JPS6056391B2 - 高電圧パルス発生装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、例えば医療用線形粒子加速装置の大電力
用マグネトロンの電源として用いられる高。

電圧パルス発生装置に関するものである。 周知のよう
に医療用線形粒子加速装置は、荷電粒子（電子）をァイ
クロ波に乗せて加速し、高エネルギの電子線やＸ線等の
放射線を得、その放射線を患者に照射して癌等を治療す
る、いわゆる放ｌ射線治療装置の一つである。

この種の装置においては、荷電粒子を光速度近くまで
加速するため、高エネルギのマイクロ波が必要なことか
ら、マイクロ波発生器としては一般に大電力用マグネト
ロンが用いられている。

このマグネトロンに供給される電源としては、パルス幅
が極めて短く、且つデューティの高い高電圧のパルス電
源が要求されるため、一般に第１図に示すような線路充
電形パルス発生器（ｌｉｎｅｔｙｐｅｐｕｌｓｅｒ）を
用いた高電圧パルス発生装置が用いられている。 すな
わち、図示しないトランスを介して適宜昇圧した交流電
圧を整流し且つ平滑してなる、例えばＩＯＫＶの直流電
源を、共振用インダクタンスＬｏ及び逆電流阻止用ダイ
オードＤｏを介して後述するパルス形成回路ＰＦＮの全
キャパシタＣｏに充電する。

しかる後サイラトロンＴＴを図示しないトリガパルス源
を介して点弧することによつて、パルス形成回路ＰＦＮ
の電荷が放電され、パルストランスＰＴに第２図Ａに示
すような例えば２μｓの極めてパルス幅の短いパルスイ
が発生し、パルストランスＰＴを介してマグネトロンＭ
Ｔに供給される。 パルス形成回路ＰＦＮのキャパシタ
Ｃｏが放電を終えると、サイラトロンΠは後述するよう
な現象により瞬時に消弧するが、この時イングクタンス
レとキャパシタＣｏとで直列共振回路が形成され、周波
数Ｆ０＝１／ ２πり／ＬｏＣｏ（Ｈ２）で共振が起こ
り、キャパシタＣｏには第２図Ｂに示すような共振カー
ブロを描く充電々流１０により第２図Ｃに示すような充
電力ーブハを描いて直流電源Ｅの２倍の電圧（２Ｅ）に
充電されようとする。

この充電が進むにつれてブリーダ抵抗Ｒ、、Ｒ２を介し
て検出される電圧も上がり、その充電々圧に対応した電
圧が充電設定電圧Ｖｓに達すると、比較器ＣＭから充電
しや断用サイリスタＳＣＲのゲート端子に第２図Ｄに示
すようなトリガパルスニが供給されてサイリスタＳＣＲ
が点弧する。これにより共振用インダクタンスＬＯに蓄
積されていたエネルギが、二次側コイルＬｓを介して第
２図Ｅに示すような二次電流１Ｓとしてコイルｈと抵抗
Ｒｓとて決まる放電力ーブホを描いて流れ、抵抗Ｒｓに
よつて消費される。従つてインダクタンスＬＯのＱ（Ｑ
ｕａｌｌｔｙｆａｃｔＯｒ）値が一挙に減ぜられて、肪
ＣＯによる共振が停止し、キャパシタＣＯにはダイオー
ドＤＯによつてその時の充電々圧がホールドされ、キャ
パシタＣＯの電圧は第２図Ｃのへに示すように安定化さ
れる。この場合、充電々圧の設定値が高い領域では確実
に動作するが、設定値が低い領域では、サイラトロンＴ
Ｔの転流の失敗が起りやすく、連続通電の状態、すなわ
ち高圧電源が短絡状態となつて過電流が流れ、図示しな
いバックアップ回路のブレーカが作動するという現象が
度々生ずるという問題があつた。

すなわち、通常サイラトロンＴＴが点弧してパルス形成
回路ＰＦＮのキャパシタＣＯが放電し、マグネトロンＭ
Ｔに第２図Ａに示すようなパルスイが供給された後、サ
イラトロンＴＴにはパルストランスＰＴのりーケージイ
ンダクタンス等による反射波的な逆バイアスの電圧が印
加されて自動的に消弧される。

一方サイラトロンＴＴの導通開始と同時にキャパシタＣ
Ｏには充電が開始されるが、この時点では充電々流値は
インダクタンス肪によつて規制されて小さく、サイラト
ロンＴＴに印加される前記逆バイアスに打勝つてサイラ
トロンＴＴの導通状態を維持させるまでには至らないた
め、サイラトロンＴＴの消弧は確実に行なわれる。しか
し、充電々圧の設定値を下げて行くに従つて、キャパシ
タＣＯへの充電々流１０がサイリスタＳＣＲの点弧によ
つてしや断される時点、すなわち第２図Ｂにおける卜点
が大きなものとなるため、前記二次電流１ｓも大きなも
のとなる。

その二次電流１ｓは第２図Ｅに示すようにコイルＬｓと
抵抗Ｒｓとの時定数で決まる放電力ーブホを描いて徐々
に小さくなるが、サイラトロンＴＴの導通勤作時まで尾
を引いているため、二次電流ｈが大きくなると、その導
通勤作時の第２図Ｅのチに示すような二次電流１ｓも大
きなものとなる。その結果、等価的に共振用インダクタ
ンスｂのインピーダンスが非常に小さなものとなるため
、サイラトロン■の点弧後のキャパシタＣＯへの充電開
始時の第２図Ｂのりに示すような充電々流ｂが過渡的に
流れる突入電流（ラッシュカレント）となり、その突入
電流がサイラトロンＴＴの消弧電流となる前述した逆バ
イアスに打勝つてサイラトロン■の転流を阻止し、連続
導通状態を引起こすということになる。そこで、充電々
圧の設定値が低い場合、前記インダクタンスｂの二次回
路内の電流消費用抵抗Ｒｓの値を大きくし、サイリスタ
ＳＣＲの点弧時の二次電流１ｓの放電力ーブの時定数を
短くし、次のサイラトロン■の点弧時まで尾を引かない
ようにすることが考えられるが、その場合逆にインダク
タンスＬＯ（７）Ｑ値を減する割合が少なくなつて、キ
ャパシタＣＯへの充電々流１０のしや断がゆるやかにな
り、充電々圧の安定度が悪くなるという欠点があつた。
この発明は上記事情を踏えてなされたものであつて、前
記キャパシタへの充電々圧の設定値が低い領域であつて
も確実に前記サイラトロンの転流が行なわれるようにし
た高電圧パルス発生装置を提供することを目的とする。

以下第３図を参照してこの発明による高電圧パルス発生
装置の構成の一実施例について説明す１る。尚、第１図
と同一の部分には同一符号を付すものとする。すなわち
、ＤＣは高圧直流電源で、入力側に交流電源ＡＣが接続
された整流器ＤＨと、この整流器ＤＨの出力側に接続さ
れた平滑用インダクタンスＩＬと平滑用コンデンサＣと
からなつている。

この直流電河ＰＣの正端子は共振用インダクタンスＬＯ
の一端に、負端子はアースにそれぞれ接続されている。
インダクタンスＬＯの一端は充電々圧検出用のブリーダ
抵１１／ＬＲｌ，Ｒ２を介してアースされるフと共に、
逆電流阻止用グイオードＤＯを介してパルス形成回路Ｐ
ＦＮの一端に接続されている。またダイオードＤＯのカ
ソードとアース間にはグリッドが図示しないトリガパル
ス発生器に接続されたサイラトロンＴＴが順方向に接続
されている。パルス形成回路ＰＦＮとアース間にはパル
ストランスＰＴの一次巻線が接続され、パルストランス
ＰＴの二次巻線にはマグネトロンＭＴが接続されている
。パルス形成回路ＰＦＮは線路充電形パルス発生器で、
原理的には同軸ケーブルに直流電圧で充電インピーダン
ス（インダクタンスＬＯ）を介して充電することによつ
て、その放電時に同軸ケーブル内外導体間の信号電圧を
伝送し、同軸ケーブル長によつて決まるパルス幅を有す
るパルス電圧を発生させるもので、実際にはコイルと有
数個のキャパシタで構成されるが、充電時にはその全体
の充電容量をキャパシタＣＯとして表わされる。

ＣＯは前記共振用インダクタンスＬＯ（７）Ｑ値を減じ
て結果的に前記キャパシタＣＯへの充電々流をしや断す
るための充電々流しや断回路で、この回路は共振用イン
ダクタンスＬＯの二次回路を構成し、コイルＬｓと、こ
のコイルｈの一端とアース間に順方向に接続されたゲー
トターンオフサイリスタＧＴＯ（以下単にＧＴＯと称す
）と、コイルＬｓの他端とアース間に接続された二次電
流消費用抵抗Ｒｓとで構成されている。尚、周知のよう
にＧＴＯは、そのゲート端子に正パルス電圧が印加され
ると点弧し、その後負パルス電圧が印加されると消弧す
るサイリスタである。ＣＣは前記キャパシタＣＯの充電
々圧設定回路とＧＴＯのゲート制御回路とからなる充電
々圧制御回路で次のような構成をなしている。

すなわち、茫は比較用演算増幅器で、反転入力端子が前
記充電々圧検出用のブリーダ抵抗Ｒｌ，Ｒ２の接合点に
入力抵拍只。を介して接続されると共に、入力抵抗Ｒ４
を介して充電々圧設定用の可変形の負直流源−Ｖｓに接
続され、非反転入力端子がＧＴＯの導通時間設定用の可
変抵抗ＶＲを介してアースされ、その出力端子が正帰還
用コンデンサＣ１を介して非反転入力端子に接続される
と共に、ベース抵抗Ｒ５を介してトランジスタＴｒｌの
ベースに接続されている。トランジスタＴｒｌは第１の
ＧＴＯゲート駆動用トランジスタで、コレクタが第２の
ＧＴＯゲート駆動用トランジスタＴｒ２のベースに接続
され、エミッタが保護用ダイオードＤ１を介してベース
に接続されると共にアースされている。トランジスタＴ
ｒ２はコレクタがコレクタ抵抗Ｒ６を介してＧＴＯのゲ
ート電圧供給用の直流電源＋Ｖｃに接続され、コレクタ
、ベース間にベース抵抗Ｒ７、エミッタ、ベース間に保
護用ダイオードＤ２がそれぞれ接続され、さらにエミッ
タがゲート電流制限用抵抗Ｒ８及びゲート駆動用コンデ
ンサＣ２を介してＧＴＯのゲート端子に接続されている
。次に上記構成の動作について第４図を参照に加えて説
明する。先ず説明の便宜上、パルス形成回路ＰＦＮのキ
ャパシタＣ。

が所定の電圧を充電した後にサイラトロンＴＴの点弧に
よつて一度放電し、マグネトロンＭＴに第４図Ａに示す
ようなパルスを供給した時点から動作を説明する。すな
わち、サイラトロンＴＴが点弧すると、図示しない電源
トランスで適宜昇圧された交流電源ＡＣを整流器ＤＨで
整流し、インダクタンスＬ及びコンデンサＣで平滑して
得た、例えば１０ＫＶの直流電源ＤＣが、インダクタン
スＬＯとキャパシタＣＯとの第４図Ｂに示すような共振
電流１０により、第４図Ｃに示すようなその２倍の電圧
（２０ＫＶ）に向つてダイオードＤＯを介して充電が開
始される。一方ブリーダ抵抗Ｒｌ，Ｒ２を介してその充
電々圧に対応した電圧が、抵拍只。を介して増幅器ＡＰ
の反転入力端子に現われ、充電々圧設定用の直流電源−
■Ｓよりも絶対値が大きくなると、増幅器沖の出力は正
から負へ反転する。これにより、それまで導通していた
トランジスタＴｒｌが非導通となり、逆に非導通だつた
トランジスタＴｒ２が導通するため、抵抗Ｒ８及びコン
デンサＣ２を介してＧＴＯゲート端子には第４図Ｄのヌ
で示すような正パルス電圧が印加゛され、ＧＴＯは点弧
する。ＧＴＯの点弧によつてインダクタンスｂに蓄積し
ていたエネルギがコイルム、抵抗Ｒｓを介して第４図Ｅ
に示すような二次電流１ｓとなつて流れる。その結果、
インダクタンスＬＯのＱ値が一挙に減ぜられてＬＯＣＯ
共振が停止し、キャパシタＣＯへの充電々流１０は第４
図Ｂの卜で示す時点でしや断されるが、ダイオードＤＯ
によつてキャパシタＣＯの充電々圧は第４図Ｃのへで示
すようにそのしや断時の電圧にホールドされる。他方、
増幅器ＡＰは前記反転動作と同時にコンデンサＣ１を介
して正帰還がかかるため、コンデンサＣ１と抵抗■Ｒの
時定数によつて決まる所定時間Ｔ。

が経過すると、増幅器沖は負から正に反転してトランジ
スタＴｒｌを導通にし、逆にトランジスタＴｒ２を非導
通にする。これにより、ＧＴＯのゲート端子にはコンデ
ンサＣ２の電荷がトランジスタＴｒ２を介して放電され
ることによつて、第４図Ｄのルで示すような負パルス電
圧が印加される。従つてＧＴＯは消弧し、それまで流れ
ていた前記二次電流１Ｓは次のサイラトロンＴＴの導通
勤作時まで尾を引くことなく第４図Ｄのチで示す時点で
しや断され、その時点でインダクタンスＬＯのインピー
ダンスは元の所定値に復帰する。従つて、その後図示し
ないトリガパルス発生器からのゲートパルスによつてサ
イラトロンＴＴが導通すると、キャパシタＣＯの電荷が
瞬時に放電されて第４図Ａのイで示すようなパルス電圧
がパルストランスＰＴを介してマグネトロンＭＴに供給
され、その直後現われる前述したサイラトロン■への逆
バイアス電流は、インダクタンスｂの本来のインピーダ
ンスに規制されて第４図Ｂのリ″の時点から流れる充電
々流１０に打消されることなく確実にサイラトロン■を
消弧する。

上記のようにこの発明によれば、閉路することによつて
流れる二次電流によつて、共振用インダクタンスのＱ値
を減じてパルス形成回路のキャパシタへの充電々流をし
や断する二次回路において、開閉路スイッチング部とし
てＧＴＯのような点弧と消弧が任意に制御し得る素子を
用いることによつて、パルス形成回路のキャパシタの放
電用サイラトロンの転流を確実に行なうことができる。

また前記二次回路の二次電流を消費する前記抵抗の値を
小さくできるため、前記共振用インダクタンスのＱ値を
減する割合を大きくでき、前記キャパシタへの充電々流
のしや断が急激に行なえて充電々圧の安定度が高くなる
という利点を有する。尚、この発明は上記実施例に限定
されるものてはなく、例えば前記充電々流のしや断回路
の開閉路用スイッチング素子としてＧＴＯを用いたが、
従来のサイリスタ（ＳＣＲ）やサイラトロンに周知の転
流回路を付加することによつても同一の動作を実施でき
ることはいうまでもない。

一般にこの実施例に用いられる前記共振用インピーダン
スの一次側は１０ＫＶ．．３Ａで、二次側には３００Ｖ
１１００Ａ程度であるが、従つてこの容量を満足できる
スイッチング素子としては、サイリスタ（ＳＣＲ）やサ
イラトロン等であつたが、近時大容量のＧＴＯが開発さ
れたことにより実施例として用いたに過ぎない。

また上記実施例においては前記パルス形成回路のキャパ
シタの充電々圧の放電用素子としてサイラトロンを用い
たものについて述べたが、サイラトロンに限定されるも
のではなく、容量的に満足できる数だけ直列に接続した
サイリスタ（ＳＣＲ）等（サイラトロンと同様に動作す
る素子）を用いたものであつてもよい等、その他要旨を
変更しない範囲内で適宜実施し得ることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の高電圧パルス発生装置の一例の構成を示
す電気回路図、第２図は第１図の電気回路の動作を説明
するための信号波形図、第３図はこの発明による高電圧
パルス発生装置の一実施例の構成を示す電気回路図、第
４図は第３図の電気回路の動作を説明するための信号波
形図てある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 直流電源と、この直流電源によりインダクタンス及
   び逆電流阻止用ダイオードを介して充電され放電時にパ
   ルス電圧を発生するキャパシタと、このキャパシタに充
   電された電荷を放電する放電素子と、前記インダクタン
   スのＱ値を任意の所定期間減じて前記キャパシタの充電
   々流をしや断する充電々流しや断回路と、前記キャパシ
   タの充電々圧が設定値に達すると前記充電々流しや断回
   路を動作させ、前記所定期間経過後に前記充電々流しや
   断回路の動作停止信号を出力する限時手段を有する充電
   々圧制御回路とを具備したことを特徴とする高電圧パル
   ス発生装置。 ２ 前記特許請求の範囲第１項において、前記充電々流
   しや断回路の開閉手段としてゲートターンオフサイリス
   タを用いたことを特徴とする高電圧パルス発生装置。