JPH04369282A - レーザー放電回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、材料加工、分光計測
、照明露光用光源等に用いられる放電励起形レーザー装
置に関し、特にコロナ放電によるＵＶ予備電離を用いた
放電励起型レーザー装置のレーザー放電回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】１気圧以上の気体を横方向から放電させ
、レーザー発振させる方式をＴＥＡレーザーと呼び、一
対の対向する主放電電極間に均一なグロー放電を発生さ
せ、レーザー発振に必要な反転分布領域を形成している
。このＴＥＡレーザーにおいて、放電空間全体に広がっ
たグロー放電を得るためには、主放電を開始する前に予
備電離を行い、あらかじめ放電空間全体に電子をばらま
いておく必要がある。特に、エキシマレーザーの場合は
負性ガス中での電子の寿命が短いため、主放電の直前に
出来るだけ多くの電子を発生させておく必要がある。

【０００３】現在、予備電離の方式としては、Ｘ線、ア
ーク放電、コロナ放電などを使った様々な方式が使用さ
れているが、中でもコロナ放電を使った方式は、比較的
簡便で、レーザーガスへの汚染が少ないことから、容量
移行型の予備電離方式として広く使用されている。

【０００４】図４は従来のコロナ放電を使ったＵＶ予備
電離方式の等価回路を示している。図４の回路において
、コロナ電極は多数の開孔部を持つ網状のカソード（平
板陰極）１１と補助電極１２との間に、平板の誘電体１
３を挾んだ構成となっている。コロナ放電は、前記カソ
ード１１の開孔部における沿面放電により行なわれ、主
放電はカソード１１とアノード（陽極）１４の間で行わ
れる。

【０００５】予備電離が開始されると、高電圧電源Ｈ．
Ｖ．に接続されたコンデンサＣｓにはコイルＬｓ、Ｌｐ
、Ｌｃを通して電荷が充電される。次に、サイラトロン
スイッチＴｈがオン状態になるとコンデンサＣｓからコ
ンデンサＣｐへ電荷が移動し、Ｃｐの電圧が上昇してい
く。 このとき、コンデンサＣｐの高電圧電源Ｈ．Ｖ．側に接
続されている補助電極１２とアース電位のカソード１１
間にある誘電体１３も一種のコンデンサとして充電され
、網状のカソード１１と誘電体１３の間にコロナ放電が
発生する。このコロナ放電により発生するＵＶ光によっ
て、カソード１１近傍に自由電子が生成され、これによ
って予備電離が行われる。さらにこの後、コンデンサＣ
ｐの電圧が充電の進展と共に上昇し、主放電開始電圧に
達すると主放電がスタートして励起が行われる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記コロナ
放電を使ったＵＶ予備電離方式では、予備電離放電の輝
度が低いために十分な予備電離ができず、放電空間全体
に広がった高密度のグロー放電を得ることが難しいとい
う問題点があった。コロナ放電の輝度を高めるには、誘
電率の高い誘電体を使用することが考えられるが、エキ
シマレーザー等の腐蝕性の強いガスを用いたレーザーで
は、誘電体材料の腐蝕性の問題から誘電率の高い材料が
使えず、誘電率によって輝度を高めることは困難であっ
た。

【０００７】この発明は、予備電離で発生する電子の損
失を最少限とすることによって、十分な予備電離を行う
ことができるレーザー放電回路を提供することを目的と
する

【０００８】。

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
、この発明に係わるレーザー放電回路においては、予備
電離用の補助電極上に設けられた誘電体層の充電開始時
間を制御するための遅延素子を、前記誘電体層と直列に
接続するようにしている。

【０００９】上記放電回路は容量移行型回路により構成
され、遅延素子としては可飽和リアクトル、サイラトロ
ンなどを用いることができる。また、この放電回路はＬ
Ｃ反転回路、ＰＦＬなどの分布定数型回路などにより構
成することができる。さらに、前記放電回路はその一部
に磁気スイッチを用いて構成してもよい。

【００１０】

【作用】主放電用コンデンサの電圧は充電開始と共に次
第に上昇する。一方、予備電離用コンデンサは遅延素子
により、所定の遅延時間が経過した後に充電が開始され
る。前記遅延素子の遅延時間を、例えば主放電用コンデ
ンサへの充電開始から主放電開始までの時間の２／３程
度に設定すれば、双方のコンデンサの電圧は主放電開始
時点でほぼ同じ電位となる。すなわち、予備電離が主放
電に近い時刻に行われることになるので、効果的に予備
電離を行うことができる。また、充電時間が短くなる分
だけ予備電離電流のピーク値を高くすることができる。

【００１１】

【実施例】以下、この発明に係わるレーザー放電回路の
一実施例を図面を参照しながら詳細に説明する。

【００１２】図１は、この発明に係わるレーザー放電回
路の一実施例を示す等価回路図である。この回路は、先
に説明した図４の回路中の補助電極１２と直列に誘電体
１３の充電開始時間を制御するための遅延素子Ｒを接続
している。その他の構成は図４の回路とほぼ同じであり
、同等部分を同一符号で表している。

【００１３】前記遅延素子Ｒとしては、例えば図２（ａ
）に示す可飽和リアクトルや、同図（ｂ）に示すサイラ
トロンなどがある。遅延素子に要求される機能としては
、サイラトロンスイッチＴｈがオン状態となってからの
一定時間後に、開状態から閉状態に移行することができ
て、補助電極１２と電気的に導通できるものであればよ
く、同等の機能を有する素子であれば、前記例以外の素
子を使用してもよい。図１の回路では可飽和リアクトル
を使用している。

【００１４】次に、上記回路の動作について説明する。 図３（ａ）〜（ｃ）は、図１に示した回路各部の波形を
示す図である。図１のコンデンサＣｓからコンデンサＣ
ｐを充電するにつれて、図３（ａ）に示すようにコンデ
ンサＣｓの電圧Ｖｓが降下し、同時にコンデンサＣｐの
電圧Ｖｐが次第に増加する。コンデンサＣｐのループに
流れる充電電流ｉｐの波形を図３（ｂ）に示す。一方、
充電開始から遅延時間Δｔが経過すると遅延素子Ｒの可
飽和リアクトルが飽和し、コロナ放電の発生と共に誘電
体１３が充電される。

【００１５】ここで、誘電体１３の容量Ｃｐ´を、例え
ばＣｐ´＝Ｃｐ／１０程度とし、遅延素子Ｒの遅延時間
ΔｔをコンデンサＣｐの充電時間の２／３程度に設定し
ておけば、図３（ａ）に示すように電圧Ｖｐと、誘電体
１３の電圧Ｖｐ´は主放電開始時点でほぼ同じ電位とな
る。また、主放電開始時の誘電体１３の容量Ｃｐ´に充
電される電荷量は遅延素子Ｒのない場合と同じとなり、
コロナ予備電離の通過電荷量は主放電開始時点で従来と
同じ量に達する。すなわち、遅延素子Ｒがある場合の充
電時間は、図３（ｃ）に示すように従来の１／３となる
が、通過電荷量の絶対量は変わらないため、充電時間が
短くなった分だけ予備電離電流のピーク値が３倍に増大
することになる。また、電流のピークは主放電に近い時
刻で最大となる。

【００１６】図３（ｃ）において、ａは遅延がないとき
のコロナ放電電流ｉｐ´の波形を表し、ｂは遅延素子に
より遅延時間Δｔがあるときのコロナ放電電流ｉｐ´の
波形を表している。遅延素子のあるときは、上述したよ
うに充電時間が短くなった分だけ、電流のピーク値が増
大している。ただし、通過電荷量を表す波形ａの斜線部
の面積と波形ｂの面積は同じとなる。

【００１７】上述した遅延素子による作用を予備電離と
いう観点から考えると次のように説明することができる
。

【００１８】従来は、電圧Ｖｐの立ち上がりと共にゆっ
くりとコロナ電流が流れだし、発光もゆっくりと弱く発
光を始め、予備電離がおこる。このコロナ放電光による
光電離及び電流による直接的な電離で発生する電子は、
一方でイオンとの再結合及び負性ガスとの会合（付着）
により時間と共に失われる。例えばエキシマレーザーの
場合、ＸｅＣｌでは数１００ｎｓ〜数μｓの時定数で減
少し、ＫｒＦでは数１０ｎｓ〜数１００ｎｓの時定数で
減少してしまう。特にコロナ予備電離の場合には、予備
電離強度が弱いため、発光書記の部分で生成される電子
の多くはこうした損失によって無効となっている場合が
多い。しかしながら、この実施例の図１の回路によれば
、主放電開始の直前に強くコロナ放電を行うようにした
ため、電子の損失が少ない効果的な予備電離を行うこと
ができる。したがって、十分な予備電離により、放電空
間全体に広がったグロー放電を得ることができる。

【００１９】上記実施例では、容量移行型回路として構
成した例について述べたが、コロナ予備電離が使用でき
る回路であれば、他の励起回路で構成してもよい。図５
〜図９にその一例を示す。なお、図５〜図９の回路では
図１の回路と同等部分を同一符号で表している。

【００２０】図５はＬＣ反転回路により構成した場合の
回路図である。この回路では、まず高電圧電源Ｈ．Ｖ．
から並列に接続された２個の蓄積コンデンサＣｓに対し
て充電が行われる。充電後、サイラトロンスイッチＴｈ
がスイッチオンされると、図中下側のコンデンサＣｓと
共振用コイルＬｓとの間でＬＣ共振回路が形成され、コ
ンデンサＣｓと共振用コンデンサＬｓの積で決まる時定
数でコンデンサ両端の電圧が自由振動する。したがって
、スイッチオンから最初の半周期後に下側コンデンサＣ
ｓの電圧は充電時に対して逆転し、ピーキングコンデン
サＣｐ及びＣＰ´に印加され充電される電圧は２倍とな
る。 次に、ピーキングコンデンサＣｐが充電される間にＣｐ
´は遅延素子Ｒにより予備電離が遅らされ、主放電の直
前に高輝度の予備電離を行いレーザー発振を行う。

【００２１】図６はＰＦＬ（パルスフォーミングライン
）回路により構成した場合の回路図である。この回路で
は、パルス動作の充電電源により１つの分布定数型（例
えば、平行平板の水コンデンサなど）の素子を充電する
と同時に、遅延素子Ｒにより遅延してコンデンサＣｐ´
が充電される際に予備電離が行われる。このときの遅延
時間は、充電時間及び主放電スイッチにより開始するＰ
ＦＬの特性インピーダンスで決まる電気エネルギーの伝
搬速度を考慮して設定されている。この遅延により主放
電の直前に高輝度の予備電離を行い、レーザー発振を行
う。

【００２２】図７は図５のＬＣ反転回路に磁気スイッチ
Ｓｈを使用した場合の回路図である。この回路は、ＬＣ
反転回路のコンデンサＣｓからコンデンサＣｐのエネル
ギーの移行を遅延させエネルギーの移行効率を改善した
もので、この場合の磁気スイッチＳｈには耐久性、効率
の点でＮｉ，Ｃｏ　系のアモルファスリボンなどの磁性
材料が用いられている。回路の動作はＬＣ反転回路とほ
ぼ同じであり、容量移行時の効率、放電負荷とのマッチ
ングが改善されている図８は容量移行回路（例えば、図
１など）のサイラトロンスイッチＴｈと直列に磁気スイ
ッチＳｈを使用した場合の回路図である。この回路は、
スイッチング時のサイラトロンの内部放電抵抗がまだ高
い時点での導通電流を押さえ、サイラトロン損失を低減
させることができ、サイラトロンスイッチＴｈの寿命を
延ばすことができる。動作はスイッチのタイミングが磁
気スイッチＳｈの保持時間分だけ遅れる。その他は従来
の容量移行回路と同じである。なお、図７のＬＣ反転回
路において、サイラトロンスイッチＴｈと直列に磁気ス
イッチＳｈを接続すれば、図８の回路と同様の効果を得
ることができる。

【００２３】また、上記実施例の回路ではコロナ電極と
して平板状の電極を使用した例について説明したが、図
９に示すように円柱形のものを使用してもよい。図９（
ａ）は、導体１５の周りに誘電体１３を円柱状に形成し
、２つのコロナ電極で補助電極１２を挾むように構成し
たものである。また、図９（ｂ）は、円柱形のコロナ電
極を２本並べ、その上に主放電電極と補助電極を兼ねた
メッシュ電極１６を配置したものである。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、この発明に係わる
レーザー放電回路では、予備電離用の補助電極上に設け
られた誘電体層の充電開始時間を制御する遅延素子を、
前記誘電体層と直列に接続し、予備電離が主放電に近い
時刻に行われるようにしたため、予備電離電子の損失が
少なくなり、予備電離電流のピーク値も高くすることが
できる。したがって、従来に比べて十分な予備電離を行
うことができるようになり、放電空間全体に広がった良
好なグロー放電を得ることが可能となるため、安定な高
い出力のレーザー出力を得ることができる。

【００２５】また、誘電体の容量Ｃｐ´と独立にコロナ
放電電流ｉｐ´を増加することができるため、誘電体の
厚みを増すことで装置自体の信頼性を向上させることも
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係わるレーザー放電回路の一実施例
を示す等価回路図

【図２】遅延素子の例を示す説明図

【図３】図１の回路各部の波形を示す図

【図４】アーク
放電を使ったＵＶ予備電離方式の等価回路図

【図５】ＬＣ反転回路により構成した場合の回路図

【図
６】ＰＦＬ回路により構成した場合の回路図

【図７】Ｌ
Ｃ反転回路に磁気スイッチを使用した場合の回路図

【図８】容量移行回路のサイラトロンスイッチＴｈと直
列に磁気スイッチＳｈを使用した場合の回路図

【図９】
円柱形のコロナ電極を使用した例を示す説明図

【符号の説明】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】誘電体層を介した放電を予備電離を用いる
   放電励起型レーザー装置のレーザー放電回路において、
   予備電離用の補助電極上に設けられた誘電体層の充電開
   始時間を制御する遅延素子を、前記誘電体層と直列に接
   続したことを特徴とするレーザー放電回路。