薄い」磁気材料は、その表面面積の絶対値がその厚さの絶対値よりも相当大きい材料として本文書では定義する。

外部磁気シールド
ＨＶＨＣＶＩＣの設計において、当該ＨＶＨＣＶＩＣ内の電気部品の性能に、いかなる外部磁場をも悪影響を与えないように、外部磁場が与える悪影響について考慮すべきである。その関係において、真空筺体１８０（図８）は高透過性の磁気シールド金属（図示せず）から形成してもよく、そのような材料のライナー（図示せず）を金属真空筺体１８０と、筺体１８０のすぐ内側のセラミック絶縁体２７０の間に置くことができる。磁気シールドを向上させるためには、高透過性および低透過性の磁気シールド金属を交互に重ねる複数の層（図示せず）にして使うことができる；また、更なる磁気シールドの向上には、電気的および磁気的に絶縁する誘電性の材料（図示なし）を前記の交互の層の間に置くこともできる。磁気シールドの向上は、例えば同じ透過性を有する材料層の間に前記の種類の誘導性材料を置くことによっても達成される。外部磁場からのＨＶＨＣＶＩＣ内の電気部品のシールドを備えるためのあらゆる前記技術およびその他技術の選択は、本仕様に基づくと、当業者にとってはありふれたものになるであろう。

内部磁気シールド
例えば、図８のＨＶＨＣＶＩＣ１９０の設計において考慮すべきことは、互いに比較的近くにあるかもしれない、共通の真空筺体１８０内の電気部品が生み出す磁場が、このような筺体内にある他の電気部品の作動に悪影響を及ぼすか否かである。例えば、強い磁場源が以下に掲げる状況から起こるかもしれない。
＊真空筺体１８０（図８）内の電子管は、当該電子管の電極間スペースを通る間に強い磁場を作る高エネルギー電子ビームを通常有するかもしれない。このような磁場が十分な強さならば、筺体１８０内の隣接する電子管中の電子ビームの軌道および全体的な対称性を、このような磁場は歪める可能性がある。
＊真空筺体１８０内のローパスフィルター１９３および１９５がフェライトの種類の場合は、このようなフィルターは、状況によっては、当該筺体内の隣接する電子管中にある電子ビームの軌道および全体的な対称性を歪める可能性がある相当な磁場も生み出し得る。

真空筺体１８０の中の悪影響が出るほど高い磁場に関する前記の問題に対処するためには、一つ以上の他の成分から真空筺体１８０内の電気部品を分離するために、磁気シールド材２６０、２６２、２６４、および２６６を使用することができる。２６０、２６２、２６４、および２６６などの磁気シールド材の数、形状、および構成は、望まれるＨＶＨＣＶＩＣの具体的な構造に依存し、特に内部磁場を生み出す成分と、内部磁場によって作動が悪影響を受けるかもしれない内部電子管または他の成分との間隔に関する相互関係に依存する。

冷陰極電界放出管２００、２１０、２２０、および２３０と共に共通の真空筺体１８０（図８）内に磁気シールド金属を含む磁気シールド材を置くと、高電圧で作動する構成が可能であるが、潜在的に内部電気アーク放電や部品の故障など望ましくない問題が起こる可能性がある。従って、電気的に絶縁するセラミックまたは適切な誘電上の強度および厚さを持つ他の耐火性材料などの電気絶縁体の中に当該磁気シールド材を封入することにより、それらを電気的に絶縁することが望ましい。「内部磁気シールド」と題する本項の残りの説明を簡素化するために、「セラミック」に言及する場合は、「セラミック」とセラミックの代替物を意味するものとする。

従って、図１０は、好ましくは、溶接とアニーリングによって位置２８６および２８８で互いに接合しその後電気的に絶縁したセラミック２９０によって封入した、垂直に延びる高透過性磁気シールド金属２８２と管状の高透過性磁気シールド金属２８４を有する、磁気シールド材２８０の一部を示す。好ましくは、位置２８６および２８８のそれぞれにおいて、セラミック２９０は電界集中によるストレスを低減させる目的のフィレットとして形成される。

その結果生まれる中が空洞の磁気的にシールドした管２９５は、真空筺体１８０（図８）中に通気と圧力の均等化をもたらし、好ましくは最適の真空ポンプのための化学ゲッター真空ポンプの近くに配置する。磁気的にシールドした管２９５は好ましくは長さに対する内径の比として定義されるアスペクト比が４対１かそれ以上にする。このアスペクト比は、管状構造中の開口部の周りにおける磁力線の流れ方によって生じる。この比率を維持することにより、当該管が通る当該シールド壁の磁気シールドの特性が維持される。図８に示すような真空筺体１８０内の均一な真空状態を確保するためには一つ以上の磁気的にシールドした管２９５が必要であるが、簡素化のために図８にはそれらは示していない。

磁気シールド金属２８２よび２８４はすべて金属が好ましいが、その代わりに高密度で細かく分割した磁気シールド金属と電気的に絶縁するセラミックを混ぜて形成し、望ましい形に作り上げ、電気的に絶縁するセラミック２９０の中に封入し、その後当該セラミックを焼結し固くするために燃やしたものでもよい。最初の細かく分割した当該セラミック粒子および当該封入セラミックは、熱膨張のミスマッチを最小限にするために同じ化学組成を有することが好ましい。上記すべてのセラミックによる封入のシナリオでは、当該外側のセラミックおよび、オプションとしてのあらゆる内側の合成セラミックおよび磁気材料の燃焼は、その完全なシールドの可能性を向上させるために、当該磁気シールド金属のアニーリングという追加機能を果たすことが好ましい。

「外部磁気シールド」と題する前項における、外部磁気シールド材に関する前記説明には、磁気シールドのための高透過性磁気シールド金属の単一層を用いた変型例が含まれる。このような変型例は内部磁気シールド材にも同様に当てはまるので、図１０の高透過性磁気シールド金属２８２および２８４は、例えば、高透過性および低透過性磁気シールド金属を交互に重ねた層に置き換えることができる。適切な磁気シールド金属の選択は、本仕様に基づくと、当業者にはありふれたものになるであろう。

図１１は図８の金属シールド２６６をより明確に示したものであり、Ｖ字形断面を有し、上記の通り図１１の磁気シールド材２８０に類似する、純粋または混合磁気金属などの磁気シールド金属２６８上に電気的に絶縁したセラミック２６７などの電気絶縁体でもよい。好ましくは、真空筺体１８０がステンレス鉄鋼または他の導電性金属の時は、磁気シールド金属２６８は溶接によって当該真空筺体に取り付け、また図８に示すように、隣接する磁気シールド材２６２および２６４の磁気シールド材にも取り付ける。同様に図８では、金属クロスハッチングで示した磁気シールド材２６０、２６２、２６４の内側磁気シールド材は、真空筺体１８０がステンレス鉄鋼または他の導電性金属の場合、当該真空筺体に溶接される。

Ｂｉ−ｔｒｏｎ管２１０とパルサトロン管２２０および２３０は簡単な丸印で示し、他の多くの構造は明確化のために省略する。従って、図８および図１０では、Ｂｉ−ｔｒｏｎ管２００および２１０、パルサトロン管２２０および２３０、ローパスフィルター１９３および１９５は、電気的および磁気的に絶縁して繋がったシールド２６０、２６２、２６４、および２６６によって互いに分離されていることが示され、それぞれが内部で電気的および磁気的に絶縁したそれぞれの区画の中にあると考えてもよい。言うまでもなく、一つの成分の磁場がその他の成分の作動に悪影響を与えない状況ならば、同一の内部で電気的および磁気的に絶縁した区画または電気的に絶縁した区画内に、複数の内部電気部品が存在することができる。

一つまたは複数の電子管を含む真空筺体１８０（図８）の区画または領域の何れにも化学ゲッター真空ポンプを有することが望ましい。これは導電を最大限にし、それ故に、このような電子管の見地からすると、化学ゲッターポンプの効率をも最大限にする。成分間のシールドまたは分離器の電気および磁気絶縁特性を損なうことなしに達成できるのであれば、成分間の真空導電の均等化が向上された電気的および磁気的に絶縁した管２９５（図１０）を備えることによりゲッターポンプの数を最小限にすることが可能である。

図８で現在示しているように、ローパスフィルター１９３および１９５は、磁気シールド材２６０、２６２、２６４によって、図８のＨＶＨＣＶＩＣ１９０の真空筺体１８０内の他の電気部品からシールドされる。ローパスフィルター１９３および１９５を磁気的にシールドする代替または追加の方法を図１２に関連して以下に説明する。

図１２は結合した低域通過２００の好ましい構築を示す。フェライト製のフィルタースリーブ３０３は導体３０５上に置き、バイパスコンデンサの内側のプレートを形成すると共に、高周波数シグナルの遮断機能も備える。外側の管状電極３０７は、バイパスコンデンサの外側のプレートを形成する。それぞれのローパスフィルター３００は、図７の各ローパスフィルター１６０および１７０のため、上記のフィルタリングを備える。図７のローパスフィルター１６０および１７０を実行する図８に示したローパスフィルター１９３および１９５の近くに、追加または代替のＲＦフィルター成分（図示せず）を、それぞれ組み入れてもよい。

低通過フィルター３００は接地スポーク３０９を含む。図示していないが、好ましくはローパスフィルター３００のために電気接地および機械的支持の両方を好都合に備えるような方法で、真空筺体１８０（図８）または他の接地した構造に接地スポーク３０９を取り付けることができる。

ローパスフィルター１９３および１９５（図８）を磁気的にシールドする代替または追加の方法に関しては、外側の管状電極３０７は、ｍｕ金属などの磁気シールド金属から形成できる。このような実施態様では、ローパスフィルター３００は、ローパスフィルター１９３および１９５によって生成された磁場から真空筺体１８０（図８）内の他の電気部品を磁気的にシールドするために動作する。この関係において、外側の管状電極３０７の左右に示した末端はそれぞれフェライトのフィルタースリーブ３０３を超えて延び、外側の管状電極３０７の中からの磁場放出角度を制限する。

内部磁気シールド材の更なる利点図８の磁気シールド材２６０、２６２、２６４は、電気および磁気絶縁を施すだけでなく、様々な内部電気部品に重要な機械的支持を施す。例えば、２１２および２１４などの電気的に絶縁した様々なフィードスルーは、２６０、２６２、２６４などの電気的に絶縁した様々な磁気シールド材を通り抜け、このようなシールド材によって機械的に支持されるという利点がある。

以下は本仕様および図で用いられている参照番号と関連部品のリストである。
参照番号部品
１０高電圧電流調整器回路
１３第一端子
１５第二端子
１８破線ループ
２０破線ループ
２３双方向冷陰極電界放出テトロード管／Ｂｉ−ｔｒｏｎ管
２４冷陰極電界放出電子管
２５冷陰極電界放出電子管
２６キャサノード
２７電流通過用主電極
２８グリッド
２９キャサノード
３０電流通過用主電極
３１グリッド
３３グリッド
３４グリッド
３５および１０３５高電圧電子管／パルサトロン管
３７および１０３７陽極
３９および１０３９陰極
４２および１０４２抵抗器
４４および１０４４調節可能抵抗器
４７分路抵抗器
５０および１０５０抵抗器
５２および１０５２抵抗器
５５および１０５５コンデンサ
５８および１０５８コンデンサ
６４および１０６４抵抗器
６６および１０６６抵抗器
７０三相変圧器
７２一次巻線
７４二次巻線
８０三相変圧器
８２二次巻線
８４一次巻線
８７アース
８８アース接地
８９アース接地
９０地磁気誘導電流
９１電流調整器
９２抵抗
９３高速電流分路
９４共軸ケーブル接続
９５電流調整器
９６抵抗
９７高速電流分路
９８共軸ケーブル接続
１００直流・交流微分器回路
１０１インプット端子
１０３アウトプット端子
１０４差動増幅器
１０５接地
１０６シュミットトリガー
１１０電流調整器
１１１導体
１１２電流調整器
１１３導体
１１４電流調整器
１１５導体
１２０電流調整器回路
１３０高電圧・大電流電圧固定回路
１４０双方向冷陰極電界放出電子管、すなわちＢｉ−ｔｒｏｎ管
１４１最も外側の電極またはキャサノード
１４２第一制御グリッド
１４３中央電極またはキャサノード
１４４第二グリッド
１４５接地
１４８抵抗器
１５０導体
１５２抵抗器
１５４抵抗器
１５７抵抗器
１６０第一ローパスフィルター
１７０第二ローパスフィルター
１８０真空筺体
１９０高電圧・大電流真空集積回路
１９３ローパスフィルター
１９５ローパスフィルター
２００冷陰極電界放出電子管、すなわちＢｉ−ｔｒｏｎ管
２０２電気的に絶縁したフィードスルー
２０４電気的に絶縁したフィードスルー
２０６電気的に絶縁したフィードスルー
２１０冷陰極電界放出電子管、すなわちＢｉ−ｔｒｏｎ管
２１２電気的に絶縁したフィードスルー
２１４電気的に絶縁したフィードスルー
２１６電気的に絶縁したフィードスルー
２２０冷陰極電界放出電子管、すなわちパルサトロン
２２２電気的に絶縁したフィードスルー
２２４電気的に絶縁したフィードスルー
２２６電気的に絶縁したフィードスルー
２３０冷陰極電界放出電子管、すなわちパルサトロン
２３２電気的に絶縁したフィードスルー
２３４電気的に絶縁したフィードスルー
２３６電気的に絶縁したフィードスルー
２４０化学ゲッターポンプ
２４１電気的に絶縁したフィードスルー
２４２化学ゲッターポンプ
２４３電気的に絶縁したフィードスルー
２４４化学ゲッターポンプ
２４５電気的に絶縁したフィードスルー
２４６化学ゲッターポンプ
２４７電気的に絶縁したフィードスルー
２５０埋め込み用樹脂
２５２埋め込み用樹脂
２６０磁気シールド材
２６２磁気シールド材
２６４磁気シールド材
２６６磁気シールド材
２６７セラミック
２６８高透過性磁気シールド金属
２７０セラミック絶縁体
２７５接地支持体
２８０磁気シールド材
２８２高透過性磁気シールド金属
２８４高透過性磁気シールド金属
２８６位置
２８８位置
２９０セラミック
２９５磁気的にシールドした管
３００ローパスフィルター
３０３フェライトのフィルタースリーブ
３０５導体
３０７外側管状電極
３０９接地スポーク
４００真空集積回路
４０２外部真空ポンプ
４０４排気管
４０５ピンチオフした排気管
４０６排気真空ポンプシステム
４０８ピンチオフの位置

図示によって本発明の特定の実施態様を説明してきたが、当業者に対して、多くの改良および変更を生じさせることになるだろう。例えば、本発明の上述した高電圧・大電流調整器および電圧固定器は主に交流回路で作動するように作られているが、直流回路および疑似直流回路でも同等に有効に機能する。さらに、本文書に説明した様々な電子管には図２に示した形状に類似する、または同じ円柱形の電極形状が好ましいが、例えば、平面、弓状、または球状などの他の形状を有する電子管を使用してもよい。従って、本発明の真の範囲および精神に該当するかかる改良および変更のすべてを、当該請求項が網羅しようとしていることは理解されるべきである。

本発明は、高電圧・大電流真空集積回路に関する。

従来、複数の冷陰極電界放出電子管を備えるシステムは、冷陰極電界放出電子管を別々の真空筐体に収容して作成されていた。そのため、冷陰極電界放出電子管の収容にかかるコストの低減や、そのような冷陰極電界放出チューブを取り入れているシステムの信頼性を増やすことが求められている。

好ましい実施態様においては、高電圧・大電流真空集積回路は、共通の真空環境を持つ共通の真空筺体から成る。当該真空筺体は（１）少なくとも一つの内部真空ポンプ手段；（２）当該真空筺体を空にしてその後当該真空筺体を密封し少なくとも一つの外部真空ポンプから分離するための少なくとも一つの排気管；（３）当該真空筺体から導電体を電気的に絶縁し当該真空密封を維持しながら、当該真空筺体の外側から当該筺体の内側まで当該導電体を通す真空密封し電気的に絶縁したフィードスルー；（４）内部電気短絡を防ぐための内部電気絶縁、を含む；（５）各々の真空環境が前記した真空筺体の一部を成す少なくとも二つの冷陰極電界放出電子管が、高電圧および大電流で作動するように組み立てられ、回路機能実行のためにそれらを相互連結する。

高電圧・大電流真空集積回路
半導体産業の場合のように、回路機能の集積は高電圧・大電流真空管回路に利点があると本発明者は考える。電子管回路の場合には、個別成分とは反対に集積は電気回路の機能を遮断する方法を備えるが、しばしば大きく異なる電圧および電流作動体制、ならびに全く異なる物理的発現および作動原理により、半導体集積回路とは区別される。

一つの実施態様では、例えば２０１０年８月５日付け公開番号ＵＳ２０１０／０１９５２５６Ａ１：標題「異常電磁パルスから電力システムを防護するための方法および機器」（現在は米国特許第８３００３７８であり、２０１２年４月５日に公報が発行された（以下、公開された特許と出願ともいう：表題「高電圧電流調整器」）の図６Ｅ、１２、および１３に示されているように、図１の高電圧電流調整器回路１０が、回路中で相互接続される三つの別個の管として、実現されている。
対照的に、図８に示すように、好ましい実施態様では、高電圧・大電流真空集積回路（ＨＶＨＣＶＩＣ）を形成するために、長さに沿って、または図８に示すように水平方向に、円形断面の単一ステンレス鉄鋼真空筺体１８０に、公開された特許出願の図１または図７の冷陰極電界放出電子管を少なくとも内蔵している。

公開された特許出願の図７に関しては、共通の真空筺体１８０（図８）に電子管１４０、２３、３５、および１１３５を置くことに加えて、例えば、筺体１８０はローパスフィルター１６０および１７０も収納する。真空筺体１８０内部で電気部品を修復することは困難なので、通常は当該筺体の中には真空耐性で信頼できる電気部品のみを収納するのが最善の方策である。この方策は、公開された特許出願の図７で示した繋げた抵抗器およびコンデンサの一部または全てが真空筺体の外に配置されるべきであることを示すこともある。

図８の真空筺体の中にある部品と、公開された特許出願の図７の回路の対応は次の通りである。

図２は、Ｂｉ−ｔｒｏｎ管２３を示している。Ｂｉ−ｔｒｏｎ管２３は、陰極と陽極として交互に機能する電流通過用主導体を意味する内部「キャサノード」２６を有している。
キャサノード２６は、図２に示すように、円柱形状を成す中実の円柱である。円柱形状の第２カソード２９は、キャサノード２６を囲むように設けられており、キャサノード２６と共に、共通の軸線（図示せず）に沿って設けられている。
円筒状のグリッド２８は、キャサノード２６を囲むように設けられており、キャサノード２６に隣接すると共に接続されている。
円柱形状のグリッド３１はキャサノード２９に囲まれており、キャサノード２９に隣接すると共に接続されている。
Ｂｉ−ｔｒｏｎ管の詳細については、２０１０年８月５日付け公開番号ＵＳ２０１０／０１９５２６６Ａ１標題「誘電セラミックおよび積層セラミックコンデンサ」に開示されている。
パルサトロン管は、陽極と、陰極と、陰極に隣接すると共に接続されたグリッドを有する冷陰極電界放出管である。
実際の実施態様では、陽極、陰極、グリッドは円柱形状を成している。パルサトロン管の詳細については、１９９０年８月２１日発行の米国特許４，９５０，９６２標題「高電圧スイッチ管」に記されている。
図８に戻って言及すると、真空筺体１８０は、従来型の真空に密封して電気的に絶縁したフィードスルー２４１、２４３、２４５および２４７上にそれぞれ取り付けられていることが示される従来型の化学ゲッターポンプ２４０、２４２、２４４、および２４６も含む。図示していないが、ゲッターポンプ２４０、２４２、２４４および２４６は、一つ以上の内部電気バスに取り付けられており、それを次に一つ以上の従来型の真空に密封して電気的に絶縁したフィードスルーに接続するのが好ましい。化学ゲッターポンプに加えて、または化学ゲッターポンプの代わりに、真空筺体１８０の内側または外側に電気真空ポンプ（図示せず）を使用することもできる。特定の真空筺体に必要な真空ポンプの能力および数は当業者には容易に決定できる。

外部電気回路への電気接続および外部抵抗器、コンデンサ、または公開された特許出願の図７に示すようなその他の電気部品への電気接続ができるように、当該筺体中の他の電気部品から他の電気リード線を真空筺体１８０から取り出す。当該接続は、Ｂｉ−ｔｒｏｎ管２００の従来型の真空に密封し電気的に絶縁したフィードスルー２０２、２０４および２０６であり、Ｂｉ−ｔｒｏｎ管２１０の同種のフィードスルー２１２、２１４、および２１６、パルサトロン管２２０の同種のフィードスルー２２２、２２４および２２６、パルサトロン管２３０の同種のフィードスルー２３２、２３４および２３６である。代わりに、通常は厳密に真空密封して電気的に絶縁した直前に述べたフィードスルーと比較して融通性のあるリード線が望まれる場合には、真空筺体１８０中の当該電子管または他の電気部品の電極への外部接続ができるように、従来型の「フライングリード線」を用いることができる。

真空筺体１８０中の様々な電気部品は、多くの異なる方式で配置されていることがある。好ましい方法は、Ｂｉ−ｔｒｏｎ管２００とＢｉ−ｔｒｏｎ管２１０を図８で示したように互いをずらすのではなく、それぞれの縦軸に沿って揃えて並べるものである。さらに別の方法は、例えば公開された特許出願の図７の回路に示されたすべての部品よりも少ない部品を収納するために、真空筺体をそれぞれが有する複数のＨＶＨＣＶＩＣを使うことであり、これによりすべての集合回路成分の全体的な次元における融通性が増す。

高電圧・大電流真空集積回路の有益性
複数の冷陰極電界放出電子管、および好ましくは他の電気部品を、ＨＶＨＣＶＩＣ１９０内の共通の真空筺体１８０に組み入れることにより、当該筺体に収納する電気回路の設置は簡素化し、設置に要するスペースも少なくなる。これは設置費用を軽減させ、当該ＨＶＨＣＶＩＣの停止期間の平均時間を短縮させることによりシステムの信頼性を高める。

同じ真空筺体の中で複数の回路機能を実行することにより、当該ＨＶＨＣＶＩＣは半導体回路と幾分類似するものとなる。しかし、ＨＶＨＣＶＩＣに対する刺激は半導体集積回路（ＩＣ）に対する刺激とは大きく異なる。半導体ＩＣにおいては集積の主な理由は回路密度を増加させることである。ＶＩＣにおいては主な刺激は信頼性を高め、システムへの設置を簡素化することである。ＨＶＨＣＶＩＣは主に、半導体は作動できない電界である高電圧・大電流の高電力電子回路で使うように作られている。同様に、ＨＶＨＣＶＩＣの製造は４００ボルトより低い電圧では実用的でない。４００ボルトより低い場合は半導体装置の方が実用的である。４００ボルトをかなり超えると、回路の電圧および電流の必要条件が増大するので、半導体の有用性は次第に失われる。２６，０００ボルトになると、それに対応できる半導体装置はまったく知られていない。対照的に、ＨＶＨＣＶＩＣ中の冷陰極電界放出電子管は１２０万ボルトまたはそれ以上の電圧を含むかなり高い電圧で、また同時に数百から数千メガアンペアの電流での作動できる。さらに、電子管の極めて高いアーク抵抗および優位な熱性能が、ＨＣＨＣＶＩＣへの集積には、電子管が適切なものとなる。

図１２は結合したローパスフィルター２００の好ましい構築を示す。フェライト製のフィルタースリーブ３０３は導体３０５上に置き、バイパスコンデンサの内側のプレートを形成すると共に、高周波数シグナルの遮断機能も備える。外側の管状電極３０７は、バイパスコンデンサの外側のプレートを形成する。それぞれのローパスフィルター３００は、公開された特許出願の図７の各ローパスフィルター１６０および１７０のため、上記のフィルタリングを備える。公開された特許出願の図７のローパスフィルター１６０および１７０を実行する図８に示したローパスフィルター１９３および１９５の近くに、追加または代替のＲＦフィルター成分（図示せず）を、それぞれ組み入れてもよい。

本発明は、高電圧・大電流真空集積回路に関する。

図１は、内部の部品を前面に示すように変更した、高電圧・大電流真空集積回路の中心軸に沿った簡素化した縦断面図である。図２は、図１の電流調整器に使用可能な双方向冷陰極電界放出テトロード管、すなわちＢｉ−ｔｒｏｎ管の簡単な全体図であり、部分的に断面図を示す。図３は、ＨＶＨＣＶＩＣおよび様々な外部真空ポンプのブロック図である。図４は、磁気シールド材の一部の横断面図であり、当該シールドの両側の真空を均等化するための貫通がある。図５は、図１で図４、図４と示された矢印方向で見た簡素化した拡大断面図である。図６は、図１の高電圧・大電流真空集積回路において使用可能な集積コンデンサを備えたフェライトローパスフィルターの、一部を断面で示した全体図である。

以下の定義は本文書で使用する用語に関するものである。
定義
「大電流」は本文書では５０アンペアより大きい電流を意味する。
「高電圧」は本文書では交流４００ボルトより高い電圧を意味する。

公開された特許文献の図１に関しては、例えば２０１０年８月５日付け公開番号ＵＳ２０１０／０１９５２５６Ａ１：標題「異常電磁パルスから電力システムを防護するための方法および機器」（現在は米国特許第８３００３７８であり、２０１２年４月５日に公報が発行された（以下、公開された特許と出願ともいう：表題「高電圧電流調整器」）の図６Ｅ、１２、および１３に示されているように、図１の高電圧電流調整器回路１０が、回路中で相互接続される三つの別個の管として、実現されている。
対照的に、図１に示すように、好ましい実施態様では、高電圧・大電流真空集積回路（ＨＶＨＣＶＩＣ）を形成するために、長さに沿って、または図１に示すように水平方向に、円形断面の単一ステンレス鉄鋼真空筺体１８０に、公開された特許出願の図１または図７の冷陰極電界放出電子管を少なくとも内蔵している。

公開された特許出願の図７に関しては、共通の真空筺体１８０（図１）に電子管１４０、２３、３５、および１１３５を置くことに加えて、例えば、筺体１８０はローパスフィルター１６０および１７０も収納する。真空筺体１８０内部で電気部品を修復することは困難なので、通常は当該筺体の中には真空耐性で信頼できる電気部品のみを収納するのが最善の方策である。この方策は、公開された特許出願の図７で示した繋げた抵抗器およびコンデンサの一部または全てが真空筺体の外に配置されるべきであることを示すこともある。

図１の真空筺体の中にある部品と、公開された特許出願の図７の回路の対応は次の通りである。

図２は、Ｂｉ−ｔｒｏｎ管２３を示している。Ｂｉ−ｔｒｏｎ管２３は、陰極と陽極として交互に機能する電流通過用主導体を意味する内部「キャサノード」２６を有している。
キャサノード２６は、図２に示すように、円柱形状を成す中実の円柱である。円柱形状の第２カソード２９は、キャサノード２６を囲むように設けられており、キャサノード２６と共に、共通の軸線（図示せず）に沿って設けられている。
円筒状のグリッド２８は、キャサノード２６を囲むように設けられており、キャサノード２６に隣接すると共に接続されている。
円柱形状のグリッド３１はキャサノード２９に囲まれており、キャサノード２９に隣接すると共に接続されている。
Ｂｉ−ｔｒｏｎ管の詳細については、２０１０年８月５日付け公開番号ＵＳ２０１０／０１９５２５６Ａ１標題「異常電磁パルスから電力システムを保護するための方法および機器」（現在は米国特許第８３００３７８Ｂ２）に開示されている。
パルサトロン管は、陽極と、陰極と、陰極に隣接すると共に接続されたグリッドを有する冷陰極電界放出管である。
実際の実施態様では、陽極、陰極、グリッドは円柱形状を成している。パルサトロン管の詳細については、１９９０年８月２１日発行の米国特許４，９５０，９６２標題「高電圧スイッチ管」に記されている。
図１に戻って言及すると、真空筺体１８０は、従来型の真空に密封して電気的に絶縁したフィードスルー２４１、２４３、２４５および２４７上にそれぞれ取り付けられていることが示される従来型の化学ゲッターポンプ２４０、２４２、２４４、および２４６も含む。図示していないが、ゲッターポンプ２４０、２４２、２４４および２４６は、一つ以上の内部電気バスに取り付けられており、それを次に一つ以上の従来型の真空に密封して電気的に絶縁したフィードスルーに接続するのが好ましい。化学ゲッターポンプに加えて、または化学ゲッターポンプの代わりに、真空筺体１８０の内側または外側に電気真空ポンプ（図示せず）を使用することもできる。特定の真空筺体に必要な真空ポンプの能力および数は当業者には容易に決定できる。

真空筺体１８０中の様々な電気部品は、多くの異なる方式で配置されていることがある。好ましい方法は、Ｂｉ−ｔｒｏｎ管２００とＢｉ−ｔｒｏｎ管２１０を図１で示したように互いをずらすのではなく、それぞれの縦軸に沿って揃えて並べるものである。さらに別の方法は、例えば公開された特許出願の図７の回路に示されたすべての部品よりも少ない部品を収納するために、真空筺体をそれぞれが有する複数のＨＶＨＣＶＩＣを使うことであり、これによりすべての集合回路成分の全体的な次元における融通性が増す。

図１は、真空筺体１８０から電気リード線が現れる移行領域における従来型の高真空電気フィードスルーの導体の間に電気的絶縁を備える電気埋め込み用樹脂２５０および２５２を使用する好ましいオプションを示す。このような埋め込み用樹脂は、様々なゴム、エラストマー、プラスティック、セラミックから選択できるが、最も高い温度での使用にはセラミックが好ましい。上記のように、「フライングリード線」の代替品を用いる時には埋め込み用樹脂の使用が強く好まれる。

図３は、作動中にＨＶＨＣＶＩＣ４００の中で必要な高真空を維持することを目的とする、外部真空ポンプ４０２に接続した、図１に示すようなＨＶＨＣＶＩＣ４００を示す。

図３は、排気管４０４によって製造中にＨＶＨＣＶＩＣ４００を排出することを目的とする、大型外部真空ポンプシステム４０６に接続したＨＶＨＣＶＩＣ４００も示す。排気管４０４は通常、長さの短い金属管である。排出過程の終わりに、ＨＶＨＣＶＩＣ４００および外部真空ポンプシステム４０６の両方に堅牢な真空密封を備えるために、排気管４０４をツール（図示なし）で「ピンチオフ」する。これは、本仕様に基づくと、当業者にとってはありふれたものになるであろう。

図１のＨＶＨＣＶＩＣ１９０に戻って言及すると、ピンチオフした排気管４０４は図の右下の角に示されている。

ＨＣＨＶＶＩＣで実行する複数の回路機能
上記の説明から明らかなように、共通の真空筺体内に収納した複数の電気部品は、図１のＨＶＨＣＶＩＣ１９０内の複数の回路機能を可能にする。真空筺体１８０中の電気部品から外部電気回路または電気部品までの様々な電気接続は、単一の多重管ＨＶＨＣＶＩＣが、外部電気部品を変えるだけで、異なる要件に対処することを可能にする。

通常、図１の真空筺体１８０は以下に詳細に説明する内部磁気シールド材２６０、２６２、２６４、および２６６やＢｉ−ｔｒｏｎ管２００の電気接地支持体２７５などの、様々な電気的に絶縁した機械支持構造も含む。真空伝導性を向上させ真空筺体１８０内の圧力を均等化することを目的として、接地支持体２７５には通常は通気口（図示なし）を備える。
通常、筺体１８０は真空筺体１８０のみの中に、円柱形絶縁体２７０などの多くのセラミック絶縁体も含む。図１は、図示を明確にするために、様々な電気的絶縁をする機械支持構造およびセラミック絶縁体を省略している。このような支持構造および絶縁体の使用は、当業者にとってはありふれたものになるであろう。

外部磁気シールド
ＨＶＨＣＶＩＣの設計において、当該ＨＶＨＣＶＩＣ内の電気部品の性能に、いかなる外部磁場をも悪影響を与えないように、外部磁場が与える悪影響について考慮すべきである。その関係において、真空筺体１８０（図１）は高透過性の磁気シールド金属（図示せず）から形成してもよく、そのような材料のライナー（図示せず）を金属真空筺体１８０と、筺体１８０のすぐ内側のセラミック絶縁体２７０の間に置くことができる。磁気シールドを向上させるためには、高透過性および低透過性の磁気シールド金属を交互に重ねる複数の層（図示せず）にして使うことができる；また、更なる磁気シールドの向上には、電気的および磁気的に絶縁する誘電性の材料（図示なし）を前記の交互の層の間に置くこともできる。磁気シールドの向上は、例えば同じ透過性を有する材料層の間に前記の種類の誘導性材料を置くことによっても達成される。外部磁場からのＨＶＨＣＶＩＣ内の電気部品のシールドを備えるためのあらゆる前記技術およびその他技術の選択は、本仕様に基づくと、当業者にとってはありふれたものになるであろう。

内部磁気シールド
例えば、図１のＨＶＨＣＶＩＣ１９０の設計において考慮すべきことは、互いに比較的近くにあるかもしれない、共通の真空筺体１８０内の電気部品が生み出す磁場が、このような筺体内にある他の電気部品の作動に悪影響を及ぼすか否かである。例えば、強い磁場源が以下に掲げる状況から起こるかもしれない。
＊真空筺体１８０（図１）内の電子管は、当該電子管の電極間スペースを通る間に強い磁場を作る高エネルギー電子ビームを通常有するかもしれない。このような磁場が十分な強さならば、筺体１８０内の隣接する電子管中の電子ビームの軌道および全体的な対称性を、このような磁場は歪める可能性がある。
＊真空筺体１８０内のローパスフィルター１９３および１９５がフェライトの種類の場合は、このようなフィルターは、状況によっては、当該筺体内の隣接する電子管中にある電子ビームの軌道および全体的な対称性を歪める可能性がある相当な磁場も生み出し得る。

冷陰極電界放出管２００、２１０、２２０、および２３０と共に共通の真空筺体１８０（図１）内に磁気シールド金属を含む磁気シールド材を置くと、高電圧で作動する構成が可能であるが、潜在的に内部電気アーク放電や部品の故障など望ましくない問題が起こる可能性がある。従って、電気的に絶縁するセラミックまたは適切な誘電上の強度および厚さを持つ他の耐火性材料などの電気絶縁体の中に当該磁気シールド材を封入することにより、それらを電気的に絶縁することが望ましい。「内部磁気シールド」と題する本項の残りの説明を簡素化するために、「セラミック」に言及する場合は、「セラミック」とセラミックの代替物を意味するものとする。

従って、図４は、好ましくは、溶接とアニーリングによって位置２８６および２８８で互いに接合しその後電気的に絶縁したセラミック２９０によって封入した、垂直に延びる高透過性磁気シールド金属２８２と管状の高透過性磁気シールド金属２８４を有する、磁気シールド材２８０の一部を示す。好ましくは、位置２８６および２８８のそれぞれにおいて、セラミック２９０は電界集中によるストレスを低減させる目的のフィレットとして形成される。

その結果生まれる中が空洞の磁気的にシールドした管２９５は、真空筺体１８０（図１）中に通気と圧力の均等化をもたらし、好ましくは最適の真空ポンプのための化学ゲッター真空ポンプの近くに配置する。磁気的にシールドした管２９５は好ましくは長さに対する内径の比として定義されるアスペクト比が４対１かそれ以上にする。このアスペクト比は、管状構造中の開口部の周りにおける磁力線の流れ方によって生じる。この比率を維持することにより、当該管が通る当該シールド壁の磁気シールドの特性が維持される。図１に示すような真空筺体１８０内の均一な真空状態を確保するためには一つ以上の磁気的にシールドした管２９５が必要であるが、簡素化のために図１にはそれらは示していない。

「外部磁気シールド」と題する前項における、外部磁気シールド材に関する前記説明には、磁気シールドのための高透過性磁気シールド金属の単一層を用いた変型例が含まれる。このような変型例は内部磁気シールド材にも同様に当てはまるので、図３の高透過性磁気シールド金属２８２および２８４は、例えば、高透過性および低透過性磁気シールド金属を交互に重ねた層に置き換えることができる。適切な磁気シールド金属の選択は、本仕様に基づくと、当業者にはありふれたものになるであろう。

図５は図１の金属シールド２６６をより明確に示したものであり、Ｖ字形断面を有し、上記の通り図５の磁気シールド材２８０に類似する、純粋または混合磁気金属などの磁気シールド金属２６８上に電気的に絶縁したセラミック２６７などの電気絶縁体でもよい。好ましくは、真空筺体１８０がステンレス鉄鋼または他の導電性金属の時は、磁気シールド金属２６８は溶接によって当該真空筺体に取り付け、また図１に示すように、隣接する磁気シールド材２６２および２６４の磁気シールド材にも取り付ける。同様に図１では、金属クロスハッチングで示した磁気シールド材２６０、２６２、２６４の内側磁気シールド材は、真空筺体１８０がステンレス鉄鋼または他の導電性金属の場合、当該真空筺体に溶接される。

Ｂｉ−ｔｒｏｎ管２１０とパルサトロン管２２０および２３０は簡単な丸印で示し、他の多くの構造は明確化のために省略する。従って、図１および図４では、Ｂｉ−ｔｒｏｎ管２００および２１０、パルサトロン管２２０および２３０、ローパスフィルター１９３および１９５は、電気的および磁気的に絶縁して繋がったシールド２６０、２６２、２６４、および２６６によって互いに分離されていることが示され、それぞれが内部で電気的および磁気的に絶縁したそれぞれの区画の中にあると考えてもよい。言うまでもなく、一つの成分の磁場がその他の成分の作動に悪影響を与えない状況ならば、同一の内部で電気的および磁気的に絶縁した区画または電気的に絶縁した区画内に、複数の内部電気部品が存在することができる。

一つまたは複数の電子管を含む真空筺体１８０（図１）の区画または領域の何れにも化学ゲッター真空ポンプを有することが望ましい。これは導電を最大限にし、それ故に、このような電子管の見地からすると、化学ゲッターポンプの効率をも最大限にする。成分間のシールドまたは分離器の電気および磁気絶縁特性を損なうことなしに達成できるのであれば、成分間の真空導電の均等化が向上された電気的および磁気的に絶縁した管２９５（図４）を備えることによりゲッターポンプの数を最小限にすることが可能である。

図１で現在示しているように、ローパスフィルター１９３および１９５は、磁気シールド材２６０、２６２、２６４によって、図１のＨＶＨＣＶＩＣ１９０の真空筺体１８０内の他の電気部品からシールドされる。ローパスフィルター１９３および１９５を磁気的にシールドする代替または追加の方法を図６に関連して以下に説明する。

図６は結合したローパスフィルター５００の好ましい構築を示す。フェライト製のフィルタースリーブ５０３は導体５０５上に置き、バイパスコンデンサの内側のプレートを形成すると共に、高周波数シグナルの遮断機能も備える。外側の管状電極５０７は、バイパスコンデンサの外側のプレートを形成する。それぞれのローパスフィルター５００は、公開された特許出願の図７の各ローパスフィルター１６０および１７０のため、上記のフィルタリングを備える。公開された特許出願の図７のローパスフィルター１６０および１７０を実行する図１に示したローパスフィルター１９３および１９５の近くに、追加または代替のＲＦフィルター成分（図示せず）を、それぞれ組み入れてもよい。

低通過フィルター５００は接地スポーク５０９を含む。図示していないが、好ましくはローパスフィルター５００のために電気接地および機械的支持の両方を好都合に備えるような方法で、真空筺体１８０（図１）または他の接地した構造に接地スポーク５０９を取り付けることができる。

ローパスフィルター１９３および１９５（図１）を磁気的にシールドする代替または追加の方法に関しては、外側の管状電極５０７は、ｍｕ金属などの磁気シールド金属から形成できる。このような実施態様では、ローパスフィルター５００は、ローパスフィルター１９３および１９５によって生成された磁場から真空筺体１８０（図１）内の他の電気部品を磁気的にシールドするために動作する。この関係において、外側の管状電極５０７の左右に示した末端はそれぞれフェライトのフィルタースリーブ５０３を超えて延び、外側の管状電極５０７の中からの磁場放出角度を制限する。

内部磁気シールド材の更なる利点
図１の磁気シールド材２６０、２６２、２６４は、電気および磁気絶縁を施すだけでなく、様々な内部電気部品に重要な機械的支持を施す。例えば、２１２および２１４などの電気的に絶縁した様々なフィードスルーは、２６０、２６２、２６４などの電気的に絶縁した様々な磁気シールド材を通り抜け、このようなシールド材によって機械的に支持されるという利点がある。

以下は本仕様および図で用いられている参照番号と関連部品のリストである。
参照番号部品
１８０真空筺体
１９０高電圧・大電流真空集積回路
１９３ローパスフィルター
１９５ローパスフィルター
２００冷陰極電界放出電子管、すなわちＢｉ−ｔｒｏｎ管
２０２電気的に絶縁したフィードスルー
２０４電気的に絶縁したフィードスルー
２０６電気的に絶縁したフィードスルー
２１０冷陰極電界放出電子管、すなわちＢｉ−ｔｒｏｎ管
２１２電気的に絶縁したフィードスルー
２１４電気的に絶縁したフィードスルー
２１６電気的に絶縁したフィードスルー
２２０冷陰極電界放出電子管、すなわちパルサトロン
２２２電気的に絶縁したフィードスルー
２２４電気的に絶縁したフィードスルー
２２６電気的に絶縁したフィードスルー
２３０冷陰極電界放出電子管、すなわちパルサトロン
２３２電気的に絶縁したフィードスルー
２３４電気的に絶縁したフィードスルー
２３６電気的に絶縁したフィードスルー
２４０化学ゲッターポンプ
２４１電気的に絶縁したフィードスルー
２４２化学ゲッターポンプ
２４３電気的に絶縁したフィードスルー
２４４化学ゲッターポンプ
２４５電気的に絶縁したフィードスルー
２４６化学ゲッターポンプ
２４７電気的に絶縁したフィードスルー
２５０埋め込み用樹脂
２５２埋め込み用樹脂
２６０磁気シールド材
２６２磁気シールド材
２６４磁気シールド材
２６６磁気シールド材
２６７セラミック
２６８高透過性磁気シールド金属
２７０セラミック絶縁体
２７５接地支持体
２８０磁気シールド材
２８２高透過性磁気シールド金属
２８４高透過性磁気シールド金属
２８６位置
２８８位置
２９０セラミック
２９５磁気的にシールドした管
３２３Ｂｉ−ｔｒｏｎ管
３２６陰極
３２８グリッド
３２９陰極
３３１グリッド
４００真空集積回路
４０２外部真空ポンプ
４０４排気管
４０５ピンチオフした排気管
４０６排気真空ポンプシステム
４０８ピンチオフの位置
５００ローパスフィルター
５０３フェライトのフィルタースリーブ
５０５導体
５０７外側管状電極
５０９接地スポーク

図示によって本発明の特定の実施態様を説明してきたが、当業者に対して、多くの改良および変更を生じさせることになるだろう。例えば、本文書に説明した様々な電子管には公開された特許出願の図２に示した形状に類似する、または同じ円柱形の電極形状が好ましいが、例えば、平面、弓状、または球状などの他の形状を有する電子管を使用してもよい。従って、本発明の真の範囲および精神に該当するかかる改良および変更のすべてを、当該請求項が網羅しようとしていることは理解されるべきである。

Claims

外部回路に接続される第一および第二端子の間に置かれる高電圧・大電流調整器回路であって、
前記第一および第二端子間の電流を受け取り調整するために第一および第二端子の間に接続される双方向電流調整回路であって、該第一および第二端子間の電流を伝導する少なくとも一つの主電流通過型冷陰極電界放出電子管を含み、少なくとも一つの主電流通過型冷陰極電界放出電子管は、該第一および第二端子における電圧がそれぞれ正と負である時に、該第一および第二端子間の電流伝導を制御するための第一および第二制御グリッドを有することを特徴とする双方向電流調整回路と、
前記第一および第二グリッドのための制御シグナルをそれぞれ供給する第一および第二グリッド制御用冷陰極電界放出電子管と、
を含むことを特徴とする高電圧・大電流調整器回路。
前記第一および第二端子における電圧の主要周波数の高調波である電圧の生成を低減させるために該第一および第二制御グリッドに高調波低減回路が接続されていることを特徴とする請求項１に記載の調整器回路。
前記少なくとも一つの主電流通過型冷陰極電界放出電子管は、直結した１対の冷陰極電界放出電子管を含むことを特徴とする請求項１に記載の調整器回路。
前記直結した冷陰極電界放出電子管のそれぞれが円柱形状の電流通過用主電極を有することを特徴とする請求項３に記載の調整器回路。
前記少なくとも一つの主電流通過型冷陰極電界放出電子管が、第一および第二の陰陽極および、それぞれに対応する第一および第二制御グリッドを有する単一の冷陰極電界放出電子管を含むことを特徴とする請求項１に記載の調整器回路。
前記単一の冷陰極電界放出電子管が円柱形状の陰陽極を有することを特徴とする請求項５に記載の調整器回路。
前記双方向電流調整回路が、必要となれば、連続的かつアナログ的に前記第一および第二端子の間の電流をゼロの値に調整して、回路遮断器として使用できるように設計されていることを特徴とする請求項１に記載の調整器回路。
前記第一および第二端子間に置かれた電圧固定回路を更に含み、該電圧固定回路が、
ａ）少なくとも一つの冷陰極電界放出電子管を含む双方向電圧固定器であって、作動閾値電圧を有することを特徴とする双方向電圧固定器と、該少なくとも一つの冷陰極電界放出電子管に対応し、第一および第二制御グリッドが、該第一および第二端子の間の電流伝導主経路において電圧を調節するためのそれぞれの制御シグナルを受け取る第一および第二制御グリッドと、
ｂ）前記作動閾値電圧をセットするために前記第一および第二制御グリッドを通じて該電圧固定器にバイアスをかける回路と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の調整器回路。
請求項８に記載の調整器回路であって、前記電流伝導主経路上における不慮の電圧変動を、前記調整器回路の前記作動閾値電圧より下に抑制するための一つ以上のローパスフィルターを更に含むことを特徴とする調整器回路。
請求項１に記載の調整器回路を用いる方法であって、
ａ）前記双方向電流調整回路が送電グリッドの電流通過導体の中に間置され、
ｂ）前記双方向電流調整回路が送電グリッド内の過剰電流状態を除くように構成されている、
ことを特徴とする方法。
請求項１に記載の調整器回路を用いる方法であって、
ａ）前記双方向電流調整回路が送電グリッドの電流通過導体の中に間置され、
ｂ）送電線上の電圧がほぼ一定になるように前記送電グリッドが調整され、
ｃ）前記双方向電流調整回路が前記電流通過導体を通る電力の流れを制御するように構成される、
ことを特徴とする方法。
請求項１に記載の調整器回路を用いる方法であって、
ａ）前記双方向電流調整回路が送電グリッドの電気設備のＹ字形に接続した巻線の接地脚部内に間置され、
ｂ）前記接地脚部内の交流と直流または疑似直流とを区別し、望ましくない交流過渡シグナルが存在する間は電流調整器機能が回避されるように制御シグナルを生成するための直流−交流微分器回路と、
ｃ）前記直流−交流微分器回路が、地磁気的に誘発された電流が前記接地脚部内に存在する場合に電流調整器の機能を可能にして前記電気設備の損傷を防ぐようにする、
ことを特徴とする方法。
外部回路に接続した第一および第二端子間に置かれた電圧固定回路であって、
ａ）少なくとも一つの冷陰極電界放出電子管を含む双方向電圧固定器であって、該双方向電圧固定器は調節可能な作動閾値電圧を有し、第一および第二制御グリッドが該少なくとも一つの冷陰極電界放出電子管に繋がり、該第一および第二端子間の主要電流伝導経路において電圧を調節するためのそれぞれの制御シグナルを受け取ることを特徴とする双方向電圧固定器と、
ｂ）前記作動閾値電圧をセットするために前記第一および第二制御グリッドを通じて該電圧固定器にバイアスをかける回路と、
を含むことを特徴とする電圧固定回路。
請求項１３に記載の調整器回路であって、前記主電流伝導経路上で、前記調整器回路の前記作動閾値電圧より下に過渡電圧を抑制するための一つ以上のローパスフィルターを更に含むことを特徴とする調整器回路。
高電圧・大電流真空集積回路であって、
ａ）共通の真空筺体であって、
ｉ）少なくとも一つの内部真空ポンプ手段と、
ｉｉ）前記真空筺体を空にし、その後、前記真空筺体を密封し、少なくとも一つの外部真空ポンプから分離するための少なくとも一つの排気管と、
ｉｉｉ）前記真空筺体から導電体を電気的に絶縁し真空密封を維持しながら該真空筺体の外側から該筺体の内側まで該導電体を通す真空密封され電気的に絶縁されたフィードスルーと、
ｉｖ）前記真空筺体の全体的サイズの必要条件を最小限にし、内部電気短絡を防ぐための内部電気絶縁体と
を含むことを特徴とする共通の真空筺体と、
ｂ）少なくとも二つの冷陰極電界放出電子管であって、高電圧かつ大電流で作動するように構成され、回路機能実行のために互いに相互連結されることを特徴とする冷陰極電界放出電子管と、
を含むことを特徴とする高電圧・大電流真空集積回路。
前記真空筺体の外部の磁場から起こる前記電子管内のそれぞれの電子ビームによる有害な干渉を防ぐために、該真空筺体は一つ以上の磁気シールドを備えることを特徴とする請求項１３に記載の真空集積回路。
上記列挙した電子管の一つ以上によって生成される磁場または前記真空筺体内のその他の電気部品からの、前記電子管内の有害な干渉を防ぐために、該真空筺体が一つ以上の内部磁気シールドを備えることを特徴とする請求項１３に記載の真空集積回路。
前記一つ以上の内部磁気シールドは、その一部が対応する電気絶縁材料によって覆されることにより、電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項１６に記載の真空集積回路。
前記一つ以上の磁気シールドは前記真空筺体内で一つ以上の物理的素子に対して機械的支持を提供することを特徴とする請求項１３に記載の真空集積回路。
作動時の真空レベルを維持するために前記真空筺体が外部真空ポンプ手段を備えることを特徴とする請求項１３に記載の真空集積回路。
前記一つ以上の内部磁気シールドのそれぞれが薄い磁気性材料を含むことを特徴とする請求項１８に記載の真空集積回路。
請求項２１に記載の真空集積回路であって、真空伝導を向上させ圧力均等化を提供するためのそれぞれの貫通部は、
ａ）磁気シールド材料を含む空洞の管状部分を含み、
ｂ）前記管状部分は長さに対する内径のアスペクト比が４対１かそれ以上であることを特徴とし、
ｃ）前記磁気シールド材は真空グレードの耐火性誘電体で絶縁されていることを特徴とし、
ｄ）前記空洞の管状部分は記磁気シールド材上の前記真空グレードの耐火性誘電体で連続的な形態で電気的に絶縁されることを特徴とする、
真空集積回路。
請求項１８に記載の真空集積回路であって、一つ以上の内部磁気シールド体はそれぞれ、粒子状の磁性材料であって対応する電気絶縁材料の中に分散されていることを特徴とする粒子状の磁性材料を含み、完全に誘電性の耐火層で被覆されていることを特徴とする真空集積回路。