JP2003317639A - ジャイロトロン用電源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電力供給電源と加速電源とを同時に開閉する
ことにより負荷であるジャイロトロンを保護し、且つそ
れぞれの電源電圧を高速に立ち上げ、立ち下げて、ビー
ム電流を開閉してジャイロトロンの発振電力を高速で変
調させる。 【解決手段】 ジャイロトロン装置１０２のカソード部
１０６と加速電源１２４及び電力供給電源１２６の両方
のマイナス極との間を電気的に結合する共通ラインに共
通スイッチ１０を介挿する。アノード部１０８とボディ
部１１０及びカソード部１０６との間に印加用電圧を安
定化させるためツェナーダイオードを直列接続して形成
された安定化装置１２及び１４を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、ジャイロトロン装
置を発振させる電源の新しい構成に関する。なお、ジャ
イロトロン装置は、サイクロトロンメーザ作用を動作原
理とする電子管である。ジャイロトロン装置は、主とし
てミリ波からサブミリ波における大電力高高周波源とし
て核融合研究用プラズマ加熱装置などに利用されてい
る。 【０００２】 【従来の技術】図５は、ジャイロトロン装置を発振させ
るための従来技術の構成を説明したものである。ジャイ
ロトロン装置１０２は、電子ビーム１０４を発生させる
電子銃部を構成するカソード部１０６及びアノード部１
０８と、カソード部１０６より発生した電子ビーム１０
４と相互作用を行って大電力高高周波を発振させる空洞
共振器を含むボディ部１１０と、相互作用の終了した電
子ビーム１０４を捕捉するコレクタ部１１２とが設けら
れている真空管である。場合によってはアノード部１０
８が構成されていない場合もある。これに対して、ジャ
イロトロン装置用電源装置１２２は、主に加速電源１２
４と電力供給電源１２６から構成されている。加速電源
１２４は、安定な加速電界をカソード部１０６とアノー
ド部１０８及びボディ部１１０との間に形成されるよう
配慮された直流特別安定化電源である。そして、電力供
給電源１２６は、ジャイロトロン装置１０２にビーム電
流１０４を流し、発振電力を供給する電源である。ジャ
イロトロン装置１０２は、通常、図示のようにコレクタ
部１１２で接地を取る。なお、参照番号１５０及び１５
２は、アノード部１０８に印加される電圧を生成するた
めの分圧用抵抗であり、また参照番号１５４は、当該技
術で知られているフリーホイールダイオード付きの限流
リアクトルである。 【０００３】従来は、それぞれの電源１２４及び１２６
に加速電源用スイッチ１２８及び電力供給電源用スイッ
チ１３０を持たせ、それらを同時に開閉することでビー
ム電流を供給し、安定化された加速電圧をジャイロトロ
ン装置１０２に印加して発振させていた。なお、加速電
源１２４は、先の加速電源用スイッチ１２８を内蔵する
場合もある。核融合プラズマ加熱装置に使われるジャイ
ロトロン装置２では通常、電力供給電源１２６は、出力
電圧を４５ｋＶから６０ｋＶで運転し、ジャイロトロン
装置１０２へビーム電流を数Ａから数１０Ａ供給するも
ので、電力も数ＭＷとなる。それに対し、加速電源１２
４の出力電圧は、８０ｋＶ程度と電力供給電源１２６よ
り高い上、電圧安定度±０．５％程度に安定化する必要
がある。これは、ジャイロトロンの発振モード境界近傍
に高効率運転領域が狭く存在するからである。但し、加
速電源１２４は、ジャイロトロン装置１０２に安定な加
速電界を形成させるだけでよいので、電力は比較的低い
ものでよく、せいぜい３０ｋＷである。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】しかし、先の電圧安定
度±０．５％を達成するためには加速電源１２４の出力
に比較的大きなフィルタ（図５に図示せず）を必要とす
る。図６に、従来の加速電源１２４の構成の一例を示
す。図６における２Ｈのリアクトル２０２やコンデンサ
２０４が上記のフィルタである。ここで、加速電源用ス
イッチ１２８は、図６のＩＮＶ１からＩＮＶ６までのイ
ンバータがその役をなしている。従って、この例では、
加速電源１２４は先の加速電源用スイッチ１２８を内蔵
する場合で説明している。一方、ジャイロトロンは、真
空管内の異常時には１０ジュール程度の許容エネルギー
で保護されなければならず、それを達成するためには加
速電源用スイッチ１２８及び電力供給電源用スイッチ１
３０は１０マイクロ秒以下の高速遮断を実現しなければ
ならない。加速電源１２４として図６の構成を用いない
場合、前述のように電圧の高安定度を得るため図５にお
ける加速電源１２４と加速電源用スイッチ１２８との間
に設けられたフィルタの容量、あるいは加速電源１２４
と加速電源用スイッチ１２８の機能を併せ持った高周波
のインバータを使った図６の電源ではフィルタの容量
は、上記の高速遮断のため減らすことができる構成にし
なければならなかった。そして、前者の構成、即ち加速
電源１２４と加速電源用スイッチ１２８との間にフィル
タを設ける構成では、加速電源用スイッチ１２８はその
特別高圧のスイッチが高価であるし、後者の構成、即ち
高周波のインバータを使った電源で構成する図６の例も
高価になる上に１００Ｈｚ以上の頻度で開閉するジャイ
ロトロン出力変調運転でフラットトップの安定度±０．
５％を確保するのは困難である上、先のフィルタが立ち
上がり時間や立ち下がり時間を遅くさせ、開閉周波数に
限界が生じる欠点があった。 【０００５】本発明は、上記問題点を克服して、ジャイ
ロトロン装置の発振において電源の出力を変調して行え
る電源を提供することにある。 【０００６】 【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、電子ビームを発生させる電子銃部を構成するカソー
ド部と、前記カソード部より発生した電子ビームと相互
作用を行って大電力高周波を発振させる空洞共振器を含
むボディ部と、相互作用の終了した電子ビームを捕捉す
るコレクタ部とを有するジャイロトロン装置用の本発明
の電源は、カソード部とボディ部との間に電圧を印加す
るための加速電源部と、カソード部とコレクタ部との間
に電力を印加する電力供給電源と、カソード部と加速電
源部及び電力供給電源の両方のマイナス極との間を電気
的に結合する共通ラインに介挿された共通スイッチとを
備えることを特徴とする。 【０００７】 【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の好
適な実施形態について説明する。図１は、本発明のジャ
イロトロン装置用電源の好適な一実施形態の構成図を示
す。図５と同一の参照番号は同一の構成要素を示し、そ
れらの構成要素の説明は繰り返さない。図１に示される
電源の構成も加速電源１２４と電力供給電源１２６を持
たせるが、これらの電源がカソードコモンになる点に電
力供給及び加速電源共通スイッチ（以後「共通スイッ
チ」と呼ぶ。）１０を持たせ、この共通スイッチ１０を
開閉することで先のジャイロトロン保護と多頻度でビー
ム電流１０４を開閉しジャイロトロン装置１０２の出力
電力を変調するためのものである。詳細には、加速電源
１２４及び電力供給電源１２６の両方のマイナス極とカ
ソード部１０６との間をフリーホイールダイオード付き
リアクトル１５４を介して共通にカソード部１０６に電
気的に接続する共通ラインに共通スイッチ１０は介挿さ
れる。 【０００８】この共通スイッチ１０は、電力供給電源１
２６の数１０Ａの高電流と加速電源１２４の８０ｋＶ台
の高電圧遮断を行わせるためにやや高価となるが、共通
スイッチ１０があるために運転前に加速電源１２４を立
ち上げておくことができるため、加速電源１２４とし
て、例えば図３に示すような従来からのコッククロフト
電源などの直流特別高圧電源を採用することができるな
どの面で低価格化が図れる。 【０００９】アノード電圧を生成するのに前述の従来技
術の分圧抵抗１５０及び１５２（図５参照）を用いても
よいが、更に安定化した電圧を得るため、ジャイロトロ
ン装置１０２のボディ−カソード間及びアノード−カソ
ード間に次のような電圧安定化装置を取り付けることが
好ましい。これには、例えばツェナーダイオードを直列
に接続した図４に示すような電圧安定化装置１２、１４
を用いれば電圧を一層安定化させることができる。ま
た、特開平９−２３３８０４のようにツェナーダイオー
ドとトランジスタやＦＥＴなどを組み合わせた構成も考
えられる。更に、４極管などで電圧の安定化を図ること
も可能である。 【００１０】そして、共通スイッチ１０には特許第２９
２８１５９号公報に記載の高速半導体で構成されるスイ
ッチで構成することもでき、高速に開閉して高周波の変
調が可能な電源とすることができる。なお、図１におけ
る抵抗２０は電流計測用、抵抗２２及び２４は電子管保
護用である。但し、これらの構成要素は本発明とは関係
しないものである。 【００１１】図２は、図１に示す本発明の好適な実施形
態のジャイロトロン装置用電源の詳細な構成を示す回路
図である。電力供給電源１２６は、３相交流６．６ｋＶ
を受電し、一旦１．３ｋＶに降圧し、３相交流ＧＴＯ電
力調整装置（ＧＴＯスイッチ）を介して整流器付き昇圧
変圧器へ入力する。先の３相交流ＧＴＯ電力調整装置
は、この整流器付き変圧器の直流出力電圧を制御してい
る。本例では、この交流電力調整装置にＧＴＯを用いた
例を示したが、サイリスタを用いてもよい。また、３相
交流から直接整流器付き昇圧器に入力し、直流出力電圧
を制御しない場合も用途に応じてあり得る。更に、平滑
装置として５Ｈのリアクトルや２０μＦのコンデンサに
より出力電圧が平滑される。その出力、即ち電力供給電
源１２６の出力は、多数のＩＧＢＴを直列接続した構成
の共通スイッチ１０とフリーホイールダイオード付きの
１ｍＨの限流リアクトル１５４とを介してジャイロトロ
ン装置１０２のカソード部１０６に入力される。一方、
電力供給電源１２６の平滑装置と共通スイッチ１０との
中間点は、加速電源１２４のマイナス極に接続され、そ
の加速電源１２４のプラス極は、抵抗２０を介して、図
４で説明したようにツェナーダイオードを利用した安定
化装置１２及び１４の一方の端部に接続される。従っ
て、電力供給電源１２６の平滑装置で平滑された電圧
は、加速電源１２４に入力され、加速電源１２４は、ボ
ディ部１１０及びアノード部１０８への印加電圧のため
の直流電圧を生成し、その直流電圧を安定化装置１２及
び１４に入力する。ツェナーダイオードを利用した安定
化装置１２及び１４のそれぞれの出力はそれぞれ抵抗２
２及び２４を介してジャイロトロン装置１０２のボディ
部１１０及びアノード部１０８へ対応して入力される。 【００１２】これらの安定化装置１２及び１４によりジ
ャイロトロン装置１０２のカソード部１０６とアノード
部１０８及びボディ部１１０との間へ安定な加速電圧が
与えられる。更に、加速電源１２４には、図３に示すよ
うなコッククロフト電源を用いて、ジャイロトロン装置
１０２を発振運転させる前に電圧を立ち上げておく。こ
うしておいて、共通スイッチ１０を閉にすることで、ジ
ャイロトロン装置１０２に高速電圧立ち上げを行いなが
ら、しかも安定な加速電圧が加わり、ビーム電流がジャ
イロトロン装置１０２内に流れて発振を開始する。共通
スイッチ１０を開にすると、加速電圧は急激に減少し、
ビーム電流が立ち下がり、ジャイロトロン装置１０２の
発振をが停止する。これを繰り返すことでジャイロトロ
ン発振運転の高速変調が可能となる。また、ジャイロト
ロン装置１０２にアーキングなどの異常が生じたり、過
電流がが生じた場合は共通スイッチ１０を高速に開にす
ればジャイロトロン装置１０２の保護が行われる。な
お、抵抗２６は、アーキング時に、ジャイロトロンへの
注入エネルギを更に低減し、ジャイロトロンを保護する
ためであるが、本発明とは関係しない。 【００１３】 【発明の効果】本発明は、カソード部と加速電源部及び
電力供給電源の両方のマイナス極との間を電気的に結合
する共通ラインに介挿された共通スイッチを設けること
により、この共通スイッチを用いて電力供給電源と加速
電源とを同時に開閉することにより負荷であるジャイロ
トロンを保護し、且つそれぞれの電源電圧を高速に立ち
上げ、立ち下げて、ビーム電流を開閉してジャイロトロ
ンの発振電力を高速で変調させることができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】図１は、本発明のジャイロトロン装置用電源の
好適な一実施形態の構成図を示す。 【図２】図２は、図１に示す本発明の好適な実施形態の
ジャイロトロン装置用電源の詳細な構成を示す回路図で
ある。 【図３】図３は、本発明の加速電源に好適に適用し得る
コッククロフト電源の例を示す。 【図４】図４は、ジャイロトロン装置１０２のカソード
部１０６及びアノード部１０８への印加電圧を安定化さ
せる好適な安定化装置の一例を示す。 【図５】図５は、ジャイロトロン装置を発振させるため
の従来技術の構成を示す図である。 【図６】図６は、従来の加速電源の構成の一例を示す。 【符号の説明】 １０ 共通スイッチ １２、１４ 安定化装置 １０２ ジャイロトロン装置 １２４ 加速電源 １２６ 電力供給電源

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 電子ビームを発生させる電子銃部を構成
   するカソード部と、前記カソード部より発生した電子ビ
   ームと相互作用を行って大電力高周波を発振させる空洞
   共振器を含むボディ部と、相互作用の終了した電子ビー
   ムを捕捉するコレクタ部とを有するジャイロトロン装置
   のための電源において、 カソード部とボディ部との間に電圧を印加するための加
   速電源部と、 カソード部とコレクタ部との間に電力を印加する電力供
   給電源と、 カソード部と加速電源部及び電力供給電源の両方のマイ
   ナス極との間を電気的に結合する共通ラインに介挿され
   た共通スイッチとを備えるジャイロトロン装置用電源