直流高圧電源装置
【課題】 自励発振式高周波電源およびシェンケル回路を備えている直流高圧電源装置において、電源内部放電が発生したときに、短時間でかつ確実に、自励発振式高周波電源における自励発振を停止させて、シェンケル回路を構成している整流器に与えるダメージを小さくする。
【解決手段】 この直流高圧電源装置は、自励発振式高周波電源１０と、その共振コイルを兼ねる昇圧コイル３０と、シェンケル回路５０と、昇圧コイル３０の２次コイル３２を過電圧から保護する放電ギャップ４０とを備えている。更に、放電ギャップ４０の放電を検出して放電検出信号Ｓｄを出力する放電検出器６０と、この放電検出信号Ｓｄに応答して、２次コイル３２に発生する高周波電圧の一部である帰還信号Ｓｆが自励発振式高周波電源１０に与えられるのを阻止して同高周波電源１０における自励発振を停止させる自励発振停止回路７０とを備えている。
【解決手段】 この直流高圧電源装置は、自励発振式高周波電源１０と、その共振コイルを兼ねる昇圧コイル３０と、シェンケル回路５０と、昇圧コイル３０の２次コイル３２を過電圧から保護する放電ギャップ４０とを備えている。更に、放電ギャップ４０の放電を検出して放電検出信号Ｓｄを出力する放電検出器６０と、この放電検出信号Ｓｄに応答して、２次コイル３２に発生する高周波電圧の一部である帰還信号Ｓｆが自励発振式高周波電源１０に与えられるのを阻止して同高周波電源１０における自励発振を停止させる自励発振停止回路７０とを備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば電子線照射装置、イオン注入装置、その他の加速器等に用いられる装置であって、自励発振式高周波電源およびシェンケル回路を備えている直流高圧電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
直流高電圧（例えばＭＶオーダー）を発生させる直流高圧電源装置の一つに、シェンケル形の直流高圧電源装置がある。
【０００３】
シェンケル形の直流高圧電源装置は、例えば特許文献１、２にも記載されているように、１次コイルおよび２次コイルを有している昇圧コイルと、この昇圧コイルの１次コイルに例えば数十ｋＨｚ〜百数十ｋＨｚ程度の高周波電力を供給する高周波電源と、昇圧コイルの２次コイルに接続されていて当該２次コイルに発生する高周波電圧の昇圧および整流を行って直流高電圧を出力するシェンケル回路とを備えている。昇圧コイルの２次コイルには、特許文献１、２には記載されていないけれども、通常は当該２次コイルを過電圧から保護する放電ギャップが接続されている。
【０００４】
シェンケル回路は、よく知られているように、かつ特許文献１、２にも記載されているように、複数のキャパシタと複数の整流器とを複数段に組み合わせて、交流電圧または高周波電圧から直流高電圧を発生させる回路である。シェンケル回路では、コッククロフト・ウォルトン回路と違って、複数のキャパシタはその一端が昇圧コイルの２次コイルの一端にそれぞれ並列接続されていて、並列的に充電される。
【０００５】
出力する直流高電圧が高い場合は、特許文献１、２にも記載されているように、各キャパシタには、電極間空間に形成される静電容量（浮遊静電容量とも呼ばれる）が用いられる。
【０００６】
また、上記高周波電源として、上記昇圧コイルを共振コイルにしていて、その２次コイルに発生する高周波電圧の一部が帰還信号として与えられて自励発振する自励発振式高周波電源を用いることも従来から行われている。
【０００７】
【特許文献１】実公平８−１１０６４号公報（第２頁、第１図、第２図）
【特許文献２】特開平１１−２２５４７６号公報（段落０００２−０００７、図３、図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記直流高圧電源装置においては、非常に高い高電圧を扱うので、装置の内部において予期せぬ放電（電源内部放電）が発生することがあり、この電源内部放電から構成機器をいかに保護するかが重要である。この電源内部放電は、例えば、上記静電容量形成用の電極間空間における閃絡（内部閃絡）である。
【０００９】
自励発振式高周波電源を用いた従来の直流高圧電源装置においては、電源内部放電が発生した場合、初期放電発生→自励発振が一旦停止→自励発振が再起動→再び放電発生という動作が、自励発振式高周波電源内の入力直流電源が異常（例えば過電流および／または過電圧）を検出してその出力を停止させて、当該出力が自励発振可能電圧以下に低下するまで繰り返されるという課題がある。
【００１０】
上記のような電源内部放電が発生すると、シェンケル回路では、放電発生箇所より上段（電気的に直流出力端子に近い方を上段、その反対側を下段と言う。以下同様）にある整流器に過大な逆電圧が印加され、これが繰り返されると、当該整流器は大きなダメージを受けて破壊の危機に曝されることになる。なお、シェンケル回路における上記過大な逆電圧印加については、後で図１を参照してより詳しく説明する。
【００１１】
そこでこの発明は、自励発振式高周波電源およびシェンケル回路を備えている直流高圧電源装置において、電源内部放電が発生したときに、短時間でかつ確実に、自励発振式高周波電源における自励発振を停止させて、シェンケル回路を構成している整流器に与えるダメージを小さくすることを主たる目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明に係る直流高圧電源装置は、１次コイルおよび２次コイルを有している昇圧コイルと、前記昇圧コイルの１次コイルに高周波電力を供給するものであって、前記昇圧コイルを共振コイルにしていて、前記２次コイルに発生する高周波電圧の一部が帰還信号として与えられて自励発振する自励発振式高周波電源と、前記昇圧コイルの２次コイルに接続されていて、当該２次コイルに発生する高周波電圧の昇圧および整流を行って直流高電圧を出力するシェンケル回路と、前記昇圧コイルの２次コイルに接続されていて、当該２次コイルを過電圧から保護する放電ギャップとを備えている直流高圧電源装置において、前記放電ギャップの放電を検出して放電検出信号を出力する放電検出器と、前記放電検出器からの放電検出信号に応答して、前記帰還信号が前記自励発振式高周波電源に与えられるのを阻止して前記自励発振式高周波電源における自励発振を停止させる自励発振停止回路とを備えていることを特徴としている。
【００１３】
この直流高圧電源装置においては、電源内部放電が発生すると、昇圧コイル保護用の放電ギャップが放電し、当該放電が放電検出器によって検出され、放電検出信号が出力される。自励発振停止回路は、上記放電検出信号に応答して、上記帰還信号が自励発振式高周波電源に与えられるのを阻止して、自励発振式高周波電源における自励発振を停止させる。
【００１４】
このような作用によって、電源内部放電が発生したときに、短時間でかつ確実に、自励発振式高周波電源における自励発振を停止させて、シェンケル回路を構成している整流器に与えるダメージを小さくすることができる。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に記載の発明によれば、上記のような放電検出器および自励発振停止回路を備えているので、電源内部放電が発生したときに、短時間でかつ確実に、自励発振式高周波電源における自励発振を停止させて、シェンケル回路を構成している整流器に与えるダメージを小さくすることができる。
【００１６】
請求項２に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、正常時には放電ギャップには放電電流は全く流れず、電源内部放電が発生して放電ギャップが放電したときに初めて放電電流が流れ、放電検出器はこのような明確に検出することのできる放電電流によって放電ギャップの放電を検出するものであるので、放電ギャップの放電を簡単にかつ確実に検出することができる。
【００１７】
請求項３に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、自励発振停止回路は自己保持回路を有しているので、放電検出器からの検出信号が短時間で０になる減衰振動信号であっても、自己保持回路のオン状態を保持してスイッチ手段のオン状態を確実に維持することができる。従って、自励発振式高周波電源における自励発振を確実に停止させることができる。
【００１８】
請求項４に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、昇圧コイルが二つの２次コイルを有していて両２次コイルには放電ギャップがそれぞれ接続されているので、両方の放電ギャップの放電を検出する必要があるが、放電検出器は両放電ギャップの共通の接地線に流れる放電電流によって両放電ギャップの放電を検出するものであるので、一つの放電検出器によって両方の放電ギャップの放電を検出することができる。従って、構成の簡素化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は、この発明に係る直流高圧電源装置の一実施形態を示す回路図である。この直流高圧電源装置は、自励発振式高周波電源１０、昇圧コイル３０、シェンケル回路５０等を備えている。
【００２０】
昇圧コイル３０は、この実施形態では空芯コイルであり、１次コイル３１と、互いに位相が１８０度異なる（即ち、両２次コイル３２の非接地側端３４に同時に発生する電圧の極性が逆である）高周波電圧（２次電圧）ｅを発生する二つの２次コイル３２とを有している。この昇圧コイル３０は、１次コイル３１に入力される高周波電圧を昇圧して各２次コイル３２に２次電圧ｅを出力するものであるが、自励発振式高周波電源１０の共振コイルも兼ねている。２次電圧ｅの波高値をＥとする。波高値Ｅは、例えば、１５０ｋＶ程度であるが、これに限られるものではない。
【００２１】
両２次コイル３２の非接地側端３４は、シェンケル回路５０に接続されている。より具体的には、シェンケル回路５０を構成する二つの高周波電極５２にそれぞれ接続されている。
【００２２】
両２次コイル３２の接地側端３５は、適切な位相の帰還信号Ｓｆを取り出すためのリアクタンス素子３６をそれぞれ介して接地されている。一方のリアクタンス素子３６の両端の高周波電圧Ｖｃが帰還信号Ｓｆとして取り出される。両リアクタンス素子３６は、この実施形態ではコンデンサであるが、コイルでも良い。コイルの場合は、位相の関係で図１とは反対側のリアクタンス素子３６から帰還信号Ｓｆを取り出すようにすれば良い。
【００２３】
各２次コイル３２には、それを過電圧から保護する放電ギャップ４０がそれぞれ接続されている。より具体的には、各放電ギャップ４０は、各２次コイル３２の非接地側端３４と、両放電ギャップ４０に共通の接地線４２との間にそれぞれ接続されている。
【００２４】
なお、図１では、各放電ギャップ４０を一つの放電ギャップで図示しているが、各放電ギャップ４０は、互いに直列接続されかつ直列接続部が各２次コイル３２の途中点にそれぞれ接続された複数の放電ギャップで構成されていても良く、実際はそのようにしている場合が多い。
【００２５】
自励発振式高周波電源１０は、昇圧コイル３０を共振コイルにしていて、２次コイル３２に発生する高周波電圧の一部が帰還信号Ｓｆとして与えられて、この帰還信号Ｓｆを用いて自励発振して昇圧コイル３０の１次コイル３１に高周波電力を供給するものである。この自励発振の周波数は、簡単に言えば、各２次コイル３２のインダクタンスＬと、シェンケル回路５０の各高周波電極５２と接地電位部（具体的には後述する圧力タンク）との間の静電容量（浮遊静電容量とも呼ばれる）Ｃ1 とによって形成される共振回路の共振周波数によって決まる。当該共振周波数は、例えば、４０ｋＨｚ〜１５０ｋＨｚ程度であるが、これに限られるものではない。
【００２６】
自励発振式高周波電源１０は、この実施形態では、発振用増幅器の一例である真空管（より具体的には３極真空管）２２と、それに（より具体的にはその陽極に）昇圧コイル３０の１次コイル３１を経由して直流電力を供給する入力直流電源１２とを備えている。
【００２７】
入力直流電源１２は、この実施形態では、商用周波数の交流電源１４と、それからの交流電力を昇圧すると共に出力を制御するサイリスタコンバータ１６と、それからの交流を整流する整流回路１８と、それからの出力電圧を平滑する平滑コンデンサ２０とを備えていて、直流電圧Ｖｄ1 を出力する。直流電圧Ｖｄ1 は、例えば、１０ｋＶ程度であるが、これに限られるものではない。また、入力直流電源１２の構成もこれに限られるものではない。
【００２８】
真空管２２の陽極には、入力直流電源１２からの直流電力が昇圧コイル３０の１次コイル３１を経由して供給される。真空管２２のカソードは接地されている。真空管２２のグリッドには、この実施形態では、真空管２２の動作点の調整等のためのグリッド回路３８を経由して、昇圧コイル３０の２次コイル３２から上記帰還信号Ｓｆが供給される。これによって、自励発振式高周波電源１０は自励発振する。
【００２９】
シェンケル回路５０は、キャパシタとしての複数の静電容量Ｃ0 と、複数の整流器５６とを複数段に組み合わせた構成をしている。このシェンケル回路５０は、昇圧コイル３０の２次コイル３２に接続されていて、当該２次コイル３２に発生する２次電圧ｅの昇圧および整流を行って直流高電圧ＨＶを出力するものである。この実施形態では、負の直流高電圧ＨＶを出力するものであるが、各整流器５６を図示とは逆向きに接続して、正の直流高電圧ＨＶを出力するようにしても良い。
【００３０】
シェンケル回路５０は、この実施形態では、負の直流高電圧ＨＶを取り出すために整流器５６の向きが逆であることを除いて、上記特許文献１の第２図および特許文献２の図４のものと、ほぼ同様の構成をしている。
【００３１】
即ち、シェンケル回路５０は、図１では簡略化して図示しているけれども、半円筒状をしていて互いに向かい合うように配置された一対の高周波電極５２と、この一対の高周波電極５２の内側に、各高周波電極５２との間に隙間をあけて対向するように、かつ複数段に配置された半円筒状の複数のキャパシタ電極５４と、各キャパシタ電極５４間、および、１段目のキャパシタ電極５４とグラウンド間を同一の向きで順次接続している複数の整流器５６とを備えている。最上段のキャパシタ電極５４と直流出力端子５８との間も、上記と同じ向きの整流器５６によって接続されている。
【００３２】
各高周波電極５２は、昇圧コイル３０の各２次コイル３２の非接地側端３４にそれぞれ接続されている。各高周波電極５２は、互いに実質的に同一の形状および寸法をしている。各キャパシタ電極５４も、それぞれ実質的に同一の形状および寸法をしている。
【００３３】
上記高周波電極５２、キャパシタ電極５４、整流器５６および直流出力端子５８は、絶縁ガス（例えばＳＦ6 ガス）が充填され、かつ電気的に接地された円筒状の圧力タンク（図示省略）内に収納されている。
【００３４】
上記構成によれば、各高周波電極５２とそれに対向する各キャパシタ電極５４との間にそれぞれ実質的に同一容量の静電容量Ｃ0 が形成されるので、昇圧コイル３０の一方の２次コイル３２の非接地側端３４に複数の静電容量Ｃ0 が並列接続され、他方の２次コイル３２の非接地側端３４にも複数の静電容量Ｃ0 が並列接続された回路となり、シェンケル回路が構成される。また、各高周波電極５２と圧力タンクとの間に、上記静電容量Ｃ1 がそれぞれ形成される。
【００３５】
このシェンケル回路５０においては、上記特許文献１、２にも説明されているように、昇圧コイル３０の各２次コイル３２に波高値Ｅの２次電圧ｅがそれぞれ出力されると、各キャパシタ電極５４には、下段側からそれぞれ約Ｅ、約３Ｅ、約５Ｅ、約７Ｅ、約９Ｅ、約１１Ｅの直流高電圧が得られ、直流出力端子５８に約１１Ｅの直流高電圧ＨＶが得られる。従って例えば、波高値Ｅを１５０ｋＶとすると、約１．６ＭＶの直流高電圧ＨＶが得られる。各直流高電圧は、この実施形態では負電圧である。
【００３６】
シェンケル回路５０は、コッククロフト・ウォルトン回路に比べて、多段にした場合の電圧降下の影響が少ないという利点がある一方、上記のように上段の静電容量Ｃ0 ほど、具体的には上段のキャパシタ電極５４ほど、印加される電圧が高くなるという課題がある。
【００３７】
シェンケル回路５０において内部放電（より具体的には内部閃絡）が発生すると、例えば図１中に示すように上段付近のキャパシタ電極５４とそれに対向する高周波電極５２との間で内部放電５９が発生すると、当該高周波電極５２に接続された２次コイル３２の保護用の放電ギャップ４０が放電して、上記接地線４２に放電電流Ｉｄが流れる。上記とは反対側の高周波電極５２とキャパシタ電極５４との間で内部放電が発生しても、上記とは反対側の放電ギャップ４０が放電してやはり上記接地線４２に放電電流Ｉｄが流れる。
【００３８】
そこでこの実施形態では、上記接地線４２に、そこを流れる放電電流Ｉｄによって両放電ギャップ４０の放電を検出して放電検出信号Ｓｄを出力する放電検出器６０を設けている。放電検出器６０は、この実施形態では変流器であり、従って放電検出信号Ｓｄは電流信号である。上記放電電流Ｉｄはスパイク状の電流、即ち短時間（例えば数μ秒程度）でほぼ０に収束する減衰振動電流であるので、放電検出信号Ｓｄも同様の減衰振動信号となる。
【００３９】
放電検出器６０からの放電検出信号Ｓｄは自励発振停止回路７０に供給される。自励発振停止回路７０は、この放電検出信号Ｓｄに応答して、上記帰還信号Ｓｆが自励発振式高周波電源１０に与えられるのを阻止して、自励発振式高周波電源における自励発振を停止させるものである。自励発振停止回路７０は、この実施形態では、上記帰還信号Ｓｆに応答してオン状態になりかつそのオン状態を維持する自己保持回路と、この自己保持回路がオン状態のときにオン状態になって、上記帰還信号Ｓｆをグラウンドへ流す閉回路を形成するスイッチ手段とを有している。
【００４０】
より具体的には、自励発振停止回路７０は、上記放電検出信号Ｓｄを抵抗器７２によって電圧信号に変換し、整流回路７４によって整流し、平滑コンデンサ７５によって平滑して直流電圧Ｖｄ2 を出力するよう構成されている。この直流電圧Ｖｄ2 によって、放電検出信号Ｓｄが減衰信号であっても、フォトカプラ７６を確実にオン状態にすることができる。フォトカプラ７６がオン状態になることによってそれに接続されているフォトカプラ７８がオン状態になり、それによってフォトカプラ７８側には、自己のフォトダイオードからフォトトランジスタを通る電流経路７９が形成されるので、フォトカプラ７８はオン状態を自己保持することができる。即ち、フォトカプラ７６、７８を用いて自己保持回路が構成されている。なお、図１中のＶｄ3 は、例えば＋１２Ｖの直流電源電圧である。
【００４１】
フォトカプラ７８がオン状態のときに、スイッチ手段の一例である継電器８０は、そのコイル８２に直流電源電圧Ｖｄ3 からフォトカプラ７８のフォトトランジスタを通して励磁電流が流れてオン状態になり、その接点８４がオン状態になる。接点８４の両端は、符号ａ、ｂで示すように、この実施形態では、上記帰還信号Ｓｆを取り出すリアクタンス素子３６の両端に、即ち同じ符号ａ、ｂの箇所にそれぞれ接続されている。従って、継電器８０がオン状態になると、その接点８４によって、上記リアクタンス素子３６を短絡して、上記高周波電圧Ｖｃを、即ち上記帰還信号Ｓｆをグラウンドへ流す閉回路が形成される。
【００４２】
継電器８０の動作によって帰還信号Ｓｆがシャントされてグラウンドへ流されると、自励発振式高周波電源１０は帰還信号Ｓｆが供給されなくなるので自励発振が即時に停止する。即ち、従来例のように入力直流電源１２が異常を検出してその出力Ｖｄ1 を停止するよりも遥かに速く自励発振を停止させることができる。従ってこの直流高圧電源装置においては、電源内部放電が発生したときに、短時間でかつ確実に、自励発振式高周波電源１０における自励発振を停止させて、シェンケル回路５０を構成している整流器５６に与えるダメージを小さくすることができる。
【００４３】
なお、継電器８０の動作後にリセットするには、直流電源電圧Ｖｄ3 を一旦切れば良い。それによって、フォトカプラ７８の自己保持状態は解除され、かつ継電器８０はオフ状態に戻るので、自励発振停止回路７０は初期状態に戻る。従って自励発振式高周波電源１０の再起動が可能になる。
【００４４】
実験結果の一例を図２に示す。高周波電圧Ｖｃは、上記リアクタンス素子３６の両端の電圧であり、高周波数で振動しているが、図２ではその包絡線を図示している（図３も同様）。時刻ｔ1 において電源内部放電を発生させて放電ギャップ４０を放電させると、約３ｍ秒後の時刻ｔ2 で継電器８０がオン状態になり、その約１ｍ秒後の時刻ｔ3 で高周波電圧Ｖｃは０Ｖになり、それ以降はその状態が維持されている。即ち、電源内部放電の約４ｍ秒後という極めて短時間で、自励発振式高周波電源１０における自励発振を完全に停止させ、かつその停止状態を維持することができた。
【００４５】
参考例として、上記自励発振停止回路７０を働かせていないときの実験結果の一例を図３に示す。これは前述した従来技術に相当する。時刻ｔ4 において電源内部放電を発生させると、放電ギャップ４０が放電して高周波電圧Ｖｃが一旦低下して自励発振は一旦停止しかけるけれども、すぐに入力直流電源１２はその出力電圧Ｖｄ1 を上げる動作に入って自励発振が再起動して、高周波電圧Ｖｃおよび昇圧コイル３０の２次電圧ｅが初回よりも大きくなって時刻ｔ5 で再び電源内部放電が発生し、これ以降は上記動作が繰り返されて時刻ｔ6 、ｔ7 、ｔ8 において電源内部放電が繰り返して発生し、時刻ｔ8 の放電によって入力直流電源１２は異常（例えば出力の過電流および／または過電圧）を検出して出力を停止させる。
【００４６】
この場合は、時刻ｔ4 から時刻ｔ8 までに約７５ｍ秒もの長時間を要している。しかも、入力直流電源１２は平滑コンデンサ２０を有しているので、その出力電圧Ｖｄ1 が小さくなって自励発振式高周波電源１０における自励発振が完全に停止する時刻ｔ9 までに更に約５０ｍ秒程度を要している。その結果、電源内部放電発生から自励発振式高周波電源１０における自励発振の完全停止までに約１２５ｍ秒という長時間を要している。入力直流電源１２における異常検出の遅れや平滑コンデンサ２０の容量が大きい場合には、これよりも更に長時間を要する場合もある。
【００４７】
上記のような電源内部放電が発生すると、シェンケル回路５０では、放電箇所より上段にある整流器５６に過大な逆電圧が印加される。例えば、図１に示す例のように９Ｅの電圧が印加されるキャパシタ電極５４と高周波電極５２との間で内部放電５９が発生すると、当該高周波電極５２につながる放電ギャップ４０が放電して当該キャパシタ電極５４の電位は実質的に０Ｖになる。そうなると、当該キャパシタ電極５４よりも電気的に上段にある整流器５６（５６ａ）には、アノードが約１１Ｅ（これは前述したように負の直流高電圧である）、カソードが０Ｖという非常に大きな逆電圧が印加される。従ってこのような過大な逆電圧印加が繰り返されると、当該整流器５６は大きなダメージを受けることになる。しかも逆電圧印加時間が長いとダメージも大きくなる。
【００４８】
図１に示す内部放電５９よりも下段において内部放電が発生した場合も、上記と同様の考え方によって、放電箇所より上段にある整流器５６に過大な逆電圧が印加され、これが繰り返されると当該整流器５６は大きなダメージを受けることになる。また、各整流器５６の向きを図１とは逆向きにして正の直流高電圧ＨＶを出力する場合も、上記と同様の考え方によって、放電箇所より上段にある整流器５６に過大な逆電圧が印加され、これが繰り返されると当該整流器５６は大きなダメージを受けることになる。
【００４９】
これに対して、この実施形態の直流高圧電源装置では、上記のような放電検出器６０および自励発振停止回路７０を備えているので、電源内部放電が発生したときに、図２を参照して説明したように初期放電を検出して短時間でかつ確実に、自励発振式高周波電源１０における自励発振を停止させて、シェンケル回路５０を構成している整流器５６に与えるダメージを小さくすることができる。
【００５０】
なお、放電ギャップ４０の放電を検出して放電検出信号Ｓｄを出力する放電検出器は、上記放電検出器６０以外のものでも良いけれども、上記放電検出器６０のように、放電ギャップ４０を通して流れる放電電流Ｉｄによって放電ギャップ４０の放電を検出するものが好ましい。その理由は次のとおりである。即ち、正常時には放電ギャップ４０には放電電流は全く流れず、電源内部放電が発生して放電ギャップ４０が放電したときに初めて放電電流Ｉｄが流れ、放電検出器６０はこのような明確に検出することのできる放電電流Ｉｄによって放電ギャップ４０の放電を検出するものであるので、放電ギャップ４０の放電を簡単にかつ確実に検出することができる。即ち、放電電流Ｉｄが流れたときは、放電電流Ｉｄの大小に拘わらずに、電源内部放電が発生して放電ギャップ４０が放電した証拠であるので、検出感度を上げることができ、簡単にかつ確実に放電ギャップ４０の放電を検出することができる。しかも、検出時定数は必要ないので、最短時間で検出することができる。
【００５１】
昇圧コイル３０がこの実施形態のように二つの２次コイル３２を有していて両２次コイル３２に放電ギャップ４０がそれぞれ接続されている場合は、両放電ギャップ４０の放電を検出する必要がある。これに対しては、この実施形態のように、両放電ギャップ４０の共通の接地線４２に流れる放電電流Ｉｄによって両放電ギャップ４０の放電を検出する放電検出器６０を設けておくのが好ましい。そのようにすると、一つの放電検出器６０によって両方の放電ギャップ４０の放電を検出することができるので、放電検出器６０を一つで済ませることができる。それに伴って、当該放電検出器６０につながる自励発振停止回路７０の構成も簡素化することができる。従って構成の簡素化を図ることができる。
【００５２】
自励発振停止回路７０には、上記のような自己保持回路を設けておくのが好ましい。そのようにすれば、放電検出信号Ｓｄが短時間で０になる減衰振動信号であっても、自己保持回路はオン状態を保持して継電器８０のオン状態を確実に維持することができるので、自励発振式高周波電源１０における自励発振を確実に停止させることができる。
【００５３】
上記実施形態のように、継電器８０によって（より具体的にはその接点８４によって）リアクタンス素子３６の両端を短絡することによって、帰還信号Ｓｆがグリッド回路３８を経由して真空管２２に供給される前に帰還信号Ｓｆをグラウンドへ流すように構成する代わりに、継電器８０の接点８４の出力ａ、ｂを、図１中の符号ｃ、ｄで示すように真空管２２のグリッドとグラウンドとにそれぞれ接続して、帰還信号Ｓｆが真空管２２のグリッドに供給される直前でグラウンドへ流すように構成しても良い。換言すれば、継電器８０の接点８４によって真空管２２のグリッドを接地するように構成しても良い。いずれにしても、継電器８０がオンすると帰還信号Ｓｆは真空管２２に（より具体的にはそのグリッドに）供給されなくなるので、自励発振式高周波電源１０における自励発振は停止する。
【００５４】
自励発振式高周波電源１０における自励発振を短時間で停止させる観点から、上記継電器８０には、高速動作するもの、例えば高速リードリレーを用いるのが好ましい。また、自励発振停止回路７０を構成するスイッチ手段として、上記継電器８０の代わりに、トランジスタ、サイリスタ等の半導体スイッチを設けても良い。そのようにすれば、継電器８０の場合よりも更に短時間で自励発振式高周波電源１０における自励発振を停止させることが可能になる。
【００５５】
自励発振式高周波電源１０を構成する自励発振用の増幅器としては、大出力の場合はこの実施形態のように真空管２２を用いるのが現実的であるが、必要とする出力を出すことができるのであれば、他の増幅器、例えばトランジスタ（より具体的には電界効果トランジスタ）等を用いても良い。
【００５６】
シェンケル回路５０は、図１に示す実施形態では、回路が非対称である非対称形のシェンケル回路であるが、それに限られるものではなく、回路が対称である公知の対称形のシェンケル回路、例えば上記特許文献１の第１図または特許文献２の図３に記載されているような対称形のシェンケル回路でも良い。その場合も、シェンケル回路５０以外の構成は上記と同様で良い。
【００５７】
シェンケル回路５０は、昇圧コイル３０がこの実施形態のように二つの２次コイル３２を有していると、一つの２次コイル３２の場合に比べて約２倍近くの直流高電圧ＨＶを発生させることができるけれども、必ずしも二つの２次コイル３２を有している必要はなく、一つの２次コイル３２を有するものでも良い。その場合は、当該一つの２次コイル３２の保護用に放電ギャップ４０を設けておいて、その放電を放電検出器６０で検出するようにすれば良い。その他は上記実施形態の場合と同様である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】この発明に係る直流高圧電源装置の一実施形態を示す回路図である。
【図２】図１に示す直流高圧電源装置において、内部放電発生時の高周波電圧Ｖｃの一例を包絡線で示す概略図である。
【図３】参考例として、図１に示す直流高圧電源装置において、自励発振停止回路を働かせていないときの、内部放電発生時の高周波電圧Ｖｃの一例を包絡線で示す概略図であり、横軸の時間目盛は図２の５倍である。
【符号の説明】
【００５９】
１０ 自励発振式高周波電源
３０ 昇圧コイル
３１ １次コイル
３２ ２次コイル
３６ リアクタンス素子
４０ 放電ギャップ
４２ 接地線
５０ シェンケル回路
６０ 放電検出器
７０ 自励発振停止回路
Ｉｄ 放電電流
Ｓｄ 放電検出信号
Ｖｃ 高周波電圧
Ｓｆ 帰還信号
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば電子線照射装置、イオン注入装置、その他の加速器等に用いられる装置であって、自励発振式高周波電源およびシェンケル回路を備えている直流高圧電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
直流高電圧（例えばＭＶオーダー）を発生させる直流高圧電源装置の一つに、シェンケル形の直流高圧電源装置がある。
【０００３】
シェンケル形の直流高圧電源装置は、例えば特許文献１、２にも記載されているように、１次コイルおよび２次コイルを有している昇圧コイルと、この昇圧コイルの１次コイルに例えば数十ｋＨｚ〜百数十ｋＨｚ程度の高周波電力を供給する高周波電源と、昇圧コイルの２次コイルに接続されていて当該２次コイルに発生する高周波電圧の昇圧および整流を行って直流高電圧を出力するシェンケル回路とを備えている。昇圧コイルの２次コイルには、特許文献１、２には記載されていないけれども、通常は当該２次コイルを過電圧から保護する放電ギャップが接続されている。
【０００４】
シェンケル回路は、よく知られているように、かつ特許文献１、２にも記載されているように、複数のキャパシタと複数の整流器とを複数段に組み合わせて、交流電圧または高周波電圧から直流高電圧を発生させる回路である。シェンケル回路では、コッククロフト・ウォルトン回路と違って、複数のキャパシタはその一端が昇圧コイルの２次コイルの一端にそれぞれ並列接続されていて、並列的に充電される。
【０００５】
出力する直流高電圧が高い場合は、特許文献１、２にも記載されているように、各キャパシタには、電極間空間に形成される静電容量（浮遊静電容量とも呼ばれる）が用いられる。
【０００６】
また、上記高周波電源として、上記昇圧コイルを共振コイルにしていて、その２次コイルに発生する高周波電圧の一部が帰還信号として与えられて自励発振する自励発振式高周波電源を用いることも従来から行われている。
【０００７】
【特許文献１】実公平８−１１０６４号公報（第２頁、第１図、第２図）
【特許文献２】特開平１１−２２５４７６号公報（段落０００２−０００７、図３、図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記直流高圧電源装置においては、非常に高い高電圧を扱うので、装置の内部において予期せぬ放電（電源内部放電）が発生することがあり、この電源内部放電から構成機器をいかに保護するかが重要である。この電源内部放電は、例えば、上記静電容量形成用の電極間空間における閃絡（内部閃絡）である。
【０００９】
自励発振式高周波電源を用いた従来の直流高圧電源装置においては、電源内部放電が発生した場合、初期放電発生→自励発振が一旦停止→自励発振が再起動→再び放電発生という動作が、自励発振式高周波電源内の入力直流電源が異常（例えば過電流および／または過電圧）を検出してその出力を停止させて、当該出力が自励発振可能電圧以下に低下するまで繰り返されるという課題がある。
【００１０】
上記のような電源内部放電が発生すると、シェンケル回路では、放電発生箇所より上段（電気的に直流出力端子に近い方を上段、その反対側を下段と言う。以下同様）にある整流器に過大な逆電圧が印加され、これが繰り返されると、当該整流器は大きなダメージを受けて破壊の危機に曝されることになる。なお、シェンケル回路における上記過大な逆電圧印加については、後で図１を参照してより詳しく説明する。
【００１１】
そこでこの発明は、自励発振式高周波電源およびシェンケル回路を備えている直流高圧電源装置において、電源内部放電が発生したときに、短時間でかつ確実に、自励発振式高周波電源における自励発振を停止させて、シェンケル回路を構成している整流器に与えるダメージを小さくすることを主たる目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明に係る直流高圧電源装置は、１次コイルおよび２次コイルを有している昇圧コイルと、前記昇圧コイルの１次コイルに高周波電力を供給するものであって、前記昇圧コイルを共振コイルにしていて、前記２次コイルに発生する高周波電圧の一部が帰還信号として与えられて自励発振する自励発振式高周波電源と、前記昇圧コイルの２次コイルに接続されていて、当該２次コイルに発生する高周波電圧の昇圧および整流を行って直流高電圧を出力するシェンケル回路と、前記昇圧コイルの２次コイルに接続されていて、当該２次コイルを過電圧から保護する放電ギャップとを備えている直流高圧電源装置において、前記放電ギャップの放電を検出して放電検出信号を出力する放電検出器と、前記放電検出器からの放電検出信号に応答して、前記帰還信号が前記自励発振式高周波電源に与えられるのを阻止して前記自励発振式高周波電源における自励発振を停止させる自励発振停止回路とを備えていることを特徴としている。
【００１３】
この直流高圧電源装置においては、電源内部放電が発生すると、昇圧コイル保護用の放電ギャップが放電し、当該放電が放電検出器によって検出され、放電検出信号が出力される。自励発振停止回路は、上記放電検出信号に応答して、上記帰還信号が自励発振式高周波電源に与えられるのを阻止して、自励発振式高周波電源における自励発振を停止させる。
【００１４】
このような作用によって、電源内部放電が発生したときに、短時間でかつ確実に、自励発振式高周波電源における自励発振を停止させて、シェンケル回路を構成している整流器に与えるダメージを小さくすることができる。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に記載の発明によれば、上記のような放電検出器および自励発振停止回路を備えているので、電源内部放電が発生したときに、短時間でかつ確実に、自励発振式高周波電源における自励発振を停止させて、シェンケル回路を構成している整流器に与えるダメージを小さくすることができる。
【００１６】
請求項２に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、正常時には放電ギャップには放電電流は全く流れず、電源内部放電が発生して放電ギャップが放電したときに初めて放電電流が流れ、放電検出器はこのような明確に検出することのできる放電電流によって放電ギャップの放電を検出するものであるので、放電ギャップの放電を簡単にかつ確実に検出することができる。
【００１７】
請求項３に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、自励発振停止回路は自己保持回路を有しているので、放電検出器からの検出信号が短時間で０になる減衰振動信号であっても、自己保持回路のオン状態を保持してスイッチ手段のオン状態を確実に維持することができる。従って、自励発振式高周波電源における自励発振を確実に停止させることができる。
【００１８】
請求項４に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、昇圧コイルが二つの２次コイルを有していて両２次コイルには放電ギャップがそれぞれ接続されているので、両方の放電ギャップの放電を検出する必要があるが、放電検出器は両放電ギャップの共通の接地線に流れる放電電流によって両放電ギャップの放電を検出するものであるので、一つの放電検出器によって両方の放電ギャップの放電を検出することができる。従って、構成の簡素化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は、この発明に係る直流高圧電源装置の一実施形態を示す回路図である。この直流高圧電源装置は、自励発振式高周波電源１０、昇圧コイル３０、シェンケル回路５０等を備えている。
【００２０】
昇圧コイル３０は、この実施形態では空芯コイルであり、１次コイル３１と、互いに位相が１８０度異なる（即ち、両２次コイル３２の非接地側端３４に同時に発生する電圧の極性が逆である）高周波電圧（２次電圧）ｅを発生する二つの２次コイル３２とを有している。この昇圧コイル３０は、１次コイル３１に入力される高周波電圧を昇圧して各２次コイル３２に２次電圧ｅを出力するものであるが、自励発振式高周波電源１０の共振コイルも兼ねている。２次電圧ｅの波高値をＥとする。波高値Ｅは、例えば、１５０ｋＶ程度であるが、これに限られるものではない。
【００２１】
両２次コイル３２の非接地側端３４は、シェンケル回路５０に接続されている。より具体的には、シェンケル回路５０を構成する二つの高周波電極５２にそれぞれ接続されている。
【００２２】
両２次コイル３２の接地側端３５は、適切な位相の帰還信号Ｓｆを取り出すためのリアクタンス素子３６をそれぞれ介して接地されている。一方のリアクタンス素子３６の両端の高周波電圧Ｖｃが帰還信号Ｓｆとして取り出される。両リアクタンス素子３６は、この実施形態ではコンデンサであるが、コイルでも良い。コイルの場合は、位相の関係で図１とは反対側のリアクタンス素子３６から帰還信号Ｓｆを取り出すようにすれば良い。
【００２３】
各２次コイル３２には、それを過電圧から保護する放電ギャップ４０がそれぞれ接続されている。より具体的には、各放電ギャップ４０は、各２次コイル３２の非接地側端３４と、両放電ギャップ４０に共通の接地線４２との間にそれぞれ接続されている。
【００２４】
なお、図１では、各放電ギャップ４０を一つの放電ギャップで図示しているが、各放電ギャップ４０は、互いに直列接続されかつ直列接続部が各２次コイル３２の途中点にそれぞれ接続された複数の放電ギャップで構成されていても良く、実際はそのようにしている場合が多い。
【００２５】
自励発振式高周波電源１０は、昇圧コイル３０を共振コイルにしていて、２次コイル３２に発生する高周波電圧の一部が帰還信号Ｓｆとして与えられて、この帰還信号Ｓｆを用いて自励発振して昇圧コイル３０の１次コイル３１に高周波電力を供給するものである。この自励発振の周波数は、簡単に言えば、各２次コイル３２のインダクタンスＬと、シェンケル回路５０の各高周波電極５２と接地電位部（具体的には後述する圧力タンク）との間の静電容量（浮遊静電容量とも呼ばれる）Ｃ1 とによって形成される共振回路の共振周波数によって決まる。当該共振周波数は、例えば、４０ｋＨｚ〜１５０ｋＨｚ程度であるが、これに限られるものではない。
【００２６】
自励発振式高周波電源１０は、この実施形態では、発振用増幅器の一例である真空管（より具体的には３極真空管）２２と、それに（より具体的にはその陽極に）昇圧コイル３０の１次コイル３１を経由して直流電力を供給する入力直流電源１２とを備えている。
【００２７】
入力直流電源１２は、この実施形態では、商用周波数の交流電源１４と、それからの交流電力を昇圧すると共に出力を制御するサイリスタコンバータ１６と、それからの交流を整流する整流回路１８と、それからの出力電圧を平滑する平滑コンデンサ２０とを備えていて、直流電圧Ｖｄ1 を出力する。直流電圧Ｖｄ1 は、例えば、１０ｋＶ程度であるが、これに限られるものではない。また、入力直流電源１２の構成もこれに限られるものではない。
【００２８】
真空管２２の陽極には、入力直流電源１２からの直流電力が昇圧コイル３０の１次コイル３１を経由して供給される。真空管２２のカソードは接地されている。真空管２２のグリッドには、この実施形態では、真空管２２の動作点の調整等のためのグリッド回路３８を経由して、昇圧コイル３０の２次コイル３２から上記帰還信号Ｓｆが供給される。これによって、自励発振式高周波電源１０は自励発振する。
【００２９】
シェンケル回路５０は、キャパシタとしての複数の静電容量Ｃ0 と、複数の整流器５６とを複数段に組み合わせた構成をしている。このシェンケル回路５０は、昇圧コイル３０の２次コイル３２に接続されていて、当該２次コイル３２に発生する２次電圧ｅの昇圧および整流を行って直流高電圧ＨＶを出力するものである。この実施形態では、負の直流高電圧ＨＶを出力するものであるが、各整流器５６を図示とは逆向きに接続して、正の直流高電圧ＨＶを出力するようにしても良い。
【００３０】
シェンケル回路５０は、この実施形態では、負の直流高電圧ＨＶを取り出すために整流器５６の向きが逆であることを除いて、上記特許文献１の第２図および特許文献２の図４のものと、ほぼ同様の構成をしている。
【００３１】
即ち、シェンケル回路５０は、図１では簡略化して図示しているけれども、半円筒状をしていて互いに向かい合うように配置された一対の高周波電極５２と、この一対の高周波電極５２の内側に、各高周波電極５２との間に隙間をあけて対向するように、かつ複数段に配置された半円筒状の複数のキャパシタ電極５４と、各キャパシタ電極５４間、および、１段目のキャパシタ電極５４とグラウンド間を同一の向きで順次接続している複数の整流器５６とを備えている。最上段のキャパシタ電極５４と直流出力端子５８との間も、上記と同じ向きの整流器５６によって接続されている。
【００３２】
各高周波電極５２は、昇圧コイル３０の各２次コイル３２の非接地側端３４にそれぞれ接続されている。各高周波電極５２は、互いに実質的に同一の形状および寸法をしている。各キャパシタ電極５４も、それぞれ実質的に同一の形状および寸法をしている。
【００３３】
上記高周波電極５２、キャパシタ電極５４、整流器５６および直流出力端子５８は、絶縁ガス（例えばＳＦ6 ガス）が充填され、かつ電気的に接地された円筒状の圧力タンク（図示省略）内に収納されている。
【００３４】
上記構成によれば、各高周波電極５２とそれに対向する各キャパシタ電極５４との間にそれぞれ実質的に同一容量の静電容量Ｃ0 が形成されるので、昇圧コイル３０の一方の２次コイル３２の非接地側端３４に複数の静電容量Ｃ0 が並列接続され、他方の２次コイル３２の非接地側端３４にも複数の静電容量Ｃ0 が並列接続された回路となり、シェンケル回路が構成される。また、各高周波電極５２と圧力タンクとの間に、上記静電容量Ｃ1 がそれぞれ形成される。
【００３５】
このシェンケル回路５０においては、上記特許文献１、２にも説明されているように、昇圧コイル３０の各２次コイル３２に波高値Ｅの２次電圧ｅがそれぞれ出力されると、各キャパシタ電極５４には、下段側からそれぞれ約Ｅ、約３Ｅ、約５Ｅ、約７Ｅ、約９Ｅ、約１１Ｅの直流高電圧が得られ、直流出力端子５８に約１１Ｅの直流高電圧ＨＶが得られる。従って例えば、波高値Ｅを１５０ｋＶとすると、約１．６ＭＶの直流高電圧ＨＶが得られる。各直流高電圧は、この実施形態では負電圧である。
【００３６】
シェンケル回路５０は、コッククロフト・ウォルトン回路に比べて、多段にした場合の電圧降下の影響が少ないという利点がある一方、上記のように上段の静電容量Ｃ0 ほど、具体的には上段のキャパシタ電極５４ほど、印加される電圧が高くなるという課題がある。
【００３７】
シェンケル回路５０において内部放電（より具体的には内部閃絡）が発生すると、例えば図１中に示すように上段付近のキャパシタ電極５４とそれに対向する高周波電極５２との間で内部放電５９が発生すると、当該高周波電極５２に接続された２次コイル３２の保護用の放電ギャップ４０が放電して、上記接地線４２に放電電流Ｉｄが流れる。上記とは反対側の高周波電極５２とキャパシタ電極５４との間で内部放電が発生しても、上記とは反対側の放電ギャップ４０が放電してやはり上記接地線４２に放電電流Ｉｄが流れる。
【００３８】
そこでこの実施形態では、上記接地線４２に、そこを流れる放電電流Ｉｄによって両放電ギャップ４０の放電を検出して放電検出信号Ｓｄを出力する放電検出器６０を設けている。放電検出器６０は、この実施形態では変流器であり、従って放電検出信号Ｓｄは電流信号である。上記放電電流Ｉｄはスパイク状の電流、即ち短時間（例えば数μ秒程度）でほぼ０に収束する減衰振動電流であるので、放電検出信号Ｓｄも同様の減衰振動信号となる。
【００３９】
放電検出器６０からの放電検出信号Ｓｄは自励発振停止回路７０に供給される。自励発振停止回路７０は、この放電検出信号Ｓｄに応答して、上記帰還信号Ｓｆが自励発振式高周波電源１０に与えられるのを阻止して、自励発振式高周波電源における自励発振を停止させるものである。自励発振停止回路７０は、この実施形態では、上記帰還信号Ｓｆに応答してオン状態になりかつそのオン状態を維持する自己保持回路と、この自己保持回路がオン状態のときにオン状態になって、上記帰還信号Ｓｆをグラウンドへ流す閉回路を形成するスイッチ手段とを有している。
【００４０】
より具体的には、自励発振停止回路７０は、上記放電検出信号Ｓｄを抵抗器７２によって電圧信号に変換し、整流回路７４によって整流し、平滑コンデンサ７５によって平滑して直流電圧Ｖｄ2 を出力するよう構成されている。この直流電圧Ｖｄ2 によって、放電検出信号Ｓｄが減衰信号であっても、フォトカプラ７６を確実にオン状態にすることができる。フォトカプラ７６がオン状態になることによってそれに接続されているフォトカプラ７８がオン状態になり、それによってフォトカプラ７８側には、自己のフォトダイオードからフォトトランジスタを通る電流経路７９が形成されるので、フォトカプラ７８はオン状態を自己保持することができる。即ち、フォトカプラ７６、７８を用いて自己保持回路が構成されている。なお、図１中のＶｄ3 は、例えば＋１２Ｖの直流電源電圧である。
【００４１】
フォトカプラ７８がオン状態のときに、スイッチ手段の一例である継電器８０は、そのコイル８２に直流電源電圧Ｖｄ3 からフォトカプラ７８のフォトトランジスタを通して励磁電流が流れてオン状態になり、その接点８４がオン状態になる。接点８４の両端は、符号ａ、ｂで示すように、この実施形態では、上記帰還信号Ｓｆを取り出すリアクタンス素子３６の両端に、即ち同じ符号ａ、ｂの箇所にそれぞれ接続されている。従って、継電器８０がオン状態になると、その接点８４によって、上記リアクタンス素子３６を短絡して、上記高周波電圧Ｖｃを、即ち上記帰還信号Ｓｆをグラウンドへ流す閉回路が形成される。
【００４２】
継電器８０の動作によって帰還信号Ｓｆがシャントされてグラウンドへ流されると、自励発振式高周波電源１０は帰還信号Ｓｆが供給されなくなるので自励発振が即時に停止する。即ち、従来例のように入力直流電源１２が異常を検出してその出力Ｖｄ1 を停止するよりも遥かに速く自励発振を停止させることができる。従ってこの直流高圧電源装置においては、電源内部放電が発生したときに、短時間でかつ確実に、自励発振式高周波電源１０における自励発振を停止させて、シェンケル回路５０を構成している整流器５６に与えるダメージを小さくすることができる。
【００４３】
なお、継電器８０の動作後にリセットするには、直流電源電圧Ｖｄ3 を一旦切れば良い。それによって、フォトカプラ７８の自己保持状態は解除され、かつ継電器８０はオフ状態に戻るので、自励発振停止回路７０は初期状態に戻る。従って自励発振式高周波電源１０の再起動が可能になる。
【００４４】
実験結果の一例を図２に示す。高周波電圧Ｖｃは、上記リアクタンス素子３６の両端の電圧であり、高周波数で振動しているが、図２ではその包絡線を図示している（図３も同様）。時刻ｔ1 において電源内部放電を発生させて放電ギャップ４０を放電させると、約３ｍ秒後の時刻ｔ2 で継電器８０がオン状態になり、その約１ｍ秒後の時刻ｔ3 で高周波電圧Ｖｃは０Ｖになり、それ以降はその状態が維持されている。即ち、電源内部放電の約４ｍ秒後という極めて短時間で、自励発振式高周波電源１０における自励発振を完全に停止させ、かつその停止状態を維持することができた。
【００４５】
参考例として、上記自励発振停止回路７０を働かせていないときの実験結果の一例を図３に示す。これは前述した従来技術に相当する。時刻ｔ4 において電源内部放電を発生させると、放電ギャップ４０が放電して高周波電圧Ｖｃが一旦低下して自励発振は一旦停止しかけるけれども、すぐに入力直流電源１２はその出力電圧Ｖｄ1 を上げる動作に入って自励発振が再起動して、高周波電圧Ｖｃおよび昇圧コイル３０の２次電圧ｅが初回よりも大きくなって時刻ｔ5 で再び電源内部放電が発生し、これ以降は上記動作が繰り返されて時刻ｔ6 、ｔ7 、ｔ8 において電源内部放電が繰り返して発生し、時刻ｔ8 の放電によって入力直流電源１２は異常（例えば出力の過電流および／または過電圧）を検出して出力を停止させる。
【００４６】
この場合は、時刻ｔ4 から時刻ｔ8 までに約７５ｍ秒もの長時間を要している。しかも、入力直流電源１２は平滑コンデンサ２０を有しているので、その出力電圧Ｖｄ1 が小さくなって自励発振式高周波電源１０における自励発振が完全に停止する時刻ｔ9 までに更に約５０ｍ秒程度を要している。その結果、電源内部放電発生から自励発振式高周波電源１０における自励発振の完全停止までに約１２５ｍ秒という長時間を要している。入力直流電源１２における異常検出の遅れや平滑コンデンサ２０の容量が大きい場合には、これよりも更に長時間を要する場合もある。
【００４７】
上記のような電源内部放電が発生すると、シェンケル回路５０では、放電箇所より上段にある整流器５６に過大な逆電圧が印加される。例えば、図１に示す例のように９Ｅの電圧が印加されるキャパシタ電極５４と高周波電極５２との間で内部放電５９が発生すると、当該高周波電極５２につながる放電ギャップ４０が放電して当該キャパシタ電極５４の電位は実質的に０Ｖになる。そうなると、当該キャパシタ電極５４よりも電気的に上段にある整流器５６（５６ａ）には、アノードが約１１Ｅ（これは前述したように負の直流高電圧である）、カソードが０Ｖという非常に大きな逆電圧が印加される。従ってこのような過大な逆電圧印加が繰り返されると、当該整流器５６は大きなダメージを受けることになる。しかも逆電圧印加時間が長いとダメージも大きくなる。
【００４８】
図１に示す内部放電５９よりも下段において内部放電が発生した場合も、上記と同様の考え方によって、放電箇所より上段にある整流器５６に過大な逆電圧が印加され、これが繰り返されると当該整流器５６は大きなダメージを受けることになる。また、各整流器５６の向きを図１とは逆向きにして正の直流高電圧ＨＶを出力する場合も、上記と同様の考え方によって、放電箇所より上段にある整流器５６に過大な逆電圧が印加され、これが繰り返されると当該整流器５６は大きなダメージを受けることになる。
【００４９】
これに対して、この実施形態の直流高圧電源装置では、上記のような放電検出器６０および自励発振停止回路７０を備えているので、電源内部放電が発生したときに、図２を参照して説明したように初期放電を検出して短時間でかつ確実に、自励発振式高周波電源１０における自励発振を停止させて、シェンケル回路５０を構成している整流器５６に与えるダメージを小さくすることができる。
【００５０】
なお、放電ギャップ４０の放電を検出して放電検出信号Ｓｄを出力する放電検出器は、上記放電検出器６０以外のものでも良いけれども、上記放電検出器６０のように、放電ギャップ４０を通して流れる放電電流Ｉｄによって放電ギャップ４０の放電を検出するものが好ましい。その理由は次のとおりである。即ち、正常時には放電ギャップ４０には放電電流は全く流れず、電源内部放電が発生して放電ギャップ４０が放電したときに初めて放電電流Ｉｄが流れ、放電検出器６０はこのような明確に検出することのできる放電電流Ｉｄによって放電ギャップ４０の放電を検出するものであるので、放電ギャップ４０の放電を簡単にかつ確実に検出することができる。即ち、放電電流Ｉｄが流れたときは、放電電流Ｉｄの大小に拘わらずに、電源内部放電が発生して放電ギャップ４０が放電した証拠であるので、検出感度を上げることができ、簡単にかつ確実に放電ギャップ４０の放電を検出することができる。しかも、検出時定数は必要ないので、最短時間で検出することができる。
【００５１】
昇圧コイル３０がこの実施形態のように二つの２次コイル３２を有していて両２次コイル３２に放電ギャップ４０がそれぞれ接続されている場合は、両放電ギャップ４０の放電を検出する必要がある。これに対しては、この実施形態のように、両放電ギャップ４０の共通の接地線４２に流れる放電電流Ｉｄによって両放電ギャップ４０の放電を検出する放電検出器６０を設けておくのが好ましい。そのようにすると、一つの放電検出器６０によって両方の放電ギャップ４０の放電を検出することができるので、放電検出器６０を一つで済ませることができる。それに伴って、当該放電検出器６０につながる自励発振停止回路７０の構成も簡素化することができる。従って構成の簡素化を図ることができる。
【００５２】
自励発振停止回路７０には、上記のような自己保持回路を設けておくのが好ましい。そのようにすれば、放電検出信号Ｓｄが短時間で０になる減衰振動信号であっても、自己保持回路はオン状態を保持して継電器８０のオン状態を確実に維持することができるので、自励発振式高周波電源１０における自励発振を確実に停止させることができる。
【００５３】
上記実施形態のように、継電器８０によって（より具体的にはその接点８４によって）リアクタンス素子３６の両端を短絡することによって、帰還信号Ｓｆがグリッド回路３８を経由して真空管２２に供給される前に帰還信号Ｓｆをグラウンドへ流すように構成する代わりに、継電器８０の接点８４の出力ａ、ｂを、図１中の符号ｃ、ｄで示すように真空管２２のグリッドとグラウンドとにそれぞれ接続して、帰還信号Ｓｆが真空管２２のグリッドに供給される直前でグラウンドへ流すように構成しても良い。換言すれば、継電器８０の接点８４によって真空管２２のグリッドを接地するように構成しても良い。いずれにしても、継電器８０がオンすると帰還信号Ｓｆは真空管２２に（より具体的にはそのグリッドに）供給されなくなるので、自励発振式高周波電源１０における自励発振は停止する。
【００５４】
自励発振式高周波電源１０における自励発振を短時間で停止させる観点から、上記継電器８０には、高速動作するもの、例えば高速リードリレーを用いるのが好ましい。また、自励発振停止回路７０を構成するスイッチ手段として、上記継電器８０の代わりに、トランジスタ、サイリスタ等の半導体スイッチを設けても良い。そのようにすれば、継電器８０の場合よりも更に短時間で自励発振式高周波電源１０における自励発振を停止させることが可能になる。
【００５５】
自励発振式高周波電源１０を構成する自励発振用の増幅器としては、大出力の場合はこの実施形態のように真空管２２を用いるのが現実的であるが、必要とする出力を出すことができるのであれば、他の増幅器、例えばトランジスタ（より具体的には電界効果トランジスタ）等を用いても良い。
【００５６】
シェンケル回路５０は、図１に示す実施形態では、回路が非対称である非対称形のシェンケル回路であるが、それに限られるものではなく、回路が対称である公知の対称形のシェンケル回路、例えば上記特許文献１の第１図または特許文献２の図３に記載されているような対称形のシェンケル回路でも良い。その場合も、シェンケル回路５０以外の構成は上記と同様で良い。
【００５７】
シェンケル回路５０は、昇圧コイル３０がこの実施形態のように二つの２次コイル３２を有していると、一つの２次コイル３２の場合に比べて約２倍近くの直流高電圧ＨＶを発生させることができるけれども、必ずしも二つの２次コイル３２を有している必要はなく、一つの２次コイル３２を有するものでも良い。その場合は、当該一つの２次コイル３２の保護用に放電ギャップ４０を設けておいて、その放電を放電検出器６０で検出するようにすれば良い。その他は上記実施形態の場合と同様である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】この発明に係る直流高圧電源装置の一実施形態を示す回路図である。
【図２】図１に示す直流高圧電源装置において、内部放電発生時の高周波電圧Ｖｃの一例を包絡線で示す概略図である。
【図３】参考例として、図１に示す直流高圧電源装置において、自励発振停止回路を働かせていないときの、内部放電発生時の高周波電圧Ｖｃの一例を包絡線で示す概略図であり、横軸の時間目盛は図２の５倍である。
【符号の説明】
【００５９】
１０ 自励発振式高周波電源
３０ 昇圧コイル
３１ １次コイル
３２ ２次コイル
３６ リアクタンス素子
４０ 放電ギャップ
４２ 接地線
５０ シェンケル回路
６０ 放電検出器
７０ 自励発振停止回路
Ｉｄ 放電電流
Ｓｄ 放電検出信号
Ｖｃ 高周波電圧
Ｓｆ 帰還信号
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次コイルおよび２次コイルを有している昇圧コイルと、
前記昇圧コイルの１次コイルに高周波電力を供給するものであって、前記昇圧コイルを共振コイルにしていて、前記２次コイルに発生する高周波電圧の一部が帰還信号として与えられて自励発振する自励発振式高周波電源と、
前記昇圧コイルの２次コイルに接続されていて、当該２次コイルに発生する高周波電圧の昇圧および整流を行って直流高電圧を出力するシェンケル回路と、
前記昇圧コイルの２次コイルに接続されていて、当該２次コイルを過電圧から保護する放電ギャップとを備えている直流高圧電源装置において、
前記放電ギャップの放電を検出して放電検出信号を出力する放電検出器と、
前記放電検出器からの放電検出信号に応答して、前記帰還信号が前記自励発振式高周波電源に与えられるのを阻止して前記自励発振式高周波電源における自励発振を停止させる自励発振停止回路とを備えていることを特徴とする直流高圧電源装置。
【請求項２】
前記放電検出器は、前記放電ギャップを通して流れる放電電流によって前記放電ギャップの放電を検出するものである請求項１記載の直流高圧電源装置。
【請求項３】
前記自励発振停止回路は、前記放電検出器からの放電検出信号に応答してオン状態になりかつそのオン状態を保持する自己保持回路と、この自己保持回路がオン状態のときにオン状態になって、前記帰還信号をグラウンドへ流す閉回路を形成するスイッチ手段とを有している請求項１または２記載の直流高圧電源装置。
【請求項４】
前記昇圧コイルは互いに位相が１８０度異なる２次電圧をそれぞれ発生する二つの２次コイルを有していて、両２次コイルの非接地側端は前記シェンケル回路に接続されており、
前記２次コイルの接地側端はリアクタンス素子をそれぞれ介して接地されていて、一方の２次コイルの接地側端に発生する高周波電圧が前記帰還信号として取り出されるよう構成されており、
両２次コイルには前記放電ギャップがそれぞれ接続されていて、両放電ギャップの接地側端は共通の接地線を経由して接地されており、
前記放電検出器は前記接地線に流れる放電電流によって両放電ギャップの放電を検出するものである請求項１、２または３記載の直流高圧電源装置。
【請求項１】
１次コイルおよび２次コイルを有している昇圧コイルと、
前記昇圧コイルの１次コイルに高周波電力を供給するものであって、前記昇圧コイルを共振コイルにしていて、前記２次コイルに発生する高周波電圧の一部が帰還信号として与えられて自励発振する自励発振式高周波電源と、
前記昇圧コイルの２次コイルに接続されていて、当該２次コイルに発生する高周波電圧の昇圧および整流を行って直流高電圧を出力するシェンケル回路と、
前記昇圧コイルの２次コイルに接続されていて、当該２次コイルを過電圧から保護する放電ギャップとを備えている直流高圧電源装置において、
前記放電ギャップの放電を検出して放電検出信号を出力する放電検出器と、
前記放電検出器からの放電検出信号に応答して、前記帰還信号が前記自励発振式高周波電源に与えられるのを阻止して前記自励発振式高周波電源における自励発振を停止させる自励発振停止回路とを備えていることを特徴とする直流高圧電源装置。
【請求項２】
前記放電検出器は、前記放電ギャップを通して流れる放電電流によって前記放電ギャップの放電を検出するものである請求項１記載の直流高圧電源装置。
【請求項３】
前記自励発振停止回路は、前記放電検出器からの放電検出信号に応答してオン状態になりかつそのオン状態を保持する自己保持回路と、この自己保持回路がオン状態のときにオン状態になって、前記帰還信号をグラウンドへ流す閉回路を形成するスイッチ手段とを有している請求項１または２記載の直流高圧電源装置。
【請求項４】
前記昇圧コイルは互いに位相が１８０度異なる２次電圧をそれぞれ発生する二つの２次コイルを有していて、両２次コイルの非接地側端は前記シェンケル回路に接続されており、
前記２次コイルの接地側端はリアクタンス素子をそれぞれ介して接地されていて、一方の２次コイルの接地側端に発生する高周波電圧が前記帰還信号として取り出されるよう構成されており、
両２次コイルには前記放電ギャップがそれぞれ接続されていて、両放電ギャップの接地側端は共通の接地線を経由して接地されており、
前記放電検出器は前記接地線に流れる放電電流によって両放電ギャップの放電を検出するものである請求項１、２または３記載の直流高圧電源装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００９−９５１４０（Ｐ２００９−９５１４０Ａ）
【公開日】平成２１年４月３０日（２００９．４．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２６３２９８（Ｐ２００７−２６３２９８）
【出願日】平成１９年１０月９日（２００７．１０．９）
【出願人】（５０３２３７８０６）株式会社ＮＨＶコーポレーション (37)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年４月３０日（２００９．４．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１０月９日（２００７．１０．９）
【出願人】（５０３２３７８０６）株式会社ＮＨＶコーポレーション (37)
【Ｆターム（参考）】
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