JPH0693611B2 - パルス回路素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、パルスレーザ等の立上りの早いパルスを必
要とする装置に使用するパルス回路素子に関するもので
ある。

〔従来の技術〕

第３図は例えば論文誌「Rev. Sci. Instrum.」57,2970
（1986）（S. Watanabe, et al.）に示された従来のパ
ルス回路素子を用いた短パルスレーザ装置の回路構成図
であり、図において、（１）はパルス回路素子であり、
（1a）が同軸型コンデンサバンク、（1b）は可飽和リア
クトルである。（２）は同軸型コンデンサバンクを充電
するためにコンデンサ、（３）はコンデンサ（２）を充
電するための充電抵抗、（４）はコンデンサ（２）を充
電するための充電用コイル、（５）はサイラトロン、
（６）は一対の主放電電極であり、（７）は主電極間を
予備電離するためのスパークギヤツプ、（８）は主電極
間に高電圧を印加するためのパーキングコンデンサであ
る。

次に動作について説明する。充電抵抗（３）および充電
用コイル（４）を通して高電圧に充電することによりコ
ンデンサ（２）に蓄えられた電荷は、サイラトロン
（５）が導通状態になることにより予備電離ピン（７）
を通して同軸型コンデンサバンク（1a）に移行される。
このとき予備電離ピンはアーク放電で接続され、アーク
放電からの紫外線により主放電電極（６）間のレーザガ
スは予備電離される。コンデンサ（２）の電荷が同軸型
コンデンサバンク（1a）に移行するにつれて、同軸型コ
ンデンサバンク（1a）の電圧は上昇してゆくが、ピーキ
ングコンデンサ（８）には可飽和リアクトル（1b）のイ
ンダクタンスが大きいため、このインダクタンスと、同
軸型コンデンサバンクの静電容量とピーキングコンデン
サの静電容量との合成容量で決まるゆつくりとした時定
数でしか電荷が移行しないため、ピーキングコンデン
サ、すなわち主放電電極（６）の両端の電圧はほとんど
上昇しない。同軸型コンデンサバンクへの電荷の移行が
ほぼ完了した段階で可飽和リアクトルが飽和するように
可飽和リアクトル（1b）の飽和磁束を設定しておけば、
その時点で可飽和リアクトルのインダクタンスは急激に
低下する。こうしてピーキングコンデンサには同軸型コ
ンデンサバンク（1a）からの電荷が、可飽和リアクトル
の飽和時のインダクタンスと、これらコンデンサ間の導
電路の構造で決まる浮遊のインダクタンスと上記合成容
量で決まる早い時定数で移行し、主放電電極間の電圧は
急激に上昇して、レーザガスはブレークダウンに至る。
その後、同軸型コンデンサバンクの電荷は、予備電離ピ
ン、主放電電極、可飽和リアクトルより成る閉回路によ
りレーザガス中へ注入され、レーザガスを励起する。

第４図は上記従来例に示されたパルス回路素子の構造を
示す斜視図である。同軸型コンデンサバンクは筒状の誘
電体の内面及び外面に電極を設けて構成された同軸型コ
ンデンサ（９）を複数個、筒状誘電体の中心軸が同軸と
なるように連ね、誘電体内面に設置された電極間を電気
的に接続し、かつ誘電体外面に設置された電極間を電気
的に接続して、１本の棒状のコンデンサ（以下、同軸型
コンデンサユニット（10）と記す）を形成し、この同軸
型コンデンサユニット（10）を同軸型コンデンサユニッ
ト（10）の中心軸が平行となるように横に並べ、各同軸
型コンデンサユニットの端部において、各同軸型コンデ
ンサユニットの上記誘電体内面に設置された電極を平板
形状をもつ内部導体（11）に接続し、かつ上記誘電体外
面に設置された電極を平板形状をもち内部導体（11）を
両側からサインドイッチ状にはさむように配置された１
対の外部導体（12）に接続したものである。（13）はレ
ーストラック状の可飽和リアクトルであり、アモルファ
ス磁性材料の薄いリボンを多数積層したコアを用いてい
る。これは同軸型コンデンサとピーキングコンデンサ間
の浮遊インダクタンスを抑えるため、その間を電気的に
接続している内部導体（11）と外部導体（12）の距離が
なるべく近づくようにレーストラック形状に形成された
レーストラック状コアにより構成したものである。そし
て、それを内部導体（11）を貫き、さらに外部導体（1
2）に挟まれるように配置されている。図中には示して
いないが、本従来例では、内部導体（11）および外部導
体（12）はピーキングコンデンサさらにTE型パルスレー
ザの、いわゆる負荷に接続されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の短パルスレーザ装置に用いられるパルス回路素子
は、以上のように構成されているので、浮遊のインダク
タンスを抑えるために可飽和リアクトルのコアを細長い
レーストラツク状に成形しなければならず、アモルフア
スリボンの切断、たるみを防ぐためには巻付時の引張応
力をなるべく均等にする必要があり、特殊な巻付け装置
が必要であるうえ、曲げ半径が小さい部分では応力が集
中するため、アモルフアス磁性材料の磁気特性、特に透
磁率が低下し、パルス回路素子の発生する電圧、電流パ
ルスの立上りが遅くなるといつた問題点があつた。ま
た、製作の容易さおよび磁気特性の低下防止のため、レ
ーストラツク状コアの代わりに１個のトロイダルコアを
用いたパルズ回路素子では、レーストラック状コアと同
様の性能を保持するためにレーストラック状コアと同程
度の磁路長をトロイダルコアで実現する必要である。こ
の場合、トロイダルコアの半径はレーストラック状コア
の短径より大きく、長径より小さくなる。したがってト
ロイダルコアの中心を貫く内部導体はレーストラック状
コアを使用したときよりその幅が狭くなり、かつ内部導
体と外部導体との間隔はトロイダルコアを挟むために大
きくする必要がある。このことにより浮遊のインダクタ
ンスが増大してパルス回路素子の発生する電圧、電流パ
ルスの立上りが遅くなるといつた問題点があつた。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、可飽和リアクトルのコアの磁気特性の低下を
防止できるとともに、浮遊インダクタンスも低減でき、
立上りの早いパルスを発生し得るパルス回路素子を得る
ことを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係るパルス回路素子は、複数個の同軸型コン
デンサユニットの１つに１組ずつ、少なくとも１つのト
ロイダルコアからなる可飽和リアクトルを独立に設けた
ものである。

〔作用〕

この発明におけるパルス回路素子は、トロイダルコアを
用いることにより、アモルファスリボンの巻付けの結果
生じるアモルファスリボンへの応力を均等にして磁気特
性の低下を防止するとともに、可飽和リアクトルを１つ
の同軸型コンデンサユニットに１組ずつ独立して配置す
ることで、トロイダルコア１つ当たりに流れる電流を分
散させるため、トロイダルコアの半径を小さく、したが
って内部導体、外部導体間の距離を短く構成できるた
め、浮遊インダクタンスを低減して、立上りの早い電
圧、電流パルスを発生する。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図及び第２図において、（１），（９）〜（12）は第３
図及び第４図と同等である。（14）は、同軸型コンデン
サユニツトそれぞれに１組ずつ（図では３個）配置され
たトロイダルコアを用いた可飽和リアクトルである。

次に動作について説明する。可飽和リアクトルの磁束密
度が飽和することにより、可飽和リアクトルのインダク
タンスが減少し、同軸型コンデンサバンクの電荷が急速
にピーキングコンデンサに移行するため、ピーキングコ
ンデンサの電圧、すなわち主放電電極間の電圧が急激に
上昇して、レーザガスのブレークダウンに至ることは既
に述べた。ところで、ピーキングコンデンサの電圧Vpの
立上りdVp/dtは、可飽和リアクトルが飽和するまでの同
軸型コンデンサバンクの電圧Ｖ_AX.Oとピーキングコンデ
ンサの電圧Vp.oの差Ｖ_AX.O−Vp.oと、飽和後の同軸型コ
ンデンサバンクからピーキングコンデンサへの電荷移行
時間τに依存する。いま、簡単のために同軸型コンデン
サバンクの静電容量C_AXがピーキングコンデンサの静電
容量Cpに比べ十分大きいとすると、ピーキングコンデン
サの電圧Vpは Vp.max＝２（Ｖ_AX.O−Vp.o）＋Vp.o を目指して上昇する。また、可飽和リアクトルの飽和時
のインダクタンスをＬ_R.S、可飽和リアクトル以外の浮
遊のインダクタンスをL_Sとすると、時間τ後にVp.maxに
到達する（ただし実際にはVp.maxまでにレーザガスはブ
レークダウンする）ここでτは で表わされる。

したがつて、ピーキングコンデンサの電圧Vpの立上りdV
p/dtは となる。Ｖ_AX.OおよびＬ_R.Sは可飽和リアクトルのコア
断面積、磁路長が同じであれば形状にかかわらず一定で
あるので、dVp/dtを大きくするためには、Vp.oを低く抑
え、かつL_Sを小さくする必要がある。

ところで、同軸型コンデンサバンクから流れ出た電流は
内部導体（11）を通り、可飽和リアクトルを経てピーキ
ングコンデンサあるいは負荷としてのTE型パルスレーザ
に供給され、さらに外部導体（12）を通って再び同軸型
コンデンサバンクに帰還する。この時、浮遊インダクタ
ンスL_Sは電流が流れる道筋が囲む面積Aiから可飽和リア
クトルのコア断面積Acoreを引いた面積に比例し、電流
が流れる道筋の幅Wiに反比例する。すなわち、 L_S＝μ０×（Ai−Acore）Wi で表される。ここでμ０は真空の透磁率である。

したがって浮遊インダクタンスL_Sを小さくするために
は、内部導体（11）と外部導体（12）の距離を近づける
ことにより上記面積Aiを小さくする、あるいは内部導体
（11）、外部導体（12）を幅方向に広げる必要がある。
この理由により従来例ではレーストラック形状のコアを
用いてなるべく内部導体（11）の幅を拡げ、かつそれに
沿わせて可飽和リアクトルを設置し、その外側近傍に外
部導体（12）を設けて内部導体（11）との距離を近づけ
た構造をとっている。しかしながら、レーストラック形
状のコアではトロイダルコアとは違いコアの曲率半径が
変化すること、特に扁平率を高めるため曲率半径がかな
り小さい部分が存在するため、その部分での応力集中に
よりコアの磁気特性、特に透磁率が低下する。その結果
飽和するまでに可飽和リアクトルが持つインダクタンス
が低下し、可飽和リアクトルが飽和するまでに用軸型コ
ンデンサバングからピーキングコンデンサへの漏れ電流
が増大し、可飽和リアクトルが飽和するまでのピーキン
グコンデンサの電圧Vp.oが上昇し、同軸型コンデンサバ
ンクとパーキングコンデンサの電圧差が減少する。この
ため、飽和後に同軸型コンデンサバンクからピーキング
コンデンサへの電荷移行の結果としてピーキングコンデ
ンサの電圧Vpが制御されることになる。すなわち可飽和
リアクトルのスイッチング効果が劣化してしまう。

一方、可飽和リアクトルとしてトロイダルコアを同軸型
コンデンサバンク全体に対して１個のみ用いた場合に
は、応力集中に伴う磁気特性の低下はなくVp.oは低く抑
えることができる。ところが、トロイダルコアおよびレ
ーストラック形状のコアで構成した可飽和リアクトルに
ついてその動作をほぼ同じくするために、トロイダルコ
アの磁路長をレーストラック形状のコアと同程度にする
ことが必要であり、この場合トロイダルコアの半径はレ
ーストラック形状のコアの長径より小さく、短径より大
きくなる。したがってトロイダルコアをパルス回路素子
に組み込むためには、内部導体（11）の幅は長径の現象
に伴って小さくなり、かつ内部導体（11）と外部導体
（12）との距離は短径の拡大に伴って大きくなる。上述
したようにこれらの効果はL_Sを大きくするために作用す
る。

そこで、同軸型コンデンサユニツトそれぞれに１組ず
つ、トロイダルコアの可飽和リアクトルを同軸型コンデ
ンサユニツトと独立して配置することにより、複数個存
在する可飽和リアクトルを構成するトロイダルコアの磁
路長の和が上記レーストラック形状のコアの磁路長とほ
ぼ同一とするで、それらの動作を等しくすることができ
るので、トロイダルコアの半径はレーストラック形状の
コアの短径とほぼ同じでよく、内部導体（11）と外部導
体（12）との距離はレーストラック形状のコアを用いた
場合と同様に小さくすることができる。また、複数組の
可飽和リアクトルを用いるため内部導体（11）は可飽和
リアクトルの数に分散されるが、可飽和リアクトルの数
が５組以上あれば、言い換えれば内部導体（11）を５本
以上に分割すれば、内部導体（11）の幅として分割され
たうち最両端の内部導体（11）間の距離とみなしてもよ
いことは電磁気計算の結果わかっているので、内部導体
（11）の幅としてもレーストラック形状のコアの場合と
ほとんど変わらない。すなわち、浮遊インダクタンスL_S
の値は本発明によっても従来例の場合とほとんど変わら
ないことがわかる。一方、コアの磁気特性はトロイダル
コアを用いて均等な応力にしているため低下せず、非飽
和時の漏れ電流もかなり低く抑えることができる。

したがって、本実施例によれば浮遊インダクタンスL_S、
及び漏れ電流による電圧Vp.oの両者共低減することがで
き、立上りの早いパルス回路素子が実現できる。

なお、上記実施例では、同軸型コンデンサユニツトとし
て同軸型コンデンサを複数個同軸上に配置したものを示
したが、同軸型コンデンサユニツトとして同軸ケーブル
を用いてもよい。

また、上記実施例では、可飽和リアクトルのコア材料と
してアモルフアスのリボンを用いた場合を示したが、コ
ア材料としてフエライトを用いてもよく、この場合は大
型化が困難であるフエライトコアを小さなフエライトコ
アを複数個用いれば良く、製造も容易で安価なパルス回
路素子を得ることができる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば各コンデンサユニツト
のそれぞれに、少なくとも１つのトロイダルコアからな
る可飽和リアクトルを設けてパルス回路素子を構成した
ので磁気特性の低下がなくかつ浮遊インダクタンスも低
く抑えることが可能で、立上りが早いパルスが発生でき
る効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例によるパルス回路素子の構
造を示す斜視図、第２図はこの発明の一実施例によるパ
ルス回路素子を用いた短パルスレーザ装置を示す回路構
成図、第３図は従来のパルス回路素子を用いた短パルス
レーザ装置を示す回路構成図、及び第４図は従来のパル
ス回路素子の構造を示す斜視図である。 （１）……パルス回路素子、（９）……同軸型コンデン
サ、（10）……同軸型コンデンサユニツト、（11）……
内部導体、（12）……外部導体、（14）……トロイダル
状可飽和リアクトルなお、図中、同一符号は同一又は相
当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】筒状の誘電体の内面及び外面に電極を設け
   て構成された同軸型コンデンサを１つ、または複数個同
   軸状に連結し、上記同軸型コンデンサの内面電極間及び
   外面電極間を接続した同軸型コンデンサユニットを複数
   個並列に並べ、これら各同軸型コンデンサユニットの少
   なくとも一方の端部で上記各同軸型コンデンサユニット
   の内面電極間及び外面電極間を接続した同軸型コンデン
   サバンク、並びに上記各同軸型コンデンサユニットに対
   し、上記各同軸型コンデンサユニットの接続部と上記端
   部との間に１組ずつ設けられ、少なくとも１つのトロイ
   ダルコアからなる可飽和リアクトルを備えたパルス回路
   素子。