JPH0774413A - ガスレーザ用放電電極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】安定した均一なグロー放電を発生させる。レー
ザ光の大出力化を計る。 【構成】電気絶縁板３に複数配列されているピン陰極１
は、それぞれ、細尖化された円錐部１ａと、その側周面
が電気絶縁物１ｃで被覆された円柱部１ｂとを有する。
各ピン陰極１は、その円錐部１ａのみが電気絶縁板３の
下方に流入するレーザガス中に露出するように設けられ
ている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、放電励起ガスレーザ装
置に好適なガスレーザ用放電電極に関する。

【０００２】

【従来の技術】図４（ａ）は、従来の放電励起ガスレー
ザ装置に用いられているガスレーザ用放電電極の構成を
示す図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）の放電励起ガ
スレーザ装置を矢印Ａの方向から見た図である。

【０００３】図５は、図４（ａ）のガスレーザ用放電電
極をレーザガスの流入方向から見た図である。電気絶縁
板３に直線上に配列された複数のピン陰極２１は、それ
ぞれ放電安定抵抗５を介して高電圧電源６ａに接続され
ている。

【０００４】電気絶縁板３と対向して、平行に、高電圧
電源６ｂから高電圧が印加される陽極２が配置されてい
る。この陽極２とピン陰極２１との間にレーザガスが流
入するようになっている。

【０００５】さて、このような構成のガスレーザ用放電
電極を用いて発生するグロー放電では、主として、ピン
陰極２１と陽極２との間の電界によって加速されたピン
陰極１１近傍の正イオン（流入したレーザガスの正イオ
ン）がピン陰極２１の陰極面に衝突したときの２次電子
放出によって、電子が発生する。

【０００６】この発生した電子は、電界によって加速さ
れる。加速された電子は、レーザガス分子の電離、解離
励起などを行う。この結果、イオンと電子との収支が保
存されたときに、グロー放電は維持される。

【０００７】つまり、ピン陰極２１から発生した電子
は、レーザガス分子の平均自由行程の距離内では、中性
ガス分子に衝突することなく、上記電界によって加速さ
れる。この電子が加速される領域が、ピン陰極降下部で
ある。電子が当該陰極降下部を通過すると、上記した電
離等が活発に行われる負グロー領域９が形成される。

【０００８】さらに、この負グロー領域９から陽極２ま
では、電子は比電界（Ｅ／Ｎ）により加速される。これ
により、励起、電離、再結合が繰り返されて、放電が維
持される。

【０００９】次に、ピン陰極２１の陰極面に注目する
と、グロー放電の際に、ピン陰極２１の尖った先端部
は、高電界を発生するための放電開始の起点となってい
る。さらに、放電電流を増加させると、負グロー領域９
がピン陰極２１の先端部から円錐部２１ａに沿って広が
っていく。これは、ピン陰極２１の放電面の単位面積当
り取出し得る電流密度が決まっているため、エネルギ最
小の原理に従い放電面が拡大する。このように、放電面
が拡大するので、放電電流は増大する。ただし、この場
合、放電電圧の上昇に伴い、正イオンの加速エネルギが
増加し、電流値を増加できるが、グロー放電からアーク
放電に移行し易い（参考文献 電気学会誌１０７巻１１
号 Ｐ１１０１〜Ｐ１１０６）。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の放電励起ガ
スレーザ装置のガスレーザ用放電極においては、ガスレ
ーザの高出力化に必要とされる放電電力（電流と電圧）
の増加を行う場合、陰極面の拡大により放電電流を増加
させることはできる。しかし、陰極の先端から円錐面の
近傍で発生する負グローは、陰極先端を起点として、円
錐部の外面に沿って広がるために、負グローが固定され
る。よって、陰極の円錐部ではゆらぎの少ないグロー放
電が維持される。

【００１１】一方、陰極の円柱部では、負グローの起点
部がないために、レーザガスの密度（圧力、温度、乱流
等）のゆらぎ、又は高電圧電源のリップル率等のゆらぎ
の相互作用により、負グローが固定されない。このた
め、陰極の円柱部ではグロー放電がゆらいでしまう。

【００１２】このように従来の放電励起ガスレーザ装置
のガスレーザ用放電電極では、その陰極面で負グローが
ゆらぎを発生させるために、安定した均一なグロー放電
が維持できず、アーク放電に移行してしまうという問題
点があった。

【００１３】また、上記従来の放電励起ガスレーザ装置
のガスレーザ用放電極においては、レーザ光の大出力化
のためには放電電流を増加させる必要があった。しか
し、放電面の単位面積当たりに取り出せる電流値は決ま
っているため、放電電流を増加させると、電流密度が上
昇してしまうので、グロー放電からアーク放電に移行し
てしまう。

【００１４】また、上記従来の放電励起ガスレーザ装置
のガスレーザ用放電極においては、放電電流を増加する
と、陰極近傍のプラズマ密度も高くなる。このため、グ
ロー放電からアーク放電に移行してしまう。

【００１５】よって、投入電流（放電電流）を増加する
とグロー放電からアーク放電に移行してしまうため、投
入電流（放電電流）が増加できず、レーザ光の大出力化
が計れないという問題点があった。

【００１６】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
のであり、その目的は、放電励起ガスレーザ装置におい
て、安定した均一なグロー放電を発生させることができ
るガスレーザ用放電電極を提供することにある。

【００１７】本発明のその他の目的は、放電励起ガスレ
ーザ装置において、投入電力を増加しなくともレーザ光
の大出力化が計れるガスレーザ用放電電極を提供するこ
とにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段および作用】本発明は、対
向して平行に配置された、先端が円錐部を有する直流グ
ロー放電用陰極と、陽極との間に、レーザガスが所定の
流速で流入するように構成された放電励起ガスレーザ装
置において、直流グロー放電用陰極の円錐部を細尖化し
て、前記円錐部のみをレーザガス中に露出させた構成と
したことを特徴とする。

【００１９】このように、直流グロー放電用陰極の細尖
化した円錐部のみをレーザガス中に露出させたことによ
り、グロー放電の際に円錐部の近傍のみに安定な負グロ
ーが発生する。よって負グローのゆらぎが低減される。
このため、レーザガスの液体特性（圧力、温度、乱流度
等）のゆらぎに対して負グローが固定され安定なグロー
放電が維持される。また、直流グロー放電用陰極の円錐
部を細尖化したことにより、円錐部の表面積は従来の円
錐部の表面積より大きくなる。よって、従来の放電電極
と同じ電圧をかけたときに、取り出せる電流値が大きく
なり、レーザの高い出力化が計れる。また、電子は円錐
部の面に対して垂直に飛び出すので、円錐部のテーパ部
の角度を小さくすることにより、放電部が従来の放電電
極よりも広がる。よって、陰極近傍のプラズマ密度が低
下する。

【００２０】また、本発明は、対向して平行に配置され
た、先端が円錐部をなし基部が円柱部をなす直流グロー
放電用陰極と、陽極との間に、レーザガスが所定の流速
で流入するように構成された放電励起ガスレーザ装置に
おいて、上記直流グロー放電用陰極の円柱部を絶縁物で
被覆し、上記直流グロー放電用陰極の円錐部のみをレー
ザガス中に露出させる形状としたことを特徴とする。

【００２１】直流グロー放電用陰極の円柱部を絶縁物で
被覆したことにより、安定な負グローが円錐部の近傍に
のみ発生する。よって、負グローのゆらぎが低減され
る。そのため、レーザガスの流体特性（圧力、温度、乱
流度等）のゆらぎに対しても負グローが固定され、安定
なグロー放電が維持される。

【００２２】さらに本発明は、対向して平行に配置され
た、先端が円錐部をなし基部が円柱部をなす直流グロー
放電用陰極と、陽極との間に、レーザガスが所定の流速
で流入するように構成された放電励起ガスレーザ装置に
おいて、上記直流グロー放電用陰極の円柱部を絶縁物で
被覆し、上記直流グロー放電用陰極の円錐部を細尖化し
たことを特徴とする。

【００２３】直流グロー放電用陰極の円柱部を絶縁物で
被覆したことにより、安定な負グローが円錐部の近傍に
のみ発生する。よって、負グローのゆらぎが低減され
る。そのため、レーザガスの流体特性（圧力、温度、乱
流度等）のゆらぎに対しても負グローが固定され、安定
なグロー放電が維持される。

【００２４】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。 （第１実施例）図１は、本発明の第１実施例に係るガス
レーザ用放電電極を適用した放電励起ガスレーザ装置の
構成を示す。なお、図１では、図４（ａ）に示した従来
の放電励起ガスレーザ装置と同一部分には同一符号を付
している。

【００２５】図１において、電気絶縁板３に直線状に等
間隔に配列された複数のピン陰極１は、放電安定化抵抗
５を介して高電圧電源６ａに接続されている。各ピン陰
極１は、例えば「く」の字状の形状を有しており、それ
ぞれその先端が円錐部１ａをなし、その基部が円柱部１
ｂをなしている。円柱部１ｂの側周面は電気絶縁物１ｃ
で被覆されている。

【００２６】各ピン陰極１は、その円錐部１ａのみが電
気絶縁板３の下方に突出するように同絶縁板３に設けら
れている。また、電気絶縁板３の下方には、同絶縁板３
と平行に陽極２が配置されている。陽極２には、高電圧
電源６ｂが接続されている。このように配置された陽極
２と電気絶縁板３との間にレーザを励起するためのレー
ザガスが矢印７で示される流れに沿って流入する。

【００２７】さて、このような構成のガスレーザ用放電
電極を用いて発生するグロー放電では、主として、ピン
陰極１１と陽極２との間の電界によって加速されたピン
陰極１１近傍の正イオン（流入したレーザガスの正イオ
ン）がピン陰極１１の陰極面に衝突したときの２次電子
放出によって、電子が発生する。

【００２８】この発生した電子は、電界によって加速さ
れる。加速された電子は、レーザガス分子の電離、解離
励起などを行う。この結果、イオンと電子との収支が保
存されたときに、グロー放電は維持される。

【００２９】つまり、ピン陰極１１から発生した電子
は、レーザガス分子の平均自由行程の距離内では、中性
ガス分子に衝突することなく、上記電界によって加速さ
れる。この電子が加速される領域が、陰極降下部であ
る。電子が当該陰極降下部を通過すると、上記した電離
等が活発に行われる負グロー領域９が形成される。

【００３０】さらに、この負グロー領域９から陽極２ま
では、電子は比電界（Ｅ／Ｎ）により加速される。これ
により、励起、電離、再結合が繰り返されて、放電が維
持される。

【００３１】次に、ピン陰極１１の陰極面に注目する
と、グロー放電の際に、ピン陰極１１の尖った先端部
は、高電界を発生するための放電開始の起点となってい
る。さらに、放電電流を増加させると、負グロー領域９
がピン陰極１１の先端部から円錐部１１ａに沿って広が
っていく。

【００３２】本実施例では、図３（ａ）に示すようにピ
ン陰極１の円錐部１ａの高さをＨ、円錐部１ａの底面の
直径をｄとすると、その比Ｈ／ｄが５以上となるように
円錐部１ａを細尖化している。

【００３３】これに対して、図４（ａ）に示したような
従来のピン陰極２１は上記のＨ／ｄに相当する値が５よ
り十分小さいものとなっている。このため、図３（ａ）
の円錐部１ａでは、図４（ａ）の従来のピン陰極２１の
円錐部２１ａよりもその表面積（放電面積）が増加して
いる。そのため、円錐部１ａからの電子放出量と比例す
る電流値（放電電流の値）も大きくなるので、レーザの
大出力化が計れる。

【００３４】さらに、円錐部１ａのテーパの角度を小さ
くしたので、つまり円錐部１ａを細尖化させたので、円
錐部１ａの面に対して垂直に飛び出す電子の範囲が広が
る。したがって、円錐部１ａの近傍のプラズマ密度も低
下する。このため、グロー放電からアーク放電への移行
限界が拡大し、投入電力が増加する。よって、レーザの
高出力化が計れる。 （第２実施例）図２は、本発明の第２実施例に係るガス
レーザ用放電電極を適用した放電励起ガスレーザ装置の
構成を示す。

【００３５】なお、図２において、放電励起ガスレーザ
装置の基本的な構成は図１と同様であるので、同一部分
には同一符号を付している。図２において、電気絶縁板
３に直線状に等間隔に配列された複数のピン陰極１１
は、放電安定化抵抗５を介して高電圧電源６ａに接続さ
れている。各ピン陰極１１は、先端が円錐部１１ａをな
し、その基部が円柱部１１ｂをなしている。円柱部１１
ｂの側周面は電気絶縁物１１ｃで被覆されている。

【００３６】各ピン陰極１１は、その円錐部１１ａおよ
び円柱部１１ｂが電気絶縁板３の下方に突出するように
設けられている。電気絶縁板３の下方には、同絶縁板３
と平行に陽極２が配置されている。陽極２には、高電圧
電源６ｂが接続されている。

【００３７】上記の構成において、負グロー領域９のゆ
らぎが発生するピン陰極１１の円柱部１１ｂの側周面を
電気絶縁物１１ｃで被覆し、円錐部１１ａのみを露出さ
せたことにより、同円錐部１ａの近傍のみに安定な負グ
ロー領域が形成されるので、負グローのゆらぎが低減で
きる。したがって、アーク放電移行限界は解消される。
また、アーク放電移行限界が解消されるので投入可能な
グロー放電電流の増加が可能となる。したがって、投入
電力も増加するのでレーザの高出力化が達成できる。

【００３８】なお、上記実施例では、図３（ｂ）に示す
ように、ピン陰極１１は、ピン陰極１１の円錐部１１ａ
の高さをＨ´、円錐部１１ａの底面の直径をｄ´とする
と、その比ｈ´／ｄ´は５未満となっている。さらに図
３（ｂ）のピン陰極１１の基本的なサイズは、図４
（ａ）に示したような従来のピン陰極２１と同じであ
る。このため、ピン陰極１１の放電電流の値は、図３
（ａ）に示したようなピン陰極１ほどではない。

【００３９】しかし、ピン陰極１１の円柱部１１ｂの側
周面を電気絶縁物１１ｃで被覆しているため、図４
（ａ）に示したような従来のピン陰極２１よりも負グロ
ーは安定する。よって、ピン陰極１１を放電励起ガスレ
ーザ装置に適用することにより、従来のピン陰極２１よ
りもレーザの大出力化が計れる。

【００４０】

【発明の効果】本発明によれば、陰極の円錐部のみを露
出させている。よって、グロー放電の際には円錐部の近
傍にのみ安定な負グローが発生する。したがって、負グ
ローのゆらぎが低減されるため、ゆらぎによるアーク放
電移行限界が解消される。また、アーク放電移行限界に
よる制限を受けていた投入可能なグロー放電電流の増加
が可能となる。

【００４１】本発明によれば、直流グロー放電用陰極の
円錐部を細尖化することにより、陰極の円錐部の表面積
を大きくしているので、従来の放電電極に印加するのと
同じ電圧を負荷したときに、取り出せる電流は大きくな
る。

【００４２】本発明によれば、電子は陰極の円錐部の表
面に対して垂直に飛び出すので、円錐部のテーパ部の角
度を小さくすることにより、放電部が広がる。つまり、
アーク放電移行限界が拡大し、投入電力が増加する。し
たがって、レーザの大出力化が計れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係るガスレーザ用放電電
極を適用した放電励起ガスレーザ装置の構成を示す図。

【図２】本発明の第２実施例に係るガスレーザ用放電電
極を適用した放電励起ガスレーザ装置の構成を示す図。

【図３】図１のピン陰極１（第１実施例）と図２のピン
陰極１１（第２実施例）とを対比して示す図。

【図４】従来のガスレーザ用放電電極を適用した放電励
起ガスレーザ装置の構成を示す図。

【図５】図４の放電励起ガスレーザ装置をレーザガスの
流入方向から見た図。

【符号の説明】

１，１１…ピン陰極、 ２…陽極、３…電気絶縁
板、 ５…放電安定抵抗、６…高電圧電源、
７…レーザガスの流れ、１ａ，１１ａ…円
錐部、 １ｂ，１１ｂ…円柱部、１ｃ，１１ｃ…電
気絶縁物。

フロントページの続き (72)発明者 荻野 睦夫 兵庫県高砂市荒井町新浜二丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂研究所内 (72)発明者 近藤 元恵 兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１ 号 三菱重工業株式会社神戸造船所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対向して平行に配置された、先端が円錐
   部を有する直流グロー放電用陰極と、陽極との間に、レ
   ーザガスが所定の流速で流入するように構成された放電
   励起ガスレーザ装置において、 前記直流グロー放電用陰極の円錐部を細尖化して、前記
   円錐部のみをレーザガス中に露出させたことを特徴とす
   るガスレーザ用放電電極。
2. 【請求項２】 対向して平行に配置された、先端が円錐
   部をなし基部が円柱部をなす直流グロー放電用陰極と、
   陽極との間に、レーザガスが所定の流速で流入するよう
   に構成された放電励起ガスレーザ装置において、 前記直流グロー放電用陰極の円柱部を絶縁物で被覆し、
   前記直流グロー放電用陰極の円錐部のみをレーザガス中
   に露出させる形状としたことを特徴とするガスレーザ用
   放電電極。
3. 【請求項３】 対向して平行に配置された、先端が円錐
   部をなし基部が円柱部をなす直流グロー放電用陰極と、
   陽極との間に、レーザガスが所定の流速で流入するよう
   に構成された放電励起ガスレーザ装置において、 前記直流グロー放電用陰極の円柱部を絶縁物で被覆し、
   前記直流グロー放電用陰極の円錐部を細尖化したことを
   特徴とするガスレーザ用放電電極。