JPH05327085A - パルス放電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 パルス回路を完全に半導体化し、寿命の長
い、安定性、信頼性の高いパルス放電装置を得る。 【構成】 円筒放電管１と上記放電管内１にパルス放電
を形成させる１対の円筒電極２と上記電極２が保持され
るフランジ９とを備えたパルス放電装置において、放電
管１の外周に第１の巻線１０と第２の巻線１１とを配
し、第１の巻線１０の両端をそれぞれフランジ９に接続
し、第２の巻線１１に半導体スイッチ１２とコンデンサ
７の直列回路を接続して構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、銅蒸気レーザ等の金属
蒸気レーザ等に用いられるパルス放電装置の構造に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】図８は、文献（Copper Vapor ｌaser
ｃome of ａge 等）に記載された従来の銅蒸気レーザ
装置の構成を示すもので、１は円筒の放電管、２は放電
管の両端に配された電極、３は絶縁を保つブレーカ、４
は外筒、５はレーザ光を取り出す窓、６は開閉用スイッ
チとしてのサイラトロン、７は充放電を行うコンデン
サ、８は放電管１内に配置された銅である。

【０００３】図８において、高電圧が蓄えられたコンデ
ンサ７の高電圧エネルギーはサイラトロン６を外部信号
により導通させることで、電極２に印加される。電極２
に印加された電圧は放電管１内に放電を発生させる。上
記動作が繰り返し行われると、放電管１内の温度が上昇
し、やがて銅８が蒸発し、放電管１内に銅蒸気が充満す
る。その結果、放電管１内で発生した放電により、銅原
子が励起され、レーザ発振を生じ、窓５を経由して外部
に出力される。上記のような銅蒸気レーザはレーザ下位
準位の寿命がレーザ上位準位に比べて極めて遅いため、
レーザ効率を向上させるためには銅原子の放電による励
起をナノ秒オーダの早い時間に行わなければならない。
そのため、充電用抵抗とレーザ放電管からなるパルス回
路はもちろんのこと高圧電源、充電リアクトル、放電用
コンデンサからなる放電回路のインダクタンスをも小さ
くする必要がある。さらに、サイラトロン６はナノ秒オ
ーダのスイッチング速度が要求される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の銅蒸気レーザ装
置は上記のように構成されているので、サイラトロン６
が真空管スイッチであるため、寿命が短い、品質が安定
でない等の問題点があった。また、高電圧・大電流をナ
ノ秒オーダでスイッチングできる素子は現在の半導体で
はなく、サイラトロンに頼らざるを得ない状況にあっ
た。

【０００５】本発明は上記のような問題点を解消するた
めになされたもので、サイラトロンをなくし、パルス回
路を完全に半導体化するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】第１の発明に係るパルス
放電装置は、円筒放電管の外周には第１の巻線と第２の
巻線とが配され、第１の巻線の両端はそれぞれ上記フラ
ンジに接続され、第２の巻線には半導体スイッチとコン
デンサとの直列回路が接続したものである。

【０００７】第２の発明に係るパルス放電装置は、円筒
放電管の外周には第１の巻線と第２の巻線とが配され、
第１および第２の巻線と上記放電管の間には円筒の磁性
体が配され、第１の巻線の両端はそれぞれ上記フランジ
に接続され、第２の巻線には半導体スイッチとコンデン
サとの直列回路が接続されたものである。

【０００８】

【作用】第１の発明におけるパルス放電装置は、円筒放
電管の外部に設けられた第１および第２の巻線が昇圧ト
ランスを構成し、第２の巻線と半導体スイッチおよびコ
ンデンサで構成されるループのインダクタンスが極めて
小さくできるため、第１のパルストランスの両端に高電
圧で大電流かつナノ秒オーダのパルスが発生でき、しか
もスイッチが半導体にて構成されるため、寿命が長く、
安定な装置を得ることができる。

【０００９】第２の発明におけるパルス放電装置は、、
第１の巻線と第２の巻線の内側に磁性体が配されるた
め、第１の作用に加えて第１と第２の巻線間の磁束の結
合がよくなるため、コンデンサに蓄えられる電圧を低下
できる。

【００１０】

【実施例】

実施例１．次に本発明の実施例について説明する。図１
は第１の発明の実施例によるパルス放電装置であり、９
はフランジ、１０は第１の巻線、１１は第２の巻線、１
２は半導体スイッチである。コンデンサ７に蓄えられた
低電圧エネルギーを半導体スイッチ１２を一斉に導通さ
せることで、第２の巻線１１にパルス電圧を印加する。
第１の巻線１０は第２の巻線１１の内側に巻かれている
ため、第１の巻線１０と第２の巻線１１とはトランスを
形成しており、第１の巻線１０と第２の巻線１１との巻
数比に比例した電圧が第１の巻線１０の両端に発生す
る。図に示すように第１の巻線１０と第２の巻線１１と
を近づけて巻くことで第１の巻線１０と第２の巻線１１
との磁束の結合がよくなり、第１の巻線１０にはより高
い電圧が発生する。第１の巻線１０の両端はフランジ９
に接続されているから、１対の電極２には高電圧パルス
が印加され、放電管１内にパルス放電が生ずる。その結
果、放電管１内の温度が上昇し、銅８から銅蒸気が発生
し、さらに放電により銅原子が励起されレーザ発振を得
る。

【００１１】図１のパルス放電装置の構成は電気的には
図２のように等価回路で表わされる。パルストランス１
４は第１の巻線１０と第２の巻線１１とで構成される空
心トランスで、放電負荷１５は放電管１内に発生した放
電である。半導体スイッチ１２は図３に示されるよう
な、例えばＦＥＴ（もちろん、ＳＩＴ、バイポーラトラ
ンジスタ、ＩＧＢＴ等のものでもよい）を並列に接続し
たものであり、電圧的には最大でも1000 V程度の耐圧し
か有していない。第２の巻線１１に流れる電流はパルス
トランス１４の昇圧比だけ第１の巻線１０に流れる電流
より大きいため、第２の巻線１１にはかなり大きな電流
が流れることになる。そのため、図１ではFET １８を多
数並列接続している。このように、パルストランス１４
により電圧を昇圧するため、例えコンデンサ７に蓄えら
れた電圧が小さくても放電負荷１５には高電圧を印加す
ることができる。インダクタンス１３-ａ（Ｌ1）および
インダクタンス１３-ｂ（Ｌ2）は第１の巻線１０および
第２の巻線１１の互いの非結合磁束によるインダクタン
スであり、レーザの効率を向上させるためにはこれらが
小さくなければならない。

【００１２】図１のように、パルストランスを放電管の
周囲を利用して構成することで以下の利点がある。 （ａ）まず第２の巻線１１とコンデンサ７と半導体スイ
ッチ１２とによって構成される回路のうち第１の巻線１
０と鎖交しない非結合磁束が小さくできる、つまりイン
ダクタンス１３-ａ（Ｌ1）が小さくできる。第１の巻線
１０と鎖交しない成分は図１の斜線部分であり、第２の
巻線１１の平行平板部分の厚みｔを小さくすれば、非結
合磁束は少なくなる。また、非結合磁束によって発生す
るインダクタンスは図１の長さｌが長くなれば小さくな
るから、放電管１の長さいっぱいに距離ｌを採り、しか
も厚みｔを小さくすることで、非結合磁束によるインダ
クタンスを極めて小さくできる。非結合磁束によるイン
ダクタンスが小さくできれば、第１の巻線１０に発生す
る電圧の急峻性が増加すると共に、第１の巻線１０と第
２の巻線１１との結合がよくなり、コンデンサ７の電圧
を低下することができる。さらに、第２の巻線１１が放
電管１の周囲に配されているため、第２の巻線１１の長
さｌを大きくしても装置が大きくなることはない。 （ｂ）次に、第１の巻線１０が放電管１と同軸上に巻か
れているため、第１の巻線１０、放電管１、電極２、フ
ランジ９とで構成される放電回路のインダクタンスを小
さくすることができる、つまりインダクタンス１３-ｂ
（Ｌ2）が小さくできる。例えば、第１の巻線１０を放
電管１の周囲に巻かない場合には、図１に示されるよう
に第１の巻線１０の両端から放電管までに形成される斜
線部分の磁束の発生は避けられず、そのため第１の巻線
１０、フランジ９、放電管１、電極２とで構成される放
電回路のインダクタンスが大きくなる。そのため、パル
ス電圧に急峻性がなくなりレーザ効率が向上できない。
しかし、本発明のように放電管１の周囲に第１の巻線１
０を巻くことで、実質上図１の斜線部分の磁束の発生は
なくなり、放電回路のインダクタンスが低下でき、パル
ス電圧に急峻性が増加しレーザ効率が向上する。このよ
うにすることで、1000 V程度の低い電圧から、全て半導
体を使用して放電管１に高電圧で大電流かつ急峻なパル
ス放電を発生させることが可能となる。

【００１３】実施例２．図４は、本発明の他の実施例で
あり、第１の巻線１０を帯状に放電管１の周囲に配した
ものである。このようにすることで第１の巻線１０と放
電管１とはほぼ完全に２つの同軸な円筒を重ねた配置と
なり、インダクタンスが極めて小さくなる。さらに、第
２の巻線１１との磁束の鎖交もさらによくなる。また、
図４の第１の巻線１０の内面には高反射材料を蒸着等に
より張りつけてあり、放電管１の温度が極めて上昇しや
すくなっている。そのため、低い放電入力電力で放電管
１に高い温度が得られるため、発振に必要な電気入力電
力が低下でき、レーザ効率の大幅な向上が期待できる。

【００１４】実施例３．次に第２の発明について説明す
る。第２の発明では、第１の発明に加えて、図５に示す
ように、第１の巻線１０および第２の巻線１１と放電管
１との間に円筒の磁性体１６を挿入している。このよう
にすることで、第１の巻線１０と第２の巻線１１の内部
の磁気抵抗が大幅に低下し、発生する励磁磁束は円筒の
磁性体１６内をほとんど通過するようになる。その結
果、第１の巻線１０と第２の巻線１１との鎖交が極めて
よくなり、効率よく昇圧できる。図５の装置の電気的な
等価回路は図６のようになる。

【００１５】実施例４．さらに図７は第２の発明の他の
実施例であり、さらに第１の巻線１０と第２の巻線１１
との鎖交をよくするために、結合磁性体１７を設けたも
のである。円筒の磁性体１６と結合磁性体１７とで構成
される磁気回路を閉じたため、より鎖交がよくなる。

【００１６】

【発明の効果】以上のように、第１の発明によるパルス
放電装置は、放電管の外周に第１の巻線と第２の巻線と
を配し、第１の巻線の両端はそれぞれフランジに接続
し、第２の巻線には半導体スイッチとコンデンサとの直
列回路を接続したので、全て半導体を用いてレーザ発振
が可能となるため、寿命の長い、安定性、信頼性の高い
パルス放電装置を提供することができる。

【００１７】また、第２の発明によるパルス放電装置
は、第１の発明に加えて、第１の巻線および第２の巻線
と放電管との間に円筒の磁性体を挿入したので、第１の
発明の効果に加えて、効率よい昇圧が行われ、レーザの
効率を大幅に向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１によるパルス放電装置を示す
構成図である。

【図２】本発明の実施例１によるパルス放電装置の等価
回路を示す回路図である。

【図３】本発明の実施例１に係わる半導体スイッチの例
を示す説明図である。

【図４】本発明の実施例２によるパルス放電装置の主要
部を示す構成図である。

【図５】本発明の実施例３によるパルス放電装置の主要
部を示す構成図である。

【図６】本発明の実施例３によるパルス放電装置の等価
回路を示す回路図である。

【図７】本発明の実施例４によるパルス放電装置の主要
部を示す構成図である。

【図８】従来のパルス放電装置を示す構成図である。

【符号の説明】

１ 放電管 ２ 電極 ７ コンデンサ ９ フランジ １０ 第１の巻線 １１ 第２の巻線 １２ 半導体スイッチ １６ 磁性体

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成４年７月１６日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１２】図１のように、パルストランスを放電管の
周囲を利用して構成することで以下の利点がある。 （ａ）まず第２の巻線１１とコンデンサ７と半導体スイ
ッチ１２とによって構成される回路のうち第１の巻線１
０と鎖交しない非結合磁束が小さくできる、つまりイン
ダクタンス１３-ａ（Ｌ1）が小さくできる。第１の巻線
１０と鎖交しない成分は図１の斜線部分であり、第２の
巻線１１の平行平板部分の厚みｔを小さくすれば、非結
合磁束は少なくなる。また、非結合磁束によって発生す
るインダクタンスは図１の長さｌが長くなれば小さくな
るから、放電管１の長さいっぱいに距離ｌを採り、しか
も厚みｔを小さくすることで、非結合磁束によるインダ
クタンスを極めて小さくできる。非結合磁束によるイン
ダクタンスが小さくできれば、第１の巻線１０に発生す
る電圧の急峻性が増加すると共に、第１の巻線１０と第
２の巻線１１との結合がよくなり、コンデンサ７の電圧
を低下することができる。さらに、第２の巻線１１が放
電管１の周囲に配されているため、第２の巻線１１の長
さｌを大きくしても装置が大きくなることはない。 （ｂ）次に、第１の巻線１０が放電管１と同軸上に巻か
れているため、第１の巻線１０、放電管１、電極２、フ
ランジ９とで構成される放電回路のインダクタンスを小
さくすることができる、つまりインダクタンス１３-ｂ
（Ｌ2）が小さくできる。例えば、第１の巻線１０を放
電管１の周囲に巻かない場合には、第１の巻線から放電
管までの伝送路が必要となり、伝送路のインダクタンス
により放電回路のインダクタンスが大きくなる。そのた
め、パルス電圧に急峻性がなくなりレーザ効率が向上し
ない。しかし、本発明のように放電管１の周囲に第１の
巻線１０を巻くことで、伝送路が不要であり、放電回路
のインダクタンスが低下でき、パルス電圧に急峻性が増
加しレーザ効率が向上する。このようにすることで、10
00 V程度の低い電圧から、全て半導体を使用して放電管
１に高電圧で大電流かつ急峻なパルス放電を発生させる
ことが可能となる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円筒放電管と上記放電管内にパルス放電
   を形成させる１対の円筒電極と上記電極が保持されるフ
   ランジとを備えたパルス放電装置において、上記放電管
   の外周には第１の巻線と第２の巻線とが配され、第１の
   巻線の両端はそれぞれ上記フランジに接続され、第２の
   巻線には半導体スイッチとコンデンサとの直列回路が接
   続されたことを特徴とするパルス放電装置。
2. 【請求項２】 円筒放電管と上記放電管内にパルス放電
   を形成させる１対の円筒電極と上記電極が保持されるフ
   ランジとを備えたパルス放電装置において、上記放電管
   の外周には第１の巻線と第２の巻線とが配され、上記第
   １および第２の巻線と上記放電管の間には円筒の磁性体
   が配され、第１の巻線の両端はそれぞれ上記フランジに
   接続され、第２の巻線には半導体スイッチとコンデンサ
   との直列回路が接続されたことを特徴とするパルス放電
   装置。