JPS63229786A - 高繰返しパルスレ−ザ電源装置 - Google Patents

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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は高速の電流立上りを持つ、大電流・高繰返しパ
ルスレーザ電源を実現するための、高繰返しパルスレー
ザ電源装置に関するものである。

（従来の技術） ■技術的な背景 近年パ分子法によるウラン分離装置″に使用するＴＥＡ
及びＴＥＭＡＣＯ２レーザを始め、エキシマレーザ、銅
蒸気レーザ等、各種レーザの産業への使用が検討されて
おり、同時にこれらのレーザのための、優れた「大電流
・高繰返しパルス電源」が要求される様になっている。

また、同様の電源が加速器の［Ｆａｓｔ　Ｐｕ１ｓｅｄ
　Ｍａｇｎｅｔｓ　］用としても求められている。

「大電流・高繰返しパルス電源」の研究は欧米で以前か
ら行なわれ、すでに幾つかの論文が発表されており（例
、島田勉　野田幸治　小原実　Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｊｏ
ｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　ｐｈｙｓｉｃｓ　
ｖｏｌ、２４．　Ｎ。

、１１．Ｎｏｖｅｍｂｅｒ、１９８５．ｐｐ、　［５５
〜１８５７“Ｐｕ１ｓｅｄ　ＣＯ２Ｌａ５ｅｒ　Ｐｕｍ
ｐｅｄ　ｂｙ　ａｎ　Ａｌｌ　５ｏｌｉｄ−３ｔａｔｅ
　）ｌａｇｎｅｔｉｃ　Ｅｘｃｉｔｅｒ　”　）　、理
論的方法については、明らかにされている。しかし、実
用に１直する優れた溝道のものは未だ提供されておらず
、いかに現実的なものを作るかが現在の課題となってい
る。

この様な「大電流・高繰返しパルス電源」には、早い電
流の立上り（１００ｋＡ／μｓｅｃ　）、高繰返し性（
２００〜１０ｋ　ｐｐｓ）、大電流（〜１０ｋＡ）、高
１［（〜１５０ｋＶ　）　、低いインピーダンス高リア
クタンス比を有する可飽和リアクトル（数）１８２以上
で十分に応答し、しかも飽和時と非飽和時で大きいイン
ダクタンスの比を有する特性）、非常に狭いパルス幅（
１００ｎＳＥＣ）　、ジッタ時間（数十ｎ５ｅｃ以下）
８〜１１ 、長寿命（１０程度以上）等の条件が要求されている。

上記の目的で考え出されたのが第３図に示す電気回路で
ある。第２図の電気回路において、パルス変圧器１１の
低圧側が、高繰返しパルス電流を発生するためのスイッ
チ回路でおり、高圧側は磁気パルス圧縮回路［Ｍａｇｎ
ｅｔｉｃ　Ｐｕｔｓ　ｃｏｍｐｕｌｅｓｔｉｏｎ＝ＭＰ
Ｃ回路］と呼ばれる電気回路である。

■スイッチ回路 第２図のパルス変圧器１の低圧側に形成されたスイッチ
回路において、充電電源１には、充電用リアクトル２〜
４、及び整流器５〜７を介してコンデンサ８〜１０が接
続され、パルス変圧器１１の低圧側に３並列に接続され
ている。また、スイッチ素子であるサイリスタ１２〜１
４はドライバ１５により点弧される様になっている。

この様なスイッチ回路の動作としては、まず充電電源１
によって、充電用リアクトル２，３，４゜及び整流器５
，６．７を介して、コンデンサ８゜９．１０を常時一定
の電圧に充電してあく。ここでドライバ１５により、電
源全体として必要とされる周波数になる様に、サイリス
タを順次１２→１３→１４→１２→１３→１４→１２→
・・・・と点呼させて行く。この様に、サイリスタ１２
〜１４を次々と点呼することにより、パルス変圧器１１
の低圧側には必要な繰返し数でパルス電流が発生する。

なお、第２図の例ではサイリスタの数は３個（即ち、パ
ルス変圧器の低圧側に接続する回路は３並列）としであ
るが、これは電源として要求される繰返しのパルス数と
サイリスタの能力に応じて、適当な数を選ぶことになる
。例えば、一般のサイリスタは、数百Ｈ２〜１ｋＨｚ程
度の繰返し周波数で使用するのが限界でおる。従って、
例えば繰返し周波数が５ｋＨｚの場合にはサイリスタの
並列数は７〜１０以上となる。

なお、第２図では、繰返しパルス電流を発生するための
スイッチ素子として、サイリスタを示している。この場
合、スイッチ素子としては、特にサイリスタに限定され
るものではないが、上記の様に厳しい条件に対して、そ
のスイッチ素子として機械的スイッチを使用することは
寿命やジッタの点で問題があり、結局サイリスタが最も
適している。

このようなスイッチ回路に使用するスイッチ素子は、一
定のパルス幅でエネルギーを充電電源からＭＰＣ回路側
に送る役割を果たすものであり、このスイッチ素子とし
てサイラトロン或いは半導体が最適と考えられるが、前
記のような高電圧のＮ源回路ではスイッチの責務が大き
く、それだけ大形のスイッチを使用せざるを得ない。

■磁気圧縮回路＝ＭＰＣ回路 一方、パルス変圧器１１の高圧側のＭＰＣ回路は、適当
な値のコンデンサ１６〜１８と可飽和リアクトル１９〜
２１が３段に組み合せられており、この各段の回路によ
って、パルス変圧器１１の低圧側から入力された電流の
時間幅が順次圧縮される様に構成されている。この様な
構成から、パルス変圧器の低圧側から入力された電流の
時間幅を百分の１程度にすることにより、電流の上昇率
を前記した１００ｋＡ／μＳｅｃ以上とするものである
。

この様なパルス変圧器１１の高圧側の動作を詳細に述べ
れば、パルス変圧器１１の高圧側に電圧が誘起すると、
この電圧に比例して第１段のコンデンサ１６の極間電圧
が上昇する。この結果、コンデンサ１６の極間電圧に比
例して、第１段の可飽和リアクトル１９にはわずかな電
流が流れ出すが、この電流がある値に達すると可飽和リ
アクトル１９の鉄心内の磁束数は飽和磁束密度以上に至
り、可飽和リアクトル１９は飽和状態となり、急激にイ
ンダクタンスが低下し、コンデンサ１６に蓄えられたエ
ネルギーは可飽和リアクトル１９を介して第２段のコン
デンサ１７に転移する。この場合、各段の可飽和リアク
トル１９，２０．２１の非飽和時及び飽和時のインダク
タンスを順次小さくすることにより、各段を流れる電流
の周波数を順次高周波にすることができる。

ところで、第１段のコンデンサ１６と、第１段の可飽和
リアクトル１つと、第２段のコンデンサ１７との関係は
、可飽和リアクトル１９が非飽和の時、このループに流
れる電流の周波数における第１段のコンデンサ１６のイ
ンピーダンスと、第１段の可飽和リアクトル１９の非飽
和時のインピーダンスを適切な値にすることにより、第
１段のコンデンサ１６から第２段のコンデンサ１７へエ
ネルギーが転移する時期を調整することができ、可飽和
リアクトル１９が飽和の時に流れる電流周波数にあける
第２段のコンデンサ１７のインピーダンスより可飽和リ
アクトル１９の飽和時のインピーダンスを充分に大きく
することにより、第１のコンデンサ１６のほぼ全エネル
ギーをコンデンサ１７に転移させることができる。

■可飽和リアクトルのインダクタンス 以上の様に、インピーダンス関係によりエネルギー転移
の時期を調整しエネルギー転移の効率を向上するための
、具体的なコンデンサと可飽和リアクトルとの組合せは
多数考えられるが、最も一般的なのはコンデンサの値を
一定としておき、可飽和リアクトルの値を順次小ざくし
て行く方法である。

例えば、前記ＭＰＣ回路では、パルス変圧器１１の高圧
側から、パルスの幅が８μｓｅｃ　、電流の増加率が１
　ｋＡ／μｓｅｃ程度である電流を入力した際、最終段
の可飽和リアクトル２１から出力されてレーザ本体であ
る放電部２２を通過した電流のパルス０幅を１００ｎｓ
ｅｃ　、その増加率を１００ｋＡ／　μｓｅｃ以上とす
るためには、最終段の可飽和リアクトルの値を、非飽和
時のインダクタンスで２０ｍＨ１飽和時のインダクタン
スで２０ｎＨ程度とする必要があるとしている。

しかしながら、現実的に上記の回路に使用されるコンデ
ンサ、パルストランス、可飽和リアクトルの大きざを考
えると、上記のインダクタンス値は簡単に実現できるも
のではない。即ち、上記のような低インダクタンス回路
に使用されるパルストランスや可飽和リアクトルにおい
ては、一般の回路では問題とならなかった漏れ磁束によ
るり一ケージインダクタンスの影響が無視できなくなる
。

特に、パルストランスや可飽和リアクトルの漏れ磁束は
鉄心上に巻回された巻線と鎖交しない磁束でおるが、パ
ルストランスの低圧側巻線やＭＰＣ回路の可飽和リアク
トルの巻線は、巻回数も少ないことから鉄心表面の一部
を覆うようにしか巻回されておらず、どうしてもこれら
の部材の鉄心表面には巻線の巻回されていない露出部分
が多くなり、そこからの漏れ磁束が大きくなる。その結
果、リーケージインダクタンスが増大し、パルストラン
スや可飽和リアクトルのインダクタンス値を小ざくでき
ず、最終段のコンデンサへのエネルギー転移の効率が悪
くなってしまう。

（発明が解決しようとする問題点） 上記のように従来の高繰返しパルスレーザ電源装置にお
いては、回路素子であるパルストランスや可飽和リアク
トルの有する漏れ磁束を低減させることが困難であり、
それに伴うリーケージインダクタンスの存在により回路
素子の低インダクタンス化が不可能であった。

本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決し、パ
ルストランス或いは可飽和リアクトルのリーケージイン
ダクタンスを減少して、その低インダクタンス化を・可
能とし、レーザ放電部に対するエネルギー供給の効率化
を達成した高繰り返しパルスレーザ電源装置を提供する
ことを目的とする。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 上記の目的を達成するために、本発明の高繰返しパルス
レーザ電源装置においては、可飽和リアクトル及びパル
ストランスの少なくとも一方に付いて、その鉄心に巻回
する巻線を平板状導体から構成し、この平板状導体によ
って鉄心表面を被覆するようにした。

（作用） 上記のような構成を有する本発明の高繰返しパルスレー
ザ電源装置によれば、巻線の巻回数が少なくとも、巻線
自体が幅広い平板状導体で構成されているため、鉄心表
面が広く覆われることになり、それだけ巻線と鎮交する
磁束が多くなり、漏れ磁束が減少するので、リーケージ
インダクタンスが少なくなり、パルストランスや可飽和
リアクトルの低インダクタンス化を計ることができる。

〈実施例） 以下、本発明の一実施例を図面に従って具体的に説明す
る。

第１図に示す実施例は、本発明の高繰返しパルスレーザ
電源装置におけるパルストランスの鉄心と巻線部分を示
す斜視図で市って、図中３０はパルストランスの鉄心で
おる。この鉄心３Ｑには、低圧側巻線３１とその外側に
重ね合せて巻回されれた高圧側巻線（図示せず）とが巻
装されている。

低圧側の巻線３１は、平板状の導体によって構成され、
この平板状導体をその各ターンごとに隙間なく巻回する
ことにより、鉄心３０の表面全体が低圧側巻線３１によ
って被覆されている。

図示しない高圧側巻線は、前記低圧側巻線３１と同様に
平板状導体によって構成することもできるが、その場合
は巻線数が多い分だけ導体の幅が細くなる。また、巻線
数が多い場合には、通常の導体を隙間なく巻回すること
で、高圧側巻線を構成しても良い。

上記のような構成を有する本実施例の装置においては、
パルストランスの低圧側巻線が平板状導体から構成され
ているので、従来のように線状の巻線を鉄心上に必要回
数巻回したパルストランスに比べて、鉄心表面の巻線に
よって覆われる部分がはる゛かに増加するので、それだ
け巻線と鎮交する磁束が多くなり、漏れ磁束が減少する
。従って、従来と同一の鉄心を使用しながらリーケージ
インダクタンスを減少させることが可能となり、パルス
トランスが低インダクタンス化される。

なお、この実施例では、鉄心３０を円形としたが、鉄心
の形状には限定がなく、４角、６角、８角等が採用でき
、巻線の巻回数も適宜変更可能でおる。

また、本発明は、前記のようなパルストランスの代りに
磁気パルス圧縮回路の可飽和リアクトルの漏れ磁束を低
減することで、可飽和リアクトルの低インダクタンス化
を計ることも、他の実施例として包含するものである。

即ち、可飽和リアクトルのインダクタンスは、巻線の巻
回数と鉄心の断面積によって決定されるが、本発明の装
置のような高繰返しパルスレーザに使用する場合には、
鉄心表面からの漏れ磁束に起因するリーケージインダク
タンスの影響が大きく、所望の値のインダクタンスを得
ることが難しい。

そこで、磁気パルス圧縮回路の可飽和リアクトルに付い
ても前記パルストランスと同様な平板状導体を使用し、
鉄心表面を被覆するように構成すれば、鉄心の空間に露
出する部分が従来の可飽和リアクトルに比べて格段に減
少するので、巻線と鎖交できずに空間に逃げる漏れ磁束
が減少し、低インダクタンスの可飽和リアクトルを得る
ことが可能となる。また、漏れ磁束によるリーケージイ
ンダクタンスが減少するので、可飽和リアクトルのイン
ダクタンスの特性が計算値に一致するようになるので、
高繰返しパルスレーザ電源装置の設計も容易となる。

上記のように、本発明においては、高繰返しパルスレー
ザ電源装置のパルストランス及び可飽和リアクトルの少
なくとも一方に付いて、平板状導体を使用することがで
きる。

［発明の効果］ 以上の通り、本発明によれば、鉄心に巻回する巻線を平
板状導体から構成するという簡単な手段にもかかわらず
、鉄心表面を巻線を用いて効果的に覆うことが可能とな
り、漏れ磁束及びそれに伴うリーケージインダクタンス
が少なく、パルストランス或いは可飽和リアクトルが低
インダクタンス化され、レーザ放電部に対するエネルギ
ー供給が効果的に行なわれる高繰返しパルスレーザ電源
装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の高繰返しパルスレーザ電源装置の一実
施例におけるパルストランスの鉄心部分を示す斜視図、
第２図は高繰返しパルスレーザ電源回路の一例を示す回
路図である。 ３０・・・パルストランスの鉄心、３１・・・低圧側巻
線。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）充電電源に接続されたコンデンサにスイッチ素子
   を接続したスイッチ回路と、可飽和リアクトルとコンデ
   ンサをレーザ放電部に接続して成る磁気パルス圧縮回路
   とを、パルストランスを介して接続して成る高繰返しパ
   ルスレーザ電源装置において、 パルストランスまたは可飽和リアクトルの少なくとも一
   方に付いて、その鉄心に巻回する巻線を平板状導体から
   構成し、この平板状導体によって鉄心表面を被覆するよ
   うにしたことを特徴とする高繰返しパルスレーザ電源装
   置。