J. Plasma Fusion Res. Vol.87, No.1 (2011)４
４‐４５

講座

パルスパワー技術入門
Introduction of Pulsed Power Technology

１．はじめに江偉華

長岡技術科学大学極限エネルギー密度工学研究センター（原稿受付：２
０
１
０年１
１月１
６日）

パルスパワー技術は，比較的新しい電気工学分野とし

パルスパワーの発生におけるパワー半導体デバイて，これまでに核融合関連研究で育ち，高出力レーザーやスの重要性とその使い方について説明する．近年急高エネルギー粒子ビームの発生に貢献し，最近材料と環境

速に発展してきたパワー半導体デバイスの中から代などの分野で応用を展開している．

表的なもの（IGBT，MOSFET，Thyristor 等）につ

パルスパワー技術は，基本的に電磁エネルギーの操作にいて解説し，それぞれの駆動方法と多直並列使用の関する学問である．この操作によって，限られたエネル

場合の回路方式について説明する．

ギーを用いて，独特な状態や現象を創り出すことができ，

４．パルスパワー発生回路の設計と実践

ほかの技術で得られない臨界条件に達することができる．

（高木浩一（岩手大），佐久川貴志（熊本大），上野崇寿

このため，パルスパワー技術は，先端科学技術研究の手段（大分高専），秋山雅裕（熊本大））

として重要な地位を占め，今後エネルギー利用の高度化と一家に一台パルスパワー装置を！ を目標に，パともに一般産業にも普及していくと考えられる．

ルスパワー発生回路の設計原理を説明し，簡単な回

本講座は，パルスパワーの発生と応用に関する基礎的知路の設計，組立，動作評価過程について説明する．

識についてわかりやすく解説することを目的としている．

パルス化，昇圧・圧縮，制御に分け，実物写真や実対象読者を初めてパルスパワーのことについて学ぶ学生や測波形も用いてステップバイステップで解説する．

関連分野の初心者と想定しているため，最も基本的な内容

５．パルスパワー技術の応用からスタートし，ステップバイステップで進んでいく．さ（勝木

らに誰でも実践できるような簡単なパルス発生回路例を用（岩手大））

淳（熊本大），浪平隆男（熊本大），高木浩一

いてその作り方について説明し，理解を深める．最後にパ

さまざまな分野におけるパルスパワー技術の応用

ルスパワー技術の応用について最新の開発現状について紹例を紹介する．最近特に注目される環境分野（排ガ介する．

ス処理，廃液処理とオゾン生成），医療分野（細胞操

本講座の構成は次のとおりである．

作，がん治療と滅菌），および生物分野（植物刺激による成長過程の促進や抑制）について，技術概要と１．はじめに（江

偉華（長岡技科大））開発現状をまとめて説明する．

２．パルスパワー技術の歴史とその仕組み（江

６．おわりに（勝木淳（熊本大））偉華（長岡技科大））パルスパワー技術の発展歴史と基本動作原理につ様々な応用をめざして開発されたパルスパワー発生装置

いて解説する．電磁エネルギーの蓄積およびその時は広いパラメーター空間をカバーしているが，すべて同じ

間幅の圧縮と成形について詳しく述べるとともに代基本原理に基づいている．最近，主要素子と関連部品の進表的なスイッチングデバイスについて紹介する．

化によって，小型パルスパワー発生器は比較的作りやすく

３．パワー半導体デバイスの役割（江なってきた．本講座はこの点に留意して説明している．本偉華（長岡技科大），高木浩一（岩手大））

講座を通じて，自分でも小型パルスパワー発生器を作って

1. Introduction
JIANG Weihua

author’s e-mail: jiang@nagaokaut.ac.jp

４４!2011 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion ResearchLecture Note

1. Introduction

W. Jiang

みたいと考えてほしい．そしてこの作る過程を通じてパルのには半導体スイッチがある．パルスパワー発生器の設計

スパワーの考え方についてさらに理解し，動作原理をマス

は，コンポーネンツの許容限界に強く依存し，コンポーネ

ターすることを期待している．

ンツの特徴を最大限に発揮することを常に目標としてい一方，広いパラメーター空間に対応するパルスパワーコ

る．したがって，今後コンポーネンツ関連技術の発展にンポーネンツは大きく変化する．例えば，スイッチングデ

よってパルスパワー発生器の設計手法と出力特性はさらにバイスとして，高電圧・大電流に対応できるものには気体

進化し，より広範囲な応用が可能となることを期待していギャップスイッチがあり，高繰り返し動作に対応できるもる．

４５

J. Plasma Fusion Res. Vol.87, No.1 (2011)４
６‐５０

講座 パルスパワー技術入門

２．パルスパワー技術の歴史とその仕組み
江偉華

長岡技術科学大学極限エネルギー密度工学研究センター（原稿受付：２
０
１
０年１
１月１
６日）

パルスパワーの発生は，エネルギーの蓄積と圧縮によって実現される．本章では，パルスパワー技術の進化
歴史について簡単に触れた後に，その基本的な動作原理を解説する．電磁エネルギーの観点から，容量性と誘導性エネルギーの蓄積方法およびパルス圧縮と成形プロセスについて説明し，制御素子としてのスイッチについて述べる．
Keywords:
pulsed power, electromagnetic energy, high voltage, plasma, discharge, particle beam

２．
１ パルスパワーとは

パルスパワー技術は，２０世紀後半から急速に発展してき一定のエネルギーを短時間に使うことによって，比較的た．今日までに電気工学における重要な分野に成長し，一大きな瞬間出力を得ることができる．これは昔から機械的

般製品から特殊研究装置まで幅広く応用されるようになっエネルギーとして，ハンマーや弓矢などの形で利用されてている．今後，エネルギーの高度利用とともに，パルスパ

きた．

ワーの世界はさらに広がると予想される．

同じ原理に基づき，電磁エネルギーの時間幅を圧縮して

２．
２ パルスパワー技術の進化得られたものをパルスパワーと言う．電磁エネルギーは，ほかのエネルギー形態（機械エネルギーや化学エネルギー

２０世紀前半から，X 線の発生や気体放電のためにコンデなど）に比べて，比較的操作しやすい特徴を持っている．

ンサーの高速放電によるパルスパワーの発生は研究・応用

電磁エネルギーを蓄積し，更にこれを一定の時間幅に圧縮されていた．しかし，本当の意味のパルスパワー技術発展することによって必要な出力パワーレベルに達して放出さは，第２次世界大戦以後のことである．これまでの主な技せる技術をパルスパワー技術（あるはパルス電磁エネル

術的進展を以下のように大きく分けることができる．

ギー技術）という．

■コンデンサー放電

エネルギーは，パワーと時間の積である．同じエネル

いまでも広く採用されている最も簡単，安価な方法としギーでも，時間幅が変われば，パワーも変化する（図１）．

て，充電されたコンデンサーから放電スイッチを経て負荷したがって，時間幅を十分短縮できれば，応用対象に要求へ出力する．複数のコンデンサーからの同時放電で大きなされるパワーに達することができる．一方，エネルギーを

出力電流を得ることができる．初期の大電流 Z ピンチ研究

入手するときにパワーの制限があるため，一定の時間をかは，このように多数のコンデンサーからの並列放電を用いけて必要なエネルギーを蓄積しなければならない．例えていた［１］．

ば，カメラのフラッシュランプを光らせるエネルギー源は一方，動作電圧が非常に高くなると，コンデンサーに対小さいバッテリーである．バッテリーから取り出したエネする単純な直流充電は非現実となる．この場合，並列充電

ルギーを一瞬の間使うことによって，バッテリーの出力をされたコンデンサーを直列で放電する Marx 回路方式が広何桁も上回る光パワーを得ることができる．

く用いられた．
■パルス成形線路の普及
コンデンサーからの直接放電より，一定のインピーダン
スを持つパルス成形線路からの放電のほうが比較的安定な出力を持ち，非常に短いパルス幅を得ることが認識された．このため，蓄積コンデンサーと負荷の間に，中間蓄積素子としてパルス成形線路を用い，さらにその媒質として純水を採用することでエネルギー密度とインピーダンス特図１

性を向上した［２］．

パルスパワーの基本的考え方．

パルス成形線路の導入により，出力パルス幅が短縮さ

2. Brief History and Operation Principle of Pulsed PowerJIANG Weihua

author’s e-mail: jiang@nagaokaut.ac.jp

４６!2011 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion ResearchLecture Note

2. Brief History and Operation Principle of Pulsed PowerW. Jiang

ンダクターである．

れ，ピークパワーを桁的に向上することができた．その後，"Marx 発生器＋パルス成形線路 という技術路線は広く採

コンデンサーに電圧をかけて電荷を持たせると，エネル

用され，世界各地で種々のパルスパワーマシーンが作られギーを与えることになる．コンデンサーの蓄積エネルギーはた．これらの装置は，電子ビームとイオンビームの加速，Z)$ " "!(##

ピンチや X ピンチ，大電力マイクロ波または X 線発生など様々の研究の最前線で長年活躍してきた［３］．

（１）で表され，ここで!と(はそれぞれコンデンサーの静電容■誘導電圧重畳および多モジュール化
構造設計および絶縁防止上の制限により，パルスパワー

量と充電電圧である．実際は，コンデンサー内部において発生装置の単機出力限界値は数 TW 程度とされている．一絶縁された電極間に電界が形成し，この電界がエネルギー方，核融合関連および高エネルギー密度物理関連の研究は保持の担手である．電界のエネルギー密度は更に大きな出力パワーを求めていた．このため，複数装置+% " "!
"##の出力に対する電圧重畳またはパワー合成が行われた．
誘導法を用いた電圧重畳では，複数のパルスパワー発生（２）装置の出力を磁性体コアを用いて誘導的に合成する．こので与えられ，ここで !と "はそれぞれ媒質の誘電率と電界場合，各装置の出力電圧を伝搬電磁波の形で重畳し，比較強度である．これは容量性エネルギーと呼ばれ，エネル

的高い出力電圧パルスを得ることができる［４］．また，こ

ギー密度は電界強度と誘電率に依存する．
コンデンサーの蓄積エネルギーは，主に強電界による絶のような電圧重畳を荷電粒子ビームを加速する形で実現す

縁破壊によって制限される．したがって，絶縁耐圧が高く，ることもできる［５］．

漏れ電流が低いことはエネルギー蓄積に有利である．

パワー合成では，複数装置の出力端を直並列接続するこ

一方，インダクターに電流を流して磁束を持たせると，とによって共通の負荷へ出力する．この方法を用いて，100

エネルギーを与えることになる．インダクターの蓄積エネ

TW を超えるパルスパワー発生装置が建設された［６］．

ルギーは電圧重畳とパワー合成の共通特徴は，パルスパワー発生装置のモジュール化である．これによって，パルスパワー)'" "%$##

発生装置の技術的バリアと製造コストを大幅に下げること
ができた．

（３）

で表され，ここで %と $はそれぞれインダクタンスと電流■小型化と高繰り返し化
１９８０年代後半から，パルスパワー技術の新しい技術動向である．実際は，インダクター内部において導体の周囲にが注目され始めた．これは，半導体スイッチングおよび磁磁界が形成し，この磁界がエネルギー保持の担手である．

気パルス圧縮技術で支えられた全固体，高繰り返しパルス

磁界のエネルギー密度はパワー発生器の開発である．従来の大型パルスパワー発生+& " ""###

装置と技術路線が異なり，安定性，信頼性および寿命が重
要視された
［７］．

（４）

代表的な応用はエキシマレーザー励起用パルス電源であで与えられ，ここで "と #はそれぞれ媒質の透磁率と磁界る［８］．パルス発生技術の革新 は，kHz 級 エ キ シ マレー

強度である．これは誘導性エネルギーと呼ばれ，エネル

ザーの出現とその製品化に対して大きく貢献した．これにギー密度は磁界強度と透磁率に依存する．

よって定着された高繰り返しパルスパワー技術の応用は，インダクターの蓄積エネルギーは，主に強磁界による応その後も材料，環境，医療などの分野へ急速に展開されて力破壊によって制限される．したがって，応力強度が高く，いる［９］．

抵抗率が低いことはエネルギー蓄積に有利である．

これと同時に，半導体パワーデバイスのスイッチング限誘導性エネルギー蓄積は，エネルギー密度限界値が容量

界に挑む技術開発は，加速器用パルス電源の実用化によっ性エネルギーに比べて２桁程度高いと言われているが，導て推進された［１０］．

体のオーム損失によって短時間のエネルギー保持に限定される．また，蓄積エネルギーの放出に開放スイッチが必要

小型化，高繰り返しパルスパワー技術は，今後も研究開発であるため，実際の応用は比較的少ない．

が進められ，産業応用に広く役立つように期待されている．

２．
３．
２ パルスの圧縮と成形
コンデンサーに蓄積された容量性エネルギーは，図２（a）

２．
３ パルスパワーの発生原理
パルスパワーの発生は，エネルギーの蓄積から始まる．

に示すように，スイッチ S を閉じることによって負荷 '必要なエネルギーをコンデンサーやインダクターに蓄積に放出することができる．コンデンサーの初期（*"!）充電電圧が (!の場合，'への出力パワーはし，その後適切なスイッチング制御によって必要な時間幅
圧縮およびパルス成形を行うことはパルスパワー発生器の基本的仕組みである．

&( "

２．
３．
１ エネルギーの蓄積(!#*)+*!! # "
'
'!

（５）

で与えられ，'! に比例する時間定数で減衰する特性を持

典型的な電磁エネルギー蓄積素子は，コンデンサーとイ
４７

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.1 January 2011

パルス成形線路は誘導性エネルギー蓄積素子として使用

つ．したがって，! が一定の場合，%の値が小さいほうがすることもできる．図５（a）のように，長さ )のパルス成形

出力ピークパワーが高く，時間幅が短い．
また，インダクターに蓄積された誘導性エネルギーは，線路の導体に電流を流せば，誘導性エネルギーが蓄積され

図２（b）に示すように，スイッチ &を開くことによって負る．スイッチ &を急に開くと，負荷 %への出力が始まる．

荷 %に放出することができる．インダクターの初期電流がエネルギーが線路に沿って運ばれる情報は転送速度 +で上"!の場合，%への出力パワーは流へ伝わり（図５（b）），終端において反射する．ここで，("%の場合，反射する瞬間までの出力エネルギーはちょ

%*
#
$$ ""
%%'&!!#"!
#

うど初期蓄積エネルギーの半分である．即ち，#
)
!
+の時間

（６）

ですべてのエネルギーは出力される．理論的に出力電流はで与えられ，#!
%に比例する時間定数で減衰する特性を持つ．したがって，#が一定の場合，%の値が大きいほうが出力ピークパワーが高く，時間幅が短い．
一方，分布定数として，静電容量とインダクタンスを両方もつ回路素子がある．図３に示すものはその例である．
これらはパルスパワーの生成に使用される場合，パルス成（a）

形線路と呼ばれる．
パルス成形線路の単位長さあたりの静電容量とインダク
タンスをそれぞれ ! と #とすると，"(" #， +"
#!
##!

（７）

で与えられたものはそれぞれ特性インピーダンスと転送速度と呼ばれる．
図４（a）のように，長さ )のパルス成形線路の導体間に電圧 ' を印加すれば，容量性エネルギーが蓄積される．ス
イッチ &を急に閉じると，負荷 %への出力が始まる．エネ
ルギーが線路に沿って運ばれる情報は転送速度 +で上流へ
伝 わ り（図４（b）），終 端 に お い て 反 射 す る．こ こ で，（b）("%の場合，反射する瞬間までの出力エネルギーはちょ

図４ （a）
パルス成形線路の容量性エネルギーを抵抗負荷へ出力する回路，および（b）
出力過程を示す概念図．

うど初期蓄積エネルギーの半分である．即ち，#)!
+の時間ですべてのエネルギーは出力される．理論的に出力電圧は'!!
#と一定である．

（a）

（a）

（b）

図２ （a）
容量性エネルギーと（b）
誘導性エネルギーを抵抗負荷へ出力する理想的な回路．

（b）

図３

図５ （a）
パルス成形線路の誘導性エネルギーを抵抗負荷へ出力する回路，および（b）
出力過程を示す概念図．

典型的なパルス成形線路．

４８

Lecture Note

2. Brief History and Operation Principle of Pulsed PowerW. Jiang#"と一定である．
!!
パルス成形線路の特徴は出力の時間幅が短く，出力パワーが比較的安定（式（５）と（６）のような指数減衰ではないこと）である．一方，これらの特性を得るために，イン
ピーダンス整合（即ち (!%）の条件を満たす必要がある．
この観点で見れば，単純なコンデンサーと単純なインダク
ターをそれぞれ ("%と (#%のパルス成形線路と考えることができる．

（a）２．
３．
３ 典型的なスイッチング素子
ここまでの話では，スイッチを理想的なものと考えていた．即ち，任意の指定時刻において完全な導通状態と完全な絶縁状態間の瞬時切り替えができ，ほかの要素（"，$，%など）を一切持たないものである．
実際のものは当然違う．どのスイッチでも，オフ状態では漏れ電流があり，オン状態では導通抵抗がある．また，浮遊容量とインダクタンスは必ず存在する．これらの値は（b）

通常非常に小さいが，高電圧と大電流の場合無視できない

図６ （a）
自爆型と（b）
外部トリガー型ギャップスイッチの例．

ときがある．
（a）ギャップスイッチ
昔から広く使用されてきたものは，ギャップスイッチである．気体（あるいは液体）における急速な絶縁破壊を利用して，絶縁状態から導通状態へのスイッチングを行う．
図６（a）に示すように，電極間に気体を充填し，一定の電圧まで絶縁状態を保つことができる．一方，絶縁破壊電圧を超えると，気体中に放電チャンネルが形成して電極間を短絡する．このような放電チャンネルの電気抵抗は低く，電図７ （a）
磁性体の磁気特性および（b）
磁気スイッチの模式図．

流容量が大きいので，スイッチのオン状態として利用される．例えば，図２（a）の回路において，ギャップスイッチを使用した場合，絶縁破壊電圧を " の予定充電電圧に一致す

スが急激に低下し，端子間電圧の低下とともに電流が急速るように（ギャップ長や気圧を変えて）設定すればよい．

に上昇する（オン状態）．即ち，磁気スイッチは，外部の印

また，制御性を上げるために，図６（b）のような外部トリ

加電圧（'）に対して一定の時間（",）内において電流を阻ガー方式を採用することも多い．この場合，絶縁破壊電圧

止することができる．その後急に導通状態に変身する．こを動作電圧より適切に高く設定して，トリガー電極付近のこで，'と",の積はコアの形状および磁性体の磁気特性に火花を用いて主電極間の放電を積極的に誘起する．

よって与えられる．

ギャップスイッチの主な特徴は高電圧，大電流，および'",!+&"!

安価性である．一方，寿命とメンテナンスの面では比較的（８）劣っている．さらにターンオフできないことと絶縁回復が

ここで，+は巻き数，&はコアの断面積，"! は飽和までの比較的遅いことなどによって，最近の産業用パルスパワー

磁束密度変化である．例えば，図２（a）のスイッチとして磁発生器ではあまり採用されていない．

気スイッチを使用する場合，充電中に非飽和状態，充電完（b）磁気スイッチ了時に飽和するようにコアの断面積と巻き数を決めればよ磁気スイッチは磁性体の磁束飽和過程における透磁率のい．勿論この場合，" の充電は直流充電ではないことを前変化を利用している．したがって，磁気スイッチのオン−

提とする．

オフ切り替えは，インダクタンスの変化であり，従来のス

なお，磁気スイッチは１回の動作が終わった後に，元のイッチのような抵抗値変化ではない．このため，磁気ス状態（図７（a）の )点）に戻さなければ次の動作ができな

イッチはパルス充電の場合のみ使用可能である．

い．これはリセットと呼ばれ，通常別の回路を用いて逆の

図７（a）に 示 す 磁 気 特 性 を持 つ 磁 性 体 コ ア に 対 し て，

磁場を印加して行われる．

図７（b）のような巻線を巻き，両端に電圧を印加すること（c）半導体スイッチを考える．図７（a）の )点からスタートすると，正の方向に

近年，パワー半導体の進歩とともに，パルスパワー発生

電流が流れようとするが，大きなインダクタンスが現れて器における半導体スイッチの普及は急速に進んでいる．半いるため，短時間に電流はほとんど上昇しなく，印加電圧

導体スイッチは，固体内の導電キャリアの密度を制御するによってコア内の磁束が増えるだけとなる（オフ状態）．

ことによって電気伝導性をコントロールするものであり，

一方，磁束が飽和点（*）に達すると，コアのインダクタン

理想的なパワー制御素子である．しかし，現在市販されて
４９

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.1 January 2011

いる半導体スイッチング素子の許容動作電圧と動作電流は

参考文献

比較的低く，大型パルスパワー装置だけでなく，小さいパ［１］D.C. Hagerman and J.W. Mather, Nature 181, 226 (1958).
［２］J.C. Martin, Proc. IEEE 80, 934 (1992).
［３］T.H. Martin, Proc. 2nd IEEE International Pulsed Power
Conference, Lubbock, TX, USA, (1979) p. 3.
［４］J.J. Ramirez, K.R. Prestwich. J.A. Alexander, J.P. Corley,
G.J. Denison, C.W. Huddle, D.L. Johnson, R.C. Pate, G.J.
Weber, E.L. Burgess, R.A. Hamil, J.W. Poukey. T.W. L.
Sanford, L. O.Seamons, G.A. Zawadzkas, I.D. Smith, P.W.
Spence and L.G. Schlitt, Proc. 7th International Conference
on High-Power Particle Beams, Karlsruhe, Germany, (1988)

ルスパワー発生器にも単体ではほとんど対応できない現状である．実際に複数スイッチング素子の組み合せを使用する場合が多い．この時，電圧・電流分担およびタイミング
同期などを保障する回路上の工夫が必要である．
半導体スイッチを用いたパルスパワー発生について，次章で詳細に解説する．

２．
４ 将来への展望

p. 148.
［５］C. Ekdahl, IEEE Transactions on Plasma Science 30, 254(2002).
［６］B.N. Turman, T.H. Martin, E.L. Neau, D.R. Humphreys,
D.D. Bloomquist, D.L. Cook, S.A. Goldstein, L.X.
Schneider, D.H. McDanial, J.M. Wilson, R.A. Hamil, G.W.
Barr and J.P. VanDevender, Proc. 5th IEEE International
Pulsed Power Conference, Arlington, VA, USA, (1985) p.

これからのパルスパワー技術は，大型化と実用化に向かって，それぞれの方向へ更に分かれていく．二つの技術路線は共に同じ電磁気的原理に基づくが，システム設計思
想および主要コンポーネンツが顕著に異なり，めざす目標
もまったく違うものである．
パルスパワー発生装置の高出力化は，先進国を中心に，エネルギー，宇宙，基礎物理学，軍事研究等の要求に応え

155.
［７］W. Jiang, K. Yatsui, K. Takayama, M. Akemoto, E. Nakamura, N. Shimizu, A. Tokuchi, S. Rukin, V. Tarasenko and
A. Panchenko, Proc. IEEE 92, 1180 (2004).
［８］K. Ogawa, M. Sasago, M. Endo and T. Ishihara, J. J. Appl.
Phys. 27, 1521 (1988).
［９］H. Akiyama, T. Sakugawa, T. Namihira, K. Takaki, Y.
Minamitani and N. Shimomura, IEEE Trans. Dielectrics
Electrical Insulation 14, 1051 (2007).
［１０］K.Takayama, Y.Arakida, T. Dixit, T. Iwashita, T.Kono,
E. Nakamura, K.Otsuka,Y.Shimosaki, K.Torikai and M.
Wake, Phys. Rev. Let. 98, 054801 (2007).

る形でさらに推進される．モジュール化の傾向は一層定着
し，電圧重畳およびパワー合成における問題解決は技術開発の重点となる．コストと寿命の観点でモジュール単位は若干縮小されるが，膨大なモジュール数で高出力をめざしていく．
一方，パルスパワー発生器の実用化研究では，より機能性と生産性を追求する．素子固体化の努力はさらに徹底され，高繰り返しと短パルスは重要な指標となる．さらに，安定性，コンパクトさ，寿命，メンテナンス性，効率等の性能が改善され，これまで以上に産業界と一般生活に実用が浸透していく．

５０

J. Plasma Fusion Res. Vol.87, No.2 (2011)１
０６‐１１１

講座 パルスパワー技術入門

３．パワー半導体デバイスの役割
江

偉 華，高 木 浩 一１）

長岡技術科学大学 極限エネルギー密度工学研究センター，１）岩手大学 工学部電気電子・情報システム工学科（原稿受付：２
０
１
０年１
２月２
７日）

パワー半導体デバイスは，パルスパワー発生器のスイッチング素子として用いられている．本章では，広く使用されている半導体スイッチについて，基本構造から使用方法まで解説するとともに，パルスパワー応用における特徴と問題点について述べる．また，具体例を用いて半導体スイッチング回路の構成と動作特性について説明する．
Keywords:
pulsed power, power semiconductor device, thyristor, IGBT, MOSFET

３．
１ 典型的なパルスパワー発生用パワー半導体
デバイスの種類は動作パラメーターに大きく依存する．
スイッチング素子として使用されるパワー半導体デバイ

パワー半導体デバイスは，比較的大電力のスイッチング

スの共通の動作原理は導電性キャリアの制御である．即素子として，電力変換やモーター制御などの目的で広く使ち，導通状態を形成するためには大量なキャリアを注入われてきた．近年，これらのデバイスはパルスパワーの発し，絶縁状態を得るためにはキャリアを引き出して空乏層生にも使用されるようになった．その背景には主に二つのを作ることである．以下では，このような基本的な観点に要素がある．一つはパワー半導体デバイスの大電力化，も基づいて，典型的なパワー半導体デバイスについて簡単にう一つはパルスパワー発生器の産業応用に伴う小型化と高解説する．

繰り返し化である［１］．

３．
１．
１ サイリスタパワー半導体デバイスは様々な種類があるが，パルスパ

サイリスタは，図２に示すような pnpn 半導体構造を

ワー発生の目的で最も広く使用されたものはサイリスタ，

持っている．この場合，どの方向に電圧を印加しても，電IGBT，および MOSFET である．図１はこれらのデバイス

流経路上に逆方向の pn ジャンクションが存在するため電の相対的特性比較を示す．各種デバイスは異なる特徴を持流が流れない．例えば，アノード（＋）とカソード（−）にち，それぞれの限界もある．例えばサイリスタは比較的大電圧を印加すると，ジャンクション J2 が逆バイアスさ

電力のスイッチング能力を有するが，動作可能な繰り返し

れ，その付近における空乏層の形成によって電流が阻止さ周波数が比較的低い．また，MOSFET は高速素子として有れる．一方，この時ゲート電極に正の電圧を印加すると，名であるが，スイッチング可能なパワー制限が比較的厳し

順バイアスされたジャンクション J3 を通ってカソード側のい．したがって，パルスパワー発生器に搭載するデバイス

n 型層から大量の電子が注入され，その結果 J2 の空乏領域

ࣃ࣮࣡ᐜ㔞

ࢧ࢖ࣜࢫࢱ

IGBT
ࣂ࢖࣏࣮ࣛ
ࢺࣛࣥࢪࢫࢱ

MOS-FETືస࿘Ἴᩘ

図１

半導体デバイス動作特性の相対的比較．

図２

3. The Role of Power Semiconductor Devices
JIANG Weihua and TAKAKI Koichi

サイリスタの構造を表す概念図．

author’s e-mail: jiang@nagaokaut.ac.jp

１０６!2011 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion ResearchLecture Note

3. The Role of Power Semiconductor Devices（a）
図３

W. Jiang and K. Takaki（b）

MOSFET の動作原理を示す模式図．（a）
オフ状態，（b）
オン状態．

３．
１．
４ 半導体開放スイッチ（SOS）

が消滅することによってデバイスが導通状態になる．
サイリスタは比較的大きな電流を伝導できる特徴を持つ

半導体開放スイッチ（Semiconductor Opening Switch,

が，伝導中の電流に対するゲート操作だけでの遮断は比較

SOS）は，上述３種類のデバイスと違って，パルスパワー

的困難である．また，構造上の制限により，電流の立ち上発生用に開発されたデバイスである［２］．SOS は特殊なダがり時間は比較的長い．

イオードであり，通常のダイオードとの違いは逆電圧に対３．
１．
２ MOSFETする応答特性にある．

MOSFET は Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-

ダイオードに対して順方向電流が流れた直後に逆電圧をTransistor の略であり，電界効果トランジスタの一種であ印加すると，残留キャリアの影響によりわずかな逆電流がる．例えば図３のような npn 構造について考えた場合，ド流れてしまう．通常のダイオード製品は，メーカーによるレインとソースの電極間に逆方向の pn ジャンクションが様々な工夫によって逆電流を最小限に押さえられている．

存在するため非導通状態となる．しかし，ゲート電極に正一方 SOS は，逆電流を意図的に許すように設計されていの電圧を印加すると，電界の作用により p 型層において少る．

数キャリアの電子を電極に近い領域に引き寄せて，局所的

図５に示すように，SOS に順方向電流が流れた直後に半に電子の多数キャリア領域（等価 n 型域）を作ることがで導体にキャリアが多数残る．この時に逆電圧を印加する

きる．この状態では，ドレイン―ソース間に n 型半導体にと，残留キャリアによる伝導電流が発生する．しかし，新よってつなげられ，電子による導電性を得ることができたなキャリア注入がないため，残留キャリアが引き出しとる．したがって，MOSFET はユニポーラ（１種類のキャリ再結合によって消滅した後に空乏層が形成してデバイスは

アを用いる）デバイスである．

絶縁状態に変わる．SOS は，この導通状態から絶縁状態へ

実際のパワー MOSFET デバイスは図４（a）に近い構造の切替が非常に短い時間（数ナノ秒から数十ナノ秒程度）

を持つ．絶縁状態のデバイス耐圧および導通状態の抵抗値に実現できるため，開放スイッチとして利用される．

について工夫されているが，ユニポーラの本質的な特性により，これらの両方を同時に改善することが困難である．
一方，MOSFET の最大な特徴は高速スイッチングにある．
３．
１．
３ IGBT
IGBT は Insulated Gate Bipolar Transistor（絶縁ゲートバ
イポーラトランジスタ）の略である．図４（b）に示すように，パワー MOSFET に比べて，基板側に p 型層が増えている．その結果，コレクタから隣接の n 型層にホールが注入され，導通抵抗が低減する．したがって，IGBT はバイポー
ラ（２種類のキャリアを用いる）デバイスであり，これによって MOSFET に比べて比較的大きな伝導電流と低い導（a）

通抵抗を得ることができる．一方，同じ理由によりスイッ

図４ （a）MOSFET と（b）
IGBT の構造比較．

チング（特にターンオフ）速度が低下する．

（a）
図５

（b）

（b）

（c）

SOS ダイオードの動的モデル．（a）
順方向伝導状態，（b）
残留キャリアによる短時間の逆方向伝導状態，（c）
逆方向阻止状態．

１０７

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.2 February 2011

３．
２ 半導体スイッチの特徴と限界

バイスの動作がノイズの影響を受けやすいという短所が存

従来のパルスパワー発生用スイッチング素子（放電型

在することも意味する．高電圧と大電流を伴うパルスパ

ギャップスイッチ）に比べて，パワー半導体デバイスは非ワー発生器の周りでは，常に一定の電磁ノイズを発生す

常に魅力的である．以下はこの比較の観点から半導体スる．これが数 V で動作するゲート回路に対して影響を与えイッチングデバイスの特徴について述べる．

ないことは，回路の正常動作にとって不可欠である．逆に

１）安定性と信頼性：気体放電を利用するギャップス

言えば，このノイズ対策ができなければパワー半導体デバ

イッチでは，放電現象自身の統計的特性によりスイッチン

イスをスイッチとして用いることができない．パルスパ

グ動作の再現性に限界が生じる．また，放電によって発生

ワー制御回路における光ファイバやフォトカプラの使用する電極表面における物理的変化も再現性と寿命に影響すは，高圧絶縁の目的だけでなく，ノイズ対策の配慮によるる．一方，固体素子としての半導体スイッチは，動作の再ものもある．

現性と安定性が非常に良い．また，基本的にメンテナンス

３）温度制御：スイッチング損失と導通時のオン抵抗はの必要がなく，定格範囲内の動作寿命は非常に長い．これ

デバイスの温度上昇をもたらす．高繰り返しをめざすパらの特性は，波形に対して精度を要求し，長時間の高繰りワー半導体デバイスの連続動作繰り返し率はこの温度上昇

返し運転を必要とする応用に対しては非常に重要である．

によって制限される．デバイス外部からの強制冷却は非常

２）制御性：放電型スイッチをトリガーするには通常局に効果的であるが，最終的にパッケージの伝熱速度と半導所放電を用いる．このために数 kV から数十 kV 程度の電圧

体の許容温度によって素子の単位時間あたり発熱量の限界

パルスを必要とする．これに比べて，半導体スイッチのが決まる．このため，特別設計のパッケージあるいは高い

ゲート電圧は通常数 V から数十 V 程度である．このため，許容温度を持つ半導体はより過酷な動作環境に適用できる．

制御方法と制御回路の多様性をもたらすことができ，実際

３．
３ 半導体スイッチの使い方

は光通信あるいはマイコン制御などが広く用いられている．
３）高繰り返し性：スイッチの回復時間（次の動作の準パワー半導体デバイスの制御方法はデバイスの種類に備を完了するまでの時間）は最高繰り返し率に影響する．

よって多少異なるが，以下では主に MOSFET について詳

例えば，ギャップスイッチの場合，気体の絶縁能力が完全細に述べる．

回復するまで待つ必要がある．これは通常ミリ秒程度の時

３．
３．
１ 単体スイッチング動作間であるため，ギャップスイッチの kHz 以上の繰り返し動簡単な回路を用いて MOSFET のスイッチング動作を確

作は非常に難しくなる．一方，半導体スイッチの場合では，認することができる．例えば，表１にある部品を用いてこのような制限がなく，原理的に直後から次のスイッチン

図６に示す回路を作成する．予め充電された !!0.1 μF のグ動作が可能である．現実に MHz の繰り返し率で連続動コンデンサから "!50 Ω の抵抗負荷へのパルス放電を行う

作するパルスパワー発生器は実用されている［３］．

ために，MOSFET のオン／オフ制御を行う．MOSFET

４）ターンオフ：放電スイッチは気体の絶縁破壊を利用の駆動にはドライバ IC を使用し，ドライバ IC の入力信号

して急速ターンオンしている．しかし，その後放電を止め

転送には光ファイバを使用する．また，受信用光モジューることができないため，回路からの放電が完了するまで電ルとドライバ IC の駆動電力の供給には絶縁型 DC-DC コン流が流れ続ける．一方，半導体スイッチではゲート制御にバーターを用いている．このようにして，MOSFET のゲー

よってターンオフできるものもある．この特性を用いれト回路を完全に周りと絶縁し，その結果ノイズを受けにくば，パルス幅および波形に対する制御の自由度が大幅に増くなり，必要な場合（例えば多直列の場合）高浮遊電位でえる．

も動作可能となる．図６の点線で囲まれる回路の実物を図７に示す．

ここまではパワー半導体デバイスの長所だけに注目して図８に典型的な試験動作波形を示す．制御用パルス発生

述べた．当然のことであるが，半導体スイッチは以下の問器から，波高値約 5 V，パルス幅約 200 ns の方形波パルス

題点を含むいくつかの短所もある．
１）パワー容量：オフの時の耐電圧とオンの時の伝導電を発生する．これを光モジュールで光信号に変換してファ流について，ギャップスイッチのほうが半導体スイッチをイバに入力す る．ファイバの出力端において再び光モ

はるかに上回る（実際，ギャップスイッチの低電圧と低電ジュールを用いて電気信号に戻してからドライバ IC に入流動作は比較的苦手である）．これまでに大電力をめざし力する．ドライバ IC の出力信号に従って MOSFET が導通てパワー半導体デバイスの大型化はある程度進んできたが，このスケールアップには明らかに限界がある．チップ

表１の大きさは製造工程やハンドリングによって制限され，耐

素子
メーカー
型番
MOSFET
Toshiba
2SK2611
ドライバ ICMaxim
MAX4429
送信用光モジュール
Avago Technologies HFBR-2412TZ
受信用光モジュール
Avago Technologies HFBR-1414TZ
DC-DCコンバーター（12V/5V）Mornsun
B1205S
DC-DCコンバーター（12V/12V）Mornsun
H1212S

圧能力はスイッチング速度とオン抵抗等の特性との複雑な兼ね合いで決められている．このため，デバイス単体のスイッチング能力に対して桁的な向上は期待できない．この弱点は多素子を用いた回路技術で補うしかない．
２）ノイズ対策：パワー半導体デバイスの長所として比較的制御電圧が低いことについて述べたが，実際これはデ
１０８

Lecture Note

3. The Role of Power Semiconductor Devices

図６

MOSFET 単体動作試験回路．

図８

図７

W. Jiang and K. Takaki

典型的な動作波形．上から：光変換前の制御信号，ドライ
バ IC の入力波形，MOSFET ゲート電圧および負荷電圧波
形．

図６の点線で囲まれる回路基板の写真．

して，負荷抵抗の両端に電圧が発生する．この場合，MOSFET 電流は約 10 A で，立ち上りと立ち下り時間はそれぞれ約 25 ns と約 40 ns である．
３．
３．
２ 多素子スイッチング回路
図８の負荷電圧波形は比較的きれいに見えるが，この時の出力パワーはわずか 5 kW 程度である．通常のパルスパ
ワー応用はこれを数桁上回る値を必要とする．このため，半導体デバイスをスイッチとして使用する場合，多数のデバイスを同時に用いる必要がある．以下はその一例につい図９て紹介する．

Marx 発生器回路原理図．

ギャップスイッチを用いた従来型パルスパワー発生器回路には Marx 方式がある．これは，出力電圧を上げるために，予め並列充電された多数のコンデンサを直列して放電する考えに基づいている．この方法を MOSFET を用いた
パルスパワー発生器にも適用することができる［４］．
図９は MOSFET を用いたMarx発生器回路を示す．電圧
V0 で並列充電された "個（図９では "!"）のコンデンサに対して，"個のMOSFETを同時にターンオンすることによって，負荷に対して直列放電回路を形成する．この場合，負荷への印加電圧は理論上 "!!となる．
図７に示すスイッチングユニットを１６個使って図９の回路を構成した．回路全体の実物写真を図１０に示す．充電電圧900 Vの場合，１６個のMOSFETを同時にスイッチングしたときに得られた負荷（1 kΩ）電圧波形を図１１に示す．多数のスイッチの同時使用による出力電圧の増倍が得られて

図１
０ MOSFET を用いた１６段 Marx 発生器．

いる．
１０９

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.2 February 2011

３．
３．
３ 半導体開放スイッチ駆動回路

27 kV である．

SOS は比較的特殊な動作原理に基づくパワー半導体デバ

３．
４ まとめと展望イスであるため，上述の方法と全く異なる制御方式で駆動しなければならない．３．
１．
４で述べたように，SOS の急速電パワー半導体デバイスは，様々なパルスパワー発生回路

流遮断は逆電流に対して起こる現象である．また，このたのスイッチング素子として活躍している．本章では MOS-

めに素子の内部に予め事前キャリアを注入しておく必要が

FETとSOSを中心に典型的な使い方について述べたが，ほある．即ち，SOS に対して，まず適切な順方向電流を流し，かに IGBT とサイリスタなどのデバイスも実際のレーザー

その直後に逆電流を流せば急速な遮断が期待できる．

電源や排気・廃液処理用パルス電源等で広く実用されている［６］．

このような観点に基づいて，SOS の駆動回路は設計されている．図１２に示す回路はその一例である［５］．ここで，パワー半導体デバイスをスイッチとして使用する場合，可飽和トランスを利用して，順方向と逆方向の電流制御を安定性と繰り返し性の面で優れているが，電圧・電流容量行っている．スイッチ S を閉じた後，C1 の放電電流はトラ制限が大きな妨げとなる．このため，半導体スイッチを活ンスを経て二次側コンデンサ C2 を充電すると同時に SOS用するための回路技術は常に重要な意味を持つ．デバイスに順方向電流を流す．このエネルギー移行がほぼ完了したの性能を最大限に取り出しながらノイズで誤動作しないよ

時点で，トランスの磁性体が飽和し，C2 の二次側回路におうな制御回路，および複数のデバイスを同時に用いながらける放電が開始する．即ち，トランスの飽和によって，エ同期と保護を充分工夫されているスイッチング回路の設計

ネルギーは一次側に戻らない．一方，C2 の放電は SOS ダイと実装は今後も研究開発が続けられる．

オードに逆方向電流を流し，これが短時間に流れた後に一方，パワー半導体デバイスそのものも進化している．

SOS によって急速に遮断される．その結果，二次側回路イ

最近特に注目されるものは炭化ケイ素（SiC）半導体に基ンダクタンスに蓄積された誘導性エネルギー（前回講義参づくデバイスである［７］．従来のシリコンデバイスに比べ照）が高電圧パルスとして負荷に出力される．

て，耐圧，速度，伝熱性などの特性が優れ，次世代パワー

図１３は SOS で得られた電流波形を示す．"!!より前の順
方向電流はキャリアを注入するためのものであり，この直後の逆方向電流はキャリアを引き出すと同時に二次側回路に誘導性エネルギーを蓄積する．その結果，逆方向電流が
SOS によって急速に遮断される時に，並列接続されている!!500 Ω の 負 荷 抵 抗 に 対 し て パ ル ス 電 圧 を 出 力 す る（図１４）．C1 充電電圧 1.6 kV の場合，SOS の逆方向電流は約160 A に達し，出力電圧のパルス幅約 30 ns，ピーク値約

図１３ 図１２の回路を用いて得られた SOS 電流波形．

図１１ 図１０の回路を用いて，充電電圧 900 V の場合に得られた出力電圧波形．

図１
４ SOS 電流波形と負荷抵抗 500 Ω の両端で得られた出力電圧．図中の点線は SOS をショートしたときの回路電流を示す．

図１
２ SOS を用いたパルス高電圧発生回路の一例．

１１０

Lecture Note

3. The Role of Power Semiconductor Devices

W. Jiang and K. Takaki

デバイスとして期待されている．近年 SiC スイッチングデ

参考文献

バイスを市場から購入できるようになり，コスト的にはま［１］W. Jiang, K. Yatsui, K. Takayama, M. Akemoto, E. Nakamura, N. Shimizu, A. Tokuchi, S. Rukin, V. Tarasenko and
A. Panchenko, Proceedings of the IEEE 92, 1180 (2004).
［２］S.N. Rukin, Instrum. Exp. Tech. 42, 439 (1999).
［３］K. Takayama, Y. Arakida, T. Dixit, T. Iwashita, T. Kono,
E. Nakamura, K. Otsuka, Y. Shimosaki, K. Torikai and
M. Wake, Phys. Rev. Lett. 98, 054801 (2007).
［４］W. Jiang, W. Diao and X. Wang, Proc. 17th Int’l PulsedPower Conf., 2009, Washington DC, 408 (2009).
［５］江 偉華：電気学会論文誌 A130, 538 (2010).
［６］H. Akiyama, T. Sakugawa, T. Namihira, K. Takaki, Y.
Minamitani and N. Shimomura, IEEE Trans. Dielectrics
Elec. Insulation 14, 1051 (2007).
［７］江 偉華，成田一真：月刊マテ リ ア ル イ ン テ グ レ ーション 23, 16 (2010).
［８］G.M. Loubriel, F.J. Zutavern, A.G. Baca, H.P. Hjalmarson,
T.A. Plut, W.D. Helgeson, M.W. O'Malley, M.H. Ruebush
and D.J. Brown, IEEE Trans. Plasma Sci. 25, 124 (1997).

だ割高であるが，今後の普及とともにより手に入りやすくなることは確実である．
半導体デバイスのスイッチングは，内部キャリアの制御によって行う．本章では，これを電気的に実現する方法について説明した．一方，半導体内部のキャリア密度を光学的に制御する方法もある．適切な波長を持つ光で半導体を照射すればキャリアが生成し，この光を止めれば再結合等によってキャリアが消滅する．この原理に基づく光伝導ス
イッチは，今後のパルスパワー発生における応用が期待されている［８］．最近の研究では光源としてレーザーを使用しているが，実用化の段階でフォトダイオードを使用できるようになれば汎用性が大幅に向上する．

１１１

J. Plasma Fusion Res. Vol.87, No.3 (2011)２
０２‐２１５講座 パルスパワー技術入門

４．パルスパワー発生回路の設計と実践
高 木 浩 一，高 橋 克 幸１），上 野 崇 寿２），秋 山 雅 裕３），佐 久 川 貴 志３）
岩手大学，１）シシド静電気"，２）大分工業高等専門学校，３）熊本大学（原稿受付：２
０
１
１年１月２
７日）

パルスパワーは，軍事や慣性核融合を目的に，世界中の発電電力規模の，大型な装置技術として発達してきた［１‐４］．このため，世に広く普及とまではいかず，限られた施設や研究グループのみで扱われてきた．しかし
ちょっとした パルスパワー（ちょいパル？）が使えると便利なことも多い．水処理，殺菌，ナノパウダー，オ
ゾン生成，きのこ増産，イオンドープ，食品保存，バイオ応用，医療応用など多くの場面で活用できる［１‐８］．また園児・児童・生徒を相手にしたサイエンス教室でも，１００円かみなり，脱色やプラズマのデモなどに使用できる［８‐１２］．ここでは，学術を少し離れ，簡単に，安価なパルスパワー発生回路を作ることに比重をおく．想定
は，４．
１，４．
４節は理系コースの高校生（物理履修）が，４．
２，４．
３節は電気系大学生が作ることになる．ここで取り扱う回路は，電圧が数 kV〜数十 kV（数万ボルト）で，製造コストはお菓子の買える価格帯（１００円程度）から高級家電（数十万）になる．
Keywords:
pulsed power, high-voltage, power device, plasma, magnetic compression, semiconductor switch, FPGA

４．
１ 直流高電圧の発生とパルス化に，鉄心と呼ばれる口の形をした鉄板（けい素鋼板）を重

家庭のコンセントに来ている電気は，交 流１００ボ ルト

ねたものに複数のコイルを巻きつけた結合インダクタで，（AC100 V）である．周波数は，西日本で６
０ヘルツ
（Hz）
，

磁束をつくる電流が小さく，また漏れる磁束がほとんどな

東日本で 50 Hz である．これから数万ボルトのパルス電圧

く，電圧や電流の大きさを変える際によく用いられる．２を作り出す場合，１）電圧の大きさを増やす（昇圧），２）電つのコイルをもつ変圧器の場合，１次側と２次側の巻数を

圧の形をパルスに変える（パルス化）が基本になる［２，
４］．

$"，$#とし，１次側と２次側の交流電圧 ""，"#，交流電流

ここでは，変圧器（トランス），整流素子（ダイオード），!
"，!
#とすると，上記した特徴は次のような簡単な関係式

蓄電素子（コンデンサ），半導体やギャップなどのスイッで表すことができる［１４］．

チを用いた，直流高電圧の発生と，パルス電圧の発生につ$# "# !
" " "$" "" !
#

いて述べる．
４．
１．
１ 家庭用コンセントから直流高電圧の発生（１）

家庭コンセントの電気は AC100 V である．したがって，したがって，一次側の入力を 100 V とすると，巻き数比

例えば 10 kV（１万ボルト）を作る場合，１００倍に増幅する$"）を１０とすると 1 kV が，（"$#!
１００とすると 10 kV が，計ことが必要になる．このように電圧を増幅する（昇圧）す

算上は得られる．現実には，二次側の電流による影響や絶る際に用いられる手法に，１）トランスを用いる，２）ダイ

縁設計上の制限などがあり，通常のトランスで巻き数比をオードとコンデンサを多段に接続する方法（コッククロフ

大きくしようとすると，電源が体積・重量ともに大型とな

ト・ウオルトン回路）がある［２］．ここでは，それらの具体る．このため，ネオントランス（磁気漏れ変圧器）などが例とその動作について述べる．

よく用いられる．これは，磁束の漏れ部の回路を設けるこ（１）ネオントランスを用いた直流高電圧の発生とで，二次側の出力の負荷変動を回避するもので，入手が図１に，トランスを用いて AC100 V から直 流 電圧を得容易なものは，入力 100 V に対して出力が 15 kV のものがある．

る，基本的な回路構成と動作を示す．入力となる AC100 V は，
図 に 示 す よ う に，三 角 関 数 の 正 弦 波 の 形 式

交流から直流への変換は，電圧の正負の一方向のみ取り

（"!!#
；#
は周波数［Hz］，%は時間［秒］，#は初
"#
%
$
%#
#
!#$
%&

出す整流回路と，脈動を抑えて直流に近づける平滑回路で期 位 相）と な っ て お り，最 大（ピ ー ク）値 は 141.4構成される．整流回路は，大きくは，図１に示す一方向の［V］，東日本の周波数 50 Hz を用いると，周期は（""!!#%）
20 ms（0.02 秒）である［１３］．トランスは，図２に示すよう電圧を取り出し，逆方向をカットする半波整流回路と，逆方向の電圧も，電圧の向きを変えて出力する全波整流回路

4. Design and Practice of Pulsed Power Circuit
TAKAKI Koichi, TAKAHASHI Katsuyuki, UENO Takatoshi, AKIYAMA Masahiro and SAKUGAWA Takashi
corresponding author’s e-mail: takaki@iwate-u.ac.jp

２０２!2011 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion ResearchLecture Note

4. Design and Practice of Pulsed Power Circuit

K. Takaki et al.

（a）
図２

（b）
変圧器の基本構成と回路図

流高電圧発生回路の写真と，その出力を示す．回路図は，図１に示している．入力を 100 V とした場合，ネオントラ
ンスの二次側の出力は 15 kV となる．このため，ピーク電圧は約 21 kV（!!#"" ）となる．この電圧は，1 nF のコンデ
図１

ンサと，10 MΩ の抵抗で平滑化される．しかしながら，周ネオントランス（変圧器）を用いて AC100 V から直流高電圧を得るための基本回路と動作．（v1：ネオントランス一次側電圧，v2：二次側電圧，vo：平滑回路の出力電圧）期が 20 ms と長いこともあり，時定数 RC で，21 kV から，
約 11 kV まで減衰している．ダイオードには，前述のオリジン電気製（型番：ED-24H1）を用いている．

になる．整流にはダイオードが用いられ，高電圧用のダイ（２）100 V 直流電源とインバータネオントランスを用いた
高電圧発生

オードは，オリジン電気!（http://www.origin.co.jp/）などで販売されている．平滑回路には，コンデンサと抵抗がスイッチング素子を組み込んで交流を作り（インバー用いられる．高耐圧のコンデンサは村田製作所（http://タ），さらに共振トランスで昇圧するものを，インバータ

www.murata.co.jp/index.html）等 で 入 手 で き る．た だ

トランスと呼び，蛍光灯など照明器でよく利用されていし，数 kV〜数十 kV の高耐圧で，安価に入手できるものはる．市販もされているため，容易に入手できる．出力電圧

セラミックスコンデンサとなり，比較的低容量（2 nF 程は，9 kV が一般的だが，15 kV まで販売されている（http:度）になる．このため平滑に必要な抵抗は，商用周波数//www.lecip.co.jp/lecip/product/product12-01.htm）．こ50 Hz の場合，10 MΩ 程度（#!"!；#：周期，"：抵抗値，のトランスは，巻線型ネオントランスに比べて小型で，コ!：容量）と大きな値となる．

ンパクトな電源作成に適する．巻線型ネオントランスを，

図３に，構成の一例として，定格 15 kV の巻線型ネオン

インバータネオントランスで置き換えて使うことも可能でトランス（長野愛知電機!，ネオン変圧器１５）を用いた直ある．しかし，100 V の定電圧電源（例えば http://www.

（a）写真
図３

（b）各部の波形．
ネオントランスを用いた直流高電圧発生回路と出力波形（v2：ネオントランス二次側電圧，vo：平滑回路の出力電圧）

（a）写真
図４

（b）各部の波形．
インバータネオントランスを用いた直流高電圧回路と出力波形（v2：トランス二次側電圧，vo：平滑回路の出力電圧）

２０３

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.3 March 2011

matsusada.co.jp/dcps/pl/）を用いることで，インバータの電力スイッチを用いてパルス化すれば得られる．このよう周波数の 20 kHz で電圧を取り出せる．この結果，時定数はに直流電圧をパルス化するする手法に，１）コンデンサと通常のネオントランスの 1/400 程度になる．一例として，

短絡スイッチで正弦（三角）波を得る，２）同軸ケーブルな

図４に，100 V 直流安定化電源（型番：TEXIO Co., PA120

どの分布定数線路で方形波（ナノ秒オーダ）を得る，３）コ-06B）とインバータネオントランス（型番：レシップ!，

ンデンサとコイルを多段接続して方形波（マイクロ秒オー

Alpha Neon M-5）
，前述のダイオードとコンデンサで構成ダ）を得るなどがある．ここでは，それらの具体例とそのした直流高電圧発生回路と出力の様子を示す．写真より，動作について述べる．

巻線型電源に対して小型になっていることがわかる．加え（１）コンデンサと短絡スイッチによるパルス発生（集中定数回路）て，図３の波形に対して出力電圧の変動が小さいこともわ
かる．

直流高電圧を利用してパルスを発生する方法は，コンデ（３）コッククロフト・ウォルトン回路

ンサ等のエネルギー蓄積素子に蓄えられたものを，短時間

コッククロフト‐ウォルトン（Cockcroft-Walton）
回 路 は，

かつ高電圧駆動のスイッチで取り出すのが一般的である．

コンデンサとダイオードを多段式に組み合わせたもので，スイッチには，半導体などの電力素子（MOS-FET; Metal

低電圧の交流電源を高電圧の直流電源へ変換できる．二段

Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，IGBT; Insu-のものは，倍整流回路とも呼ばれる［２］．一例として，前述

lated Gate Bipolar Transistor）を使う方法や
［１５］
，簡便な

のインバータネオントランスとセラミックコンデンサを４ギャップスイッチなどが用いられる．典型的な回路構成を段使用したものを，図５に示す．またその出力を図６に示
電圧が上がる様子などが確認できる．インバータネオント

図７（a）に，また出力電圧の模式図を示す．短絡スイッチの""（負荷のイン
動作前の充電電圧を $!として，# !# !!
!
ピーダンスが回路のインピーダンスに対して十分大きい）

ランスの出力は 20 kHz だが，入力が商用周波数の 50 Hz．
とした場合，出力電圧 '!は，以下の式となる［２］す．条件として，段数を変えており，段数が増えると出力! &となっており，このため電圧の上昇に，多少の時間を要す

!#&

'!#
&
% !# !% " $$"$! #る．一次側に，直流安定化電源を用いることで，出力電圧（２）一例として，もっとも簡単に，安価にパルスを作り出すの調整や出力までに要する時間の低減などが可能である．
４．
１．
２ 直流高電圧からパルス高電圧の発生方法として，ギャップスイッチを短絡スイッチとして構成

前節では，コ ン セ ン ト の 電 気 AC100 V か ら，例 え ばしたものを，図８（a）に示す．ギャップスイッチは，気体等

10 kV（１万ボルト）などの直流高電圧を得る手法についのギャップの媒体の絶縁降伏（インピーダンスが非常に大て述べた．パルス高電圧は，基本的には直流高電圧を，大きな状態；数百 MΩ から短絡へ近い状態；ミリ Ω オーダへ（a）回路図．
図５（b）写真

４段で構成したコッククロフト・ウォルトン回路．

（a）出力の過渡特性
図６（b）出力電圧と入力電圧の関係

段数を１から４まで変化させたコッククロフト・ウォルトン回路の出力特性．

２０４

Lecture Note

4. Design and Practice of Pulsed Power Circuit

（a）回路
図７

（b）出力波形

クロージングスイッチを用いた正弦（三角）波の発生回路．

（a）写真
図８

K. Takaki et al.

（b）出力波形

ギャップスイッチを用いた正弦（三角）波の発生回路とその出力．

短時間に変化する現象）を利用する．写真のギャップス
イッチは，ネジ等で電極間の距離（ギャップ長）を変えることで動作電圧を変えている．例えば，大気中で動作させた場合，おおよそギャップ長 1 ㎜あたり 3 kV となる．したがって，出力電圧を 15 kV に設定したい場合，ギャップ長を 5 mm 付近に設定し，あとは出力電圧をモニターしながら微調整を行う．実用上は，ギャップスイッチだと動作が
図９

安定しないことなどもあり，大電力用の半導体スイッチを同軸線路とその等価回路．

用いる．半導体スイッチの耐圧は，キロボルトオーダと，それぞれ !と "とするとき，それほど大きくないこともあり，通常は，次節で述べるパルストランスやブルームライン回路を用いて昇圧して用い$! ! ! "
" "!
#"
#
"!

ることが多い．図８の回路の出力波形の一例を図８（b）に
示す．

（３）

同軸ケーブルなど分布定数線路（回路寸法が電圧や電流，!
$で与えられる［２］．ここで，"は光速（＝3×108 m/s）と "$はそれぞれ媒質の比誘電率と比透磁率である．長さをの周期に対して短い回路）を用いることで，方形波などの#の同軸ケーブルの一端から取り出 さ れ る パ ル ス 幅 !

パルス波形を形成できる．基本的な考え方は，すでにこのは，前進波と後退波のパルス幅の和，（２）同軸ケーブルを用いたパルス発生（分布定数線路）講座の１回目に記載されている［１６］．ここでは，考え方に#"!!"#!"#!
#"#""! ""!
$

ついて簡単に触れたのち，安価に購入できる同軸ケーブルを用いたパルス電源の構成例を紹介する．

（４）

図９に代表的な伝送線路である同軸線路を示す．円筒形となる．同軸ケーブルの媒質によるが，おおよその値としの内部導体と外部導体からなり，その間には誘電体が存在て，ケーブル 1 m あたりパルス幅 10 ns（RG-58U での計算する．したがって伝送線路は同図に示すように，はしご型値）となる［１７］．

等価回路の分布定数回路で表すことができる．無損失の場

同軸ケーブルを利用したパルス発生方式の利点として，合，その一端に進入した電圧パルス波（あるいは電流パル

市販されている同軸ケーブルが利用できるため，安価に構ス波）は，減衰することもひずむこともなくその波形形状成できる点以外にも，同軸ケーブルを複数組み合わせるこを保ったまま伝搬して，他端に到達する．

とで，容易に電圧を積み重ねて大きくとれることになる．

分布定数線路において，その特性を与える代表的な要素

この方式はブルームライン線路（Blumlein-line）と呼ばれが特性インピーダンスと，伝搬速度 $である．特性インている．一例として，同軸ケーブルを６本用いて構成したピーダンスは，伝送線路の形状と伝送線路に詰められた媒

３段 ブ ル ー ム ラ イ ン 線 路 の 構 成 と 写 真 を 図１０に 示 す

質によって定まり，伝搬速度は，媒質の誘電率と透磁率を［１８］．６本の同軸ケーブルを，それぞれ渦巻状に巻き，各２０５

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.3 March 2011

ケーブル端を接続するなどして構成する．ケーブル長を変

タンスが小さいために生じる．このため，一般的にはマイえた場合の出力波形を，図１１に示す［１８］．各ケーブルのイ

クロ秒を超える，比較的長いパルスを形成する場合，図９

ンピーダンスは 50 Ω であり，これが６段になっているたに示す等価回路の，キャパシタ部とインダクタ部に，耐圧め，おおよそ 300 Ω の負荷で整合がとれる．ケーブル長がの高いコンデンサや，大電流を流すことのできるコイルを

12 m から 8 m，4 m と減らすことで，パルス幅は 120 ns

配置する．これは PFN（Pulse Forming Network）と呼ばから 80 ns，40 ns と減少する．しかし回路のインダクタン

れている．構成を，図１２に示す．直流高電圧の発生には，前ス成分も影響し，短いケーブルを用いた場合，パルス形状

述のコッククロフト・ウォルトン回路を用いている．PFN

は方形波から正弦波に近づく．

は，１０段（#!"!）で，すなわち１０個のコンデンサと，１０（３）コンデンサとコイルを用いた方形波生成

個のコイルより構成されている．PFN の最大出力電圧

前述の同軸ケーブルを用いたパルス電源の場合，必要とは，コンデンサの耐圧で決定され，図１２の場合，40 kV であするパルス幅がマイクロ秒を超えると，必要となるケーブ

る．パルス幅は，コンデンサの静電容量を !#，コイルのイルの長さは100 mを超え，電源の寸法も大きなものとなる．

ンダクタンスを "#とすると，以下の式で表すことができ

これは，ケーブルの単位長さあたりの静電容量やインダク

る．

（a）回路

（b）写真

図１
０ ３段ブルームライン積み重ね線路［１８］．

（a）12 m（b）8 m（c）4 m

図１
１ ケーブルの長さを変えた場合の出力電圧波形［１
８］
．

（a）回路

（b）写真
図１
２ PFN 回路．

２０６

Lecture Note

4. Design and Practice of Pulsed Power Circuit&##$(#+!+

K. Takaki et al.

ると，接点 a の電位が GND（接地電位；0 V）となるため，（５）bの電位は−'となる．この瞬間，ギャップスイッチ②には

図１２では，!+#2 nF，#+#1.25 μH，$#"!であるので，パ

2 V の電圧がかかり動作する．その後，ギャップスイッチ

ルス幅 &は約 1.0 μs となる．図１３に，充電電圧を 5 kV とし③には，3 V の電圧がかかり，'*-,には−3 V の電圧最大値たときの出力電圧波形を示す．負荷として，回路の特性イを持つパルス波が出力される．つまり，マルクス発生器とンピーダンス（*#+!
!+）と等しい 25 Ω の抵抗を接続し!#(た．パルス幅が約 1 ms，大きさが約 5 kV のパルスが出力さは，並列に充電したコンデンサをギャップスイッチによって直列に接続しインパルスを得る装置である．マルクス発

れていることがわかる．また，点線は回路シミュレータ

生器において，'$まで充電したコンデンサを$［個］接続し（マイクロネット，Circuit viewer 3.0）を用いた解析結果にた場合，出力の電圧最大値 '(&.は $"'$
［V］で与えられる．

なる．解析と計測結果が，おおよそ一致する様子も確認で

図中の出力の極性は負であるが，充電側の極性を入れ替えきる．

る，即ち負とすることで正出力が可能である．その時の動（高木浩一，高橋克幸）

作原理は，極性が入れ替わるのみで同一である．

４．
２ パルス圧縮と昇圧（２）マルクス発生器の製作

前章では，直流高電圧の発生と電圧のパルス化について

マルクス発生器を製作する際，素子のパラメータの選定述べた．これでひとまずパルス高電圧を作り出すことはでが必要となる．ここでは，その選定方法について説明する．

きる．しかし，用途によっては，さらなる短パルス化（パa．抵抗 Rルス圧縮）や高電圧化（昇圧）が必要になる．加えて，電%の選定にあたっては，動作周波数および出力パルス幅

源の小型化や低コスト化，高効率化を図る上でも，パルスを考慮し決定する．動作周波数 (［Hz］とすると，周期 "［s］!
(

圧縮や昇圧過程が必要になる．ここでは，主に半導体スの間にマルクス発生器のすべてのコンデンサへの充電が完

イッチング素子を用いた，パルス圧縮や昇圧過程を含む電了しなければならないので，"!
($#"$"%"! を満たす必要源について述べる．

がある．また，出力波形 の パ ル ス 幅 を &*［s］
とした場
,

４．
２．
１ MARX 型パルス発生回路

合，マルクス発生器のギャップスイッチが動作した瞬間か（１）マルクス発生器の動作原理

ら ! は %によって短絡され放電が始まるので，!"%$&*-,

マルクス発生器は，２０世紀初頭にマルクスによって考案を満たす %を選定しなければならない．これを満たさないされ，その回路構造の簡易さから幅広く利用されているイと，ギャップスイッチの動作時に ! が急激に放電してしま

ンパルス発生回路である．図１４に回路図を示す．

い，所望のパルス幅を持った出力を得ることができない．
いずれの場合も，%"!の積によって満たすべき条件となる'')に高電圧直流電源等を接続し，コンデンサ C を ' まで充電する．この時，各ギャップスイッチには ' の電圧がため，! の容量を変化させ調整させても良い．

印加されている．ここで，ギャップスイッチ①を動作させ

b．コンデンサ C［V］から［J］と充電電圧'$!の選定は，入力エネルギー"
決定され，!##""!
'$#で決定される．また，! の電圧変化が急激なため，コンデンサの材質も考慮し，損失が小さく，電圧の急激な変化に強いコンデンサを利用する必要がある．
c．ギャップスイッチ
ギャップスイッチは，そのギャップ間隔により動作電圧を調整する．ギャップスイッチの動作電圧を '%［V］とすると，充電中の動作を防ぐために '% "'$ としなければなら% "）ない．また，充電側から数えて )個（)#のギャップスイッチには，マルクス発生器動作時に )"'! !'! #'! &)!"'の電位が加わるので，'$&)!"'$'% として確実に動作する様にしなければならない．

図１
３ PFN の出力波形（点線：計算結果，実線：測定結果）．

（３）ギャップスイッチの半導体スイッチへの置き換え
上述のようにマルクス発生器のスイッチングとして用いられているのがギャップスイッチであるが，絶縁を保つための装置の大型化，それに伴うインダクタンスの増加，加えて，ギャップスイッチ短絡動作時に自己破壊電圧を利用しているため，動作時間のずれやミスファイアといった欠点を持っている．これらの欠点を解消し，小型化および立
ち上がりの高速化の手法として，半導体スイッチの１つである接合型トランジスタ（Bipolar Junction Transistor: BJT）

ギャップスイッチの利用がある（図１５）．

図１４ マルクス発生器の構成図．

BJT の適用は，寿命，信頼性そして小型化といった多く
２０７

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.3 March 2011

図１
５ 小信号用 BJT 外観写真，回路図記号．
（a）

（b）

図１
６ ブレイクダウン現象発生時の電圧電流波形．（a）
ブレイクダウン現象発生前，（b）
ブレイクダウン現象発生後．

の点において，ギャップスイッチと比較して有用である．
しかし，そのスイッチング速度が非常に遅いという欠点も併せ持っている．これは，BJT のスイッチング速度は，PN接合領域に蓄積された蓄積キャリアによって制限されており，通常動作させる場合では，ベース電流の調整によってコレクタ電流（キャリア）の制御を行っているためである．
図１
７ マルクス発生器回路図．

そこで，この欠点を解消するために，ブレイクダウン現象と呼ばれる現象を意図的に起こし，BJT を動作させる．これにより，通常動作で得られるマイクロ秒のスイッチング

表１

時間をナノ秒オーダまで縮めることができ，非常に高速な

使用素子
抵抗 R
コンデンサ C
BJT
段数

スイッチング速度を実現することが可能となる．その現象の発生には，コレクタ−エミッタ間に定格を超える電圧を加える必要があるが，そのコレクタ電流を制限することにより，素子破壊に至らずに繰り返し動作が可能となる．

マルクス発生器構成．
値
3.3 kΩ
100 nF
2SC2655
３０段

図１６にブレイクダウン現象発生前後の電圧電流波形を示
す．１つ あ た り２００円 以 下 の 小 信 号 用 BJT（2SC2655，

回路を図１７，作製に用いた素子の値，構成を表１に示す．

，"，東芝社製）を利用し，コレクタ#!" !50［V］! !2［A］［nF］とした．充電にはコッククロ
段数は３０段とし，!!100−エミッタ間にコンデンサ 100 nF を接続したときの充電

フト・ウォルトンを利用した．初段を除くすべての BJT

電 源 電 圧（##$），コ レ ク タ−エ ミ ッ タ 間 の 電 圧 波 形のベース抵抗は，0 Ω（ベース−エミッタ間を短絡）として（#!"），コレクタ電流波形（"!）である．ブレイクダウン現いる．これにより，ブレイクダウン現象発生時にスイッチ

象発生 前 の図１６（a）で は，#!" !48 V，最大 "! !7 A で ス

ング時間が最小，かつ出力電圧が最大となる［１９，２０］．

イッチングを行っているが，#!" を増加させブレイクダウ

充電電圧 150 V，負荷抵抗 3.3 kΩ の時の出力波形を図１８ン 現 象 が 発 生 し た 後（図１６（b））で は，定 格 の３倍 のに示す．最大電圧 3.9 kV，立ち上がり時間6.7 nsの電圧出力#!" !150 V，最大 "! !100 A を超えるスイッチングが可能が確認できる．立ち上がり時間はナノ秒であるが，立ち下である．#!"，"! 共に定格を超えているが，コンデンサの容がりは負荷の抵抗と発生器全体のコンデンサ容量で与えら量による制限を行うことで，繰り返し動作が可能である．

れる時定数によって決定されるので，マイクロ秒と長くな（４）マルクス発生器の作製る．

ギャップスイッチをBJTに置き換えたマルクス発生器の２０８

Lecture Note

4. Design and Practice of Pulsed Power Circuit

K. Takaki et al.

図１
８ シングルマルクス発生器と出力波形．

表２（５）おわりに

パルスパワー回路に利用される磁心材料の物理特性．

本節では，ギャップスイッチを半導体素子である BJT

鉄基
コバルト基
鉄基
Mn-Zn
ナノ結晶質合金 アモルファス合金 アモルファス
フェライト
（２
７
１
４）
（FT-3H） （２６０５CO） 合金

磁性材料

へ置き換えたマルクス発生器を紹介した．BJT の単価が安く，構成素子もコンデンサ，抵抗であるため発生器のコス

飽和磁束密度 Bs
（T）

1.23

1.8

0.57

残留磁束密度 Br
（T）

1.09

1.6

0.52

0.26

発生器以外にもナノ秒短パルス［２１］を出力するものやパル

初透磁率（at 0.02 T）$&

−

14000

1700005300

ス幅を可変できるマルクス発生器［２２，２３］も存在する．い

比透磁率
（at１
０
０kHz）$(

5000

5000

80000

5300

ずれも安価で研究室にある材料でパルスパワーを発生でき

飽和時比透磁率 $(
)

〜1

〜1.3

〜1

〜3

ることが大きな魅力の１つである．これらの製作を通し

保磁力 Hc（A/m ）

0.6

4

0.2

8

て，パルスパワーへの興味や理解が深まれば幸いである．

半周期（0.5us）コア損失 Pc（J/m3）

710

1680

−

70

トも低く抑えることが可能である．今回紹介したマルクス（上野崇寿）
４．
２．
２ パルストランスと磁気圧縮回路
本節では強磁性体を用いたパルストランスと磁気パルス

0.44

０−6）
飽和磁歪 #（
) ×１

0

35

0

0.6

キューリー温度（℃）

570

415

225

＞ 150

抵抗率 %
（μΩ-m）

1.2

1.23

1.42

1×10１２圧縮回路について述べる．パルストランスや磁気パルス圧
縮用可飽和インダクタに用いられる磁性材料の特性を表２に示す［２４］．形状としては図１９に示すようなトロイダル形
状がよく用いられる．これら磁心材は大きさにもよるが小型の汎用品だと数千円から入手できる．パルストランスも一般的な AC トランスと同様に一次巻線とに二次巻線の巻%"）で昇圧比が決まる．当然のことながら磁気飽
数比（%#!
和させないように設計する必要がある．磁気飽和したトラ
ンスでは一次巻線と二次巻線の磁気結合が無くなりエネル
ギー転送がうまくいかない．磁気飽和しないパルストラン

図１
９ トロイダル磁心材．

スの設計にはパルストランス一次側に入力されるパルス電
圧波形を見積もる必要がある．パルストランス設計におい（ただし "(は残留磁束密度）として利用することで高価なてトランス一次側の電圧時間積と磁心材の磁束密度変化の磁心材料の容積を軽減して使用できる．パルスパワー用の関係は次式のようになる．

パルストランスの一次巻線はできるだけインダクタンスを小さくする必要がある．リッツ線を用いたり，巻線の並列

#)

! $$
'
%'
%
#%"! "%&"%"!'""!

!'

数を増やして低インダクタンス化を計る必要がある．パル（６）

ストランスは一次側の入力電圧が数 kV，二次側出力電圧

ここで #$は電圧が印加される時間，$$'%はトランス一次は数 kV から数 100 kV の高電圧を発生することが多い．そ側に印加される電圧，%" はトランス一次の巻数，!' は巻のためパルストランスの巻線は十分耐電圧のある高電圧線部の磁心材断面積，Δ" は磁束密度変化量である．通常ケーブルを用いる．シリコンケーブルが扱いやすいが安価

AC トランスでは """#"$（ただし "$は飽和磁束密度）でな架橋ポリエチレンケーブル等もよく利用されている．

あるが，パルストランスでは正負どちらかの片極性である

磁気パルス圧縮（MPC ; Magnetic Pulse Compression）回

ため """"$となる．保持力以上の逆バイアス磁界を発生

路とは磁気スイッチとして機能する可飽和インダクタを用させる三次巻線（リセット巻線）を施して """"$!"(

いて電流パルスを時間圧縮していく回路である．電流パル
２０９Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.3 March 2011

心材断面積，!" は磁束密度変化量である．磁気パルス圧
縮回路は LC 共振回路であり，パルス幅 ##は次式で表すことが出来る．
#%#!%,%
##$
"$
#""

（８）

ここで %#は電流ループ I2 の漂游インダクタンス，%'は SI1の飽和後のインダクタンス，##$は #"と ##の直列接続時の合成容量である．この値をいかに小さくするかが短パルス化につながる．
#" 充電直後に SI1 がオン（飽和）し #" が放電して ##に電荷転送が行われる．この時も同様に SI2 がオフ（未飽和）状態を維持するように設計すると##は効率よく充電される．同様に ##充電直後に SI2 がオン（飽和）して #+を高速充電（パルス圧縮）し負荷にパルスパワーを印加する．
図２０ ２段磁気パルス圧縮回路と各部の電流電圧波形．

（佐久川貴志）４．
２．
３ 誘導性パルス発生回路

スを圧縮することで電流のピーク値が増加する．可飽和イ

半導体オープニングスイッチを用いた誘導性エネルギーンダクタとは強磁性体の透磁率の非線形現象を用いること

蓄積型パルスパワー電源［２，１６］の回路図を図２１に示す．回で通電しない状態（非飽和時）と通電する状態（飽和時）を

路は，充電コンデンサ #"，ギャップスイッチ，パルストラ

作ることができる．図２０に典型的な２段磁気パルス圧縮回ンス（２：１０），１次エネルギー蓄積コンデンサ ##，２次エ路と各コンデンサ（#"，##，#+）の電流電圧波形の模式図

ネルギー蓄積インダクタ %，半導体オープニングスイッチを示す［２５］．SI０〜SI２は可飽和インダクタ，PTは昇圧用の（SOS ; Semiconductor Opening Switch）ダイオード（Volt-

パルストランスである．#!##+は充放電用のコンデンサ

age multiplier, K100UF）によって構成している．パルスト

である．SW は半導体スイッチである．動作としてはまず

ラ ン ス に は 可 飽 和 磁 性 体 コ ア（日 立 金 属 株 式 会 社 製

充電器でコンデンサ #!を充電する．#!充電後 SW をオン

FT-3L）に２：１０の比率で巻き線したものを用いた．

すると #!に充電されていた電荷は放電し PT を介して昇圧

コンデンサ #"が直流電圧 ('によって充電されギャップ比に対応した電圧で #"を充電する．このとき SW オン後数スイッチが短絡すると，パルストランスを介して，#" からマイクロ秒 SI0 が高インダクタンス状態で電流を流さない##にエネルギーが転送される．##が充電され，磁性体コアようにする．そのことで電圧と電流の位相差が生じ，結果が磁気飽和すると，そのインピーダンスが急激に低下し，的に電圧と電流の積で決まるスイッチング時の電力損失がほぼ導通状態となる．そのため，SOS ダイオードに順方向低減できる．これを磁気アシストという．#"は#!の充電電に電流が流れ，インダク タ %にエネルギーが転送され圧より昇圧された電圧で充電される．このとき SI1 はオフ

る．その後，##と %およびパルストランスのインダクタン（未飽和）状態を維持するように設計すると高インダクタ

ス成分による LC 振動によって電流が反転する．順方向電ンス状態で電流を流さないようにして効率よく #!から #"流が流れ込む SOS には少数キャリアの蓄積が起こり，続くに電荷の転送が行われる．SI1 の未飽和状態を維持する時

極性反転時には，蓄積したキャリアは逆方向電流となって間は，式（６）同様，次式のように求めることができる．

流れる．ある時間を経て空乏層の蓄積電荷が消滅したときに急激な電流遮断が起こり，SOS ダイオード両端に以下の'"! (# $,(,%"*&$ ! "(+"*&$!)!"
!

"

"

"

!)

式に示すパルス電圧 -*が生じる．

（７）()-*"% '&'(,

こ こ で '" は #" の 充 電 電 圧 が 最 大 に な る ま で の 時 間，,(# $%は #"の充電電圧，*'% は SI1 の巻数，!) は SI1 の磁
"

（９）

"

（a）回路

（b）写真
図２
１ SOS ダイオードを用いたパルス電源．

２１０

Lecture Note

4. Design and Practice of Pulsed Power Circuit

K. Takaki et al.

図２
３ ダウンロードケーブル．

図２
２ SOS ダイオードを用いたパルス電源の電流・電圧波形．

図２２に，出力端を解放とした場合の，ギャップスイッチ
両端の電圧 $!，SOS ダイオードへの電流 #$#$，出力電圧$%の波形をそれぞれ示す．このとき，"，!"はそれぞれ9.1 μH，2 nF とした．充電電圧は約 6 kV である．図より
230 ns の時点で，電流の急激な遮断が生じ，約 28 kV のパルス電圧が発生していることがわかる．パルス幅は，半値
幅で約 50 ns となっている．ギャップスイッチ部を MOSFET などの半導体スイッチにすることで繰り返し周波数も大きくとれる．

（高木浩一，高橋克幸）
図２
４ FPGA ブレッドボード．

４．
３ 高度な制御
ここでは，実際に開発したパルスパワー発生装置を例

FPGA ブレッドボードは多くの企業が販売しており，本開に，組み込みシステムを用いた高度な制御について述べ

発では価格が安く小型なヒューマンデータ（http://www.

る．FPGA（Field Programmable Gate Array）を磁気パル

hdl.co.jp/）のブレッドボードを購入した．HW-USB-G のダ

ス圧縮回路（MPC ; Magnetic Pulse Compression）方式のパ

ウンロードケーブルは USB で接続でき，FPGA ブレッド

ルスパワー発生装置へ組み込み，ソフトウェアを用いて高ボード上の JTAG ポートと接続させ，作成したソフトウェ

度な制御を行う．

アを簡単に FPGA へ書き込むことができる．

４．
３．
１ 組み込みシステムを用いた制御

FPGA のハードウェア記述言語として，主に VHDL と電子機器の制御はロジック IC などを用いた電子回路やVerilog HDL の２種類が対応している．本研究では Verilog

機械的な操作で実現していたが，テレビや冷蔵庫，携帯電

HDL を用いて開発を行った［２７］．Verilog-HDL は C 言語と話など，現在の電子機器は組み込みシステム［２６］を用いる

プログラムコードが似ており，演算式や条件判断文などのことが一般的である．近年はパルスパワーを用いた応用研

記述はほとんど同じである．

究・産業応用の発展に伴い，パルスパワー発生装置の制御（２）ハードウェアとソフトウェア
図２５にロジック IC を用いたコントローラ，図２６に FPGAが複雑化し，組み込みシステムを用いた制御が有効となってきた．

を用いたコントローラを示す．FPGA の導入によって電子（１）開発環境の準備
開発環境は下記である．
FPGA：Xilinx 社 Spartan-3
開発言語：Verilog HDL
統合開発ツール：Xilinx 社 ISE Design Suite 12.1
ダウンロードケーブル：Xilinx 社 HW-USB-G（図２３）
FPGA ブレッドボード：ヒューマンデータ社
Spartan-3 VQG ブレッドボード（図２４）
コンパイルなどの機能を持った統合開発ツールは，Xilinx のウェブページ（http://japan.xilinx.com/）から無償でインストールできる．FPGA，水晶発振器，ダウンロード
図２
５ ロジック IC を用いたコントローラ．

用の JTAG ポート，LED や操作用スイッチなどを搭載した
２１１

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.3 March 2011

図２
８ タイミングチャート．
図２
６ FPGA を用いたコントローラ．

図２
９ FPGA で作成した制御信号．

図２
７ パルスパワー発生装置の構成．

部品の数を減らすことができ，柔軟な仕様変更，高度な制御の実現など，様々なメリットが得られる［２８］．
図２７にパルスパワー発生装置の構成を示す．パルスパ
ワ ー 発 生 装 置 は，FPGA を 用 い た コ ン ト ロ ー ラ，充 電器，パルスパワー発生装置で構成される．FPGA は，操作部からの操作命令，充電器および MPC からの異常信号の受け取り，MPC へのトリガ信号と異常制御，充電器への異常制御と充電制御，表示部への表示命令を送っている．コ
ントローラの操作部は，周波数設定用スイッチ，電圧設定
用メーター，電源スイッチ，トリガスイッチ，リセットス
イッチを持っており，表示部はパルスカウンタ，異常個所の LED 表示などを行っている．
パルスパワーの出力に関するタイミングチャートを図２８に示す．周波数の立ち上がりと同時に充電禁止信号を OFFにし，この仕様では 1.5 ms の間充電を行う．その後，50 μsの保護時間をおいて，トリガ信号を ON にすることでパル
図３０ フローチャート．

スパワ ー が 出力 さ れ る．図２９は FPGA で 作 成 し た 周 波
数，充電禁止，保護時間およびトリガの信号であり，この信号で充電時間およびパルスパワーの出力制御を行っていがり（OFF から ON）を検出し，周波数信号が立ち上がりる．

であれば７〜１６行の充電制御へ移行する．充電制御へ移行

これらの FPGA の信号はプログラミングで作成でき，仕後は，充電禁止信号を許可にして 1.5 ms の間コンデンサの様変更や制御の追加などに柔軟な対応ができる．図３０にフ充電を行い，次の保護時間制御へ移行する．保護時間制御

ローチャート，図３１に作成したプログラムのソースコードが終わるとトリガ制御へ移行し，パルスパワーが発生すを示す．

る．トリガ制御が終わると，周波数の立ち上がり検出を待作成したプログラムは，１〜６行で周波数信号の立ち上つ状態へ戻り，その後は同じ処理を繰り返す．
２１２

Lecture Note

4. Design and Practice of Pulsed Power Circuit

K. Takaki et al.

図３
２ パルスパワー制御のイメージ．

図３
３ MPC 方式パルスパワー発生装置の回路図．
図３
１ プログラムのソースコード．

る．また，初段コンデンサ（C０）の充電電圧を制御すれば，
パルスパワーの電圧値が制御できる．制御に少しの工夫を

１０行目の if 文の成立条件を == ではなく， ＞＝ と記入れることで，様々なパルスパワーの制御が実現する．

述した理由は，FPGA がパルスパワー発生時の EMI ノイズ（秋山雅裕）の影響を受けやすく，条件文の判定が頻繁に抜けてしまう

４．
４ 目的別マニュアルためである．一般的には使用しない記述だが，パルスパ
ワーのノイズ対策として非常に有効であった．

ここまで家庭のコンセントに来ている AC100 V の電圧

４．
３．
２ パルスパワーの制御を，昇圧およびパルス圧縮して，数万ボルトのナノ秒もし組み込みシステムをパルスパワー発生装置へ導入するこ

くはマイクロ秒パルス高電圧の発生する方法について述べとで，プログラミングによる高度な制御が可能となった．

てきた．ここでは，より時間がない人のために，市販のプログラミングを用いた制御を工夫することで，装置だけグッズを利用してパルス電圧を得る方法や，適当なパルス

ではなく１ショット毎のパルスパワーを制御することもで電源を購入もしくは作成の相談先の情報を記載する．

きる［２９］．図３２にパルスパワー制御のイメージ図を示す．

４．
４．
１ １時間以内にパルスがほしい；ピエゾ素子

高繰り返し動作中の周波数変更，パルス間のインターバ

最も安価・容易に高電圧パルスを発生させることができ

ル，出力回数の指定など，様々な制御が可能である．

る手段の一つとして，ピエゾ素子（圧電素子）が挙げられ

パルスパワーの出力のタイミングは，図３３のトリガ信号

る．ピエゾ素子は，振動や圧力が加わると電圧が発生し，によって制御されている．プログラミングで作成した制御

素子に電圧が加えられると伸縮する素子で，ライターやガ信号をトリガ信号として使用すれば，パルス間のインタースの着火や，スピーカーなど幅広く用いられている．図３４

バルや出力回数の指定など，図３２のパルス制御が実現す（a）に，市販の電子ライター（１００円で２個入り）から取り（a）写真（b）出力電圧波形（c）ミニかみなりの生成デモ

図３
４ ピエゾ素子を用いたパルス高電圧の発生の様子．

２１３

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.3 March 2011

出したピエゾ素子部を示す．ボタンを押すと素子に圧力が術，試作，技術移転等を行う．窓口は，取締役副社長

加わることにより，図中矢印間に高電圧パルスが発生すの秋山秀典（fusiontechs@fusiontech.jp）．

る．図３４（b）に，発生する電圧波形を示す．図より，12 kV○ PPJ!パルスパワー技術研究所：（1.2 万ボルト）が容易に発生できることがわかる．高電圧

http://www.myppj.com/

発生部をある程度近づけると，図３４（c）に示すように，火花パルスパワーを専門として発生と制御に関する技術支放電が発生する［９］．ライターやガスコンロでは，この火花

援・実験品試作・共同研究などを行っている．

によって燃料ガスに着火し火を灯している．５０円で作るこ○ "末松電子製作所：http://www.suematsu-el.jp/とのできるパルス電源となる．

出力パルスの立ち上がり時間が数十ナノ秒の小型で安４．
４．
２ 安価な既製品を活用したい；スタンガン

価なパルスパワー電源の販売を行う．国外の販売に対

図３５（a）に，スタンガン（タイタン QUASAR；１３万ボル

応している．

ト；定 価 15,800 円）の 外 観 を 示 す．ス タ ン ガ ン は 電 気○ シシド静電気!：http://www.shishido-esd.co.jp/

ショックを与える機器で，護身用に用いられる．定価は主に除電などの静電気障害対策を目的とした小型の高15,800 円だが，ネット販売では 3,980 円である．販売されて圧電源の設計製作を行っている．窓口は，新横浜工

いる種類も多く，発生する電圧は製品によって異なるが，場・研究開発センターの竹内隆一（メール：r̲takeuchi@

一般的に数万〜数十万ボルトである．電圧は電池（９ボルshishido-esd.co.jp，電話：０４５‐９４８‐４４１０，FAX：０４５‐

ト程度）を，半導体スイッチを用いて交流に変え，先に述９４８‐４４１５）．
（高木浩一，高橋克幸）

べたコッククロフト・ウォルトン回路などによって昇圧している．図３５（b）に，スタンガンで発生する電圧波形を示す．図より，0.5 μs（一千万分の５秒）程度の時間で，38 kV

４．
５ おわりに（3.8 万ボルト）の電圧が発生していることがわかる．電圧

今回の講座では，誰でも気軽にパルスパワーが利用できがある程度高くなると（絶縁破壊電圧に達すると），図３５るように， ちょいパル （ちょっと，パルスパワー）と（c）に示すように，電極間で火花放電が生じる．火花放電のいったコンセプトでパルスパワーの生成方法について記載

インピーダンス（電気の流れを妨害する尺度）は，空気にした．パルスパワーの生成方法は，その規模や用途によっ比べ，非常に小さい．その結果，図３５（b）に示すように電圧て多岐に分かれ，サイズや価格帯も幅が大きい．ここで紹が急激に低下する．

介した記事が入り口となり，気軽にパルスパワーを使い，

４．
４．
３ 目的に適した電源に仕上げてもらいたい；ここに

パルスパワー人口が増えれば，筆者等の喜びである．

相談！
ここまで述べてきたパルスパワー電源の作成や購入に関

参考文献

しては，もちろん筆者らに連絡をいただければ，相談にの［１］八井 浄，江偉 華：パルス電磁エネルギー工学（電気学
会，２
０
０
２年）
．
［２］秋山秀典編著：高電圧パルスパワー工学（オーム社，
２
０
０
３年）
．
［３］京都ハイパワーテクノロジー研究会：パルスパワー工学の基礎と応用−プラズマ・レーザ・粒子ビーム・X
線の発生と応用−（近代科学社，１
９
９
２年）
．
［４］H. Bluhm, Pulsed Power Systems (Berlin: Springer, 2006).
［５］H. Akiyama, T. Sakugawa, T. Namihira, K. Takaki, Y.
Minamitani and N. Shimomura, IEEE Trans. Dielectric

ることは可能である．ただ， お金はある．時間はない．誰か適当な電源を作成してほしいと考える場合，電源メー

カーへの問い合わせとなる．以下に，電源メーカーなど，
相談先について記載する．
○ "融合技術開発センター：
http://fusiontech.jp/index.html
パルスパワーに関する融合技術開発コンサルタント，
環境エネルギー機器・医療バイオ機器・組み込み技（a）写真（b）出力電圧波形（c）放電発生部の様子

図３５ スタンガンを用いたパルス高電圧の発生の様子．

２１４

Lecture Note

4. Design and Practice of Pulsed Power Circuitand Electrical Insulation, 14(5), 1051 (2007) .
［６］高木浩一，浪平隆男：電気学会誌 126, 784 (2006).
［７］高木浩一：電学論 A 130, 963 (2010).
［８］秋山秀典，勝木 淳，浪平隆男：放電学会誌 45, 2 (2002).
［９］高木浩一，猪原 哲，高橋 徹，杉山敏樹：プラズマ・核融合学会誌 80, 669 (2004).
［１０］高木浩一：応用物理 77, 426 (2008).
［１１］高木浩一：静電気学会誌 32, 104 (2008).
［１２］高木浩一，高城 大，井上祥史，加藤 正，笠木俊一：エ
ネルギー環境教育研究 5, 86 (2010).
［１３］高木浩一，佐藤秀則，高橋 徹，猪原 哲，向川政治：大学一年生のための電気数学（森北出版，２
０
０
６年）
．
［１
４］高木浩一，佐藤秀則，高橋 徹，猪原 哲：できる！電気回路演習（森北出版，２
０
０
９年）
．
［１
５］江 偉華，高木浩一：プラズマ・核融合学会誌 87, 669(2011).
［１６］江 偉華：プラズマ・核融合学会誌 87, 46 (2011).
［１７］M.A. Jani, K. Takaki and T. Fujiwara, J. Phys. D: Appl.
Phys. 32, 2560 (1999).
［１８］T. Namihira, S. Tsukamoto, D. Wang, S. Katsuki, R.
Hackam, H. Akiyama, Y. Uchida and M. Koike, IEEE
Trans. Plasma Sci. 28, 434 (2000).

K. Takaki et al.

［１９］上野崇寿：大分工業高等専門学校紀要 45, 16 (2008).
［２０］上野崇寿，渡邊一光，猪口 誠，佐久川貴志，秋山秀典：
パルスパワー放電研究会 PPT-09-103, 7 (2009).
［２１］上 野 崇 寿，佐 久 川 貴 志，秋 山 雅 裕，浪 平 隆 男，勝 木
淳，秋山秀典：静電気学会誌 32, 216 (2008).
［２２］内田香輝，上野崇寿：平成２２年度高専連携教育研究プ
ロジェクト発表会資料 22 (2009).
［２３］上野崇寿：ミニチュアパルスパワー電源の開発とその応用（熊本大学大学院自然科学研究科 複合新領域科学専攻博士論文，2009.3）．
［２４］佐久川貴志，秋山秀典：機械の研究 62, 949 (2010).
［２５］佐久川貴志：プラズマ・核融合学会誌 76, 15 (2003).
［２６］藤広哲也：よくわかる組み込みシステムの基本と仕組
み（秀和システム，２
０
０
５年）
．
［２
７］堀桂太郎：図解 Verilog HDL 実習（森北出版株式会社，
２
０
０
６年）
．
［２
８］秋山雅裕，猪口 誠，佐久川貴志，秋山秀典，上野崇寿，
末松謙一，甲田 忠：プラズマ・核融合学会誌 85, 631(2009).
［２９］M. Akiyama, T. Sakugawa, S. Hamid R. Hosseini, E.
Shiraishi, T. Kiyan and H. Akiyama, IEEE Trans. Plasma
Sci. 38, 2588 (2010).

２１５

J. Plasma Fusion Res. Vol.87, No.4 (2011)２
６８‐２７５講座 パルスパワー技術入門

５．パルスパワー技術の応用
勝木淳，高 木 浩 一１），浪 平 隆 男
熊本大学，岩手大学１）（原稿受付：２
０
１
１年３月１
８日）

パルスパワーは，宇宙，慣性核融合，超高エネルギー密度物性研究などの大型科学研究とともに発展してきた．最近では，小型化や高繰り返し化などの電源技術の飛躍的発展によって，光源，環境，医療，食品，農業など，身近なところで利用されつつある．パルスパワー技術入門の最終回となる今回は，パルスパワーの利用形態を述べ，いくつかの特徴的な応用を挙げその概略を述べる．
Keywords:
pulsed power, high power particle beams, discharge excited gaseous laser, high energy density plasma,
atmospheric pressure non-thermal equilibrium plasmas, underwater plasmas, underwater shock wave,
radiation sources, environmental applications, biological applications

５．
１ パルスパワーの特長

ルギーを回路的に圧縮したものをパルスパワーと呼ぶこと

パルスパワーの特徴は，大電力であることと対象への作が多いので，ここでも電気エネルギーのパルスパワーを中

用時間がきわめて短いことである．このパルスパワーがど心に話を進める．

んなことに使えるのか，抵抗体に電流を流して加熱する例

５．
２．
１ 高エネルギー密度プラズマを考えてみよう．ゆっくりと電流を流す場合，与えた熱エ

高エネルギー密度プラズマは，１００万気圧に及ぶようなネルギーに伴って抵抗体の温度が上昇するが，同時に放射

超高圧現象であり，宇宙物理，核物理，状態方程式などのや熱伝導によってエネルギーが散逸する．電流を大きくし学術的興味の対象として非常に魅力的である．一方，慣性ても温度上昇とともに散逸エネルギーも増加するので，最核融合，X 線レーザー，中性子源，高エネルギーフォトン

終的にはエネルギー付与と散逸がバランスしたところで抵

源など，科学技術としての利用価値も高く，古くから多く

抗体の温度が決まる．このエネルギー散逸は，不安定性のの研究者が関わってきた．本章で扱う高エネルギー密度プ

成長や非熱平衡状態の緩和など，系のエントロピーを増大

ラズマはパルスパワーの応用としての位置づけであり，高させるように様々な形で現れ，対象におけるエネルギー密エネルギー密度プラズマが何たるかについては他の文献

度（この場合は温度）の上昇を妨げる．これに対してエネ［１］にゆずることとして，その典型的な特徴と生成方法を

ルギー散逸の時間に比べてはるかに短い時間に大電流を流中心に述べる．

したらしたらどうだろう．放射損失は避けられないが熱伝（１）ピンチ放電プラズマ
図１にパルスパワー放電を利用したプラズマ生成方式を

導損失は大きくならないので，より高い温度まで温めることができる．このように，パルスパワーは，系のエネル

模式的に示す［２，３］．いずれの方式も電磁力によるプラズ

ギー散逸・緩和の時定数よりも短い時間でエネルギーのやマのピンチ（pinch）現象を利用したものである．その中でりとりを行うことによって，より大きいエネルギー密度を

最も代表的な Z ピンチ方式（a）を例にとってその動作原理実現するための技術であると考えることができる．

を述べる．プラズマ中を放電管の軸方向（図では Z 軸は水平方向）に流れるパルス電流とそれにより発生する方位角５．
２ パルスパワーの利用形態

方向の磁界によって，プラズマを強力にピンチし，衝撃波

従来，パルスパワーは，加速器などのように電磁エネル

加熱とともにジュール加熱によって高温・高密度のプラズ

ギーとして直接使われる場合もあるが，むしろ荷電粒子

マ柱を放電管軸上に生成する．プラズマ源となるガスの供

ビームやプラズマなどに一旦別のエネルギー形態に変換し給方式として，絶縁壁を持つ放電管に所定の圧力でガスをて使われることの方が多かった．最近では，特にバイオ応詰めておくガス詰め型と，真空中で高速バルブによってパ

用では，パルス高電界やパルス強磁界という直接的な形でルス的に電極間のみにガスを供給するガスパフ型とがあ使われる例も多くなってきた．本節ではパルスパワーの一る．ガスパフ方式では絶縁壁は不要である．その他，電磁次変換エネルギー形態について述べる．なお，極短パルス

力でプラズマを加速して粒子の運動エネルギーを高めてかレーザーは究極のパルスパワーであるが，概して電気エネ

らピンチさせるプラズマフォーカス放電（b），細い絶縁物

5. Application of Pulsed Power Technology
KATSUKI Sunao, TAKAKI Koichi and NAMIHIRA Takaocorresponding author’s e-mail: katsuki@cs.kumato-u.ac.jp

２６８!2011 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion ResearchLecture Note

5. Application of Pulsed Power Technology

S. Katsuki et al.

面処理［４］やフライヤー加速［５］などに用いた例もある．
その他，水中の金属細線を高速大電流で溶断することによって，比較的低温の高密度状態，いわゆる Warm Dense
Matter を生成でき，物性研究に用いられている．
５．
２．
２ 大気圧非熱平衡プラズマ
大気中に離して置いた２つの電極に電位差を与え徐々に大きくすると，いずれ雷放電（アーク放電）が起こる．この放電を超高速カメラで観測すると，正電極近傍に放電の種ができてからアーク放電に至るまでのサブ μs の間，徐々に発光が強くなる．この過程は放電の前駆現象と呼ばれる．電子なだれが集まってストリーマになり，その後空間
図１

が温められながら導電率が上昇するとともに不均一性が成放電型高エネルギー密度プラズマ生成方式［３］．

長して局部的な放電，すなわちアーク放電に至る．パルスの管の中で放電プラズマを生成し，壁で高エネルギープラ

パワーを用いてこの前駆現象よりもはるかに短い時間のみズマを閉じ込めるキャピラリー放電（c），陰極の表面積を電界をかけることによって，電子のみが運動エネルギーを増加することによって電流密度を小さくし，放電による陰有する極端な非熱平衡状態を実現できる．図２は，振幅 70

極の損耗を低減したホローカソード放電（d）がある．

kV の高速な立ち上がりを有するパルス電圧を同軸線対円（２）レーザー生成プラズマ

筒電極に印加したときの軸方向からみた可視発光像の時間

ガラスレーザーや炭酸ガスレーザーのような大出力パル推移である［６］．電界が集中する線電極近傍で発光が始まスレーザー光を直径 100 μm 程度以下に集光し，金属や Xe

り，約 50 ns で電極間を横断し外部電極に到達しているこの氷等の固体表面に照射すると，入射パワー密度がきわめとがわかる．50 ns までは極端な非熱平衡状態であり，ここて大きいので，その表面に高温・高密度プラズマがスポッまでの現象のみを利用すればイオンや中性粒子を温めるこト状に発生する．このときプラズマ中の多価に電離したイとなく 10 eV 程度の高エネルギー電子を利用できる．このオンから軟 X 線が放射される．レーザー生成プラズマから

ナノ秒パルスパワーは，後で述べる大気圧ガス処理におい発生する光の波長は基本的にターゲットの元素組成で決定て，きわめて高い効率の処理を実現できる画期的な技術とされ，元素に応じて数 nm から数十 nm の範囲で，連続的なして期待される．

光や輝線状の光が得られる．パルスレーザー光を線状に集５．
２．
３ 液中プラズマ

光して，平板ターゲットあるいは細線に照射すると，直線水中に置いた針電極に急峻に立ち上がる 100 kV 程度の状で膨張するレーザープラズマが生成される．この膨張す

高電圧を印加すると，図３のような放射状に広がりをもつるプラズマ内では温度の急激な低下に伴い，イオンの準位

筋状の放電が発生する［７］．この筋状の放電を，大気圧放電

密度に反転分布が生じる．このときプラズマに沿った光のの前駆現象に見られるストリーマと同様に単にストリーマ

増幅利得が１以上となるので光増幅が可能となり，コヒーと呼ぶことが多い．ただ，気体中のそれとはメカニズムがレントな軟 X 線が発生される．

異なると考えられている．同軸線対円筒電極を用いると放（３）荷電粒子ビーム生成プラズマ

電外形は円筒型になる．水中におけるストリーマ進展の速レーザーと同様に，高エネルギーの荷電粒子ビームをさは，約30 km/sであり，一旦放電の進展が開始すると，若ターゲットに照射することによっても高エネルギー密度プ

干電圧が変動してもほぼ一定である．放電進展の速さは電ラズマを作ることができる．レーザーと比較すると，粒子圧に強く依存しないことから，放電体積を増やすためにはビームは発生効率とターゲットでの吸収効率が高い．特にパルス幅の長い電圧が必要となる［８］．ストリーマ放電のパルスパワー装置で駆動される相対論的電子ビームや軽イ
オンビームは比較的簡単な装置で大電力を発生できるため，主に慣性核融合のエネルギードライバーとして古くから高エネルギー密度プラズマ生成実験に用いられてきた．
粒子ビームとターゲットが相互作用したときエネルギー付
与は，荷電粒子の出力密度（加速電圧×電流密度）だけでなく，ターゲット内での飛程に依存する．ターゲット内での飛程は荷電粒子の質量に比例的に依存するので，軽い粒子ビームの場合は，ターゲット上でのエネルギー密度を大きくするために加速電圧を小さくしてビーム電流密度を上げる必要がある．相対論的電子ビームの場合は，発生効率が高い上，簡単な装置で発生できるが，飛程が長い上に，

図２

自己磁場の影響が非常に強いので制御が難しく，エネル
ギー密度の高いプラズマ形成にはあまり用いられない．表
２６９

大気中同軸線対円筒電極間におけるパルスパワー放電の可視光像の時間推移［６］（線電極と円筒電極の直径はそれぞれ 0.5 mm，76 mm，奥行きは 10 mm）．

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.4 April 2011５．
３ 電磁波源としての応用
パルスパワーで最も産業的に成功しているのはパルス高出力レーザーであろう．媒質の反転分布形成には高速のパルスパワーが必要とされる．また，高エネルギー密度プラ
ズマでは高密度で多価イオンを生成できるので，輝度の高い高エネルギーフォトン源となりうる．さらに，パルスパ
図３

ワーをプラズマや荷電粒子ビームに変換してこれらの非線

水中パルスパワー放電プラズマと物理化学作用の模式図［７］．

形波動現象を利用して強力なパルス電磁波を発生させることもできる．以下に例を挙げる．
５．
３．
１ 放電励起型パルス高出力レーザー

先端では，放電先端の超高電界，紫外線，衝撃波，ラジカルの発生などの様々な高エネルギー密度現象が起こってい多くの気体レーザーは放電によって励起される．固体にる．放電が一定の速さで水中を進展している間，上に述べ比べ媒質密度の希薄な気体レーザーで大きい出力を得るた

た作用の及ぶ範囲が水中を移動することになり，広い範囲

めには気圧を高くする必要がある．高気圧下では放電の均の水が高エネルギー状態に曝される．これらの高エネル

一性が乱されやすく，安定なグロー放電が得にくい．レー

ギー現象は，水中の浮遊物に直接作用するので，例えば，

ザー励起に必要な放電の均一性には短パルス放電が有利で微生物駆除［７］や，有機高分子の分解［９］といった水質浄化ある．そのため高出力気体レーザーの励起にはパルスパに利用できる．

ワーが用いられる．パルス励起を必要とする代表的な気体

最近，媒質として超臨界流体を用いた例が報告されていレーザーとしては炭酸ガスレーザー，銅蒸気レーザー，窒る［１０］．超臨界流体自体は，液体に近い密度でありながら素レーザー，F2 レーザーや各種エキシマレーザーがあ

気体のように拡散性が大きく，物質の抽出などに産業利用る．ここでは，特に高速なパルスパワー電源を必要とするされているが，この性質とプラズマの反応性を掛けあわせエキシマレーザーについて述べる．エキシマとは，基底状た新規極限反応場の形成によって，新物質形成や難分解性態で結合しない２つの分子が励起状態において安定に結合物質の分解が試みられている．

する２原子分子のことである．エキシマの励起エネルギー５．
２．
４ 水中衝撃波は比較的大きいが寿命は数 ns ときわめて短い．エキシマ

大電流パルス放電によって衝撃波を発生させることがでレーザーは，高い光子エネルギーを持つ短い発振波長域ときる．衝撃波とは空気や水のような媒質中を音よりも速く

高効率・大出力・高繰り返し動作が可能な気体レーザーで伝わる圧力波のことであり，エネルギーが非常に短時間にある．エキシマレーザーは大気圧より高い圧力で動作させ蓄積されて瞬間的に解放される時に発生する．媒質中で放るため二体・三体衝突による脱励起が高速に起こる．効率

電させて高速に立ち上がる大電流を流すと，瞬間的に放電

よくエキシマレーザーを発振させるには，コロナ予備電離路が熱せられて局部的に急激な圧力上昇が起こり，媒質の方式等を利用した均一なグロー放電生成ときわめて速い励

高速膨張とともに衝撃波が発生する．したがって，大きな起が不可欠となる．駆動回路である磁気パルス圧縮電源

圧力の衝撃波を得るためにはエネルギーの高速注入，すな（MPC）はパルスの圧縮率を高めるために多段化されておわち電流の立ち上がりが高速であることが重要である．衝り，放電光のパルス幅も 50 ns 以下である．リソグラフィ用

撃波の伝搬速度は圧力の増加に伴って大きくなる．衝撃波

エキシマレーザーでは繰り返し 10 kHz までのものがある．

"%および温のマッハ数 !，衝撃波通過前後の密度の比 "&!

エキシマレーザーのリソグラフィ以外の用途としては液晶

度比 "&!
"%は，ランキン‐ユゴニオ（Rankine-Hugoniot）ののアニール，インクジェットプリンタのノズルヘッド加関係から，衝撃波前後の圧力を $&，$%とすると次のように

工，眼科治療（角膜除去）などに利用される．

表される［１１］．

５．
３．
２ 高エネルギーフォトン源
波長 30 nm 以下の極端紫外線から 1 nm 付近の軟 X 線領

"&!
"%$
##
!!
! "
$

（１）

"&!
"%$
"& ##
!!
"
"&!
"%
"%!#

（２）

"& #
"!
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"#$
"%!#&
%
" &
"%
"&!
"%
#

（３）

"

域は，半導体リソグラフィ，生体顕微鏡，分光光源，原子分子の素過程の研究等，いろいろな応用分野がある［３］．この領域の光源としては，シンクロトロン光（SOR）や，プラズ
マ光源が利用されている．SOR は，発生する軟 X 線の強度や発散角の小ささから理想的な光源と言えるが，装置が大規模であり容易に利用できるとは言い難い．これに対して水中放電によって形成される，衝撃波の空間プロファイル

高温・高密度プラズマを用いたプラズマ光源は比較的安価

は，放電を駆動するパルスパワーの時間履歴に依存する．

に装置を製作し利用することができる．ここでは，半導体

立ち上がりの高速なパルスパワーで駆動すると，衝撃波のリソグラフィ用の極端紫外光源について紹介する［１２，１３］．

波頭がシャープにかつピーク圧力が大きくなる．また，衝リソグラフィでは，レチクルによって加工する配線パター

撃波面通過後の負圧によってキャビテーションを発生させンをかたどった光を，シリコンウェハ上に塗布したレジスることも可能である.

トに照射し，レジストの光化学変化を利用してウェハ上に
２７０

Lecture Note

5. Application of Pulsed Power Technology

S. Katsuki et al.

回路パターンを形成する．ところが，光のフレネル回折にズマの場合，平均電子温度は数 eV，電子密度は放電形式によってウェハ上で像ぼけが生じ，これが加工パターンの解依存して 1015〜1021/m3 程度と推定されており，電子エネル

像度を決める．波長が短いほど回折が小さくなるので，集ギー分布の高エネルギー電子による電子衝突による解離・積化が進むにつれて光源の短波長化が必要である．リソグ

電離および生成されたイオン，ラジカルが反応を起こし，ラフィ用の光源は水銀ランプ（436 nm，365 nm）からエキ

有害大気汚染物質は処理される．非熱平衡プラズマの発生

シマレーザー（ArF：193 nm）へと足早に移り変わってき

方法には，（１）バ リ ア 放 電，（２）沿 面 放 電，（３）パ ッ ク ド

た．現在エキシマレーザーと特殊な光学技術によって約 30

ベッド放電，（４）コロナ放電に加えて（５）パルスストリーマ

nm の解像度でコンピュータチップが量産されている．さ

放電がある
［１５］．

らに集積化が進んで 30 nm 以下になると，高エネルギー密

放電プラズマによる有害大気汚染物質の処理への取り組

度プラズマを用いた極端紫外（EUV）光源が必要となる．こみとして，窒素酸化物 NOx（主に NO と NO２の混合物）のの帯域の光は大気および物質との相互作用が強いので，ミ処理について述べる．燃焼により発生するNOxは処理流量

ラーを用いた光のハンドリングは真空中で行われる．EUV

が比較的大きく，反応器内の広い空間でプラズマを生成す

光をウェハ上に集光するための反射ミラーにはシリコンとる必要がある．そのため比較的長い電極間を均一にプラズ

モリブデンの複合多層膜が用いられており，ミラーの特性マ化する必要がある．NOx の放電プラズマによる処理

上，波長 13.5 nm の光が利用される．２０００年以降，平均出力は，ガスの組成に大きく影響されるが，その主成分である

180 W の EUV 光源をめざして日欧米で熾烈な開発競争が窒素や酸素は，高速電子との衝突で解離や電離されて，活行われており，方式もレーザー生成プラズマ方式と放電プ性酸素（O）や活性窒素（N）がプラズマ中に生成される．燃ラズマ方式が競合している．プラズマターゲットには 13.5

焼排ガスを処理するプラズマ中での主要な反応としては，

nm 付近に強いスペクトルを有する錫が用いられる見込み

NOx の主成分である NO は次式のように比較的容易に酸化である．

されて NO2 となる．

５．
３．
３ 高出力マイクロ波・ミリ波
高出力マイクロ波・ミリ波の発生装置には，自由電子
レーザー，ジャイロトロン，バーカトール，後進波発振器，

NO＋O＋M → NO2＋M，（４）

NO＋O3 → NO2＋O2，（５）

相対論的マグネトロン等の方式があり，加速器，プラズマ

ここで M は第３体で，空気中では N2 や O2 である．燃焼排加熱，レーダーなど，様々な用途で使われている．これら

ガスのように処理ガス中に水分が存在するとプラズマによの中でも GW 級の出力が可能なバーカトール［１４］についてり OH ラジカルが生じるので，NO2 の一部はさらに述べる．バーカトールは仮想陰極発振器とも呼ばれる．真NO2＋OH＋M → HNO3＋M，

空中に置かれた陽陰極管にパルス高電圧を印加すると，陰極表面にプラズマが発生し，陰極と陽極間の電界によって（６）となる．添加ガスとしてアンモニア NH3 を導入するとプラズマから引き出された電子は光速近くまで加速されHNO3＋NH3 → NH4NO3，

る．その後，電子は陽極を突き抜けてドリフト空間に入る．

（７）

電子ビームがドリフト空間を伝搬できる限界条件（空間電硝酸アンモニウム（NH4NO3）となる．これは硝安と呼ばれ

荷制限電流）を超えようとすると，電位のくぼみが発生し，るエアロゾル粒子であり，肥料として利用できる．また次

このくぼみが作る電界によって後から来る高速電子が減速式のように還元されて NO に戻るとNOxの除去を阻害する

されて電位のくぼみはさらに深くなる．この電位のくぼみことになる．

を仮想陰極（virtual cathode）と呼ぶ．仮想陰極は安定に存

NO2＋O → NO＋O2，

在することはできず，時間的・空間的に振動する．この仮
想陰極の振動が電界を時間的に変化させマイクロ波を発生（８）（２）オゾン生成する．

オゾンは３個の O 原子で構成された独特の刺激臭を持つガスである．オゾンは容易に酸素原子を分離するため，き５．
４ 環境応用わめて強い酸化力を持ち，酸化・分解，殺菌，脱色，脱臭

本節では広範囲にわたる環境問題のなかでも有害ガスとなどの用途に用いられる．工業用オゾンの生成には無声放

水処理，省エネルギー・省資源化に貢献できる技術として電（バリア放電）を用いた装置（オゾナイザ：ozonizer）がリサイクルについて取り上げる．

利用されている．酸素ガスを原料とする場合，オゾンはオ

５．
４．
１ 大気圧ガス処理

ゾナイザ内部で発生したバリア放電により主として次のよ（１）有害ガスの分解

うな２段階の過程により生成する．

放電プラズマ処理の特長は，大気圧下で短時間に高効率な処理が行えることや，複数のガスが混在する場合でも適用できることにある．ただし，処理ガスの流量やガスの濃度や性状によって，その規模や装置の種類は異なる．

O2＋e → 2O＋e，（９）

O＋O2＋M → O3＋M，（１０）

ここで M は第３物質で，O，O2 または O3 である．前出の大 気 中 の 汚 染 物 質 の 濃 度 が 100 ppm を 下 回 る 場 合 に

バリア放電では，オゾナイザへの供給電力のうち，オゾン

は，非熱平衡プラズマが用いられる．大気圧非熱平衡プラ生成に利用されるのは最大でも 30％ 程度であり，残りの大２７１

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.4 April 2011

部分は熱となる．熱の発生は生成したオゾンの分解にもな素を添加すると，フェノールはより急速に分解される．放るため，電極の冷却が効率的な発生には必要である．また電を行わない場合には過酸化水素存在下においてもフェオゾン濃度が高くなると，生成したオゾンの一部はその解

ノールはほとんど分解されないのに対し，過酸化水素存在

離電圧が 1.04 eV と低いためプラズマ中で電子衝突により下では水中でのヒドロキシラジカル（OH＊）の生成量が増解離されて高濃度化を阻害することになる．オゾン分解を加するため急速に分解が進むと考えられる．放電のみによ抑えるための方法として，電極間隔を 0.1 mm 程度に短る処理だけでなく，触媒作用を利用することでより効率のギャップ化し，電子エネルギーを制御することで 300 g/Nm３

よい処理となる．

のオゾンの発生が可能なオゾナイザ が 開 発 さ れ ている

５．
４．
３ リサイクル［１６］．一方，５．
２．
２で述べたナノ秒パルスパワーを用いると（１）建設物廃棄コンクリート処理

ガス温度が上がらないので，非常に効率よくオゾンが生成

建設工事に伴い年間約１億トン排出される建設廃棄物できる［１７］．図４は様々な方式のオゾナイザをオゾン濃度（コンクリート塊）のリサイクル率は高々 50％ 程度に留と収率の観点で比較したものである．ナノ秒パルス方式

まっている．土木工事から大量に発生するコンクリート塊

は，オゾン濃度で若干劣るが，収率の点では実用化されてのリサイクル率の向上は循環型社会の構築に必要不可欠でいる短ギャップバリア放電のオゾナイザを凌ぐ．

あり，環境保全の観点から良質の骨材（砂利等）の入手が

５．
４．
２ 水環境浄化困難になりつつある現状を考慮すると，廃コンクリート塊（１）水中微生物の不活性化から骨材のみを分離して再利用するという新しいリサイク

湖沼において，経済活動に伴い周辺から流れ込んだリン

ルシステムの確立が望まれている．こうした中，パルスパや窒素などの栄養物質によって藍藻プランクトンが大量にワー放電を用いたコンクリート破砕法［１８］が注目されてい発生するようになった．水道水の水源におけるプランクト

る．破砕力が内部から生じるため反力が基本的に不要であンの大量発生は，景観を損ねるばかりでなく水質に影響すり，機械方式に比べて装置を小型・軽量化することができるため，緊急の対策が望まれている．水中パルスパワー放る．パルスパワー方式では，コンクリートと骨材の界面に電はアオコを形成する藍藻プランクトン（ミクロキスティ

おける放電や，界面での音響インピーダンスの不連続性にス）を効果的に不活化する［８］．水面近傍に浮遊するアオコ起因する衝撃応力によって，骨材がコンクリートから分離をプラズマに曝すと即座に沈降する．電子顕微鏡観察かされる．分離された骨材は損傷が少なく再利用可能であら，プラズマ処理後も細胞壁と膜構造は残り，細胞内の気る．水中に設置された高電圧棒電極とメッシュ状の接地電胞が消滅することがわかっている．

極の間に，事前に適当な大きさに砕いたコンクリート塊を（２）水中化学物質の分解

置き繰り返しパルス高電圧を加えると，コンクリート内部

機械部品や電子部品の洗浄に使用されるトリクロロエチ

で放電が生じて徐々に細かく砕けていく．放電が水を介しレン，クリーニング店でドライクリーニング用の溶剤に使てではなくコンクリート塊の中で生じるのは岩石内に含ま用されるテトラクロロエチレン，ゴルフ場で芝の保護・育れた微小空気層の存在に起因すると考えられている．

成のために使用されている農薬は，重要な飲料水源である（２）廃家電分離，貴金属回収

地下水を汚染する．現在の浄水過程においてはオゾン，活２００１年から家電リサイクル法が施行されて以来，年間約

性炭や紫外線を用いた高度処理が行われはじめているが，６０万トンに上る廃棄家電製品のリサイクルが見直されていこれらの物質の完全な除去ができていない．より簡易に有る．家電製品は都市鉱山と言われるほど，貴金属，ガラス

機物を分解するために，パルスパワーによる放電処理が検などリサイクルが可能な資源を多く有しており，特に多種討されている［７，９］．フェノールを含む溶液の中で図３の類の材料がはんだ付けされた電子回路基板の分別はリサイ

ようなプラズマを繰り返し生成すると，徐々にフェノール

クルの最も重要とされる処理の一つである．従来の機械的が分解される．さらに，フェノール溶液に対して過酸化水

破壊処理では，金属等の回収率が低くほとんどは廃棄されているのが現状である．リサイクル率を高めるために分別能力の高い新しい技術が研究されており，その一つにパルスパワーを用いる方法がある［１９］．水中に配置した棒電極とメッシュ電極間に対象物を配置しパルス高電圧を印加す
ると，電極間に放電が生じ衝撃波が発生する．この水中衝撃波によって対象物を破砕，分離する．対象物として音響
インピーダンスの異なる材料が密着して存在する場合，界面で剪断応力が発生し材料ごとに分離される．貴金属を限定的に狙って回収する場合は，パルスアーク放電を用いてターゲット部分を基板等から溶融，剥離させる［２０］.

５．
５ バイオ応用
パルスパワーのバイオ応用として，パルス電界を用いた
図４

各方式オゾナイザのオゾン濃度‐収率特性［１７］．

液体の低温殺菌が古くから研究されてきた．絶縁膜とみな
２７２

Lecture Note

5. Application of Pulsed Power Technology

S. Katsuki et al.

せる細胞膜に電界が集中して膜が壊れることを利用したもエレクトロケモセラピーの効果を増大すると考えられていのである．細胞に代表される生体は複雑系であり，これをる．これは，スーパーエレクトロポレーションと呼ばれる構成する多様な物質はそれぞれに機械的，電気的および化［２３］.

学的に固有の性質を有する．このため，パルスパワーで形

一方，ナノ秒パルス高電界で直接的にガンを不活化する成される高電界，強磁場，衝撃波，プラズマなどの極限環ことも可能である．培養したガン細胞に適当な条件のパル

境はそれぞれに特異的な生体ストレスとなり，これがきっス電界を印加するとアポトーシス（細胞のプログラム死）かけとなって様々な生体応答が誘導される．ここでは，バが誘導される．また，マウスの皮膚に移植したメラノーマ

イオエレクトリクスと称して拡大しつつあるパルスパワー（黒色悪性種）が日数の経過ととともに縮小し，数週間後にのバイオ応用分野の中から，最近の例を紹介する．

消滅したことが報告されている［２４］．このように，パルス

５．
５．
１ パルス高電界を用いた生体物理刺激

高電界は一部のがんに対して不活化効果を有することが確

生体細胞は，細胞膜，核，ミトコンドリアなどのオルガ

認されており，新しい癌治療装置として期待される．体のネラ，核酸やタンパク質などの巨大生体分子，アミノ酸な深部のがんに対して本方法を切開なしに使えるようにする

どの比較的小さい分子，水分子やイオンなどから成り，水ためには，パルス電界を体内の患部に限定的に印加する装素結合を主体する弱い結合が生体反応の重要な役割を担っ

置技術の開発も必要である．

ている．これらが 100 kV/m を超える強い電界にさらされ（２）創傷治療

ると，誘電的なストレスによって，条件によっては部分的

ナノ秒パルス高電界は出血を伴う外傷の治療にも効果がに壊れる．生体はこのストレスに対処すべく二次的生体活ある．外傷の治療とは，すなわち血小板を活性化させ，生動を開始する．前出の細胞構成物は大きさ・形状，帯電状

体本来の機能によって傷口をふさぐことである．血小板態，分子構造，移動度などが異なるため，外部からステッは，通常の血液中では滑らかな表面であるが，出血時には

プ電界を印加したときの過渡的反応はそれぞれ固有の時定

刺激物質により多数の長い突起を出し，金平糖のような形数で緩和する．この誘電緩和のメカニズムは３つに大別さになる．同時に新たに細胞膜上に細胞接着因子が発現し凝れる．第１は分子レベルの配向分極で，DNA やタンパク質集する．血小板は血管内皮に接着・凝集して傷口を塞ぎ，などの巨大分子と小分子では緩和時間が異なる．特に巨大一次止血栓を形成する．その後，血小板から各種凝固因子

分子では分子全体のマクロな分極と分子内のミクロな分極が放出されて，血液中にあるフィブリンが凝固し，二次止があり複雑である．２番目は細胞膜が薄い誘電膜としては血栓が形成され，止血が完了する．ナノ秒パルス高電界のたらくことに起因するもので，緩和時間は膜の充電時間に印加はこの血小板を活性化させる作用があることがわかっ相当する．３番目は，配向分極で生じる電位変化を媒質中てきた．小胞体に蓄えられているカルシウムは血小板の活のイオンが覆い隠す，いわゆるデバイ遮蔽であり，媒質中性に関わる作用物質であると考えられており，ナノ秒パル

での移動度が小さいため比較的ゆっくりとした現象であス高電界はこのカルシウムを放出させる作用がある［２５］.

る．外部電界を緩和時間程度で正負に振動させると，上述

５．
５．
３ 農業・食品応用の現象はダイナミックに振る舞うと予想される．現行の研農業，食品分野の応用は文献［２６］に詳しくまとめられて究は，膜充電に関わる現象を利用して細胞膜のストレスをいる．ここでは一部を紹介しよう．この分野では，様々な利用するものが多い．DNA やタンパク質固有の誘電性を場面で電磁エネルギー，特に電界が利用されてきた．品種

利用して選択的に刺激やストレスを与えることも原理的に改良では，電界を用いた細胞の融合，エレクトロポレーは可能であるが，これまでのところその効果が明示的に示ション（電気穿孔法）による物質導入などの技術が活用さされた報告は見あたらない［２１］．

れている．発芽や育成では，担子菌（きのこ類）
［２６，
２７］や

５．
５．
２ 医療応用シロイヌナズナ［２８］での発芽や生育速度改善，またトマト（１）パルス高電界を用いた癌治療やインゲン，レタスなどを用いた実験の報告もなされていパルス高電界を用いて間接的に癌を治療する技術を紹介る．また，食品分野においては，パルスパワーが果物等のする．癌などの局部的な疾患に制癌剤を投与する場合，患

圧搾過程で利用されており，搾汁の増量［２９］のみならずポ部での吸収が遅いため薬剤は全身に回り，様々な副作用をリフェノールなどの有用成分抽出法［３０］としても期待され引き起こす．薬剤を患部のみに作用させることができれる．

ば，薬剤投与量を減らすことができ副作用を軽減できる．

（１）担子菌（きのこ類）の収穫改善

薬剤を必要な箇所に限定して作用させる技術をドラッグデ

原木（ホダ木）を菌床として用い，そこに腐生性きのこ

リバリーという．皮膚に近い部位に疾患がある場合はエレの原種菌を植菌（接菌）して，菌糸を菌床に成長させる栽

クトロポレーションをドラッグデリバリーとして利用でき

培法を原木栽培と呼ぶ．原木栽培におけるパルス電圧刺激

る．患部に電界をかけてエレクトロポレーションを施し同による収量増加の可能性について食用の腐生菌（シイタ時に薬剤を注射すると，薬剤は即座に患部の細胞で吸収さケ，ナメコ，クリタケ）を対象として詳しく調べられていれて効果を発揮する．この治療法をエレクトロケモセラ

る［２６，２７］．長さおよび直径がそれぞれ約 1 m，約 10 cm

ピー［２２］といい，動物実験や臨床例が報告されている．さのホダ木に約 100 kV の電圧を印加しその後の子実体の形

らに，ナノ秒パルス高電界を用いると組織深部の細胞も穿成を調べると，明らかに電気刺激を施したホダ木から多く孔されることが三次元電界計算によって予測されており，収穫される．また，電気刺激の強さには最適値が存在する
２７３

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.4 April 2011

ことが示されている．図５の上方はパルス非印加，下方はパルスを印加したほだ木である．電気刺激に対するきのこの増産のメカニズムとして，１）イオンや電界による栄養
菌糸への子実体形成刺激，２）菌糸の断裂に伴う多突起状菌糸の形成，３）ホダ木の繊維裁断や空孔の形成，４）雑菌の不活性化など子実体抑制要因の排除などが考えられている．パルス印加後のホダ木中の菌糸の電子顕微鏡画観察によるとパルスによって，菌糸が部分的に切断され，その部分から新たに多突起状菌糸が発生し子実体を形成している様子が示唆されている［３１］.
（２）植物からの有用成分抽出

図５

電気刺激の有無によるシイタケ生育の比較［＊］（左：パルス非印加，右：60 kV 印加）．

図６

パルス電界の印加の有無によるブドウの皮の細胞の光学顕
微鏡画の比較（左：パルス非印加，右：60 kV 印加）［＊］．

果汁抽出効率の改善や，抽出時の成分の制御にもパルス電圧は利用可能である［２９］．一例として，ぶどうワイン醸
造過程におけるパルス電界をかけた場合のポリフェノール
量の変化が調べられている［３０］．ポリフェノール総量の測定には Folin-Ciocalteu 法を用い，760 nm における吸光度より，没食子酸相当量として算出している．パルス電圧発生には，６段のブルームラインが用いられ，パルス幅は約140 ns，約 50 kV/cm のパルス電界が 20 Hz で繰り返し印加されている．電界印加によってポリフェノールの抽出量が約２０％増加した．図６に，電界 60 kV 時のコントロール区と実験区のブドウの皮の細胞内写真を示す．Control 区に(2002).
［９］M. Sato, T. Tokutake, T. Ohshima and A.T. Sugiarto,
IEEE Trans. Industry Applications 44, 1397 (2008).
［１０］寺島和夫編：小特集「超臨界流体中プラズマの基礎と応用」プラズマ・核融合学会誌 86, 303 (2010).
［１１］例えば，高山和喜編：撃波ハンドブック（Springer Tokyo,1995）．
［１２］堀田栄喜：プラズマ・核融合学会誌 79, 245 (2002).
［１３］勝木 淳，秋山秀典：応用物理 77, 375 (2008).
［１４］W. Jiang, IEEE Trans. Plasma Sci. 38, 1325 (2010).
［１５］A. Mizuno, Plasma Phys. Control. Fusion 49, A1 (2007).
［１６］葛本昌樹，田畑要一郎，吉沢憲治，八木重典：電気学会
論文誌 A116, 121 (1996).
［１７］D. Wang, T. Matsumoto, T. Namihira and H. Akiyama, J.
Adv. Oxid. Technol. 13, 71 (2010).
［１８］浪平隆男，重石光弘，中島一行，村上 彰，黒木香里，喜屋武毅，友田祐一，佐久川貴志，勝木 淳，秋山秀典，大津政康：電気学会論文誌 A126, 197 (2006).
９］中司 宏，廣岡達也，勝木 淳，秋山秀典：電気学会論文［１
誌 A123, 531 (2003).
［２０］H. Akiyama, T. Nagashima, T. Namihira, Y. Kato, N. Shimomura, S. Katsuki and T. Hisazumi, IEEJ Trans. Fundamentals and Materials 125, 1006 (2005).
［２
１］勝 木 淳，矢 野 正 彦，佐 久 川 貴 志，浪 平 隆 男，S.H.R.
Hosseini，矢野憲一，秋山秀典：静電気学会誌 33, 142(2009).
［２２］M. Zemazar, Electrochemotherapy, Electro-genetherapy andTransdermal Drug delivery (Humana Press,2000).
［２３］J.C. Weaver, IEEE Trans. Plasma Sci. 28, 24 (2000).
［２４］R. Nuccitelli, U. Pliquett, N. Chen, W. Ford, R.J. Swanson,
S.J. Beebe, J.F. Kolb and K.H. Schoenbach, Biochem. Biophys. Res. Communi. 343, 351 (2006).
［２５］J. Zhang, P.F. Blackmore, B.Y. Hargrave, S. Xiao, S.J.
Beebe and K.H. Schoenbach, Archives of Biochemistry

対し，実験区の細胞内は色素が外へ流出しているのが確認できる．メカニズムとしてはエレクトロポレーションが主
である．

５．
６ まとめ
パルスパワーの生物への応用が急速に広がっている．２０００年以前のパルスパワー利用は，多くの人が想像するように，殺菌などのように微生物を殺すことに限られていた．２０００年以降、物理刺激としての価値が見直されており， おしりを叩く

ことによって生物を活性化できることが実験的に示されている．この世は生物であふれており，今後益々生物応用展開が面白くなりそうである．

参考文献［１］三間圀興編：高エネルギー密度プラズマ研究とその応
用 プラズマ・核融合学会誌 75, Sup.II (1999).
［２］M.A. Liberman, J.S. De Groot, A. Toor and R.B. Spielman,
Physics of High-Density Z-Pinch Plasmas (Springer-Verlag,
1998).
［３］D. Attwood, Soft X-rays and Extreme Ultraviolet Radiation-Principles and Applications (Cambridge University Press,
1999).
［４］H. Suematsu, T. Kishi, J. Inoue, M. Hirai, T. Suzuki, T.
Yunogami, W. Jiang and K. Yatsui, Materials Let. 61, 3635
(2007).
［５］C. Buttapeng, W. Jiang, 39th AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference, 2008-3886 (2008).
［６］D. Wang, S. Okada, T. Matsumoto, T. Namihira and H.
Akiyama, IEEE Plasma Sci. 38, 2746 (2010).
［７］H. Akiyama, IEEE Trans. Plasma Sci. 28, 434 (2000).
［８］S. Katsuki, H. Akiyama, A. Abou-Ghazala and K.H.
Schoenbach, IEEE Trans. Dielectr. Electr. Inslat. 9, 498

２７４Lecture Note

5. Application of Pulsed Power Technology

S. Katsuki et al.

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

すなお

勝 木

淳

１
９
９
１年熊本大学大学院修士課程修了．同大学工学部助手，助教授を経て，２００
７年から同大学バイオエレクトリクス研究センター
教授．博士（工学）．２０００年に米国 Old Dominion 大学客員研究員．最近は，水中高速放電現象，Z ピン
チ放電プラズマの光源応用，バイオエレクトリクス（パルス
パワーによる動物細胞制御）に従事．プライベートでは壮年
ソフトボールにハマっており，全国制覇をめざしている（昨年５位）．

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

!!!!!!!!!!!!!!!!

たか

き

こう

いち

１
９
８
８年熊本大学大学院修士課程修了．大分工業高等専門学校助手および講師などを経て，現在，岩手大学工学部電気電子・情報
システム工学科准教授．２
０
０
０年１
０月〜２
０
０
１

!!!!!!!!!!!!!!!!

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

高 木 浩 一

なみ

ひら

たか

お

浪 平 隆 男熊本大学バイオエレクトリクス研究セン
ター准教授．「ナノ秒パルス放電プラズマによる大気・水・土の浄化」および「その産業実用化」に関する研究に従事している．現在，愛妻および２歳と５歳の愛娘に嫌われないよう，
肉体改良に奮闘中！

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

き!!!!!!!!!!!!!!!!!

かつ!!!!!!!!!!!!!

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

!!!!!!!!!!!!!!!!!

and L. Stukenbrock, IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul.
16, 1329 (2009).
［３０］畑山 仁，小出章二，小石 学，伊藤 萌，高木浩一：農業
環境工学関連学会合同大会，東京大学，J83 (2009).
［３１］平川慎太郎，塚本俊介，秋山秀典：電気学会パルスパ
ワー研究会資料，PPT-08-62, 27 (2008).

!!!!!!!!!!!!!

and Biophysics 471, 240 (2008).
［２６］高木浩一：電気学会論文誌 A130, 963 (2010).
［２７］塚本俊介，前田貴昭，池田元吉，秋山秀典：プラズマ・核融合学会誌 79, 39 (2003).
［２８］C.J. Eing1, S. Bonnet, M. Pacher, H. Puchta and W. Frey,
IEEE Trans. Dielectr. Electr. Inslat. 16, 1322 (2009).
［２９］M. Sack, C. Eing, R. Stangle, A. Wolf, G. Muler, J. Sigler

年９月マクマスタ ー 大 学 客 員 研 究 員．博 士（工 学）．高 電圧，放電，パルスパワー工学に関する研究（農業応用，環境浄化，加速器用スイッチング電源，材料表面処理など）に従事．
趣味は登山．

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

２７５

J. Plasma Fusion Res. Vol.87, No.4 (2011)２
７６

講座 パルスパワー技術入門

６．おわりに
勝木淳

熊本大学バイオエレクトリクス研究センター（原稿受付：２
０
１
１年３月２
２日）

パルスパワーの研究は，欧米において，戦後の東西冷戦

局，産業応用拡大の鍵はパルスパワー電源である．現在の構造を背景とした兵器開発と荷電粒子ビームで駆動する慣技術では，数 J クラスの繰り返し電源のパルス幅は 100 ns

性核融合の研究を通して本格化し，各国で軍やエネルギー

弱であるが，これが効率の犠牲なしに 20 ns 程度以下まで関連の大規模予算が投入されてきた．２年ごとに米国で開縮まれば，応用範囲が格段に広がることは間違いない．パ

催されるパルスパワー国際会議では今でも兵器開発の講演

ルスパワー発生方式は３０年前の教科書に書かれている内容がしばしば行われ，日本との軍備に対する考え方の違いをと然程変わっていない．実用化の要の技術はスイッチ，磁認識させられる．一方日本では，１９８０年代から１９９０年代に気コアやコンデンサ等のデバイスであり，益々その重要性かけて，大阪大学の REIDEN 名古屋大学の LIMAY，長岡が高まっている．また，バイオ・医療など新しい応用では，技科大学の ETIGO など，いくつかの限られた大学に大型コンポーネントをペン型ケースに収納したり，パルス波形のパルスパワー装置が設置され，Z ピンチや荷電粒子ビーの精度を高めるなど，電源に対して多様な要求があり，負ム慣性核融合の実験が盛んに行われた．９０年代後半になる

荷と一体化した制御性の高い電源が求められている．新応と，世界最大のパルスパワー装置 PBFA（後に Z ピンチ核用開拓のためには，これまでパルスパワーに従事してきた融合のために改造され Z と改名される）を有する米国で軽研究者だけでなく，他分野の研究者を巻き込んだ共同作業

イオンビーム核融合の研究が下火になると，国内でも研究が不可欠である．

の軸足は重イオンビーム核融合や高エネルギー密度物性研

本講座「パルスパワー技術入門」は，パルスパワーに初究，一方で産業応用へと移った．幸か不幸か，もともと日めて触れる方々に読んでもらうことを想定し割りきって贅本には巨大な装置がなかったこともあり，研究室レベルで肉をそぎ落とした内容にした．パルスパワー研究の歴史的実施可能な産業応用をめざした取り組みは世界に先んじて背景に始まり，産業応用のために不可欠なパワー半導体デいたように思う．特に，半導体露光用高出力エキシマレー

バイスとその利用法，パルスパワー電源の実践自作マニュ

ザーの登場は，駆動用のパルスパワー電源の固体化，高繰アル，そして最後に，パルスパワー応用の考え方と最近のり返し化や小型化を加速し，その後もパルスパワー産業を応用研究を紹介した．本講座をきっかけに，パルスパワー

牽引してきた．一方で，研究レベルでは非常に良い成果ををもう少し詳しく調べてみたい，あるいは装置を自作して挙げているものの，放電スイッチを使っているが故に実用みたいと思っていただけたとすれば，執筆者一同幸せに思化との距離がなかなか縮まらないものも少なくない．結う次第である．

6. Conclusion
KATSUKI Sunao

author’s e-mail: katsuki@cs.kumamoto-u.ac.jp

２７６!2011 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research