(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビームを発生させる電子銃部を構成するカソード部及びアノード部と、前記カソード部より発生した電子ビームと相互作用を行って大電力高周波を発振させる空洞共振器を含むボディ部と、相互作用の終了した電子ビームを捕捉するコレクタ部とを有するジャイロトロン装置のための電源において、
前記カソード部と前記ボディ部との間に電圧を印加するための加速電源部と、
前記カソード部と前記コレクタ部との間に電力を印加する電力供給電源と、
前記ボディ部と前記カソード部との間に接続された分圧手段であって、前記加速電源部の電圧を分圧して生成した分圧電圧を前記アノード部に印加する分圧手段と、
前記カソード部と前記加速電源部及び前記電力供給電源の両方のマイナス極との間を電気的に結合する共通ラインに介挿された共通スイッチであって、前記カソード部と前記分圧手段との接続点と前記加速電源部のマイナス極と前記電力供給電源のマイナス極との接続点との間に介挿された共通スイッチと
を備えるジャイロトロン装置用電源。
【請求項２】
前記分圧手段が、電圧安定化手段から成る請求項１記載のジャイロトロン装置用電源。
【請求項３】
前記安定化手段が、直列接続されたツェナーダイオードから成る請求項２記載のジャイロトロン装置用電源。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ジャイロトロン装置を発振させる電源の新しい構成に関する。なお、ジャイロトロン装置は、サイクロトロンメーザ作用を動作原理とする電子管である。ジャイロトロン装置は、主としてミリ波からサブミリ波における大電力高高周波源として核融合研究用プラズマ加熱装置などに利用されている。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、ジャイロトロン装置を発振させるための従来技術の構成を説明したものである。ジャイロトロン装置１０２は、電子ビーム１０４を発生させる電子銃部を構成するカソード部１０６及びアノード部１０８と、カソード部１０６より発生した電子ビーム１０４と相互作用を行って大電力高高周波を発振させる空洞共振器を含むボディ部１１０と、相互作用の終了した電子ビーム１０４を捕捉するコレクタ部１１２とが設けられている真空管である。場合によってはアノード部１０８が構成されていない場合もある。これに対して、ジャイロトロン装置用電源装置１２２は、主に加速電源１２４と電力供給電源１２６から構成されている。加速電源１２４は、安定な加速電界をカソード部１０６とアノード部１０８及びボディ部１１０との間に形成されるよう配慮された直流特別安定化電源である。そして、電力供給電源１２６は、ジャイロトロン装置１０２にビーム電流１０４を流し、発振電力を供給する電源である。ジャイロトロン装置１０２は、通常、図示のようにコレクタ部１１２で接地を取る。なお、参照番号１５０及び１５２は、アノード部１０８に印加される電圧を生成するための分圧用抵抗であり、また参照番号１５４は、当該技術で知られているフリーホイールダイオード付きの限流リアクトルである。
【０００３】
従来は、それぞれの電源１２４及び１２６に加速電源用スイッチ１２８及び電力供給電源用スイッチ１３０を持たせ、それらを同時に開閉することでビーム電流を供給し、安定化された加速電圧をジャイロトロン装置１０２に印加して発振させていた。なお、加速電源１２４は、先の加速電源用スイッチ１２８を内蔵する場合もある。核融合プラズマ加熱装置に使われるジャイロトロン装置２では通常、電力供給電源１２６は、出力電圧を４５ｋＶから６０ｋＶで運転し、ジャイロトロン装置１０２へビーム電流を数Ａから数１０Ａ供給するもので、電力も数ＭＷとなる。それに対し、加速電源１２４の出力電圧は、８０ｋＶ程度と電力供給電源１２６より高い上、電圧安定度±０．５％程度に安定化する必要がある。これは、ジャイロトロンの発振モード境界近傍に高効率運転領域が狭く存在するからである。但し、加速電源１２４は、ジャイロトロン装置１０２に安定な加速電界を形成させるだけでよいので、電力は比較的低いものでよく、せいぜい３０ｋＷである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、先の電圧安定度±０．５％を達成するためには加速電源１２４の出力に比較的大きなフィルタ（図５に図示せず）を必要とする。図６に、従来の加速電源１２４の構成の一例を示す。図６における２Ｈのリアクトル２０２やコンデンサ２０４が上記のフィルタである。ここで、加速電源用スイッチ１２８は、図６のＩＮＶ１からＩＮＶ６までのインバータがその役をなしている。従って、この例では、加速電源１２４は先の加速電源用スイッチ１２８を内蔵する場合で説明している。一方、ジャイロトロンは、真空管内の異常時には１０ジュール程度の許容エネルギーで保護されなければならず、それを達成するためには加速電源用スイッチ１２８及び電力供給電源用スイッチ１３０は１０マイクロ秒以下の高速遮断を実現しなければならない。加速電源１２４として図６の構成を用いない場合、前述のように電圧の高安定度を得るため図５における加速電源１２４と加速電源用スイッチ１２８との間に設けられたフィルタの容量、あるいは加速電源１２４と加速電源用スイッチ１２８の機能を併せ持った高周波のインバータを使った図６の電源ではフィルタの容量は、上記の高速遮断のため減らすことができる構成にしなければならなかった。そして、前者の構成、即ち加速電源１２４と加速電源用スイッチ１２８との間にフィルタを設ける構成では、加速電源用スイッチ１２８はその特別高圧のスイッチが高価であるし、後者の構成、即ち高周波のインバータを使った電源で構成する図６の例も高価になる上に１００Ｈｚ以上の頻度で開閉するジャイロトロン出力変調運転でフラットトップの安定度±０．５％を確保するのは困難である上、先のフィルタが立ち上がり時間や立ち下がり時間を遅くさせ、開閉周波数に限界が生じる欠点があった。
【０００５】
本発明は、上記問題点を克服して、ジャイロトロン装置の発振において電源の出力を変調して行える電源を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、電子ビームを発生させる電子銃部を構成するカソード部及びアノード部と、前記カソード部より発生した電子ビームと相互作用を行って大電力高周波を発振させる空洞共振器を含むボディ部と、相互作用の終了した電子ビームを捕捉するコレクタ部とを有するジャイロトロン装置用の本発明の電源は、前記カソード部と前記ボディ部との間に電圧を印加するための加速電源部と、前記カソード部と前記コレクタ部との間に電力を印加する電力供給電源と、前記ボディ部と前記カソード部との間に接続された分圧手段であって、前記加速電源部の電圧を分圧して生成した分圧電圧を前記アノード部に印加する分圧手段と、前記カソード部と前記加速電源部及び前記電力供給電源の両方のマイナス極との間を電気的に結合する共通ラインに介挿された共通スイッチであって、前記カソード部と前記分圧手段との接続点と前記加速電源部のマイナス極と前記電力供給電源のマイナス極との接続点との間に介挿された共通スイッチとを備えることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。
図１は、本発明のジャイロトロン装置用電源の好適な一実施形態の構成図を示す。図５と同一の参照番号は同一の構成要素を示し、それらの構成要素の説明は繰り返さない。図１に示される電源の構成も加速電源１２４と電力供給電源１２６を持たせるが、これらの電源がカソードコモンになる点に電力供給及び加速電源共通スイッチ（以後「共通スイッチ」と呼ぶ。）１０を持たせ、この共通スイッチ１０を開閉することで先のジャイロトロン保護と多頻度でビーム電流１０４を開閉しジャイロトロン装置１０２の出力電力を変調するためのものである。詳細には、加速電源１２４及び電力供給電源１２６の両方のマイナス極とカソード部１０６との間をフリーホイールダイオード付きリアクトル１５４を介して共通にカソード部１０６に電気的に接続する共通ラインに共通スイッチ１０は介挿される。
【０００８】
この共通スイッチ１０は、電力供給電源１２６の数１０Ａの高電流と加速電源１２４の８０ｋＶ台の高電圧遮断を行わせるためにやや高価となるが、共通スイッチ１０があるために運転前に加速電源１２４を立ち上げておくことができるため、加速電源１２４として、例えば図３に示すような従来からのコッククロフト電源などの直流特別高圧電源を採用することができるなどの面で低価格化が図れる。
【０００９】
アノード電圧を生成するのに前述の従来技術の分圧抵抗１５０及び１５２（図５参照）を用いてもよいが、更に安定化した電圧を得るため、ジャイロトロン装置１０２のボディ−カソード間及びアノード−カソード間に次のような電圧安定化装置を取り付けることが好ましい。これには、例えばツェナーダイオードを直列に接続した図４に示すような電圧安定化装置１２、１４を用いれば電圧を一層安定化させることができる。また、特開平９−２３３８０４のようにツェナーダイオードとトランジスタやＦＥＴなどを組み合わせた構成も考えられる。更に、４極管などで電圧の安定化を図ることも可能である。
【００１０】
そして、共通スイッチ１０には特許第２９２８１５９号公報に記載の高速半導体で構成されるスイッチで構成することもでき、高速に開閉して高周波の変調が可能な電源とすることができる。
なお、図１における抵抗２０は電流計測用、抵抗２２及び２４は電子管保護用である。但し、これらの構成要素は本発明とは関係しないものである。
【００１１】
図２は、図１に示す本発明の好適な実施形態のジャイロトロン装置用電源の詳細な構成を示す回路図である。電力供給電源１２６は、３相交流６．６ｋＶを受電し、一旦１．３ｋＶに降圧し、３相交流ＧＴＯ電力調整装置（ＧＴＯスイッチ）を介して整流器付き昇圧変圧器へ入力する。先の３相交流ＧＴＯ電力調整装置は、この整流器付き変圧器の直流出力電圧を制御している。本例では、この交流電力調整装置にＧＴＯを用いた例を示したが、サイリスタを用いてもよい。また、３相交流から直接整流器付き昇圧器に入力し、直流出力電圧を制御しない場合も用途に応じてあり得る。更に、平滑装置として５Ｈのリアクトルや２０μＦのコンデンサにより出力電圧が平滑される。その出力、即ち電力供給電源１２６の出力は、多数のＩＧＢＴを直列接続した構成の共通スイッチ１０とフリーホイールダイオード付きの１ｍＨの限流リアクトル１５４とを介してジャイロトロン装置１０２のカソード部１０６に入力される。一方、電力供給電源１２６の平滑装置と共通スイッチ１０との中間点は、加速電源１２４のマイナス極に接続され、その加速電源１２４のプラス極は、抵抗２０を介して、図４で説明したようにツェナーダイオードを利用した安定化装置１２及び１４の一方の端部に接続される。従って、電力供給電源１２６の平滑装置で平滑された電圧は、加速電源１２４に入力され、加速電源１２４は、ボディ部１１０及びアノード部１０８への印加電圧のための直流電圧を生成し、その直流電圧を安定化装置１２及び１４に入力する。ツェナーダイオードを利用した安定化装置１２及び１４のそれぞれの出力はそれぞれ抵抗２２及び２４を介してジャイロトロン装置１０２のボディ部１１０及びアノード部１０８へ対応して入力される。
【００１２】
これらの安定化装置１２及び１４によりジャイロトロン装置１０２のカソード部１０６とアノード部１０８及びボディ部１１０との間へ安定な加速電圧が与えられる。更に、加速電源１２４には、図３に示すようなコッククロフト電源を用いて、ジャイロトロン装置１０２を発振運転させる前に電圧を立ち上げておく。こうしておいて、共通スイッチ１０を閉にすることで、ジャイロトロン装置１０２に高速電圧立ち上げを行いながら、しかも安定な加速電圧が加わり、ビーム電流がジャイロトロン装置１０２内に流れて発振を開始する。共通スイッチ１０を開にすると、加速電圧は急激に減少し、ビーム電流が立ち下がり、ジャイロトロン装置１０２の発振をが停止する。これを繰り返すことでジャイロトロン発振運転の高速変調が可能となる。また、ジャイロトロン装置１０２にアーキングなどの異常が生じたり、過電流がが生じた場合は共通スイッチ１０を高速に開にすればジャイロトロン装置１０２の保護が行われる。なお、抵抗２６は、アーキング時に、ジャイロトロンへの注入エネルギを更に低減し、ジャイロトロンを保護するためであるが、本発明とは関係しない。
【００１３】
【発明の効果】
本発明は、カソード部と加速電源部及び電力供給電源の両方のマイナス極との間を電気的に結合する共通ラインに介挿された共通スイッチを設けることにより、この共通スイッチを用いて電力供給電源と加速電源とを同時に開閉することにより負荷であるジャイロトロンを保護し、且つそれぞれの電源電圧を高速に立ち上げ、立ち下げて、ビーム電流を開閉してジャイロトロンの発振電力を高速で変調させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明のジャイロトロン装置用電源の好適な一実施形態の構成図を示す。
【図２】図２は、図１に示す本発明の好適な実施形態のジャイロトロン装置用電源の詳細な構成を示す回路図である。
【図３】図３は、本発明の加速電源に好適に適用し得るコッククロフト電源の例を示す。
【図４】図４は、ジャイロトロン装置１０２のカソード部１０６及びアノード部１０８への印加電圧を安定化させる好適な安定化装置の一例を示す。
【図５】図５は、ジャイロトロン装置を発振させるための従来技術の構成を示す図である。
【図６】図６は、従来の加速電源の構成の一例を示す。
【符号の説明】
１０  共通スイッチ
１２、１４  安定化装置
１０２  ジャイロトロン装置
１２４  加速電源
１２６  電力供給電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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