JP4763803B2 - 大電力パルス発生器 - Google Patents

Description

本発明は大電力パルス発生器に関する。

本発明は具体的には、高電圧インパルス発生器に関する。この高電圧パルス発生器は電荷蓄積手段、該電荷蓄積手段を充電する高電圧源、第１光導電体（第１に電位基準に接続され、第２に前記蓄積手段に接続される）、第２光導電体（第１に蓄積手段に接続され、第２に負荷（une charge utile）に接続される）、第１光源（前記第１光導電体に光パルスを与える）、第２光源（前記第２光導電体に光パルスを与える）、第１光源と第２光源の間の放射（emission）遅延の同期化手段を有している。

このタイプの電気パルス発生器は凍結波タイプ（onde gelee）と呼ばれており、公知の方法で、理論上どのような期間のバイポーラ信号又は交番極性のパルス列（trains d’impulsions de polarization alternee）を得ることができる。

このタイプの発生器に用いられる光導電体は種々の性質の半導体基板である。最もよく使用されるものはアバランシェで動作するものといわれている。

アバランシェモードで動作するこれら光導電体システムの欠点は時間軸ジッタが大きすぎて短パルス（サブナノ秒）を同期化することができない。２つの波の開始における時間軸ジッタは所望のバイポーラ信号（従って、後者のスペクトラム）の制御可能性を大きく制限する。

加えて、アバランシェモードではカオス的特性のために再生可能パルスを取得できない。このカオス的特性は、基板の局所的破壊（アバランシェシステムにおけるフィラメンテーション現象）により光スイッチの寿命を制限する現象にかかわっている。

短い時間幅（ナノセカンドのオーダ又はそれ以下）の大電力パルスを得るために、光電子スイッチを使用することは公知である。

フランス出願FR2 679 716は、例えば、ＤＣ高電圧源と、容量(前記電圧源により充電され、電気的接続（負荷に適合した）を介して負荷に接続される）と、受動型半導体素子（感光性スイッチ〔光導電体は光パルスを受けると閉成し、光パルスが無いときには開成する〕を形成する）とを持つパルス生成システムを説明している。このスイッチが閉成されると、容量が放電され、負荷に供給される高電圧パルスが形成される。半導体素子の集積と性質により、パルス特性を改善することができる。典型的には、立上り時間が短い（例えば、立上り時間が１００ピコ秒と同程度かそれより短い）２ｋＶのパルスを形成することができる。

しかしながら、この装置には幾つかの欠点がある。

第１に、フランス出願FR2 679 716に記載されている装置は、高電圧源の極性化により、パルスが負か、正かを決定するものである。これは低周波数に限定されたパルスのスペクトラムの電力分配を導き、このスペクトラムの制御を行うことが出来ない。

必要性に従って、電気スペクトラムのプロファイルを制御することが有利である。

特にバイオの分野では、高電圧が生体細胞に加えられる場合、正又は負電圧だけを加えると細胞内で力場が発生することにより細胞破壊を招く恐れがある。

従って、これら欠点を解決するために、パルスはパルス期間連続して正及び負であり、生成信号のスペクトラルプロファイルを制御できる電気パルス発生器（パルス期間を極めて短く保ち〔典型的にはサブナノセカンドで、peak to peak電圧が３ｋV又はそれ以上で〕、複数のパルス発生器の電力を加算できるように低い光エネルギーを持つ）を提案することは意味がある。

従って、本発明の目的の１つは、時間、スペクトルの観点から調整可能な１サイクル（monocycle）の生成を可能にすることである。

本発明の別の目的は光源の再生産性を高めることである。

本発明の更なる目的はサブナノセカンド幅で数キロボルトのpeak to peak電圧幅のバイポーラ信号を得ることである。

本発明の更なる目的は光エネルギー消費が低く、極めて長寿命のシステムを提供することである。

この目的のために、本発明に基づいて、上記の高電圧パルス発生器が提供される。上記の特性に加え、前記第１光導電体と前記第２光導電体は感光性スイッチを形成する線形モードの受動型半導体であり、前記第１光導電体と前記第２光導電体はドープされたシリコンから作成される受動型光導電体である。

スイッチとして動作する受動型半導体を線形モードで使うと、レーザにより放出されるパルスに対する反応によって、時間軸ジッタを極めて小さくすることができる。光源間の同期手段を組み合わせることにより小さい時間軸ジッタは発生器から出力される信号スペクトラムの変調を精度よく制御することができる。

線形モードを使うことにより再生産性の高い信号を得ることができる。加えて、理論的には、この動作モードにおける感光性部品の寿命の限界はない。

加えて、シリコンダイオードを使うと、始動時（declenchement）のジッタを最小にするキャリア再結合時間がもたらされる。

線形モードの欠点は光学エネルギーを大量に消費することである。そこで、我々は、ｎ又はｐドーピングにより、及び、ダイオードタイプの半導体装置により１０から１００のファクタだけこれを低減させるシリコン感光性半導体を提案する。

図面を参照しながら本発明の実施例の説明（例示的説明の目的で以下に説明する）の助けを借りて本発明をよりよく理解することができる。
―図１は本発明に基づく高電圧発生器を説明するダイアグラムである。
―図２は本発明に基づく半導体の動作モードを説明する。
―図３は本発明に基づく発生器により得られるバランスの取れたモノサイクルを説明する。
―図４は本発明に基づく発生器により得られるアンバランスのモノサイクルを説明する。

図１を参照すると、パルス発生器１は高電圧源２と電荷蓄積手段を形成するマイクロ波伝送線３を備えている。又、伝送線３の各側に２つの半導体４Ａ、４Ｂを備えている。第１半導体４Ａはポテンシャルの基準点５に接続されており、第２の半導体は負荷６に接続されている。半導体４Ａと４Ｂは２つの光源７と８により励起される。なお、光源７と８は同期化手段９により接続されている。この同期化手段９は光源７，８から放出されるレーザの放射の遅延を制御することができる。光源７，８は１つのレーザ源（光線を２分割する）から構成されているが、又は２つの同期レーザ源であってもよい。

光源７，８が半導体４Ａ、４Ｂを照らさない時、後者の内部抵抗は高く（数十メガΩ）、スイッチを開放と見做すことができる。光源７，８から短い光パルスで照明された後、照らされた半導体の抵抗はかなり低くなり、数Ω若しくはそれ以下の値となる。そのとき、スイッチは閉成される。この閉成は、光学エネルギーが吸収される分だけ、一層効果的である。半導体の内部抵抗の減少により伝送線３に含まれていたエネルギーの瞬間的解放（伝送線に近い反応速度での）が可能になる。パルス発生器のラインに含まれていた定在波は解放される。その速度は後者の反応速度に近い速度である。この定在波の両波面は２つの反対方向に伝播する。

負荷６の方向に直接伝播する波面（wave front）は伝送線３に加えられた電圧（tension de polarization）と同一符号の電圧を持つ。ポテンシャル基準に向かって直接伝播するこの波の部分はその極性を反転させて反射する。電圧と反対符号のパルスが生成され、電圧と同一符号の第１パルスに追従する。２つの信号の組はバイポーラ符号を形成する。

本発明による半導体４Ａ、４Ｂの特徴を以下に説明する。これら半導体４Ａ、４Ｂは、図２の線形部分で図示されている線形モードで機能するように構成されている。このモードでは、切り替えられる(commutee)電気エネルギーは、半導体により吸収される光エネルギーに比例する。

この応答曲線の線形性は光スイッチ４Ａ、４Ｂの線形動作モードを証明する。これにより、時間軸ジッタを無視できる程小さい２つの光スイッチのトリガーの同期化が可能になる。前記時間軸ジッタは通常２ｐｓより小さい。

なお、これらｎ、ｐドープされた半導体が切り替えられ、所望の信号期間（通常350ナノセカンド）に比べて長いキャリア再結合時間を持つ時に、これら半導体が必要とするエネルギーは極めて小さい。

本発明に基づいて時間軸ジッタを低減することが出来るｎ-ｐドープ半導体の実施例は例えば、Philips Semiconductors publicationの刊行物“BYX90G High-Voltage soft-recovery controlled avalanche rectifier”により示されている。

図３に示されているように、本発明に基づく生成装置によりバランスされた１サイクルを得ることができる。即ち、２つの光源の信号が２つの光スイッチに同時に到達する時、平均値はほとんど０である。

出力信号を変調するために、同期化手段９はスイッチ４Ａ、４Ｂの閉成時間をずらすことができる。

図４には、正の信号の放出時間が負の信号の放出時間より長い信号が示されている。関係するスペクトルは同期化手段９により変調できる。

従来技術においては、電力信号について、バイポーラ信号とそれに関係するスペクトルをこのように制御することは不可能であった。なぜならアバランシェモードの固有的時間軸ジッタのために、サブナノセカンドのパルスのプロファイルを十分に再現することができなかったからである。例示として、図６は、本発明に基づいて線形モードにおいてドープされた半導体と従来技術に基づくアバランシェ光導電体との間の光励起に対する応答時間の比較ダイアグラムを示す。

半導体４Ａ、４Ｂは異なるドープを行うことが好ましい。ドープはｎーｐタイプの周期的な正、負の電荷の過剰により形成される。ドープ期間が単一の場合、ダイオードタイプの接合を形成する。このダイオードは素子３の極性とは反対に接続される。従って、光励起が無い時、開成したスイッチとして動作する。

伝送線３は次のタイプであることができる：同軸線、マイクロリボン、マイクロストリップ、又は全てのマイクロ波伝送線。

半導体４Ａ、４Ｂはポテンシャルに対して、絶縁体（例えば、空気、シリコーン、接着在又はテフロン（登録商標））を介して、著しく絶縁されている。半導体４Ａ、４Ｂは、伝送線３のインピーダンスに対して及び出力コネクタのインピーダンスに対して、半導体の局所インピーダンスを整合するようにしている。

最後に、半導体４Ａ、４Ｂは、１０ｋＶ迄、好ましくは１６ｋＶ迄のバイアス電圧に耐えるようにｎ−ｐドープされている。これにより、約１．５ｍＪのパルス化した光エネルギーを持つ１０ｋＶ以上のピーク電圧を切り替えることが可能になる。これはこの電圧を切り替えるために線形モードで通常使用されるエネルギーの約１０乃至１００倍のエネルギーである。

本発明に基づく高電圧発生器を説明するダイアグラムである。 本発明に基づく半導体の動作モードを説明するグラフである。 本発明に基づく発生器により得られるバランスの取れた１サイクルを説明するグラフである。 本発明に基づく発生器により得られるアンバランスの１サイクルを説明するグラフである。

Claims (4)

1. 電荷蓄積手段（３）、
   前記電荷蓄積手段を充電することができる高電圧源（２）、
   一方でポテンシャル基準に接続され、他方で前記電荷蓄積手段に接続された第１光導電体要素（４Ａ）、
   一方で前記電荷蓄積手段に接続され、他方で負荷（６）に接続された第１光導電体要素（４Ｂ）、
   前記第１光導電体に光パルスを出力することができる第１光源（７）、
   前記第２光導電体に光パルスを出力することができる第２光源（８）、
   前記第１光導電体と前記第２光導電体との間で放出遅延を同期化する手段とを有し、
   前記第１光導電体と前記第２光導電体は、感光性スイッチを形成する線形モード受動型半導体素子であり、前記第１、２光導電体はドープされたシリコンから形成される光導電体であることを特徴とする高圧パルス生成器。
2. 前記第１光源と前記第２光源は単一レーザから構成されることを特徴とする請求項１に記載の高圧パルス生成器。
3. 第１光源は第１レーザから、第２光源は第２レーザから構成されることを特徴とする請求項１に記載の高圧パルス生成器。
4. 前記電荷蓄積手段（３）は伝送線であることと特徴とする請求項１に記載の高圧パルス生成器。

Images