JP3918996B2 - Power supply for gyrotron - Google Patents
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Description
【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108と、カソード部106より発生した電子ビーム104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108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124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152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124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130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、前記カソード部と前記ボディ部との間に電圧を印加するための加速電源部と、前記カソード部と前記コレクタ部との間に電力を印加する電力供給電源と、前記ボディ部と前記カソード部との間に接続された分圧手段であって、前記加速電源部の電圧を分圧して生成した分圧電圧を前記アノード部に印加する分圧手段と、前記カソード部と前記加速電源部及び前記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であって、前記カソード部と前記分圧手段との接続点と前記加速電源部のマイナス極と前記電力供給電源のマイナス極との接続点との間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126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2928159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22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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a new configuration of a power source for oscillating a gyrotron device. The gyrotron device is an electron tube whose operation principle is a cyclotron maser action. The gyrotron device is mainly used as a plasma heating device for fusion research as a high-power high-frequency source from millimeter wave to submillimeter wave.
[0002]
[Prior art]
FIG. 5 illustrates the configuration of the prior art for oscillating the gyrotron device. The
[0003]
Conventionally, each
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in order to achieve the voltage stability of ± 0.5%, a relatively large filter (not shown in FIG. 5) is required for the output of the
[0005]
An object of the present invention is to provide a power supply capable of overcoming the above-described problems and modulating the output of the power supply in the oscillation of the gyrotron device.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, a cathode and an anode that constitute an electron gun that generates an electron beam, and a cavity resonator that oscillates a high-power high-frequency by interacting with the electron beam generated from the cathode are included. The power supply of the present invention for a gyrotron device having a body part and a collector part for capturing an electron beam that has finished interaction is an acceleration power supply part for applying a voltage between the cathode part and the body part And a power supply power source for applying power between the cathode part and the collector part, and voltage dividing means connected between the body part and the cathode part, the voltage of the acceleration power supply part being voltage dividing means for applying a divided voltage generated by dividing the anode section, electrically binding between said cathode portion and the acceleration power supply unit and the negative pole of both of the power supply source A common switch interposed in the common lines, between a connection point between the cathode portion and the voltage divider and the connection point between the negative electrode and the negative pole of the power supply of the acceleration power supply unit And a common switch interposed .
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a configuration diagram of a preferred embodiment of a power supply for a gyrotron device according to the present invention. The same reference numerals as those in FIG. 5 indicate the same components, and description of those components will not be repeated. The power supply configuration shown in FIG. 1 also has an
[0008]
The
[0009]
Prior art
[0010]
The
Note that the
[0011]
FIG. 2 is a circuit diagram showing a detailed configuration of the power supply for the gyrotron device according to the preferred embodiment of the present invention shown in FIG. The
[0012]
These stabilizing
[0013]
【The invention's effect】
The present invention provides a power supply using this common switch by providing a common switch interposed in a common line that electrically couples the cathode part and the negative poles of both the acceleration power supply part and the power supply power supply. The gyrotron, which is the load, is protected by opening and closing the power supply and the acceleration power supply at the same time, and each power supply voltage is raised and lowered at high speed, and the beam current is opened and closed to modulate the oscillation power of the gyrotron at high speed. Can be made.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a preferred embodiment of a power supply for a gyrotron device according to the present invention.
FIG. 2 is a circuit diagram showing a detailed configuration of the power supply for the gyrotron device according to the preferred embodiment of the present invention shown in FIG. 1;
FIG. 3 shows an example of a cockcroft power source that can be suitably applied to the acceleration power source of the present invention.
FIG. 4 shows an example of a suitable stabilization device that stabilizes the voltage applied to the
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a conventional technique for oscillating a gyrotron device.
FIG. 6 shows an example of the configuration of a conventional acceleration power supply.
[Explanation of symbols]
10
Claims (3)
前記カソード部と前記ボディ部との間に電圧を印加するための加速電源部と、
前記カソード部と前記コレクタ部との間に電力を印加する電力供給電源と、
前記ボディ部と前記カソード部との間に接続された分圧手段であって、前記加速電源部の電圧を分圧して生成した分圧電圧を前記アノード部に印加する分圧手段と、
前記カソード部と前記加速電源部及び前記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であって、前記カソード部と前記分圧手段との接続点と前記加速電源部のマイナス極と前記電力供給電源のマイナス極との接続点との間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。A cathode part and an anode part constituting an electron gun part for generating an electron beam; a body part including a cavity resonator that oscillates a high power high frequency by interacting with the electron beam generated from the cathode part; In a power supply for a gyrotron device having a collector section for capturing a terminated electron beam,
An accelerating power supply unit for applying a voltage between the cathode unit and the body unit;
A power supply that applies power between the cathode and the collector;
A voltage dividing means connected between the body part and the cathode part, the voltage dividing means for applying a divided voltage generated by dividing the voltage of the acceleration power supply part to the anode part;
A common switch interposed in a common line that electrically connects between the cathode part and the negative poles of both the acceleration power source part and the power supply power source, the cathode part and the voltage dividing means; A power supply for a gyrotron device, comprising: a common switch interposed between a connection point and a connection point between a negative pole of the acceleration power supply unit and a negative pole of the power supply power supply.
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