JP4482239B2 - トランス、電気力学的な装置及び電気的なパルスを作り出す方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高電圧を発生させるトランスに関し、特に、粒子加速器に電気力学的なエネルギーを供給するのに適するトランスに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
近年、高エネルギーの荷電粒子は、多くの目的のために使用されている。一般的な適用領域は、例えば医療、殺菌及び素材の材質変更である。これらの方法すべてに共通であるが、荷電粒子は、高エネルギーの制御条件で加速しなければならない。
【０００３】
粒子加速装置の分野では、加速荷電粒子を得る最も一般な手段は高電圧である。荷電粒子（ほとんどの場合、電子）は、粒子源（通常フィラメント）から発生する。粒子は、高い電圧差がある電場に依存し、かつそれによって加速される。加速は、通常は真空環境において行われ、荷電粒子による照射を用いる場合においては大気圧下で実行される。荷電粒子は、開口から放射により大気へ逃げる。
【０００４】
高い粒子エネルギーを得るには、２つの一般的なアプローチがある。直接的なアプローチは、高電圧（望ましくはトランスによる）を達成することである。トランスの一次コイルでの比較的低い電圧が二次コイルで高電圧に変わる。その電圧は、荷電粒子を加速するために使用できる。最も一般的な方法は、鉄芯の普通のトランスを使用することである。しかしながら、電圧が１００ｋＶに達すると、絶縁の問題が厳しくなる。
【０００５】
もう一つのアプローチは、高粒子エネルギーを作り出すためにたびたび使用される。このアプローチは、マイクロ波励起に基づく。この方法は、一般に高価で多くの複雑かつ巨大な設備を必要とする。
【０００６】
最高水準の技術による上記方法に関する一般の問題は、加速装置が大きく高価なことであり、多目的に標準的生産ラインで用いる機械においての使用が不可能になっている。
【０００７】
トランスによるアプローチの限界を克服するためのいくつかの提案を行う。粒子が発する光は通常パルスであるので、トランスでのエネルギー変換は設備の共振を利用できる可能性がある。米国特許３，４５０，９９６号は、テスラ・コイル・トランスを含む加速装置を開示する。テスラ・トランスの一次回路は、一次コイル及び一次電圧を印加するコンデンサからなる。一次回路は、特定の共振周波数を有する。スイッチは、一次コイル中を流れている電流を制御する。二次回路は二次コイル、浮遊静電容量及び負荷を構成し、並列に接続される。二次回路も共振周波数を有し、それを一次回路の共振周波数と全く同一となるように調整する。
【０００８】
スイッチを閉じると、一次静電容量に掛かる電圧は一次コイルを流れる電流を生じさせる。一次回路中の電流は電磁界を生じさせ、二次コイルに電流を誘導する。二次回路中の負荷に掛かる電圧は重畳する。共振は、一次及び二次回路の間で能率的にエネルギーを伝達する。二次回路中の負荷に掛かる電圧がピークに達するとき、高エネルギー粒子の短いパルスが作り出せる。二重共振回路中のエネルギーの残りは、一次回路中に戻して集められた後、スイッチを開けると一次静電容量に掛かる電圧は再び重畳される。
【０００９】
従来の技術によれば、上記方法は理論的によく機能する。しかしながら、少なくとも非常に高電圧で実行すると多くの問題を引き起こす。二次側の非常に高い電圧は、一次及び二次回路において、コイル数の間に非常に高い比率を必要とする。二次コイルの巻き数を巨大な数とすることは簡単にはできないので、一次コイルの数を制限しなければならない。それでも、１００を上回るコイル比率は従来は簡単に実現できなかった。これは、例えば、１ｍＶを超える最終的な二次電圧が必要であれば、一次側の電圧は、１０ｋＶのオーダーでなければならないことを意味するからである。絶縁条件は厳しくなり、普通の鉄芯構造は使用できない。米国特許３，４５０，９９６号では、二次回路の高電圧から絶縁するために、磁気導体を一次回路の外側に配置している。米国特許３，４５０，９９６号のトランスを操作するためには、開閉スイッチが高電圧で使用可能でなければならない。パルス間隔が短ければ、スイッチの開閉を非常に正確にかつ速く実行しなければならない。最高で１０ｋＶの電圧を取り扱うために、サイリスター装置を使用しなければならない。しかしながら、そのような設備を「開」とする時間及び精度は制限される。さらに、装置を「開」とした後に再度「閉」とする前に装置をリセットしなければならない。これは、要求される高頻度のスイッチングを行うためには複雑な回路が必要になることを意味する。
【００１０】
近年、ＩＧＢＴ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の技術は、電子的に制御された高電圧スイッチを有し、高精度で比較的速いオン、オフを行えるようになった。しかながら現在は、ＩＧＢＴの最大電圧が約２ｋＶに制限されており、非常に高い電圧での使用には不適当である。理論的な解決方法の一つは、複数のＩＧＢＴを重ねて使用して同時的にオン、オフを制御することである。しかしながら、マイクロ秒のオーダーでオン、オフ時間を同期させるのは厳しい。複数のＩＧＢＴの各々が同時にオンされなければ、積み重なった全電圧は最後にオンとなるＩＧＢＴに掛かり、そのＩＧＢＴを破壊することになる。
【００１１】
従って、従来の高電圧の短いパルスを作り出す装置は、高価かつ大で、非常に複雑な制御エレクトロニクスを必要とする。
【００１２】
本発明は、トランスを変圧器を利用して高電圧パルスを作り出す比較的単純かつ安価で小さい装置と方法を提供することを目的とする。
【００１３】
また本発明は、限られた一次電圧で作動し、一次、二次電圧間に大きい比率を生じさせるトランスを提供することを目的とする。さらに本発明は、テスラ共振の利用を改善するトランスを提供することをも目的とする。さらに本発明は、電気力学的な粒子加速器に用い得る非常に高い電圧で使用可能なエネルギー供給手段を提供することをも目的とする。さらに本発明は、高電圧の短いパルスを作り出す方法を提供し、複雑な制御エレクトロニクスをほぼ不要とすることを目的とする。また本発明は、パルスに使用しないエネルギーを次のパルスに用いるように回復する高効率の方法を提供する。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、請求の範囲に記載の装置及び方法によって達成される。一般に、本発明に係るトランスは、一次コイル、電磁気的に一次コイルに接続する二次コイルからなり、一次コイルが単一のコイルからなるという特徴を有する。
【００１５】
本発明に係るトランスは、基本的に、単一のコイルを回転対称の少なくとも２つのセクター部分によって形成し、これらの部分に電圧を印加する。望ましくは、これら部分はサイズと電圧の大きさが等しく、各部分の一端は接地電位に保つ。
【００１６】
本発明に係るエネルギー供給手段及びアクセラレータにおいて、トランスはテスラ型であり、一次コイルに対する電圧の印加を制御するスイッチを電子的に制御してオン、オフさせ、一次コイル及び二次コイルの間の電磁気的接続は、望ましくは
ｋ＝（ｎ2-ｍ2）／（ｎ2＋ｍ2）
（ｎ及びｍが正の整数でｎ＝ｍ＋１）により選択する。電子的に制御するスイッチはＩＧＢＴスイッチが望ましい。
【００１７】
本発明に係る方法は、一次コイルの少なくとも２つの部分に、同時に一次電圧を印加するステップを含む。また本発明に係る方法は、二次回路の電気エネルギーがほぼゼロのとき、望ましくは一次コイルに掛かる電圧の接続を断つステップを含み、二次回路に行かないエネルギーを一次回路に戻し、次のパルスに用いる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、テスラ・トランスの電気的な構成を示す。ＤＣ電源１は、一次回路２の一次コンデンサ３に電圧を供給する。一次回路２は、スイッチ手段４と一次コイル５をさらに含み、これらは互いと直列に接続し、かつ一次コンデンサ３及び電源１と並列に接続する。二次回路９は、二次コイル６を含む。二次コイル６は、係数ｋによって電磁気的に一次コイル５に接続する。二次コイル６と並列に二次コンデンサ７及び負荷８が接続する。回路２、９はそれぞれ共振周波数を有し、２つの回路で同一となるように調整する。
【００１９】
スイッチ手段４を開けると、一次コンデンサ３は電源電圧まで充電される。スイッチ手段４を閉じると、一次電流は、一次コイル５中を流れ始め、電磁界を引き起こし、二次コイル６に影響して及び二次電流を誘導する。二次コイル６による電流は、二次コンデンサ７を充電し、負荷８に二次電圧を印加する。負荷８は、典型例としては電子ビーム加速器である。エネルギーは、このように一次回路２から二次回路９まで伝達される。コイルの間の電磁気的接続係数を特定の方法により選択すれば、全エネルギーが一次回路２から二次回路まで移動する。
【００２０】
図２は、電磁気的接続係数０．６を有するテスラ・トランスの時間関数として一次及び二次静電容量に掛かる電圧を示す２つの図を示す。時間ｔ＝０で、一次回路のスイッチを開けると、一次静電容量に掛かる電圧は降下し、二次静電容量に掛かる電圧は増加する。一次静電容量電圧は、負となって負のピーク値に達する。同時に二次静電容量電圧は正のピーク値に達し、その後は減少する。電磁気的接続係数が０．６であれば、一次回路電圧がゼロである時間ｔ１が存在する。また同時に、二次回路電圧は電圧ゼロから最大偏差となる値に達する。これは、一次回路の全エネルギーが二次回路に伝達されたことを意味する。当業者から見れば、これは、理想的な無抵抗コイルその他にあてはまるだけである。しかしながら、実際問題として、全エネルギーは二次回路に本当に伝達され、回路において熱損失として無駄にならない。
【００２１】
電磁気的動作が続くことができれば、後述の過程は正に正反対である。それは、時間ｔ２で、トランス中の全エネルギーが戻ることを意味する。
【００２２】
電気力学的な加速器においては、電子を加速するために二次側で高電圧を使用することが必要である。制御可能かつ比較的単色の電子ビームを得るために、電子の抽出は、二次回路の電圧がピークになるあたりでの短時間だけの間に実行する必要がある。その場合、若干のエネルギーが、時間ｔ１近傍で短時間に二次回路で消費される。これは、図２に示す点線によって示す一次及び二次回路の電圧減少を引き起こす。
【００２３】
テスラ・トランスの基本原則は公知であるが、高電圧印加状態での使用は、主に適当なスイッチ手段がないということによって制限されている。二次側で例えば５００ｋＶを超える高電圧を達成するためには、比較的高い一次電圧（例えば５から１０ｋＶ）を使用することがこの問題の解決に必要である。そのような場合変換比率が制限される可能性がある。それは、二次回路における銅損のためである。二次コイルでの限られたコイル数は、コイルのインダクタンスを低め、トランスの自己共振周波数を高くする。しかしながら、適当なスイッチ手段をこの点の解決に利用できなかった。さらに、一次、二次回路間の結合性を高めるためには、特に高周波数での鉄損にもかかわらず、鉄芯または少なくとも部分的に鉄を介在させたトランスが必要である。しかしながら、そのようなトランスは、約１００ｋＶ以上の電圧で起きる絶縁の問題のために、ほとんど使用されていない。
【００２４】
高電圧のトランス、特に１００ｋＶ以上、望ましくは１ｍＶ以上のパルスを作り出すトランスの構造には、全く新しいアプローチを採用しなければならない。鉄芯は、一次及び二次回路の間での結合係数を減らすので除外する。複雑かつ高価な絶縁手段なしで高い二次電圧を使用することは、このように起こり得る。これも高周波で目立つ鉄損を除外する効果がある。その代わり変換比が増加し、銅損が増え、一次電圧が減ることを考慮に入れる。複巻きコイルの一次コイルによるトランスが公知である。しかしながら、単一のコイルだけの一次コイルによるトランスも使用できる可能性がある。一次コイルに掛かる電圧は、後述するように、一つのコイルを分割することによってさらに減少する可能性がある。
【００２５】
このように構成することによって、電子的に制御されたスイッチ（以前には全く問題外だった選択）を高電圧で使用できるように一次電圧を十分に減らせる可能性がある。固体スイッチ、すなわちＩＧＢＴスイッチは、約２ｋＶの最大の電圧まで利用できる。そのため、本発明の他の特徴と共に使用できる。さらに、高周波（例えば１００ｋＨｚを超える）での使用には、オンとした後に比較的ゆっくり電圧が上昇することが望ましく、それには後述する追加のスイッチ手段で補償する。
【００２６】
図２のテスラ・トランスの例では、結合係数は０．６であったが、それは鉄芯なしでは達成するのが難しい。しかしながら、テスラ・トランスは、下記関係式を満たせばよい。
ｋ＝（ｎ2-ｍ2）／（ｎ2＋ｍ2）
ただし、ｎ及びｍは正の整数で、ｎ＝ｍ＋１である。係数が０．６の場合は、ｎ＝２及びｍ＝１に対応する。ｎ＝３及びｍ＝２をその代わりに選択することによって、結合係数は０．３８５となり、テスラ・トランスは、まだ共振状態で動き、二次コイルへの全エネルギーの伝達が行われる。このような結合係数は、空気または真空芯のトランスでは簡単に達成できる。共振の挙動は図２において示すものと異なり、最大二次電圧に到達する前に、さらなる振動を示す。また、ｎ及びｍの値として他の選択もできる。
【００２７】
図３は、２００ｋＶの二次ピークの電圧を与えるために調節したトランスの構造例の側面図である。このテスラ・トランスの特徴的構造は、直径と同等の高さを有する二次コイル２０である。二次コイル２０は、単一コイルで円錐の一次コイル２２に囲まれている。この一次コイルが、二次コイルの半分の高さを有し、中空の裁頭円錐形状を有する。コイルの下部は接地され、一次コイルの頂部と二次コイルの覆われた部分間の電圧を二次回路の半分にする。二次コイル２０の頂部に位置するガン端子部２６では、高電圧のパルスが作り出される。二次回路は、二次端子及び真空タンクの間で真空静電容量の形でコンデンサを構成する。二次コイル及びこの二次コンデンサのインダクタンスは、二次回路の共振周波数を決定する。静電容量は通常５０から１００ｐｆのオーダーであり、典型的なインダクタンスは約５Ｈである。また一次回路はコンデンサを備えており、二次回路と共振周波数を同じにするために一次コイルのインダクタンスとともに調節する。典型的な値は、１００μＦ及び２．５μＨであり、共振周波数は６３ｋＨｚとなる。
【００２８】
二次コイルは、望ましくは銅線の２つの入れ子にされた同軸層コイルからなる。銅線は、好ましくは真空中でゆっくりガスを抜いて形成する。２００ｋＶ用のコイルは、コイルの高さ及び外径が１０ｃｍである。一次円錐コイルの頂部及び二次コイルの最も近い部分の間の電圧は、約１００ｋＶである。最大許容電場が４０ｋＶ／ｃｍであれば、同軸結合構造では、一次コイルの最大直径と二次コイルの直径の比は少なくともｅ１／２でなければならない。一次及び二次コイル間の角度は、約３３度でなければならない。
【００２９】
望ましくは一次コイルをステンレス鋼のリング２４で覆い、電流が周囲で流れて短絡するのを妨げるために、その外周に一つ以上の分割点を設ける。このリング２４を形成する管材料は、２から３ｃｍの半径を有しなければならない。その機能は、一次コイル頂部端で電界の増加を減らすこと及び端部に沿って真空故障が発生する可能性を減らすことである。リング２４は、低インダクタンス導体である真空タンクに接地しなければならず、その形状は幅広で高さの低いものになる。これは、真空時の一次駆動システムの損傷を保護する。そのようなアークの高い電流は、リング２４を経由して接地され、一次駆動システムに伝わらない。より高い電圧で作動するシステムのために、キャップを一組のリングで形成し、これを一体化して大きな単一リングとし、局所的電界の大きさを下げておくことができる。
【００３０】
本発明の一つの重要な特徴は、一次回路を駆動するために必要な最大電圧を減らすことである。電磁界を作り出すために、二次コイルで電流を誘導し、一次コイルに掛かる電圧を時間とともに変化させなければならない。しかしながら、それは誘導電磁界を決定する電位（すなわち電圧の微分）の勾配だけである。いかなる安定した値でも派生値は消えてしまうので、電圧の絶対値は重要ではない。そこで本発明の実施形態では、単一のコイルからなる一次コイルとし、これをセクター部分に分割する。各セクター部分は、その終端間に電圧差がある。セクター部分に掛かる電圧の時間での微分値は、誘導電磁界である。好ましい実施形態としては、セクター部分にはサイズが等しくかつ時間での微分値が等しい電圧を供給する。あたかも連続する単一コイルを使用するように、セクター部分の電圧変化は全体的にほぼ同じものとなる。
【００３１】
図４は本発明の実施形態における一次コイル２２の電気的な関係を概略的に示す。４つのセクター３０〜３３は単一コイルを有する。各セクター３０〜３３は、電圧Ｖを供給され、一端で接地される。電圧が同じ特徴となるように制御されれば、セクター部分端部のエッジ効果を無視すれば、連続する一つのコイルがあるように一次コイル全体が作用する。しかしながら、一次コイルでの最大の電圧は、連続する単一コイルを駆動するために必要な値の４分の１である。このため、一次側での有効最大電圧は低く保つことができる。
【００３２】
図５は本発明において使用し得る一次コイル２２の例を示す。この例は、２つの部分４０、４１を構成している単一コイルを有する。既述のように、リング・キャップ２４は、セクター部分の上端より上に設ける。部分４０、４１は、回転対称（この例の場合、中空の裁頭円錐形）のセクター部分である。部分４０、４１に電圧を印加するために、両部分は電気回路４２〜４５を備えている。電圧は、円周方向で第一端及び第二端の間で印加される。この例の電気的な接続端子のうちの二つは接地接続端子４２、４３である。接地電位に保たれる接地平面４６に、部分４０、４１の第一端を接続する。他の接続端子４４、４５は、部分４０、４１の第二端に電圧Ｖを印加するように接続する。一つの部分の第一端は、他の部分の第二端と並列に接続する。
【００３３】
一次コイルに掛かる電圧を低くしておくことができれば、例えば一つの一次コイルを分割することによって、一次的なスイッチ手段を構成できる可能性が若干はある。本発明のスイッチ手段は、電子的に制御されたオン、オフを行う。一次電圧のオンを慎重に制御することによって、テスラ共振をは、適当な方法で始めることができる。電流及び電圧が二次回路中でゼロであるときにスイッチをオフとすることによって、全エネルギー（負荷のために使用されなかったか、あるいは銅損や渦電流として消失しなかったエネルギー）は、次のパルスの生成のために一次コンデンサに戻される。このように、効率は非常に高くなり、熱損失は低くなる。
【００３４】
一つの可能性は、スイッチ手段にＩＧＢＴスイッチを使用することである。今日のＩＧＢＴスイッチは、最高２ｋＶでかなりの電流を処理できる。図６ａは、並列に接続される２つの部分５４ａ、５４ｂを構成している一次コイルで、一次回路の電気的な関係を示す。ＤＣ電力供給は、一次コンデンサ５２に対して抵抗５１を介して電圧を供給することで行う。スイッチ手段５３であるＩＧＢＴスイッチを部分５４ａ、５４ｂと直列に接続することが望ましい。一つの単一のＩＧＢＴスイッチで両方の部分５４ａ、５４ｂを操作できる。部分５４ａ、５４ｂを流れる電流が大きければ、図６ｂに示す関係が好ましい。ここでは、それぞれ、２つのスイッチ手段５３ａ、５３ｂは、一つの部分５４ａ、５４ｂと直列に接続する。そのためＩＧＢＴスイッチ中を流れる電流が減少する。
【００３５】
本発明の１つの実施形態に係るエネルギー供給手段７０を図７に示す。駆動回路７１は、テスラ・トランス７３とスイッチ７２を介して接続している。テスラ・トランス７３からの出力電圧は、エネルギー供給手段７０の出力となり、負荷７４に供給される。スイッチ手段７２は、電子的に制御されたスイッチ６０（望ましくはＩＧＢＴスイッチ）及び制御手段６２からなる。
【００３６】
図７のエネルギー供給手段のテスラ・トランスは、望ましくは上述のように形成される。
【００３７】
本発明の主な用途は、粒子加速器である。本発明によるエネルギー変換の特徴は、パルス化された粒子を放出する加速器にふさわしく、加速動作は時間で変化する電界で形成される。そのような粒子加速器は、電気力学的な加速装置となり得る。
【００３８】
本発明に係る電気力学的な加速装置８０を、図８においてブロック図として示す。粒子の抽出手段の実際的構造、そのような部分及び機械的かつ真空設計の幾何学的構造は、先行技術で使用されている種々の技術を採用し得る。図示の電気力学的な加速装置８０は、エネルギー供給手段７０を有する。エネルギー供給手段７０は、粒子銃アセンブリ８１に接続している。粒子銃アセンブリ８１は、エネルギー供給手段７０の高電圧を使用して荷電された粒子、特に電子、を選択的に加速する。粒子銃アセンブリ８１は、粒子源８２例えば電子フィラメント銃を備え、エネルギー供給手段接続及び加速構造体８３の一つに接続しており、一般的には、例えば真空で囲まれている電極で構成され得る。典型的な場合、電子は粒子源８２から発射されて加速構造体８３に向けて加速される。望ましくは、粒子銃アセンブリ８１も、加速制御手段８４を有し、粒子源８２からの粒子放出を制御する。これは、例えば制御線８５によってまたは、格子８６を制御することによって粒子源を直接に制御して実現し得る。これらの特徴を実行するには多くの適当な公知技術を利用できる。加速制御手段８４は、エネルギー供給手段７０の制御手段６２と望ましくは同期させる。
【００３９】
なお本発明は上述した実施形態に限定されず当業者において自明な範囲でありかつ請求の範囲から逸脱せずに種々の変更及び変化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 テスラ・トランスの電気的等価回路図である。
【図２】 テスラ・トランスにおける一次及び二次コイルの電圧変化を示す図である。
【図３】 本発明で用いるトランスの実施形態の図である。
【図４】 本発明によりセクター部分に分割した一次コイルの電気的な関係を示す図である。
【図５】 本発明に係る一次コイルの部分断面斜視図である。
【図６】 セクター部分に分割された一次コイル用の電源供給回路の電気的な等価回路図である。
【図７】 本発明に係るエネルギー供給手段の実施形態のブロック図である。
【図８】 本発明に係る電気力学的な粒子加速器の実施形態のブロック図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、高電圧を発生させるトランスに関し、特に、粒子加速器に電気力学的なエネルギーを供給するのに適するトランスに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
近年、高エネルギーの荷電粒子は、多くの目的のために使用されている。一般的な適用領域は、例えば医療、殺菌及び素材の材質変更である。これらの方法すべてに共通であるが、荷電粒子は、高エネルギーの制御条件で加速しなければならない。
【０００３】
粒子加速装置の分野では、加速荷電粒子を得る最も一般な手段は高電圧である。荷電粒子（ほとんどの場合、電子）は、粒子源（通常フィラメント）から発生する。粒子は、高い電圧差がある電場に依存し、かつそれによって加速される。加速は、通常は真空環境において行われ、荷電粒子による照射を用いる場合においては大気圧下で実行される。荷電粒子は、開口から放射により大気へ逃げる。
【０００４】
高い粒子エネルギーを得るには、２つの一般的なアプローチがある。直接的なアプローチは、高電圧（望ましくはトランスによる）を達成することである。トランスの一次コイルでの比較的低い電圧が二次コイルで高電圧に変わる。その電圧は、荷電粒子を加速するために使用できる。最も一般的な方法は、鉄芯の普通のトランスを使用することである。しかしながら、電圧が１００ｋＶに達すると、絶縁の問題が厳しくなる。
【０００５】
もう一つのアプローチは、高粒子エネルギーを作り出すためにたびたび使用される。このアプローチは、マイクロ波励起に基づく。この方法は、一般に高価で多くの複雑かつ巨大な設備を必要とする。
【０００６】
最高水準の技術による上記方法に関する一般の問題は、加速装置が大きく高価なことであり、多目的に標準的生産ラインで用いる機械においての使用が不可能になっている。
【０００７】
トランスによるアプローチの限界を克服するためのいくつかの提案を行う。粒子が発する光は通常パルスであるので、トランスでのエネルギー変換は設備の共振を利用できる可能性がある。米国特許３，４５０，９９６号は、テスラ・コイル・トランスを含む加速装置を開示する。テスラ・トランスの一次回路は、一次コイル及び一次電圧を印加するコンデンサからなる。一次回路は、特定の共振周波数を有する。スイッチは、一次コイル中を流れている電流を制御する。二次回路は二次コイル、浮遊静電容量及び負荷を構成し、並列に接続される。二次回路も共振周波数を有し、それを一次回路の共振周波数と全く同一となるように調整する。
【０００８】
スイッチを閉じると、一次静電容量に掛かる電圧は一次コイルを流れる電流を生じさせる。一次回路中の電流は電磁界を生じさせ、二次コイルに電流を誘導する。二次回路中の負荷に掛かる電圧は重畳する。共振は、一次及び二次回路の間で能率的にエネルギーを伝達する。二次回路中の負荷に掛かる電圧がピークに達するとき、高エネルギー粒子の短いパルスが作り出せる。二重共振回路中のエネルギーの残りは、一次回路中に戻して集められた後、スイッチを開けると一次静電容量に掛かる電圧は再び重畳される。
【０００９】
従来の技術によれば、上記方法は理論的によく機能する。しかしながら、少なくとも非常に高電圧で実行すると多くの問題を引き起こす。二次側の非常に高い電圧は、一次及び二次回路において、コイル数の間に非常に高い比率を必要とする。二次コイルの巻き数を巨大な数とすることは簡単にはできないので、一次コイルの数を制限しなければならない。それでも、１００を上回るコイル比率は従来は簡単に実現できなかった。これは、例えば、１ｍＶを超える最終的な二次電圧が必要であれば、一次側の電圧は、１０ｋＶのオーダーでなければならないことを意味するからである。絶縁条件は厳しくなり、普通の鉄芯構造は使用できない。米国特許３，４５０，９９６号では、二次回路の高電圧から絶縁するために、磁気導体を一次回路の外側に配置している。米国特許３，４５０，９９６号のトランスを操作するためには、開閉スイッチが高電圧で使用可能でなければならない。パルス間隔が短ければ、スイッチの開閉を非常に正確にかつ速く実行しなければならない。最高で１０ｋＶの電圧を取り扱うために、サイリスター装置を使用しなければならない。しかしながら、そのような設備を「開」とする時間及び精度は制限される。さらに、装置を「開」とした後に再度「閉」とする前に装置をリセットしなければならない。これは、要求される高頻度のスイッチングを行うためには複雑な回路が必要になることを意味する。
【００１０】
近年、ＩＧＢＴ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の技術は、電子的に制御された高電圧スイッチを有し、高精度で比較的速いオン、オフを行えるようになった。しかながら現在は、ＩＧＢＴの最大電圧が約２ｋＶに制限されており、非常に高い電圧での使用には不適当である。理論的な解決方法の一つは、複数のＩＧＢＴを重ねて使用して同時的にオン、オフを制御することである。しかしながら、マイクロ秒のオーダーでオン、オフ時間を同期させるのは厳しい。複数のＩＧＢＴの各々が同時にオンされなければ、積み重なった全電圧は最後にオンとなるＩＧＢＴに掛かり、そのＩＧＢＴを破壊することになる。
【００１１】
従って、従来の高電圧の短いパルスを作り出す装置は、高価かつ大で、非常に複雑な制御エレクトロニクスを必要とする。
【００１２】
本発明は、トランスを変圧器を利用して高電圧パルスを作り出す比較的単純かつ安価で小さい装置と方法を提供することを目的とする。
【００１３】
また本発明は、限られた一次電圧で作動し、一次、二次電圧間に大きい比率を生じさせるトランスを提供することを目的とする。さらに本発明は、テスラ共振の利用を改善するトランスを提供することをも目的とする。さらに本発明は、電気力学的な粒子加速器に用い得る非常に高い電圧で使用可能なエネルギー供給手段を提供することをも目的とする。さらに本発明は、高電圧の短いパルスを作り出す方法を提供し、複雑な制御エレクトロニクスをほぼ不要とすることを目的とする。また本発明は、パルスに使用しないエネルギーを次のパルスに用いるように回復する高効率の方法を提供する。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、請求の範囲に記載の装置及び方法によって達成される。一般に、本発明に係るトランスは、一次コイル、電磁気的に一次コイルに接続する二次コイルからなり、一次コイルが単一のコイルからなるという特徴を有する。
【００１５】
本発明に係るトランスは、基本的に、単一のコイルを回転対称の少なくとも２つのセクター部分によって形成し、これらの部分に電圧を印加する。望ましくは、これら部分はサイズと電圧の大きさが等しく、各部分の一端は接地電位に保つ。
【００１６】
本発明に係るエネルギー供給手段及びアクセラレータにおいて、トランスはテスラ型であり、一次コイルに対する電圧の印加を制御するスイッチを電子的に制御してオン、オフさせ、一次コイル及び二次コイルの間の電磁気的接続は、望ましくは
ｋ＝（ｎ2-ｍ2）／（ｎ2＋ｍ2）
（ｎ及びｍが正の整数でｎ＝ｍ＋１）により選択する。電子的に制御するスイッチはＩＧＢＴスイッチが望ましい。
【００１７】
本発明に係る方法は、一次コイルの少なくとも２つの部分に、同時に一次電圧を印加するステップを含む。また本発明に係る方法は、二次回路の電気エネルギーがほぼゼロのとき、望ましくは一次コイルに掛かる電圧の接続を断つステップを含み、二次回路に行かないエネルギーを一次回路に戻し、次のパルスに用いる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、テスラ・トランスの電気的な構成を示す。ＤＣ電源１は、一次回路２の一次コンデンサ３に電圧を供給する。一次回路２は、スイッチ手段４と一次コイル５をさらに含み、これらは互いと直列に接続し、かつ一次コンデンサ３及び電源１と並列に接続する。二次回路９は、二次コイル６を含む。二次コイル６は、係数ｋによって電磁気的に一次コイル５に接続する。二次コイル６と並列に二次コンデンサ７及び負荷８が接続する。回路２、９はそれぞれ共振周波数を有し、２つの回路で同一となるように調整する。
【００１９】
スイッチ手段４を開けると、一次コンデンサ３は電源電圧まで充電される。スイッチ手段４を閉じると、一次電流は、一次コイル５中を流れ始め、電磁界を引き起こし、二次コイル６に影響して及び二次電流を誘導する。二次コイル６による電流は、二次コンデンサ７を充電し、負荷８に二次電圧を印加する。負荷８は、典型例としては電子ビーム加速器である。エネルギーは、このように一次回路２から二次回路９まで伝達される。コイルの間の電磁気的接続係数を特定の方法により選択すれば、全エネルギーが一次回路２から二次回路まで移動する。
【００２０】
図２は、電磁気的接続係数０．６を有するテスラ・トランスの時間関数として一次及び二次静電容量に掛かる電圧を示す２つの図を示す。時間ｔ＝０で、一次回路のスイッチを開けると、一次静電容量に掛かる電圧は降下し、二次静電容量に掛かる電圧は増加する。一次静電容量電圧は、負となって負のピーク値に達する。同時に二次静電容量電圧は正のピーク値に達し、その後は減少する。電磁気的接続係数が０．６であれば、一次回路電圧がゼロである時間ｔ１が存在する。また同時に、二次回路電圧は電圧ゼロから最大偏差となる値に達する。これは、一次回路の全エネルギーが二次回路に伝達されたことを意味する。当業者から見れば、これは、理想的な無抵抗コイルその他にあてはまるだけである。しかしながら、実際問題として、全エネルギーは二次回路に本当に伝達され、回路において熱損失として無駄にならない。
【００２１】
電磁気的動作が続くことができれば、後述の過程は正に正反対である。それは、時間ｔ２で、トランス中の全エネルギーが戻ることを意味する。
【００２２】
電気力学的な加速器においては、電子を加速するために二次側で高電圧を使用することが必要である。制御可能かつ比較的単色の電子ビームを得るために、電子の抽出は、二次回路の電圧がピークになるあたりでの短時間だけの間に実行する必要がある。その場合、若干のエネルギーが、時間ｔ１近傍で短時間に二次回路で消費される。これは、図２に示す点線によって示す一次及び二次回路の電圧減少を引き起こす。
【００２３】
テスラ・トランスの基本原則は公知であるが、高電圧印加状態での使用は、主に適当なスイッチ手段がないということによって制限されている。二次側で例えば５００ｋＶを超える高電圧を達成するためには、比較的高い一次電圧（例えば５から１０ｋＶ）を使用することがこの問題の解決に必要である。そのような場合変換比率が制限される可能性がある。それは、二次回路における銅損のためである。二次コイルでの限られたコイル数は、コイルのインダクタンスを低め、トランスの自己共振周波数を高くする。しかしながら、適当なスイッチ手段をこの点の解決に利用できなかった。さらに、一次、二次回路間の結合性を高めるためには、特に高周波数での鉄損にもかかわらず、鉄芯または少なくとも部分的に鉄を介在させたトランスが必要である。しかしながら、そのようなトランスは、約１００ｋＶ以上の電圧で起きる絶縁の問題のために、ほとんど使用されていない。
【００２４】
高電圧のトランス、特に１００ｋＶ以上、望ましくは１ｍＶ以上のパルスを作り出すトランスの構造には、全く新しいアプローチを採用しなければならない。鉄芯は、一次及び二次回路の間での結合係数を減らすので除外する。複雑かつ高価な絶縁手段なしで高い二次電圧を使用することは、このように起こり得る。これも高周波で目立つ鉄損を除外する効果がある。その代わり変換比が増加し、銅損が増え、一次電圧が減ることを考慮に入れる。複巻きコイルの一次コイルによるトランスが公知である。しかしながら、単一のコイルだけの一次コイルによるトランスも使用できる可能性がある。一次コイルに掛かる電圧は、後述するように、一つのコイルを分割することによってさらに減少する可能性がある。
【００２５】
このように構成することによって、電子的に制御されたスイッチ（以前には全く問題外だった選択）を高電圧で使用できるように一次電圧を十分に減らせる可能性がある。固体スイッチ、すなわちＩＧＢＴスイッチは、約２ｋＶの最大の電圧まで利用できる。そのため、本発明の他の特徴と共に使用できる。さらに、高周波（例えば１００ｋＨｚを超える）での使用には、オンとした後に比較的ゆっくり電圧が上昇することが望ましく、それには後述する追加のスイッチ手段で補償する。
【００２６】
図２のテスラ・トランスの例では、結合係数は０．６であったが、それは鉄芯なしでは達成するのが難しい。しかしながら、テスラ・トランスは、下記関係式を満たせばよい。
ｋ＝（ｎ2-ｍ2）／（ｎ2＋ｍ2）
ただし、ｎ及びｍは正の整数で、ｎ＝ｍ＋１である。係数が０．６の場合は、ｎ＝２及びｍ＝１に対応する。ｎ＝３及びｍ＝２をその代わりに選択することによって、結合係数は０．３８５となり、テスラ・トランスは、まだ共振状態で動き、二次コイルへの全エネルギーの伝達が行われる。このような結合係数は、空気または真空芯のトランスでは簡単に達成できる。共振の挙動は図２において示すものと異なり、最大二次電圧に到達する前に、さらなる振動を示す。また、ｎ及びｍの値として他の選択もできる。
【００２７】
図３は、２００ｋＶの二次ピークの電圧を与えるために調節したトランスの構造例の側面図である。このテスラ・トランスの特徴的構造は、直径と同等の高さを有する二次コイル２０である。二次コイル２０は、単一コイルで円錐の一次コイル２２に囲まれている。この一次コイルが、二次コイルの半分の高さを有し、中空の裁頭円錐形状を有する。コイルの下部は接地され、一次コイルの頂部と二次コイルの覆われた部分間の電圧を二次回路の半分にする。二次コイル２０の頂部に位置するガン端子部２６では、高電圧のパルスが作り出される。二次回路は、二次端子及び真空タンクの間で真空静電容量の形でコンデンサを構成する。二次コイル及びこの二次コンデンサのインダクタンスは、二次回路の共振周波数を決定する。静電容量は通常５０から１００ｐｆのオーダーであり、典型的なインダクタンスは約５Ｈである。また一次回路はコンデンサを備えており、二次回路と共振周波数を同じにするために一次コイルのインダクタンスとともに調節する。典型的な値は、１００μＦ及び２．５μＨであり、共振周波数は６３ｋＨｚとなる。
【００２８】
二次コイルは、望ましくは銅線の２つの入れ子にされた同軸層コイルからなる。銅線は、好ましくは真空中でゆっくりガスを抜いて形成する。２００ｋＶ用のコイルは、コイルの高さ及び外径が１０ｃｍである。一次円錐コイルの頂部及び二次コイルの最も近い部分の間の電圧は、約１００ｋＶである。最大許容電場が４０ｋＶ／ｃｍであれば、同軸結合構造では、一次コイルの最大直径と二次コイルの直径の比は少なくともｅ１／２でなければならない。一次及び二次コイル間の角度は、約３３度でなければならない。
【００２９】
望ましくは一次コイルをステンレス鋼のリング２４で覆い、電流が周囲で流れて短絡するのを妨げるために、その外周に一つ以上の分割点を設ける。このリング２４を形成する管材料は、２から３ｃｍの半径を有しなければならない。その機能は、一次コイル頂部端で電界の増加を減らすこと及び端部に沿って真空故障が発生する可能性を減らすことである。リング２４は、低インダクタンス導体である真空タンクに接地しなければならず、その形状は幅広で高さの低いものになる。これは、真空時の一次駆動システムの損傷を保護する。そのようなアークの高い電流は、リング２４を経由して接地され、一次駆動システムに伝わらない。より高い電圧で作動するシステムのために、キャップを一組のリングで形成し、これを一体化して大きな単一リングとし、局所的電界の大きさを下げておくことができる。
【００３０】
本発明の一つの重要な特徴は、一次回路を駆動するために必要な最大電圧を減らすことである。電磁界を作り出すために、二次コイルで電流を誘導し、一次コイルに掛かる電圧を時間とともに変化させなければならない。しかしながら、それは誘導電磁界を決定する電位（すなわち電圧の微分）の勾配だけである。いかなる安定した値でも派生値は消えてしまうので、電圧の絶対値は重要ではない。そこで本発明の実施形態では、単一のコイルからなる一次コイルとし、これをセクター部分に分割する。各セクター部分は、その終端間に電圧差がある。セクター部分に掛かる電圧の時間での微分値は、誘導電磁界である。好ましい実施形態としては、セクター部分にはサイズが等しくかつ時間での微分値が等しい電圧を供給する。あたかも連続する単一コイルを使用するように、セクター部分の電圧変化は全体的にほぼ同じものとなる。
【００３１】
図４は本発明の実施形態における一次コイル２２の電気的な関係を概略的に示す。４つのセクター３０〜３３は単一コイルを有する。各セクター３０〜３３は、電圧Ｖを供給され、一端で接地される。電圧が同じ特徴となるように制御されれば、セクター部分端部のエッジ効果を無視すれば、連続する一つのコイルがあるように一次コイル全体が作用する。しかしながら、一次コイルでの最大の電圧は、連続する単一コイルを駆動するために必要な値の４分の１である。このため、一次側での有効最大電圧は低く保つことができる。
【００３２】
図５は本発明において使用し得る一次コイル２２の例を示す。この例は、２つの部分４０、４１を構成している単一コイルを有する。既述のように、リング・キャップ２４は、セクター部分の上端より上に設ける。部分４０、４１は、回転対称（この例の場合、中空の裁頭円錐形）のセクター部分である。部分４０、４１に電圧を印加するために、両部分は電気回路４２〜４５を備えている。電圧は、円周方向で第一端及び第二端の間で印加される。この例の電気的な接続端子のうちの二つは接地接続端子４２、４３である。接地電位に保たれる接地平面４６に、部分４０、４１の第一端を接続する。他の接続端子４４、４５は、部分４０、４１の第二端に電圧Ｖを印加するように接続する。一つの部分の第一端は、他の部分の第二端と並列に接続する。
【００３３】
一次コイルに掛かる電圧を低くしておくことができれば、例えば一つの一次コイルを分割することによって、一次的なスイッチ手段を構成できる可能性が若干はある。本発明のスイッチ手段は、電子的に制御されたオン、オフを行う。一次電圧のオンを慎重に制御することによって、テスラ共振をは、適当な方法で始めることができる。電流及び電圧が二次回路中でゼロであるときにスイッチをオフとすることによって、全エネルギー（負荷のために使用されなかったか、あるいは銅損や渦電流として消失しなかったエネルギー）は、次のパルスの生成のために一次コンデンサに戻される。このように、効率は非常に高くなり、熱損失は低くなる。
【００３４】
一つの可能性は、スイッチ手段にＩＧＢＴスイッチを使用することである。今日のＩＧＢＴスイッチは、最高２ｋＶでかなりの電流を処理できる。図６ａは、並列に接続される２つの部分５４ａ、５４ｂを構成している一次コイルで、一次回路の電気的な関係を示す。ＤＣ電力供給は、一次コンデンサ５２に対して抵抗５１を介して電圧を供給することで行う。スイッチ手段５３であるＩＧＢＴスイッチを部分５４ａ、５４ｂと直列に接続することが望ましい。一つの単一のＩＧＢＴスイッチで両方の部分５４ａ、５４ｂを操作できる。部分５４ａ、５４ｂを流れる電流が大きければ、図６ｂに示す関係が好ましい。ここでは、それぞれ、２つのスイッチ手段５３ａ、５３ｂは、一つの部分５４ａ、５４ｂと直列に接続する。そのためＩＧＢＴスイッチ中を流れる電流が減少する。
【００３５】
本発明の１つの実施形態に係るエネルギー供給手段７０を図７に示す。駆動回路７１は、テスラ・トランス７３とスイッチ７２を介して接続している。テスラ・トランス７３からの出力電圧は、エネルギー供給手段７０の出力となり、負荷７４に供給される。スイッチ手段７２は、電子的に制御されたスイッチ６０（望ましくはＩＧＢＴスイッチ）及び制御手段６２からなる。
【００３６】
図７のエネルギー供給手段のテスラ・トランスは、望ましくは上述のように形成される。
【００３７】
本発明の主な用途は、粒子加速器である。本発明によるエネルギー変換の特徴は、パルス化された粒子を放出する加速器にふさわしく、加速動作は時間で変化する電界で形成される。そのような粒子加速器は、電気力学的な加速装置となり得る。
【００３８】
本発明に係る電気力学的な加速装置８０を、図８においてブロック図として示す。粒子の抽出手段の実際的構造、そのような部分及び機械的かつ真空設計の幾何学的構造は、先行技術で使用されている種々の技術を採用し得る。図示の電気力学的な加速装置８０は、エネルギー供給手段７０を有する。エネルギー供給手段７０は、粒子銃アセンブリ８１に接続している。粒子銃アセンブリ８１は、エネルギー供給手段７０の高電圧を使用して荷電された粒子、特に電子、を選択的に加速する。粒子銃アセンブリ８１は、粒子源８２例えば電子フィラメント銃を備え、エネルギー供給手段接続及び加速構造体８３の一つに接続しており、一般的には、例えば真空で囲まれている電極で構成され得る。典型的な場合、電子は粒子源８２から発射されて加速構造体８３に向けて加速される。望ましくは、粒子銃アセンブリ８１も、加速制御手段８４を有し、粒子源８２からの粒子放出を制御する。これは、例えば制御線８５によってまたは、格子８６を制御することによって粒子源を直接に制御して実現し得る。これらの特徴を実行するには多くの適当な公知技術を利用できる。加速制御手段８４は、エネルギー供給手段７０の制御手段６２と望ましくは同期させる。
【００３９】
なお本発明は上述した実施形態に限定されず当業者において自明な範囲でありかつ請求の範囲から逸脱せずに種々の変更及び変化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 テスラ・トランスの電気的等価回路図である。
【図２】 テスラ・トランスにおける一次及び二次コイルの電圧変化を示す図である。
【図３】 本発明で用いるトランスの実施形態の図である。
【図４】 本発明によりセクター部分に分割した一次コイルの電気的な関係を示す図である。
【図５】 本発明に係る一次コイルの部分断面斜視図である。
【図６】 セクター部分に分割された一次コイル用の電源供給回路の電気的な等価回路図である。
【図７】 本発明に係るエネルギー供給手段の実施形態のブロック図である。
【図８】 本発明に係る電気力学的な粒子加速器の実施形態のブロック図である。
Claims (13)
- トランスであって一次コイル（５；２２；５４ａ、５４ｂ）及び電磁気的に上記一次コイル（５；２２；５４ａ、５４ｂ）に接続する二次コイル（６；２０）を備え、上記一次コイル（５；２２；５４ａ、５４ｂ）が、単一のコイルからなり、かつ少なくとも２つの回転対称のセクター部分（３０〜３３；４０、４１；５４ａ、５４ｂ）によって形成されるトランスにおいて、上記セクター部分（３０〜３３；４０、４１；５４ａ、５４ｂ）が電気回路（４２〜４５）を構成し、上記セクター部分（３０〜３３；４０、４１；５４ａ、５４ｂ）それぞれの円周方向での第一端及び第二端の間でセクター部分電圧を印加することを特徴とするトランス。
- 請求項１のトランスにおいて、上記セクター部分（３０〜３３；４０、４１；５４ａ、５４ｂ）はサイズが等しく、上記セクター部分電圧が等しい大きさであることを特徴とするトランス。
- 請求項２のトランスにおいて、上記セクター部分（３０〜３３；４０、４１；５４ａ、５４ｂ）それぞれの上記第一端を共通の電位に保ち、一のセクター部分（３０〜３３；４０、４１；５４ａ、５４ｂ）の上記第一端を、他のセクター部分（３０〜３３；４０、４１；５４ａ、５４ｂ）の上記第二端に対して並列に接続することを特徴とするトランス。
- 請求項３のトランスにおいて、上記共通の電位が接地電位であることを特徴とするトランス。
- 請求項１のトランスにおいて、上記セクター部分（３０〜３３；４０、４１；５４ａ、５４ｂ）が中空の截頭円錐形であることを特徴とするトランス。
- 請求項１のトランスにおいて、上記電磁気結合を、強磁性の芯材なしで、真空または気体中で生じさせることを特徴とするトランス。
- 電圧供給源（１；５０）及びトランス（７３）からなり、該トランス（７３が）が、一次コイル（５；２２；５４ａ、５４ｂ）を有する一次回路（２）を備え、該一次回路（２）が、上記電圧供給源（１；５０）及びスイッチ手段（４；５３；５３ａ、５３ｂ；７２）に接続して上記一次コイル（５；２２；５４ａ、５４ｂ）に対する上記電圧供給源（１；５０）の電圧印加を制御し、上記一次回路（２）が共振周波数を有し、二次回路（９）、二次コイル（６；２０）を有して電磁気的に上記一次コイル（５；２２；５４ａ、５４ｂ）に接続し、上記一次回路（２）と等しい共振周波数を有し、上記一次コイル（５；２２；５４ａ、５４ｂ）が単一のコイルからなり、かつ回転対称の少なくとも２つのセクター部分（３０〜３３；４０、４１；５４ａ、５４ｂ）によって形成され、さらに、上記スイッチ手段（４；５３；５３ａ、５３ｂ；７２）が制御されたオン、オフを行う電気力学的装置において、上記セクター部分（３０〜３３；４０、４１；５４ａ、５４ｂ）が、上記セクター部分（３０〜３３；４０、４１；５４ａ、５４ｂ）それぞれの円周方向の第一端及び第二端の間でセクター部分電圧を印加するための電気的な回路（４２〜４５）を有することを特徴とする装置。
- 電圧供給源（１；５２）、分子銃アセンブリ（８１）及びトランス（７３）を有し、該トランス（７３）が、一次コイル（５；２２；５４ａ、５４ｂ）を有する一次回路（２）を備え、該一次コイルが、上記電圧供給源（１；５２）及びスイッチ手段（４；５３；５３ａ、５３ｂ；７２）に接続して上記一次コイル（５；２２；５４ａ、５４ｂ）に対する上記電圧供給源（１；５２）の電圧印加を制御し、上記一次回路（２）が共振周波数を有し、二次回路（９）が二次コイル（６；２０）を有して電磁気的に上記一次コイル（５；２２；５４ａ、５４ｂ）に接続し、上記一次回路（２）と等しい共振周波数を有し、かつ電気的に上記分子銃アセンブリ（８１）に接続し、上記一次コイル（５；２２；５４ａ、５４ｂ）が単一のコイルからなり、かつ回転対称の少なくとも２つのセクター部分（３０〜３３；４０、４１；５４ａ、５４ｂ）によって形成され、さらに、上記スイッチ手段（４；５３；５３ａ、５３ｂ；７２）が制御されたオン、オフを行う電気力学的装置において、上記セクター部分（３０〜３３；４０、４１；５４ａ、５４ｂ）が、上記セクター部分（３０〜３３；４０、４１；５４ａ、５４ｂ）それぞれの円周方向の第一端及び第二端の間でセクター部分電圧を印加するための電気的な回路（４２〜４５）を有することを特徴とする装置。
- 請求項７または８の装置において、上記一次コイル（５；２２；５４ａ、５４ｂ）及び上記二次コイル（６；２０）間の上記電磁気結合が、ｋ＝（ｎ 2 −ｍ 2 ）／（ｎ 2 ＋ｍ 2 ）（ｎ及びｍが正の整数で、ｎ＝ｍ＋１）によることを特徴とする装置。
- 請求項７または８の装置において、上記セクター部分（３０〜３３；４０、４１；５４ａ、５４ｂ）のサイズが等しく、上記セクター部分電圧が等しい大きさであることを特徴とする装置。
- 請求項１０の装置において、上記セクター部分（３０〜３３；４０、４１；５４ａ、５４ｂ）それぞれの上記第一端を共通の電位に保ち、一のセクター部分（３０〜３３；４０、４１；５４ａ、５４ｂ）の上記第一端を他のセクター部分（３０〜３３；４０、４１；５４ａ、５４ｂ）の上記第二端に対して並列に接続することを特徴とする装置。
- 請求項１１の装置において、上記セクター部分電圧が上記電圧供給源（１；５０）によって供給され、かつ上記一次回路（２）が複数のスイッチ手段（４；５３；５３ａ、５３ｂ；７２）を備え、これらスイッチ手段（４；５３；５３ａ、５３ｂ；７２）の各々が、制御されたオン及びオフを行い、上記セクター部分（３０〜３３；４０、４１；５４ａ、５４ｂ）の一つに対する上記セクター部分電圧の印加を制御することを特徴とする装置。
- 請求項１２の装置において、上記制御されるスイッチ手段（４；５３；５３ａ、５３ｂ；７２）がＩＧＢＴスイッチ（６０）からなることを特徴とする装置。
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