DESIGNSTUDYOFFORAVALANCHE

ELECTRON

SHORTPULSER

GUN

K. Takami, T. Ueda* , T. Kobayashi * and Y. Yoshida*
Research Reactor Institute, Kyoto University
Kumatori-cho, Sennan-gun, Osaka 590-04, Japan
幸Nuclear Engineering Research Laboratory,

Faculty of Engineering, University of Tokyo
Tokai-mura, Naka-gun, Ibaraki 319-11, Japan
ABSTRACT
Following studies of short pulser for electron gun are reported
1 ) Estimation of characteristics of avalanche pulser by break down curves.
2) Generation of short poises ( 0.6 nS FWHM and 250 Vpulse at 50 ohms load)using the 2SC3733K avalanche transisters (8 series ) ， and circuitdesignfor the avalanche short pulser.
3) Development of four parallel pulsers for
ア ノ 《 ラ、ノ シ

the Y-796 gun assembly.

ェ ®

ゾ 弋 ノ レ サ CZ515 笔イ乍

1 • はじめにEIMAC Y-796電 子 銃 グ リ ッ ド • 力 ソ ー ド • アッセンブリィ用短パルサとして、 アバランシ ヱ •パルサの検討を行った結 果につ いて報 告する 。 2SC3733(NEC)は、 高速のアバラン
シ ヱ * トランジスタ（
以下、 アバランシヱ T r ) であるが、安定に動作するコレクタ電流のばらつきが大きく、選別しないと多段化できない。選別の第一段階で、 トランジスタのブ レ ー ク • ダウン特性を使った。 そして、 2SC3733K 8段で立上がりの速いパルスを得、 これをクリッピングして、振幅〜 250V、パルス半値巾〜 (l6nS のパルスを得ることができた。
ここでは、 トランジスタのブレーク * ダウン特性、 トランジスタの選別方法、多段化回路、短パルス発生回路等に関して得られた結果を紹介する。

2 . アバランシェ T r のブレーク■ダウン特性
ア バ ラ ン シ ヱ * パルサは、 コ レ ク タ • ェ ミ ッ タ 間 を 一 次 降 伏 状 態 に バ イ ア ス コ レ ク
夕電流を流） し、ベースにパルスを加えたり、 コレクタ電圧を上げたりしてコレク夕電流を増加させると、二次降伏を起こし、パルスを発生する。 これは、二次降伏するまでに一次降伏状態で電流を増加していると判断でき、一 次 降 伏 （ブ レ ー ク * ダウン）特性とアバラ ン シ ヱ •パルス特性の関係が予測できる。二 次 降 伏 が 生 じ る 迄 の 一 次 降 伏 ( V c E SC—I) 特性は、米国 KEITHLEY社 製 237型ソース / メ ジ ャ ー * ユニット（10mA at 1，100V) を電流源/ 電圧測定モードで使用した。 アバランシェT r2SC458(日立）， 2N555KM0T),c

21(UV)I

L h l_,r L_X—JLiu734sI@l2SC3733Kの 測 定 例 を 図 1 に示す。
2SC458の二次降伏点は、別電源を付加して測定すると、〜 30m l 〜 170Vであった。 2SC3733Kは二次降伏直前の電圧上昇は小さいが、二 次降 伏する 電流 は 10/iA 〜 3mAとばらついていた。

2SC458や 2N5551に顕著な二次降伏直前の電圧上昇は、 トが 卜ランジス夕の一般的特性であるが、電 子 雪 崩 （一次）降伏iir^hicr10トa) 2SC45B10°11£X) —120140の キ ャ リ ア 増 倍 率 の 式 ⑴ で は 生 じ な い 。 アバランシエ T» I « 111 „1 i x ニ160

180200Vces (V)r と な ら な い NPNトランジスタは、 この電圧上昇が大きい。
2SC3733Kの 一 次 降 伏 後 の ニ 段 に 折 れ た 直 線 （片対数ダラフ） も先の増倍率の式では生じない。 2SC3733Kの曲線とアバランシヱ- パルス特性の関係については、先に報告（2)している。
逆に、二次降伏直前の電圧上昇が小さいトランジスタ(2SC3733, 2SC97A)は、二次降伏を起こしやすい。 このようなトランジスタは、一本でも高速パルスを発生できるが、少ない無信号時のコレクタ（以下、バイアス）電流で動作b)2N5551させる必要がある。 そして、 トランジスタによって安定に1Q~11J ^ Juut I t i し‘i…
xjlxjJLl-ux ふLj-xxji-

1U 2503033504C»

450

500 動作するバイアス電流が、大きくばらつくために、選別が必要になる。 このバイアス電流と先の二次降伏をおこす電流との関係は認められない。

2SC3733Kの選別は、① 二 次 降 伏 前 の 電 圧 が 148〜 152Vで1mA 以上のもので、②一次降伏が比較的緩やかにおこるものを選び、③ ア バ ラ ン シ ヱ * パルスを発生し、安定に動作するバイアス電流の測定を行い、④安定動作バイアス電流 の 大 き い も の か ら 8個 xc) 2SC3733K

Vces (V)
図15組を選んだ。選別のために測定したトランジスタは、 1,100 本で、選んだ 40本のトラン
ジス夕の安定動作バイアス電流は、 7 .7 〜 18//A になった。
これで、 5組のパルサを製作した。

ブ レ ー ク - ダウン特性の測定例

3. 2SC3733Kによる多段短パルス発生回路
1)並列抵抗と充電抵抗

アバランシエ T r を多段化する場合、各トランジスタに加える電圧よりも、流れる電流を同一にすべきである。 2SC3733Kの 動 作 バ イ ア ス 電 流 が 〜 7 # A と小さく、並列抵抗はlOOMfi以上の高抵抗が必要になり、省略した。パルサの安定動作を確保するために、充電抵抗を大きくした。但し、 これは、最高パルス繰返し率を下げる。

2)高速化とトリガ位置
アバランシヱ T r は多段化すると、 トランジスター本よりも高速化するが、立上がりをIfAk- 1 , 600V,速くすれば、立下がりは遅くなり、立上がりと立下が2SC3733X8りを両立できない。今回の、。
ルサでは、立上がりを速CAJWM B I A S (FER R S TE BEADS
T R IG.勝2

ア

図バ+100V

X4ラン

シ:

田パ

ル

2, O O O p f X

サの回り〜0.4 nS、半値巾 〜 2 nSのパルスを得た。 ( 3 )3)短パルスの発生/

Vp=’V ノパルサの出力と並列に短絡同軸ケーブルを接続し、 出14 V

Tw= 600 pS

Tr= 330 pS

i. m

nsガを加えた。 2SC3733KX 8段で、振幅〜 40OT、立上が,] ^,\PS//\

離れたトランジスタにトリ路
FILA IO T/

くすべく、 出力側から最も/FEH RS TE BEAD

ns50;//div
500pS/div■IT:磁. ns

力パルスをクリッビングすることで短パルスを発生した。

a ) パルサの出力波形 (500pS/div)

この回路は、 同軸ケーブルを短くすれば、（I5nS 以下のi

パルス巾も容易である。 5cmの短絡同軸ケーブルで、振卜 、へ—幅〜 250V、半値巾〜 0. 6nSを得ている。

/：
丨^ ^ • へ,**\■、/ 4ふ…
广トトト

4 . 鼋子銃 丫 —7 9 6 ドライブ用パルサ
5QSf/div

2nS/divb ) パルサの出力波形 (2nS/div)

1)負荷インピーダンス
電子銃 Y-796 の負荷インピーダンスは、 12〜 25Qといわれているので、パ ル サ 4台を並列にしてパルサの出力インピーダンスを 12.5Qにし、 Y-796をドライブするこパ ’とにした。

2) タイミングV

50V/div
200pS/divc ) パ ル サ 4 台の出力波形
図 3パルサの出力波形

パ ル サ 出 力 4台のタイミングのばらつきは、 トリガ •ケ ー ブ ル の 長 さ を 調 整 し て 、 〜 30pSにした。 タ イ ム •ジッタは、〜 ±50pSであった。パ ル サ の回 路を 図 2 に、出力 波 形 を 図 3 に示す。

東大炉ライナックによる実装テストの結果は、研究会当日に発表する予定である。

5 . お わ りにアバランシエ T r を使い、短パルス発生回路を開発した。本パルサは、小型で、半値巾0. 5nS以下のパルスも容易に実現できた。今後の課題は、実装テストである。 このパルサの最大の欠点は、 2SC3733Kの歩留りが低く、選別に多大のエネルギーを要することである。今後は、選別の容易なアバランシヱ T r を探したいと考えている。
今回の技術開発の一部は、京 大 原 子 炉 実 験 所 の 研 究 助 成 費 （平 成 3 年度）の援助を受けて行ったもので、 ここに感謝致します。
参考文献⑴ N E C デ ー タ * ブ ッ ク 「シリコン小信号トランジスタ •ダイオード」 1989,P573(2)高 見 清 : Proc. of the 15th Linear Accelerator meeting in Japan 1989 P156
⑶高 見 清 ：技 術 研 究 会 報 告 集 H 3 .3 投稿中，核融合科学研究所