JPS602080A - 高電圧パルス電源 - 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】 〔発明の利用分野〕 不発明は高電圧パルス電源に係り、特に負の高電圧を発
生させる高電圧パルス電源に関する。

〔発明の背景〕

本発明は負の高電圧全発生させるパルス゛眠源一般に適
用できるものであるが、ここでは数十ＧＨｚの高周波発
振管であるジャイロトロン用高電圧パルス゛亀源全例に
あげて説明する。

７ヤイロトロンは核融合プラズマの高周波加熱を行なう
ために最近開発された大電力高周波発振管であり、その
周波数は２８〜６　（Ｉ　ＧＨｚ　、出力２００ＫＷ程
度、バ／ｌ／ス巾４　（１〜ｌ　（ｌ　０Ｉｎｓ程度の
ものが実用化されており、定常運転用のものも開発され
てきている。ジャイロトロンを動作させるためには、そ
の陰極−陽極間に８（ＩＫＶ程度の高電圧を印加し、陰
極から８Ａ程亀の電子電流を引き出す必要があり、通常
陽極１１１！ｌ　’に接地して使用する。ジャイロトロ
ンの安定な動作には、出力電圧の安定度として０．２％
程度が要求される。高電圧、大電流であるため、出力電
圧の割面には、通常大電力用四極真空管が１史用される
。捷たンヤイロトロンから発振される高周波電力を測定
するためには、ジャイロトロンの出力導波管に大電力川
水負荷を接続してその水の温度上昇を測定することによ
り、発振電力を推定する測定法が一般に行なわれており
、現在のところ、大電力の高周波電力を測定する方法と
して、他のよい方法がない。

この方法では水の局所的な沸騰が生じると′電力の正確
な測定かできなくなるので、おり騰をさげるために水負
荷に流す水の流量を多くしなければならない。したがっ
て水負荷への入力エネルギが小さいと、水の温度上昇も
小さくなり、測定精度が悪くなる。定常運転の場合はそ
ｆ′Ｌはど問題にならないが、パルス運転の場合は平均
電力が小さくなるので、水の温度上昇が小さくなり測定
が難しくなる。このため正確な発振胃周波電力會測定す
るたのには、発振パルスの繰り返し率を大きくして、平
均電力が大きくなるようにしなければならない。

プラズマを加熱する場合には、１パルスのパルス中（発
振時間巾）は４０〜ｌＱＱｍｓ程度と長くなければなら
ないが、運転そのものは５〜１０分に１回程度なので、
繰り返し率は小烙くてよい。

一方１’電力測定の場合は、１パルスのパルス中は０１
〜１ｍｓ程度と短かくてもよいが、パルスｏｈり返し率
を大きくして平均電力音大きくするとともに、水負荷を
流量る水の温度上昇が一定値に達する捷で、数十秒から
数分＋Ｖ＋パルス発振を持続させなければならない。

以上寸とめると、ジャイロトロン用高電圧パルス′ｉｌ
ｊ、源に必要な主な性能は、出力電圧安定度を０．２チ
程度にすることと、パルス出力電圧の繰り返し率を大き
くすることである。／ヤイロトロン自体のパルス繰！７
返し率の限界は５チ程農なので、電蝕の繰り返し率もこ
の程度にすることが望ましい。今、ジャイロトロンの出
力’１２（ＩＯＫＷ、繰り返し率を５％とすると平均電
力は１０ＫＶｖとなる。この場合、水負荷に流す水の流
量を１０ｔ１５＋程度にすると、水の温度上昇は１０′
ｃ程度になり、十分良い精度で水温を測定できる。すな
わち、発去篭力を正確に測定できることになる。

以上述べたような性能を満足きせるために、従来第１図
に示すような電源が多、く用いられて＠た。

第１図において、コンデンサ４はコンデンサ充電用直流
電源１にエリ、光′東時定数調整用抵抗２と充電スィッ
チ３全通して高電圧に尤°市される。電圧制御用真空管
５はコンデンサとジャイロトロンなとの負荷７との間に
直列に接続畑れ、負荷への出力電圧を制仰する。出力血
圧は分圧抵抗６により測定され、制御回路８全通して、
制（財）用真窒管のグリッド電圧に負帰還され、−笈１
１αに制針される。負荷がジャイロトロンの場合、ジャ
イロトロンの代表的な動作電圧・電流値・パルス中は８
０Ｉ（〜ｌ、８Ａ、４０〜１００ｎ］Ｓ　でアル。（ｍ
（７）場合は、コンデンサは一１００ＫＶ程度まで＠充
電源１にまり光電され、充電完了後充電スイッチが切ら
れる。充電中は制御用真空管はカットオフ状態に妊れて
お９、負荷に電圧は印加さｎない。ジャイロトロンを発
振させるためには、充電後、制御用真空管のグリッド電
圧を調整することにより、真空管を碑辿状態にして、負
荷に電圧を電力０′する。

負荷に電圧が印加され、電流が流れると、コンデンサに
蓄積された電荷が減少し、その結果、コンデンサの端子
間電圧は減少してくる。負荷には一定値の電圧全供給し
なげｆｉばならないから、コンデンサの電圧の減少分だ
け、制御用真空管の陰極−陽惨間の電圧が減少するよう
に真空管のグリッド電圧を調整しなけれはならない。す
なわち、コンデンサが当初−１００ＫＶに充電されてい
るとすると、ジャイロトロンの発掘開始時には制御用真
空管の陰極−陽極間には充電電圧−１００ＫＶとジャイ
ロトロンの動作電圧−８０ＫＶＯ差、２０ＫＶが印加さ
れている。発振が継続するにつれて、コンデンサの電圧
は低下してくるので、出力電圧安定度 圧も低下し、この電圧が０■、すなわち、コンデンサの
端子間電圧が８０ＫＶになる才で、ジャイロトロン全動
作させることができる。したがってジャイロトロンの動
作時間、すなわち必要な発振パルス中によりコンデンサ
容量が＠甘る。パルス中に４０ｍ５　とすると、ジャイ
ロトロンに供給畑れる電荷量は４０　ｍｓ　Ｘ　８Ａ＝
　０．３２クーロンとなる。したがってコンデンサ容量
は、０．３２クーロン÷２０ＫＶ二１６μＦが最低必要
である。

第１図に示した電源のように、コンデンサ容量用する理
由は、パルス的に大電力（６１１述の場合では８ＡＸ８
０ＫＶ＝６４０ＫＷ）ｋｉ用を源カラ取ると、商用電源
の周波数変動、電圧変動を生じ好１しくないからである
。また商用電源を１史用し、外部に影響をおよぼさない
ようにするためには受電容量を大きくしなければならな
いため、？＞置が尚１＋ＩＩｉになる。繰り返し率が小
さい場合には第１図に示したコンデンサを使用する方が
、はるかに安価になる。

ジャイロトロンの発振パルスの繰り返し率が５分に１パ
ルス程厩と小さけれは、その平均電力は数臣Ｗときわめ
て小さくなるため、第１図に示したコンデンサ充電用直
流電源の容量も小さくてよい。最初に述べたように発振
電力を正確に測定するために、繰り返し率を５チ程度と
大きくすると平均電力は、６４０ＫＷＸ０．０５＝３２
ＫＷと大きくなる。発振電力測定の場合は、短パルス巾
、＾繰り返し率動作になるので、第１図に示した電源の
場合、制御用真空管の出力電圧制＠ｊ動作に同期させて
、光電用スイッチを開閉しないで、常に閉の状態で動作
させる。すなわちコンデンサの光電と放電が同時に行な
われていることになる。第１図に示した電源は、コンデ
ンサとその充電器、すなわち電荷を供給する部分と、制
御用真空管、分圧抵抗なとの電圧を制（財）する部分と
が、わかれた構成になっているため、高繰り返し率で動
作させるためには、光電器の容量を大きくするたけでよ
いという長所を持っている。一方制［有］用真空管は高
電圧に浮いた状態で使用さ扛る。このため出力電圧全制
御するための制御回路を高電圧に浮かし、分圧抵抗によ
る出力電圧信号や発振開始・終了など各種の制側信号も
全て、尚電圧に対して、光信号全便９などして絶縁しな
ければならない。

このため制舞回路が複雑になり、真空管の鉤針特性を悪
化させる恐れがあるとともに、製作費が高くなるという
欠点を持っている。この欠点を克服するために、第２図
に示すような？ｉ４成を描つ電源が考えられた。第２図
において、制御用真空管５の陰極は接地され、コンデン
サ４は制御用真空管の陶体と負荷の間に直列に接続され
る。すなわちこの構成では第１図に示した電源と逆に、
制御用真空管が接地側にコンデンサが晶蛋圧に浮かさ九
で使用される。この′低源では、コンデンサは光電用直
流電源１により、充電抵抗２と分圧抵抗６あるいは接地
スィッチ９全通して充電器れる。充電完了後、充電スイ
ッチ３と接地スィッチ９を−にし、ｔｌｉｌｌ　砥用真
空管を導通状態にすると、負荷７に市、圧が印加され、
電流が流れる。′電流が流量るとともにコンデンサの端
子間電圧が低下するので、開側１用真空管のグリッド電
圧を制御し、陰極−陽惨聞電圧を調節して負荷に印加き
れる電圧を一定に１ｌｊｌｌ　ｌＢ１１する機能は、第
１図に示した電源と同じである。第２図に示した電源で
は、コンデンサを±１００ＫＶに充電した時、発振前は
真空管５の陽恰′也圧が＋１００Ｉ（Ｖになっている。

負荷に電圧全印加した後は、コンデンサの負荷側の電位
がＨ［定の電圧（ジャイロトロンの場合は一８０ＫＶ）
に制御さ九、真空管の陽極側の電位はコンデンサの端子
間電圧と出力電圧の差の電圧になり、時間と共に低下し
ていく。

第２図に示した電源では、制御用真空管が陰極接地で使
用される。真空管の制亜グリッドの電位は陰極に対して
故山Ｖなので、第１図に示した電源と異なり真を管のグ
リッド電圧制菌回路８は接地電位で使用できる。また分
圧抵抗からの出力電圧信号や各柚制御信号も接地電位で
使用できるので、第１図に示した電源のように、光イー
＝号などによる高電圧に対する絶縁をする必要がない。

このため制御回路も簡単になり、出力電圧の開開ｊ％性
が向上するとともに、回路製作費も安価になるという長
所金持っている。一方第２図から明らかなように、コン
デンサが高電圧９１１１に浮かされているため、コンデ
ンサに充電する時、充電電流を分圧抵抗６か接地スィッ
チ９全通して流されねばならない。接地スイツナ音１史
用しない場合、出力パルスの繰り返し率が小さい場合は
、コンデンサの充電に必袂な平均電力が小さくてよいの
で、分圧抵抗を流ｎる電流も小さく問題ｒ／′ｉなく、
分圧抵抗全通してコンデンサを光電することができる。

１だ接地スイッチを使用する場合も、繰り返し率が小さ
い時は、充電中は閉にし、負荷に電圧全印加する時には
、制御用真空管と同期して、開にするという動作をする
ことができるので、接地スイッチを通してコンデンサを
光′亀１−るという方法は何ら問題がない。しかしパル
ス出力′電圧の繰り返し率が大きくなると問題が生じる
。第１図の電源の説明で述べた例のように、負荷として
ジャイロトロンケ使用し、繰り返し率を５係とすると、
その平均゛電力は３２　ＫＷになる。したがって分圧抵
抗を通してコンデンサを光電する方式では、分圧抵抗の
谷′Ｍ：ｔきわめて大さいものにする必要があり、高価
になるとともに、分圧抵抗での光′市電流による電圧降
下が大きくなり、コンデンサの充電が効果的に行なえ希
くなる可能性が大きく、実際的でない。一方接地スイッ
チ？設けて、接地スイッチを通して充電する方式では、
このような問題は生じないが、前述したような短パルス
巾、高繰り返し率動作を行なおうとすると、充電時とパ
ルス電圧出力時とで接地スイッチを高速で開閉しなけ九
ばならない。パルス巾が１ｍｓ以下の場合には機械的ス
イッチでは難しく、シリコン制帥整流素子なとの半導体
スイッチを使用する必要がある。しかしｌ：１ＯＫＶ〜
１００ＫＶの尚電圧に耐え得るようにするためには、い
くつかの半導体スイッチを直列に接続して使用しなけれ
はならす、その開閉側副が難しくなるとともに、高価に
なる。

以上述べたように第２図に示した電源では、制岬用真空
管？陰極接地で使用するため、真空管のグリッド電圧制
御［四路を接地電位で吠用できるとともに、分圧抵抗で
測定される出力電圧信号や電圧出力の開始・停止信号な
どの各種制菌信号を光信号などで高電圧に対して絶縁す
る必要がなく、接地電位で使用できるため、１ＵＩＪ師
特性が同上すると同時に、制呻回路の製作費が安価にな
るという長所を持っている。−万繰り返し率を旨くして
使用する場合には、分圧抵抗の容量を太きくしなげ九ば
ならない上に、条件によっては光電電流による分圧抵抗
での電圧降下が大きくなり、効果的な光取が行なえなく
なる可能性がある。また接地スイッチを設けて、これを
通して光電する場合でも、光電時と負荷へ電圧を印加す
る時とで、接地スイッチを高速で開閉しなけれはならな
いため、接地スイッチの鉤針が難しくなると同時に、市
価なものになる。このため第２図に示した’Ｎ；、　（
原では、高繰り返し率の動作が難しいという欠点がある
。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、制御用真空管による出力電圧の制画特
性を損なうことなく、短パルス巾、高繰り返し率で動作
する電源を提供するにある。

〔発明の概要〕

不発明は、第２図に示した電源において、コンデンサ光
電時と負荷への電圧印加時で、コンデンサの負荷側の端
子の電位が接地電位に対して逆極性の電位になることに
着目し、負荷の両端に負荷と並列にダイオードを挿入し
て、光電時はダイオードに光電電流が流れ、負荷べの電
圧印加時にはダイオードには負荷電流が流九ないように
したものである。

〔発明の実施例〕

以下本発明を実施例に従がって説明する。第３図に本発
明の実施例を示す。第３図においてダイオード１０が負
荷の両端に、ダイオードの負極側が接地側Ｉになるよう
に接続さ扛ている。その他の回路（１４或は第２図に示
した電源と同じである。このようにした場合、コンデン
サ？光電する時は、光電電流は第３図に点線の矢印で示
したようにダイオードを通って流れる。一方充電後、負
荷に電圧を印加する時、ダイオードの両端に印加される
電圧の極性が、充電時と逆になるためダイオードに負荷
電流は流れず、第３図に実線の矢印で示したように流れ
る。この場合、充電電流は分圧抵抗を流れないので、分
圧抵抗の容量は小さいものでよい。また第２図に示した
電源で使用されたような接地スイッチが不要である。い
いかえるとダイオードは自動的に動作する接地スイッチ
として機能している。前述した／ヤイロトロンケ負荷と
して使用する場合、高繰り返し率動作の場合でも、光電
電流は０．１　Ａ〜Ｉ八程へである。この程度の電流容
量：　ｋ待つダイオードは安価に手に入れることができ
る。捷た１００ＫＶ程度の高電圧で使用するためには、
いくつかのダイオードケ直列に接続して１デ用する必要
−があるが、ノリコン制師整流素子の場合のように外部
信号で、開閉動作を行なわせるものではないので、直列
に多数接続しても、電位関係によ！７電流を流したり、
流はなくしたりする機能は何ら影響を受けない。

第１図の電源の説明で述べたような、短パルス巾、高繰
り返し率動作の場合、光電スイッチは閉の１１で使用す
る。この場合負荷への電圧印加時は制御用真空管は導通
状態なので、充電用電源から真空管を通って′電流が流
れる。こ−：ｎは望寸しいことではないが、短パルス巾
運転の場合、真空管が導通状態にある時間は０．１ｒｎ
ｓ〜１　ｍ　ｓの短かい時ＩＭＩなので、光電抵抗２の
所に限流リアクトルなとを挿入すれば、真空管に流れる
電流を無視できるほど小さい値にすることができる。一
方コンデンサを光電する時間は、繰り返し率が５係程廐
なので２ｍｓ〜２０ｍ５と長く、限流リアクトルの値を
適当に選べば、充電には影響を与えないようにすること
ができるので問題はない。長パルス巾、低繰り返し率で
動作させる場合は、充電スイッチ全開閉する時間が十分
あるので、充電後充電スイッチを開にして、負荷に電圧
を印加丁ｆ”Ｌばよい。

以上述べたように本発明の一実施例によ九ば、開開１用
九空管の開側ｊ特性を損なうことなく、高繰り返し率の
動作を行なわせることができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、制菌用真空管を接地電位で使用するの
で、出力電圧開面ｊ特性を良好に保ち、かつ側倒回路の
製作費か安１ｉ１１ｉな回路構成で、負荷の両端に並列
に接続したダイオードを通して、コンデンサに充電でき
るので、高繰り返し率の動作が行なえるという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来用いられてきた電源の回路図、第２図は従
来用いられてきた別の回路構成を持つ電源の回路図、第
３図は不発明の一実施例を示す回路図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ■、直流と電源と、この電流に並列に接続され、陰極が
   接地きれた電圧側両用真空管と、この真空管の陽極と負
   荷との間に直列に接続さｆ′したコンデンサからなる高
   電圧パルス電流において、負荷と並列に、負極側が接地
   されるようにダイオードを取り付けたことを特徴とする
   高電圧パルス電源。