JP4711211B2 - 電圧パルス発生装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ励起用電源や粒子加速用パルス発生器に使用する電圧パルス発生装置に係る。特にパルスを発生させる回路構成に特徴の有る電圧パルス発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
荷電粒子ビーム発生やガスレーザの励起用に、短パルス・高電圧の大電流を発生する高電圧パルス発生装置が用いられる。
従来の高電圧パルス発生装置として、ベースライン型とブルームライン型がある。それそれに、コンデンサやインダクタ等の集中定数素子を組み合わせたものと、金属板や同軸ケーブル等の分布定数素子を用いたものとがあるが、その機能は同一である。
【０００３】
最初に、ベースライン型の高電圧パルス発生装置の構造を説明する。図５は、
ベースライン型高電圧パルス発生装置の回路図である。
ベースライン型の高電圧パルス発生装置３００は、負荷１に高電圧パスルを印加する装置であって、負荷側回路３１０と駆動側回路３２０とパルス成形回路３３０とスイッチ回路３４０と充電回路３５０とを有する。
【０００４】
負荷側回路３１０は、負荷１に高圧電流を供給する回路であって、トランス３１１を有する。トランス３１１の二次コイル３１２が負荷１に直列接続される。
【０００５】
パルス成形回路３３０は、充電された電荷を成形しつつパルス出力する回路であって、一対の出力端３３３，３３４に接続され充電用の電荷を蓄積する回路要素を有する。回路要素はコンデンサ３３１とインダクタ３３２とを梯子状に接続して形成される。コンデンサ３３１が梯子状回路の横木に相当する回路に配置され、インダクタ３３２が梯子状回路の縦柱に相当する回路に配置される。梯子状回路の縦柱の端が一対の出力端３３３，３３４を形成する。
【０００６】
駆動側回路３２０は、トランス３１１の一次コイル３１３に電圧を印加する回路であり、前記出力端の一端３３３を一次コイル３１３の一端に接続する。
【０００７】
スイッチ回路３４０は、パルス成形回路３３０に充電した電荷を放出させ、トランス３１１の一次コイル３１３に導く回路であり、スイッチ素子３４１を有する。スイッチ素子は、一次コイル３１３の他端を出力端の他端３３４に短絡できる。
【０００８】
充電回路３５０は、パルス成形回路３３０に充電用の電荷を供給する回路であり、電源３５１を有する。電源３５１は、一次コイル３１３の他端と出力端の他端３３４とに並列接続される。
【０００９】
次に、ベースライン型の高電圧パルス発生装置の作用を説明する。
最初にスイッチ回路３４０が開放されている。充電回路３５０の電源３５１が、電圧Ｖの充電用の電荷をパルス成形回路３３０に供給する。パルス成形回路３３０は、コンデンサ３３１に電荷を充電する。
スイッチ回路が閉じると、コンデンサ３３１に溜まった電荷がスイッチ素子３４１を通ってトランス３１１の一次コイル３１３に流れる。コイルに印加する電圧は、パルス成形回路３３０で成形され、電圧Ｖ／２のパルスとなる。パルスは肩がなだらかにだれた略台形の形状をする。電圧はトランスで昇圧されて負荷１に供給される。負荷１では、電子的ゲートにより所望の電圧になった略矩形のパルスを、例えば、高周波発生用電子管へ供給する。
【００１０】
次に、ブルームライン型の高電圧パルス発生装置の構造を説明する。図６は、ブルームライン型高電圧パルス発生装置の回路図である。
ブルームライン型の高電圧パルス発生装置４００は、負荷１に高電圧パスルを印加する装置であって、負荷側回路４１０と駆動側回路４２０と第一のパルス成形回路４３０ａ第二のパルス成形回路４３０ｂとスイッチ回路４４０と充電回路４５０とを有する。
【００１１】
負荷側回路４１０は、負荷１に高圧電流を供給する回路であって、トランス４１１を有する。トランス４１１の二次コイル４１２が負荷１に直列接続される。
【００１２】
第一のパルス成形回路４３０ａは、充電された電荷を成形しつつパルス出力する回路であって、一対の第一の出力端４３３ａ、４３４ａに接続される充電用の電荷を蓄積する回路要素を有する。回路要素はコンデンサ４３１とインダクタ４３２とを梯子状に接続して形成される。コンデンサ４３１が梯子状回路の横木に相当する回路に配置され、インダクタ４３２が梯子状回路の縦柱に相当する回路に配置される。梯子状回路の縦柱の端が一対の第一の出力端４３３ａ，４３４ａを形成する。
【００１３】
第二のパルス成形回路４３０ｂは、充電された電荷を成形しつつパルス出力する回路であって、一対になった第一の出力端４３３ｂ、４３４ｂに接続される充電用の電荷を蓄積する回路要素を有する。回路要素はコンデンサ４３１とインダクタ４３２とを梯子状に接続して形成される。コンデンサ４３１が梯子状回路の横木に相当する回路に配置され、インダクタ４３２が梯子状回路の縦柱に相当する回路に配置される。梯子状回路の縦柱の端が一対の第二の出力端４３３ｂ，４３４ｂを形成する。
【００１４】
駆動側回路４２０は、トランス４１１の一次コイル４１３に電圧を印加する回路であり、前記第一の出力端の一端４３３ａを一次コイル４１３の一端に接続し、前記第二の出力端の一端４３３ｂを一次コイル４１３の他端に接続する。
【００１５】
スイッチ回路４４０は、パルス成形回路４３０に充電した電荷を放出させ、トランス４１１の一次コイル４１３に導く回路であり、スイッチ素子４４１を有する。スイッチ素子４４１は、第一のパルス成形回路４３０ａを形成する梯子状回路の第一の出力端の反対側の端を短絡できる。
【００１６】
充電回路４５０は、第一のパルス成形回路４３０ａと第二のパルス成形回路４３０ｂとに充電用の電荷を供給する回路であり、電源４５１を有する。電源４５１は、第一のパルス成形回路４３０ａと第二のパルス成形回路４３０ｂとの梯子状回路のコンデンサ４３１に並列接続される。
【００１７】
次に、ブルームライン型高電圧パルス発生装置の作用を説明する。
最初にスイッチ回路４４０が開放されている。充電回路４５０の電源４５１が、電圧Ｖの充電用の電荷を第一のパルス成形回路４３０ａと第二のパルス成形回路４３０ｂとに供給する。第一のパルス成形回路４３０ａと第二のパルス成形回路４３０ｂとは、コンデンサ４３１に電荷を充電する。
スイッチ回路が閉じると、コンデンサ４３１に溜まった電荷がスイッチ素子４４１を通ってトランス４１１の一次コイル４１３に流れる。一次コイル４１３に印加する電圧は、パルス成形回路４３０で成形され電圧Ｖのパルスとなる。パルスは肩がなだらかにだれた略台形の形状をする。電圧はトランスで昇圧されて負荷１に供給される。負荷１では、電子的ゲートにより所望の電圧になった略矩形のパルスを、例えば、高周波発生用電子管へ供給する。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
上述のベースライン型の高電圧パルス発生装置３００を使用した場合、電圧Ｖをパルス成形回路３３０に充電すると、放電時にトランス３１１の一次コイル３１３へＶ／２の電圧が印加される。一方、ブルームライン型の高電圧パルス発生装置４００を使用した場合、電圧Ｖをパルス成形回路４３０に充電すると、放電時にトランス４１１の一次コイル４１３へＶの電圧が印加される。
従って、同じ電圧の充電回路を用いて所望の電圧を負荷に供給するためには、ベースライン型の高電圧パルス発生装置３００のトランスの巻き数比は、ブルームライン型の高電圧パルス発生装置４００のトランスの巻き数比の２倍にする必要がある。
一般に、トランスの一次コイルと二次コイルの巻き数比が大きくなると、トランスでの漏れ磁束が大きくなるために、トランスのリーケージインダクタンスが大きくなる。
さらにまた、トランス一次側を二次側に変換した線路のインダクタンスが巻き数比の二乗に比例して大きくなる。
回路のインダクタンスが大きくなると、回路時定数は大きくなり、トランスの一次コイルへ印加されるパルスの台形形状の肩部のだれが大きくなる。
【００１９】
一方、ブルームライン型の高電圧パルス発生装置４００を使用した場合、上述の問題は生じないが、スイッチ回路４４０と駆動回路４２０とが、第一のパルス成形回路４３０ａを挟んでいるために、スイッチ回路４４０を短絡してから、電荷が駆動回路４３０ａに到達までに、複数のインダクタ４３２を通過する必要があり、電圧の伝搬に遅れを生ずる。特に第一のパルス成形回路４３０ａと第二のパルス成形回路４３０ｂの梯子状回路の段数を多くするとその傾向が顕著になる。従って、トランス４１１の一次コイル４１３へ印加されるパルスの台形形状の肩部のだれが大きくなる。
負荷側では、パルス電圧が所定の値になると電子的ゲートを開いて、そのエネルギーを使用するので、所定の値に到達するまでのパルス電圧は熱として捨てることとなる。
【００２０】
従って、従来のベースライン型の高電圧パルス発生装置やブルームライン型の高電圧パルス発生装置では今以上にエネルギー効率を上げられないという問題があった。
【００２１】
本発明は以上に述べた問題点に鑑み案出されたもので、従来の電圧パルス発生装置にかわって、出力パルスの立ち上がりを早くしてエネルギー効率の良い電圧パルス発生装置を提供しようとする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る負荷に電圧パスルを印加する電圧パルス発生装置は、２次コイルを負荷に直列接続された第一のトランスと第二のトランスとを有する負荷側回路と、一対の第一の出力端に接続され充電用の電荷を蓄積する回路要素を有する第一のパルス成形回路と、一対の第二の出力端に接続され充電用の電荷を蓄積する回路要素を有する第二のパルス成形回路と、前記第一の出力端の一端と前記第二の出力端の一端との間に前記第一のトランスの第一の一次コイルと前記第二のトランスの第二の一次コイルとを直列接続した駆動側回路と、前記第一の一次コイルと前記第二の一次コイルとの間の接続点を前記第一の出力端の他端と前記第二の出力端の他端とに短絡可能なスイッチ素子を有するスイッチ回路と、を備え、前記スイッチ素子を接続すると前記第一の二次コイルと前記第二の二次コイルとに同一方向の電流が流れる様になったものとした。
【００２３】
上記本発明の構成により、スイッチ回路が第一の一次コイルと第二の一次コイルの間の接続点を第一の出力端の他端と第二の出力端の他端とに短絡すると、第一パルス成形回路に充電された電荷が第一の出力端を経由して第一の一次コイルへ流れて誘導電流が第一の二次コイルを流れ、第二パルス成形回路に充電された電荷が第二の出力端を経由して第二の一次コイルへ流れて誘導電流が第二の二次コイルを流れ、第一の二次コイルを流れる電流と第二の二次コイルを流れる電流が同一方向に流れて加算されて負荷に印加するので、全体としてインピーダンスの小さな回路を構成でき、立ち上がりが早くてエネルギーロスの少ない高電圧パルスを負荷に印加できる。
【００２４】
さらに、本発明に係る電圧パルス発生装置は、第一のトランスと第二のトランスの一方が同極性で、他方が異極性であるものとした。
上記本発明の構成により、第一のトランスと第二のトランスの一方が同極性で、他方が異極性であるので、前記スイッチ素子を接続した際に、単純な回路構成により、前記第一の二次コイルと前記第二の二次コイルとに同一方向の電流が流れる様にすることができる。
【００２５】
さらに、本発明に係る電圧パルス発生装置は、前記回路要素が、並列接続されたコンデンサを有するものとした。上記本発明の構成により、前記回路要素が並列接続されたコンデンサを有するので、集中定数素子で構造の簡単なパルス成形回路を構成できる。
【００２６】
また、本発明に係る電圧パルス発生装置は、前記回路要素が、同軸ケーブルを有するものとした。上記本発明の構成により、前記回路要素が同軸ケーブルを有するので、分布定数素子でコンパクトなパルス成形回路を構成できる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい第一の実施形態を、図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００２８】
本発明の第一の実施形態に係る高電圧パルス発生装置の構造を説明する。図１は、本発明の第一の実施形態の回路概念図である。
【００２９】
本発明の第一の実施形態に係る高電圧パルス発生装置１００は、負荷に高電圧パスルを印加する装置であって、負荷側回路１１０と駆動側回路１２０と第一のパルス成形回路１３０ａ第二のパルス成形回路１３０ｂとスイッチ回路１４０と充電回路１５０とを有する。
負荷側回路１１０は、負荷１に高圧電流を供給する回路であって、第一トランス１１１ａと第二トランス１１１ｂとを有する。第一のトランス１１１ａの第一の二次コイル１１２ａと第二のトランス１１１ｂの第二の二次コイル１１２ｂとが負荷１に直列接続される。
【００３０】
第一のパルス成形回路１３０ａは、充電された電荷を成形しつつパルス出力する回路であって、一対になった第一の出力端１３３ａ、１３４ａに接続される充電用の電荷を蓄積する回路要素を有する。回路要素はコンデンサ１３１とインダクタ１３２とを梯子状に接続して形成される。コンデンサ１３１が梯子状回路の横木に相当する回路に配置され、インダクタ１３２が梯子状回路の縦柱に相当する回路に配置される。梯子状回路の縦柱の端が一対の第一の出力端１３３ａ、１３４ａを形成する。
【００３１】
第二のパルス成形回路１３０ｂは、充電された電荷を成形しつつパルス出力する回路であって、一対になった第一の出力端１３３ｂ、１３４ｂに接続される充電用の電荷を蓄積する回路要素を有する。回路要素はコンデンサ１３１とインダクタ１３２とを梯子状に接続して形成される。コンデンサ１３１が梯子状回路の横木に相当する回路に配置され、インダクタ１３２が梯子状回路の縦柱に相当する回路に配置される。梯子状回路の縦柱の端が一対の第二の出力端１３３ｂ，１３４ｂを形成する。
【００３２】
駆動側回路１２０は、第一のトランス１１１ａの第一の一次コイル１１３ａと第二のトランス１１１ｂの第二の一次コイル１１３ｂに電圧を印加する回路であり、前記第一の出力端の一端１３３ａと前記第二の出力端の一端１３３ｂとの間に前記第一の一次コイル１１３ａと前記第二の一次コイル１１４ｂとを直列接続する。すなわち、第一の出力端の一端１３３ａを第一の一次コイル１１３ａの一端に接続し、第一の一次コイル１１３ａの他端を第二の一次コイル１１３ｂの一端に接続し、第二の一次コイル１１３ｂの他端を第二出力端の一端１３３ｂに接続する。ここで、説明の便宜のため、第一の一次コイル１１３ａの他端と第二の一次コイル１１３ｂの一端を接続する点を中間接続点１２１と呼ぶ。
後述するスイッチ回路を短絡して、第一の一次コイル１１３ａと第二の一次コイル１１３ｂに電流が流れる際に、第一の二次コイル１１２ａに流れる電流の向きと第二の二次コイル１１２ｂに流れる電流の向きが同一方向となるように配線される。好ましくは、第一のトランス１１１ａと第二のトランス１１１ｂの一方が同極性で、他方が異極性である様にするとよい。
【００３３】
スイッチ回路１４０は、パルス成形回路１３０に充電した電荷を放出させ、第一の一次コイル１１３ａと第二の一次コイル１１３ｂとに導く回路であり、スイッチ素子１４１を有する。スイッチ素子は、第一の一次コイル１１３ａと第二の一次コイル１１３ｂとの中間接続点１２１を第一の出力端の他端１３４ａと第二の出力端の他端１３４ｂとに短絡することができる。
【００３４】
充電回路１５０は、パルス成形回路１３０に充電用の電荷を供給する回路であり、電源１５１を有する。電源１５１は、第一パルス成形回路の梯子状回路のコンデンサ１３１に並列接続される。
【００３５】
次に、第一の実施形態に係る高電圧パルス発生装置の作用を説明する。
最初にスイッチ回路１４０が開放されている。充電回路１５０の電源１５１が、電圧Ｖの充電用の電荷を第一のパルス成形回路１３０ａと第二のパルス成形回路１３０ｂとに供給する。第一のパルス成形回路１３０ａと第二のパルス成形回路１３０ｂとは、コンデンサ１３１に電荷を充電する。
スイッチ回路が閉じると、第一パルス成形回路１３０ａのコンデンサ１３１に溜まった電荷が第一の一次コイル１１３ａに流れ、第二パルス成形回路１３０ｂのコンデンサ１３１に溜まった電荷が第二の一次コイル１１３ｂに流れる。コイルに印加する電圧は、パルス成形回路１３０で成形され電圧Ｖ／２のパルスとなる。パルスは肩がなだらかにだれた略台形の形状をする。電圧はトランスで昇圧されて負荷１に供給される。第一の二次コイル１１２ａでの電圧と第二の二次コイル１１２ｂでの電圧が加算され、一つのトランスの一次コイルに電圧Ｖのパルスが印加されたのと同様の出力が負荷１に作用する。負荷１では、電子的ゲートにより所望の電圧になった略矩形のパルスを、例えば、高周波発生用電子管へ供給する。
【００３６】
本発明の第二の実施形態に係る高電圧パルス発生装置の構造を説明する。図２は、本発明の第二の実施形態の回路概念図である。第一の実施形態と異なる点のみを説明する。
【００３７】
第一のパルス成形回路２３０ａと第二のパルス成形回路２３０ｂとが同軸ケーブルで構成される。第一のパルス成形回路２３０ａの中心軸とシールドとがそれぞれ一対の第一の出力端２３３ａ、２３４ａに繋がり、第二のパルス成形回路２３０ｂの中心軸とシールドとがそれぞれ一対の第の一出力端２３３ｂ、２３４ｂに繋がる。
【００３８】
第二の実施形態に係る高電圧パルス発生装置の作用は、第一の実施形態に係る電圧パルス発生装置と同じなので説明を省略する。
【００３９】
次に、第一の実施形態に係る高電圧パルス発生装置のエネルギー効率を、同一条件でのベースライン型高電圧パルス発生装置とブルームライン型高電圧パルス発生装置のエネルギー効率と比較しつつ、評価する。第二の実施形態に係る高電圧パルス発生装置のエネルギー効率は、第一の実施形態に係る高電圧パルス発生装置のエネルギー効率の考え方と同様であるので、説明を省略する。
【００４０】
最初に、高電圧パルス発生装置のパルス立ち上がり時の時定数を評価する。トランスの一次コイルへ印加する台形のパルスは、パルス成形回路の複数のコンデンサから放電した複数のパルスが重ね合ったものである。従って、最初の１パルスに着目し、その時定数を算出すると、パルス立ち上がり時の時定数を評価できる。
【００４１】
最初の１パルス（以下、初期パルスという。）の電荷に影響を与えるインダクタンスを各形式毎に求めると次の表になる。
【表１】
【００４２】
上記の表を説明する。ここで、本発明の実施形態に係る高電圧パルス発生装置とブルームライン型高電圧パルス発生装置のトランスの巻き数比は、１：ｎであって、ベースライン型高電圧パルス発生装置のトランスの巻き数比は、１：２ｎであるとする。また、パルス成形装置の一段のインダクタのインダクタンスはＬPFNである。
【００４３】
最初に、初期パルスに影響を与えるパルス成形回路のインダクタンスを検討する。本発明の実施形態に係る高電圧パルス発生装置では、スイッチ素子に直近のコンデンサに充電された電荷が１パルス目の電圧を形成する。スイッチ素子とトランスとそのコンデンサでつくる閉ループ内にあるインダクタは１個であるので、初期パルスに影響をあたえるパルス成形回路インダクタンスはＬPFNである。一方、ブルームライン型では、スイッチ素子とトランスとそのコンデンサでつくる閉ループ内にあるインダクタはｎ個であるので、初期パルスに影響をあたえるパルス成形回路インダクタンスはｎ×ＬPFNである。ベースライン型では、スイッチ素子とトランスとそのコンデンサでつくる閉ループ内にあるインダクタは１個であるので、初期パルスに影響をあたえるパルス成形回路インダクタンスはＬPFNである。
【００４４】
次に、初期パルスに影響を与えるパルストランスリーケージインダクタンスを検討する。本発明の実施形態に係る高電圧パルス発生装置では、巻き数比がｎであるトランスのパルストランスリーケージインダクタンスをＬl2とすると、トランスが２個あるので、本発明の実施形態に係る高電圧パルス発生装置のパルストランスリーケージインダクタンスは２Ｌl2である。一方、ブルームライン型高電圧パルス発生装置では、巻き数比がｎであるトランスを一個使用するので、ブルームライン型高電圧パルス発生装置のパルストランスリーケージインダクタンスはＬl2である。ベースライン型高電圧パルス発生装置では、巻き数比が２ｎであるトランスのパルストランスリーケージインダクタンスをＬl1とすると、ベースライン型高電圧パルス発生装置のパルストランスリーケージインダクタンスはＬl1である。一般に、Ｌl1はＬ12よりも大きくなる。
【００４５】
次に、初期パルスに影響を与えるトランス一次側を２次側へ変換した線路のインダクタンスを検討する。本発明の実施形態に係る高電圧パルス発生装置では、トランス一次側の線路（線路長さ２ｍ程度）のインダクタンスをＬとすると、トランス一次側を２次側へ変換した線路のインダクタンスはｎ2Ｌである、一方、ブルームライン型高電圧パルス発生装置では、トランス一次側を２次側へ変換した線路のインダクタンスはｎ2Ｌである。ベースライン型高電圧パルス発生装置では、巻き数が２ｎであるので、トランス一次側を２次側へ変換した線路のインダクタンスは４ｎ2Ｌである。
【００４６】
上記のパルス成形回路のインダクタンスとパルストランスリーケージインダクタンスとトランス一次側を２次側へ変換した線路のインダクタンスの総和が、初期パルスに影響を与える。総和をＬallとすると、実際の高電圧パルス発生装置の仕様では、本発明の実施形態に係る高電圧発生装置のＬallが、ブルームライン型高電圧発生装置のＬallとベースライン型高電圧発生装置のＬallよりも小さくなる。
【００４７】
そして、初期パルスの立ち上がり時間Ｔは、回路時定数で代表され、その値は以下の式で与えられる。
【式１】
【００４８】
【実施例】
実際の高電圧パルス発生装置の仕様を基に実施例を説明する。
高電圧パルス発生装置の仕様を以下の様に選定する。
【００４９】
３種類の高電圧パスル発生装置のインダクタンスは、以下の様になる。
【表２】
【００５０】
３種類の高電圧パルス発生回路のパルスの立ち上がり時間Ｔは以下の様になる。
【表３】
この結果から、本発明の実施形態に係る電圧パルス発生装置では、従来の電圧パスル発生装置に比べて、パルス立ち上がり時間が短いことが分かる。
【００５１】
次に、上記の仕様の高電圧パルス発生装置のコンピュータシミュレーション結果を説明する。図３は、本発明の実施形態に係る電圧パルス発生装置のシミュレーション結果の図である。図４は、３種類の高電圧パルス発生装置のエネルギーロスの比較図である。
【００５２】
本発明の実施形態に係る高電圧パルス派生装置の出力したパルス波形は、ブルームライン型高電圧パルス派生装置のパルス波形やベースライン型高電圧パルス派生装置のパルス波形に比較して、俊敏に立ち上がり短い時間で定格の電圧に達し、俊敏に立ち下がり短い時間で電圧が下がっていることが分かる。
理想パルスのエネルギーを１．０とすると、本発明の実施形態に係る高電圧パルス発生装置のエネルギーは１．４５となる。一方、ブルームライン型高電圧パルス発生装置のエネルギーは１．６となり、ベースライン型高電圧パルス発生装置のエネルギーは１．９となる。エネルギーが少ないほど、エネルギーロスが少ないので、本発明の実施形態に係る高電圧パルス発生装置が３種類の高電圧パルス発生装置に中で最もエネルギーロスが少ない。
【００５３】
上述の実施形態の高電圧パスル発生装置を用いれば、初期パルスに影響を与える回路インピーダンスを小さくし、初期パルスの立ち上がりを早くすることができる。
また、負荷に印加するパルス波形が矩形に近くなるので、エネルギーロスが少なくなる。
【００５４】
本発明は以上に述べた実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で各種の変更が可能である。
図示した回路では、パルス成形回路のインダクタが接続されている側の出力端を二次コイルに接続したがこれに限定されず、例えば、インダクタが接続されていない側の出力端を一次コイルに接続しても良い。
また、実施例の説明では、２つのパルス成形回路を用いたがこれに限定されず、３つ以上のパルス成形回路を用いても良い。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の負荷に高電圧パスルを印加する高電圧パルス発生装置は、その構成により、以下の効果を有する。スイッチ回路が第一の一次コイルと第二の一次コイルの間の接続点を第一の出力端の他端と第二の出力端の他端とに短絡すると、第一パルス成形回路に充電された電荷が第一の出力端を経由して第一の一次コイルへ流れて誘導電流が第一の二次コイルを流れ、第二パルス成形回路に充電された電荷が第二の出力端を経由して第二の一次コイルへ流れて誘導電流が第二の二次コイルを流れ、第一の二次コイルを流れる電流と第二の二次コイルを流れる電流が同一方向に流れて加算されて負荷に印加するので、全体としてインピーダンスの小さな回路を構成でき、立ち上がりが早くてエネルギーロスの少ない高電圧パルスを負荷に印加できる。また、第一のトランスと第二のトランスの一方が同極性で、他方が異極性であるので、前記スイッチ素子を接続した際に、単純な回路構成により、前記第一の二次コイルと前記第二の二次コイルとに同一方向の電流が流れる様にすることができる。また、前記回路要素が並列接続されたコンデンサを有するので、集中定数素子で構造の簡単なパルス成形回路を構成できる。また、前記回路要素が同軸ケーブルを有するので、分布定数素子でコンパクトなパルス成形回路を構成できる。従って、出力パルスの立ち上がりを早くしてエネルギー効率の良い高電圧パルス発生装置を提供できる。
【００５６】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施形態の回路図である。
【図２】本発明の第二の実施形態の回路図である。
【図３】本発明の実施形態のシミュレーション結果の図である。
【図４】３種類の高電圧パルス発生装置のエネルギーロスの比較図である。
【図５】ベースライン型高電圧パルス発生装置の回路図である。
【図６】ブルームライン型高電圧パルス発生装置の回路図である。
【符号の説明】
１ 負荷
１００ 第一の実施形態に係る電圧パルス発生装置
１１０ 負荷側回路
１１１ａ 第一のトランス
１１１ｂ 第二のトランス
１１２ａ 第一の二次コイル
１１２ｂ 第二の二次コイル
１１３ａ 第一の一次コイル
１１３ｂ 第二の一次コイル
１２０ 駆動側回路
１２１ 中間接続点
１３０ａ 第一のパルス成形回路
１３０ｂ 第二のパルス成形回路
１３１ コンデンサ
１３２ インダクタ
１３３ａ 第一の出力端の一端
１３３ｂ 第二の出力端の一端
１３４ａ 第一の出力端の他端
１３４ｂ 第二の出力端の他端
１４０ スイッチ回路
１４１ スイッチ素子
１５０ 充電回路
１５１ 電源
２００ 第二の実施形態に係る電圧パルス発生装置
２１０ 負荷側回路
２１１ａ 第一のトランス
２１１ｂ 第二のトランス
２１２ａ 第一の二次コイル
２１２ｂ 第二の二次コイル
２１３ａ 第一の一次コイル
２１３ｂ 第二の一次コイル
２２０ 駆動側回路
２２１ 中間接続点
２３０ａ 第一のパルス成形回路
２３０ｂ 第二のパルス成形回路
２３１ 同軸ケーブルの心線
２３２ 同軸ケーブルのシールド線
２３３ａ 第一の出力端の一端
２３３ｂ 第二の出力端の一端
２３４ａ 第一の出力端の他端
２３４ｂ 第二の出力端の他端
２４０ スイッチ回路
２４１ スイッチ素子
２５０ 充電回路
２５１ 電源
３００ ベースライン型高電圧パルス発生装置
３１０ 負荷側回路
３１１ トランス
３１２ 二次コイル
３１３ 一次コイル
３２０ 駆動側回路
３３０ パルス成形回路
３３１ コンデンサ
３３２ インダクタ
３３３ 出力端の一端
３３４ 出力端の他端
３４０ スイッチ回路
３４１ スイッチ素子
３５０ 充電回路
３５１ 電源
４００ ブルームライン型高電圧パルス発生装置
４１０ 負荷側回路
４１１ トランス
４１２ 二次コイル
４１３ 一次コイル
４２０ 駆動側回路
４３０ａ 第一のパルス成形回路
４３０ｂ 第二のパルス成形回路
４３１ コンデンサ
４３２ インダクタ
４３３ａ 第一の出力端の一端
４３３ｂ 第二の出力端の一端
４３４ａ 第一の出力端の他端
４３４ｂ 第二の出力端の他端
４４０ スイッチ回路
４４１ スイッチ素子
４５０ 充電回路
４５１ 電源
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ励起用電源や粒子加速用パルス発生器に使用する電圧パルス発生装置に係る。特にパルスを発生させる回路構成に特徴の有る電圧パルス発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
荷電粒子ビーム発生やガスレーザの励起用に、短パルス・高電圧の大電流を発生する高電圧パルス発生装置が用いられる。
従来の高電圧パルス発生装置として、ベースライン型とブルームライン型がある。それそれに、コンデンサやインダクタ等の集中定数素子を組み合わせたものと、金属板や同軸ケーブル等の分布定数素子を用いたものとがあるが、その機能は同一である。
【０００３】
最初に、ベースライン型の高電圧パルス発生装置の構造を説明する。図５は、
ベースライン型高電圧パルス発生装置の回路図である。
ベースライン型の高電圧パルス発生装置３００は、負荷１に高電圧パスルを印加する装置であって、負荷側回路３１０と駆動側回路３２０とパルス成形回路３３０とスイッチ回路３４０と充電回路３５０とを有する。
【０００４】
負荷側回路３１０は、負荷１に高圧電流を供給する回路であって、トランス３１１を有する。トランス３１１の二次コイル３１２が負荷１に直列接続される。
【０００５】
パルス成形回路３３０は、充電された電荷を成形しつつパルス出力する回路であって、一対の出力端３３３，３３４に接続され充電用の電荷を蓄積する回路要素を有する。回路要素はコンデンサ３３１とインダクタ３３２とを梯子状に接続して形成される。コンデンサ３３１が梯子状回路の横木に相当する回路に配置され、インダクタ３３２が梯子状回路の縦柱に相当する回路に配置される。梯子状回路の縦柱の端が一対の出力端３３３，３３４を形成する。
【０００６】
駆動側回路３２０は、トランス３１１の一次コイル３１３に電圧を印加する回路であり、前記出力端の一端３３３を一次コイル３１３の一端に接続する。
【０００７】
スイッチ回路３４０は、パルス成形回路３３０に充電した電荷を放出させ、トランス３１１の一次コイル３１３に導く回路であり、スイッチ素子３４１を有する。スイッチ素子は、一次コイル３１３の他端を出力端の他端３３４に短絡できる。
【０００８】
充電回路３５０は、パルス成形回路３３０に充電用の電荷を供給する回路であり、電源３５１を有する。電源３５１は、一次コイル３１３の他端と出力端の他端３３４とに並列接続される。
【０００９】
次に、ベースライン型の高電圧パルス発生装置の作用を説明する。
最初にスイッチ回路３４０が開放されている。充電回路３５０の電源３５１が、電圧Ｖの充電用の電荷をパルス成形回路３３０に供給する。パルス成形回路３３０は、コンデンサ３３１に電荷を充電する。
スイッチ回路が閉じると、コンデンサ３３１に溜まった電荷がスイッチ素子３４１を通ってトランス３１１の一次コイル３１３に流れる。コイルに印加する電圧は、パルス成形回路３３０で成形され、電圧Ｖ／２のパルスとなる。パルスは肩がなだらかにだれた略台形の形状をする。電圧はトランスで昇圧されて負荷１に供給される。負荷１では、電子的ゲートにより所望の電圧になった略矩形のパルスを、例えば、高周波発生用電子管へ供給する。
【００１０】
次に、ブルームライン型の高電圧パルス発生装置の構造を説明する。図６は、ブルームライン型高電圧パルス発生装置の回路図である。
ブルームライン型の高電圧パルス発生装置４００は、負荷１に高電圧パスルを印加する装置であって、負荷側回路４１０と駆動側回路４２０と第一のパルス成形回路４３０ａ第二のパルス成形回路４３０ｂとスイッチ回路４４０と充電回路４５０とを有する。
【００１１】
負荷側回路４１０は、負荷１に高圧電流を供給する回路であって、トランス４１１を有する。トランス４１１の二次コイル４１２が負荷１に直列接続される。
【００１２】
第一のパルス成形回路４３０ａは、充電された電荷を成形しつつパルス出力する回路であって、一対の第一の出力端４３３ａ、４３４ａに接続される充電用の電荷を蓄積する回路要素を有する。回路要素はコンデンサ４３１とインダクタ４３２とを梯子状に接続して形成される。コンデンサ４３１が梯子状回路の横木に相当する回路に配置され、インダクタ４３２が梯子状回路の縦柱に相当する回路に配置される。梯子状回路の縦柱の端が一対の第一の出力端４３３ａ，４３４ａを形成する。
【００１３】
第二のパルス成形回路４３０ｂは、充電された電荷を成形しつつパルス出力する回路であって、一対になった第一の出力端４３３ｂ、４３４ｂに接続される充電用の電荷を蓄積する回路要素を有する。回路要素はコンデンサ４３１とインダクタ４３２とを梯子状に接続して形成される。コンデンサ４３１が梯子状回路の横木に相当する回路に配置され、インダクタ４３２が梯子状回路の縦柱に相当する回路に配置される。梯子状回路の縦柱の端が一対の第二の出力端４３３ｂ，４３４ｂを形成する。
【００１４】
駆動側回路４２０は、トランス４１１の一次コイル４１３に電圧を印加する回路であり、前記第一の出力端の一端４３３ａを一次コイル４１３の一端に接続し、前記第二の出力端の一端４３３ｂを一次コイル４１３の他端に接続する。
【００１５】
スイッチ回路４４０は、パルス成形回路４３０に充電した電荷を放出させ、トランス４１１の一次コイル４１３に導く回路であり、スイッチ素子４４１を有する。スイッチ素子４４１は、第一のパルス成形回路４３０ａを形成する梯子状回路の第一の出力端の反対側の端を短絡できる。
【００１６】
充電回路４５０は、第一のパルス成形回路４３０ａと第二のパルス成形回路４３０ｂとに充電用の電荷を供給する回路であり、電源４５１を有する。電源４５１は、第一のパルス成形回路４３０ａと第二のパルス成形回路４３０ｂとの梯子状回路のコンデンサ４３１に並列接続される。
【００１７】
次に、ブルームライン型高電圧パルス発生装置の作用を説明する。
最初にスイッチ回路４４０が開放されている。充電回路４５０の電源４５１が、電圧Ｖの充電用の電荷を第一のパルス成形回路４３０ａと第二のパルス成形回路４３０ｂとに供給する。第一のパルス成形回路４３０ａと第二のパルス成形回路４３０ｂとは、コンデンサ４３１に電荷を充電する。
スイッチ回路が閉じると、コンデンサ４３１に溜まった電荷がスイッチ素子４４１を通ってトランス４１１の一次コイル４１３に流れる。一次コイル４１３に印加する電圧は、パルス成形回路４３０で成形され電圧Ｖのパルスとなる。パルスは肩がなだらかにだれた略台形の形状をする。電圧はトランスで昇圧されて負荷１に供給される。負荷１では、電子的ゲートにより所望の電圧になった略矩形のパルスを、例えば、高周波発生用電子管へ供給する。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
上述のベースライン型の高電圧パルス発生装置３００を使用した場合、電圧Ｖをパルス成形回路３３０に充電すると、放電時にトランス３１１の一次コイル３１３へＶ／２の電圧が印加される。一方、ブルームライン型の高電圧パルス発生装置４００を使用した場合、電圧Ｖをパルス成形回路４３０に充電すると、放電時にトランス４１１の一次コイル４１３へＶの電圧が印加される。
従って、同じ電圧の充電回路を用いて所望の電圧を負荷に供給するためには、ベースライン型の高電圧パルス発生装置３００のトランスの巻き数比は、ブルームライン型の高電圧パルス発生装置４００のトランスの巻き数比の２倍にする必要がある。
一般に、トランスの一次コイルと二次コイルの巻き数比が大きくなると、トランスでの漏れ磁束が大きくなるために、トランスのリーケージインダクタンスが大きくなる。
さらにまた、トランス一次側を二次側に変換した線路のインダクタンスが巻き数比の二乗に比例して大きくなる。
回路のインダクタンスが大きくなると、回路時定数は大きくなり、トランスの一次コイルへ印加されるパルスの台形形状の肩部のだれが大きくなる。
【００１９】
一方、ブルームライン型の高電圧パルス発生装置４００を使用した場合、上述の問題は生じないが、スイッチ回路４４０と駆動回路４２０とが、第一のパルス成形回路４３０ａを挟んでいるために、スイッチ回路４４０を短絡してから、電荷が駆動回路４３０ａに到達までに、複数のインダクタ４３２を通過する必要があり、電圧の伝搬に遅れを生ずる。特に第一のパルス成形回路４３０ａと第二のパルス成形回路４３０ｂの梯子状回路の段数を多くするとその傾向が顕著になる。従って、トランス４１１の一次コイル４１３へ印加されるパルスの台形形状の肩部のだれが大きくなる。
負荷側では、パルス電圧が所定の値になると電子的ゲートを開いて、そのエネルギーを使用するので、所定の値に到達するまでのパルス電圧は熱として捨てることとなる。
【００２０】
従って、従来のベースライン型の高電圧パルス発生装置やブルームライン型の高電圧パルス発生装置では今以上にエネルギー効率を上げられないという問題があった。
【００２１】
本発明は以上に述べた問題点に鑑み案出されたもので、従来の電圧パルス発生装置にかわって、出力パルスの立ち上がりを早くしてエネルギー効率の良い電圧パルス発生装置を提供しようとする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る負荷に電圧パスルを印加する電圧パルス発生装置は、２次コイルを負荷に直列接続された第一のトランスと第二のトランスとを有する負荷側回路と、一対の第一の出力端に接続され充電用の電荷を蓄積する回路要素を有する第一のパルス成形回路と、一対の第二の出力端に接続され充電用の電荷を蓄積する回路要素を有する第二のパルス成形回路と、前記第一の出力端の一端と前記第二の出力端の一端との間に前記第一のトランスの第一の一次コイルと前記第二のトランスの第二の一次コイルとを直列接続した駆動側回路と、前記第一の一次コイルと前記第二の一次コイルとの間の接続点を前記第一の出力端の他端と前記第二の出力端の他端とに短絡可能なスイッチ素子を有するスイッチ回路と、を備え、前記スイッチ素子を接続すると前記第一の二次コイルと前記第二の二次コイルとに同一方向の電流が流れる様になったものとした。
【００２３】
上記本発明の構成により、スイッチ回路が第一の一次コイルと第二の一次コイルの間の接続点を第一の出力端の他端と第二の出力端の他端とに短絡すると、第一パルス成形回路に充電された電荷が第一の出力端を経由して第一の一次コイルへ流れて誘導電流が第一の二次コイルを流れ、第二パルス成形回路に充電された電荷が第二の出力端を経由して第二の一次コイルへ流れて誘導電流が第二の二次コイルを流れ、第一の二次コイルを流れる電流と第二の二次コイルを流れる電流が同一方向に流れて加算されて負荷に印加するので、全体としてインピーダンスの小さな回路を構成でき、立ち上がりが早くてエネルギーロスの少ない高電圧パルスを負荷に印加できる。
【００２４】
さらに、本発明に係る電圧パルス発生装置は、第一のトランスと第二のトランスの一方が同極性で、他方が異極性であるものとした。
上記本発明の構成により、第一のトランスと第二のトランスの一方が同極性で、他方が異極性であるので、前記スイッチ素子を接続した際に、単純な回路構成により、前記第一の二次コイルと前記第二の二次コイルとに同一方向の電流が流れる様にすることができる。
【００２５】
さらに、本発明に係る電圧パルス発生装置は、前記回路要素が、並列接続されたコンデンサを有するものとした。上記本発明の構成により、前記回路要素が並列接続されたコンデンサを有するので、集中定数素子で構造の簡単なパルス成形回路を構成できる。
【００２６】
また、本発明に係る電圧パルス発生装置は、前記回路要素が、同軸ケーブルを有するものとした。上記本発明の構成により、前記回路要素が同軸ケーブルを有するので、分布定数素子でコンパクトなパルス成形回路を構成できる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい第一の実施形態を、図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００２８】
本発明の第一の実施形態に係る高電圧パルス発生装置の構造を説明する。図１は、本発明の第一の実施形態の回路概念図である。
【００２９】
本発明の第一の実施形態に係る高電圧パルス発生装置１００は、負荷に高電圧パスルを印加する装置であって、負荷側回路１１０と駆動側回路１２０と第一のパルス成形回路１３０ａ第二のパルス成形回路１３０ｂとスイッチ回路１４０と充電回路１５０とを有する。
負荷側回路１１０は、負荷１に高圧電流を供給する回路であって、第一トランス１１１ａと第二トランス１１１ｂとを有する。第一のトランス１１１ａの第一の二次コイル１１２ａと第二のトランス１１１ｂの第二の二次コイル１１２ｂとが負荷１に直列接続される。
【００３０】
第一のパルス成形回路１３０ａは、充電された電荷を成形しつつパルス出力する回路であって、一対になった第一の出力端１３３ａ、１３４ａに接続される充電用の電荷を蓄積する回路要素を有する。回路要素はコンデンサ１３１とインダクタ１３２とを梯子状に接続して形成される。コンデンサ１３１が梯子状回路の横木に相当する回路に配置され、インダクタ１３２が梯子状回路の縦柱に相当する回路に配置される。梯子状回路の縦柱の端が一対の第一の出力端１３３ａ、１３４ａを形成する。
【００３１】
第二のパルス成形回路１３０ｂは、充電された電荷を成形しつつパルス出力する回路であって、一対になった第一の出力端１３３ｂ、１３４ｂに接続される充電用の電荷を蓄積する回路要素を有する。回路要素はコンデンサ１３１とインダクタ１３２とを梯子状に接続して形成される。コンデンサ１３１が梯子状回路の横木に相当する回路に配置され、インダクタ１３２が梯子状回路の縦柱に相当する回路に配置される。梯子状回路の縦柱の端が一対の第二の出力端１３３ｂ，１３４ｂを形成する。
【００３２】
駆動側回路１２０は、第一のトランス１１１ａの第一の一次コイル１１３ａと第二のトランス１１１ｂの第二の一次コイル１１３ｂに電圧を印加する回路であり、前記第一の出力端の一端１３３ａと前記第二の出力端の一端１３３ｂとの間に前記第一の一次コイル１１３ａと前記第二の一次コイル１１４ｂとを直列接続する。すなわち、第一の出力端の一端１３３ａを第一の一次コイル１１３ａの一端に接続し、第一の一次コイル１１３ａの他端を第二の一次コイル１１３ｂの一端に接続し、第二の一次コイル１１３ｂの他端を第二出力端の一端１３３ｂに接続する。ここで、説明の便宜のため、第一の一次コイル１１３ａの他端と第二の一次コイル１１３ｂの一端を接続する点を中間接続点１２１と呼ぶ。
後述するスイッチ回路を短絡して、第一の一次コイル１１３ａと第二の一次コイル１１３ｂに電流が流れる際に、第一の二次コイル１１２ａに流れる電流の向きと第二の二次コイル１１２ｂに流れる電流の向きが同一方向となるように配線される。好ましくは、第一のトランス１１１ａと第二のトランス１１１ｂの一方が同極性で、他方が異極性である様にするとよい。
【００３３】
スイッチ回路１４０は、パルス成形回路１３０に充電した電荷を放出させ、第一の一次コイル１１３ａと第二の一次コイル１１３ｂとに導く回路であり、スイッチ素子１４１を有する。スイッチ素子は、第一の一次コイル１１３ａと第二の一次コイル１１３ｂとの中間接続点１２１を第一の出力端の他端１３４ａと第二の出力端の他端１３４ｂとに短絡することができる。
【００３４】
充電回路１５０は、パルス成形回路１３０に充電用の電荷を供給する回路であり、電源１５１を有する。電源１５１は、第一パルス成形回路の梯子状回路のコンデンサ１３１に並列接続される。
【００３５】
次に、第一の実施形態に係る高電圧パルス発生装置の作用を説明する。
最初にスイッチ回路１４０が開放されている。充電回路１５０の電源１５１が、電圧Ｖの充電用の電荷を第一のパルス成形回路１３０ａと第二のパルス成形回路１３０ｂとに供給する。第一のパルス成形回路１３０ａと第二のパルス成形回路１３０ｂとは、コンデンサ１３１に電荷を充電する。
スイッチ回路が閉じると、第一パルス成形回路１３０ａのコンデンサ１３１に溜まった電荷が第一の一次コイル１１３ａに流れ、第二パルス成形回路１３０ｂのコンデンサ１３１に溜まった電荷が第二の一次コイル１１３ｂに流れる。コイルに印加する電圧は、パルス成形回路１３０で成形され電圧Ｖ／２のパルスとなる。パルスは肩がなだらかにだれた略台形の形状をする。電圧はトランスで昇圧されて負荷１に供給される。第一の二次コイル１１２ａでの電圧と第二の二次コイル１１２ｂでの電圧が加算され、一つのトランスの一次コイルに電圧Ｖのパルスが印加されたのと同様の出力が負荷１に作用する。負荷１では、電子的ゲートにより所望の電圧になった略矩形のパルスを、例えば、高周波発生用電子管へ供給する。
【００３６】
本発明の第二の実施形態に係る高電圧パルス発生装置の構造を説明する。図２は、本発明の第二の実施形態の回路概念図である。第一の実施形態と異なる点のみを説明する。
【００３７】
第一のパルス成形回路２３０ａと第二のパルス成形回路２３０ｂとが同軸ケーブルで構成される。第一のパルス成形回路２３０ａの中心軸とシールドとがそれぞれ一対の第一の出力端２３３ａ、２３４ａに繋がり、第二のパルス成形回路２３０ｂの中心軸とシールドとがそれぞれ一対の第の一出力端２３３ｂ、２３４ｂに繋がる。
【００３８】
第二の実施形態に係る高電圧パルス発生装置の作用は、第一の実施形態に係る電圧パルス発生装置と同じなので説明を省略する。
【００３９】
次に、第一の実施形態に係る高電圧パルス発生装置のエネルギー効率を、同一条件でのベースライン型高電圧パルス発生装置とブルームライン型高電圧パルス発生装置のエネルギー効率と比較しつつ、評価する。第二の実施形態に係る高電圧パルス発生装置のエネルギー効率は、第一の実施形態に係る高電圧パルス発生装置のエネルギー効率の考え方と同様であるので、説明を省略する。
【００４０】
最初に、高電圧パルス発生装置のパルス立ち上がり時の時定数を評価する。トランスの一次コイルへ印加する台形のパルスは、パルス成形回路の複数のコンデンサから放電した複数のパルスが重ね合ったものである。従って、最初の１パルスに着目し、その時定数を算出すると、パルス立ち上がり時の時定数を評価できる。
【００４１】
最初の１パルス（以下、初期パルスという。）の電荷に影響を与えるインダクタンスを各形式毎に求めると次の表になる。
【表１】
上記の表を説明する。ここで、本発明の実施形態に係る高電圧パルス発生装置とブルームライン型高電圧パルス発生装置のトランスの巻き数比は、１：ｎであって、ベースライン型高電圧パルス発生装置のトランスの巻き数比は、１：２ｎであるとする。また、パルス成形装置の一段のインダクタのインダクタンスはＬPFNである。
【００４３】
最初に、初期パルスに影響を与えるパルス成形回路のインダクタンスを検討する。本発明の実施形態に係る高電圧パルス発生装置では、スイッチ素子に直近のコンデンサに充電された電荷が１パルス目の電圧を形成する。スイッチ素子とトランスとそのコンデンサでつくる閉ループ内にあるインダクタは１個であるので、初期パルスに影響をあたえるパルス成形回路インダクタンスはＬPFNである。一方、ブルームライン型では、スイッチ素子とトランスとそのコンデンサでつくる閉ループ内にあるインダクタはｎ個であるので、初期パルスに影響をあたえるパルス成形回路インダクタンスはｎ×ＬPFNである。ベースライン型では、スイッチ素子とトランスとそのコンデンサでつくる閉ループ内にあるインダクタは１個であるので、初期パルスに影響をあたえるパルス成形回路インダクタンスはＬPFNである。
【００４４】
次に、初期パルスに影響を与えるパルストランスリーケージインダクタンスを検討する。本発明の実施形態に係る高電圧パルス発生装置では、巻き数比がｎであるトランスのパルストランスリーケージインダクタンスをＬl2とすると、トランスが２個あるので、本発明の実施形態に係る高電圧パルス発生装置のパルストランスリーケージインダクタンスは２Ｌl2である。一方、ブルームライン型高電圧パルス発生装置では、巻き数比がｎであるトランスを一個使用するので、ブルームライン型高電圧パルス発生装置のパルストランスリーケージインダクタンスはＬl2である。ベースライン型高電圧パルス発生装置では、巻き数比が２ｎであるトランスのパルストランスリーケージインダクタンスをＬl1とすると、ベースライン型高電圧パルス発生装置のパルストランスリーケージインダクタンスはＬl1である。一般に、Ｌl1はＬ12よりも大きくなる。
【００４５】
次に、初期パルスに影響を与えるトランス一次側を２次側へ変換した線路のインダクタンスを検討する。本発明の実施形態に係る高電圧パルス発生装置では、トランス一次側の線路（線路長さ２ｍ程度）のインダクタンスをＬとすると、トランス一次側を２次側へ変換した線路のインダクタンスはｎ2Ｌである、一方、ブルームライン型高電圧パルス発生装置では、トランス一次側を２次側へ変換した線路のインダクタンスはｎ2Ｌである。ベースライン型高電圧パルス発生装置では、巻き数が２ｎであるので、トランス一次側を２次側へ変換した線路のインダクタンスは４ｎ2Ｌである。
【００４６】
上記のパルス成形回路のインダクタンスとパルストランスリーケージインダクタンスとトランス一次側を２次側へ変換した線路のインダクタンスの総和が、初期パルスに影響を与える。総和をＬallとすると、実際の高電圧パルス発生装置の仕様では、本発明の実施形態に係る高電圧発生装置のＬallが、ブルームライン型高電圧発生装置のＬallとベースライン型高電圧発生装置のＬallよりも小さくなる。
【００４７】
そして、初期パルスの立ち上がり時間Ｔは、回路時定数で代表され、その値は以下の式で与えられる。
【式１】
【実施例】
実際の高電圧パルス発生装置の仕様を基に実施例を説明する。
高電圧パルス発生装置の仕様を以下の様に選定する。
３種類の高電圧パスル発生装置のインダクタンスは、以下の様になる。
【表２】
３種類の高電圧パルス発生回路のパルスの立ち上がり時間Ｔは以下の様になる。
【表３】
【００５１】
次に、上記の仕様の高電圧パルス発生装置のコンピュータシミュレーション結果を説明する。図３は、本発明の実施形態に係る電圧パルス発生装置のシミュレーション結果の図である。図４は、３種類の高電圧パルス発生装置のエネルギーロスの比較図である。
【００５２】
本発明の実施形態に係る高電圧パルス派生装置の出力したパルス波形は、ブルームライン型高電圧パルス派生装置のパルス波形やベースライン型高電圧パルス派生装置のパルス波形に比較して、俊敏に立ち上がり短い時間で定格の電圧に達し、俊敏に立ち下がり短い時間で電圧が下がっていることが分かる。
理想パルスのエネルギーを１．０とすると、本発明の実施形態に係る高電圧パルス発生装置のエネルギーは１．４５となる。一方、ブルームライン型高電圧パルス発生装置のエネルギーは１．６となり、ベースライン型高電圧パルス発生装置のエネルギーは１．９となる。エネルギーが少ないほど、エネルギーロスが少ないので、本発明の実施形態に係る高電圧パルス発生装置が３種類の高電圧パルス発生装置に中で最もエネルギーロスが少ない。
【００５３】
上述の実施形態の高電圧パスル発生装置を用いれば、初期パルスに影響を与える回路インピーダンスを小さくし、初期パルスの立ち上がりを早くすることができる。
また、負荷に印加するパルス波形が矩形に近くなるので、エネルギーロスが少なくなる。
【００５４】
本発明は以上に述べた実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で各種の変更が可能である。
図示した回路では、パルス成形回路のインダクタが接続されている側の出力端を二次コイルに接続したがこれに限定されず、例えば、インダクタが接続されていない側の出力端を一次コイルに接続しても良い。
また、実施例の説明では、２つのパルス成形回路を用いたがこれに限定されず、３つ以上のパルス成形回路を用いても良い。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の負荷に高電圧パスルを印加する高電圧パルス発生装置は、その構成により、以下の効果を有する。スイッチ回路が第一の一次コイルと第二の一次コイルの間の接続点を第一の出力端の他端と第二の出力端の他端とに短絡すると、第一パルス成形回路に充電された電荷が第一の出力端を経由して第一の一次コイルへ流れて誘導電流が第一の二次コイルを流れ、第二パルス成形回路に充電された電荷が第二の出力端を経由して第二の一次コイルへ流れて誘導電流が第二の二次コイルを流れ、第一の二次コイルを流れる電流と第二の二次コイルを流れる電流が同一方向に流れて加算されて負荷に印加するので、全体としてインピーダンスの小さな回路を構成でき、立ち上がりが早くてエネルギーロスの少ない高電圧パルスを負荷に印加できる。また、第一のトランスと第二のトランスの一方が同極性で、他方が異極性であるので、前記スイッチ素子を接続した際に、単純な回路構成により、前記第一の二次コイルと前記第二の二次コイルとに同一方向の電流が流れる様にすることができる。また、前記回路要素が並列接続されたコンデンサを有するので、集中定数素子で構造の簡単なパルス成形回路を構成できる。また、前記回路要素が同軸ケーブルを有するので、分布定数素子でコンパクトなパルス成形回路を構成できる。従って、出力パルスの立ち上がりを早くしてエネルギー効率の良い高電圧パルス発生装置を提供できる。
【００５６】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施形態の回路図である。
【図２】本発明の第二の実施形態の回路図である。
【図３】本発明の実施形態のシミュレーション結果の図である。
【図４】３種類の高電圧パルス発生装置のエネルギーロスの比較図である。
【図５】ベースライン型高電圧パルス発生装置の回路図である。
【図６】ブルームライン型高電圧パルス発生装置の回路図である。
【符号の説明】
１ 負荷
１００ 第一の実施形態に係る電圧パルス発生装置
１１０ 負荷側回路
１１１ａ 第一のトランス
１１１ｂ 第二のトランス
１１２ａ 第一の二次コイル
１１２ｂ 第二の二次コイル
１１３ａ 第一の一次コイル
１１３ｂ 第二の一次コイル
１２０ 駆動側回路
１２１ 中間接続点
１３０ａ 第一のパルス成形回路
１３０ｂ 第二のパルス成形回路
１３１ コンデンサ
１３２ インダクタ
１３３ａ 第一の出力端の一端
１３３ｂ 第二の出力端の一端
１３４ａ 第一の出力端の他端
１３４ｂ 第二の出力端の他端
１４０ スイッチ回路
１４１ スイッチ素子
１５０ 充電回路
１５１ 電源
２００ 第二の実施形態に係る電圧パルス発生装置
２１０ 負荷側回路
２１１ａ 第一のトランス
２１１ｂ 第二のトランス
２１２ａ 第一の二次コイル
２１２ｂ 第二の二次コイル
２１３ａ 第一の一次コイル
２１３ｂ 第二の一次コイル
２２０ 駆動側回路
２２１ 中間接続点
２３０ａ 第一のパルス成形回路
２３０ｂ 第二のパルス成形回路
２３１ 同軸ケーブルの心線
２３２ 同軸ケーブルのシールド線
２３３ａ 第一の出力端の一端
２３３ｂ 第二の出力端の一端
２３４ａ 第一の出力端の他端
２３４ｂ 第二の出力端の他端
２４０ スイッチ回路
２４１ スイッチ素子
２５０ 充電回路
２５１ 電源
３００ ベースライン型高電圧パルス発生装置
３１０ 負荷側回路
３１１ トランス
３１２ 二次コイル
３１３ 一次コイル
３２０ 駆動側回路
３３０ パルス成形回路
３３１ コンデンサ
３３２ インダクタ
３３３ 出力端の一端
３３４ 出力端の他端
３４０ スイッチ回路
３４１ スイッチ素子
３５０ 充電回路
３５１ 電源
４００ ブルームライン型高電圧パルス発生装置
４１０ 負荷側回路
４１１ トランス
４１２ 二次コイル
４１３ 一次コイル
４２０ 駆動側回路
４３０ａ 第一のパルス成形回路
４３０ｂ 第二のパルス成形回路
４３１ コンデンサ
４３２ インダクタ
４３３ａ 第一の出力端の一端
４３３ｂ 第二の出力端の一端
４３４ａ 第一の出力端の他端
４３４ｂ 第二の出力端の他端
４４０ スイッチ回路
４４１ スイッチ素子
４５０ 充電回路
４５１ 電源
Claims (4)
- 負荷に電圧パスルを印加する電圧パルス発生装置であって、２次コイルを負荷に直列接続された第一のトランスと第二のトランスとを有する負荷側回路と、一対の第一の出力端に接続され充電用の電荷を蓄積する回路要素を有する第一のパルス成形回路と、一対の第二の出力端に接続され充電用の電荷を蓄積する回路要素を有する第二のパルス成形回路と、前記第一の出力端の一端と前記第二の出力端の一端との間に前記第一のトランスの第一の一次コイルと前記第二のトランスの第二の一次コイルとを直列接続した駆動側回路と、前記第一の一次コイルと前記第二の一次コイルとの間の接続点を前記第一の出力端の他端と前記第二の出力端の他端とに短絡可能なスイッチ素子を有するスイッチ回路と、を備え、前記スイッチ素子を接続すると前記第一の二次コイルと前記第二の二次コイルとに同一方向の電流が流れる様になった、ことを特徴とする電圧パルス発生装置。
- 第一のトランスと第二のトランスの一方が同極性で、他方が異極性であることを特徴とする請求項１に記載の電圧パルス発生装置。
- 前記回路要素が、並列接続されたコンデンサを有することを特徴とする請求項１または請求項２の一つに記載の電圧パルス発生装置。
- 前記回路要素が、同軸ケーブルを有することを特徴とする請求項１または請求項２の一つに記載の電圧パルス発生装置。
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