JP7186734B2 - パルス電源装置 - Google Patents

Description

本願は、高電圧パルスを発生するパルス電源装置に関するものである。

近年、電磁エネルギーを時間的に圧縮して高エネルギー得るパルスパワー技術が、環境、医療、生物などの分野で注目されている。パルスパワーを発生する方法にはいくつかの方式が提案、開発されているが、単純な構成で高電圧を発生することができるマルクス回路方式のパルス電源装置が広く用いられている。

マルクス回路方式のパルス電源装置は、電磁エネルギーを供給する直流電源と、充電抵抗を介して直流電源に対して並列に接続された複数段のコンデンサバンクと、隣り合うコンデンサバンクの段間を接続するスイッチとで構成され、各コンデンサバンクを並列に充電した後に、スイッチを動作させて各コンデンサを直列に接続することで高電圧パルスを発生する。数１０ｋＶ以上の高電圧を発生させる場合、コンデンサバンクが数ｋＶ以上の電圧で充電されるため、高耐圧のスイッチとして放電を利用したギャップスイッチが用いられる。ギャップスイッチは、ギャップを介して対向する放電電極を有し、ギャップ間に放電開始用の信号を供給して放電を開始させる。

このようなマルクス回路方式のパルス電源装置として、例えば、特許文献１の衝撃電圧発生装置に示されているように、ギャップスイッチにトリガ電極を設けたパルス電源装置が知られている。ここでは、各ギャップスイッチにそれぞれトリガ電極を設け、トリガ抵抗を介して各トリガ電極をトリガ端子に接続し、トリガ端子に放電開始用の電圧パルスを印加するパルス電源装置が開示されている。各ギャップスイッチにトリガ電極を設けることで、各ギャップスイッチを確実に動作させて、パルス電源装置を安定に動作させることができる。

特公昭６１－５５３５１号公報

マルクス方式のパルス発生装置においては、各スイッチのいずれか一つでも正常に動作しないと高電圧パルスを出力することができない。そのため、従来のパルス電源装置では、各ギャップスイッチにトリガ電極を設けることで、各ギャップスイッチが確実に安定して動作させるようにしている。具体的には、各ギャップスイッチに対し、トリガ抵抗を介してトリガ電極をトリガ端子に接続するように構成されるとともに、各段のコンデンサバンク間との絶縁性を確保するために一定の空間も併せて確保するように構成されていた。これに対し、近年のパルスパワー応用においては、環境、医療、生物などの分野で使用するために、装置を小型化することがパルス電源装置に求められている。
しかしながら、各ギャップスイッチにおいては、トリガ電極、トリガ抵抗、これらを接続する配線及び絶縁用の空間が必要となる従来のパルス電源装置では、上記の小型化に対応することが困難であるという課題があった。

本願は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、ギャップスイッチの動作の安定性を損なうことなく、従来と比較して小型化を実現することができるパルス電源装置を得ることを目的としている。

上記課題を解決するために、本願に開示されるパルス電源装置は、主コンデンサを有し、前記主コンデンサの充電側電極に充電側端子が、接地側電極に接地側端子が接続されてなる複数のコンデンサバンクと、隣り合う前記コンデンサバンクの前記充電側端子と前記接地側端子との間に間隙を設けて互いに対向配置された放電用のギャップスイッチと、前記主コンデンサを充電する充電電源と、前記ギャップスイッチに印加される電圧を調整する補償コンデンサと、最も接地側に位置する前記コンデンサバンクに接続された前記ギャップスイッチの前記間隙に設けられると共に、前記主コンデンサの放電を開始させるトリガ電極と、を備えたことを特徴とするものである。
また、本願に開示される第二のパルス電源装置は、主コンデンサを有し、前記主コンデンサの充電側電極に充電側端子が、接地側電極に接地側端子が接続されてなる複数のコンデンサバンクと、隣り合う前記コンデンサバンクの前記充電側端子と前記接地側端子との間、あるいは前記充電側端子と接地端子との間に間隙を設けて互いに対向配置された放電用のギャップスイッチと、前記主コンデンサを充電する充電電源と、前記ギャップスイッチに印加される電圧を調整する補償コンデンサと、一つの前記ギャップスイッチの前記間隙に設けられると共に、前記主コンデンサの放電を開始させるトリガ電極と、を備え、前記補償コンデンサが、前記コンデンサバンク間において、他の前記コンデンサバンクを一段飛び越して前記充電側電極と前記接地側電極との間に接続されていることを特徴とするものである。
また、本願に開示される第三のパルス電源装置は、主コンデンサを有し、前記主コンデンサの充電側電極に充電側端子が、接地側電極に接地側端子が接続されてなる複数のコンデンサバンクと、隣り合う前記コンデンサバンクの前記充電側端子と前記接地側端子との間、あるいは前記充電側端子と接地端子との間に間隙を設けて互いに対向配置された放電用のギャップスイッチと、前記主コンデンサを充電する充電電源と、前記ギャップスイッチに印加される電圧を調整する補償コンデンサと、一つの前記ギャップスイッチの前記間隙に設けられると共に、前記主コンデンサの放電を開始させるトリガ電極と、を備え、前記補償コンデンサが、前記コンデンサバンク間において、他の前記コンデンサバンクを二段飛び越して前記充電側電極と前記接地側電極との間に接続されていることを特徴とするものである。
また、本願に開示される第四のパルス電源装置は、主コンデンサを有し、前記主コンデンサの充電側電極に充電側端子が、接地側電極に接地側端子が接続されてなる複数のコンデンサバンクと、隣り合う前記コンデンサバンクの前記充電側端子と前記接地側端子との間、あるいは前記充電側端子と接地端子との間に間隙を設けて互いに対向配置された放電用のギャップスイッチと、前記主コンデンサを充電する充電電源と、前記ギャップスイッチに印加される電圧を調整する補償コンデンサと、一つの前記ギャップスイッチの前記間隙に設けられると共に、前記主コンデンサの放電を開始させるトリガ電極と、を備え、前記補償コンデンサが、各前記コンデンサバンクの前記充電側電極と接地との間に接続されていることを特徴とするものである。

本願に開示されるパルス電源装置によれば、補償コンデンサを介してギャップスイッチに動作電圧を超える電圧を印加することで、トリガ電極を１ケ所のみに設けた場合であっても、全てのギャップスイッチを確実に安定して動作させて高電圧パルスを出力することができるので、すべてのギャップスイッチにトリガ電極を設ける必要がなく、パルス電源装置を小型化することができるという効果がある。

実施の形態１に係るパルス電源装置の概略構成を示す模式図である。 実施の形態１に係るパルス電源装置の動作原理を示す模式図である。 実施の形態１に係るパルス電源装置の他の第一の実施態様の概略構成を示す模式図である。 実施の形態１に係るパルス電源装置の他の第二の実施態様の概略構成を示す模式図である。 実施の形態２に係るパルス電源装置の概略構成を示す模式図である。 実施の形態３に係るパルス電源装置の概略構成を示す模式図である。 実施の形態３に係るパルス電源装置の動作原理を示す模式図である。 実施の形態３に係るパルス電源装置の他の実施態様の概略構成を示す模式図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るパルス電源装置の概略構成を示す模式図である。図２は、実施の形態１に係るパルス電源装置の動作原理を示す模式図である。図３は、パルス電源装置の他の第一の実施態様の概略構成を示す模式図である。図４は、パルス電源装置の他の第二の実施態様の概略構成を示す模式図である。

まず、図１を用いて、実施の形態１に係るパルス電源装置の全体の構成について説明する。実施の形態１では、コンデンサバンクＣＢが直列に４段積層されたパルス電源装置１を例に説明する。
実施の形態１のパルス電源装置１は、充電側電極４と接地側電極５とを有する主コンデンサ２と、主コンデンサ２に充電側端子４１を有する充電側電極４及び接地側端子５１を有する接地側電極５が設けられたコンデンサバンクＣＢと、コンデンサバンクＣＢが直列に４段積層されており、隣り合うコンデンサバンクＣＢの充電側端子４１と接地側端子５１とを互いに対向させると共に、間隙３Ｇを設けて形成された放電用のギャップスイッチ３と、充電側電極４及び接地側電極５を介して主コンデンサ２に充電する充電電源８と、充電電源８を介して接地ＧＮＤとコンデンサバンクＣＢとの間及びコンデンサバンクＣＢのそれぞれの充電側電極４との間に接続された第１バラスト素子６と、コンデンサバンクＣＢと接地ＧＮＤとの間及びコンデンサバンクＣＢのそれぞれの接地側電極５との間に接続された第２バラスト素子７と、接地ＧＮＤあるいは接地側電極５と充電側電極４との間に接続されると共に、ギャップスイッチ３に印加される電圧を調整する補償コンデンサ９と、接地端子Ｇ１と最下段のギャップスイッチ３１の間隙３１Ｇに設けられると共に、主コンデンサ２の放電を開始させるトリガ電極Ｔｒ１と、で構成されている。

次に、実施の形態１のパルス電源装置１の具体的な構成について説明する。
１段目（最下段）のコンデンサバンクＣＢの充電側電極４は、第１バラスト素子６を介して接地ＧＮＤに接続された充電電源８と充電側導電線６１によって接続されている。２段目以上のコンデンサバンクＣＢの充電側電極４は、第１バラスト素子６を介して隣り合う下段側コンデンサバンクＣＢの充電側電極４に充電側導電線６１によって接続されている。

１段目のコンデンサバンクＣＢの接地側電極５は、第２バラスト素子７を介して接地ＧＮＤと接地側導電線７１によって接続され、２段目以上のコンデンサバンクＣＢの接地側電極５は、第２バラスト素子７を介して隣り合う下段側コンデンサバンクＣＢの接地側電極５と接地側導電線７１によって接続されている。

１段目のコンデンサバンクＣＢの充電側端子４１と接地端子Ｇ１とによりギャップスイッチ３１が形成されており、ギャップスイッチ３１の間隙３１Ｇには、トリガ電極Ｔｒ１が設けられている。

１段目のコンデンサバンクＣＢの接地側電極５が、補償コンデンサ９を介して３段目の充電側電極４に接続され、２段目のコンデンサバンクＣＢの充電側電極４が、補償コンデンサ９を介して接地ＧＮＤに接続され、２段目のコンデンサバンクＣＢの接地側電極５が、補償コンデンサ９を介して４段目の充電側電極４に接続されている。
なお、図において、紙面下側がパルス電源装置１の接地ＧＮＤ側、紙面上側がパルス電源装置１の出力端子ＨＶ側であり、接地ＧＮＤ側をパルス電源装置１の下段側とする。

主コンデンサ２は、ギャップスイッチ３が未動作の場合は充電電源８から供給される電荷を蓄積し、ギャップスイッチ３が動作すると蓄積した電荷を瞬時的に放出する。第１バラスト素子６及び第２バラスト素子７は、直流を含む低周波の電力を通過させ、パルスのように瞬時的に変化する電力を遮断する特性を有する素子であり、充電電源８から主コンデンサ２に流れる電流を調整するとともに、パルス電源装置１の出力端子ＨＶに高電圧パルスが発生した場合に、充電側導電線６１及び接地側導電線７１に高電圧パルスによる電流が流れるのを阻止する。

ギャップスイッチ３は、主コンデンサ２を充電する電圧では放電せず、充電電圧ＶＣよりも高い動作電圧で放電を自発的に開始（自爆）するように設定される。ここで、ギャップスイッチ３が放電していない状態を未動作と称し、放電した状態を動作と称する。ギャップスイッチ３の動作電圧は、充電側端子４１と接地側端子５１の形状及び間隙３Ｇの間隔など、また、間隙３Ｇ間に充填するガスの種類及び圧力などによって適宜調整することが可能である。

トリガ手段Ｔｒは、トリガ電極Ｔｒ１と、トリガ発生器Ｔｒ２と、トリガ信号Ｓを伝送するトリガ配線とで構成されている。トリガ発生器Ｔｒ２は、トリガ信号Ｓをトリガ電極Ｔｒ１に供給する。トリガ信号Ｓを受けたトリガ電極Ｔｒ１は、ギャップスイッチ３１の間隙３１Ｇに電荷を供給し、間隙３１Ｇに放電Ｄを発生させ、充電側端子４１と接地端子Ｇ１とを導通させる。

次に、図２を用いて実施の形態１に係るパルス電源装置１の基本動作について説明する。図２では、説明を分かりやすくするために、２段目のコンデンサバンクＣＢまでを記載し、図１において説明した構成要素と同等の機能を有する構成要素については、同一の符号を用いることとし、その説明を省略する。また、充電電源８から各主コンデンサ２には電圧ＶＣで充電されるものとし、２段目のギャップスイッチ３の動作電圧は、充電電圧ＶＣより高く、充電電圧ＶＣの２倍以下に設定されているものとする。

図２（ａ）に示すように、まず、充電電源８によって第１バラスト素子６を介して各コンデンサバンクＣＢの主コンデンサ２が充電される。このとき、各段のギャップスイッチ３は開放状態であり、各コンデンサバンクＣＢの主コンデンサ２は、充電電源８により並列に充電される。また、補償コンデンサ９も同時に充電され、ギャップスイッチ３にも電圧が印加されている。ここで、Ｉは、電流の流れを、ＶＣは、主コンデンサ２と補償コンデンサ９に充電された充電電圧を表す。

主コンデンサ２に一定の電荷が充電された後、次に、図２（ｂ）に示すように、トリガ発生器Ｔｒ２からトリガ信号Ｓがトリガ電極Ｔｒ１に供給される。トリガ電極Ｔｒ１にトリガ信号Ｓが供給されると、トリガ信号Ｓに誘起されて発生した放電Ｄにより、１段目のギャップスイッチ３１が導通される。

図２（ｃ）に示すように、さらに、１段目（最下段）のギャップスイッチ３１が導通されることによって、１段目のコンデンサバンクＣＢの充電側電極４が接地ＧＮＤに接続され、１段目の主コンデンサ２、１段目の補償コンデンサ９、２段目のギャップスイッチ３、及び２段目のコンデンサバンクＣＢの充電側電極４の閉回路が形成される。なお、図２（ｃ）では、説明を分かりやすくするため、充電およびトリガのための構成要素を省略している。このとき、２段目のギャップスイッチ３に印加される電圧ＶＧは、実質的に１段目の主コンデンサ２及び１段目の補償コンデンサ９に充電された電圧の和に相当する値となる（図２（ｃ）の場合は、実質的に充電電圧ＶＣの２倍に相当する値となる）。

このとき、２段目のギャップスイッチ３に動作電圧を越えた電圧ＶＧが印加されるため、図２（ｄ）に示すように、２段目のギャップスイッチ３の間隙３Ｇ間においても放電Ｄが発生し、２段目のギャップスイッチ３が導通される。以降３段目以上においても、同様の過程によりギャップスイッチ３が導通されて、最上段のコンデンサバンクＣＢの接地側電極５である出力端子ＨＶから高電圧パルスが発生される。

ここで、ギャップスイッチ３が動作後に補償コンデンサ９と主コンデンサ２に充電された電荷が相殺される。従って、この電荷の相殺による主コンデンサ２の充電電圧ＶＣが低下することを抑制するために、補償コンデンサ９の容量は主コンデンサ２の容量よりも小さくなるように設定する。例えば、補償コンデンサ９の容量を主コンデンサ２の容量の５％以下とすると、主コンデンサ２の充電電圧ＶＣの低下を１０％以下に抑えることができる。

また、本実施の形態１において、補償コンデンサ９によって各コンデンサバンクＣＢの充電側電極４が２つ下側の接地側電極５に接続されている。すなわち、補償コンデンサ９が、コンデンサバンクＣＢ間において、他のコンデンサバンクＣＢを一段飛び越して充電側電極４と接地側電極５との間に接続されている。このような構成とすることで、例えば、図２の動作の説明で示したように、１段目の主コンデンサ２、１段目の補償コンデンサ９、２段目のギャップスイッチ３及び２段目のコンデンサバンクＣＢの充電側電極４の閉回路で発生する電圧は、実質的に充電電圧ＶＣの２倍に相当する値となる。従って、各補償コンデンサ９及び各ギャップスイッチ３に印加される電圧を最大でも充電電圧ＶＣの２倍に抑えることができ、絶縁設計及び材料の選定が容易となるため好ましい。また、パルス電源装置１のコンデンサバンクＣＢの段数が変化した場合も、各補償コンデンサ９が２つ下側のギャップスイッチ３の接地側端子５１に接続されているので、各補償コンデンサ９の配線長が変わらず、設計及び組立が容易となり、装置コストを抑制することができる。

また、補償コンデンサ９は、動作させたいギャップスイッチ３、主コンデンサ２及び動作済みのギャップスイッチ３による閉回路を形成することができればよく、図３の本実施の形態１の他の第一の実施態様に示すように、補償コンデンサ９によって３段目以上の各コンデンサバンクＣＢの充電側電極４を３つ以上下側の接地側電極５に接続することもできる。すなわち、補償コンデンサ９が、コンデンサバンクＣＢ間において、他のコンデンサバンクＣＢを二段飛び越して充電側電極４と接地側電極５との間に接続されている。これにより、３つ以上下側の接地側電極５に接続すると、ギャップスイッチ３に印加される印加電圧ＶＧが増加するため、ギャップスイッチ３の動作電圧と充電電圧ＶＣとの差を更に確保することができるようになり設計が容易となる。また、ギャップスイッチ３の動作電圧と印加電圧ＶＧの差も更に確保することができるため、ギャップスイッチ３を更に確実に動作させることができる。また、図４の他の第二の実施態様に示すように、各補償コンデンサ９を全て接地ＧＮＤに接続する場合、回路構成が単純となり、設計及び組立が容易になる。

また、本実施の形態１においては、パルス電源装置１は出力端子ＨＶにコンデンサバンクＣＢが接続されているが、図４に示すように、出力端子ＨＶにギャップスイッチ３を接続してもよい。出力端子ＨＶにギャップスイッチ３を接続することで、ギャップスイッチ３が動作するまでは、間隙３Ｇ間は絶縁されているため、主コンデンサ２が充電される際に出力端子ＨＶに電圧が印加されたり、電流が流れたりすることを防ぐことができる。

また、本実施の形態１においては、１段目のコンデンサバンクＣＢの充電側電極４は、第１バラスト素子６を介して充電電源８に接続され、２段目以上のコンデンサバンクＣＢの充電側電極４が第１バラスト素子６を介して隣り合うコンデンサバンクＣＢの充電側電極４に接続されている。このような構成とすることで、パルス電源装置１の出力端子ＨＶに高電圧パルスが発生した場合に、各段の第１バラスト素子６で高電圧パルスが分圧されるため、第１バラスト素子６に必要な耐電圧を低下させることができる。なお、各コンデンサバンクＣＢの充電側電極４は、第１バラスト素子６を介して直接、充電電源８に接続してもよい。このような構成とすることで、各コンデンサバンクＣＢと充電電源８の間のインピーダンスを高精度に調整し、各コンデンサバンクＣＢの充電時間を精度よく調整することができる。

また、１段目のコンデンサバンクＣＢの接地側電極５は、第２バラスト素子７を介して接地ＧＮＤに接続され、２段目以上のコンデンサバンクＣＢの接地側電極５が、第２バラスト素子７を介して隣り合うコンデンサバンクＣＢの接地側電極５に接続されている。このような構成とすることで、パルス電源装置１の出力端子ＨＶに高電圧パルスを発生した場合に、各段の第２バラスト素子７により高電圧パルスが分圧されるため、第２バラスト素子７に必要な耐電圧を低下させることができる。なお、各コンデンサバンクＣＢの接地側電極５は、第２バラスト素子７を介して直接、接地ＧＮＤに接続してもよい。このような構成とすることで、各コンデンサバンクＣＢと接地ＧＮＤの間のインピーダンスを高精度に調整し、各コンデンサバンクＣＢの充電時間を精度よく調整することができる。

本実施の形態１においては、トリガ電極Ｔｒ１は、接地ＧＮＤに接続された１段目のギャップスイッチ３１の間隙３１Ｇに設けられている。このような構成とすることで、ギャップスイッチ３１を動作させた場合に、ギャップスイッチ３１の間隙３１Ｇ及びトリガ電極Ｔｒ１の電位が、接地電位程度に抑制され、トリガ手段Ｔｒに求められる耐電圧が低くなるため、設計が容易になり、装置コストを抑制することができる。

なお、本実施の形態１では、コンデンサバンクＣＢの段数が４段の例の場合について説明したが、段数は４段である必要はなく、必要に応じて変化させることができる。

このように、実施の形態１に係るパルス電源装置によれば、補償コンデンサを介してギャップスイッチに動作電圧を超える電圧を印加させることで、トリガ電極を１段目のギャップスイッチにのみに設けた場合であっても、全てのギャップスイッチを確実に安定して動作させて高電圧パルスを出力することができるので、すべてのギャップスイッチにトリガ電極を設ける必要がなく、パルス電源装置を小型化することができるといった効果がある。

実施の形態２．
図５は、実施の形態２に係るパルス電源装置の概略構成を示す模式図である。
実施の形態１との相違点は、実施の形態２のパルス電源装置１１では、１段目のコンデンサバンクＣＢの接地側電極５が、接地ＧＮＤに接続されており、１段目のコンデンサバンクＣＢと２段目のコンデンサバンクＣＢの間にギャップスイッチ３が設けられている点である。

ここで、注意しておきたいのは、実施の形態２のコンデンサバンクＣＢの電極の向きが、実施の形態１のコンデンサバンクＣＢの電極の向きに対して上下反転されている点である。また、実施の形態１のパルス電源装置１と比較して、同じコンデンサバンクＣＢの段数に対してギャップスイッチ３の数が３ケと少なくなっている点である。他の構成要素は、実施の形態１と同様であるので、その説明を省略する。

次に、図５を参照して、本実施の形態２に係るパルス電源装置の構成について説明する。
実施の形態２に係るパルス電源装置１１では、１段目のコンデンサバンクＣＢの接地側電極５が、接地ＧＮＤに接続されており、３段目以上のコンデンサバンクＣＢの接地側電極５は補償コンデンサ９を介して２つ下側のコンデンサバンクＣＢの充電側電極４に接続されており、さらにトリガ電極Ｔｒ１は、１段目のコンデンサバンクＣＢの充電側電極４と２段目のコンデンサバンクＣＢの接地側電極５とのギャップスイッチ３の間隙３Ｇ間に設けられている。

実施の形態１のパルス電源装置１と同様、１段目のコンデンサバンクＣＢと２段目のコンデンサバンクＣＢとで形成されるギャップスイッチ３の間隙３Ｇ間に設けられたトリガ電極Ｔｒ１にトリガ信号Ｓが供給されると、トリガ信号Ｓに誘起されて発生した放電によりギャップスイッチ３が導通される。これが引き金となり、上段のギャップスイッチ３も次々に導通される。これにより、出力端子ＨＶに実施の形態１のパルス電源装置１と同じ電圧を有する高電圧パルスが出力される。

したがって、同じコンデンサバンクＣＢの段数でもギャップスイッチ３の数を減らすことができるので、ギャップスイッチに起因するパルス電源装置の内部インダクタンス及び内部抵抗を小さくすることができ、パルス電源装置の性能の向上及び小型化をはかることができる。

また、補償コンデンサ９は、動作させたいギャップスイッチ３、主コンデンサ２、動作済みのギャップスイッチ３の閉回路が形成できればよく、補償コンデンサ９によって３段目以上の各コンデンサバンクＣＢの接地側電極５を３つ以上下側の接地側電極５または充電電源８に接続することもできる。３つ以上下側の接地側電極５または充電電源８に接続すると、ギャップスイッチ３に印加される電圧が増加するため、ギャップスイッチ３の設計が容易となり、確実に動作させることができる。また、各補償コンデンサ９を全て充電電源８に接続する場合、回路構成が単純となり、設計及び組立が容易になる。

このように、実施の形態２に係るパルス電源装置によれば、１段目のコンデンサバンクの接地側電極を接地に接続し、１段目のコンデンサバンクと２段目のコンデンサバンクの間にギャップスイッチを設けることで、実施の形態１と同様の高電圧パルスの出力が得られるパルス電源装置をさらに小型化することができるといった効果がある。

実施の形態３．
図６は、実施の形態３に係るパルス電源装置の概略構成を示す模式図であり、図７は、実施の形態３に係るパルス電源装置の動作原理を示す模式図であり、図８は、実施の形態３に係るパルス電源装置の他の実施態様の概略構成を示す模式図である。実施の形態１との相違点は、実施の形態３のパルス電源装置１２では、実施の形態１に記載のパルス電源装置１の出力端子ＨＶと負荷Ｌとの間に、更に複数のコンデンサバンクＣＢと、ギャップスイッチ３が設けられている点である。他の構成要素は、実施の形態１と同様であるので、その説明を省略する。

次に、図６及び図７を参照して、本実施の形態３に係るパルス電源装置の構成及び動作について説明する。
上述したように、実施の形態３のパルス電源装置１２では、実施の形態１に記載のパルス電源装置１の出力端子ＨＶと負荷Ｌとの間に、更に複数のコンデンサバンクＣＢと、ギャップスイッチ３が設けられている。このような構成とすることで、図７のパルス電源装置の動作原理に示すように、実施の形態１では、パルス電源装置１の出力端子ＨＶから高電圧パルスが出力された場合に、パルス電源装置１より上段側のギャップスイッチ３にそれぞれ電圧ＶＧ（図７の場合においては、充電電圧ＶＣの３倍である。）が印加され、パルス電源装置１の上段側に設けたギャップスイッチ３を動作させてパルス電源装置１２を安定的に動作させることができる。本構成により、実施の形態１のパルス電源装置１と比較して、パルス電源装置１の出力端子ＨＶと負荷Ｌとの間に補償コンデンサ９を追加することなくパルス電源装置１２の出力端子ＨＶ２の高電圧パルスの出力電圧を増加させることができ、パルス電源装置１の構成で同じ高電圧パルスの出力電圧を得る場合と比較してパルス電源装置１２を小型化することができる。

なお、図６の実施の形態では、パルス電源装置１と負荷Ｌとの間に新たに２段のコンデンサバンクＣＢが設けられているが、その段数は２段である必要はなく、必要に応じて変化させることができる。また、図６の実施の形態では、パルス電源装置１と負荷Ｌとの間に２段のコンデンサバンクＣＢが設けられているが、図８の他の実施態様の概略構成の模式図に示すように、２段のコンデンサバンクＣＢの間に更に補償コンデンサ９を有するコンデンサバンクＣＢを設けることもできる。補償コンデンサ９を有するコンデンサバンクＣＢが挿入されることで、パルス電源装置１と負荷Ｌとの間に動作が不安定なギャップスイッチ３（図８の場合では、出力端子ＨＶ２から２つ目のギャップスイッチ）が存在する場合においても、補償コンデンサ９を用いることで動作を安定化させることができるため、安定的に動作するパルス電源装置１２を得ることができる。

このように、実施の形態３に係るパルス電源装置によれば、実施の形態１の基本の構成の出力端子と負荷との間にコンデンサバンクを追加することで、さらに高い出力電圧の高電圧パルスが得られるパルス電源装置を小型化することができるといった効果がある。

なお、本実施の形態においては、第１バラスト素子６及び第２バラスト素子７は、直流を含む低周波の電力を通過させ、パルスのように瞬時的に変化する電力を遮断する特性を有する素子であり、代表的なものとして、抵抗、インダクタあるいはダイオードを用いることができる。
また、図では、各段の第１バラスト素子６及び第２バラスト素子７は、同一の記号で記載されているが、各段の第１バラスト素子６及び第２バラスト素子７に異なる素子を使用することもできる。特に、充電時には下段ほど大きな電流が流れるため、下段側に電流容量が大きな素子を用いることが望ましい。

第１バラスト素子６と第２バラスト素子７は、同種の素子を使用することができる。同種の素子を利用することで、部品コスト及び管理が容易となり、また、絶縁設計の基準も同じ条件を用いることができるようになるため、製造コストを抑制することができる。

第１バラスト素子６と第２バラスト素子７には、異なる素子を使用することもできる。例えば、第１バラスト素子６は、充電電源８を保護できるようにインピーダンスが高い抵抗を適用し、一方、第２バラスト素子７には、損失が低いインダクタンスを適用する。このような構成とすることで、充電電源８の保護とパルス電源装置１，１１，１２の損失抑制を両立させることができる。

また、本実施の形態においては、パルス電源装置１，１１，１２の内部及び周囲は、絶縁性が保たれている必要があり、充電電圧ＶＣ及び出力端子ＨＶの高電圧パルスの出力値に応じて、絶縁体として、例えば、適宜、空気あるいはＳＦ６の絶縁性気体、絶縁オイルあるいは超純水の絶縁性液体、シリコーンゴムの絶縁性固体を使用することができる。絶縁性気体及び絶縁性液体を使用する場合は、適宜、筐体（図示せず）にパルス電源装置が収納され、その周囲に絶縁性気体あるいは絶縁性流体が封入される。絶縁性気体を用いる場合には、加圧して絶縁性能を高めることもできる。

また、本実施の形態において、主コンデンサ２としては、例えば、真空コンデンサ、オイルコンデンサ、セラミックコンデンサ、フィルムコンデンサ、マイカコンデンサ及びタンタルコンデンサの高電圧コンデンサを用いることができる。特に、セラミックコンデンサあるいはマイカコンデンサを使用することにより充電エネルギー密度を高めることができ、パルス電源装置１，１１，１２を小型化することができる。また、図では、主コンデンサ２は、一つの記号で記載されているが、所望の容量及び耐電圧を満たすために、適宜、複数のコンデンサを直並列に接続する構成としてもよい。

また、本実施の形態においては、ギャップスイッチ３の間隙３Ｇに高電界下で絶縁破壊され、かつ放電停止後に放電前と同等の絶縁性能に復元する絶縁材料が充填されている。そのような絶縁材料としては、例えば、空気、ＳＦ６あるいは絶縁オイルを用いることができる。また、絶縁性気体を用いる場合には、適宜ガス圧を調整して、ギャップスイッチ３の動作電圧を調整することもできる。

また、本実施の形態においては、トリガ電極Ｔｒ１と、トリガ発生器Ｔｒ２と、トリガ信号Ｓを伝送するトリガ配線とで構成されるトリガ手段Ｔｒを用いたが、トリガ手段Ｔｒはギャップスイッチ３，３１に放電開始用のトリガ信号Ｓを供給できればよく、レーザ、あるいは紫外線による電荷の供給、間隙３Ｇ、３１Ｇのガス圧及び間隙３Ｇ、３１Ｇの間隔を制御することにより動作電圧を低下させる手法を適宜用いることができる。

トリガ手段Ｔｒは、外部から入力された制御信号またはあらかじめ入力された設定に基づき、トリガ信号Ｓを発生させる。制御信号としては、操作者が入力する出力信号の他、充電電源８から出力される電流値あるいは各主コンデンサ２に充電された電圧値を、あらかじめ入力された設定としては、充電電源８が充電を開始してからの経過時間を利用することもできる。

また、本実施の形態においては、充電電源８には、直流高電圧電源あるいは出力である高電圧パルスよりも周波数の低い交流高電圧電源を用いることができる。

また、補償コンデンサ９には、例えば、真空コンデンサ、オイルコンデンサ、セラミックコンデンサ、フィルムコンデンサ、マイカコンデンサ、あるいはタンタルコンデンサの高電圧コンデンサ、また、充電側電極４と空間を設けて対向させた金属部材との間に形成されるキャパシタンスを用いることができる。特に、セラミックコンデンサ、あるいはマイカコンデンサを使用することで充電エネルギー密度を高めることができるので、パルス電源装置１，１１，１２を小型化することができる。

また、充電側電極４と金属部材との間に形成されるキャパシタンスを利用する場合は、充電側電極４と金属部材との間の空間に絶縁オイルを適宜充填することで、小型で所望の耐電圧を有する補償コンデンサ９を容易に得ることができる。また、図では、各段の補償コンデンサ９を同一の記号で記載しているが、所望の容量及び耐電圧を満たすために、適宜複数のコンデンサを直並列に接続する構成としてもよい。

また、主コンデンサ２と補償コンデンサ９とは、同種のコンデンサを使用することができる。同種の素子を利用することで、部品コスト及び管理が容易となり、また、絶縁設計の基準も同じ条件を用いることができるようになるため、製造コストを抑制することができる。主コンデンサ２と補償コンデンサ９とは、異なる種類のコンデンサを使用することもできる。主コンデンサ２に充電された電荷は主にパルス電源装置の出力の高電圧パルスに寄与し、補償コンデンサ９に充電された電荷は主にギャップスイッチ３の動作に寄与する。従って、主コンデンサ２に高周波特性に優れたコンデンサを使用し、補償コンデンサ９に小型化に優れたコンデンサを使用することで、パルス電源装置１，１１，１２の出力の高電圧パルスの高速化と小型化を両立させることができる。

また、本願には、様々な例示的な実施の形態及び実施態様例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるものではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

また、図中、同一符号は、同一または相当部分を示す。

１，１１，１２ パルス電源装置、２ 主コンデンサ、３，３１ ギャップスイッチ、３Ｇ，３１Ｇ 間隙、４ 充電側電極、４１ 充電側端子、５ 接地側電極、５１ 接地側端子、６ 第１バラスト素子、７ 第２バラスト素子、６１ 充電側導電線、７１ 接地側導電線、８ 充電電源、９ 補償コンデンサ、ＣＢ コンデンサバンク、Ｇ１ 接地端子、ＧＮＤ 接地、ＨＶ，ＨＶ２ 出力端子、Ｌ 負荷、Ｓ トリガ信号、Ｔｒ トリガ手段、Ｔｒ１ トリガ電極、Ｔｒ２ トリガ発生器、ＶＣ 充電電圧、ＶＧ 印加電圧

Claims (6)

1. 主コンデンサを有し、前記主コンデンサの充電側電極に充電側端子が、接地側電極に接地側端子が接続されてなる複数のコンデンサバンクと、
   隣り合う前記コンデンサバンクの前記充電側端子と前記接地側端子との間に間隙を設けて互いに対向配置された放電用のギャップスイッチと、
   前記主コンデンサを充電する充電電源と、
   前記ギャップスイッチに印加される電圧を調整する補償コンデンサと、
   最も接地側に位置する前記コンデンサバンクに接続された前記ギャップスイッチの前記間隙に設けられると共に、前記主コンデンサの放電を開始させるトリガ電極と、を備えたことを特徴とするパルス電源装置。
2. 主コンデンサを有し、前記主コンデンサの充電側電極に充電側端子が、接地側電極に接地側端子が接続されてなる複数のコンデンサバンクと、
   隣り合う前記コンデンサバンクの前記充電側端子と前記接地側端子との間、あるいは前記充電側端子と接地端子との間に間隙を設けて互いに対向配置された放電用のギャップスイッチと、
   前記主コンデンサを充電する充電電源と、
   前記ギャップスイッチに印加される電圧を調整する補償コンデンサと、
   一つの前記ギャップスイッチの前記間隙に設けられると共に、前記主コンデンサの放電を開始させるトリガ電極と、を備え、前記補償コンデンサが、前記コンデンサバンク間において、他の前記コンデンサバンクを一段飛び越して前記充電側電極と前記接地側電極との間に接続されていることを特徴とするパルス電源装置。
3. 主コンデンサを有し、前記主コンデンサの充電側電極に充電側端子が、接地側電極に接地側端子が接続されてなる複数のコンデンサバンクと、
   隣り合う前記コンデンサバンクの前記充電側端子と前記接地側端子との間、あるいは前記充電側端子と接地端子との間に間隙を設けて互いに対向配置された放電用のギャップスイッチと、
   前記主コンデンサを充電する充電電源と、
   前記ギャップスイッチに印加される電圧を調整する補償コンデンサと、
   一つの前記ギャップスイッチの前記間隙に設けられると共に、前記主コンデンサの放電を開始させるトリガ電極と、を備え、前記補償コンデンサが、前記コンデンサバンク間において、他の前記コンデンサバンクを二段飛び越して前記充電側電極と前記接地側電極との間に接続されていることを特徴とするパルス電源装置。
4. 主コンデンサを有し、前記主コンデンサの充電側電極に充電側端子が、接地側電極に接地側端子が接続されてなる複数のコンデンサバンクと、
   隣り合う前記コンデンサバンクの前記充電側端子と前記接地側端子との間、あるいは前記充電側端子と接地端子との間に間隙を設けて互いに対向配置された放電用のギャップスイッチと、
   前記主コンデンサを充電する充電電源と、
   前記ギャップスイッチに印加される電圧を調整する補償コンデンサと、
   一つの前記ギャップスイッチの前記間隙に設けられると共に、前記主コンデンサの放電を開始させるトリガ電極と、を備え、前記補償コンデンサが、各前記コンデンサバンクの前記充電側電極と接地との間に接続されていることを特徴とするパルス電源装置。
5. 前記補償コンデンサの容量が、前記主コンデンサの容量よりも小さく設定されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のパルス電源装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の前記パルス電源装置にギャップスイッチを有する複数のコンデンサバンクを追加して積み上げたことを特徴とするパルス電源装置。

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