JPH06507090A - パルス形成回路 - Google Patents

パルス形成回路

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JPH06507090A
JPH06507090A JP4509723A JP50972392A JPH06507090A JP H06507090 A JPH06507090 A JP H06507090A JP 4509723 A JP4509723 A JP 4509723A JP 50972392 A JP50972392 A JP 50972392A JP H06507090 A JPH06507090 A JP H06507090A
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モーガン,カールトン ビー.
ヤーコヴィッチ,ダニエル
メイアー,ドナルド シー.
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フィジオ−コントロール コーポレイション
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 パルス形成回路 発明の分野 本発明は電気的パルスを形成するための回路に係わる。さらに詳しくは一定の振 幅、長さ及び形成を有する電気的パルスを形成するための回路に係わる。
発明の背景 電気的パルスは抵抗器、コンデンサ、及びインダクタ、いわゆるRLC回路を利 用することによって所要の立上がり/立下がりパターン、振幅、及び長さを有す るパルスを形成することによって形成するのが普通である。特に比較的大きい電 圧または電流のパルスを必要とする場合、この種の公知回路の短所の1つはこの 回路の構成に必要な部品のサイズ及び重量であった。この公知RLC回路はその サイズ及び重量の点で、比較的小さい設備または設備の総重量を極力軽くしなけ ればならない場合には不適当である。例えば、細動除去装置に組込まれるパルス 形成回路を軽量化及び小型化できれば細動除去装置の携帯性を、従って利用度を その分だけ高めることができる。
従って、比較的小型軽量のソリッドステート・デバイスを利用し、高い信頼度で 所要の電流波形を有するパルスを繰返し形成することのできる新規の波整形回路 が切実に望まれて要約すれば、種々の実施例において、本発明は負荷へ供給され る電気的パルスを形成するため電源と負荷の間に例えばサーミスタのような感温 抵抗器を利用する。抵抗器の温度/抵抗特性は抵抗器の温度に応じてパルスの形 状が一定の態様で変化するように選択される。本発明の一実施例においては、負 荷として細動除去を必要とする患者の経胸インピーダンスを想定することができ る。
図面の簡単な説明 本発明そのものは本明細書の一部を形成する請求の範囲に記述しである。ただし 、本発明の種々の実施例の構造及び作用は添付図面に沿った以下の詳細な説明か ら明らかになるであろう。添付図面において、 図1は本発明の一実施例の模式図、 図2は図1に示した回路によって形成されるパルスの典型的な経時電流変化を示 すグラフ、 図3は本発明の第2実施例の模式図、 図3aは本発明の第3実施例の模式図、図4は図3に示した回路によって形成さ れるパルスの典型的な経時電流変化を示すグラフ、 図5は本発明の第4実施例の模式図、 図6は図5に示した回路によって形成されるパルスの典型的な経時電流変化を示 すグラフ、 図7は本発明の種々の実施例において使用されるサーミスタの正面及び背面に取 付けられるヒートシンクの側面図、図8は図7に示したヒートシンク及びサーミ スタの正面図、図9は本発明の第5実施例の模式図、 図10は図9に示した回路によって形成されるパルスの典型的な経時変化を示す グラフ、 図11は本発明の種々の実施例の1つを組込むように構成された細動除去装置の 模式図である。
好ましい実施例の詳細な説明 図1は本発明の回路の第1実施例を模式的に示す。この回路は正端子が第1常開 スイツチ4を介してコンデンサ6の一方の側と接続し、負端子が前記コンデンサ 6の他方の側と接続するDC電源2を含む。コンデンサ6と並列に第2常開スイ ツチ8、サーミスタ10、及び抵抗素子12によって表わされる負荷が接続して いる。サーミスタ10は自己加熱型熱作用抵抗性デバイスである。サーミスタ1 0はその温度が上昇すると抵抗値が低下する負温度係数を有するように選択され る。素子12によって表わされる負荷は原則として本発明の回路の一部を形成せ ず、従って図面では本発明の回路が抵抗性負荷と接続する態様を示すにとどめた 。
本発明の一実施例ではペンシルバニア州セントメアリーズ市15857 に所在 のKe7stone Carbon Compan7の製品M o d e I No、 CL −70のような3個の直列接続サーミスタをサーミスタ10とし て使用して所期の成果を得ることができる。この実施例におけるコンデンサ6は 37.5m Fコンデンサであり、約4.200Vの電荷が蓄積される。これら の回路素子は患者インピーダンスを約50オームと想定して選択する。
図1に示した回路の動作を図1及び2に沿って説明する。
スイッチ4が閉じると、コンデンサ6は電源の電圧及びスイッチ閉成時間によっ て決定される値まで充電される。次いでスイッチ4が開放され、スイッチ8が閉 じる。スイッチ8が閉じると、コンデンサ6の電荷がサーミスタ10及び負荷1 2の直列回路に印加される。初期の段階ではサーミスタ10の抵抗値が比較的高 いから、負荷12への電流が比較的低い。
しかし、初期電流がサーミスタの温度を急上昇させることによってその抵抗値を 低下させ、サーミスタを流れる電流を上昇させる。サーミスタの温度が上昇し続 けるのに伴なって電流が経時的に増大する。サーミスタの抵抗値変化速度、従っ て、図2に波形にで示すように、パルスによって供給される電流の大きさの変化 は使用されるサーミスタの温度/抵抗特性及び使用されるサーミスタの熱容量に よって決定される。
サーミスタの温度はコンデンサ6の電荷量によって決定される最大電流値に達す るまで上昇し続ける。コンデンサがサーミスタ及び負荷12を介して放電し続け るのに従ってこれらの素子を流れる電流が低下する。
パルスによって供給される電流に対するサーミスタ10の影響を、負荷を流れる 電流を経時的にプロットしたグラフとして図2に示した。スイッチ8が閉じるや 否や、負荷12を流れる電流はサーミスタ10及び負荷12の初期抵抗値によっ て決定される有限値まで飛躍する。スイッチ8は閉じたままであるから、最大値 に達するまで電流が増大し続ける。この増大はサーミスタ10の低下する抵抗値 に起因する。同時にコンデンサ6の電荷が低下し、一定の時点において負荷を流 れる電流が最大値に達し、次いで低下する。その結果形成される図2にKで示し た電流波形は減衰正弦波に近い波形である。
細動除去装置の場合、おそらくその他の用途においても、ピーク電流値に達した 直後に負荷電流(細動除去装置の場合なら患者電流)をゼロまで低下させること が望ましいと考えられる。負荷電流のこのような急低下を達成するためには、図 3に示す本発明の実施例が開発された。図3に示す回路は負荷と並列に第2サー ミスタ14を接続することを除けば図1に示し、かつ図1に沿って説明した回路 と全く同じである。
サーミスタ14は負の抵抗係数を有するから、サーミスタの温度上昇に伴なって これを流れる電流が増大する。図3に示す回路実施例はペンシルバニア州セント メリアーズ市に所在のKe7stone Carbon Compan7の製品 Model No、CL −70のような3個の直列接続サーミスタをサーミス タ14として使用して所期の成果を得ることができる。
パルスによって供給される電流に対する図3に示す回路の影響を、ここでも負荷 を流れる電流を経時的にプロットしたグラフとして図4に示した。サーミスタ1 0と負荷の相互作用は図1の回路の場合とほぼ同じ態様で行われる。初期段階で はサーミスタ14の値は負荷の抵抗値よりもはるかに大きいから、電流波形して 示すように、パルスの初期部分において電流の大部分が負荷を流れる。しかし、 パルスの継続に伴なってサーミスタ14が加熱され、その抵抗値が低下し、サー ミスタが負荷から電流を分流させ始める。パルスの終りにはサーミスタ14の抵 抗値は負荷の抵抗値よりもはるかに低く、従ってサーミスタはコンデンサに残留 しているエネルギーのほとんどすべてを負荷から分流させる。
場合によっては、回路によって供給される電流の大きさを他の構成を採用した場 合よりも迅速に低下させるため公知のRLC回路にサーミスタ14を採用するの が好ましい場合もある。即ち、公知のRLC回路にサーミスタ14を採用するこ とにより図3に示した回路との関連で上述した分流機能を行うことができる。図 3aはコンデンサ6から放出されるエネルギーの残留部分を図3の回路に関して 述べたように負荷から分流させるように負荷と並列にサーミスタ14を接続した 公知のRLC回路を示す。図3aに示す回路はサーミスタ10の代りにインダク タ15を使用する点だけが図3の回路と異なる。図3aの回路によって供給され るパルスの電流は電流が比較的低い初期の大きさから上昇することを除けばほぼ 図4に示す波形りに従って立上がりかつ立下がる。
図5及び図6に示すように、状況によっては公知の細動除去装置に組込まれてい るような従来型のRLCパルス発生回路によって形成される減衰正弦波を図1及 び図3に示す回路よりももっと正確にシミュレートする必要がある。このために 開発されたのが図5に示す回路30である。回路30はスイッチ8とサーミスタ 10の間に誘導素子32を直列接続したことを除けば図1の回路と同じである。
本発明の実施例では誘導素子32は10mHインダクタである。
図6に電流波形Mで示すように、回路30によって形成されるパルスが供給する 電流の大きさは図1及び図3に示す回路によって形成されるパルスが供給する電 流の大きさよりもゆっくりと増大する。状況によってはパルスによって供給され る電流の大きさがこのようにゆっくりと増大することが望ましい。例えば、回路 30を細動除去装置に組込み、回路から発生するパルスを患者の心臓の細動を除 去する目的で患者に供給する場合、医学的な条件として、パルスによって供給さ れる電流が余り急激にピーク値まで増大しないことが望ま□しい場合がある。
図3に示す回路に誘導素子32を採用することもできる。
この場合、スイッチ8とサーミスタ10の間に直列に誘導素子32をも接続する 。
図5に示す回路30は誘導素子32を含むため、図1及び図3に示す回路よりも やや重く、コストも高くつく。とはいえ、定格が20mHないし50mHの少な くとも1つの誘導素子を含むのが普通の公知RLCパルス形成回路はど重くもな ければ高コストでもない。場合によっては図1及び図3に示す回路または公知R LC回路の代りに図5に示す回路30を使用することによって軽量化及びコスト 軽減と回路の性能との間の理想的なバランスを達成することができる。
次に図7及び図8に関連のものは、細動除去パルスなどを短い連続時間ずつ繰返 し患者または負荷に加えねばならない場合に望ましい。状況によっては、図12 図3及び図5に示す上記回路におけるサーミスタ10及び14が図22図4及び 図6に示す上記電流波形を有するパルスの発生を妨げるほどの残留熱をパルス間 に保持することがある。サーミスタが残留熱を保持する程度はパルスの周波数、 サーミスタの温度/抵抗特性、及びサーミスタの配置環境に応じて異なる。
この熱保持を極力少なくしてパルス周波数を高めるためには、サーミスタ10及 び14にヒートシンク50を取付ければよい。各ヒートシンク50は一体的なベ ースプレート53を介してサーミスタの前後面に取付けられる複数のひれ部材5 2を含む。この取付けは熱伝導性接着剤54、例えば適当なエポキシを使用する ことによって達成される。ヒートシンク50は熱伝導率の高い、例えばアルミニ ウムのような材料から成る。サーミスタ10及び14にヒートシンク50を付加 することによってサーミスタは迅速に、典型的には約5秒以内に冷却され、迅速 なパルス印加を可能にする。
図9及び図10に関連のものは、最近実施した実験及び臨床試験において2相ま たは交流波形を有する細動除去パルスを形成するように構成した細動除去装置に 使用した。この波形は正の極性を有する東1部分と負の極性を有する第2部分を 特徴とし、図10に示す波形Nとほぼ同じである。2相波形を有する細動除去パ ルスを形成し、図11図32図3a及び図5に示した回路と同様に小型化、軽量 化される回路60を図9に示した。
回路60は電源2、スイッチ4,8.及びコンデンサ6を含むことでは図1の回 路と同様である。さらに回路60が接続されて構成される抵抗性負荷を抵抗素子 12で表わしである。抵抗素子12の一方の側を参照番号66で示し、他方の側 を参照番号68で示す。回路60はサーミスタ10の代りにサーミスタ72,7 4,76.78を含むという点で図1の回路と異なる。サーミスタ72.78は 正温度係数サーミスタであり、サーミスタ74.76は負温度係数サーミスタで ある。サーミスタ72〜78はブリッジ状に抵抗素子12と接続し、サーミスタ 72はスイッチ8と抵抗素子12の側66の間に接続され、サーミスタ74はス イッチ8と抵抗素子12の側68の間に接続され、サーミスタ76は抵抗素子1 2の側66と電源2の負極側の間に接続され、サーミスタ78は抵抗素子12の 側68と電源2の負極側の間に接続されている。サーミスタ72〜78はサーミ スタが周囲温度、例えば25℃の環境にあるサーミスタ74.72について、サ ーミスタ74の抵抗値がサーミスタ72の抵抗値よりも低(、またサーミスタ7 6.78が周囲温度であるときはサーミスタ76の抵抗値がサーミスタ78の抵 抗値よりも低くなるように設定される。さらに、作用温度のほぼ全範囲にわたっ てサーミスタ74.76がほぼ同じ抵抗値を有し、同様にサーミスタ72.78 が作用温度のほぼ全範囲にわたってほぼ同じ抵抗値を有するようにサーミスタを 設定する。
サーミスタ72〜78がブリッジを形成し、上記温度/抵抗特性を有するから、 周囲温度においてスイッチ8が閉成されると、サーミスタ74、抵抗素子12( 即ち、抵抗性負荷)、次いでサーミスタ76を通過する電流路i (図9)に沿 ってコンデンサ6から電流が流れる。この電流がサーミスタ74.76を通過し ながらこれらのサーミスタを急速に加熱し、その結果、このサーミスタの抵抗値 が急激に増大する。この抵抗値増大の結果、サーミスタ74.76を介して抵抗 性負荷へ供給される電流の大きさは図10に示すように経時的に低下する。この 抵抗値増大と電流低下はサーミスタ74の抵抗値がサーミスタ72の抵抗値より も大きくなり、サーミスタ76の抵抗値がサーミスタ78の抵抗値よりも大きく なるまで継続する。この時点でコンデンサ6から供給される電流は、サーミスタ 72から逆方向に抵抗性負荷12を通りさらにサーミスタ78を通過する電流路 i (図9)に沿って流れる。即ち、負温度係数サーミスタ74.76の抵抗値 が正温度係数サーミスタ72.78の抵抗値よりも大きくなった瞬間、抵抗素子 12を通過する電流の方向が変わる。即ち、負荷を通過する電流が負になる。コ ンデンサ6の電荷残留部分が放出されると、波形の電流振幅がゼロ振幅レベルに 指数関数的に近づいて、電流振幅は経時的に負成分が消滅する。
従って、回路60に使用するサーミスタ72〜78の熱/抵抗係数を適正に選択 することにより、図10に示す2相波形Nを発生させることができる。波形Nの 具体的形状はサーミスタ72〜78を適当に選択することにより回路60の用途 に正確に適合させることができる。
回路60の一実施例では、コンデンサ6を4.320Vまで充電される50マイ クロフアラツド・コンデンサとし、抵抗性負荷を50オームとし、サーミスタ7 4.76を25℃における抵抗値が500オーム、熱容量が0.5ジユ一ル/℃ のサーミスタとし、サーミスタ72.78を25℃における抵抗値が2オーム、 熱容量が0.6ジユ一ル/℃、移転温度が65℃のサーミスタとした。負荷の抵 抗値は約50オームであった。
回路60のこの実施例によって形成される波形は図10に示した通りであり、パ ルスの開始時(即ち、t=0)における電流は約78アンペアであり、パルスの 極性は約0.75ミリセコンド(即ち、時間X =0.75m5)において変化 し、パルスの負極性の最大振幅は約32アンペアに等しい。
サーミスタ10.14に関連して上述したようにサーミスタ72〜78にヒート シンク50を取付けてもよい。加熱後のサーミスタ72〜7日の冷却速度を高め たい場合、このようにヒートシンク50を組込むことが望ましい。
Hovard等の米国特許第3.814.105号に開示されている図11に略 示する公知細動除去装置100に公知の態様で図1゜図39図3a、図5及び図 9に示す回路を組込めばすぐれた成果が得られる。図示の細動除去装置10[1 においては、図1゜図32図3a、図5及び図9に示す回路のスイッチ4.8を 充電ボタン102及び放電ボタン104とそれぞれ接続する。同じくこの細動除 去装置IQQにおいて、図19図39図3a。
図5及び図9に示す回路の抵抗12は電極IG6 、108と接続する(図示し ない)患者である。なお、この細動除去装置100は最新の細動除去装置が具え ている他のすべての制御手段及び表示手段を具えている。
以上に述べた実施例には本発明の範囲内で種々の変更を加えることができるから 、図面に示し、かつ図面に沿って上述した構成はすべて説明のための実施例であ り、本発明を限定するものではない。
補正書の写しく翻訳文)提出書 (特許法第184条の8) 平成5年10月7日

Claims (24)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.エネギー源、エネルギー蓄積手段及び蓄積手段に蓄積されているエネルギー を外部負荷と接続する接続手段を有するパルス整形回路において、エネルギー蓄 積手段と接続手段の間に電流制御手段を接続し、前記電流制御手段の温度に応じ てエネルギー蓄積手段から接続手段へ流動できる電流量を経時変化させることを 特徴とする波形成形回路。
  2. 2.前記電流制御手段が抵抗デバイスから成り、その抵抗値が該デバイスの湿度 上昇に比例して低下することを特徴とする請求項1記載の回路。
  3. 3.前記伝流制御手段が負の温度係数を有するサーミスタから成ることを特徴と する請求項1記載の回路。
  4. 4.前記電流制御手段が自己加熱性の熱作用素子から成ることを特徴とする請求 項1記載の回路。
  5. 5.(a)エネルギー源をエネルギー蓄積手段と選択的に接続したり、エネルギ ー源をエネルギー蓄積手段から遮断したりするためエネルギー源とエネルギー蓄 積手段の間に接続した第1スイッチング手段と、 (b)エネルギー蓄積手段を選択的に接続手段と接続したり、接続手段からエネ ルギー蓄積手段を遮断したりするため、エネルギー蓄積手段と接続手段の間に接 続した第2スイッチング手段をも含むことを特徴とする請求項2記載の回路。
  6. 6.前記蓄積手段が外部負荷に接続されたり外部負荷から遮断されたりした時に 前記蓄積手段によって放出されるエネルギーの残留部分を分流するため前記接続 手段に接続した分流手段をも含むことを特徴とする請求項1記載の回路。
  7. 7.前記分流手段が抵抗性デバイスから成り、その抵抗値が前記抵抗性デバイス の温度に応じて変化することを特徴とする請求項6記載の回路。
  8. 8.前記分流手段が負の温度係数を有するサーミスタから成ることを特徴とする 請求項6記載の回路。
  9. 9.前記電流制御手段が前記抵抗性デバイスから熱を消失させるため前記抵抗性 デバイスに接続した冷却手段を含むことを特徴とする請求項2記載の回路。
  10. 10.前記冷却手段がアルミニウム製の複数のヒレから成ることを特徴とする請 求項9記載の回路。
  11. 11.エネルギーパルスを発生させてこれを外部負荷に供給するためのパルス発 生回路において、所定量のエネルギーを蓄積し、放出するためエネルギー源に接 続可能なエネルギー蓄積手段と、 前記エネルギー蓄積手段に接続され、前記エネルギー蓄積手段に蓄積されている エネルギーを外部負荷へ搬送するため外部負荷と接続可能な接続手段と、 前記エネルギー蓄積手段と前記接続手段の間に接続され、エネルギー蓄積手段か らの放出時に前記エネルギー蓄積手段から前記接続手段へ流動する電流量を自体 の温度に応じて経時的に変化させる電流制御手段とから成ることを特徴とするパ ルス発生回路。
  12. 12.前記接続手段を外部負荷と接続したり外部負荷から遮断する時に前記エネ ルギー蓄積手段から放出されるエネルギーの残留部分を分流するため前記接続手 段に接続した分流手段をも含むことを特徴とする請求項11記載の回路。
  13. 13.エネルギー蓄積手段から放電されるエネルギーによって供給される電流が ピーク値に達するのに必要な時間量を増大させるように前記エネルギー蓄積手段 からの放出時に供給される一定量の電流を蓄積し、かつ放出するため前記エネル ギー蓄積手段と前記接続手段の間に接続した誘導手段をも含むことを特徴とする 請求項11記載の回路。
  14. 14.前記電流制御手段から熱を消失させるため前記電流制御手段に接続した冷 却手段をも含むことを特徴とする請求項11記載の回路。
  15. 15.一定量のエネルギーを蓄積し、放出するためエネルギー源と接続可能なエ ネルギー蓄積手段を含むエネルギーパルス発生回路に使用するための波形成形回 路において、エネルギー蓄積手段から放出される一定量のエネルギーによって供 給される電流の大きさを自体の温度に応じて経時的に変化させるためエネルギー 蓄積手段に接続可能な電流制御手段と、 前記電流制御手段をエネルギー蓄積手段及び外部負荷と接続するための接続手段 とから成ることを特徴とする波形成形回路。
  16. 16.細動除去エネルギーのパルスを繰返し生成するためのパルス手段と、 前記細動除去エネルギーのパルスを患者に供給するため前記パルス手段に接続し た電極手段と、 前記パルス手段と接続し、抵抗性デバイスを含み、各パルスと関連する電流が一 定の波形に従って経時変化するように前記細動除去エネルギーのパルスによって 供給される電流を前記抵抗性デバイスの温度に応じて制御する回路手段とから成 ることを特徴とする細動除去装置。
  17. 17.前記抵抗性デバイスの抵抗値が抵抗性デバイスの温度が上昇するに従って 低下することを特徴とする請求項16記載の細動除去装置。
  18. 18.前記電極手段を接続してある患者から前記細動除去エネルギーパルスのそ れぞれの残留部分を分流させるための分流手段をも含むことを特徴とする請求項 16記載の細動除去装置。
  19. 19.一定量のエネルギーを蓄積し、かつ放出するためエネルギー源に接続可能 なエネルギー蓄積手段と、前記エネルギー蓄積手段に蓄積されているエネルギー を外部負荷へ搬送するため前記エネルギー蓄積手段と接続し、かつ外部負荷に接 続可能な接続手段と、 (a)外部負荷が前記接続手段に接続される時及び(b)分流手段の温度が一定 レベルを超えた時に前記エネルギー蓄積手段によって放出されるエネルギーの残 留部分を外部負荷から分流させるため前記接続手段に接続した分流手段とから成 ることを特徴とするパルス発生回路。
  20. 20.前記分流手段が抵抗性デバイスから成り、その抵抗値が該抵抗性デバイス の温度に応じて変化することを特徴とする請求項19記載の回路。
  21. 21.2相電流波形を有するエネルギーパルスを生成する回路において、 エネルギーパルスを蓄積し、かつ放出するためエネルギー源に接続可能なエネル ギー蓄積手段と、前記エネルギー蓄積手段から放出されるエネルギーパルスを外 部負荷へ搬送するため前記エネルギー蓄積手段と接続し、外部負荷に接続可能な 接続手段と、 エネルギーパルスによって供給される電流が先ず1つの極性を持ち、一定時間後 に反対の極性を持つように前記エネルギー蓄積手段から放出されるエネルギーパ ルスを電流制御手段の温度に応じて形成するように前記エネルギー蓄積手段と前 記接続手段の間に接続した前記電流制御手段とから成ることを特徴とする回路。
  22. 22.前記電流制御手段が第1電流路を画定するように外部負荷に接続可能な第 1及び第2サーミスタと、第2電流路を画定するように外部負荷に接続可能な第 3及び第4サーミスタとから成り前記第1及び第2サーミスタが負の温度係数を 有し、前記第3及び第4サーミスタが正の温度係数を有することを特徴とする請 求項21記載の回路。
  23. 23.前記電流制御手段が第1組の熱/抵抗特性を有する第1サーミスタ対と、 第2組の熱/抵抗特性を有する第2サーミスタ対から成ることを特徴とする請求 項21記載の回路。
  24. 24.エネルギーパルスを蓄積し、かつ放出するためエネルギー源に接続可能な エネルギー蓄積手段を含むエネルギーパルス発生回路に使用するための波形成形 回路において、各エネルギーパルスによって供給される電流の波形極性が経時変 化するようにエネルギー蓄積手段によって放出されるエネルギーパルスを波形成 形手段の温度に応じて経時的に成形するためエネルギー蓄積手段に接続可能な前 記波形成形手段と、 前記波形成形手段をエネルギー源及び外部負荷と接続するため前記波形成形手段 に接続する接続手段とから成ることを特徴とする波形成形回路。
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