JP2820722B2

JP2820722B2 - 高電圧パルス発生回路及びこれを用いた放電励起レーザならびに加速器

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Publication number: JP2820722B2
Application number: JP1167365A
Authority: JP
Inventors: 晋中島; 博志青山; 理人香川; 治下江
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1989-06-29
Filing date: 1989-06-29
Publication date: 1998-11-05
Anticipated expiration: 2013-11-05
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Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明はエキシマレーザ、銅蒸気レーザ等の放電励起
レーザ、あるいは線型誘導加速器等の加速器等に使用す
る高電圧パルス発生回路に関するものであって、特に磁
気パルス圧縮回路を利用したものに関するものである。

［従来の技術］銅蒸気レーザ、エキシマレーザ等の放電励起レーザ
は、ウラン濃縮、リソグラフィー、CVD等の化学反応プ
ロセス等への利用を目指した検討が行なわれている。

この様な放電励起レーザでは、大出力化、高繰り返し
化、高信頼性化、及び長寿命化が要求されており、例え
ば、第24図に示す様な高電圧パルス発生回路が用いられ
ている。本回路において、１は可変高電圧直流電源、２
は主コンデンサ５の充電抵抗、３はサイラトロン、４は
インダクタンス、５は主コンデンサ、６はコンデンサ、
８はピーキングコンデンサ、９はレーザ主放電々極、10
は主可飽和リアクトル、81は主コンデンサ５の充電用イ
ンダクタンスである。

本回路において、主コンデンサ５から、ピーキングコ
ンデンサ８へのエネルギ転送効率が最大となるように各
部定数を最適化したときの動作を、第24図の回路構成
図、第25図の主可飽和リアクトル10の動作磁化曲線概念
図、及び第28図の主要各部の波形を用いて説明する。

サイラトロン３のオフ期間に主可飽和リアクトル10
は、直流電源１の正極、抵抗２、インダクタンス４、主
コンデンサ５、主可飽和リアクトル10の巻線11、インダ
クタンス81、直流電源１の負極の経路で流れる主コンデ
ンサ５の充電々流により、第25図のホ′、イ′を経由し
て−Brまでリセットされる。即ち、本回路では、主コン
デンサ５の充電回路が主可飽和リアクトル10のリセット
回路も兼ねている。

次に、サイラトロン３が第28図におけるｔ＝０でター
ンオンすると、主コンデンサ５の正極、インダクタンス
４、サイラトロン３、コンデンサ６、主コンデンサ５の
負極の経路で流れる第28図に示す放電々流ｉ₁により、
コンデンサ６の端子電圧ｖ₆は、第28図のｖ₆に示すよう
に、第24図の図示極性に増加する。この間主可飽和リア
クトル10の磁束密度は第25図の−Brからロ′の点に向か
って変化する。このときの主可飽和リアクトル10のイン
ダクタンスＬ₁₀は、極めて大きい為、コンデンサ６、コ
ンデンサ８、主可飽和リアクトル10の巻線11、コンデン
サ６の経路で流れる電流ｉ₂は、第28図に示すように前
記電流ｉ₁に比べて非常に小さく、等価的に主可飽和リ
アクトル10はスイッチ・オフ状態にある。したがって主
可飽和リアクトル10は、第28図のｖ₁₁に示すように、第
24図の極性に電圧を阻止する。

ｔ＝τ₁で前記電流ｉ₁が零となると、主可飽和リアク
トル10の磁束密度は第25図のロ′に達し、磁心は飽和す
る。このときの主可飽和リアクトル10のインダクタンス
Ｌ₁₀は、インダクタンス４のインダクタンスＬ₄に比べ
て十分小さいため、コンデンサ６に蓄積された電荷のほ
とんどは、第28図のｉ₂に示すように、第24図の図示極
性に流れ、ｉ₂は急激に増加し、主可飽和リアクトル10
の磁束密度は、第25図のロ′からハ′を経由し、Brまで
変化する。このためコンデンサ６に蓄積されたエネルギ
ーは、第28図のｖ₈に示すように大部分がピーキングコ
ンデンサ８に転送される。

なお、サイラトロン３がターン・オンしてから前記電
流ｉ₂が零になるまでの期間をゲート期間と呼び、各部
の損失を無視すれば、次式が成立する。

ｖ₆ｖ₁₁とすると次式が成立する。

E:入力直流電源電圧（Ｖ）Ｎ₁₁：主可飽和リアクトル10の巻線11の巻数 Ae: 〃の有効断面積（ｍ²） ΔBm: 〃の動作磁束密度量（Ｔ） Bs: 〃の飽和磁束密度（Ｔ） Br: 〃の残留磁束密度（Ｔ）Ｌ₄：インダクタンス４のインダクタンス（Ｈ）Ｃ₅：主コンデンサ５のキャパシタンス（Ｆ）Ｃ₆：コンデンサ６のキャパシタンス（Ｆ）Ｃ₈：ピーキングコンデンサ８のキャパシタンス（Ｆ）Ｈ_Lm：主可飽和リアクトル10のゲート磁化力波高値（A/
m）Ｉ₂m:i₂の波高値（Ａ） le:主可飽和リアクトル10の平均磁路長（ｍ）コンデンサ６のエネルギーが全て、ピーキングコンデ
ンサ８に転送された瞬間に、即ち第28図のτ₁＋τ₂でレ
ーザ主放電電極９がブレークダウンし、ピーキングコン
デンサのエネルギーは、レーザガス中で消費される。こ
のとき、ピーキングコンデンサ８に蓄積されたエネルギ
ーの大部分は、レーザ主放電々極９を介してレーザガス
中で消費されるが、一部は主可飽和リアクトル10のリセ
ットに寄与する。このエネルギーにより主可飽和リアク
トル10の磁束密度は、第25図のBrからニ′を経由して
ホ′まで変化する。

繰り返し動作時には、以上説明した動作が繰り返し周
波数に応じた回数だけ行なわれる。

また、前記主コンデンサ５の充電々流が、動作条件に
より定まる主可飽和リアクトル10の磁心の全制御磁化力
Hr（全制御磁化力については、例えば、村上：“磁化応
用工学”、朝倉書店p42〜49（1984）に記載されてい
る。）より小さなときには、第26図に示すように、主可
飽和リアクトル10に出力巻線11の他にリセット巻線82を
設け、等巻線端83,84にリセット回路85を接続し、サイ
ラトロン３のオフ時の任意の期間に、主可飽和リアクト
ル10の図示黒丸と逆極性に磁化することにより、リセッ
トを行なう方法も例えば特開昭63-171172号公報等に記
載されている。第27図は、前記リセット回路85の一構成
例であり、83、84は出力端、86は主可飽和リアクトル10
のゲート期間にリセット巻線82に誘起する高電圧サージ
を阻止するためのインダクタンス、87は抵抗、88はバリ
スタ、89は直流電源である。

以上、従来例の説明では、可飽和リアクトルを用いた
磁気パルス圧縮回路が一段の場合の例を説明したが、ス
イッチ素子としてサイラトロンの代わりにサイリスタ等
の半導体素子を用い、昇圧トランスを介して、パルス電
圧波高値を上昇させるとともに、可飽和リアクトルを用
いた磁気パルス圧縮回路を多段接続した多段磁気パルス
圧縮回路を用いたパルス発生回路も使用されている。ま
た、線型誘導加速器等の加速器の場合にも、その出力が
大きいこともあり、多くの場合、多段磁気パルス圧縮回
路を用いたパルス発生回路が使用されている。

なお、磁気パルス圧縮回路の原理については、例え
ば、W.S.MELVILLE:“THE USA OF SATURABLE REACTORS",
Proceedings Inst Electrical Engineers,（London）Vo
l.98,Part3,No.53,pp.185〜207（1951），同回路の放電
励起レーザへの応用については、例えば、I.Smilanski,
S.R.Byron and T.R.Burkes:“Electrical excitation o
f an XeCl laser using magnetic pulse compression",
Appl.Phys.Lett.40（７）,pp.547〜548（1982），半導
体素子を用いた磁気パルス圧縮回路については、例え
ば、島田：“高繰り返しエキシマレーザ励起用磁気パル
ス圧縮電源に関する研究",慶応義塾大学理工学部学位論
文（1986）に記載されている。

また、自由電子レーザ等に用いられる線形誘導加速器
を始めとする加速器においても、以上説明した方式と同
様の高電圧パルス発生回路が用いられている。その詳細
については、例えば、D.Birx,E.Cook,S.Hawkins,S.Poo
r,L.Reginato,J.Schmidt and M.Smith:“THE APPLICATI
ON OF MAGNETIC SWITCHES AS PULSE SOURCES FOR INDUC
TION LINACS",IEEE Transaction on Nuclear Science,V
ol.NS−30,No.4,pp2763〜2768（1983）に記載されてい
る。

［発明が解決しようとする課題］放電励起レーザでは、レーザ出力の安定化、低ジッタ
化が要求されている。例えば、リソグラフィ用のエキシ
マレーザにおいては、繰り返し周波数500Hz程度におい
て、１パルスあたりのレーザ出力100mJ程度を、10⁸ショ
ット程度以上の期間安定に供給することが必要とされて
いる。しかし、繰り返し動作に伴い、レーザ・ガスの劣
化が起こるため、前記出力条件を満足するためには、レ
ーザ・ガス中に投入するエネルギーを除々に増加させる
ことが必要である。このため、第24図に示す従来回路に
おいては、入力直流電源電圧を除々に増加させる手法が
用いられている。しかし、第24図に示す方式では、主可
飽和リアクトル10のゲート時の動作磁束密度量は前述の
（４）式に示すΔBmと一定値のため、入力直流電源電圧
が、主コンデンサ５からピーキングコンデンサ８へのエ
ネルギ転送効率が最大となる最適値より低い場合、主要
各部の電圧・電流波形は第29図、また、高い場合、周波
形は第30図のようになる。このため、前記主コンデンサ
５からピーキングコンデンサ８へのエネルギ転送効率が
低下するとともに、サイラトロン３の主電極間を流れる
電流ｉ₁のアフタカレントが増加し、反転電流が流れる
ため、サイラトロン３の損失も大きくなる。さらに、レ
ーザガス中に、レーザ発振に寄与しないエネルギーの割
合も増加するため、レーザガスの寿命も低下するという
問題もあった。このため、前記、レーザ出力を一定とし
て出力できるショット数は10⁶ショット程度以下に制限
されていた。

ウラン濃縮プロセスに用いられる銅蒸気レーザでは、
繰り返し周波数5kHz程度以上で、レーザ出力100W程度を
連続1,000時間程度以上に渡り、±3ns程度以下のジッタ
で安定に動作することが要求されている。このようなレ
ーザでは、前記エキシマレーザに比べて、繰り返し周波
数が１ケタ程度高いため、長寿命化を図る意味から、ス
イッチ素子として、サイラトロンの代わりに、サイリス
タ等の半導体素子と多段磁気パルス圧縮回路を組み合わ
せた高電圧パルス発生回路を用いることが強く望まれて
いる。しかし、従来用いられていた多段磁気は圧縮回路
を用いた高電圧パルス発生回路において、主コンデンサ
から最終段のピーキングコンデンサへのエネルギ転送効
率を最適化するためには、各段の磁気パルス圧縮回路を
構成する主可飽和リアクトルのゲート時の動作磁束密度
量が前述の（４）式に示すΔBmと一定値のため、各段の
磁気パルス圧縮回路ごとに、可飽和リアクトルと直列に
インダクタンスを挿入して、可飽和リアクトル飽和後に
流れる電流のパルス幅を調整する必要があった。また、
複数台同期運転を行なう際の各レーザの出力のタイミン
グを合わせる際の調整も、前記の手法を用いなければな
らず、商用プラント（数百台の同期運転が必要とされ
る。）に使用するのは極めて困難と考えられている。

自由電子レーザあるいは、核融合炉のプラズマ加熱等
に用いられる線型誘導加速器では、アクセラレータ・セ
ルと呼ばれる電子ビーム加速用の１種の変圧器に、電圧
波高値数百kV,電流波高値数十kA,パルス幅100ns程度の
矩形波状のパルスを数ns以内のジッタで繰り返し周波数
kHz以上、極力長い時間、バーストモードで動作させる
ことが要求されている。この用途の高電圧パルス発生回
路では、スイッチにサイラトロンを並列に用いた多段磁
気パルス圧縮回路が使用されている。同パルス発生回路
では、繰り返し動作に伴う、可飽和リアクトルの損失に
よる温度上昇で、同可飽和リアクトル磁心のゲート時の
動作磁束密度量が減少するため、動作時間が長くなるに
つれてジッタが増加するという問題があった。

本発明の目的は、前記可飽和リアクトルのゲート時の
動作磁束密度量の可変機能を有する可飽和和リアクトル
を用いた磁気パルス圧縮回路を有する高電圧パルス発生
回路、及びこれを用いた放電励起レーザ、並びに加速器
において、入力電源電圧の変動、負荷変動、あるいは前
記可飽和リアクトルを始めるとする各素子の特性変動等
が生じた際にも、エネルギ転送効率の低下、及びスイッ
チ素子の損失増加、あるいは出力ジッタの発生を抑制し
つつ、高繰り返し動作においても信頼性の高い高電圧パ
ルス発生回路およびこれを用いた放電励起レーザならび
に加速器を提供することである。

［課題を解決するための手段］本発明は、磁気パルス圧縮回路を構成する主可飽和リ
アクトルと、前記主可飽和リアクトルのゲート開始点を
設定するリセット回路を有する高電圧パルス発生回路で
あって、ゲート開始点を設定するパルス電圧あるいはパ
ルス電流が、前記リセット回路内に設けられた第２の可
飽和リアクトルを介して前記主可飽和リアクトルに印加
される構成を有する高電圧パルス発生回路である。

このように、磁気パルス圧縮回路を構成するリセット
回路に新たに設けられた可飽和リアクトルを介して印加
されるパルス電圧、あるいはパルス電流により負荷変
動、入力電圧変動、及び回路を構成する素子の特性変動
に対応して磁気パルス圧縮回路を構成する主可飽和リア
クトルのゲート時の動作磁束密度量を設定する構成とす
れば、ゲート時に磁気パルス圧縮回路を構成する主可飽
和リアクトルに誘起するサージ電圧を、リセット回路に
設けた可飽和リアクトルにより阻止することができ、同
リセット回路におけるパルス発生回路を前記サージ電圧
から保護することができる。また、リセット回路に通常
のリアクトルを挿入した場合に比べて可飽和リアクトル
を使用した場合は高繰り返し動作時に、前記サージ電圧
の阻止機能とリセット時の応答性の両面で優れており好
ましい。

前記高電圧パルス発生回路において、前記磁気パルス
圧縮回路を構成する主可飽和リアクトルにゲート電圧が
印加される期間と、前記リセット回路がパルス電圧、あ
るいはパルス電流を発生する期間との間に、相互に休止
期間を有するように構成した場合には、前記リセット回
路に新たに設けられた可飽和リアクトルによる前記サー
ジ電圧の阻止機能が向上し好ましい。

前記高電圧パルス発生回路において、前記磁気パルス
圧縮回路を構成する主可飽和リアクトルのリセット回路
に新たに設けられた可飽和リアクトルに、同可飽和リア
クトルをリセットするためのリセット回路が設けられて
いる場合には、前記サージ電圧により動作する磁束密度
量を大とすることができるため、同可飽和リアクトルを
小形化することが可能である。また、リセット回路に新
たに設けられた可飽和リアクトルのリセット回路のスイ
ッチ素子が動作したときの動作磁束密度量を一定にする
ことができるため、同高電圧パルス発生回路の出力ジッ
タも減少する。

また、本発明は、磁気パルス圧縮回路を構成する主可
飽和リアクトルには前記主可飽和リアクトルのどちらか
一方の飽和領域まで磁化するプリセット回路と、前記主
可飽和リアクトルのゲート開始点を設定するセット回路
が設けられていることを特徴とする高電圧パルス発生回
路である。

このように、磁気パルス圧縮回路を構成する主可飽和
リアクトルに、プリセット回路を設けることにより、高
電圧パルス発生回路の負荷の変動等に起因するゲート開
始時のふらつきがなくなり、磁束密度のジッタが抑制で
きる。また、主可飽和リアクトルのゲート時の動作磁束
密度量を可変された際に生じる前記高電圧パルス発生回
路の出力ジッタが減少し好ましい。

前記磁気パルス圧縮回路を構成するプリセットあるい
はセット回路はパルス電圧、あるいはパルス電流を出力
するようにすることにより、高繰り返し動作時の前記磁
気パルス圧縮回路を構成する主可飽和リアクトルによる
出力制御の応答特性が向上する。

また、前記磁気パルス圧縮回路を構成する主可飽和リ
アクトルを、前記プリセットあるいはセット回路に新た
に設けたプリセット用あるいはセット用可飽和リアクト
ルを介して印加するパルス電圧、あるいはパルス電流に
より、プリセットまたはセットすることにより、前記磁
気パルス圧縮回路を構成する主可飽和リアクトルのゲー
ト時に誘起するサージ電圧に対するプリセット回路の保
護機能が向上し好ましい。

前記磁気パルス圧縮回路を構成する主可飽和リアクト
ルのプリセット回路に新たに設けられたプリセット用可
飽和リアクトルのゲート開始点を設定するためのリセッ
ト回路を設けることにより、プリセット用可飽和リアク
トルを構成する磁心の小型化が可能となるとともに、高
電圧パルス発生回路の出力ジッタも減少する。

前記セット回路とプリセット回路を設けた主可飽和リ
アクトルを用いた磁気パルス圧縮回路において、プリセ
ット回路を動作させ、主可飽和リアクトルをゲート時と
同一方向の飽和領域まで磁化させ主可飽和リアクトルの
セット直前の磁束密度のジッタを防止し、しかる後セッ
ト回路でゲート開始点に設定することにより、セット完
了後の磁束密度のジッタが減少する。この結果、主可飽
和リアクトルのゲート時の動作磁束密度量をジッタを抑
制しつつ設定することができる。

ここで、プリセット時の最大磁束密度を残留磁束密度
以上とすることにより、高電圧パルス発生回路の出力ジ
ッタをより減少させることができる。

さらに、前記磁気パルス圧縮回路を構成する主可飽和
リアクトルのプリセット時の最大磁束密度を、その比透
磁率が10以下の領域に設定するようにすることにより、
本高電圧パルス発生回路の出力ジッタは著しく減少し好
ましい。

また、セット回路とプリセット回路が設けられた主可
飽和リアクトルを用いた磁気パルス圧縮回路を有する高
電圧パルス発生回路において、主可飽和リアクトルをプ
リセット回路により、その磁束密度のジッタの発生の少
ない主可飽和リアクトルのゲート時に飽和する領域と逆
方向の飽和領域まで磁化し、その後にゲート時と同一方
向に磁化するセット回路を動作させて、ゲート開始点を
設定することにより、主可飽和リアクトルのゲート時の
動作密度量を、ジッタの発生を抑制しつつ設定すること
ができる。

ここで、前記磁気パルス圧縮回路を構成する主可飽和
リアクトルのゲート時の動作磁束密度量を、プリセット
動作完了後のセット動作により設定する高電圧パルス発
生回路において、主可飽和リアクトルのプリセット時の
最小磁束密度を負の残留磁束密度以下とすることによ
り、本高電圧パルス発生回路の出力ジッタを大幅に低減
することができ好ましい。

以上説明した方式の可飽和リアクトルを用いた磁気パ
ルス圧縮回路を有する高電圧パルス発生回路において、
前記磁気パルス圧縮回路を構成する主可飽和リアクトル
として、その飽和磁歪λｓが＋５×100^-6〜−５×10^-6
の範囲にある磁性材料を用いて構成されているものを使
用した場合には、繰り返し周波数を変化させた場合の出
力ジッタの変動が少なく、同磁心の磁気特性の劣化に伴
う信頼性低下を招くことのない優れたパルス発生回路を
実現できる。

また、主可飽和リアクトル磁心として、直流磁気特性
における角形比が、0.7以上である磁心を用いた場合に
は、出力ジッタの少ない高電圧パルス発生回路が得られ
る。

主可飽和リアクトル磁心として、Coを主成分とする非
晶質磁性合金を用いて構成した磁心を使用した場合に
は、前記出力ジッタの低減が容易となり好ましい。

前記主可飽和リアクトル磁心として、組成式（Fe_1-aMa）_100-x-y-z- _α−β−γCu_xSi_yＢ_zＭ′
_αＭ″_βＸ_γ （原子％）（ただし、Ｍは少なくともCo、もしくはNiであり、Ｍ′
はNb,W,Ta,Zr,Hf,Ti及びMoからなる群から選ばれた少な
くとも１種の元素、Ｍ″はV,Cr,Mn,Al,白金属元素,Sc,
Y,希土類元素,Au,Zn,Sn,Reからなる群から選ばれた少な
くとも１種の元素、ＸはC,Ce,P,Ga,Sb,In,Be,Asからな
る群から選ばれた少なくとも１種の元素であり、a,x,y,
z,α，β，及びγはそれぞれ０ａ0.5,0.1ｘ3,6ｙ25, ３ｚ15,14ｙ＋ｚ30, １α10,0β10,0γ10を満たす。）により表わされる組成を有し、組成の少なくとも50％が
微細なbcc Fe固溶体の結晶粒からなり、各結晶粒の最大
寸法で測定した粒径の平均が500Å以下である磁性合金
で構成されている磁心を用いた場合には、出力ジッタが
少なく信頼性も向上する。

前記高電圧パルス発生回路において、前記磁気パルス
圧縮回路を構成する主可飽和リアクトルのゲート時の動
作磁束密度量を、直流入力電源電圧に連動して変化し得
るように構成することにより、エネルギ転送効率の劣化
を極力抑制しつつ、出力を可変することができ好まし
い。

前記高電圧パルス発生回路において、前記磁気パルス
圧縮回路を構成する主可飽和リアクトルのゲート時の動
作磁束密度量を、負荷変動に応じて変化し得るように構
成することにより、エネルギ転送効率の劣化を抑制しつ
つ、出力を可変することができる。

前記高電圧パルス発生回路において、前記磁気パルス
圧縮回路を複数段用いた場合には、エネルギ転送効率を
最大とするための最適化が容易になるとともに、エネル
ギ転送効率の大幅な劣化も防止することができ好まし
い。

前記高電圧パルス発生回路を複数台同期動作させた場
合には、各高電圧パルス発生回路の出力のジッタが少な
いため、同期運転時のタイミングを容易に取ることがで
き好ましい。

以上説明した可飽和リアクトルを用いた磁気パルス圧
縮回路を有する高電圧パルス発生回路を用いた放電励起
レーザは、レーザ・ガス劣化等に伴うレーザ出力の低下
を防止するために、入力直流電源電圧を変化させてもエ
ネルギー転送効率の低下が少なく、レーザ出力を一定と
する能力も高まる。

また、前記放電励起レーザがエキシマレーザである場
合には、同レーザのレーザ・ガスの劣化速度が著しいた
め、入力直流電源電圧の変化範囲を大きくして、レーザ
出力が一定となるショット数を極力大きくすることが必
要であるが、本発明によれば、入力電圧の変動に対して
常にエネルギー転送効率を最適の状態で動作させること
ができ、レーザ出力が一定となるショット数も１ケタ以
上上昇させることができる。

さらに、前記放電励起レーザが銅蒸気レーザである際
には、多くの場合、複数台のレーザを直並列同期動作さ
せるが、この場合、本発明によれば、各レーザの出力ジ
ッタを小さくすることが可能なため同期運転時の総合出
力を容易に大とすることができる。

以上説明してきた可飽和リアクトルを用いた磁気パル
ス圧縮回路を有する高電圧パルス発生回路を用いた電子
ビームを始めとする荷電粒子等の加速器に用いた場合に
は、エネルギ転送効率の大幅な低下を招くことはなく出
力の制御が可能であり、ジッタの発生も少ない加速器を
実現できる。

前記加速器が線型誘導加速器である場合には、使用し
ている可飽和リアクトル、変圧器等の磁心の繰り返し動
作時の発熱に伴う特性変化に伴い生ずる出力変動を容易
に制御することが可能である。

［実施例］以下、本発明の実施例について詳しく説明するが、本
発明はこれら実施例に限るものではない。

（実施例１）第１図は本発明の一実施例であり、放電励起レーザへ
の適用例を示す回路構成図である。本回路において、１
は可変入力高電圧直流電源、２は主コンデンサ５の充電
抵抗、３はサイラトロン、４はインダクタンス、６はコ
ンデンサ、７は主コンデンサ５の充電インダクタンス、
８はピーキングコンデンサ、９はレーザ主放電々極、10
は主可飽和リアクトル、11は主可飽和リアクトル10の出
力巻線、12は主可飽和リアクトル10のリセット巻線13,1
4は前記主可飽和リアクトル10のリセット巻線12の巻線
端であり、かつリセット回路15の出力端である。

第２図は、本実施例で用いたリセット回路15の回路構
成図であり、13,14はリセット回路15の出力端、16は第
２の可飽和リアクトル、17,22はサージ電圧吸収用のバ
リスタ、18はダイオード、19はコンデンサ、20はサイリ
スタ、21は抵抗、23は可変直流電源である。

本回路の動作を、第１図、第２図の回路構成図、第３
図のタイムチャート、第４図の主可飽和リアクトル10の
動作磁化曲線、及び第５図の第２の可飽和リアクトル16
の動作磁化曲線を用いて説明する。

第３図に示すＴ₁の期間、即ちゲート期間に、サイラ
トロン３はターンオンし、予め主コンデンサ５の図示極
性に蓄積されていた電荷を、図示放電々流ｉ₁の経路
で、コンデンサ６に転送する。この間、主可飽和リアク
トル10の磁束密度はａ点からｂ点に向かって変化する
が、このときの主可飽和リアクトル10の出力巻線11のイ
ンダクタンスは非常に大きいため、コンデンサ６からピ
ーキングコンデンサ８への放電々流ｉ₂は極めて小さな
値に制限される。従って、コンデンサ６の端子電圧Ｖ₆
は、その殆どが主可飽和リアクトル10の出力巻線11に図
示黒丸の極性で印加される。一方、この間、第２図に示
すリセット回路15のサイリスタ20はオフ状態にあり、第
２の可飽和リアクトル16の磁束密度は、前記主可飽和リ
アクトル10の出力の巻線11が阻止する電圧波形に伴い、
リセット巻線12に黒丸の極性に誘起するサージ電圧によ
り、図示黒丸の極性に第５図のａ′点からｂ′点に向か
って変化する。この時の第２の可飽和リアクトル16のイ
ンダクタンスは十分大きいため、前記主可飽和リアクト
ル10のリセット巻線に誘起するサージ電圧は、その殆ん
どが第２の可飽和リアクトル16により阻止され、ダイオ
ード18、サイリスタ20、可変直流電源23等の保護が図ら
れる。

主コンデンサ５のエネルギーがコンデンサ６に殆んど
転送された瞬間に、主可飽和リアクトル10の磁束密度
は、第４図のｂ点に達し飽和する。この結果、主可飽和
リアクトル10の出力巻線11のインダクタンスは急激に減
少、電流ｉ₂は著しく増加し、コンデンサ６のエネルギ
ーはピーキングコンデンサ８に転送される。ピーキング
コンデンサ８の端子電圧ｖ₈がレーザ主放電々極９の絶
縁破壊電圧に達すると、同コンデンサに蓄積されたエネ
ルギーの大部分は、レーザ主放電々極９を介して、レー
ザガス中で消費され、レーザ発振に寄与する。しかし、
一部のエネルギーはレーザガス中で消費されず、主可飽
和リアクトル10のリセットにも寄与する。一方、この
間、第２図に示すリセット回路15のサイリスタ20はオフ
状態にある。このため、主可飽和リアクトル10の磁束密
度は、第４図において、ｂ点からｃ点、ｄ点を経由して
ｅ点まで変化する。また、第２の可飽和リアクトル16の
磁束密度は、第５図において、ｂ′からｃ′を経由して
ｄ′の向きに変化する。第４図におけるΔＢはゲート時
の動作磁束密度量、ΔＢ₁はｉ₁の反転電流による動作磁
束密度量である。

第３図に示すＴ₂の期間に、サイラトロン３、及びサ
イリスタ18はともにオフ状態にある。この間に、主コン
デンサ５は、電源１の正極、抵抗２、インダクタンス
４、主コンデンサ５、インダクタンス７、電源１の負極
の経路で流れる充電々流により、再度図示の極性への充
填が行なわれる。また、主可飽和リアクトル10の磁束密
度は、第４図におけるｅ点からｆ点までΔＢ₂だけ、自
己セット動作により変化する。第２の可飽和リアクトル
16の磁束密度は、第５図におけるｃ′点からｄ′点まで
自己リセット動作により変化する。なお、前記主可飽和
リアクトル10の自己セット動作、及び可飽和リアクトル
16の自己リセット動作は使用する磁心の材質等によっ
て、その程度が異なる。主可飽和リアクトル10の自己セ
ット動作については、例えば、木脇、恩田：“DC-DCコ
ンバータ用高周波磁気増幅器の磁心動作の実験的考
察”、電気学会マグネティクス研究会試料、MAG-88-23
3,pp1〜８（1988）に記載されている。

第３図に示すＴ₃の期間、即ちリセット期間にサイリ
スタ20はターンオンし、予めコンデンサ19に図示極性で
蓄積されていた電荷を図示irの経路で放電される。この
とき、サイラトロン３はオフ状態にある。第２の可飽和
リアクトル16の磁束密度は、第５図のｄ′点からｅ点で
飽和した後ｆ′点を経由してｇ′点まで変化する。ｄ′
点からｅ′点までの期間の第２の可飽和リアクトル16の
インダクタンスは極めて大きいため、電流irの値は小さ
く、サイリスタ20のターンオン損失は十分抑制される。
ｅ′点で飽和後、第２の可飽和リアクトル16のインダク
タンスは急激に減少するため、irは著しく増加し、主可
飽和リアクトル10のリセット巻線12に流れ、同主可飽和
リアクトル10を図示黒丸と極性に磁化、即ちリセットす
る。この結果、主可飽和リアクトル10の磁束密度は、第
４図において、ｆ点から、ｇ点、ｈ点を経由してｉ点ま
でΔＢ₃だけ変化する。

第３図に示すＴ₄の期間は、サイラトロン３、サイリ
スタ20のいずれもがオフ状態にあり、主可飽和リアクト
ル10の磁束密度は、自己セットにより、第４図のｉ点か
らａ点までΔＢ₄だけ変化する。一方、第２の可飽和リ
アクトル16の磁束密度は、自己セットにより、第５図の
ｇ′点からａ′点まで変化する。

以上の動作が繰り返し行なわれる。

本実施例では、入力電源１の電圧を変化させたとき
に、前記リセット回路15の可変直流電源23の電圧を変え
ることにより、主可飽和リアクトル10のリセット巻線12
に印加するパルス電圧を変化させて、主可飽和リアクト
ル10のゲート時の動作磁束密度量ΔＢを制御して、主コ
ンデンサ５からピーキングコンデンサ８へのエネルギ転
送効率を常に最適値として動作させている。この結果、
従来例に比べて、入力電圧の変化に対して、エネルギ転
送効率の低下を招くことが少ない高電圧パルス発生回路
が得られる。

また、前記リセット回路15に第２の可飽和リアクトル
16を挿入することにより、その非飽和領域を用いて、ゲ
ート時に主可飽和リアクトル10のリセット巻線に誘起す
るサージ電圧を阻止するのに十分大きなインダクタンス
が得られ、かつ、その飽和領域の小さなインダクタンス
を用いることでリセット時のパルス電圧のパルス幅を十
分小さくすることとができる。この結果、従来困難であ
ったパルス電圧、あるいはパルス電流リセット方式のと
きの、リセット期間の短縮とリセット回路の保護を両立
でき、磁気パルス圧縮回路の高繰り返し化が容易とな
る。

第１表は、本実施例で用いた主可飽和リアクトル10の
磁心材質と直流磁気特性、第２表は使用した磁心の形状
を示したものである。本実施例では、第２表に示すトロ
イダル形状のユニット磁心を第３表に示すように複数個
組み合わせ、同軸円筒状に巻線１ターンとして使用し、
磁心損失による温度上昇を防止するため、シリコンオイ
ルにより冷却している。

第４表は、第１図において、第１表から第３表に示す
各試料を主可飽和リアクトル10の磁心として用いた場合
に、入力電源１の電圧を25〜35kV可変、コンデンサ5,6,
8の容量をいずれも20nF、レーザ主放電々極９の有効長3
00mmとし、レーザ・ガスとしてHe,Kr,F₂の混合ガスを用
い、予備電離方式としてUV自動予備電離（第１図におけ
る電流ｉ₂の流れる経路に1mm程度のギャップを設け、レ
ーザ主放電々極９を均一に予備電離する方式。）を行な
い、レーザ出力を一定とするように動作させたときの、
主コンデンサ５からピーキングコンデンサ８へのエネル
ギー転送効率ηｔ（主コンデンサ５の入力エネルギーと
ピーキングコンデンサ８の入力エネルギーの比）、レー
ザ総合効率η（レーザ出力Poと主コンデンサ５の入力エ
ネルギーの比）、レーザ出力Po、ガス寿命、及びレーザ
出力ジッタを比較したものである。ここで、エネルギー
転送効率ηｔ、レーザ総合効率η、及びレーザ出力Poは
ガス寿命の1/2の時間における値である。ガス寿命は、
レーザ出力Poが５％低下するまでの期間とした。レーザ
出力ジッタは、ガス寿命の1/2の時間のときの1000ショ
ットにおける変動時間である。

また、第２図に示すリセット回路において、第２の可
飽和リアクトル16には、第５表に示す形状、及び直流磁
気特性を有するNi-Znフェライトのトロイダル磁心を２
ヶ用い、巻線25ターンとしたものを使用した。コンデン
サ19の容量は10μＦであり、電源23の電圧は各試料に応
じて適正な値に設定に設定した。

第４表に示すように、試料No.1〜６のCo塩非晶質磁
心、及び試料No.12〜17のFe基超微結晶質磁心を主可飽
和リアクトル10の磁心に用いた場合には、Fe基非晶質磁
心を用いた場合に比べてエネルギー転送効率ηｔ、レー
ザ総合効率η、レーザ出力Po、ガス寿命の面から優れて
おり、レーザ出力ジッタもFe基非晶質磁心を用いた場合
に比べて1/2程度に低減できた。さらに、直流磁気特性
における角形比Br/B₈₀₀が、0.7以上の磁心を用いた場合
には、同一系統の材質の磁心を用いた内では、レーザ出
力ジッタが少ないこともわかった。

第31図は、前記第４表に示した本発明の実施例中、可
飽和リアクトルに試料No.5を用いたときと、第26図に示
す従来回路に同一の可飽和リアクトルを用いたときのシ
ョット数に対する諸特性を比較したものである。本発明
によれば、レーザ・ガスの劣化を補償しつつレーザ出力
Poを一定に保つことが容易であり、各特性とも向上する
ことがわかる。また、エネルギ転送効率ηｔの低下が少
ないことから予想できるように、サイラトロンの反転電
流を抑制することが可能なため、サイラトロン寿命を１
ケタ程度改善することも可能である。

（実施例２）第１図の主回路構成を持つ放電励起レーザに、リセッ
ト回路15として第６図に示す回路構成のものを用いた。

第６図において、13,14はリセット回路15の出力端、1
6は第２の可飽和リアクトル、24は第２の可飽和リアク
トル16の出力巻線、25は第２の可飽和リアクトル16のリ
セット巻線、17,22,28はサージ電圧吸引用バリスタ、18
はダイオード、19はコンデンサ、20はサリスタ、21,27
は抵抗、23は可変直流電源、26はサージ電圧吸収用イン
ダクタンス、29は直流電源である。

本実施例の主回路の動作、及びリセットとゲートのタ
イムチャートは前記実施例１の場合と同一であり、リセ
ット回路15における第２の可飽和リアクトル16の動作の
みが異なる。

以下、本実施例におけるリセット回路の第２の可飽和
リアクトル16の動作について、第３図のタイムチャー
ト、第６図のリセット回路構成図、及び第７図に示す第
２の可飽和リアクトル16の動作磁化曲線を用いて説明す
る。第３図に示すＴ₁の期間、即ち主可飽和リアクトル1
0のゲート期間に主可飽和リアクトル10のリセット巻線1
2に誘起するサージ電圧が、第２の可飽和リアクトル16
の出力巻線24に印加される。このため、第２の可飽和リ
アクトル16の磁束密度は、図示黒丸の極性に第７図の
ａ″点からｂ″点を経由してｃ″点までΔＢ″₁だけ変
化する。この間の第２の可飽和リアクトル16の出力巻線
24のインダクタンスは極めて大きいため、前記サージ電
圧の殆んどは、同巻線24が阻止し、ダイオード18、サイ
リスタ20、電源23等の保護が図られる。

第３図に示すＴ₂の期間に、サイラトロン３、サイリ
スタ20の相方ともオフ状態にある。このとき第２の可飽
和リアクトル16の磁束密度は、同第２の可飽和リアクト
ル16のリセット巻線25を流れる電流Ｉ₂₅により、図示黒
丸と逆極性に、第７図のｃ″点からａ″点まで、リセッ
トされる。

第３図に示すＴ₃の期間に、サイリスタ20はターンオ
ンし、コンデンサ19に予め図示の極性で蓄積されていた
電荷を図示放電々流irの経路で放電する。このため第２
の可飽和リアクトル16の磁束密度は、図示黒丸の極性
に、第７図のａ″点からｄ″の点で飽和した後、ｅ″点
を経由してｆ″点までΔＢ″₂だけ変化する。前記ａ″
点からｄ″点の点に至るまでの間の第２の可飽和リアク
トル16の出力巻線24のインダクタンスは、極めて大きい
ため、前記サイリスタ20のターンオンによって生ずる電
圧は殆んど、同出力巻線24が阻止する。しかし、ｄ″点
に達すると、同出力巻線24のインダクタンスは急激に減
少し、主可飽和リアクトル10のリセット巻線12にパルス
電圧が印加され、同主可飽和リアクトル10は図示黒丸と
逆極性にリセットされる。

第３図のＴ₄の期間に、第２の可飽和リアクトル16の
磁束密度は、リセット巻線25を流れるリセット電流によ
り、第７図のｆ″点からａ″点までリセットされる。

以上の動作が繰り返し行なわれる。

本実施例においても、入力電源１の電圧を変化させた
ときには、リセット回路15の可変直流電源23の電圧を変
えることにより主可飽和リアクトル10のゲート時の動作
磁束密度量を制御して、最適動作を行なわせることが可
能である。

また、第２の可飽和リアクトル16をリセット回路に挿
入した効果も全く同一である。

さらに、第２の可飽和リアクトル16に新たにリセット
回路を設けることにより、同第２の可飽和リアクトル16
の動作磁束密度を大とすることができるため、同磁心の
小形化が図れる。

第６表は、本実施例に使用した第２の可飽和リアクト
ル16の磁心の形状、及び直流磁気特性を示したものであ
る。No.22を用いた場合には、同磁心を１ヶ用い出力巻
線24の巻数を10ターン、リセット巻線の巻数を１ターン
とし、Ｉ₂₅＝1.0Aとするとにより、500Hzの高繰り返し
においてもリセット回路の安全動作が可能であった。N
o.23を用いた場合には、同磁心を１ヶ用いた出力巻線24
の巻数を20ターン、リセット巻線の巻線を６ターンと
し、Ｉ₂₅＝2.0Aとすることにより、500Hzの高繰り返し
においても安全動作が可能であった。

第７表に本実施例におけるレーザ出力ジッタを示す。
この表より第２の可飽和リアクトル16のリセットにより
ジッタを減少させることができたことがわかる。

なお、第７表の試料No.は、第１表の試料No.と対応
し、主可飽和リアクトル10の材質を示したものである。

（実施例３）第８図は本発明の別の実施例であり、放電励起レーザ
への適用例を示す回路構成図である。本回路において、
１は可変入力高電圧直流電源、２は主コンデンサ５の充
電抵抗、３はサイラトロン、４はインダクタンス、６は
コンデンサ、７は主コンデンサ６の充填インダクタン
ス、８はピーキングコンデンサ、９はレーザ主放電々
極、10は主可飽和リアクトル、11は主可飽和リアクトル
10の出力巻線、31は主可飽和リアクトル10のリセット巻
線、61は主可飽和リアクトル10のプリセット巻線、32,3
3は主可飽和リアクトル10のセット巻線端及びセット回
路34の出力端、62,63は主可飽和リアクトル10のプリセ
ット巻線61の巻線端及びプリセット回路64の出力端であ
る。

第９図は本実施例で用いたセット回路34の回路構成図
である。35はサージ電圧吸収用インダクタンス、36は抵
抗、37はサージ電圧吸収用バリスタ、38は可変直流電源
である。

第10図は、本実施例で用いたプリセット回路64の回路
構成図であり、65はインダクタンス、66,71はサージ電
圧吸収用のバリスタ、67はダイオード、68はコンデン
サ、69はサイリスタ、70は抵抗、72は可変直流電源であ
る。

本回路の動作を、第８図、第９図、及び第10図の回路
構成図、第11図のタイムチャート、第12図の主可飽和リ
アクトル10の動作磁化曲線を用いて説明する。

第11図に示すＴ′₁の期間、即ちゲート期間に、サイ
ラトロン３はターンオンし、予め主コンデンサ５に図示
の極性で蓄積されていた電荷は、図示の方向に流れる放
電々流ｉ₁により、コンデンサ６に転送される。この
間、主可飽和リアクトル10の磁束密度は、第12図のα点
からβ点に向かって変化するが、このときの主可飽和リ
アクトル10の出力巻線11のインダクタンスは極めて大き
いため、コンデンサ６からピーキングコンデンサ８へ流
れる電流ｉ₂は非常に小さな値に制限される。このた
め、コンデンサ６の端子電圧ｖ₆は、その殆どが主可飽
和リアクトル10の出力巻線11に図示黒丸の極性に印加さ
れる。一方、この間、サイリスタ69はオフ、また、セッ
ト回路34には、直流セット電流Isが流れているが、同電
流Isより主可飽和リアクトル10に印加される磁化力Hrよ
りも、ゲート磁化力のほうが大きいため、前記のように
主可飽和リアクトル10の磁束密度は、第12図のα点から
β点に向かって変化する。また、このとき主可飽和リア
クトル10のプリセット巻線61、及びセット巻線31には、
いずれも図示黒丸の極性にサージ電圧が誘起するが、こ
れらは、インダクタンス65、及び35によって吸収され、
半導体素子、あるいは直流電源等の保護が図られる。

主コンデンサ５の電荷が殆どコンデンサ６に転送され
た瞬間に、主可飽和リアクトル10の磁束密度は、第12図
のβ点に達し飽和する。この結果、主可飽和リアクトル
10の出力巻線11のインダクタンスは急激に減少、電流ｉ
₂は著しく増加し、コンデンサ６の電荷はピーキングコ
ンデンサ８に転送される。ピーキングコンデンサ８の端
子電圧ｖ₈がレーザ主放電々極９の絶縁破壊電圧に達す
ると、同コンデンサ蓄積されたエネルギーの大部分は、
レーザ主放電電極９を介して、レーザガス中で消費さ
れ、レーザ発振に寄与する。しかし、一部のエネルギー
は、主可飽和リアクトル10のセットにも寄与し、主可飽
和リアクトル10の磁束密度は、第12図のβ点からγ点、
δ点を経由し、ε点まで変化する。第12図におけるΔＢ
点がゲート時の動作磁束密度量、ΔBaがｉ₂の反転電流
による動作磁束密度量である。

第11図に示すＴ′₂の期間に、サイラトロン３、及び
サイリスタ69はともにオフ状態にある。この間に、主可
飽和リアクトル10の磁束密度は、セット回路34により供
給されるセット電流Isにより、第12図のε点からζ点ま
でΔBbだけセットされる。

第11図に示すＴ′₃の期間に、サイリスタ69はターン
オンし、予めコンデンサ68に図示極性で蓄積しておいた
電荷を図示ｉ₆₁の経路で放電させ、主可飽和リアクトル
10のプリセット巻線61に供給し、主可飽和リアクトル10
を図示黒丸の極性に磁化する。この結果、主可飽和リア
クトル10の磁束密度は、第12図のζ点からη点で飽和し
た後、θ点を経由して、前記リセット電流Isによる磁化
力Hrで定まるι点までほぼΔBa＋ΔBbだけ変化し、プリ
セットされる。

第11図のＴ′₄の期間に、サイリスタ69はオフ状態に
あり、主可飽和リアクトル10の磁束密度は、前記セット
電流Isにより、第12図のι点からα点まで、ΔBcだけ、
セットされる。

以上の動作が繰り返し行なわれる。

本実施例では、負荷であるレーザガスの放電条件、即
ちガス組成、ガス圧力、ガス流速、ガス温度、及び投入
エネルギー等の違いによって必然的に生ずる前記第11図
におけるＴ′₁及びＴ′₂間の主可飽和リアクトル10の動
作磁束密度量ΔBa＋ΔBbの変動を、前記第11図における
Ｔ′₃期間のプリセット動作により補償することができ
る。

入力電源１の電圧値を変動させたときのエネルギー転
送効率の低下を防止するための主可飽和リアクトル10の
ゲート時の動作磁束密度量ΔＢの設定は、前記主可飽和
リアクトル10のセット巻線31を流れるセット電流Isを変
化させることによって可能である。

第８表は、本発明の第８図に示す主回路に、第９図の
セット回路、及び第10図のプリセット回路を用い、第11
図のタイムチャートで動作させたときのレーザ出力ジッ
タと、前述の実施例１におけるレーザ出力ジッタを比較
したものであり、動作条件は、全て実施例１と同一にし
た。同表より本実施例によれば、実施例１に比べて、レ
ーザ出力のジッタを1/2程度以下に大幅に抑制すること
が可能となることがわかる。

第９表は、本実施例において、主可飽和リアクトル10
として第１表から第３表に示す試料5,11、及び13を用い
たときのプリセット時の最大磁束密度、及びプリセット
時の最大磁束密度における比透磁率と出力ジッタの関係
を示したものである。プリセット時の最大磁束密度が、
各々の試料の直流磁気特性における残留磁束密度以上
で、レーザ出力ジッタは減少する。特に、プリセット時
の最大磁束密度における比透磁率が10以下の場合には、
レーザ出力ジッタが大幅に減少することがわかった。

（実施例４）前記プリセット回路64として、第10図に示す回路構成
の回路の代わりに、第13図に示す回路構成のものを用い
た。第13図において、62,63はプリセット回路の出力
端、73はプリセット用可飽和リアクトル、66,71はサー
ジ電圧吸収用のバリスタ、67はダイオード、68はコンデ
ンサ、69はサイリスタ、70は抵抗、72は可変直流電源で
ある。プリセット用可飽和リアクトル73を用い飽和領域
と非飽和領域を利用することにより、プリセットパルス
電流のパルス幅を小さくするのに必要な低インダクタン
スと、主可飽和リアクトル10のゲート時にプリセット巻
線61に誘起するサージ電圧を阻止するのに必要な高イン
ダクタンスを実現できた。このため、プリセット期間の
短縮とプリセット回路の保護を両立でき、高繰り返し化
が容易となる。

この時のプリセット用可飽和リアクトル73の動作を第
８図と第13図の回路構成、第11図のタイムチャート、及
び第14図示のプリセット用可飽和リアクトル73の動作磁
化曲線を用いて説明する。

第11図のゲート期間Ｔ′₁に、プリセット用可飽和リ
アクトル73の磁束密度は、前記主可飽和リアクトル10の
プリセット巻線61の図示黒丸の極性に誘起するサージ電
圧により、図示黒丸と逆極性に第14図のＩ点からII点、
III点を経由してIV点までΔＢ_Iだけ変化する。この間の
プリセット用可飽和リアクトル73のインダクタンスは大
きいため、前記サージ電圧は阻止され、同プリセット回
路64の保護が図られる。

第11図のプリセット期間Ｔ′₂に、プリセット用可飽
和リアクトル73の磁束密度は、主可飽和リアクトル10の
プリセット巻線61の図示黒丸と極逆性に誘起する電圧に
より、第14図のIV点よりＶまで変化する。

第11図のプリセット期間Ｔ′₃に、プリセット用可飽
和リアクトル73の磁束密度は、サイリスタ69がターンオ
ンすることにより、図示黒丸の極性に、第14図のＶ点か
らVI点で飽和した後、VII点、VIII点を経由してIX点ま
で変化する。この間のＶ点からVI点の期間のプリセット
用可飽和リアクトル73のインダクタンスは非常に大きい
ため、図示コンデンサ68の放電々流ｉ′₆₁の値は極めて
小さいが、VI点から、VII点を経由してBrまで変化する
際のプリセット用可飽和リアクトル73のインダクタンス
は極めて小さいため、前記ｉ′₆₁は極端に大となり、短
期間で主可飽和リアクトル10をプリセットする。

第11図のセット期間Ｔ′₄にプリセット用可飽和リア
クトル73の磁束密度は、主可飽和リアクトル10のプリセ
ット巻線61の図示黒丸と逆極性に誘起する電圧により、
図示黒丸の極性に、IX点からＸ点を経由してＩ点まで変
化する。

以上の動作が繰り返される。

なお、第12図に示すプリセット回路の代わりに第15図
に示すプリセット回路を用いた場合には、プリセット用
可飽和リアクトル73を図示黒丸の極性に磁化することに
より、第14図に示すＩ点の位置を一定値にすることが可
能となるため、動作磁束密度量ΔＢ_I、及びΔＢ_IIの変
動を防止することができ、出力ジッタを著しく低減する
ことが可能である。

第15図において、62,63はプリセット回路64の出力
端、66,71,78はサージ電圧吸収用バリスタ、67はダイオ
ード、68はコンデンサ、69はサイリスタ、70,77は抵
抗、72は可変直流電源、74はプリセット用可飽和リアク
トル73の出力巻線、75はプリセット用可飽和リアクトル
73のリセット巻線、76はインダクタンス、79は直流電源
である。

第10表は、前記第１表から第３表に示す試料No.5,11,
13を主可飽和リアクトル10として使用し、本発明による
第８図の回路に第13図のプリセット回路を用いた場合、
第15図のプリセット回路を用いた場合、及び前記実施例
３に示した場合のレーザ出力ジッタの比較を行なったも
のである。動作条件は、いずれも実施例１の場合と同一
とし、第13図、及び第15図のプリセット用可飽和リアク
トル73の磁心には、前記第６表に示したNo.22を用い
た。第13図のプリセット回路を用いたは場合には同磁心
に10ターンの巻線を設けた。一方第15図のプリセット回
路を用いた場合には、同磁心には出力巻線74、10ター
ン、リセット巻線１ターンとし、Ｉ₇₅＝1.0Aとして使用
した。同表により、第15図のプリセット回路を用いるこ
とにより、レーザ出力ジッタを前記実施例３に示した第
10図のプリセット回路を用いた場合と同程度まで低減で
きる。なお、前記実施例３に示した第10図のプリセット
回路の高繰り返し動作限界は、300Hz程度であり、これ
に対し、本実施例による第13図及び第15図のプリセット
回路を用いた場合は、500Hzを超える高繰り返し動作も
可能であった。

（実施例５）ここでは、本発明の別の実施例であり、第８図の主回
路構成を持つ放電励起レーザに、プリセット回路及びセ
ット回路として、各々第10図及び第16図の回路構成のも
のを用いた。

第16図において、32,33はセット回路34の出力端、39
はインダクタンス、40,45はサージ電圧吸収用のバリス
タ、41はダイオード、42はコンデンサ、43はサイリス
タ、44は抵抗、46は可変直流電源である。

本回路の動作を、第８図、第10図、第16図の回路構
成、第17図のタイムチャート、第18図の主可飽和リアク
トル10の動作磁化曲線を用いて説明する。

第17図に示すゲート期間Ｔαに、サイラトロン３はタ
ーンオンし、予め主コンデンサ５に図示極性で蓄積され
ていた電荷は、図示の方向に流れる放電々流ｉ₁によ
り、コンデンサ６に転送される。この間、主可飽和リア
クトル10の磁束密度は、第18図のα′点からβ′点に向
かって変化するが、このときの主可飽和リアクトル10の
出力巻線11のインダクタンスは極めて大きいため、コン
デンサ６からピーキングコンデンサ８へ流れる電流ｉ₂
は非常に小さな値に制限される。このため、コンデンサ
６の端子電圧ｖ₆は、その殆どが主可飽和リアクトル10
の出力巻線11に図示の極性に印加される。一方、この
間、サイリスタ43,69はともにオフ状態にあり、主可飽
和リアクトル10のセット巻線31、及びプリセット巻線61
に誘起するサージ電圧は、各々、インダクタンス39、及
び65により阻止され、半導体素子、あるいは直流電源等
の保護が図られる。

主コンデンサ５の電荷が殆どコンデンサ６に転送され
た瞬間に、主可飽和リアクトル10の磁束密度は、第18図
のβ′点に達し飽和する。この結果、主可飽和リアクト
ル10の出力巻線11のインダクタンスは急激に減少、電流
ｉ₂は著しく増加し、コンデンサ６の電荷はピーキング
コンデンサ８に転送される。ピーキングコンデンサ８の
端子電圧ｖ₈がレーザ主放電々極の絶縁破壊電圧に達す
ると、同コンデンサに蓄積されたエネルギーの大部分
は、レーザ主放電々極９を介して、レーザガス中で消費
され、レーザ発振に寄与する。しかし、一部のエネルギ
ーは、図示ｉ₂と逆向きの電流となって主可飽和リアク
トル10のリセットにも寄与し、主可飽和リアクトル10の
磁束密度は、第18図のβ′点からγ′点、δ′点を経由
し、ε′点まで変化する。第18図のΔＢがゲート期間の
動作磁束密度量、またΔＢ′ａがｉ₂の反転に伴う動作
磁束密度量にほぼ等しい。

第17図に示すＴ_βの期間に、サイラトロン３、サイリ
スタ43、及び69は全てオフ状態にある。この間、主可飽
和リアクトル10の磁束密度は、自己セット作用により、
第18図のε′点からζ′点までΔBb′だけ変化する。

第17図に示すＴγの期間にサイリスタ69はターンオン
し、予めコンデンサ68に図示極性で蓄積しておいた電荷
を図示ｉ₆₁の経路で放電させ、主可飽和リアクトル10の
プリセット巻線61に供給し、主可飽和リアクトル10を図
示黒丸の極性に磁化する。このプリセット動作により、
主可飽和リアクトル10の磁束密度は、第18図のζ′点か
らη′点で飽和した後、θ′を経由してBrまで、ΔＢ′
ｃだけ変化する。

第17図のＴδの期間に、サイリスタ69はオフ状態にあ
り、主可飽和リアクトル10の磁束密度はBrの点にある。

第17図のＴεの期間にサイリスタ43はターンオンし、
予めコンデンサ42に図示極性で蓄積しておいた電荷を図
示ｉ₃₁の経路で放電させ、主可飽和リアクトル10のセッ
ト巻線31に供給し、主可飽和リアクトル10を図示黒丸と
逆極性に磁化する。このため、主可飽和リアクトル10の
磁束密度は、第18図のBrからι′点からκ′点を経由し
てλ′点までΔＢ′ｄだけセットされる。

第17図のＴζの期間にサイリスタ43はオフ状態とな
り、主可飽和リアクトル10の磁束密度は、第18図のλ′
点からα′点まで、ΔＢ′ｅだけ自己セットされる。

以上の動作が繰り返し行なわれる。

本実施例でも、前記実施例３と同様、出力ジッタの発
生を抑制することができたほか、入力電源１の電圧変化
に対する最適動作制御も可能であった。また、セット回
路34に第19図に示す回路を用いた場合には、前記実施例
１で説明したのと同様の効果が得られ、高繰り返し化が
容易となった。第19図において、32,33はセット回路34
の出力端、40,45はサージ電圧吸収用バリスタ、41はダ
イオード、42はコンデンサ、44は抵抗、46は可変直流電
源、47はセット用可飽和リアクトルである。

セット回路34に第20図に示す回路を用いた場合には、
前記実施例２で説明したのと同様の効果が得られ、セッ
ト用可飽和リアクトル47の小形化が図れた。第20図にお
いて、32,33はセット回路34の出力端、40,45,52はサー
ジ電圧吸収用バリスタ、41はダイオード、42はコンデン
サ、43はサイリスタ、44,51は抵抗、46は可変直流電
源、47はセット用可飽和リアクトル、48はセット用可飽
和リアクトル47の出力巻線、49はセット用可飽和リアク
トル47のセット巻線、50はインダクタンス、53は直流電
源である。

さらに、プリセット回路64として、第13図に示す回路
を用いた場合には、前記実施例４で説明したのと同様の
効果が得られ、高繰り返し化が容易となった。

第15図に示す回路をプリセット回路64に用いた場合に
も、前記実施例３で説明したのと同様の項かが得られ、
高繰り返し化が容易になるとともに出力ジッタも減少し
た。

（実施例６）第21図は本発明の別の実施例であり、放電励起レーザ
への適用例を示す回路構成図である。本回路において、
１は可変直流電源、２は主コンデンサ５の充電抵抗、３
はサイラトロン、４はインダクタンス、６はコンデン
サ、８はピーキングコンデンサ、９はレーザ主放電々
極、10は可飽和リアクトル、11は主可飽和リアクトル10
の出力巻線、16は主可飽和リアクトル10のセット巻線、
162,163はセット巻線161の巻先端、かつセット回路164
の出力端、81は主コンデンサ５の充電インダクタンスで
ある。

本実施例では、主コンデンサ５の充電インダクタンス
81をし主可飽和リアクトル10の出力巻線11の後段に設け
ることにより、主コンデンサ５の充電々流が主可飽和リ
アクトル10のプリセット電流としても作用するプリセッ
ト回路となるように構成した。また、セット回路164と
して、第32図に示す回路のものを用いた。

本回路の動作を、第21図、第32図の回路構成、第22図
のタイムチャート、第23図の主可飽和リアクトル10の動
作磁化曲線を用いて説明する。

第22図に示すゲート期間Ｔ′αに、サイラトロン３は
ターンオンし、予め主コンデンサ５に図示の極性で蓄積
されていた電荷は、図示放電々流ｉ₁により、コンデン
サ６に転送される。この間、主可飽和リアクトル10の磁
束密度は、第23図イ点からロ点に向かって変化するが、
このときの主可飽和リアクトル10の出力巻線11のインダ
クタンスは極めて大きいため、コンデンサ６からピーキ
ングコンデンサ８へ流れる電流ｉ₂は非常に小さな値に
制限される。このため、コンデンサ６の端子電圧ｖ
₆は、その殆どが主可飽和リアクトル10の出力巻線11に
図示黒丸の極性に印加される。

一方、この間、サイリスタ169はオフ状態にあり、主
可飽和リアクトル10のセット巻線161の図示黒丸の極性
に誘起するサージ電圧は、インダクタンス165によって
阻止され、セット回路164の各素子の保護が図られる。

主コンデンサ５の電荷が殆どコンデンサ６に転送され
た瞬間に、主可飽和リアクトル10の磁束密度は、第23図
のロ点に達し飽和する。この結果、主可飽和リアクトル
10の出力巻線11のインダクタンスは急激に減少、電流も
ｉ₂は著しく増加し、コンデンサ６の電荷はピーキング
コンデンサ８に転送される。ピーキングコンデンサ８の
端子電圧ｖ₈がレーザ主放電々極９の絶縁破壊電圧に達
すると同コンデンサに蓄積されたエネルギー大部分は、
レーザ主放電々極９を介して、レーザガス中で消費さ
れ、レーザ発振に寄与する。しかし、一部のエネルギー
は、図示ｉ₂と逆向きの反転電流となって主可飽和リア
クトル10のリセットにも寄与し、主可飽和リアクトル10
の磁束密度は、第23図のロ点からハ点、ニ点を経由し、
ホ点まで変化する。ここで、第23図に示すΔＢがゲート
期間の動作磁束密度量、またΔＢイがほぼｉ₂の反転電
流による動作磁束密度量に等しい。第22図に示すプリセ
ット期間Ｔ′βに、サイラトロン３、及びサイリスタ16
9はともにオフ状態にある。この間に、主可飽和リアク
トル10の磁束密度は、入力電源１の正極、抵抗２、イン
ダクタンス４、主コンデンサ５、主可飽和リアクトル10
の出力巻線11、インダクタンス81、入力電源１の負荷の
経路で流れる主コンデンサ５の充電々流により、第23図
のホ点から、ゲート時に主可飽和リアクトルが飽和する
飽和領域と逆方向の飽和領域であるヘ点を経由して、−
BrまでΔＢロだけプリセットされる。

第22図に示すＴ′γの期間に、サイリスタ169はター
ンオンし、予めコンデンサ168に図示極性で蓄積してお
いた電荷を図示ｉ₁₆₁の経路で放電させ、主可飽和リア
クトル10のセット巻線161に供給し、主可飽和リアクト
ル10を図示黒丸の極性に磁化する。この結果、主可飽和
リアクトル10の磁束密度は、第23図の−Brからゲート開
始点であるイ点まで、ΔＢハだけ変化する。

以上の動作が繰り返し行なわれる。

第11表は、第21図の回路におけるセット回路164とし
て、第32図のセット回路を用い、第１表から第３表に示
す試料を主可飽和リアクトル10として用いた場合と、前
記実施例１の場合とのレーザ出力ジッタを比較したもの
である。動作条件は、実施例１の場合と同一である。本
実施例によれば、前記実施例１に比べて、レーザ出力ジ
ッタを大幅に低減することができた。

また、本実施例において、プリセット時の最小磁束密
度を直流磁気特性における−Br以下とすることにより、
レーザ出力ジッタを、同−Br以上とした場合の1/2程度
まで低下させることができた。

また、第21図の回路構成においてセット回路164とし
て、第33図、あるいは第34図の回路を用いた場合には、
第32図の回路を用いた場合の高繰り返し動作限界が300H
z程度であるのに対し、500Hz以上での動作が可能であっ
た。さらに、第33図の回路をセット回路164に用いた場
合のレーザ出力ジッタは、実施例１の場合の２倍程度で
あったが、第34図の回路を用いた場合には、前記実施例
１とほぼ同一のレーザ出力ジッタにすることができた。

［発明の効果］以上、説明したように、本発明によれば、磁気パルス
圧縮回路を構成する主可飽和リアクトルのゲート時の動
作磁束密度量を可変することにより出力制御が可能な高
電圧パルス発生回路の高効率動作、及び高繰り返し動作
が容易になるとともに、出力ジッタの発生も抑制するこ
とができる。

このため、エキシマレーザのようなレーザガスの劣化
に伴う一定出力制御の必要な放電励起レーザにおいて
は、一定出力で動作可能なショット数が大幅に向上する
とともに、サイラトロン等のスイッチ素子の損失も低減
することができるため信頼性、及び寿命も改善される。

また、ウラン濃縮プロセス等に利用される銅蒸気レー
ザ、TEMA（Transversely Excited Multi Atmospheric P
ressure）-CO₂レーザ等の放電励起レーザ、あるいは線
形誘導加速器等の加速器では、高繰り返し動作ととも
に、複数台動機運転するために、低ジッタ化が重要であ
るが、本発明によればこれらに使用する際に要求される
出力ジッタを満足することができ、利用効率が高く、信
頼性の高いシステムを実現できる。

また、スイッチ素子としてサイラトロン等の放電管素
子の代わりに、サイリスタ等の半導体素子を用いる際に
は、多段磁気パルス圧縮回路の利用が必要であるが、こ
の場合には、各段の磁気パルス圧縮回路の最適動作を図
ることが必要であるが、本発明によれば、容易に最適動
作を行なうための制御が可能であり、従来、困難であっ
た多段磁気パルス圧縮回路の最適動作を容易に行なうこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の主回路構成図、第２図は本
発明に係るリセット回路の一実施例の回路構成図、第３
図は本発明の第１図に係るタイムチャートの一例を示し
た図、第４図は主可飽和リアクトル10の動作磁化曲線概
念図、第５図は第２の可飽和リアクトル16の動作磁化曲
線概念図、第６図は本発明に係るリセット回路の別の実
施例の回路構成図、第７図は第２の可飽和リアクトル16
の動作磁化曲線概念図、第８図は本発明の主回路構成の
別の実施例を示した図、第９図は本発明に係るセット回
路の一例を示した図、第10図は本発明に係るプリセット
回路の一例を示した図、第11図は本発明の第８図に係る
タイムチャートの一例を示した図、第12図は第８図に係
る主可飽和リアクトル10の動作磁化曲線概念図、第13図
はプリセット回路の別の例を示した図、第14図は可飽和
リアクトル73の動作磁化曲線概念図、第15図はプリセッ
ト回路の別の実施例の回路構成図、第16図はセット回路
の別の実施例の回路構成図、第17図は本発明の第８図に
係る別のタイムチャートを示した図、第18図は第８図に
係る主可飽和リアクトル10の別の動作磁化曲線概念図、
第19図および第20図は本発明に係るセット回路の別の回
路構成図、第21図は本発明の主回路構成の別の実施例を
示した図、第22図は第21図に係るタイムチャートの一例
を示した図、第23図は第21図に係る主可飽和リアクトル
10の動作磁化曲線概念図、第24図及び第26図は従来例を
示した図、第25図は従来の主可飽和リアクトル10の動作
磁化曲線概念図、第27図は従来のリセット回路の回路構
成図、第28図は最適動作しているときの磁気パルス圧縮
回路を有する高電圧パルス発生回路の主要各部波形図、
第29図および第30図は高電圧直流電源の電圧がそれぞれ
最適動作の場合より低い場合及び高い場合の主要各部波
形図、第31図は本発明のKrFエキシマレーザの出力特性
を示した図、第32図、第33図および第34図は本発明の第
21図に係るセット回路の別の実施例を示した図である。 1,23,29,38,72,79,89:電源、3:サイラトロン 5:主コンデンサ、9:レーザ主放電電極 10,16,73:可飽和リアクトル 15,85:リセット回路、34,164:セット回路 64:プリセット回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平１−306908（ＪＰ，Ａ) 特開平２−31513（ＪＰ，Ａ) 特開平２−76280（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H03K 3/55

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】磁気パルス圧縮回路を構成する主可飽和リ
アクトルと、前記主可飽和リアクトルのゲート開始点を
設定するリセット回路を有する高電圧パルス発生回路で
あって、ゲート開始点を設定するパルス電圧あるいはパ
ルス電流が、前記リセット回路内に設けられた第２の可
飽和リアクトルを介して前記主可飽和リアクトルに印加
される構成を有する高電圧パルス発生回路。
【請求項２】主可飽和リアクトルよりリセット回路に印
加される高電圧サージは前記第２の可飽和リアクトルの
未飽和領域で阻止し、ゲート開始点を設定するパルス電
圧あるいはパルス電流は前記第２の可飽和リアクトルを
飽和領域まで動作させることによって前記主可飽和リア
クトルに印加する構成したことを特徴とする請求項１に
記載の高電圧パルス発生回路。
【請求項３】主可飽和リアクトルにゲート電圧が印加さ
れる期間と、リセット回路がパルス電圧あるいはパルス
電流を発生する期間とは相互に休止期間を有する設定で
あることを特徴とする請求項１に記載の高電圧パルス発
生回路。
【請求項４】磁気パルス圧縮回路を構成する主可飽和リ
アクトルには前記主可飽和リアクトルのどちらか一方の
飽和領域まで磁化するプリセット回路と、前記主可飽和
リアクトルのゲート開始点を設定するセット回路が設け
られていることを特徴とする高電圧パルス発生回路。
【請求項５】プリセット回路は主可飽和リアクトルがタ
ーンオンした後に主可飽和リアクトルをどちらか一方の
飽和領域まで磁化し、その後セット回路により主可飽和
リアクトルのゲート開始点に設定する回路構成であるこ
とを特徴とする請求項４に記載の高電圧パルス発生回
路。
【請求項６】プリセット回路は主可飽和リアクトルがゲ
ート時に飽和する飽和領域と同一方向の飽和領域へ前記
主可飽和リアクトルを磁化するものであることを特徴と
する請求項４に記載の高電圧パルス発生回路。
【請求項７】プリセット回路は主可飽和リアクトルがゲ
ート時に飽和する飽和領域と逆方向の飽和領域へ前記主
可飽和リアクトルを磁化するものであることを特徴とす
る請求項４に記載の高電圧パルス発生回路。
【請求項８】請求項４に記載のセット回路にはセット用
可飽和リアクトルが設けられ、主可飽和リアクトルのゲ
ート開始点を設定するパルス電圧あるいはパルス電流
が、前記セット回路内に設けた第２の可飽和リアクトル
を介して主可飽和リアクトルに印加する構成を有する請
求項４に記載の高電圧パルス発生回路。
【請求項９】請求項４に記載のプリセット回路には、プ
リセット用可飽和リアクトルが設けられ、パルス電圧あ
るいはパルス電流が、前記プリセット回路内に設けたプ
リセット用可飽和リアクトルを介して主可飽和リアクト
ルに印加する構成を有することを特徴とする請求項４に
記載の高電圧パルス発生回路。
【請求項１０】請求項１または４に記載の主可飽和リア
クトルの動作磁束密度量は、高電圧パルス発生回路の直
流入力電源に連動して変化し得る構成としたことを特徴
とする請求項１または４に記載の高電圧パルス発生回
路。
【請求項１１】請求項１または４に記載の主可飽和リア
クトルの動作磁束密度量は、高電圧パルス発生回路の負
荷変動に連動して変化し得る構成としたことを特徴とす
る請求項１または４に記載の高電圧パルス発生回路。
【請求項１２】主可飽和リアクトルを有する磁気パルス
圧縮回路複数段有することを特徴とする請求項１または
４に記載の高電圧パルス発生回路。
【請求項１３】請求項１または４に記載の高電圧パルス
発生回路を用いたことを特徴とする放電励起レーザ。
【請求項１４】請求項１または４に記載の高電圧パルス
発生回路を用いたことを特徴とする加速器。