JPS63229785A

JPS63229785A - 高繰返しパルスレ−ザ電源装置

Info

Publication number: JPS63229785A
Application number: JP6251287A
Authority: JP
Inventors: Toru Tamagawa; 徹玉川; Tsuneji Teranishi; 常治寺西
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-03-19
Filing date: 1987-03-19
Publication date: 1988-09-26

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″分子法によるウラン分＠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
　）ｆａｇｎｅｔｓ　］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
、島田前　野田幸冶　小原実　Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｊｏ
ｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　ｐｈｙｓｉｃｓ　
ｖｏｌ、２４．　Ｎ。

、１１．Ｎｏｖｅｍｂｅｒ、１９８５．ｐｐ、　ＩＬ８
５５〜［８５７”　Ｐｕ１ｓｅｄ　ＣＯ２Ｌａ５ｅｒ　
Ｐｕｍｐｅｄ　ｂｙ　ａｎ　Ａｌｌ　５ｏｌｉｄ−３ｔ
ａｔｅ　ＨａｇｎｅｔｉＣＥＸＣｉｔｅｒ　”　）　、
理論的方法については、明らかにされている。しかし、
実用に値する優れた構造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／μ５ｅｃ）、高繰返し性（２
００〜１ｏｈ　ｐｐｓ）、大電流（〜１０ｋＡ）　、高
電圧（〜１５ＱｋＶ　）　、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１（Ｈｚ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＞　、ジッタ時間く数＋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７図に示す電気回路で
ある。第７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［）１ａｇ
ｎｅｔｉｃ　Ｐｕｔｓ　ｃｏｍｐｕｌ’ｅｓｔｉｏｎ−
ＭＰＣ回路］と呼ばれる電気回路でおる。

■スイッチ回路第７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、］Ｏを常時一定
の電圧に充電しておく。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７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）としてお
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）ＩＺ〜１ｋｌｌ
Ｚ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７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電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あり、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以上とするものでおる
。

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１つにはわずかな
電流が流れ出すが、この電流がある値に遠すると可飽和
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ざくすることにより、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１９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１つの非飽
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粗合せは
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さくし
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の
る放電部２２を通過した電流のパルスの幅を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２０ｍｔｌ、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多くなる。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さくでき
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ｉ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、その鉄心に複数
本の巻線を巻回し、それぞれの巻線の巻回数を可飽和リ
アクトル又はパルストランスに必要とされる巻回数とし
、これら複数本の巻線を並列に接続するように構成した
。

（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、各巻線の巻回数は少なくとも並列
接続された複数本の巻線によって鉄心表面が覆われるこ
とになり、それだけ巻線と鎖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実施例第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
す斜視図であって、図中３０はパルストランスの鉄心で
ある。この鉄心３０には、低圧側巻線３１ａ〜３１ｄと
その外側に重ね合せて巻回されれた高圧側巻線３２とが
巻装されている。このうち、低圧側の巻線３１８〜３１
ｄは、−例として矩形の枠状をした鉄心３０の各辺に、
個々の巻線がそれぞれパルストランスの低圧側巻、線と
して必要な巻回数となるように巻回されている。また、
高圧側巻線３２は、その必要巻回数が、低圧側巻線の必
要巻回数に比べて多いため、一つの巻線を鉄心の各辺に
分けて巻回されている。

また、これら各巻線のうち、低圧側巻線３１ａとその外
側に巻回された高圧側巻線３２の一部とが、第２凹所面
図に示すように、鉄心３０のギャップ３３を覆うように
巻回されている。即ち、鉄心３０には、残留磁気を残さ
ないためにギャップ３３が設けられるが、このギャップ
３３部分で空間に逃げる漏れ磁束が急激に増加すること
から、本実施例では、この部分に巻線３１ａ、３２を巻
回している。

前記のようにして、鉄心３０の各辺に巻回されている複
数本の低圧側巻線３１８〜３１ｄは、第３図の回路図に
示すように並列に接続されている。

一方、高圧側巻線３２は鉄心３０の各辺に巻回された部
分が、直列に接続されている。

上記のような構成を有する第１実施例においては、低圧
側巻線が並列に接続されているので、巻線のインダクタ
ンスが並列になることはもちろん、リーケージインダク
タンスも等傾向には並列となるので、その低減を計るこ
とができる。特に、本実施例では、鉄心３０上に複数本
の並列接続された低圧側巻線３１ａ〜３１ｄが巻回され
ているので、従来のように１本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
巻線と鎖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１／（巻線の並列本数）程度にまで減少
させることが可能となり、それだけパルストランスが低
インダクタンス化される。

また、第１実施例では、漏れ磁束の増大する鉄心３０の
ギャップ３３部分を巻線３１ａ、３２によって覆うよう
にしているので、ギャップ部分の漏れ磁束減少の作用も
優れている。

なあ、この第１実施例では、鉄心３０を矩形状とし、そ
の各辺に低圧側巻線を巻回したため、低圧側巻線の並列
本数は４本となっているが、鉄心の形状や巻線の並列本
数はこれに限定されるものではない。例えば、鉄心形状
としては、６角、８角、円等が採用でき、巻線の並列本
数もそれに応じて６本、８本、その地条数本を適宜採用
できる。

■第２実施例第４図は本発明の第２実施例を示すもので、この実施例
は、前記第１実施例に示したような鉄心３０に複数本の
並列接続された低圧側巻線３１ａ〜３１ｄと高圧側巻線
３２とを重ね合せて巻回した巻線ユニットＵ１．Ｕ２を
複数段積層し、各ユニットＬｈ　、Ｕ２の低圧側巻線を
ざらに並列に接続したものでおる。なお、高圧側巻線３
２に付いては、本実施例では直列接続としたが、必要に
応じて直並列することも可能で必る。

この第２実施例によれば、第１実施例に比較してざらに
巻線の並列本数を増加させることができるので、リーケ
ージインダクタンスのより低減が可能となる。

また、第２実施例において、各ユニット間の低圧側巻線
の接続を鉄心３０の窓内部で行うことにより、巻線間を
接続する導体長さを短縮でき、さらに低インダクタンス
化が可能となる。

■第３実施例第５図は、本発明の高繰返しパルスレーザ電源装置の第
３実施例における可飽和リアクトルの構造を示すもので
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り一ケージインダク
タンスの影響が太きく、所望の値のインダクタンスを得
ることが難しい。

そこで、本実施例の可飽和リアクトルは、鉄心５０上に
、複数本の巻線５１ａ〜５１ｇをそれぞれ可飽和リアク
トルの必要数巻回し、各巻線５１ａ〜５１ＣＪによって
鉄心５０表面を覆うように構成する。各巻線５１ａ〜５
１ｇは電気的には並列接続し、高繰返しパルスレーザ電
源装置の他の回路素子に接続する。また、鉄心５０と各
巻線５１ａ〜５１Ｃ］との間からの漏れ磁束を防止する
ため、巻線の外周から図示しないテープ等を巻付け、鉄
。

心５０に各巻線５１ａ〜５１ｑを密着させるようにする
。

上記のような構成を有する本実施例においては、可飽和
リアクトルの鉄心５０表面が巻線によって覆われ、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Ｎ源装置の設計も容易となる
。

■他の実施例本発明は、上記の実施例の実施例に限定されるものでは
なく、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、複数
本の巻線を並列接続して巻回することができる。また、
複数本の巻線を並列巻回するに当っても、各巻線を鉄心
の周方向に独立して区分して巻回する以外に、第６図に
示すように、複数本の巻線を鉄心表面に沿って並行に配
設した状態で同時に巻回することも可能である。

［発明の効果］以上の通り、本発明によれば、鉄心に複数本の巻線を必
要回数づつ巻回し、これら各巻線を並列接続するという
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部分を示す斜視図、第２図
は第１図の実施例における鉄心のギャップ部分を示す拡
大断面図、第３図は第１図の装置における巻線の接続状
態を示す回路図である。第４図は本発明の第２実施例を
示す斜視図、第５図は本発明の第３実施例を示す斜視図
、第６図は本発明の他の実施例における巻線の巻回構造
を示す部分斜視図でおる。第７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、３１ａ〜３１ｄ・・
・低圧側巻線、３２・・・高圧側巻線、３３・・・ギャ
ップ、Ｕｌ　、Ｕ２・・・パルストランスを構成する巻
線ユニット、５０・・・可飽和リアクトルの鉄心、５１
ａ〜５１ｑ・・・巻線。第３図第　４　図

Claims

【特許請求の範囲】

（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、前記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、その鉄心に複数本の巻線を巻回し、それ
ぞれの巻線の巻回数を可飽和リアクトル又はパルストラ
ンスに必要とされる巻回数とし、これら複数本の巻線を
並列に接続したことを特徴とする高繰返しパルスレーザ
電源装置。
（２）鉄心に巻回される複数本の巻線が、パルストラン
スの低圧側巻線であり、これら複数本の低圧側巻線の外
周にパルストランスの高圧側巻線が重ねて巻回されてい
る特許請求の範囲第１項記載の高繰返しパルスレーザ電
源装置。
（３）鉄心が同一形状の鉄心を複数段重ね合わせてて構
成され、各鉄心にそれぞれ必要巻回数の巻線が巻回され
、且つこれら複数本の巻線が並列に接続されている特許
請求の範囲第１項記載の高繰返しパルスレーザ電源装置
。
（４）鉄心がギャップを有するものであり、巻線がこの
ギャップを覆うように鉄心に巻回されている特許請求の
範囲第１項記載の高繰返しパルスレーザ電源装置。
（５）複数本の巻線が、鉄心の周方向に区分されて、互
いに重なり合うことがないように巻回されている特許請
求の範囲第１項記載の高繰返しパルスレーザ電源装置。
（６）複数本の巻線が、鉄心表面に沿つて並行に配設さ
れた状態で鉄心に巻回されている特許請求の範囲第１項
記載の高繰返しパルスレーザ電源装置。