Low voltage regulator for circular induction accelerator

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ベータトロン型の磁気誘導加速器に関するものであって、更に詳細には、独立的な低電圧電源を使用することによりベータトロンを駆動するための改良型変調器回路に関するものである。 更に詳細には、本発明は、穿孔検層装置環境においてベータトロンを駆動すべく適合された低電圧電源回路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１は従来のベータトロン駆動回路を示している。 高電圧ＤＣ電源１０がコンデンサ１２を横断して変調器（パルス発生用）回路１４へ結合されており、該変調器回路は、ベータトロン磁界内にトラップされた電子を加速するために時間と共に変化する電圧パルスで所望の繰返し速度において一次ベータトロンコイル回路１６をパルス動作する。 各加速サイクル期間中、コンデンサ１２内に格納乃至は蓄積されたエネルギが、スイッチング回路網（変調器１４内に設けられている）を介してベータトロン磁気回路へ転送され、且つ各サイクルの終わりに、磁気回路内の残存エネルギは回復回路（これも変調器１４内に設けられている）を介してコンデンサ１２へ帰還される。 磁気回路、コンデンサ及びスイッチング／回復回路網における損失のために、元のエネルギの一部は回復されることがなく電源によって補充されねばならない。 このことは、電源１０は、コンデンサ１２に対して意図された最大電圧と少なくとも等しいか又はそれより大きな出力電圧を有するものでなければならず、換言すると、ベータトロン回路へ印加される最大励起電圧と少なくとも等しいか又はそれより大きな出力電圧を有するものでなければならないことを意味している。

【０００３】典型的な穿孔検層装置においては、この様な最大電圧は１乃至２ＫＶの程度であるか又はそれより高いものである。 研究室の環境においては問題ではないが、高電圧コンデンサ／充電用電源システムに対する要求は、穿孔検層装置の厳しく且つ閉込められた環境においては困難な問題であると共にコスト高の原因となる。

【０００４】独立した低電圧電源を持ったベータトロン用のパルス発生回路は、非静止条件下での欠陥検知において使用する場合に関して、Ｐｒｉｂｏｒｙ ｉ Ｔｅ
ｋｈｎｉｋａ Ｅｋｓｐｅｒｉｍｅｎｔａ、Ｎｏ． ４、
ｐｐ． １６−１８、７月−８月、１９８８年の文献からの翻訳である「独立的な低電圧源を有するベータトロン電磁マグネット用サイリスタ電流−パルス発生器（Ｔｈ
ｙｌｉｓｔｏｒ Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｐｕｌｓｅ Ｇｅｎ
ｅｒａｔｏｒ ｆｏｒ Ｂｅｔａｔｒｏｎ Ｅｌｅｃｔ
ｒｏｍａｇｎｅｔ ｗｉｔｈ Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ
Ｌｏｗ−Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｕｐｐｌｙ）」、原子核実験技術（Ｎｕｃｌｅａｒ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ
Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ）、Ｖｏｌ． ３１、Ｎｏ． ４、
ＰａｒｔＩ、ｐｐ． ８３２−８３５、１９８９年の文献においてＢａｇｉｎｓｋｉｉｅｔ ａｌ． によって記載されている。 この文献に記載された回路では、従来の整流ブリッジが使用されており、そのＤＣ対角線はベータトロン巻線を有しており、且つそのＡＣ対角線はベータトロンに対して高電圧励起エネルギを供給するための高電圧格納コンデンサを有している。 該回路内の損失を補充するためのエネルギは、中間誘導格納回路を介して、
低電圧電源から高電圧格納コンデンサへ転送される。 この回路は、２７Ｖ ＤＣ電源を使用するベータトロン巻線上で１．５ＫＶの電圧を発生させたことが報告されている。 誘導性格納装置は、低電圧電源と高電圧格納コンデンサとの間の効果的なバッファとして作用することが可能であるが、この様な回路は過剰なエネルギ損失を発生する場合がある。 なぜならば、そのエネルギは、インダクタ内を流れる電流によって支持される磁界内に格納されるからである。 従って、ゼロでない電流に起因してインダクタ内に格納される一方、エネルギが損失される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上の点に鑑みなされたものであって、上述した如き従来技術の欠点を解消し、独立的な低電圧電源を使用することによりベータトロンを駆動する改良した変調器回路を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、ベータトロンを駆動するための変調器回路は、独立した低電圧ＤＣ電源と、中間の低電圧充電用コンデンサと、高電圧励起コンデンサとを有している。 ベータトロン巻線は、
高電圧コンデンサと低電圧コンデンサとの間において誘導的充電関係で結合されている。 単一方向電流装置は、
ベータトロン巻線を介して低電圧コンデンサから高電圧コンデンサへの放電用の電流の流れを許容するが、逆方向の電流の流れを阻止する。 両方のコンデンサは、初期的に、同一の電源電圧に遭遇し且つその電圧へ充電される。 低電圧コンデンサは、高電圧コンデンサよりも極めて大きな容量を有するべく選択されており、従って低電圧コンデンサは、高電圧コンデンサによって獲得されるものよりも著しく大きな全電荷を獲得する。

【０００７】両方のコンデンサが電源電圧へ充電されると、スイッチング回路が動作されて該回路内の電流の流れの方向を逆とさせ、その際に両方のコンデンサ内に格納されているエネルギをベータトロン巻線内へ放電させ且つ磁気回路を励起させる。 ｑ ₁ ＞＞ｑ ₂であるから、
高電圧コンデンサは、低電圧コンデンサよりも一層迅速に放電する。 高電圧コンデンサが放電すると、スイッチング回路が再度動作されて高電圧コンデンサを介しての電流の流れの方向を回復させる。 このことは、低電圧コンデンサ内に格納されたエネルギの一部が、ベータトロン電磁石を介して、高電圧コンデンサへ転送させることとなる。 次いで、低電圧コンデンサ上の電圧が、電源によって、その初期値へ復帰される。

【０００８】前述したサイクルが繰返され、且つ回路損失が、低電圧コンデンサから引出されたエネルギによって正確にバランスされるまで、高電圧コンデンサ上に電荷をポンプアップする。 次いで、該回路は、ベータトロンの動作励起電圧において平衡状態となる。 この様に、
本発明の変調器回路は、大きな電圧利得及び高いエネルギ回復効率を与えると共に、単に低電圧ＤＣ電源を必要とするに過ぎない。

【０００９】

【実施例】図２に示した本発明の好適実施例においては、例えば１０乃至１００Ｖのオーダーの独立した低電圧ＤＣ電源１８の正端子が、分離チョーク２２及びダイオード２４を介して中間の低電圧格納コンデンサ２０へ接続されると共に、ベータトロン巻線２６の正側へ接続されている。 簡単化のために、ベータトロン巻線は、単一のコイル２６によって図２において示されている。 該巻線は、勿論、典型的には、より複雑なものであり、且つ図２の簡単なコイル２６は、単に、実際の巻線を例示的に示すためのものに過ぎないものであることを理解すべきである。 ダイオード２８は、巻線２６の正側を電気的接地から分離している。 ベータトロン巻線の負側は、
ブロッキングダイオード３０を介して高電圧格納コンデンサ３２へ接続されている。 ダイオード３４は、コンデンサ３２を接地から分離している。 理解される如く、コンデンサ２０、チョーク２２及びダイオード２４は、ダイオード３０と、コンデンサ３２と、ダイオード３４とによって構成される高電圧励起回路へベータトロン巻線２６を介してエネルギを転送するための中間低電圧充電用回路を構成している。 後に更に詳細に説明する如く、
スイッチ３６及び３８は、開放状態乃至は非導通状態にある場合に、ベータトロン巻線２６を介して低電圧コンデンサ２０から高電圧コンデンサ３２への電流の流れを許容し、且つ、閉成乃至は導通状態にある場合に、電流の流れを逆とさせて両方のコンデンサの結合された電荷を該巻線を介して放電させ且つその際にベータトロン磁気回路を励起させるために選択的に設けられている。

【００１０】コンデンサ２０は、チョーク２２を介して、電源１８によって連続的に充電される。 このことは、ＤＣ電源１８を、該回路内のＡＣ及びその他の時間と共に変化する過渡的状態から分離している。 ダイオード２４は、更に、電源１８を回路の過渡的状態から分離すべく作用する。 一方、充電用スイッチをその目的のために使用することが可能である。

【００１１】各充電用サイクル（図３参照）の開始時（ｔ＝０）において、高エネルギＦＥＴ装置とすることが可能なスイッチ３６及び３８は開放状態であり、且つ、コンデンサ２０（Ｖ ₁ ）が定ＤＣ電源１８の電圧Ｖ
₀ （例えば、１０Ｖ）へ完全に充電される時間（ｔ＝ｔ
₁ ）まで、開放状態を維持する。 メインのコンデンサ３
２（Ｖ ₂ ）は、同様に、巻線２６及びダイオード３０及び３４を介して１０Ｖへ充電される。 コンデンサ２０及び３２は、コンデンサ２０の容量Ｃ ₁が、コンデンサ３
２の容量Ｃ ₂よりも著しく大きい、例えば１００倍又はそれ以上大きく、且つコンデンサ２０上の初期的電荷ｑ
₁がコンデンサ３２上の初期的電荷ｑ ₂よりも著しく大きいように、選択されている。 時間ｔ＝ｔ ₁において、
スイッチ３６，３８が閉成され、一方ダイオード３０が逆バイアス状態となり、且つコンデンサ２０，３２上の電荷は、電流経路２０，２６，３６，３２，３８を介してベータトロン巻線２６内へ放電される。 従って、巻線２６を横断しての電圧は、コンデンサ２０及び３２上の電圧及びコンデンサ３２内に格納された全てのエネルギの和に等しく、且つコンデンサ２０内のエネルギの一部は巻線２６へ転送される。

【００１２】ｑ ₂はｑ ₁よりも著しく小さいので、コンデンサ３２はコンデンサ２０よりも前に放電される。 適用状態に依存して、スイッチ３６，３８は、コンデンサ３２（Ｖ ₂ ）が放電される前、それと同時に、又はその後に、時間ｔ＝ｔ ₃において再度開放させることが可能である。 該スイッチの開成と共に、ダイオード３０及び３４は順方向バイアス状態となり、その際にコンデンサ３２を介して流れる電流の極性を変化させる。 従って、
ベータトロン磁石内のエネルギは、電流経路２０，２
６，３０，３２，３４を介してコンデンサ３２へ復帰される。 該回路内の電流（Ｉ）は、究極的に、ゼロへ降下し、その時間ｔ＝ｔ ₅において、コンデンサ３２は完全に再充電され（図３におけるＶ ₂ ）、且つダイオード３
０及び３４は再度逆バイアス状態とされる。 これにより、一つの充電及び回復サイクルが完了する。

【００１３】この様に、コンデンサ３２を横断しての電圧Ｖ ₂は、回路内の損失がサイクル期間中コンデンサ２
０から放電されたエネルギの量と等しくなるまで、充電／回復回路が繰返される場合に増加される。 サイクル期間中にコンデンサ２０から引出されるエネルギの量が回路損失を超えると、その差はコンデンサ３２へ移行し且つｑ ₂を増加させる。 回路損失がコンデンサ２０から放電されたエネルギと等しくなる点に到達すると、システムは平衡状態となり、且つ、その後は、サイクルの開始時及び終了時におけるコンデンサ３２上の電圧は実質的に一定のままとなる。

【００１４】変調器回路のエネルギ効率ηは、パルス当り変調器回路内へ放電されたエネルギに対する回復されたエネルギの比である。 それは、回路内の個々の構成要素の効率に依存し、最大放電電流及び変調周波数ｆの関数であり、次式で表わされる。

【００１５】

【数１】

【００１６】尚、Ｌはベータトロンインダクタンスであり、且つＣ ₂はコンデンサ３２の容量である。 この回路において遭遇する損失には三つのタイプのものがある。
即ち、（ｉ）磁石内のヒステリシス損失であり、それは主に磁石内において到達された最大磁界に依存する。
（ｉｉ）磁石及びコイル内の渦電流損失であり、それは磁界及び変調周波数と共に迅速に増加する。 （ｉｉｉ）
オーミック損失があり、それは、放電電流と共に増加し、且つ、与えられた最大電流に対して、変調周波数ｆ
と共に減少する。 最良の全体的効率は、通常、Ｌを可及的に大きくすることにより達成され、それは、最大放電電流と変調周波数の両方を減少させる。 低いｆの回路におけるより長い電流循環時間に起因するオーミック損失における増加は、同一の量のエネルギをベータトロン磁石へ送給するのに必要な最大電流における減少によって補償され尚余りがある。

【００１７】電圧利得を決定するために、コンデンサ３
２が放電された時間、即ちｔ ₃において、スイッチ３
６，３８が開成するものと仮定する。 以下の説明を容易とするために、充電用スイッチを開成することにより各放電／回復サイクル期間中に、容量Ｃ ₁を持ったコンデンサ２０が電源から切断されるものと仮定する。 Ｖ ₁及びＶ _1fがそれぞれコンデンサ２０の初期電圧及び最終電圧であるとすると、Ｖ ₂は放電／回復サイクル前後の両方におけるコンデンサ３２の電圧であり、且つＣ ₁及びＣ ₂はそれぞれコンデンサ２０及び３２の容量であり、
各サイクルにおけるエネルギ損失は次式で表わされる。

【００１８】

【数２】

【００１９】且つ、

【００２０】

【数３】

【００２１】各サイクルにおいてコンデンサ２０から流出す全電荷は２Ｑ ₂ ＝２Ｃ ₂ Ｖ ₂であり、且つコンデンサ２０内に残存する電荷はＣ ₁ Ｖ _1f ＝Ｃ ₁ Ｖ ₁ −２Ｑ ₂
＝Ｃ ₁ Ｖ ₁ −２Ｃ ₂ Ｖ ₂ 、即ち、次式が得られる。

【００２２】

【数４】

【００２３】従って、以下の電圧利得は式（２）乃至（４）を結合することにより得られる。

【００２４】

【数５】

【００２５】この電圧利得は以下の漸近的な値へ近付く。

【００２６】

【数６】

【００２７】但し、

【００２８】

【数７】

【００２９】図２に基づいて構成され且つＬ＝２０μ
Ｈ、Ｃ ₁ ＝２７０μｆ、Ｃ ₂ ＝２．５μｆ、Ｖ ₁ ＝２６
Ｖ、Ｖ ₂ ＝６５０Ｖを有するテスト回路は８９％の効率及び電圧利得２５を達成した。 コンデンサ２０及び３２
のそれぞれを横断しての電圧Ｖ ₁及びＶ ₂の波形及びベータトロン２６における電流波形Ｉを図３に示してある。 以上、本発明の具体的実施の態様について詳細に説明したが、本発明は、これら具体例にのみ限定されるべきものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱することなしに種々の変形が可能であることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 ベータトロン用の従来の駆動回路を示した概略ブロック図。

【図２】 本発明の一実施例に基づいて構成したベータトロン用の低電圧駆動型変調器回路を示した概略図。

【図３】 低電圧コンデンサ上の電圧Ｖ ₁ 、高電圧コンデンサ上の電圧Ｖ ₂及び回路内の電流Ｉの時間的な変化を示したグラフ図。

【符号の説明】

１８ 独立的低電圧ＤＣ電源 ２０ 中間の低電圧格納コンデンサ ２２ 分離チョーク ２４ ダイオード ２６ ベータトロン巻線 ２８ ダイオード ３０ ブロッキングダイオード ３２ 高電圧格納コンデンサ ３４ ダイオード ３６，３８ スイッチ