JPS59501430A - ア−ク放電デバイスにおける低電圧作動 - 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】 アーク放電デバイスにおける低電圧作動デバイスのようなアーク放電デノ＼イス 、特にこのようなデバイスにおける隣接する電極間のイ氏電圧アークの形成に関 する。

応用物理レター（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　）オ６６ 巻オ８号、ページ６１５〜６１７（１９８０）に、Ｗ。

Ｔ、シルフハスト（５ｉｌｆｖａｓｔ　）　、Ｌ、　Ｉ−１，スジエト　（Ｓｚ ｅｔＯ）および０．　ＰＬ、つ゛ンド（Ｗｏｏｄ　）　ｎ力（分書（ｊ型の励起 および再結合（ｓＰＷ）の原理によシ、いくつ力・の金属蒸気について原子スペ クトＪＬ領域でレーザー作用を行なわせるために開発した新型の放電デフ１イス について記述している。このレーザーを１、細長い帯状金属片（レーザー作用物 質となるもの）を多数有しているが、これらは互いに隣接する帯状金属片の間に 僅力・のキャップをつくるように端と端〃（近接した状態で絶縁板上に保持され ている。この金属片をま緩衝ガス（好ましい場合）中に置く力・あるい（ま周囲 ７％真空となっており、典型的な場合、大きさをま厚さ０．１〜１　ｍｍ　、幅 ２＃Ｉｍおよび長さ１艇である。このように配夕Ｉ　した金属れキャップに高密 度の金属蒸気イオンよりなるプラズマが形成される。このような（主として金属 片が蒸発した物質からなる）プラズマは、−耳形成されると、本質的にはレーザ ー共振器内に半球状に拡散してゆき低圧の（例えばヘリウムのような）背景カス があると冷却して再結合する。

５ＰＥＲレーザーは、製作が簡単であり、寸法的にも容積的にも難しくなく、長 寿命でるることも実証されており、また潜在的に高い効率を有している。これが １９８１年６月２２日発行された米国特許４，３３６，５０６の要旨である。

従来の分割型プラズマ・アーク放電に用いられていた励起手段としては、並列接 続された高圧電源と低圧電源であるのが普通である。そして、それらの電源から 発生される高電圧および低電圧が順次デバイスに印加されていた。高電圧（数キ ロホルト）は、隣接する電極間のギャップを絶縁破壊するのに用いられ、また低 電圧（２０ホルトＤＣ１数アンペア）はアーク族！（すなわちプラズマ）を維持 するのに用いられる。

発明の要約 我々は、ギャップを絶縁破壊するだめの高圧電源を必要とせずにアーク放電デバ イスを作動させることができることを発見した。我々の発明を実施例で説明する と、隣接する電極間のキャップを短絡するような薄（６） 膜が１枚でもあれば、低圧電源のみでもプラズマを生成し、作動を維持するのに 十分であるということでちる。例えば、５ＰＢＲレーザーを作動させるのに２０ Ｖ〜３０Ｖの電池を用いたのみ４であった。

図面の簡単な説明 第１図は、５ＰＥＲデｌ＼イスの典型的な形態であるところの連続波型３ＰＥＲ レーザーの説明的な実施汐１１を示すものである。

第２図は、我々の発明の１つの実施例に基づ＠１対の電極間のギャップに薄膜が ある場合の５ＰＥＲテノくイスを図示したものでちる。

第３図は、我々の発明のもう１つの実施ｆｌｌを図示したものであって、１対の 電極が薄膜の上部に自装置され、この薄膜が電極間のキャップを短絡する作用を １１なっているものである。

第４図は、我々の発明のもう１つ別の実施ｆｌｌを等角投影図法で示したもので あるが、ここて（まカソード電極の一部を液体金属としたものである。

第５図は、第４図の線５−５に沿った断面図である。

詳細な説明 金属蒸気中の８ＰＥＲレーザーをＣＷ丑た（ま〕＜Ｊレス作動に用いた装置が第 １図に示されている。電気的に絶縁性のある基板１２０の上に（ま多数の帯状電 極１０１〜１０６が、相隣接する電極の間にわず力・のギヤ゛ノフ。

（４） ができるように−列に配列されている。そして、この電極組立ては縦カラス管１ ２５および横カラス管１２６よシ構成されるパイレックス製の十字型ガスセルに 納められる。従来の使用法によれば、高圧電源１３０および低圧電源１３２がそ れぞれスイッチ１３４および１３６を介して第１（１０１）および最後（１０６ ）の電極の間に直列に接続されることになる。高圧電源は、通常、キャップの絶 縁を破壊するだめの高圧パル゛ス（例えばＫＶ）を発生するものであるが、これ は以下述べるごとく、５ＰＥ４デバイスの作動にはもはや不必要なものである。

絶縁破壊によって放電が始まった後は、低圧電源１３２が連続波またはパルス作 動に適した低電圧（例えば２ＤＶ、ＤＣ）の信号を供給する。

一般には数ミリ秒↓シ長い信号は、連続波作動に適している。約１秒以上の作動 に対しては、電極が過熱して溶融するのを防ぐため、いわゆる冷却手段（示して いない）を組込む必要がある。このような励起によって、各ギャップの間には電 極物質の蒸気による強力なプラズマが形成される。第１図の１４１〜１４５の領 域は、キャップから背影カスの中へ本質的に半球状に拡散した後のプラズマの形 状を示したものである。

各金属片の組成は、プラズマとして蒸発する物質（例えば単一の金属）のみであ る必要はない。カソードの端が、デバイスが作動するときに蒸発する物質とな（ ５） っていさえすれば十分てあり、アノードの端は非蒸発性の物質であってもかまわ ない。さらに、多色性とするだめに同一のデバイス内に異なった蒸発物質よシな る金属片を混在させることもできる。

２枚の誘電性球面鏡１５ｏおよび１５１は、レーザー放射用の共振器を形成し、 所要のレーザー波長で最大の反射率を有するようにコーティング加工されている 。図では、これらのミラーは窓フ２７および１２８のある縦管１２５の両端近く に取付けられる。この共振器の光軸１６０は電極列に平行であり、かつ僅かに上 方を通っている。この共振器の出力は、矢印１７０て示されているが、適当なフ ィルターによって適当な光電検知器（示されていない）上に集光される。

カス注入口１７０およびガス排出口１７２は、それぞれ横管１２６の両端にある 端板１２９および１６１に取り付けられている。連続波作動においては、ヘリウ ム等の背景カスは、ガス源（示されていない）から注入口１７０を経て供給され 、比較的速い速度で（５００ｄ／ｍ１ｎ）、電極？［１１１〜１０６を通過し、 排出口１７２に至り、そしてガスポンプ（示されていない）に到達する。パルス 動作の場合は、ガスは電極を通過する必要はない。連続波作動の場合は、ガスは 電極を通過する必要があるが、これはキャップ領域のアーク放電から離れたとこ ろにあるプラズマ中のイオンを除去し、（６）　待人昭５９−５０１４３０　（ ３）プラズマを冷却する作用を行なわせるためである。矢印１７４は、カス流の 方向（共振器軸１６０にχｊし横方向）を示しており、この流れによって電極が 冷却され、そのため連続波作動が可能となる。このため、カス流はできるたけキ ャップ近傍を通す必要がある。

この効果をさらに高めるために、各電極の間、つまりキャップ部分の基板１２０ に開孔１８ｏ（スロット）を設けるのが望捷しい。これによって、背景カスは基 板１２０の周辺を流れるのみならず、この開孔を通過し、電極とカスの間の冷却 作用を増大させることになる。

我々の発明に基づき、隣接する電極間を短絡する薄膜、例えは金属膜を少なくと も１枚設けることによって、アーク放電デバイスのキャップを絶縁破壊するだめ の高圧電源の必要性はなくなった。例えば、各膜は厚さ数ミクロン（＜ＩＯ／１ ｍ）であって、好適な場合電気抵抗はおよそ５Ωがら１０００Ωの範囲にあるが 、これは隣接する電極間のアークのタイナミック・インピーダンスよりも大きな 値である。典型的な例では、ギャップの幅は１〜６間であり、背景カスは５　’ ｌ’ＯｒｒノＨｅである。第２図に示されるごとく、薄膜２００は基板２２０上 の隣接する電極２０１および２［］２の間のキャップに形成される。この場合は 、各電極は基板に直接接触している。一方、第３図に示されるごとく、（７） 薄ｌ漢に工って基板を広範囲にわたっておおい、その上に電極２０１および２０ ２を分割して形成することもできる。

簿膜２００または２０４は、・既存の各種処理技術（すなわち蒸発、蒸着）のい ずれかを用いて形成することができる。さらに、第２図の実施例として、我々は 電極２０１から材料を蒸発させるため、（第１図の）高圧電源１３０から得られ る短時間の高電圧パルスを利用した。蒸発した物質は、薄膜２０（ｌとして付着 する。

なお、この高圧電源１６０は薄膜２００を形成することのみに用いられる点に注 意する必要がある。その後は、低圧電源１３２のみによってプラズマが形成され 作動が維持される。

以下の例は、説明のために示したものであシ、デバイスの諸元および作動条件は 、特にことわらないかぎシ、本発明の適用範囲を制限することを意味するもの本 例は、１対のＣｄ電極間のアーク放電を低電圧（約３０Ｖ）で開始するのに我々 の発明を応用した場合を示している。第２図に示すごとく、これらの電極２０１ および２０２は、長さ８．２ｍｍで、直径１０朋の半球状の棒よりなり、また約 １．５朋のギャップによって分離され、Ａｄ、０３製の基板２２０の上に取シ付 けら（８） れたものである。図には示されていないが、とれら２つの電極の対間する面はそ れぞれとがっている。背景カスは約５　Ｔｏｒ＋のＨｅであった。

電極２０１および２０２を短絡するような薄膜２００を作るため、電極間のアー ク放電用として、第１図の高圧電源１３０が用いられた。例えば、高圧電源は接 地コンデンサー３，５μＦおよび３００Ωの抵抗を経て電極２０１および２０２ に並列接続のスパーク・ギャップに１　（ＪＫＶを供給した。電源７３０がらの 電流パルスによって、電極２０１および２０２がらＣｄが蒸発された。蒸発した Ｃｄは、大部分が基板２２０の表面上の電極２０１および２０２の間の薄膜とし て付着した。このＣｄ膜は、Ｃｄ電極２［］１および２０２と電気的に接触して いた。

典型的な場合として５〜２ｏ個の電流パルスを加えた後、高圧電源ｉｓｏが取り はずされ（スイッチ１３４を開とした）、そして低圧直流電源１３２のみを用い て出力電圧約３０Ｖを１　ｍ　Ｓｅｃ印加するのみによってアーク放電を形成す ることができた。

これらは５　ｔｏｒｒのＨｅガス中で観測したものであるが、同様の低電圧での 絶縁破壊が０．２５〜８０　Ｔｏｒｒの圧力範囲で発生した。電極２０１および ２０２間のギャップの低電圧絶縁破壊は、Ｃｄ膜２００の特性によって異なる。

絶縁破壊は、電極間の抵抗が電源を断と（９） したとき、約５〜１０００Ωとなるときに起ることが観測された。

電極２０１および２０２間のギャップにおける低電圧絶縁破壊は、理論的には次 のような機構によって起ると考えられる。先ず、約３０Ｖの低電圧パルスを印加 すると、電極間のｃａ膜２ｏｏに電流が流れ、これによって電極２０１および２ ０２間に電位差が生ずる。

Ｃａ１Ｊは比較的薄い（≦１０μｍ）ので、ジュール熱によって急激にＣｄ蒸気 および電子が発生し、その結果、電極間にｃｄイオンと電子が生ずることになる 。

この種子が電極間の電流の増加分を導くフィラメントの役目をする。この電流の 増加分によって薄膜がさらに加熱され、そのためフィラメントの導電率が上り、 フィラメントのインピーダンスがＣｄ膜２００よシも低い値となる。これによっ て大多数の電流がフィラメントによって導かれることになシ、そしてアーク放電 として観測されることになる。

アーク放電が形成される最低の電圧は、キャップの幅および電極材料に依存する と考えられる。１〜３　ａｍのギャップおよびＣｄ電極においては、最低電圧と して２０〜２５Ｖが必要であるが、これは実験値２３〜２５Ｖとよく一致する。

例　■。

本例は、１．４３３μｍで作動するパルス型Ｃｄ　５ＰＥＲレーザーに関するも のである。アーク放電開始用として、例■て説明したものと同じ３０ｖトランジ スタ電池が用いられた。Ｃｄのプラズマが圧力約２〜５　Ｔｏｒ＋の背景ガス中 に拡散し、再結合することによって、Ｃｄプラズマに反転分布が生じた。レーザ ー作用は入力電流パルスの減衰期間中に発生した。

この５ＰＥＲレーザーは、形態としては、第１図の５ＰＥＲデバイスの６つの電 極の代シに（第２図に示される型の）２つの電極が用いられた。さらに、パルス 作動のみが用いられたため、Ｈｅの縦方同の流れ１７４は不必要であった。この 実験では、３０Ｖトランジスタ電池が１にΩの抵抗を介して５００μＦのコンデ ンサーを充電するのに用いられた。充電されたコンデンサーは、前述のとおシ、 電極２０１および２０２の間のギャップをとおして放電された。その結果、電極 間には、ピーク電流約２５Ａ、　１イ減衰約２５０μＳｅｃのアークが形成され た。レーサー作用は、この入力電流パルスの減衰段階において、拡散するプラズ マが十分に冷却した後に発生した。レーサーパルスの持続時間は約２００μｓｅ ｃであった。

レーザー作用はＨｅの圧力が１５〜１０　Ｔｏｒｒの範囲において観測され、最 適値は、共振器の軸１６０とアーク放電との距離によって異なった。ピーク出力 は１ｍＷ以下であるが、０．１　ｍ　Ｗ以上はあるものと推測さく１１） れだ。出力を最大にするような手段はとられな７５）つた。

殆んど同しような実験において異なる作動圧力、アークおよび共振器軸間の距離 Ａのもとて入力端子は２２．５Ｖ座で低下された。例えばこの低電圧作動はｄ− １０戚で圧力２．５Ｔｏｒｒで、またａ　＝　７．５　ｍで圧力３．５　Ｔｏｒ ｒで実施された。

例　■。

本実、験では、牙２図に示す型のＳ　、Ｐ　Ｂ　Ｒデノ（イスについて接触抵抗 および薄膜抵抗を測定した。ｆｌＪ　Ｉに示したごとく、電極および薄膜のいず れもｃｄであった。

我々はアノード電極２０２および薄膜２００の間には接触抵抗を認めなかったが 、カソード電極２０１および薄膜２００の間には６，５Ωの接触１氏洸のあるこ とを本実験では、我々はガラス基板上に長さ０゜７５　ｉｎ、幅３雇、厚さ１ｍ のＣｄ電極３個を取付けたものを用いた。これらの電極（，１１ｍのギヤ゛ノブ によって分離され／こ２つのギヤノブを形成していた。８０ｖ直流電源から０． ６秒の電流！＜ルスが５０発印カロされた後、ギャップ内に艮好なｉ！膜が形成 された。すなわち、我々は４５　Ｖ電池を用いてギヤ゛ノブ間にアーク放電を成 牛ずることができたのである。Ｓ　Ｐ　Ｅ　Ｒデノ〜イスの抵抗は第１およびオ ６の電極間で測定したところ２．５０であ（１２） つた。

第１および第３の電極に対するコンタクトはこれらの電極と基板との間にあるア ルミニウム箔によって作本例では、我々は第３図に示されるようなガラス基板２ ２０上にＣｄ膜２０４を塗膜した。この膜２０４の上にｃｄ　電極２０１および ２０２を形成１７た。しかしながら、実際の実験では薄膜２０４は両電極の下に 完全に拡がることはなかった。むしろ薄膜２０４は各電極の下面の一部に拡がっ てｐシ、カソード電極２０１の下の接触面が７ノード電極２０２の下の接触面よ シも広くなっていた。Ｃｄ膜２０４の薄膜抵抗は約１０Ωであり、また厚きは約 １μｍ以下であった。電源がオフのときの電極間抵抗は約１５０であった。この ＳＰＥ几デバイスは、前述の３０Ｖ電池からの単一パルスによって電極間にプラ ズマ・アーク放電を発生する本実験はカソード電極２０１がＡ、ｌ製であシ、ア ノード電極がＣｉｄ製であること以外は、前述の例■に同じである。薄膜２０４ はここでもＣｄとした。この５ＰＥＲデバイスは、４０Ｖ直流電源からの電圧パ ルスを印加することによってプラズママークが生じだ。こ（１６） のプラズマはＡｌイオンおよびＣｄイオンの混合であ本実験はＣｄ　電極の間の ギャップを１Ｍとする代りに１ｃｒｒＬと］、た以外は、例Ｖと同じであった。

ＳＯＶ以上の直流を印卯することによって、各電極の近傍に１つずつ２つのＣｄ プラズマが成牛した。

例　糧。

本実験は長さ２５ｍ、幅６頭、厚さ１ｗＲの２つのｋｌ電極が第２図に示すごと くガラス基板上に１Ｎのギャップを隔てて載せられている以外は例Ｉで説明した ものと同じである。Ａ［の薄膜２００は、例Ｉで述べたごとく高圧電源１６０（ 第１図）からの１秒のｌ＜　／Ｌスを約１０個印加す乙ことによって形成された 。その後はこのＳＰＥ几デバイスは７５Ｖ直流電源によってアーク放電を開始す ることができた。

例　■。

本実験はガラス基板上にＱｄ　−１（ｇ複合カソードおよびｃｄアノードを載せ 、／ｊ　Ｓ　Ｐ　Ｅ　Ｒデノ（イスによる低電圧アーク放電の成牛について説明 するものでちる。第４図および第５図に示すごとく、ガラス基板６０２の上にガ ラスブロック６２２が載せられた。ブロック６２２はカソード電極６２６をはめ 込めるよう溝３２４−亥１ｊまれていた。カソード電極３２６の一部にはステッ プ（１４）ｉ８１１ｕ５９−５０１４３０（５）６２８が付いておシ、これによ ってカソード６２６が溝６２４の中に取付けられたときにステップ６２８が液体 水銀の入る凹部３３０を形成するようになっていた（液体をとじ込めるだめの別 の方法として、例えばカソード電極６２６の中に井戸を堀ることも勿論可能であ る。）。アノード電極３６２はガラスブロック３２２の上にカソード電極６２６ と軸を合せ、かつ四部３３０と僅かに離して取付けられた。

５ＰＥＲデバイスは四部６３０に水銀を入れる前に、カソードおよびアノード間 のガラスブロック６ろ２の垂直面および水平面、すなわち溝６２４に最も近いブ ロック６６２の角部にＣｄの薄膜６６４を付着させるように例Ｉで述べたと同じ ように処理された。薄膜６３４によって凹部に液体水銀を入れない状態でも低電 圧を電極間に印加してプラズマアーク放電を形成することができた。次に凹部６ ６０に液体水銀が溜められると、Ｃｄ　カソード電極３２６とＣｄ薄膜６３４が 接触するが、Ｃｄ　アノード電極３３２とは接触しない状態となる。この形態を ３ＴｏｒｒのＨｅ　の背景ガス中で用いることによって２２．５Ｖ電池によって プラズマアーク放電が開始され、維持することができた。このプラズマは主とし てＨｇ蒸気によるものであシ、主に波長２５６７Ａの紫外線放射を発生した。こ の作用は僅か数パルスしか再現しなかったが、直流電源（例えば１　＋ｎ　Ｓｅ ｃ、　３０（１５） ■パルス）あるいは２２．５Ｖ電池を２つ直列接続したものによる再処理によっ て再現することができた。

この型の作動の後、我々は　カソード電極３２６はＨｇで完全におおわれ容易に はぎ落せないようになることを発見した。

例　Ｘ。

直径約１０頭および長さ約４．５ｉｎ　の密閉した石英管の底部に水銀を満たし 、址だその他は約１０　Ｔｏｒｒの水銀蒸気によって満たされていた。値径１ｗ ｌのタングステン線が管底を通過して水銀だめに入り、これが負電極の役目をは たした。管上部から延びた銅片が正電極となった。帯状の石英片が底部の水銀だ めにのびていた。高電圧のアークによって石英片は水銀によってコーテングされ 、このため我々の発明に基づく銅片および水銀だめの間のギャップを短絡するよ うな水銀の薄膜が形成された。

アーク放電を成！」τ、維持するため銅片およびタングステン線の１４４ｊに１ ２　ＶＪ）Ｃ，６Ａが印加され、これによつ線放射が生じた。高圧の水銀圧力の ため、紫外線放射は再結合よりもむしろ主として電子衝突励起によって発生した ものである。

ＦＩＧ、　ｌ’ ＦＩＧ、４ 国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．　二つの分離した帯状片（２ｏ１，２０２）からなり、それらの間のキャッ プが放電路を形成して放射を発生する励起手段と；前１己帯状片の間に電気信号 を印加する手段とを含み； 前記電気信号印加の結果、前記帯状片の一部が前記放射を生成するイオンのプラ ズマに変換される物質で製作されているようなアーク放電光源において、薄１（ ２ｏｏ）が前記ギャップを短絡し、これによって前記プラズマを開始するに必要 な前記信号の電圧を低減することを特徴とするアーク放電光源。 ２、請求の範囲第１項の光源において、さらに前記帯状片を載せた電気的絶縁基 板（２２０）を治し、前記薄膜が前記基板上に形成され、前記二つの帯状片の一 部の下にある光源。 ３８　請求の範囲第１項の光源において、さらに前記帯状片が載せられた電気的 絶縁基板（２２０）を有し、前記薄膜が前記ギャップ内に形成され、前記の各帯 状片と接触する光源。 ４、請求の範囲第１．第２及びオ６の光源において、前記薄膜が単一の金属層よ シなる光源。 ５、　請求の範囲第４項の光源において、前記薄膜が厚き≦１０μｍである光源 。 ６、　請求の範囲オ６項の光源において、前記帯状片（３２６）の１つが凹部（ ３３０）を有し、前記凹部に液体金属が満され、前記プラズマが前記液体金属の イオンからなるよう前記簿膜（３３４）が前記液体金属および前記帯状片の他方 （３３２）に接触している光源。 Ｚ　請求の範囲オ６項の光源において、前記基板（３２２，）が内部壁のある溝 を有し、前記の一方の帯状片が前記溝に導入されるよう加工され、また一端にス テップ（３２８）を有し、前記の一方の帯状片が前記溝に挿入されたとき内部壁 とともに前記凹みを形成し、 前記の他方の帯状片が前記凹部に隣接する前記基板上に取付けられ、 前記薄膜が前記帯状片を接続し少なくとも前記内部壁の上に形成される光源。 （１）