JP3812119B2 - Pulse power supply - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば線形加速器やパルスレーザ等にパルス電力を供給するパルスクライストロンの駆動等に用いられるものであってパルス形成回路網を含むパルス電源装置に関し、より具体的には、その出力パルスの立上りおよび立下り時間と平坦度とを両立させる手段に関する。
【0002】
【従来の技術】
図2は、従来のパルス電源装置をパルスクライストロンの駆動に用いた例を示す回路図であり、図3は、図2の回路のパルス電源装置周りの等価回路図である。
【0003】
このパルス電源装置1は、複数のリアクトル(通常はこの例のように可変リアクトル)6および複数のコンデンサ8を梯子形(ラダー形)に接続して成るパルス形成回路網(PFN)4と、このパルス形成回路網4の出力側から数えて初段のリアクトル6(これを特に符号6aで示す)に直列に接続された出力スイッチ10と、このパルス形成回路網の最終段に接続されていて当該パルス形成回路網4(より具体的にはその各コンデンサ8)を充電する直流の充電電源2とを備えている。出力スイッチ10は、この例ではサイラトロンで構成されているが、それに限られるものではない。
【0004】
この出力スイッチ10の出力側(具体的にはサイラトロンのカソード)と初段のコンデンサ8(これを特に符号8aで示す)の接地電位側との間には、この例では、パルストランス14が接続されており、このパルストランス14には高周波電力増幅用のパルスクライストロン(パルス動作形のクライストロン)16が接続されており、このパルスクライストロン16からのパルス電力Pが線形加速器20に供給される。この例では、これらのパルストランス14、パルスクライストロン16および線形加速器20が、図3中に示す負荷24を構成している。この負荷24と出力スイッチ10との間には、パルストランス14の漏れインダクタンスを含めたラインインダクタンス22が不可避的に存在する。なお、クリッパ回路12は、パルスクライストロン16のブレークダウン時のコンデンサ8等の機器の保護用のものであり、この発明の本質に影響するものではない。
【0005】
充電電源2でパルス形成回路網4を充電した状態において出力スイッチ10をオンすると、各コンデンサ8から電荷が放電されてパルス形成回路網4から所定の波形のパルスが出力され、それが出力スイッチ10およびパルストランス14を経由してパルスクライストロン16に供給されてそこで増幅され、パルス電力Pとなって線形加速器20に供給される。このパルス電源装置1から出力される出力パルスは、方形パルスに近い台形状の波形をしており、そのパルス幅は例えば数μs〜数ms程度、波高値は例えば数十kV〜数百kV程度である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようなパルス電源装置1およびパルスクライストロン16等を例えば線形加速器の駆動に用いる場合、当該線形加速器において荷電粒子ビーム(例えば電子ビームやイオンビーム)の均一な加速を得るためには、パルス電力Pの、即ちパルス電源装置1から出力してパルスクライストロン16に印加する出力パルスの平坦部の平坦度を良くする必要がある。
【0007】
また一方で、パルス電源装置1からパルスクライストロン16に印加する出力パルスの立上りおよび立下りを速くして平坦部を長く取ることによって、パルスクライストロン16の効率を上げる必要がある。
【0008】
このパルス電源装置1からの出力パルスの立上りおよび立下りは、パルス形成回路網4の初段のリアクトル6aのインダクタンスL1 、同初段のコンデンサ8aの静電容量C1 およびラインインダクタンス22のインダクタンスL0 で規定される時定数で決まる。具体的には、簡単に言うとほぼ2√{(L0 +L1 )・C1 }で決まる。従って、インダクタンス(L0 +L1 )が小さい程、出力パルスの立上りおよび立下りは速くなる。
【0009】
一方、上記出力パルスの平坦度は、インダクタンス(L0 +L1 )が大きい程、当該インダクタンスによって十分にリップルが抑えられるので良くなる。
【0010】
このように、出力パルスの立上りおよび立下り時間と平坦度とは相反する関係にあり、従来は両者を両立させることが困難であった。
【0011】
そこでこの発明は、出力パルスの平坦度を良くし、かつ立上りおよび立下り時間を短くすることができるパルス電源装置を提供することを主たる目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
この発明のパルス電源装置は、前記初段のリアクトルに並列に、前記パルス形成回路網を構成する初段のコンデンサよりも小容量のバイパスコンデンサと共振抑制用抵抗とを直列接続して成るバイパス回路を接続したことを特徴としている。
【0013】
上記構成によれば、出力パルスの立上りおよび立下りの過渡時では出力電流は殆どがバイパス回路を通して流れ、立上りおよび立下り時以外では出力電流は殆どがパルス形成回路網の初段のリアクトルを通して流れる。従って、出力パルスの立上りおよび立下り時間は、パルス形成回路網の初段のリアクトルのインダクタンスに殆ど依存しなくなる。しかも、バイパス回路を構成するバイパスコンデンサの静電容量を、パルス形成回路網の初段のコンデンサの静電容量よりも小さくしているので、出力パルスの立上りおよび立下り時間は、パルス形成回路網の初段のコンデンサの静電容量にも殆ど依存しなくなる。従って、出力パルスの立上りおよび立下り時間を規定する要素としては、上記バイパスコンデンサの静電容量CB および出力側の前述したラインインダクタンスのインダクタンス値L0 が支配的となり、出力パルスの立上りおよび立下り時間はほぼ2√(L0 ・CB )によって決まる。
【0014】
その結果、パルス形成回路網の初段のリアクトルのインダクタンスを大きくして出力パルスの平坦度を良くすることが可能になり、しかもそのようにしても上記理由から出力パルスの立上りおよび立下り時間を短く維持することが可能になる。
【0015】
【発明の実施の形態】
図1は、この発明に係るパルス電源装置の一例を示す等価回路図である。図3の従来例と同一または相当する部分には同一符号を付し、以下においては当該従来例との相違点を主に説明する。
【0016】
この実施例のパルス電源装置1aにおいては、前述したパルス形成回路網4を構成する初段のリアクトル6aに並列に、同パルス形成回路網4を構成する初段のコンデンサ8aよりも小容量のバイパスコンデンサ26と共振抑制用抵抗28とを直列接続して成るバイパス回路30を接続している。
【0017】
バイパスコンデンサ26の方を小容量とするのは、仮にそれと反対にすると、出力パルスの立上りおよび立下り時におけるバイパスコンデンサ26の充電および放電に長時間がかかり、出力パルスの立上りおよび立下りが遅くなるからである。このバイパスコンデンサ26の静電容量CB は、パルス形成回路網の初段のコンデンサ8aの静電容量C1 に比べて十分に小さくするのが好ましい。例えば、バイパスコンデンサ26の静電容量CB は初段のコンデンサ8aの静電容量C1 の1/5〜1/20程度にするのが好ましく、1/10前後がより好ましい。
【0018】
共振抑制用抵抗28は、出力パルスの立上りおよび立下りの過渡時に上記バイパスコンデンサ26とラインインダクタンス22とで生じる直列共振(寄生振動)を抑制することができる程度の小さい抵抗値のもので良い。例えば、この共振抑制用抵抗28の抵抗値は、数十Ω〜数百Ω程度で良い。
【0019】
このパルス電源装置1aにおいては、出力パルスの立上りおよび立下りの過渡時では出力電流は殆どがバイパス回路30を通して流れ、立上りおよび立下り時以外では出力電流は殆どがパルス形成回路網4の初段のリアクトル6aを通して流れる。これは、定性的に言えば、出力パルスの立上り時は、パルス形成回路網4の初段のコンデンサ8aからの電荷がまずバイパスコンデンサ26を充電するように流れ、バイパスコンデンサ26の充電後はコンデンサ8aからの電荷はリアクトル6aを経由して流れるからである。これを定量的に言えば、出力パルスの立上りおよび立下りの過渡時は周波数(角周波数)ωが極めて高いために、リアクトル6aのインピーダンス(=ωL1 )に比べてバイパス回路30のインピーダンス(≒1/ωCB 。共振抑制用抵抗28の抵抗値は前述したように小さいので無視する。)の方が遙かに小さくなり、立上りおよび立下り時以外では周波数ωが非常に小さいために、上記とは逆にリアクトル6aのインピーダンスの方がバイパス回路30のインピーダンスに比べて遙かに小さくなるからである。従って、出力パルスの立上りおよび立下り時間は、リアクトル6aのインダクタンスL1 に殆ど依存しなくなる。
【0020】
しかも、バイパスコンデンサ26の静電容量CB を、パルス形成回路網4の初段のコンデンサ8aの静電容量C1 よりも上記のように小さくしているので、出力パルスの立上りおよび立下り時間は、パルス形成回路網4の初段のコンデンサ8aの静電容量C1 にも殆ど依存しなくなる。これは、出力パルスの立上りおよび立下り時に形成されるコンデンサ8aとバイパスコンデンサ26との直列回路の合成静電容量は、値の小さい方の静電容量CB に殆ど支配されるからである。
【0021】
従って、出力パルスの立上りおよび立下り時間を規定する要素としては、バイパスコンデンサ26の静電容量CB および出力側の前述したラインインダクタンス22のインダクタンス値L0 が支配的となり、出力パルスの立上りおよび立下り時間はほぼ2√(L0 ・CB )によって決まる。
【0022】
その結果、パルス形成回路網4の初段のリアクトル6aのインダクタンスL1 を大きくして出力パルスの平坦度を良くすることが可能になり、しかもそのようにしても上記理由から出力パルスの立上りおよび立下り時間を短く維持することが可能になる。即ち、出力パルスの平坦度を良くし、かつ立上りおよび立下り時間を短くすることができる。このような効果が、簡単なバイパス回路30を付加することで得られる。
【0023】
なお、このパルス電源装置1aは、パルスクライストロンの駆動以外にも、また線形加速器の電源以外にも、勿論用いることができる。
【0024】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、出力パルスの立上りおよび立下り時間が、パルス形成回路網の初段のリアクトルのインダクタンスに殆ど依存しなくなるので、当該リアクトルのインダクタンスを大きくして出力パルスの平坦度を良くすることが可能になり、しかもそのようにしても出力パルスの立上りおよび立下り時間を短く維持することが可能になる。即ち、出力パルスの平坦度を良くし、かつ立上りおよび立下り時間を短くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に係るパルス電源装置の一例を示す等価回路図である。
【図2】従来のパルス電源装置をパルスクライストロンの駆動に用いた例を示す回路図である。
【図3】図2の回路のパルス電源装置周りの等価回路図である。
【符号の説明】
1a パルス電源装置
2 充電電源
4 パルス形成回路網
6 リアクトル
6a 初段のリアクトル
8 コンデンサ
8a 初段のコンデンサ
10 出力スイッチ
26 バイパスコンデンサ
28 共振抑制用抵抗
30 バイパス回路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a pulse power supply device including a pulse forming circuit network, which is used for driving a pulse klystron for supplying pulse power to, for example, a linear accelerator or a pulse laser. The present invention relates to means for achieving both rise and fall times and flatness.
[0002]
[Prior art]
FIG. 2 is a circuit diagram showing an example in which a conventional pulse power supply device is used for driving a pulse klystron, and FIG. 3 is an equivalent circuit diagram around the pulse power supply device of the circuit of FIG.
[0003]
The pulse
[0004]
In this example, a
[0005]
When the
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
When the pulse
[0007]
On the other hand, it is necessary to increase the efficiency of the
[0008]
The rise and fall of the output pulse from the pulse
[0009]
On the other hand, the flatness of the output pulse becomes better as the inductance (L 0 + L 1 ) is larger because the ripple is sufficiently suppressed by the inductance.
[0010]
Thus, the rise and fall times of the output pulse and the flatness are in a contradictory relationship, and conventionally it has been difficult to achieve both.
[0011]
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is a primary object of the present invention to provide a pulse power supply device capable of improving the flatness of output pulses and shortening the rise and fall times.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In the pulse power supply device of the present invention, a bypass circuit formed by serially connecting a bypass capacitor having a smaller capacity than a capacitor of the first stage constituting the pulse forming circuit network and a resistor for suppressing resonance is connected in parallel with the reactor of the first stage. It is characterized by that.
[0013]
According to the above configuration, most of the output current flows through the bypass circuit when the output pulse rises and falls, and most of the output current flows through the first stage reactor of the pulse forming circuit network except during the rise and fall. Accordingly, the rise and fall times of the output pulse are almost independent of the inductance of the first stage reactor of the pulse forming network. Moreover, since the capacitance of the bypass capacitor constituting the bypass circuit is smaller than the capacitance of the capacitor in the first stage of the pulse forming circuit network, the rise and fall times of the output pulse are It hardly depends on the capacitance of the first stage capacitor. Therefore, as the factors defining the rise and fall times of the output pulse, the capacitance C B of the bypass capacitor and the inductance value L 0 of the line inductance on the output side are dominant, and the rise and rise of the output pulse are dominant. The down time is determined approximately by 2√ (L 0 · C B ).
[0014]
As a result, it is possible to improve the flatness of the output pulse by increasing the inductance of the reactor in the first stage of the pulse forming network, and even so, the rise and fall times of the output pulse are shortened for the above reasons. It becomes possible to maintain.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is an equivalent circuit diagram showing an example of a pulse power supply device according to the present invention. Portions that are the same as or correspond to those in the conventional example of FIG. 3 are denoted by the same reference numerals, and differences from the conventional example will be mainly described below.
[0016]
In the pulse power supply device 1a of this embodiment, a
[0017]
If the
[0018]
The
[0019]
In this pulse power supply device 1a, most of the output current flows through the
[0020]
Moreover, since the capacitance C B of the
[0021]
Therefore, as the elements that define the rise and fall times of the output pulse, the capacitance C B of the
[0022]
As a result, it is possible to increase the inductance L 1 of the reactor 6a in the first stage of the
[0023]
The pulse power supply device 1a can be used other than the drive of the pulse klystron and the power supply of the linear accelerator.
[0024]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the rise and fall times of the output pulse hardly depend on the inductance of the reactor in the first stage of the pulse forming circuit network. Therefore, the flatness of the output pulse is increased by increasing the inductance of the reactor. In this case, the rise and fall times of the output pulse can be kept short. That is, the flatness of the output pulse can be improved, and the rise and fall times can be shortened.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an equivalent circuit diagram showing an example of a pulse power supply device according to the present invention.
FIG. 2 is a circuit diagram showing an example in which a conventional pulse power supply device is used for driving a pulse klystron.
FIG. 3 is an equivalent circuit diagram around the pulse power supply device of the circuit of FIG. 2;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1a Pulse
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