JPH0418714B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野の説明） 本発明は紫外線発光源等に利用される希ガス・
ハロゲン・エキシマレーザ装置に関する。

（従来技術） 希ガス・ハロゲン・エキシマレーザ装置は、高
い高率で高出力の紫外または真空紫外領域のパル
ス状のレーザ光を出力することができるので広く
用いられている。

希ガス・ハロゲン・エキシマレーザ装置におい
て励起状態にある希ガスと基底状態にあるハロゲ
ンの結合した分子（エキシマ分子）の寿命が基底
状態にある希ガスとハロゲンの結合した分子の寿
命に比べて極めて長い。

したがつて、希ガスハロゲン分子のエネルギー
反転分布の状態が得やすい。

希ガスとハロゲンの混合ガスを放電することに
よつて励起状態のエキシマ分子を作ることができ
る実用的なレーザである。

しかしながら従来の希ガス・ハロゲン・エキシ
マレーザ装置は寿命の点で問題があつた。

従来この希ガス・ハロゲン・エキシマレーザを
発生するレーザ装置は内部に含んだハロゲンガス
に対して耐久性を持たせる必要から関壁の絶縁体
にアクリル樹脂等の合成樹脂が使われている。

第１図は前記従来の希ガス・ハロゲン・エキシ
マレーザ装置を示す斜視図である。第２図は前記
装置の短手方向の断面図である。

各図において１は外管を形成するアクリル樹脂
製の円筒である。

このアクリル樹脂製の円筒１の両端には、アク
リル板２ａ，２ｂにより封じられている。

アクリル板２ａ，２ｂの中心開口部にアクリル
円筒３ａ，３ｂがそれぞれ固定されこのアクリル
円筒３ａ，３ｂの先端に紫外線を透過するふつ化
マグネシウムの窓板４ａ，４ｂを管軸に対して
34°に取り付けてある。

なお管軸とは左右のアクリル円筒３ａ，３ｂの
内円中心を結んでできる直線である。

一対のアルミニウム製の電極５ａ，５ｂは、管
軸をはさんで、これに平行に配置されている。

フイードスルー６ａ〜６ｌはアルミニウム製の
電極５ａ，５ｂを前記の位置に指示するととも
に、放電に必要な電流を供給するための構成部分
で、銅で形成されている。アルミニウム製の電極
５ａとフイードスルー６ａ〜６ｆはアルミニウム
製の電極５ａの対応部分にめねじを設けておき、
フイードスルー６ａ〜６ｆに設けたおねじをねじ
結合させることにより行われる。アルミニウム製
の電極５ｂフイードスルー６ｇ〜６ｌも同様の手
段により係合されている。

放電電極７は第２図に示すように、一対のアル
ミニウム製の電極５ａ，５ｂの対向領域の一方側
に設けられている。

この放電電極７により、一対のアルミニウム製
の電極５ａ，５ｂの電極間で行われる主なる放電
よりも約１マイクロ秒だけ前に放電が開始され、
この予備的な放電によつてレーザ媒質ガスが、空
間的に均一に電離され、主なる放電が起こる。

フイードスルー８ａ〜８ｃは電極７をレーザ管
内の所定位置に取り付け、かつ前記予備的な放電
に必要な電流を供給する。アクリル板２ａ，２ｂ
とアクリル円筒３ａ，３ｂの接合、前記フイード
スルー６ａ〜６ｌ，８ａ〜８ｃとアクリル樹脂製
の円筒１の接合およびアクリル板２ａ，２ｂとア
クリル樹脂製の円筒１の接合には主としてアクリ
ル樹脂専用の接着剤（例えば「アクリメイト」三
菱レーヨン社の商品名、「トールシール」バリア
ン社の商品名、「アラルダイト」チバ・ギガー社
の商品名）が用いられる。

第３図は放電電極７を取り出して一部を破断し
て示した図である。

アルミナのセラミツクス管７１の内部に銅棒７
２が差し込まれている。

セラミツクス管７１の外表面上には銀ペースト
を焼き込んで作られた島状の電極７３ａ…７３ｎ
が設けられている。３本のフイードスルー８のう
ち両端の２本は両端の島状電極７３に接続され、
中心のフイードスルーは中心に位置する島状電極
７３にそれぞれ接続され、同時に７２の銅棒とも
接続されている。

銅棒７２は中心のフイードスルー８ｂのみと接
続され。両端のフイードスルー８ａ，８ｃとは絶
縁されている。高電圧電源の高電圧端子を両端の
フイードスルー８ａ，８ｃにつなぎ、低電圧端子
を中心のフイードスルー８ｂにつなぐと、最初両
端の島状電極例えば７３ａとこれのすぐ隣の島状
電極７３ｂの間で放電が生じ、次いでこの放電は
次々に隣合つた島状電極を伝わつて中心の島状電
極に達する。このような予備的な放電によつて主
な放電の始まる前に、封入ガスを電離する。

以上のように従来の希ガス・ハロゲン・エキシ
マレーザ装置は管材料としてアクリル樹脂、アル
ミニウム、ふつ化マグネシウム、アルミナ・ラセ
ミツクス、銅、銀ペースト、接着剤等で作られ、
ハロゲンに対して耐久性のある材料が使われてき
た。

このうちアルミニウムはハロゲンガスに対する
耐久性が大きいうえに、放電時にスパツタリング
が少なくレーザ管の電極材料として優秀である。

しかし、アクリル、接着剤等の合成樹脂は高温
に耐えられないから真空排気して加熱し、レーザ
管の内壁に吸着したガスを除去した状態で希ガ
ス、ハロゲンガスをレーザ管内に導入することが
できず、所定のガスを導入した後にレーザ発光に
有害なガスが、機密容器内に放出する。

特に水が放出されたときは、ハロゲンガスと反
応してハロゲン化水素を生成するために、ハロゲ
ンガスが所定の量から減少することになり、長寿
命のレーザ管は得られなかつた。

そこで、前記形式の希ガス・ハロゲン・エキシ
マレーザ装置では、レーザ管を排気装置および所
望のガス供給源と接続しておき、必要に応じてレ
ーザ管内のガスを入れ換える必要があつた。

この不都合を解決するためにさらに他の希ガ
ス・ハロゲン・エキシマレーザ装置が提案され実
施されている。

第４図はこの希ガス・ハロゲン・エキシマレー
ザ装置を示す斜視図である。第５図は第４図に示
すレーザ装置の短手方向の断面図である。

外管を成形する円筒１０は前述の実施例と異な
りアルミナ・セラミツクスで作られている。

前記アルミナ・セラミツクス円筒１０の両端面
にはステンレス鋼板２０ａ，２０ｂが配置されて
いる。各ステンレス鋼板２０ａ，２０ｂの中央の
開口部にはステンレス鋼円筒３０ａ，３０ｂが固
定されており、ふつ化マグネシウムの窓板４ａ，
４ｂを管軸に対して34°に取り付けてある。

コバール合金製の主たる放電のためを電極５０
ａ，５０ｂは先に示した従来例と同様に銅製のフ
イードスルー６ａ〜６ｉが結合されている。

予備的な放電に必要な予備放電電極７（第５図
参照）の構成は先に説明した所と変わらない。こ
の予備放電電極７にはフイードスルー８ａ〜８ｃ
が結合されている。

アルミナ・セラミツクス円筒１０と両端面に配
置されたステンレス鋼板２０ａ，２０ｂは、コバ
ール合金製の円筒１２ａ，１２ｂを介して接続さ
れている。アルミナ・セラミツクス円筒１０の前
記主放電用の電極５０ａ，５０ｂに関連するフイ
ードスルー６ａ〜６ｊおよび予備放電用の電極７
に関連するフイードスルー８ａ，８ｃに対応する
部分には孔が設けられており、これらのフイード
スルーは、コバール合金製のキヤツプ１３…１３
を介してアルミナ・セラミツクス円筒１０に固定
されている。

各部材の組立・結合はエポキシ樹脂等による接
着法（従来法）は行わず、ろう付け、アーク溶
接、粉末ガラスを用いた接着法で行つてある。

すなわち、セラミツクス円筒１０とコバール合
金円筒１２ａ，１２ｂは、セラミツクス円筒１０
の結合部をあらかじめメタライズした後に、この
メタライズ部分とコバール合金円筒１２ａ，１２
ｂをろう付けする。

コバール合金円筒１２ａ，１２ｂとステンレス
鋼板２０ａ，２０ｂはアーク溶接法で接続する。
ステンレス鋼円板２０ａ，２０ｂとステンレス鋼
円筒３０ａ，３０ｂはアーク溶接法で接続する。
ステンレス鋼円筒３０ａ，３０ｂとふつ化マグネ
シウム窓板４ａ，４ｂの結合は粉末ガラスを加熱
溶融することによつて結合する接着法によつてい
る。

フイードスルー６ａ〜６ｊ，８ａ，８ｃとコバ
ール合金製のキヤツプ１３…１３、コバール合金
製のキヤツプ１３…１３とセラミツクス円筒１０
は、ろう付け法によつて行われる。

この第４図に説明したレーザ装置の外管はセラ
ミツクスを成形したものであるから、高温まで加
熱できるため、排気時に加熱してレーザ管内壁に
吸着したガスを極力少なくすることができる。

管壁材のアルミナ・セラミツクスはハロゲンガ
スに対して耐久性が大である上に高温・加熱が可
能で、かつ組織が緻密であるから、希ガス・ハロ
ゲン・エキシマレーザの封じ切り管材料として適
当である。また、ステンレス鋼はハロゲンガスに
対する耐久性が金属のうちでは大きく、これも封
じ切り管材料として適当である。

このように外管をアルミナ・セラミツクスとし
た希ガス・ハロゲン・エキシマレーザ装置（以下
第４図の装置と言う）と第１図に関連して説明し
た外管をアクリルとした希ガス・ハロゲン・エキ
シマレーザ装置（以下第１図の装置と言う）を条
件を揃えて比較すると前者の方が遥かに長い時間
安定して動作することが確認できる。

何れの管にも波長248nano ｍを発生するKrF
（ふつ化クリプトン）の希ガス・ハロゲン・エキ
シマレーザのレーザ媒質ガスとしてクリプトン
（Kr）36トール、ふつ素（F₂）２トール、ヘリウ
ム（He）1162トールをレーザ管内に封入する。

主たる放電は容量32nano Ｆのキヤパシタを電
23kVで充電して得られる電気エネルギーで、予
備的な放電は容量6nano Ｆのキヤパシタを電圧
16kVで充電して得られる電気エネルギーで、か
つ予備的な放電が始まつてから約１マイクロ秒後
に主なる放電が始まるように、レーザ管をパルス
放電させる。なお放電の間隔は１秒間に１回とす
る。

第４図の装置では最初170KWの出力で発振し、
その後約約４×10⁵回の放電までレーザ発振可能
である。

これに対して第１図の装置では、最初110KW
の出力でレーザ発振したものが、100回の発光で
レーザ発振を示さなくなつた。

このように第４図の装置の寿命が向上したのは
アルミナ・セラミツクス管を加熱排気できるの
で、有害ガスの発生や水の発生を少なくし管内の
ハロゲンガスの減少を防止できたからである。

発明者等が第４図の装置のレーザ発振停止の原
因を検討したところ、主なる放電を行う電極に使
用したコバール合金が原因であることがわかつ
た。コバール合金はアルミナ・セラミツクスと膨
張係数が近い。

コバール合金の線膨張係数は5.0×10^-61／℃）、
アルミナ・セラミツクの線膨張係数は6.5×
10^-61／℃である。

レーザ管を加熱して、軸方向の伸びを考えたと
き、電極の熱膨張はアルミナ・セラミツクス管の
熱膨張と同程度でなければならない。もしこれが
満たされないと、コバール一部材１３とセラミツ
クス管１０の結合部で大きな歪みが発生し、メタ
ライズ層の剥離あるいは、セラミツクス管が破壊
する。以上の理由によりレーザ管加熱時の破壊を
避けるために電極にコバールを用いなければなら
ないが、このコバールの性質によつてレーザ装置
の寿命が決められている。

すなわちコバールは放電時のスパツタリングが
大で、スパツタしたコバール粉末が管内を漂つて
窓板に付着し、紫外線透過率を著しく低下させて
いる。

また、コバールは放電中にハロゲンガスと反応
し、その結果管内のハロゲンガス量が低下してレ
ーザ発振が停止することになつた。

（発明の目的） 本発明の目的は従来の希ガス・ハロゲン・エキ
シマレーザ装置の封じ切り管、封じ切り管内の電
極、封じ切り管内のガスの相互の関連において発
生する問題を解決し、より長い時間安定して動作
することができる希ガス・ハロゲン・エキシマレ
ーザ装置を提供することにある。

（発明の構成と作用） （発明の構成） 前記目的を達成するために本発明による希ガ
ス・ハロゲン・エキシマレーザ装置は耐熱性の管
壁内に管軸に沿つて配置される放電電極を複数本
のフイールドスルーにより前記レーザ管壁に固定
する形式の希ガス・ハロゲン・エキシマレーザ装
置において、前記放電電極の基本形状を前記耐熱
性の管壁材料と線膨張係数がほぼ同じである金属
により形成しその表面にハロゲンガスに対して耐
食性の大きい金属層を形成して構成されている。
前記構成によれば、前述した問題は総て解決さ
れ、高温加熱のできる封じ切りレーザ管を用いた
希ガス・ハロゲン・エキシマレーザ装置の理想と
する基本的な条件を総て満たすことができる。

（実施例の説明） 以下図面を参照して本発明をさらに詳しく説明
する。

第６図は、本発明による希ガス・ハロゲン・エ
キシマレーザ装置で使用する主放電電極の実施例
を示す長手方向断面図、第７図は同じく短手方向
の断面図である。この主放電電極１４を母体金属
はコバール金属である。コバール金属部分を図中
１４ａで示してある。主放電電極１４の母体金属
部分の長さは、40cm、高さ１cm、幅1.3cmである。

図中上方向に現れる各稜線はエツジができない
ように丸めてある。これは図中矢印の示す方向に
電界をかけ放電を行わせる場合に一様な放電面が
形成されるようにするためである。

前記母体金属部分１４ａの表面に溶射法によつ
てアルミニウム層１４ｂを形成する。

溶射法は金属粉末を高温高速のガスによつて対
象物に吹き付けて、高温の金属微粉を対象物に強
い結合力で付着あるいは溶着させる技術である。

この実施例では、溶射法によりアルミニウム層
１４ｂは約0.5mmの厚さで母体金属であるコバー
ル金属表面に付着した。

なおこの厚さは10μｍ〜1.0mm位の範囲で任意に
調整できる。

この溶射によつて得られたアルミニウム層１４
ｂは緻密であり、通常のアルミニウムと全く変わ
らない。

またこの溶射によつて得られた主電極１４を単
体で400℃までの加熱をしたが、アルミニウム層
１４ｂは剥離しなかつた。

前記工程で形成された一対の主電極１４を第４
図に関連して説明した従来の希ガス・ハロゲン・
エキシマレーザ装置の主電極５０ａ，５０ｂの位
置に全く同様にして配置する。

レーザ管を約300℃で６時間加熱しながら排気
した後にクリプトン（Kr）を36トール、フツ素
（F₂）を２トール、ヘリウム（He）を1162トール
封入し封じ切る。

前記のようにして製造された実施例装置の試験
結果を説明する。

主なる放電のエネルギーとしては、容量
32nano Ｆのキヤパシタを電圧23KVで充電して
得られる電力を用い、また予備的な放電のエネル
ギーは容量6nano Ｆのキヤパシタを電圧16KVで
充電して得られる電力を用いる。

予備的な放電が始まつてから約１マイクロ秒後
に主なる放電が始まるようにして、レーザ装置を
毎秒１回の割合でパルス放電させた。

発振が停止するまで連続的に動作させたとこ
ろ、約５×10⁶回の放電が可能であることが判明
した。

第８図は主放電電極１４のさらに他の実施例の
長手方向断面図である。

第６図および第７図に示した実施例は母体金属
のコバール１４ａの全面をアルミニウム層１４ｂ
で覆つた。

この実施例は第８図のように主放電電極１４の
放電側の面だけをアルミニウム層１４ａで覆うよ
うにしたものである。

全面に被覆する方が優れているが、この放電側
の面だけを。アルミニウム層１４ａで覆うことに
よつても、十分な延命効果を期待できる。

この理由は、ハロゲンガスは放電によつてより
強く活性化されて周囲物質と反応するが、放電領
域をはずれれば、反応性が弱くなるからである。
すなわち、放電面だけをハロゲンガスと反応しに
くいアルミニウムで蔽うのみでも有効となる。

アルミニウムで被覆されていない所は加工が容
易であるから、フイードスルーの結合作業には便
利である。

前述の実施例では主放電電極に耐食性の大きい
金属としてアルミニウムを用いたが、ニツケル、
コバルト、ステンレス鋼でも同様の効果が確かめ
られた。

（発明の効果の説明） 以上説明したように、本発明による希ガス・ハ
ロゲン・エキシマレーザ装置は、放電管の基本形
状を耐熱性の管壁材料を用いているから、耐熱性
の管壁材料の充分なガス出しが可能である。また
前記管壁に固定される主放電電極を前記耐熱性の
管壁材料と略おなじ膨張係数をもつ金属材料で形
成してあるので、温度の変化により歪が発生しな
い。

前記主放電電極の表面にハロゲンガスに対して
耐食性の大きい金属層を形成してあるから内部の
金属の散逸や、ハロゲンガスとの化合は防止され
長い時間安定して動作する希ガス・ハロゲン・エ
キシマレーザ装置が得られる。

第９図に先に説明した従来装置と本発明による
装置の寿命試験の結果をまとめて示してある。

縦軸は出力（KW）、横軸は発振回数を対数で
示している。図においての示す曲線が第１図の
装置の特性、の示す曲線が第４図の装置の特
性、の示す曲線が本発明による装置の特性を示
している。

本発明の電極を用いたレーザ管が長寿命となつ
たのは、アルミニウムを使うことによつて電極ス
パツタリングが少なくなり、窓板が汚れにくくな
つたこと、電極のハロゲンガスに対する耐久性が
増した結果、ハロゲンガスの減少が防止されるよ
うになつたことによる。

【図面の簡単な説明】

第１図は希ガス・ハロゲン・エキシマレーザ装
置の従来例を示す斜視図である。第２図は前記装
置のレーザ管の断面図である。第３図は予備的な
放電の電極を取り出して示した図である。第４図
は希ガス・ハロゲン・エキシマレーザ装置の他の
従来例を示す斜視図である。第５図は第４図の装
置のレーザ管の断面図である。第６図は本発明に
よる希ガス・ハロゲン・エキシマレーザ装置で使
用する主放電電極の実施例の長手方向断面図であ
る。第７図は同短手方向断面図である。第８図は
前記主放電電極の変形例を示す長手方向断面図で
ある。第９図は先に説明した従来装置と本発明に
よる装置の寿命試験の結果をまとめて示したグラ
フである。 １……アクリル樹脂製の円筒（外管）、２ａ，
２ｂ……アクリル板、３ａ，３ｂ……アクリル円
筒、４ａ，４ｂ４……ふつ化マグネシウムの窓
板、５ａ，５ｂ……主放電電極（アルミニウム）、
６ａ〜６ｌ……フイードスルー、７……予備放電
電極、８ａ〜８ｃ……フイードスルー、１０……
アルミナ・セラミツクス円筒（外管）、１２ａ，
１２ｂ……コバール合金円筒、１３……コバール
合金製のキヤツプ、１４……主放電電極、１４ａ
……コバール合金部、１４ｂ……アルミニウム被
覆部、２０ａ，２０ｂ……ステンレス鋼板、３０
ａ，３０ｂ……ステンレス鋼円筒、５０ａ，５０
ｂ……主放電電極（コバール合金）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 耐熱性の管壁内に管軸に沿つて配置される放
   電電極を複数本のフイールドスルーにより前記レ
   ーザ管壁に固定する形式の希ガス・ハロゲン・エ
   キシマレーザ装置において、前記放電電極の基本
   形状を前記耐熱性の管壁材料と線膨張係数がほぼ
   同じである金属により形成しその表面にハロゲン
   ガスに対して耐食性の大きい金属層を形成して構
   成したことを特徴とする希ガス・ハロゲン・エキ
   シマレーザ装置。 ２ 前記ハロゲンガスは、フツ素、塩素、臭素の
   １または２以上の組合せによるガスである特許請
   求の範囲第１項記載の希ガス・ハロゲン・エキシ
   マレーザ装置。 ３ 前記ハロゲンガスに対して耐食性の大きい金
   属層は、アルミニウム、ニツケル、コバルト、ス
   テンレス鋼のいずれか１つである特許請求の範囲
   第１項記載の希ガス・ハロゲン・エキシマレーザ
   装置。 ４ 前記耐熱性管壁材料はアルミナ・セラミクス
   であり、前記レーザ管管壁材料と線膨張係数がほ
   ぼ同じである金属はコバールである特許請求の範
   囲第１項記載の希ガス・ハロゲン・エキシマレー
   ザ装置。 ５ 前記耐熱性管壁材料はアルミナ・セラミクス
   であり、前記レーザ管管壁材料と線膨張係数がほ
   ぼ同じである金属はコバールであり、前記希ガス
   は、クリプトンおよびヘリウムの混合ガスであ
   り、前記ハロゲンガスはフツ素ガスであり、前記
   ハロゲンガスに対して耐食性の大きい金属層はア
   ルミニウム層である特許請求の範囲第１項記載の
   希ガス・ハロゲン・エキシマレーザ装置。 ６ 前記放電電極の放電面に対面する面以外に少
   なくとも前記ハロゲンガスに対して耐食性の大き
   い金属層で覆われていない部分が設けられている
   特許請求の範囲第１項記載の希ガス・ハロゲン・
   エキシマレーザ装置。