(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２分割され、その発生磁場が同方向に重なり合うように配置された負荷コイル（２０、２１）と、該負荷コイル（２０、２１）に各々並列接続された第２、第３同軸ケーブル（１０、１３）と、上記第２、第３同軸ケーブルのそれぞれ中心導体（８、１１）の一端に接続された整合抵抗器（１４、１７）と補償用コンデンサ（１５、１８）とを並列接続してなる整合素子（１６、１９）と、高速スイッチ（７）を介して直流充電された第１同軸ケーブル（６）とからなるパルス磁場発生装置において、
負荷コイル（２０、２１）の一端を各々、整合素子（１６、１９）に接続し、他端を各々第３、第２同軸ケーブルの外部導体（１２、９）に接続し、
前記第２、第３同軸ケーブル（１０、１３）が前記第１同軸ケーブル（６）の略２倍の特性インピーダンスを有し、
直流充電された第１同軸ケーブル（６）の電荷を高速スイッチ（７）を介し第２、第３同軸ケーブル（１０、１３）に急放電することを特徴とするパルス磁場発生装置。
【請求項２】
上記第１同軸ケーブル（６）を該同軸ケーブル（６）と、該同軸ケーブル（６）に並列接続する第４同軸ケーブル（６’）とに分割して接続し、直流充電された並列第１、第４同軸ケーブル（６、６’）をそれぞれ高速スイッチ（７、７’）を介し第２、第３同軸ケーブル（１０、１３）に接続し、第１、第２、第３、第４同軸ケーブルが略同じ大きさの特性インピーダンスを有することを特徴とする請求項１のパルス磁場発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インダクタンスが数１００ｎＨの１ターンコイルに数ｋＡのパルス電流を流し、立上がり時間が数１０ｎｓ以下で、パルス幅が数１０ｎｓ〜数１００ｎｓの急峻な方形波パルス磁場を発生し、高速に加速された電子やイオンの軌道を選択的に偏向させるパルス磁場発生装置の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の急峻な方形波パルス磁場の発生装置を図４に示す。この図４で、２２はパルス磁場発生用コイル、１４は整合抵抗器、１５は補償用コンデンサ、１０は第２同軸ケーブル、７は高速スイッチ、６は第１同軸ケーブル、３は直流高圧電源１と電流抑制抵抗器２とからなる充電器で、整合抵抗器１４と補償用コンデンサ１５は並列接続で整合素子１６を構成している。直流高圧電源１と電流抑制抵抗器２とからなる充電器３から前記第１同軸ケ−ブル（以下、パルス成形ラインという）の中心導体４と外部導体５との間に直流充電し、サイラトロン、イグナイトロン、電子管、半導体の組合せ等により構成される前記高速スイッチを介して前記第２同軸ケ−ブル（以下、パルス伝送ラインという）へ急放電を行うと、前記パルス成形ラインに蓄えられた電荷は前記パルス成形ラインの長さで定まる時間のパルス電流となって前記パルス伝送ラインに放出され、前記パルス伝送ラインを伝送して来たパルス電流は前記整合素子を介して負荷であるパルス磁場発生用コイル２２に通電され、急峻な方形波パルス電流Ｉが流れ、前記パルス磁場発生用コイル内には電流に比例したパルス磁場を発生させることは周知である。
【０００３】
パルス成形ライン６からパルス伝送ライン１０に放出されるパルス電流は、次のように表される。
【０００４】
【数１】
0003801750.tif 000002
【０００５】
【数２】
0003801750.tif 000003
【０００６】
一般にパルス成形、パルス伝送両ライン６、１０間並びにパルス伝送ライン１０と整合素子１６との間でのパルスの反射を抑え、ノイズのない整った形のパルス波形を得るためには両ラインの特性インピ−ダンスＺ1 、Ｚ2 並びに整合抵抗値Ｒは等しく整合され（Ｚ1 ＝Ｚ2 ＝Ｒ）、パルス伝送ライン１０へ放出し、伝送されるパルス波形は電流ＩP ＝Ｅ／（２・Ｚ）（Ａ）、電圧ＶP ＝Ｅ／２（Ｖ）となり、パルス幅は（２）式で定まるパルスである。
【０００７】
さらに、パルスはパルス伝送ライン１０の終端側に伝送されてきて、整合素子１６を介してパルス磁場発生用コイル２２にパルス電流Ｉとして流れ、パルスのエネルギーは整合素子１６の整合抵抗器１４にて消費される。そのパルス電流Ｉの立上がり時定数τは、次のように表されることは周知である。
【０００８】
【数３】
0003801750.tif 000004
【０００９】
（１）、（３）式より、充電電圧をＥとすると、Ｅ＝Ｌ・ＩＰ ／τとなり、立上がり時定数τに反比例して必要な充電電圧は増加する。
ここで、Ｌ＝０．５μＨのパルス磁場発生用コイル２２に、立上がり時定数τ＝１０ｎｓ、尖頭電流ＩP ＝２ｋＡのパルス電流を流そうとすると、同軸ケ−ブルの特性インピ−ダンスＺは（３）式より  Ｚ＝Ｌ／２τ＝２５Ω  となり、パルス成形ライン６への充電電圧Ｅは（１）式よりＥ＝２・Ｚ・ＩP ＝１００ｋＶとなり、さらに高速で立上げようとすれば充電電圧は更に高くなり、装置を構成する全ての要素が高圧となり、絶縁性の面から取り扱える充電電圧ではパルスの立上がり峻度も大幅に制約され、機器の大型化が避けられず、コストも高価になる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記した従来の欠陥を補正して、同じ充電電圧で２倍の立上がり峻度（立上がり時間が１／２）のパルスを発生させるパルス磁場発生装置を提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するため、パルス磁場発生用の１タ−ンコイルを２分割し、２つの同軸形パルス伝送ラインで供給されてきたパルス電流を、それぞれ整合素子を介して、２分割されたコイルに通電して、それぞれのコイルの一端に給電し、他端を各々のパルスが伝送されてきた同軸形パルス伝送ラインの相手方の外部導体に返し、充電電圧を上げずにパルスの立上がり時間を改善するものである。
【００１２】
即ち、２分割され、その発生磁場が同方向に重なり合うように配置された負荷コイル２０、２１と、該負荷コイル２０、２１に各々並列接続された第２、第３同軸ケーブル１０、１３と、上記第２、第３同軸ケーブルのそれぞれ中心導体８、１１の一端に接続された整合抵抗器１４、１７と補償用コンデンサ１５、１８とを並列接続してなる整合素子１６、１９と、高速スイッチ７を介して直流充電された第１同軸ケーブル６とからなるパルス磁場発生装置において、
負荷コイル２０、２１の一端を各々、整合素子１６、１９に接続し、他端を各々第３、第２同軸ケーブルの外部導体１２、９に接続し、
前記第２、第３同軸ケーブル１０、１３が前記第１同軸ケーブル６の略２倍の特性インピーダンスを有し、
直流充電された第１同軸ケーブル６の電荷を高速スイッチ７を介し第２、第３同軸ケーブル１０、１３に急放電することを特徴とするパルス磁場発生装置である。
【００１３】
さらに、上記第１同軸ケーブル６を該同軸ケーブル６と、該同軸ケーブル６に並列接続する第４同軸ケーブル６’とに分割して接続し、直流充電された並列第１、第４同軸ケーブル６、６’をそれぞれ高速スイッチ７、７’を介し第２、第３同軸ケーブル１０、１３に接続し、第１、第２、第３、第４同軸ケーブルが略同じ大きさの特性インピーダンスを有することを特徴とするパルス磁場発生装置である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
上記のように本発明は、負荷コイルをその発生磁場が同方向に重なり合うように２分割配置し、同一電圧のパルス源から各々の分割コイルに通電することは、電圧が２倍のパルス源から供給した場合と等価になり、必要な取扱電圧を半減することができるものである。
【００１５】
【実施例１】
図１に示す本発明のパルス磁場発生装置の一実施例について説明する。直流高圧電源１と電流制御抵抗２とからなる充電器３から第１同軸ケ−ブル６（以下、パルス成形ラインという）の中心導体４と外部導体５との間に直流充電し、サイラトロン、イグナイトロン、電子管、半導体の組合せ等により構成される高速スイッチ７を介して併設した第２、第３同軸ケ−ブル１０、１３へ急放電すると、前記パルス成形ラインの電荷は前記第２、第３同軸ケ−ブルへ分流してパルス伝送されて行くことは、先に説明した図４の場合と同じであるが、同軸ケーブルと整合素子とを並列接続している点が異なる。
【００１６】
一般的に、整った方形のパルスを得るため第２、第３同軸ケ−ブル（以下、パルス伝送ラインという）にはパルス成形ラインの略２倍の特性インピ−ダンスを有する同軸ケ−ブルを使用して、パルス成形ラインと２並列のパルス伝送ラインの特性インピ−ダンスを等しくなるよう整合する。特性インピ−ダンスは同軸ケ−ブルの並列使用により適宜調整することができ、パルス成形ラインにパルス伝送ラインと同じ同軸ケ−ブルを２本並列使用しても同じ結果が得られる。
【００１７】
ここで、便宜上パルス伝送ラインの特性インピ−ダンスをＺ（Ω）、パルス成形ラインの特性インピ−ダンスをＺ／２（Ω）、パルス成形ラインへの充電電圧をＥ（Ｖ）とすると、各パルス伝送ラインを伝送するパルスの電圧、電流は次式となり、パルス幅は（３）式と同じで、パルス成形ラインの往復パルス伝播時間に相当する。
【００１８】
【数４】
0003801750.tif 000005
【００１９】
【数５】
0003801750.tif 000006
【００２０】
第２同軸ケ−ブル１０の終端中心導体８は整合抵抗器１４と補償用コンデンサ１５を並列接続した整合素子１６を通じて２分割された負荷コイル２０に接続され、さらに前記負荷コイルの他端は第３同軸ケ−ブル１３の終端外部導体１２へと接続されている。
【００２１】
一方、第３同軸ケ−ブル１３の終端中心導体１１は整合抵抗器１７と補償用コンデンサ１８が並列接続された整合素子１９を通じて２分割された負荷コイル２１に接続され、さらに前記負荷コイルの他端は第２同軸ケーブル１０の終端外部導体９へと接続されている。
【００２２】
図３は、このような回路状態で両パルス伝送ライン１０、１３にパルス電流が伝送されて出力されるところを説明するため示したもので、理解し易いよう２本の伝送ラインの終端部を左右反転して示すが、図１と変りなく全ての記号も同じである。ただ、両伝送ラインを伝送してくるパルスの状態を理解し易いよう伝送ラインに並行して表し、そのパルス幅、パルス電圧並びに電流は先に式（３）、（４）、（５）で示したものに相当する。また両伝送ラインの内外導体を流れる電流の方向を矢印で表し、便宜上パルス伝送ライン１３を伝送されてくる電流は破線矢印で示している。
【００２３】
また、図３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）はパルスの伝送されてくる状態を順次時間差を付けて表しており、図３（Ａ）はパルスがパルス伝送ライン１０、１３内を伝送中であることを示し、同軸ケ−ブルの中心導体８、１１を流れる電流Ｉ1 、Ｉ2 はパルスの進行と同期して外部導体９、１２をリタ−ンしており、同軸ケ−ブル１０、１３の内外導体を流れる電流は等しく、パルス伝送ラインの終端Ａ、Ｂから、電流の流出は行われていない。
【００２４】
図３（Ｂ）はパルス伝送ラインの終端Ａ、Ｂにパルスが到達した瞬間を示し、この直後に中心導体８、１１を流れる電流Ｉ1 、Ｉ2 はパルス伝送ライン１０、１３外に流出し、パルス伝送ライン１０の終端Ａでは中心導体８から電流Ｉ1 が流出し、整合素子１６を経て負荷コイル２０を流れ、パルス伝送ライン１３の外部導体１２へ至る。一方同時刻に、パルス伝送ライン１３の終端Ｂにもパルスが到達しており、前記パルス伝送ラインの中心導体１１から出る電流Ｉ2 は整合素子１９を経て負荷コイル２１を流れ、パルス伝送ライン１０の外部導体９へ流れる。これら両ラインの中心導体８、１１を出た電流路には電流の時間が遅延する要素は無く、パルス伝送ライン１０の中心導体８を電流Ｉ1 が流出すると同時にパルス伝送ライン１３から流出した電流Ｉ2 がパルス伝送ライン１０の外部導体９に流入し、両ラインの流出電流Ｉ1 とＩ2 が等しい時、パルス伝送ライン１０の終端Ａでは中心導体８と外部導体９とを流れる電流は方向が反転した同じ電流値であり、パルスが終端Ａに到達した瞬間と同じ状態が維持されることになる。同様にして、パルス伝送ライン１３の終端Ｂにおいても、中心導体１１から流出する電流Ｉ2と、パルス伝送ライン１０の終端Ａを中心導体８から流出して整合素子１６を経て負荷コイル２０を通過し、外部導体１２に流入するパルス伝送ライン終端Ｂでの電流Ｉ1 とは等しく、パルスが終端Ｂに到達した瞬間と同じ状態が維持される。
【００２５】
図３（Ｃ）はパルス伝送ライン１０、１３からパルス電流が流出して、負荷コイル２０、２１に通電している状態を表している。
この状態を理解するため、図３（Ｄ）に両伝送ラインの終端Ａ、Ｂの外部導体間に仮想配線を考え、破線ＣＤで示す。夫々のパルス伝送ラインの中心導体８、１１から流出した電流は整合素子１６、１９と負荷コイル２０、２１とを通り、前記仮想配線を矢印方向の電流路に沿い、夫々のパルス伝送ラインの外部導体９、１２にリターンすることができると仮定すると、前記仮想配線に流れる電流は両伝送ラインから流出する電流の方向が逆で、両電流値が等しいため相殺されゼロ電流となり、仮想配線が実存した場合と等価と考えられる。
【００２６】
図３（Ｄ）から明らかなように、仮想配線ＣＤで２分して夫々のパルス伝送ライン１０、１３から整合素子１６、１９を経由して分割コイルを励磁している状態と同じである。このことは一つのパルス源から２本の伝送ラインに分流し、２分割された負荷コイル２０、２１に夫々独立に通電したことと等価であって、各負荷コイルを流れるパルス電流は、（５）式で表され、その立上がり時定数τa は、図３及び（３）式で示される従来方式のコイルインダクタンスＬがＬ／２になったのと等しく、次式にて表される。
【００２７】
【数６】
0003801750.tif 000007
【００２８】
即ち、同じ充電電圧で従来品と本発明品とを対比した時、得られるパルス電流は（１）、（５）式より同じで、立上がり時定数は（３）、（６）式より１／２になることを示している。
【００２９】
先に例示した従来品と対比するため、同じ条件下で負荷コイルをその発生磁場が同方向に重なり合うように２分割配置し、立上がり時定数τ＝１０ｎｓ、尖頭電流ＩＰ＝２ｋＡのパルス電流を流すには、パルス伝送ラインの特性インピ−ダンスＺは（６）式より、Ｚ＝Ｌ／４τ＝１２.５Ωとなり、パルス成形ラインへの充電電圧Ｅは、（５）式より、Ｅ＝２・Ｚ・ＩＰ＝５０ｋＶで良く、従来の技術にて記載している前例のＥ＝１００ｋＶと比較して１／２の充電電圧で済むことになる。但し、パルス成形ラインから両伝送ラインに各々規定の電流を流すためパルス成形ラインから放出する電流は、従来品の２倍が必要になり、消費エネルギ−の面では何等得策ではない、しかし、同じ立上がり峻度を得るのに充電電圧が１／２になることは、装置が経済的に製作し得る限界を大きく広げ、実用効果は絶大なものがある。
【００３０】
【実施例２】
図２に示す本発明のパルス磁場発生装置の他の実施例について説明する。
図２は、図１と対比してパルス成形ライン６と高速スイッチ７を２並列接続とし、２つのパルス伝送ライン１０、１３の各々に、独立にパルス放出を行うもので、各々の機能並びに記号は同じである。但し、第１同軸ケーブル６と第４同軸ケーブル６’（以下、パルス成形ラインという）の特性インピ−ダンスはパルス伝送ライン１０、１３の特性インピ−ダンスＺ（Ω）と、ケーブル長は同じ長さに設定している。この状態で両パルス成形ライン６、６’に同じ電圧Ｅに充電され、高速スイッチ７、７’を同時にターンオンすれば、両パルス伝送ライン１０、１３へ放出されるパルス電圧ＥP 、パルス電流ＩP は（４）式、（５）式で表され、実施例１のパルス伝送と電圧、電流とも等価となる。
【００３１】
【発明の効果】
より立上げ時間の急峻なパルス磁場を得るには、より高電圧の設備が必要になり、経済的にも実用面においても限界が生じており、本発明により同じ高電圧で２倍の立上げ峻度が得られ、取扱いが容易な装置の限界を大きく拡大する効果は顕著である。
【００３２】
上記のことから本願発明のパルス磁場発生装置では実用限界とされていたパルス立上げ峻度を略２倍まで拡張するなど工業的、実用的にその価値は極めて大きいものがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明によるパルス磁場発生装置の一実施例を示す回路構成図である。
【図２】図２は、本発明によるパルス磁場発生装置の他の実施例を示す回路構成図である。
【図３】図３は、本発明によるパルス磁場発生装置の動作説明用の展開図である。
【図４】図４は、従来のパルス磁場発生装置の回路構成図である。
【符号の説明】
１：直流高圧電源
２：電流抑制抵抗器
３：充電器
４：第１同軸ケーブルの中心導体
５：第１同軸ケーブルの外部導体
６：第１同軸ケーブル
４’：第４同軸ケーブルの中心導体
５’：第４同軸ケーブルの外部導体
６’：第４同軸ケーブル
７：高速スイッチ
７’：高速スイッチ
８：第２同軸ケーブルの中心導体
９：第２同軸ケーブルの外部導体
１０：第２同軸ケーブル
１１：第３同軸ケーブルの中心導体
１２：第３同軸ケーブルの外部導体
１３：第３同軸ケーブル
１４：整合抵抗器
１５：補償用コンデンサ
１６：整合素子
１７：整合抵抗器
１８：補償用コンデンサ
１９：整合素子
２０：負荷コイル
２１：負荷コイル
２２：パルス磁場発生用コイル
【図１】
0003801750.tif 000008
【図２】
0003801750.tif 000009
【図３】
0003801750.tif 000010
【図４】
0003801750.tif 000011