JP3412113B2 - Acceleration power supply for gyrotron - Google Patents

Acceleration power supply for gyrotron

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JP3412113B2
JP3412113B2 JP04134095A JP4134095A JP3412113B2 JP 3412113 B2 JP3412113 B2 JP 3412113B2 JP 04134095 A JP04134095 A JP 04134095A JP 4134095 A JP4134095 A JP 4134095A JP 3412113 B2 JP3412113 B2 JP 3412113B2
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gyrotron
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まさき 恒岡
秀男 藤田
剛 今井
敏夫 浅香
俊光 飯山
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日本原子力研究所
東京電子株式会社
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、ジャイロトロン装置に
用いられる電源装置であって、電子ビームを加速する加
速用電源装置と発振電力を供給するための電力供給電源
装置とを備える電源システムに使用される加速用電源装
置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a power supply device used in a gyrotron device, which includes a power supply device for acceleration for accelerating an electron beam and a power supply power supply device for supplying oscillation power. The present invention relates to a power supply device for acceleration used.

【0002】[0002]

【従来の技術】低容量化および高効率化を図ることを目
的して電子ビームを加速する加速用電源装置と発振電力
を供給するための電力供給電源装置とから構成されたジ
ャイロトロン装置用の従来の2電源型の電源システムの
一例は、例えば、本発明者の特開平6−76748号
「ジャイロトロン用電源装置」に開示されている。
2. Description of the Related Art For a gyrotron device including an acceleration power supply device for accelerating an electron beam and a power supply power supply device for supplying oscillating power for the purpose of achieving low capacity and high efficiency. An example of a conventional dual power supply type power supply system is disclosed, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-76748, "Power Supply Device for Gyrotron".

【0003】当該公開公報に記載されているジャイロト
ロン装置用の2電源型電源システムについて、図12を
参照して簡単にその構成を説明する。
The structure of the dual power supply type power supply system for the gyrotron device described in the above publication will be briefly described with reference to FIG.

【0004】図12に示されるように、ジャイロトロン
装置102は2つのコレクタを有するタイプのもので、
カソード電極104とアノード電極106の二極の電子
銃部108と、空胴共振器を持つボディ部110と、二
極のコレクタ部である第1コレクタ112と、第2コレ
クタ114とを有する。カソード電極104から発した
電子ビーム116を加速するための加速電源120がカ
ソード電極104とボディ部110との間に接続されて
いる。カソード電極104から発する電子ビーム116
に初速を与えるため加速電源120の電圧を抵抗126
及び128により分圧してアノード電極106に印加し
ている。ジャイロトロン発振に必要な電力を供給するた
めカソード電極104と第1コレクタ112との間に第
1電力供給電源122が、またカソード電極104と第
2コレクタ114との間に第2電力供給電源124が、
それぞれ接続されている。強磁場コイル118は、カソ
ード電極104から発した電子ビーム116を、アノー
ド電極106によって形成された電界と協働して、螺旋
運動をさせるための磁場を発生させるものである。な
お、ジャイロトロン装置のコレクタが一極の場合は、図
12における第1コレクタ112がなくなり、それに対
応して第1電力供給電源122がなくなる(即ち、電力
供給電源として第2電力供給電源124のみの)構成と
なる。
As shown in FIG. 12, the gyrotron device 102 is of a type having two collectors.
The cathode electrode 104 and the anode electrode 106 have a bipolar electron gun portion 108, a body portion 110 having a cavity resonator, a first collector 112 which is a bipolar collector portion, and a second collector 114. An acceleration power supply 120 for accelerating the electron beam 116 emitted from the cathode electrode 104 is connected between the cathode electrode 104 and the body portion 110. Electron beam 116 emitted from cathode electrode 104
In order to give an initial speed to the
And 128, and the voltage is divided and applied to the anode electrode 106. A first power supply power supply 122 is provided between the cathode electrode 104 and the first collector 112 and a second power supply power supply 124 is provided between the cathode electrode 104 and the second collector 114 to supply power necessary for gyrotron oscillation. But,
Each is connected. The strong magnetic field coil 118 generates a magnetic field for causing the electron beam 116 emitted from the cathode electrode 104 to cooperate with an electric field formed by the anode electrode 106 to cause a spiral motion. When the collector of the gyrotron device has one pole, the first collector 112 in FIG. 12 is eliminated and the first power supply source 122 is correspondingly eliminated (that is, only the second power supply source 124 is used as the power supply source). Of) configuration.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】図12に示されるジャ
イロトロン装置用の2電源型電源システムの加速電源1
20、第1電力供給電源122及び第2電力供給電源1
24の電源構成は特別な構成を要せず、例えば、本発明
者の特開平3−164068号の「LCフィルタを用い
ない直流平滑回路」の方式を用いれば可能であると考え
られていた。当該LCフィルタを用いない直流平滑回路
の構成を図13に示す。図13に示されるように、LC
フィルタを用いない直流平滑回路は、1次側直流電源2
02、電力供給直流電源224、2次側直流電源20
4、及び直流電圧平滑装置228から成る。1次側直流
電源202は、整流器220及び平滑化コンデンサ22
3とを含み、交流電圧221を整流して出力として直流
電圧を発生する。電力供給直流電源224は、比較的低
周波のインバータ225、変圧器226及び整流器22
7から成り、1次側直流電源202の出力直流電圧を受
け取り、インバータ225により交流電圧に変換し、変
圧器226により昇圧し、整流器227により整流して
リップルを含む直流電圧を発生する。直流電圧平滑装置
228は、リップル補償用インバータ229、高周波ト
ランス230及び整流器231とから成り、1次側直流
電源202の直流電圧を受け取りインバータ225の出
力交流電圧より高い周波数を有する交流電圧に変換し、
高周波トランス230により昇圧し、整流器231によ
り電力供給直流電源224の出力に生じたリップルを補
償する電圧を発生する。2次側直流電源204は、高電
圧を得るため3つの整流器227と整流器231とを直
列接続した構成から成る。なお、232は負荷を、23
3は2次側直流電源204の出力と負荷232とを接続
するケーブルの静電容量で、一般に無視しるうる程小さ
い。
An acceleration power supply 1 of a dual power supply type power supply system for a gyrotron device shown in FIG.
20, first power supply power supply 122 and second power supply power supply 1
The power supply configuration of 24 does not require a special configuration, and it has been considered that it is possible, for example, by using the method of "DC smoothing circuit not using LC filter" of Japanese Patent Laid-Open No. 3-1664068 of the present inventor. FIG. 13 shows the configuration of a DC smoothing circuit that does not use the LC filter. As shown in FIG. 13, LC
The DC smoothing circuit that does not use the filter is the primary side DC power supply 2
02, power supply DC power supply 224, secondary side DC power supply 20
4 and a DC voltage smoothing device 228. The primary side DC power source 202 includes a rectifier 220 and a smoothing capacitor 22.
3 and rectify the AC voltage 221 to generate a DC voltage as an output. The power supply DC power supply 224 includes a relatively low frequency inverter 225, a transformer 226, and a rectifier 22.
The output DC voltage of the primary side DC power supply 202 is received, converted into an AC voltage by the inverter 225, stepped up by the transformer 226 and rectified by the rectifier 227 to generate a DC voltage including ripples. The DC voltage smoothing device 228 includes a ripple compensation inverter 229, a high frequency transformer 230, and a rectifier 231, and receives the DC voltage of the primary side DC power supply 202 and converts it into an AC voltage having a frequency higher than the output AC voltage of the inverter 225. ,
The high-frequency transformer 230 boosts the voltage, and the rectifier 231 generates a voltage that compensates the ripple generated in the output of the power supply DC power supply 224. The secondary side DC power supply 204 has a configuration in which three rectifiers 227 and rectifiers 231 are connected in series to obtain a high voltage. Note that 232 is the load, 23
3 is the capacitance of the cable connecting the output of the secondary side DC power supply 204 and the load 232, which is generally small enough to be ignored.

【0006】ところで、ジャイロトロンは、形状が円筒
形の空胴共振器を用いている。このために、高周波の共
振を生じるモードは矩形などの形状の空胴に比べて多く
なる。所望のモードとは異なる異種モードで発振した場
合は発振周波数がずれ、またジャイロトロン内を伝送す
る高周波の放射角も所望のモードにおけるものと異なる
ものとなる。一方、ジャイロトロン内部に設けられるモ
ード変換器はある特定のモードから特定の異種モードへ
の変換を想定して設計されており、他のモードが入射さ
れると反射して定在波が生じる原因となったり、所望の
放射角と異なるのでジャイロトロン内部に高周波が溜ま
り、異常電界の発生原因となる。また、高周波出力窓
は、特定の周波数のみを出力するもので、一般に出力で
きる周波数帯域が狭い。従って、ジャイロトロンの異種
モード発振によって発振周波数がずれると、高周波窓で
反射され、ジャイロトロン内部に定在波を生じる。この
ように定在波が生じ、異常電界がジャイロトロン内に形
成されると、ジャイロトロン内部で放電が生じ、ジャイ
ロトロンを破壊する。このために、ジャイロトロンはい
かなるときにおいても、所定のモードのみで発振させる
必要がある。
By the way, the gyrotron uses a cavity resonator having a cylindrical shape. For this reason, the number of modes that generate high-frequency resonance is larger than that of a cavity having a rectangular shape or the like. When oscillating in a different mode different from the desired mode, the oscillation frequency shifts, and the radiation angle of the high frequency transmitted in the gyrotron also differs from that in the desired mode. On the other hand, the mode converter installed inside the gyrotron is designed assuming the conversion from a specific mode to a specific dissimilar mode, and when other modes are incident, it is reflected and causes a standing wave. Or, since the radiation angle is different from the desired radiation angle, high frequency is accumulated inside the gyrotron, which causes an abnormal electric field. Further, the high frequency output window outputs only a specific frequency, and generally the output frequency band is narrow. Therefore, when the oscillation frequency shifts due to the different mode oscillation of the gyrotron, it is reflected by the high frequency window and a standing wave is generated inside the gyrotron. When a standing wave is generated in this way and an abnormal electric field is formed in the gyrotron, a discharge is generated inside the gyrotron and destroys the gyrotron. Therefore, the gyrotron needs to be oscillated only in a predetermined mode at any time.

【0007】図14にジャイロトロンの発振に関するモ
ード特性の概念を示す。図14に示されるように、ジャ
イロトロンには、所定のモードを発振させるのに適した
ビーム電圧領域が存在し、その上限ビーム電圧をビーム
電圧が越えると異常モード領域に入る。そして、発振効
率は所定のモードエリアにおいてビーム電圧が高いほ
ど、即ち異常モードエリアに近づくほど高い。ジャイロ
トロンは、他の電子管と比べて発振効率が一般的に低
く、発振効率の良い運転を行わせようとすると、異常モ
ードである他のモードとの境界付近(例えば、図14に
おけるV0)にビーム電圧を設定する必要がある。そし
て、設定され得られたビーム電圧が電源の入力電圧変動
等により高くなり、所定モードエリアの上限ビーム電圧
を越えると異常モードに入ってしまうので、所定モード
の発振効率が高い状態において常に安定な発振を得るた
めにはビーム電圧が極めて安定しており、また電源投入
後ビーム電圧が定常状態になるまでの過渡期間において
も上記上限ビーム電圧を越えないようにする必要があ
る。従って、ジャイロトロンには、出力電圧にリップル
や上記過渡期間におけるオーバーシュートが無く、か
つ、安定度が良いビーム加速電源が必要である。この点
が、他の電子管等による発振器の条件と著しく異なる点
である。
FIG. 14 shows the concept of mode characteristics related to oscillation of a gyrotron. As shown in FIG. 14, the gyrotron has a beam voltage region suitable for oscillating a predetermined mode, and when the beam voltage exceeds the upper limit beam voltage, it enters the abnormal mode region. Further, the oscillation efficiency is higher as the beam voltage is higher in a predetermined mode area, that is, the closer to the abnormal mode area. The gyrotron generally has lower oscillation efficiency than other electron tubes, and when it is attempted to perform operation with high oscillation efficiency, the gyrotron is in the vicinity of a boundary with another mode that is an abnormal mode (for example, V 0 in FIG. 14). It is necessary to set the beam voltage to. Then, the beam voltage obtained and set becomes high due to fluctuations in the input voltage of the power supply, etc., and if the beam voltage exceeds the upper limit beam voltage of the predetermined mode area, the abnormal mode is entered, so that the oscillation efficiency in the predetermined mode is always stable. In order to obtain oscillation, the beam voltage is extremely stable, and it is necessary to prevent the beam voltage from exceeding the upper limit in the transient period after the power is turned on until the beam voltage reaches a steady state. Therefore, the gyrotron needs a beam accelerating power supply which has no ripple in the output voltage and no overshoot in the above transient period, and which has good stability. This point is remarkably different from the conditions of other oscillators such as electron tubes.

【0008】つまり、図12における加速電源120
は、どのような形式の電源でも良いのでは無く、オーバ
ーシュートが無く、定常状態における電圧変動やリップ
ルも経験的に所望のビーム電圧に対して±0.5%程度
内の厳しい特性が必要である。上述のように、加速電源
120に、図13に示される構成の電源を適用すると、
所望のビーム電圧になるように出力電圧を制御する機構
がないので、例えば、入力電圧の変動を吸収することが
できず、電圧リップルは所望の範囲内に抑制できても、
例えば所望のビーム電圧±0.5%以内に安定化させる
ことは困難である。
That is, the acceleration power source 120 shown in FIG.
Is not limited to any type of power supply, it has no overshoot, and empirically requires strict characteristics such as voltage fluctuations and ripples within ± 0.5% of the desired beam voltage. is there. As described above, when the power source having the configuration shown in FIG. 13 is applied to the acceleration power source 120,
Since there is no mechanism for controlling the output voltage so as to obtain a desired beam voltage, for example, it is not possible to absorb fluctuations in the input voltage and the voltage ripple can be suppressed within a desired range.
For example, it is difficult to stabilize within a desired beam voltage ± 0.5%.

【0009】そこで、図13の電源に、例えば、通常の
スイッチングレギューレータ方式を適用して、出力電圧
と所望の電圧との誤差を検出し、当該誤差を所定倍増幅
するフィードバック制御を行った場合、通常オーバーシ
ュートが生じ、またジャイロトロン装置のカソードとボ
ディ間の入力インピーダンスはジャイロトロン装置の運
転立ち上げ時に公称の抵抗に対して相当変動するため、
所定の電圧とは大きく異なる電圧値に出力電圧が収斂す
る場合があり、即ちいわゆる良好な整定性が安定して得
られないという課題が生じていた。
Therefore, for example, a normal switching regulator system is applied to the power supply of FIG. 13 to detect an error between the output voltage and a desired voltage, and feedback control is performed to amplify the error by a predetermined number. In this case, an overshoot usually occurs, and the input impedance between the cathode and the body of the gyrotron device fluctuates considerably with respect to the nominal resistance when the gyrotron device starts operating.
In some cases, the output voltage may converge to a voltage value greatly different from the predetermined voltage, that is, so-called good settling cannot be stably obtained.

【0010】換言すると、図13に示されるような構成
あるいは上述のような変更では、非効率で保護設備等を
要するレギューレータチューブが依然として必要であ
り、それを排除することが困難であった。
In other words, with the configuration shown in FIG. 13 or the above-mentioned modification, the regulator tube which is inefficient and requires protective equipment etc. is still required, and it is difficult to eliminate it. .

【0011】本発明の目的は、レギューレータチューブ
を要せず、オーバーシュートが無くかつ高い整定性を有
する、ジャイロトロン装置用の加速電源を提供すること
にある。
An object of the present invention is to provide an accelerating power supply for a gyrotron device which does not require a regulator tube, has no overshoot, and has high settability.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、電子ビームを発生する電子銃部を構成するカソード
部及びアノード部と、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する空胴
共振器を含むボディ部と、相互作用を行って後に電子ビ
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
置であって、前記カソード部及び前記ボディ部間に電圧
を印加するための加速電源装置と、前記カソード部及び
前記コレクタ部間に電圧を印加するための電力供給電源
装置とにより電力を受けて動作するジャイロトロン装置
に用いられる本発明の加速電源装置は、通流率Dのパル
ス幅変調を行う直流チョッパ手段であって、入力される
直流電圧をオン/オフするスイッチング手段と、当該ス
イッチング手段のオン/オフを制御するチョッパ制御手
段と、前記スイッチング手段の出力電圧を平滑化する平
滑化手段とを含む直流チョッパ手段と、前記直流チョッ
パ手段の出力直流電圧を高周波の交流電圧に変換するイ
ンバータ手段と、前記インバータ手段の出力交流電圧を
昇圧する高周波変圧手段と、前記高周波変圧手段の出力
交流電圧を整流して前記カソード部及び前記ボディ部間
に印加するために用いられる直流高電圧を得る整流手段
と、前記整流手段の出力直流高電圧を表す電圧を検出し
て当該検出された直流高電圧を表す信号を発生する手段
と、前記整流手段の所望の出力直流電圧を指示する直流
基準電圧を表す信号を発生する手段とを備え、前記チョ
ッパ制御手段が、前記直流基準電圧を表す信号から前記
検出された直流高電圧を表す信号を減算する手段と、前
記の減算手段の出力を積分しかつ第1の所定倍k1増幅
する積分・増幅手段と、前記検出された直流高電圧を表
す信号を第2の所定倍f2増幅する手段と、前記直流チ
ョッパ手段の出力直流電流を表す電流を検出して当該検
出された直流チョッパ出力電流を表す信号を第3の所定
倍f1増幅する手段と、第2の所定倍f2増幅された前記
検出された直流高電圧を表す信号に第3の所定倍f1
幅された前記検出された直流チョッパ出力電流を表す信
号を加算する手段と、前記積分・増幅手段の出力から前
記の加算手段の出力を減算して前記通流率Dを発生して
前記スイッチング手段のオン/オフを制御する減算手段
とを含み、前記直流チョッパ手段の入力と前記整流手段
の出力の間の伝達関数の特性方程式が負の実根を有する
ことを特徴とする。
In order to achieve the above object, the cathode part and the anode part which constitute an electron gun part for generating an electron beam, and the electron beam generated from the cathode part interact with each other to generate a large power. A gyrotron device having a body part including a cavity resonator that oscillates a high frequency, and a collector part that interacts and then traps an electron beam, wherein a voltage is applied between the cathode part and the body part. The accelerating power supply device for use in a gyrotron device that operates by receiving power from an accelerating power supply device for power supply and a power supply power supply device for applying a voltage between the cathode part and the collector part, A direct current chopper means for performing pulse width modulation of the rate D, which is a switching means for turning on / off an input direct current voltage, and an on / off state of the switching means. DC chopper means including a chopper control means for controlling ON / OFF, a smoothing means for smoothing an output voltage of the switching means, and an inverter means for converting an output DC voltage of the DC chopper means into a high frequency AC voltage. A high-frequency transformer for boosting the output AC voltage of the inverter, and a rectifier for rectifying the output AC voltage of the high-frequency transformer to obtain a high DC voltage used for applying between the cathode part and the body part. And means for detecting a voltage representing the output DC high voltage of the rectifying means and generating a signal representing the detected DC high voltage, and a DC reference voltage indicating a desired output DC voltage of the rectifying means. And a means for generating a signal, wherein the chopper control means subtracts the signal representing the detected DC high voltage from the signal representing the DC reference voltage. Means and, above and integral and the first predetermined factor k 1 integrating-amplifier means for amplifying the output of the subtraction means, a signal representative of the detected DC high voltage second predetermined times f 2 that amplifies the A means for detecting a current representative of the output direct current of the direct current chopper means and amplifying the signal representative of the detected direct current chopper output current by a third predetermined factor f 1; and a second predetermined factor f 2 amplified. Means for adding a signal representing the detected DC chopper output current amplified by a third predetermined factor f 1 to the signal representing the detected DC high voltage, and the addition from the output of the integrating / amplifying means. Subtracting means for subtracting the output of the means to generate the duty ratio D to control the on / off of the switching means, the transfer function of the transfer function between the input of the DC chopper means and the output of the rectifying means. The characteristic equation must have a negative real root. The features.

【0013】[0013]

【作用】前記直流基準電圧を表す信号から前記検出され
た直流高電圧を表す信号を減算する手段と、前記の減算
手段の出力を積分しかつ第1の所定倍k1増幅する積分
・増幅手段と、前記検出された直流高電圧を表す信号を
第2の所定倍f2増幅する手段と、前記直流チョッパ手
段の出力直流電流を表す電流を検出して当該検出された
直流チョッパ出力電流を表す信号を第3の所定倍f1
幅する手段と、第2の所定倍f2増幅された前記検出さ
れた直流高電圧を表す信号に第3の所定倍f1増幅され
た前記検出された直流チョッパ出力電流を表す信号を加
算する手段と、前記積分・増幅手段の出力から前記の加
算手段の出力を減算して前記通流率Dを発生して前記ス
イッチング手段のオン/オフを制御する減算手段とを備
えた直流チョッパ制御手段を含めた前記直流チョッパ手
段の入力と前記整流手段の出力の間の伝達関数の特性方
程式が負の実根を有するようになされているので、本発
明の加速電源は、電源投入後、加速電源の出力電圧が安
定状態になる過渡期間においてオーバーシュートを生じ
ないで出力電圧が立ち上がる。
The means for subtracting the detected DC high voltage signal from the DC reference voltage signal, and the integration / amplification means for integrating the output of the subtraction means and amplifying by a first predetermined multiple k 1 A means for amplifying the detected DC high voltage signal by a second predetermined factor f 2; and a current representing the output DC current of the DC chopper means is detected to represent the detected DC chopper output current. Means for amplifying the signal by a third predetermined factor f 1 and the detected direct current amplified by a third predetermined factor f 1 to the signal representing the detected DC high voltage amplified by a second predetermined factor f 2 Means for adding a signal representing a chopper output current, and subtraction for subtracting the output of the adding means from the output of the integrating / amplifying means to generate the conduction ratio D and controlling ON / OFF of the switching means. DC chopper control with means Since the characteristic equation of the transfer function between the input of the DC chopper means including the means and the output of the rectifying means has a negative real root, the accelerating power supply of the present invention has The output voltage rises without causing an overshoot in the transition period in which the output voltage becomes stable.

【0014】また、積分・増幅手段が、前記の減算手段
により前記直流基準電圧を表す信号から前記検出された
直流高電圧を表す信号を減算された差分を積分しかつ第
1の所定倍k1増幅するので、極めて高い整定性を有
し、出力電圧として所望のビーム加速電圧が得られ、か
つその変動も極めて小さく安定したものとなる。
Further, the integration / amplification means integrates the difference obtained by subtracting the detected signal representing the DC high voltage from the signal representing the DC reference voltage by the subtraction means, and the first predetermined multiple k 1 Since it is amplified, it has an extremely high settling property, a desired beam acceleration voltage can be obtained as an output voltage, and its fluctuation is extremely small and stable.

【0015】[0015]

【実施例】以下に本発明による好適一実施例を図面を参
照して説明する。当該実施例に示される加速電源部26
は、特に核融合プラズマの研究開発に使用されるジャイ
ロトロンに好適なものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT A preferred embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. Acceleration power supply unit 26 shown in the embodiment
Is particularly suitable for a gyrotron used for research and development of fusion plasma.

【0016】図1は、エネルギー回収ジャイロトロン
(Collector Potential Depr
essed Gyrotron)(以下「CPDジャイ
ロトロン」という。)と電源バイアスの概念を表す図で
ある。図1において、10はジャイロトロンを示し、こ
のジャイロトロン10は高磁場の磁気軸上に据えられた
電子銃12、空胴共振器14を含むボディ16、及びコ
レクタ18からなる真空管である。電子ビーム20は、
途中空胴共振器14内において電子サイクロトロンメー
ザの原理により電子の持つエネルギーが一部高周波のエ
ネルギーへと変換される。発振終了後の電子ビーム20
はコレクタ18で捕捉され発熱する。従来のジャイロト
ロンとその電源システムにおいては、高周波へのエネル
ギー変換効率は30%台で、ほとんどがコレクタで発熱
していた。そこで、前述したように、本実施例において
は、ボディ16とコレクタ18との間にインシュレータ
22を挿入して絶縁し、これらボディ16とコレクタ1
8間に減速電界を与え、電子の持つエネルギーを回収す
るシステムとしている。即ち、電源系を、カソード24
とボディ16間に電子へ加速電界を与える加速電源部2
6と発振電力を供給する電力供給電源部28とに分け、
エネルギー変換効率を高めている。
FIG. 1 shows an energy recovery gyrotron (Collector Potential Depr).
It is a figure showing the concept of an esed Gyrotron (henceforth "CPD gyrotron") and a power supply bias. In FIG. 1, reference numeral 10 denotes a gyrotron, which is a vacuum tube composed of an electron gun 12 mounted on a magnetic field of a high magnetic field, a body 16 including a cavity resonator 14, and a collector 18. The electron beam 20
In the cavity resonator 14 on the way, the energy of the electrons is partially converted into high-frequency energy by the principle of the electron cyclotron maser. Electron beam 20 after the end of oscillation
Is captured by the collector 18 and generates heat. In the conventional gyrotron and its power supply system, the efficiency of energy conversion into high frequencies is in the order of 30%, and most of them generate heat in the collector. Therefore, as described above, in the present embodiment, the insulator 22 is inserted between the body 16 and the collector 18 to insulate the body 16 and the collector 1.
A system for recovering the energy of electrons by applying a deceleration electric field between the eight. That is, the power supply system is connected to the cathode 24
Acceleration power supply unit 2 which gives an accelerating electric field to electrons between the body 16 and the body 16.
6 and a power supply unit 28 for supplying oscillation power,
Improves energy conversion efficiency.

【0017】加速電源部26の出力電圧は電力供給電源
部28に較べて大きいが、電流ははるかに小さく、低電
力である。しかし、ジャイロトロンの発振に直接影響を
与えるので、高安定化電源とする必要がある。
Although the output voltage of the acceleration power supply unit 26 is higher than that of the power supply power supply unit 28, the current is much smaller and the power is low. However, since it directly affects the oscillation of the gyrotron, it is necessary to use a highly stabilized power supply.

【0018】図2に、本発明による加速電源部26の一
実施例を結線図の形で示す。図2は、入力電力として三
相交流420V50Hzを用いている場合の加速電源部
26の構成を示している。降圧変圧器30により、交流
420Vを260Vに降圧し、ダイオード整流器32に
より、交流260Vを整流して直流350Vが得られ
る。なお、平滑リアクトルL1及びコンデンサC2は整流
された電圧の平滑化用である。34は、絶縁ゲート・バ
イポーラ・トランジスタ(IGBT(Insulate
d Gate Bipolar Transisto
r))とその保護用ダイオードD1とからなるスイッチ
ング部であり、36は、後に詳述するチョッパ制御部3
6である。チョッパ制御部36により制御されたスイッ
チング部34のIGBT TR1(詳細な構成は後述す
る。)は、ダイオード整流器32により得られた直流3
50Vをオン/オフして電流を調整し、直流250Vを
出力する。なお、D2はいわゆる還流ダイオードとして
作用する。加速電圧として必要な100kVのオーダの
直流電圧を得るため、スイッチング部34の出力に6台
のインバータ38を並列に接続して、各インバータ38
で直流250Vを5kHzの矩形波に変換し、各インバ
ータ38の出力に接続された高周波変圧器40によりほ
ぼ16.7kVに昇圧する。高圧用のファーストリカバ
リーダイオードを用いた整流器42が各高周波変圧器4
0の出力に接続され、かつ6つの整流器42のそれぞれ
の出力は直列に接続されている。各整流器42は、1
6.7kVに昇圧された矩形波電圧を整流し、6つの整
流器42の直列接続された出力側に直流100kV、3
00mAを出力する。参照番号46は、図1のジャイロ
トロン10のカソード24とボディ16間における入力
インピーダンスを等価的に表す。平滑リアクトルL2
びコンデンサC2〜C7はスイッチング部34の出力電圧
の平滑用である。なお、インバータ38、高周波変圧器
40及び整流器42により、いわゆるDC−DCコンバ
ータ方式が形成される。このように、5kHzという高
周波のインバータ38を採用しているため、特高側の静
電容量を小さく出来るので、加速電源部26の負荷とな
るジャイロトロン10の保護がインバータ38を高速遮
断することにより可能であるという特長を持つ。
FIG. 2 shows, in the form of a wiring diagram, an embodiment of the acceleration power supply unit 26 according to the present invention. FIG. 2 shows the configuration of the acceleration power supply unit 26 when a three-phase AC 420V 50Hz is used as the input power. The step-down transformer 30 steps down the AC 420V to 260V, and the diode rectifier 32 rectifies the AC 260V to obtain DC 350V. The smoothing reactor L 1 and the capacitor C 2 are for smoothing the rectified voltage. 34 is an insulated gate bipolar transistor (IGBT (Insulate)
d Gate Bipolar Transisto
r)) and the protective diode D1 thereof, and 36 is a chopper control unit 3 described in detail later.
It is 6. The IGBT TR1 (detailed configuration will be described later) of the switching unit 34 controlled by the chopper control unit 36 is the DC 3 obtained by the diode rectifier 32.
50V is turned on / off to adjust the current, and DC 250V is output. D2 acts as a so-called freewheeling diode. In order to obtain a DC voltage of the order of 100 kV required as an accelerating voltage, six inverters 38 are connected in parallel to the output of the switching unit 34 and each inverter 38
The DC voltage of 250V is converted into a rectangular wave of 5kHz by using the high frequency transformer 40 connected to the output of each inverter 38 to boost the voltage to approximately 16.7kV. Rectifier 42 using fast recovery diode for high voltage is used for each high frequency transformer 4
0 output and each output of the six rectifiers 42 are connected in series. Each rectifier 42 is 1
The rectangular wave voltage boosted to 6.7 kV is rectified, and DC 100 kV is applied to the output side of the six rectifiers 42 connected in series.
Outputs 00mA. Reference numeral 46 equivalently represents the input impedance between the cathode 24 and the body 16 of the gyrotron 10 of FIG. The smoothing reactor L 2 and the capacitors C 2 to C 7 are for smoothing the output voltage of the switching unit 34. The inverter 38, the high frequency transformer 40 and the rectifier 42 form a so-called DC-DC converter system. Since the inverter 38 having a high frequency of 5 kHz is used as described above, the capacitance on the extra high side can be reduced, so that the gyrotron 10 serving as the load of the acceleration power supply unit 26 can shut off the inverter 38 at high speed. It has the feature that

【0019】250Vから100kV(但し、6台のD
C−DCコンバータを出力側で直列接続したその出力電
圧である。)へ昇圧するため、高周波変圧器40は、高
周波でありながら、変圧比が高いことが必要である。さ
らに、ジャイロトロンは安定な加速電界を必要とするた
め、電圧リップルやオーバーシュートを嫌うので、イン
バータ38の制御にはパルス幅変調(PWM)制御を行
わず、デューティ50%の運転を基本とし、チョッパ制
御部36において全てPWM制御を行って出力電圧の制
御を実現している。
250V to 100kV (However, 6 units of D
This is the output voltage of a C-DC converter connected in series on the output side. ), The high-frequency transformer 40 needs to have a high transformation ratio while having a high frequency. Further, since the gyrotron needs a stable accelerating electric field, it dislikes voltage ripple and overshoot. Therefore, pulse width modulation (PWM) control is not performed for the control of the inverter 38, and a duty of 50% is basically used, PWM control is performed in the chopper control unit 36 to realize output voltage control.

【0020】初めに、核融合プラズマの研究開発に使用
されるジャイロトロンに好適な加速電源には特に高圧が
必要であり、その場合に本発明の加速電源と組み合わせ
ると好適な高周波変圧器について説明する。
First, a high-voltage transformer suitable for a gyrotron used for research and development of fusion plasma requires a particularly high voltage. In that case, a high-frequency transformer suitable for combination with the acceleration power source of the present invention will be described. To do.

【0021】高周波変圧器40の鉄心部はアモルファス
鉄心が用いられている。高周波変圧器40は、そのBm
axは0.3Tであり、その巻き線比は33.6対1で
あり、周波数5kHz(矩形波)を通す特性を有する。
図3は、高周波変圧器40の外観を示す。高周波変圧器
40の1次2次間の耐電圧は100kVと高くする必要
があり、そのため絶縁用ギャップを大きくとる必要があ
る。しかし、ギャップを大きくとると高周波変圧器40
のインピーダンスによる電圧ドロップが大きくなる。そ
こで、高周波変圧器40のインピーダンスを低く抑える
ために、図3に示されるように2次コイルを1次コイル
で挟む構造が取れらている。これにより、%インピーダ
ンスを10%としている。
An amorphous iron core is used for the iron core of the high frequency transformer 40. The high frequency transformer 40 has a Bm
The ax is 0.3T, the winding ratio is 33.6: 1, and the characteristic is that the frequency of 5 kHz (rectangular wave) is passed.
FIG. 3 shows the appearance of the high frequency transformer 40. The withstand voltage between the primary and secondary sides of the high-frequency transformer 40 needs to be as high as 100 kV, and therefore the insulating gap needs to be large. However, if the gap is large, the high frequency transformer 40
The voltage drop due to the impedance becomes large. Therefore, in order to suppress the impedance of the high frequency transformer 40 to a low level, a structure in which the secondary coil is sandwiched between the primary coils is taken as shown in FIG. As a result, the% impedance is set to 10%.

【0022】この高周波変圧器40を5kHzの矩形波
で動作させるため、高周波変圧器40の周波数特性には
正弦波で5kHz以上の余裕を持たせる必要がある。図
4に高周波変圧器40の周波数特性を示す。図4から、
上述及び図3に示す構造を採用することにより、ほぼ7
kHzまでゲインがフラットな特性が得られ、位相も1
0kHzまで目立った遅れが生じていないことが分か
る。なお、20kHzに共振点を持ちゲインが急峻に変
化しているが、実用上問題はないことが確認されてい
る。
In order to operate the high frequency transformer 40 with a rectangular wave of 5 kHz, the frequency characteristic of the high frequency transformer 40 needs to have a sine wave with a margin of 5 kHz or more. FIG. 4 shows the frequency characteristics of the high frequency transformer 40. From FIG.
By adopting the structure described above and shown in FIG.
Gain flat characteristics up to kHz and phase 1
It can be seen that there is no noticeable delay up to 0 kHz. It should be noted that although the resonance point is at 20 kHz and the gain changes sharply, it has been confirmed that there is no problem in practical use.

【0023】図5に、高周波変圧器40に5kHzの矩
形波を入力したときの出力波形を示す。図5から、矩形
波の形状を維持しつつ昇圧されていることが分かる。な
お、立ち上げ時に先の共振点の影響が現れ、オーバーシ
ュートが生じているが、実用上問題ないことが確認され
ている。
FIG. 5 shows an output waveform when a 5 kHz rectangular wave is input to the high frequency transformer 40. From FIG. 5, it can be seen that the voltage is boosted while maintaining the shape of the rectangular wave. It should be noted that although the influence of the above-mentioned resonance point appears at the time of startup and overshoot occurs, it has been confirmed that there is no practical problem.

【0024】次に、インバータ38の制御について説明
する。インバータ38の制御は、転流リップルを緩和す
るため、位相角を30°ずつずらして点弧制御してい
る。リップル抑制を主眼とするためにインバータ38で
はPWM制御を行っていない。図6は、低圧側を50V
で運転したときの各インバータ38の出力電圧波形の測
定結果を示す。図6におけるINV.1〜INV.6は
図2に示される6つのインバータ38のうちの上から順
にそれぞれのものに対応する。図6から、位相ずれなど
ない良好な結果であることが分かる。なお、インバータ
38をPWM制御しないことは、本発明には必ずしも必
要でなく、用途に応じてPWM制御を行っても良い。
Next, the control of the inverter 38 will be described. In order to alleviate the commutation ripple, the control of the inverter 38 shifts the phase angle by 30 ° and performs ignition control. The PWM control is not performed in the inverter 38 for the purpose of suppressing ripple. Figure 6 shows 50V on the low voltage side
The measurement result of the output voltage waveform of each inverter 38 at the time of driving is shown. The INV. 1-INV. 6 corresponds to each of the six inverters 38 shown in FIG. 2 in order from the top. It can be seen from FIG. 6 that the result is good with no phase shift. The PWM control of the inverter 38 is not always necessary for the present invention, and the PWM control may be performed according to the application.

【0025】最後に、本発明に特有のチョッパ制御につ
いて詳述する。図2に示すIGTBTR1は、実際には
1つのIGTBではなく、4つのIGTBを並列に接続
した構成からなる。従って、チョッパ回路は、600
V,100AのIGTBを4並列構成したものに、10
0μHの平滑リアクトルL2と合計が820μFで各々
が同じ容量を持つ6つのコンデンサC2〜C7により構成
されている。チョッパ制御部36の制御下で、スイッチ
ング部34は、10kHz周期のPWMチョッパ制御を
行っている。
Finally, the chopper control peculiar to the present invention will be described in detail. The IGTBTR1 shown in FIG. 2 actually has a configuration in which four IGTBs are connected in parallel instead of one IGTB. Therefore, the chopper circuit is 600
V, 100A IGTB in 4 parallel configuration 10
It is composed of a smoothing reactor L 2 of 0 μH and six capacitors C 2 to C 7 having a total capacitance of 820 μF and each having the same capacitance. Under the control of the chopper control unit 36, the switching unit 34 performs PWM chopper control with a 10 kHz cycle.

【0026】このチョッパ制御の制御対象モデルはチョ
ッパのスイッチングによって平滑リアクトルL2とコン
デンサC2〜C7の和の2次系として考えられ、サーボ系
の目的はコンデンサ電圧を制御することと考えて、図7
に示されるチョッパ制御の等価回路について解析する。
図7において、Lは、上記平滑リアクトルL2を表し、
Cは、上記コンデンサC2〜C7の和を表し、Sは図2の
TR1を表し、Dは図2のD2を表し、Rは負荷で、本
実施例の場合には図2の6つの整流器42の直列接続さ
れた出力に接続される図1のジャイロトロン10のボデ
ィ16とカソード24間の公称的な入力抵抗を表すもの
とする。そして、図7の(a)はスイッチSがオンの時
の状態を、また(b)はスイッチSがオフの時の状態を
示している。
The controlled object model of the chopper control is considered as a secondary system of the sum of the smoothing reactor L 2 and the capacitors C 2 to C 7 by switching the chopper, and the purpose of the servo system is to control the capacitor voltage. , Fig. 7
The equivalent circuit of the chopper control shown in Fig. 3 is analyzed.
In FIG. 7, L represents the smoothing reactor L 2 and
C represents the sum of the capacitor C 2 -C 7, S represents the TR1 in Figure 2, D represents D2 of FIG. 2, R is the load, in the case of the present embodiment six in FIG. 2 It is assumed that the nominal input resistance between the body 16 and the cathode 24 of the gyrotron 10 of FIG. 1 connected to the series connected output of the rectifier 42 is represented. 7A shows the state when the switch S is on, and FIG. 7B shows the state when the switch S is off.

【0027】スイッチSがオンの時の状態方程式は図7
の(a)より、次式のように表される。
The state equation when the switch S is on is shown in FIG.
From (a) of, it is expressed as the following equation.

【0028】[0028]

【数1】 さらに、スイッチSがオフの時の状態方程式は図7の
(b)より、次式のように表される。
[Equation 1] Further, the state equation when the switch S is off is represented by the following equation from FIG. 7B.

【0029】[0029]

【数2】 これらの2式について状態平均化法を用いると、次の式
にまとめられる。
[Equation 2] When the state averaging method is used for these two equations, they can be summarized as the following equations.

【0030】[0030]

【数3】 但し、DはPWMの通弧率即ち通流率(0<D<1)と
する。
[Equation 3] However, D is the PWM duty ratio, that is, the duty ratio (0 <D <1).

【0031】一方、出力方程式は次式で表せる。On the other hand, the output equation can be expressed by the following equation.

【0032】[0032]

【数4】 図8は、このシステムのサーボ系に後述する整定性を考
慮してコンデンサ電圧VC(加速電源部26の出力電
圧、即ち、ジャイロトロン10のボディ16とカソード
24間への印加電圧に相当)と所望の印加電圧を表す基
準電圧Vreffとの誤差eを積分して制御を行う積分制御
を導入したチョッパ制御の状態変数線図である。図8に
示された記号は一般の自動制御において用いられている
ものであるので、説明は省略する。図8において、プラ
ントと表示された破線内の系は式(3)に対応し、それ
は、図2に示された構成のうち通流率Dにおけるスイッ
チング部34から整流器42を経てジャイロトロン10
のボディ16とカソード24間(図1)の公称的な入力
抵抗Rまでの部分に対応する。図8において、破線の外
側の構成要素は、図2におけるチョッパ制御部36に対
応する。
[Equation 4] FIG. 8 shows a capacitor voltage V C (corresponding to the output voltage of the acceleration power supply unit 26, that is, the voltage applied between the body 16 and the cathode 24 of the gyrotron 10) in consideration of the settling property described later in the servo system of this system. FIG. 7 is a state variable diagram of chopper control in which an integral control for integrating and controlling an error e between a reference voltage V reff representing a desired applied voltage and control is introduced. Since the symbols shown in FIG. 8 are used in general automatic control, description thereof will be omitted. In FIG. 8, the system in the broken line labeled as a plant corresponds to the equation (3), which corresponds to the gyrotron 10 through the rectifier 42 from the switching unit 34 at the conduction ratio D in the configuration shown in FIG.
Corresponding to the part between the body 16 and the cathode 24 (FIG. 1) up to the nominal input resistance R. In FIG. 8, components outside the broken line correspond to the chopper control unit 36 in FIG.

【0033】図8に示すサーボ系において、f1及びf2
のフィードバック系を除き、かつプラントの入力(図の
Dの点)で切り離した拡大系を考えると、拡大系の状態
方程式は次式のように表すことができる。
In the servo system shown in FIG. 8, f 1 and f 2
Considering the expanded system which is separated by the plant input (point D in the figure) except for the feedback system of, the state equation of the expanded system can be expressed as the following equation.

【0034】[0034]

【数5】 このシステムのフィードバックを次式のように表すとす
る。
[Equation 5] The feedback of this system is expressed as the following equation.

【0035】[0035]

【数6】 但し、f1,f2及びkはリアクトル電流iL、コンデン
サ電圧vC及び積分zのそれぞれのゲインを表す。式
(6)は、図8に示される、リアクトル電流iLをf1
イン要素(実際には増幅器)50により増幅し、コンデ
ンサ電圧VCをf2ゲイン要素(実際には増幅器)52に
より増幅し、これらの出力を加算器54により加え、こ
の出力を、積分器56の出力zをkゲイン要素(実際に
は増幅器)58の出力から減算器60により減算してプ
ラントの入力Dとして入力する部分に対応する。なお、
図8に示される各VC及びiLは、実際には、図2に示さ
れる検出手段により次のとおり検出される。整流器42
の直列接続された出力の電圧を抵抗分割器で分割しかつ
差動タイプで検出する第1検出部70は、基準電圧V
reffと比較されるコンデンサ電圧VCを検出している。
インバータ38の入力電圧を抵抗分割器で分割して検出
する第2検出部72は、f2ゲイン要素52に入力され
るVCを検出している。iLはリアクトル電流検出部74
により検出される。また、図8のプラント内の1/CR
及び1/Lの要素に入力されるVCは、第1検出部70
で検出したものを用いている。
[Equation 6] However, f 1 , f 2 and k represent respective gains of the reactor current i L , the capacitor voltage v C and the integral z. Expression (6) is obtained by amplifying the reactor current i L by the f 1 gain element (actually amplifier) 50 and amplifying the capacitor voltage V C by the f 2 gain element (actually amplifier) 52 shown in FIG. Then, these outputs are added by the adder 54, and this output is input as the input D of the plant by subtracting the output z of the integrator 56 from the output of the k gain element (actually amplifier) 58 by the subtractor 60. Corresponds to the part. In addition,
Each V C and i L shown in FIG. 8 is actually detected by the detecting means shown in FIG. 2 as follows. Rectifier 42
The first detection unit 70 which divides the voltage of the output connected in series by the resistor divider and detects the voltage of the differential type by the reference voltage V
It detects the capacitor voltage V C which is compared with reff .
The second detection unit 72, which detects the input voltage of the inverter 38 by dividing it with a resistance divider, detects V C input to the f 2 gain element 52. i L is the reactor current detector 74
Detected by. Moreover, 1 / CR in the plant of FIG.
And V C input to the 1 / L element are the first detection unit 70.
It uses the one detected in.

【0036】式(6)を拡大系の状態方程式である式
(5)に代入すると、次式が得られる。
By substituting the equation (6) into the equation (5) which is the state equation of the expansion system, the following equation is obtained.

【0037】[0037]

【数7】 これより、出力方程式の式(4)と併せて伝達関数を求
めると、次式が得られる。
[Equation 7] From this, when the transfer function is obtained together with the equation (4) of the output equation, the following equation is obtained.

【0038】[0038]

【数8】 ジャイロトロンの加速電源はオーバーシュートを嫌うの
で、式(8)の特性方程式が負の実根を持ち、かつこれ
に平滑リアクトルL即ち、図2のL2が過電流にならな
いようにすることが必要である。これを満足させるフィ
ードバックゲインf1,f2及びkの値を決定する。
[Equation 8] Since the gyrotron acceleration power supply dislikes overshoot, it is necessary that the characteristic equation of equation (8) has a negative real root and that the smoothing reactor L, that is, L 2 in FIG. 2 does not become an overcurrent. Is. The values of the feedback gains f 1 , f 2 and k that satisfy this are determined.

【0039】図9に、f1=2.3×10-3,f2=1.
5×10-3及びk=1.3としたときのMATLABシ
ミュレーションコードを用いて低圧出力vc即ちコンデ
ンサC2〜C7にかかる電圧のステップ応答の計算結果を
示す。
In FIG. 9, f 1 = 2.3 × 10 −3 , f 2 = 1.
The calculation result of the step response of the voltage applied to the low voltage output v c, that is, the capacitors C 2 to C 7 is shown by using the MATLAB simulation code when 5 × 10 −3 and k = 1.3.

【0040】図10は、負荷抵抗R=490kΩとした
時のリアクトル電流及び特高出力電圧(即ち、図2の6
台の整流器42の直列接続された出力電圧)のステップ
応答計測結果を示す。
FIG. 10 shows the reactor current and the extra-high output voltage (that is, 6 in FIG. 2) when the load resistance R = 490 kΩ.
The step response measurement result of the serially connected output voltage of the rectifier 42 of the stand is shown.

【0041】図9及び図10から、およそ20msで応
答し、計算結果と計測結果とが一致していることが分か
る(但し、計測結果は特高側出力電圧である。)。
It can be seen from FIGS. 9 and 10 that the response is about 20 ms, and the calculation result and the measurement result match (however, the measurement result is the extra-high-side output voltage).

【0042】本実施例の加速電源部26を用いて、本出
願人と東芝と共同開発した周波数110GHzのCPD
ジャイロトロンE3972を用いた実動作試験を行った
結果を図11に示す。CPDジャイロトロンのカソード
とコレクタ間の電圧VCは43kVで、コレクタに流れ
ている電流Icは17Aである。一方、加速電源電圧Va
は77kVでその出力電流Iaは66mAで、加速電源
電圧の安定度及び整定性も±0.5%を満足している。
CPDジャイロトロン発振動作時間は5秒間であり、こ
れは従来の動作時間が長くて10ミリ秒であるのに比
し、飛躍的に長時間である。この間、発振電力は350
kWで、エネルギー変換効率も従来の30%台から飛躍
的に上昇し48%に達した。このように、秒オーダでか
つ数百kWの発振でエネルギー変換効率を48%にまで
高めたのは本実験が世界で初めてであり、本実施例の有
用性を実証している。
A CPD with a frequency of 110 GHz jointly developed by the present applicant and Toshiba using the acceleration power supply unit 26 of this embodiment.
The result of an actual operation test using the gyrotron E3972 is shown in FIG. The voltage V C between the cathode and collector of the CPD gyrotron is 43 kV, and the current I c flowing through the collector is 17 A. On the other hand, the acceleration power supply voltage V a
Is 77 kV, its output current I a is 66 mA, and the stability and settling of the acceleration power supply voltage satisfy ± 0.5%.
The operation time of the CPD gyrotron oscillation is 5 seconds, which is far longer than the conventional operation time of 10 milliseconds. During this time, the oscillation power is 350
At kW, the energy conversion efficiency has dramatically increased from the conventional 30% level to 48%. As described above, this experiment is the first in the world to raise the energy conversion efficiency to 48% by the oscillation of several seconds and several hundred kW, thus demonstrating the usefulness of this embodiment.

【0043】[0043]

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、次のとおりの作用効果を奏する。即ち、チ
ョッパ制御に積分制御と状態フィードバック制御とを併
用し、かつ系の伝達関数の特性方程式が負の実根を持つ
ようにして、オーバーシュートすることなく、例えば2
0msの高速立ち上げが可能となる。
Since the present invention is constructed as described above, it has the following operational effects. That is, the integral control and the state feedback control are used in combination with the chopper control, and the characteristic equation of the transfer function of the system has a negative real root so that, for example, 2
High-speed startup of 0 ms is possible.

【0044】また、ジャイロトロンのカソードとボディ
間の動作時における入力インピーダンスの変動により、
従来の比例制御のみのフィードバック系では所望の電圧
に収斂しない、場合が生じ、整定性が悪いという問題に
対して、積分制御を採用することにより、必ず所望の電
圧にしかも0.1%のオーダに収斂し、極めて高い整定
性が可能となる。
Further, due to the fluctuation of the input impedance during the operation between the cathode and the body of the gyrotron,
In the conventional feedback system using only proportional control, in some cases the desired voltage is not converged, and the settling property is poor. It is possible to achieve extremely high stability.

【0045】オーバーシュートがなく、極めて高い整定
性を有する本発明の加速電源を用いることにより、ジャ
イロトロンを安定なモードの上限電圧近くで動作させる
ことが可能となり、ジャイロトロンのエネルギー変換効
率を著しく高めることが可能となる。例えば、ジャイロ
トロンのエネルギー変換効率を向上させるためのCPD
ジャイロトロンを駆動するのに必要な秒オーダの長パル
スジャイロトロン加速電源が可能である。
By using the accelerating power source of the present invention having no overshoot and having extremely high settling property, it becomes possible to operate the gyrotron near the upper limit voltage of the stable mode, and the energy conversion efficiency of the gyrotron is remarkably improved. It is possible to raise it. For example, CPD for improving the energy conversion efficiency of gyrotron
A long pulse gyrotron accelerating power source of the order of seconds required to drive the gyrotron is possible.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】エネルギー回収(CPD)ジャイロトロンと電
源バイアスの概念を表す図である。
FIG. 1 is a diagram illustrating the concept of energy recovery (CPD) gyrotron and power supply bias.

【図2】本発明によるジャイロトロン用加速電源の一実
施例を結線図の形で示す。
FIG. 2 is a connection diagram showing an embodiment of an acceleration power supply for a gyrotron according to the present invention.

【図3】図2に示す実施例の高周波変圧器40の外観を
示す。
FIG. 3 shows an appearance of a high frequency transformer 40 of the embodiment shown in FIG.

【図4】高周波変圧器40の周波数特性を示す。FIG. 4 shows frequency characteristics of a high frequency transformer 40.

【図5】高周波変圧器40に5kHzの矩形波を入力し
たときの出力波形を示すオシロ波形の写真である。
FIG. 5 is a photograph of an oscilloscope waveform showing an output waveform when a 5 kHz rectangular wave is input to the high frequency transformer 40.

【図6】低圧側を50Vで運転したときの図2の各イン
バータ38の出力電圧波形の測定結果を示すオシロ波形
の写真である。なお、INV.1〜INV.6は図2に
示される6つのインバータ38のうちの上から順にそれ
ぞれのものに対応する。
6 is a photograph of an oscilloscope waveform showing the measurement result of the output voltage waveform of each inverter 38 of FIG. 2 when the low voltage side is operated at 50V. INV. 1-INV. 6 corresponds to each of the six inverters 38 shown in FIG. 2 in order from the top.

【図7】チョッパ制御の等価回路を示す図であり、
(a)はスイッチSがオンの時の状態を、また(b)は
スイッチSがオフの時の状態を示している。
FIG. 7 is a diagram showing an equivalent circuit of chopper control,
(A) shows the state when the switch S is on, and (b) shows the state when the switch S is off.

【図8】本発明による積分制御を導入したチョッパ制御
の状態変数線図である。
FIG. 8 is a state variable diagram of chopper control in which integral control according to the present invention is introduced.

【図9】f=2.3×10−3,f=1.5×10
−3及びk=1.3としたときのMATLABシミュレ
ーションコードを用いて低圧出力Vのステップ応答の
計算結果を示す図である。
FIG. 9: f 1 = 2.3 × 10 −3 , f 2 = 1.5 × 10
Using MATLAB simulation code when the -3 and k = 1.3 is a diagram showing calculation results of the step response of the low-pressure output V c.

【図10】負荷抵抗R=490kΩとした時のリアクト
ル電流及び特高出力電圧のステップ応答計測結果を示す
オシロ波形の写真である。
FIG. 10 is a photograph of an oscilloscope waveform showing the step response measurement results of the reactor current and the extra-high output voltage when the load resistance R = 490 kΩ.

【図11】本実施例の加速電源部26を用いて、周波数
110GHzのCPDジャイロトロンE3972を用い
た実動作試験を行った結果を示すオシロ波形の写真であ
る。
FIG. 11 is an oscillographic waveform photograph showing the results of an actual operation test using a CPD gyrotron E3972 with a frequency of 110 GHz, using the acceleration power supply unit 26 of the present embodiment.

【図12】ジャイロトロン装置用の従来の2電源型電源
システムの構成を示す図である。
FIG. 12 is a diagram showing a configuration of a conventional dual power supply type power supply system for a gyrotron device.

【図13】LCフィルタを用いない従来の直流平滑回路
の構成を示す図である。
FIG. 13 is a diagram showing a configuration of a conventional DC smoothing circuit that does not use an LC filter.

【図14】ジャイロトロンの発振に関するモード特性の
概念を示す図である。
FIG. 14 is a diagram showing a concept of mode characteristics related to oscillation of a gyrotron.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

26 加速電源部 34 スイッチング部 36 チョッパ制御部 38 インバータ 40 高周波変圧器 42 整流器 50 fゲイン要素 52 fゲイン要素 54 加算器 56 積分器 58 kゲイン要素 60 減算器 70 第1検出部 72 第2検出部 74 リアクトル電流検出部26 Acceleration Power Supply Section 34 Switching Section 36 Chopper Control Section 38 Inverter 40 High Frequency Transformer 42 Rectifier 50 f 1 Gain Element 52 f 2 Gain Element 54 Adder 56 Integrator 58 k Gain Element 60 Subtractor 70 First Detection Section 72 Second Detector 74 Reactor current detector

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 今井 剛 茨城県那珂郡那珂町大字向山801番地の 1 日本原子力研究所那珂研究所内 (72)発明者 浅香 敏夫 栃木県佐野市並木町613−9 (72)発明者 飯山 俊光 栃木県安蘇郡田沼町大字田沼195 (56)参考文献 特開 昭59−12544(JP,A) 特開 平6−76748(JP,A) 特開 平3−164068(JP,A) 特開 平6−290880(JP,A) 実開 昭61−90150(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01J 23/34 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Go Imai Tsuyoshi Imai 801 Mukaiyama, Naka-machi, Naka-gun, Naka-gun, Ibaraki Prefecture 1 In the Naka Institute of the Japan Atomic Energy Research Institute (72) Toshio Asaka 613-9 Namikicho, Sano-shi, Tochigi Prefecture ( 72) Inventor Toshimitsu Iiyama 195, Tanuma, Tanuma-cho, Anso-gun, Tochigi Prefecture (56) Reference JP 59-12544 (JP, A) JP 6-76748 (JP, A) JP 3-164068 (JP) , A) Japanese Unexamined Patent Publication No. 6-290880 (JP, A) SAI 61-90150 (JP, U) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) H01J 23/34

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 電子ビームを発生する電子銃部を構成す
るカソード部及びアノード部と、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
振する空胴共振器を含むボディ部と、相互作用を行って
後に電子ビームを捕捉するコレクタ部とを有するジャイ
ロトロン装置であって、前記カソード部及び前記ボディ
部間に電圧を印加するための加速電源装置と、前記カソ
ード部及び前記コレクタ部間に電圧を印加するための電
力供給電源装置とにより電力を受けて動作するジャイロ
トロン装置に用いられる加速電源装置において、 通流率Dのパルス幅変調を行う直流チョッパ手段であっ
て、入力される直流電圧をオン/オフするスイッチング
手段と、当該スイッチング手段のオン/オフを制御する
チョッパ制御手段と、前記スイッチング手段の出力電圧
を平滑化する平滑化手段とを含む直流チョッパ手段と、 前記直流チョッパ手段の出力直流電圧を高周波の交流電
圧に変換するインバータ手段と、 前記インバータ手段の出力交流電圧を昇圧する高周波変
圧手段と、 前記高周波変圧手段の出力交流電圧を整流して前記カソ
ード部及び前記ボディ部間に印加するために用いられる
直流高電圧を得る整流手段と、 前記整流手段の出力直流高電圧を表す電圧を検出して当
該検出された直流高電圧を表す信号を発生する手段と、 前記整流手段の所望の出力直流電圧を指示する直流基準
電圧を表す信号を発生する手段とを備え、 前記チョッパ制御手段が、 前記直流基準電圧を表す信号から前記検出された直流高
電圧を表す信号を減算する手段と、 前記の減算手段の出力を積分しかつ第1の所定倍k1
幅する積分・増幅手段と、 前記検出された直流高電圧を表す信号を第2の所定倍f
2増幅する手段と、 前記直流チョッパ手段の出力直流電流を表す電流を検出
して当該検出された直流チョッパ出力電流を表す信号を
第3の所定倍f1増幅する手段と、 第2の所定倍f2増幅された前記検出された直流高電圧
を表す信号に第3の所定倍f1増幅された前記検出され
た直流チョッパ出力電流を表す信号を加算する手段と、 前記積分・増幅手段の出力から前記の加算手段の出力を
減算して前記通流率Dを発生して前記スイッチング手段
のオン/オフを制御する減算手段とを含み、 前記直流チョッパ手段の入力と前記整流手段の出力の間
の伝達関数の特性方程式が負の実根を有することを特徴
とするジャイロトロン装置用加速電源装置。
1. A body including a cathode part and an anode part which constitute an electron gun part for generating an electron beam, and a cavity resonator which interacts with the electron beam generated from the cathode part and oscillates a high power high frequency. A gyrotron device having a collector part and a collector part for trapping an electron beam after interacting with each other, an acceleration power supply device for applying a voltage between the cathode part and the body part, the cathode part, and A DC chopper means for performing pulse width modulation of a conduction ratio D in an accelerating power supply device used in a gyrotron device which operates by receiving power from a power supply power supply device for applying a voltage between the collector parts. Switching means for turning on / off the input DC voltage, chopper control means for controlling on / off of the switching means, and DC chopper means including smoothing means for smoothing the output voltage of the switching means, inverter means for converting the output DC voltage of the DC chopper means into high frequency AC voltage, and boosting the output AC voltage of the inverter means. A high-frequency transformer, a rectifier that rectifies the output alternating voltage of the high-frequency transformer to obtain a direct current high voltage used for applying between the cathode part and the body part, and an output direct current high voltage of the rectifier. And a means for generating a signal representing the detected high DC voltage, and a means for generating a signal representing a DC reference voltage indicating a desired output DC voltage of the rectifying means, the chopper The control means subtracts a signal representing the detected DC high voltage from the signal representing the DC reference voltage, and an output of the subtraction means. A minute vital first predetermined factor k 1 integrating-amplifier means for amplifying a signal representative of the detected DC high voltage second predetermined factor f
2 means for amplifying, a means for detecting a current representing an output direct current of the direct current chopper means, and amplifying a signal representing the detected direct current chopper output current by a third predetermined multiple f 1, and a second predetermined multiple and means for adding a signal representative of a third predetermined times f 1 amplified the detected DC chopper output current signal representing the f 2 amplified the detected DC high voltage, the output of the integrator-amplifier means Between the input of the DC chopper means and the output of the rectifying means, the subtracting means controlling the ON / OFF of the switching means by generating the conduction ratio D by subtracting the output of the adding means from An accelerating power supply device for a gyrotron device, characterized in that the characteristic equation of the transfer function of has a negative real root.
【請求項2】 請求項1記載のジャイロトロン装置用加
速電源装置において、 前記平滑化手段が、一端が前記直流チョッパ手段の出力
に結合されるインダクタと、当該インダクタの他端と加
速電源装置の共通ライン間に接続されるコンデンサとを
含むことを特徴とするジャイロトロン装置用加速電源装
置。
2. The acceleration power supply device for a gyrotron device according to claim 1, wherein the smoothing means has an inductor whose one end is coupled to the output of the DC chopper means, and the other end of the inductor and the acceleration power supply device. An acceleration power supply device for a gyrotron device, comprising: a capacitor connected between common lines.
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