JPH03139890A - Ｘ線予備電離パルスレーザー装置 - 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】 ［発明の目的Ｊ （産業上の利用分野） この発明は、エキシマレーザ−、ハロゲンガスレーザー
、ＴＥＡＣＯ２レーザー、金属蒸気レーザーなど、レー
ザー媒質をパルス放電により励起し、共振器を用いてレ
ーザー発振を行うパルスレーザ−装置に関する。

（従来の技術） レーザーガスを励起してパルスレーザ−発振を行うレー
ザー装置としてエキシマレーザ−、ハロゲンガスレーザ
ー、ＴＥＡＣＯ２レーザー、金属蒸気レーザーなどがあ
る。

これらは電子線励起の大出力のものを除けば、放電励起
のものが一般的である。

第６図に従来の放電励起パルスレーザ−回路の一例を示
す。

これは、レーザーガス中に対向して置かれた２つの主電
極１０１．１０３にパルス電圧を加えることによりパル
ス放電を行うようになっている。

このパルス放電を安定に行わせるために予め予５ｉＩｌ
ｉ電による予備電離を行うのが普通であり、普通の予備
電離は電極近傍に設置された複数のスパークギャップ１
０５のアーク放電から発生づる紫外線によって行われる
。

そしてこの第６図ぐはこの予備放電を別のパルス回路で
行うよ−うになっている。

なお、図中、１０７はコンデンサ、１０９はスイッチン
グ素子、１１１は充電用抵抗、１１３はインダクタンス
である。

この予備放電と主放電とのタイミングは、主放電を予備
数°七よりも数１０ｎｓ〜数１００　ｎ５ｉｌｉらせて
行われる。

第７図はこの予備放電と主放電を、１つの回路で行わせ
るようにしたもので、自動予備電離型と呼称されるもの
である。

この動作の大略を説明すると、スイッチング素子（サイ
ラトロン）１０９を短絡することにより予め充電された
コンデンサ１０７からスパークギャップ１０５を通して
電流が流れ、コンデンサ１１４に充電される。

このとき予備電離が行われてコンデンサ１０７が充分に
充電されたところで２つの主電極１０１゜１０３の間で
放電が発生し、レーザー発振が行われる。

また、従来の方式では、主放電回路に必要とされるスイ
ッチング素子は、立上りが１Ｑｎｓ〜１０Ｑｎｓと非常
に速く、ピーク電流も数ＫＡ〜数１０ＫＡと非常に大き
なものであり、高速で大電流の流せるものが必要とされ
ている。

このスイッチング素子には現在はサイラトロンが用いら
れているが大変高価なものになってしまっていた。

また、このサイラトロンは寿命が短いと云う欠点があり
信頼性の低いものとなっていた。

このような欠点を解決する１つのアイデアとして主放電
回路にスイッチング素子を用いずに、放電部そのものを
スイッチング素子として利用しようとする考えがある。

即ち、陽極・陰極間に高電圧に加えておき、放電部の予
備電離を行うことにより放電部にプラズマを発生させ、
放電を起こすものである。

この予備電離には紫外線予備電離が用いられたが、予備
電離があまり強力ではなく、また、空間的−様性が悪い
ため放電が不安定になり易く実用には到っていない。

また、予備電離源にＸ線を用いると、より強力で空間的
−様性の良い予備電離を行うことができ、大出力の高効
率で高い繰返しのパルスレーザ−が実現できる。

しかし、このＸ線源は、電界放出型カソードやホットカ
ソードを用いており、高電圧に耐えるスイッチング素子
を必要とする。

電界放出型のカソードを用いた従来例を第８図に示づ。

この従来例を説明すると、陰極である主電極１１５の背
面に設けられた真空気密室１１７の内部に電界放出型カ
ソード１１９およびタンタル等のＳ膜で作られたｘｉ発
生用陽極１２１を配置しておぎ、予めコンデンサ１２３
を充電しておいて高耐圧のスイッチング素子（サイラト
ロン）１２５を短絡することにより、主電極（陰極）１
１５、主電極（陽極〉１２７間に高電圧が発生する。そ
して、主電極１１５から電子１２９が放出され、主電極
１２７に向って加速され、この主電極１２７に衝突させ
たときに発生する制動放射によるＸ線を、チタン等の薄
膜で作られた隔膜１３１を通して放電部Ｍに取出してい
る。

このときコンデンサ１２３に加えられる電圧は数１０Ｋ
Ｖ〜２００ＫＶと高圧となるため、スイッチング素子１
２５には高電圧に耐えるものが必要となり、非常に高価
で耐久性は小ざく信頼性も低いものとなる。

なお、第８図において、符号１３３．１３５はインダク
タンス、符号１３７はダイオード、符号１３９はスイッ
チング素子、符号１４１はコンデンサである。

（発明が解決しようとする課題） 以上のように従来のパルスレーザ−装置において、主放
電回路に必要とされるスイッチング素子は、高速で大電
流を流せるものが必要とされているが、このスイッチン
グ素子には現在はサイラトロンが用いられ極めて高価で
あり、寿命は短く信頼性も低いものである。

主放電回路にスイッチング素子を用いずに放電部そのも
のをスイッチング素子として利用しようとする考えがあ
ったが予備電離があまり強力ではなく、また、空間的−
様性が悪いため放電が不安定になり易く実用には到って
いない。

予備電離源にＸ線を用いると大出力、高効率で高繰返し
のパルスレーザ−が実現できる・。

しかし、この場合も従来のＸｌｉｌ発生部に用いられる
スイッチング素子は高電圧に耐えるものが必要であって
、従来では非常に高価で寿命は短く信頼性も低いもので
あった。

この発明は、以上の問題点を解決して小型で簡単な構成
で安価であって信頼性の高いＸ線予備電離パルスレーザ
−装置を提供することを目的としている。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 第１の発明に係るＸ線予備電離パルスレーザ−装置は、
レーザー管内に対向設置された一対の主電極の間でパル
ス放電を行うことによりレーザー媒質を励起してレーザ
ー発撮を行うパルスレーザ−装置において、前記一対の
主電極によって形成される主放電部に主放電用コンデン
サを並列に接続し、発生するＸ線を前記主放電部に照射
してプラズマを生成することにより前記主電極間にパル
ス放電を発生させるＸ線発生部を設けたことを特徴とす
る。

また、この発明では、前記Ｘ線発生部は真空気密室を有
し、この真空気密室内に沿面放電部が配置され、この沿
面放電部に直列にスイッチング素子と沿面放電用コンデ
ンサとが接続されており、沿面放電用コンデンサに充電
を行った後にスイツヂング素子を導通させて沿面放電部
に沿面放電を起こさせることによりＸ線を発生させるも
のであることを特徴とする。

第２の発明は、レーザー管内に対向配置された対の主電
極の間でパルス放電を行うことによりレーザー媒質を励
起してレーザー発振を行うパルスレーザ−装置において
、前記一対の主電極によって形成される主放電部にＸＩ
！ｉ１を照射して予備電離を行なうＸｗＡＲ生部を設け
、このＸ線発生部は真空気密室を有し、この真空気密室
内に沿面放電部を設け、この沿面放電部に一対の沿面放
電電極を設け、前記沿面放電部に対向して配置されたＸ
線発生用陽極を前記真空気密室内に設け、このＸ線発生
用陽極と前記沿面放電電極の一方との間にコンデンサと
沿面放電用コンデンサとを直列に接続し、この両コンデ
ンサ間と他りの沿面放電電極との間にスイッチング素子
を接続し、前記両コンデンサ間の点と他方の沿面放電電
極との間のインダクタンスが沿面放雷部と沿面放電用コ
ンデンサ、スイッチング素子を配置するか、インダクタ
ンスを接続し、前記両コンデンサ間の点に対し両コンデ
ンサの反対側が正の電位となるようにこれら２つのコン
デンサに充電した後、スイッチング素子を導通させて沿
面放電用コンデンサを放電して放電部に沿面放電を起こ
させることによりプラズマを生成すると共に沿面放電用
コンデンサの電位を反転させ、コンデンサと沿面用コン
デンサによりプラズマ中の電子を加速してＸＩＩ発生用
陽極に衝突させることによりＸ線を発生させることを特
徴とする。

さらにこの発明は、前記一対の主電極に主放電用コンデ
ンサを並列に接続し、この主放電用コンデンサに充電を
行った後に前記Ｘ線発生装置により発生したＸ線を主放
電部に照射してプラズマを生成することにより主電極間
にパルス放電を発生させるようにしたことを特徴とする
。

そして、前記沿面放電部は、基板材質としてフェライト
又はセラミックス又はその他の金属酸化物もしくはこれ
らの複合体を用い、その表面の部を急加熱、急冷却して
アモルファス化することにより表面上に放電チャンネル
を形成することを特徴とする。

（作用） 第１の発明では主放電部に並列に接続された主放電用コ
ンデンサに充電を行った後に、Ｘ線発生部によりＸ線を
発生させ、このＸ線を主放電部に照射して放電部にプラ
ズマを生成することにより主電極間で主放電を行ってレ
ーザー媒質を励起し、共振器を用いてレーザー発振を行
う。

また、このＸ線発生部としては主電極の背面または主放
電部の近傍に真空気密室を設け、この真空気密室内部に
沿面放電部を配置し沿面放電を起こさせることによりＸ
線を発生させる。

このときスイッチング素子としては沿面放電を起こさせ
るための低電流で比較的立上りの遅いものを使用するこ
とができる。

特にこの発明によれば、主放電回路にスイッチング素子
を用いずに沿面１１ｉ主部そのものをスイッチング素子
として利用するものであり、予備電離源としてＸ線を用
いることにより強力で空間的−様性の良い予備電離が行
われる。

また、第２の発明ではＸ線発生部の回路構成として、コ
ンデンサと沿面放電用コンデンサとが直列に接続され、
この両コンデンサ間がスイッチング素子とインダクタン
スとを通して沿面放電部の一方の沿面放電電極に接続さ
れており、沿面放電用コンデンサの前記接続点反対側が
沿面放電電極に接続され、コンデンサの他端はＸ線発生
用陽極に接続されている。

コンデンサと沿面放電用コンデンサの両者間の点の反対
側がそれぞれ前記点に対し正の電位となるように充電を
行った後、スイッチング素子を導通させて沿面放電用コ
ンデンサを放電させ、沿面放電部に放電を起こさせるこ
とによりプラズマを生成すると共に沿面放電用コンデン
サの電圧を反転させ、これら双方のコンデンサによって
発生する電界によりそのプラズマ中の電子を加速し陽極
に衝突させることによりＸ線を発生させる。

スイッチング素子としては、沿面放電を起こさせるため
に低電圧で比較的立上りの遅いものを使用することがで
きる。

（実施例） 次にこの発明の実施例を図にもとづいて説明する。

第１の発明の実施例の要部断面を含む回路図を第１図に
、主電極とＸ線を発生する沿面放電用電極との関係を承
りだめの第１図の側断面図を、第２図に示す。

この実施例は予備電ｌ１ｍ１源としてＸ線を用い、沿面
放電部そのものを主放電回路のスイッチング素子として
利用（るもので、１は主放電用コンデンサ、３は沿面放
電用コンデンサ、５と７は主放電部Ｍを形成する一対の
主電極であって、５は陰極、７は陽極、９は沿面放電部
ｍを構成するフェライト等の基盤、１１．１３は沿面放
電電極で沿面放電によりＸ線を発生ηるＸ線発生部１５
が形成され、１７は隔膜、１９は放電ヂャンネル、２１
は真空気密室、２３はサイラトロン、半導体素子などの
スイッチング素子、２５はダイオード、２７゜２９は充
電用インダクタンスである。

主電極５．７はレーザー管にの中にて対向設置され、主
電極５の背後で真空気密室２１内の基盤９に取付けられ
た沿面放電電極１１を中心に第２図のように長平方向に
離間して両側に沿面放電電極１３を対向させて設けてい
る。従って、本来なら第１図では放電電池１１．１３は
重なってしまうが説明の便宜のため、沿面放電電極１３
を、同電極１１に対して左へ少しずらして示した。但し
、実際上、多少ずれていてもざしつかえないものである
。

基５１ｉｉ９はフェライトの他、セラミックス又はその
他の金［１化物もしくはこれらの複合体を用いている。

また、予め基盤９の表面の一部を放電等により２加熱、
急冷却してアモルファス化し、表面抵抗を小さくし放電
の通り易い沿面放電部ｍとして放電チャンネル１９を形
成している。但し、この表面処理を省くこともできる。

隔膜１７はＸ線を透過するようなチタンやアルミ等の薄
膜で形成された真空気密室２１の隔壁を構成している。

次にその作用を説明づる。

主放電用コンデンサ１と沿面放電用コンデンサ３をあら
かじめ１０〜数１０ＫＶの高電圧に充電しておき、スイ
ッチング素子２３を閉じることにより真空気密室２１内
の基盤９の表面で沿面放電用コンデンサ３を放電するこ
とにより沿面放電を発生させ、この沿面放電は真空中で
はＸ線を発生づる。

第２図では沿面放電は主電極５の長平方向に平行に中心
から左右両側にイれぞれ発生する。

ここぐ発生したＸ線は、主電極５の隔膜１７を透過して
主放電部Ｍ（主放電領域）に照射され、主放電部Ｍの予
備電離、即ち、プラズマを発生ずる。

この結果、主放電部Ｍのインピーダンスは低下し、主放
電用コンデンサ１は主電極５，７間で放電を行い、レー
ザーガスを励起して矢線りの方向にレーザー光を発射し
、レーザー発振を行う。

このＸ線発生部１５は、両方の主電極５．７の背後にあ
っても良く、或いは主電極５．７のどちらか一方の背後
にあっても良い。

また、主電極５．７の近くに真空気密室２１に入れたＸ
線発生部１５を配置しても良い。

このように、この実施例では、主放電回路にスイッチン
グ素子を用いずに沿面放電部そのものを主放電回路のス
イッチング素子として利用することにより、スイッチン
グ素子２３としては、沿面放電を起こさせるためだけの
低電圧で比較的立上りの遅いものを使用することができ
る。

なお、前記各コンデンサ１．３への充電には、共振充電
やインバーター回路による充電方式などを用いることが
できる。

Ｘ線源としては普通の他のｘｉ＃ＩＡを用いてもよい。

次に、第３図に第２の発明の実施例の要部断面を含む回
路図を示す。

この実施例はＸａ発生部１５の回路構成に特徴を有する
もので、沿面放電部ｍを構成している基盤９の中心およ
び左右両端にそれぞれ２つの沿面放電電極１１．１３が
接続され、この沿面放電電極１１．１３に対向してタン
タル等の隔膜で形成されたＸ線発生用陽極３５が配置さ
れている。

また、このＸ線発生用陽極３５の外側に、真空気密室２
１と主放電部Ｍとの隔膜１７が設置されている。

そして、コンデンサ３１と沿面放電用コンデンサ３とが
Ｘ線発生用陽極３５と沿面放電電極１１との間に直列に
接続されている。すなわち、両コンデンサ３１．３間の
点をＡ、両側の点をＢ、Ｃとすると、Ｂ点がＸ線発生用
陽極３５に、０点が沿面放電電極１１にそれぞれ接続さ
れており、Ａ点と沿面放電電極１３との間にスイッチン
グ素子２３（例えばサイラトロン）が接続されている。

さらに、沿面放電部ｍと沿面１１１電用コンデンサ３と
スイッチング素子２３とで形成される回路がＩｉ動型の
放電となり、かつ、Ａ点と沿面放Ｎ電極１３との間のイ
ンダクタンスが沿面放電部ｍと沿面放電用コンデンサ３
とスイッチング索子２３とで構成される回路インダクタ
ンスの大半を占めるように設定される。

これは、沿面放電部ｌと沿面放電用コンデンサ３とスイ
ッチング素子２３の実際の配置のしかたにより、或いは
、Ａ点と沿面放電電極１３との間に第３図のようにイン
ダクタンス３７を接続したりすることにより実現される
。

そして、Ｂ点と０点がＡ点に対し正の電位となるように
共振充電やインバーター電源により、コンデンサ３１と
沿面放電用コンデンサ３に充電した後、スイッチング索
子２３を導通させて沿面放電用コンデンサ３を放電して
沿面放電部ｍに沿って沿面放電を起こさせると、沿面放
電回路にプラズマが生成されると共に振動型のＩＩｉ電
により沿面放電用コンデンサ３の電圧が反転づる。

そして、Ａ点と沿面放電電極１３との間のインダクタン
スが沿面放電回路の回路インダクタンスの大半を占める
ように設定しであるため、沿面数゛市雷極１１，１３は
共に負の高電位となり、沿面放電部ｍ全体とＸ線発生用
陽極３５との間には、コンデンサ３１と沿面放電用コン
デンサ３とによって発生する電圧、即ち最初の充Ｎ電圧
の約２倍の電圧が加わる。

その電界により沿面放電部ｌで発生したプラズマ中の電
子３９が加速され、Ｘ線発生用陽極３５に衝突すること
により制動放射によるＸ線を発生する。このＸ線は真空
気密室２１と主放電部Ｍとの隔ｙ！１７を透過して主放
電部Ｍに照射され予備電離を行う。従って、Ｘ線発生用
スイッチング素子としては沿面放電を起させるための低
電圧で比較的立上がりの遅いスイッチング素子を使用す
るのみでよい。

この後、数１０〜数１００ｎＳ後に主放電回路のスイッ
チング素子４２（第３図の実施例ではサイラトロン）を
閉じることにより主電極５．７ｆｆｆｉにパルス放電が
発生してレーザー発振が行われる。

主放電用コンデンサ４１は、主放電部Ｍに並列に接続さ
れている。

符号４３はダイオード、符号４５はインダクタンスであ
る。

第４図は第２の発明の第２実施例であり、電子を衝突さ
せるＸ線発生用陽極４７として隔膜の代わりにモリブデ
ンやタングステン等の金属ブロックを用いた場合の例で
ある。

沿面放電部…から引き出された電子３９が金属ブロック
で作られたＸ線発生用電極４７に衝突しＸ線を放出する
。

このＸ線は隔膜１７を通して放電部Ｍに照射され、予備
電離を行う。

他の動作は前記第３図の場合と同様である。

符号４９はインダクタンスである。

第５図は第２の発明の第３実施例を示し、主放電回路に
高速で大電流を流す必要のあるスイッチング索子を用い
ずに主放電部Ｍぞのものをスイッチング素子として利用
しようとづるものである。

Ｘ線発生部１５を予ｌ電Ｍ装置として用いることにより
強力で空間的な一様性の良い予備電離が実現されるため
主放電回路にスイッチング素子を用いなくても安定で発
振効率の高い放電が実現できる。

以下動作を説明する。

予めコンデンサ３１、沿面放電用コンデンサ３、主放電
用コンデンサ４１に充電しておぎ、Ｘ線を発生ずる。

Ｘ線発生部１５の動作は前記第３図の実施例の場合と同
様である。

ここで発生したＸ線は隔膜１７を透過して主放電部Ｍに
照射され、主放電部Ｍの予備電離即ちプラズマを発生す
る。

この結果、主放電部Ｍのインピーダンスが低下し、主放
電用コンデンサ４１は主電極５．７間で放電を行い、レ
ーザーガスを励起してレーザー発振を行う。

この方式を採用することにより、レーザーシステム全体
として、スイッチング素子は沿面放電を起こさせるだめ
の低電圧、低電流で比較的立上りの遅いものを使用する
のみで良い。

以上の各実施例における回路構成について、これらの実
施例で示した以外に同じ効果をもつ回路構成が考えられ
、この発明はその趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して
実施することができる。

［発明の効果］ 以上述べたようにこの発明を用いることにより、簡単な
回路構成で十分な予備電離を行うことができ、スイッチ
ング素子としては低電流、低電圧で比較的立上りの遅い
ものを使用づることができ、安価でレーザー発振効率の
高い大出力の予備電離パルスレーザ−装置が実現された
。

【図面の簡単な説明】

第１図、第３図、第４図、第５図はこの発明のそれぞれ
の実施例におけるＸ線予備電離パルスレーザ−装置の要
部断面を含む回路構成図、第２図は第１図における沿面
放電部の側断面図、第６図〜第８図は従来例の回路構成
図である。 １．４１・・・主放電用コンデンサ ３・・・沿面放電用コンデンサ ５．７・・・主電極　　　　９・・・基盤１１．１３・
・・沿面放電電極 １５・・・ＸＩｆＡ発生部　　　１７・・・隔膜１９・
・・放電チャンネル　２１・・・真空気密室２３．４２
・・・スイッチング素子 ２５．４３・・・ダイオード ２７．２９・・・充電用インダクタンス３１・・・コン
デンサ　　　３５・・・Ｘ線発生用陽極３７．４５・・
・インダクタンス

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザー管内に対向設置された一対の主電極の間
   でパルス放電を行うことによりレーザー媒質を励起して
   レーザー発振を行うパルスレーザー装置において、前記
   一対の主電極によつて形成される主放電部に主放電用コ
   ンデンサを並列に接続し、発生するＸ線を前記主放電部
   に照射してプラズマを生成することにより前記主電極間
   にパルス放電を発生させるＸ線発生部を設けたことを特
   徴とするＸ線予備電離パルスレーザー装置。
2. （２）前記Ｘ線発生部は真空気密室を有し、この真空気
   密室内に沿面放電部が配置され、この沿面放電部に直列
   にスイッチング素子と沿面放電用コンデンサとが接続さ
   れており、沿面放電用コンデンサに充電を行つた後にス
   イッチング素子を導通させて沿面放電部に沿面放電を起
   こさせることによりＸ線を発生させるものであることを
   特徴とする請求項１記載のＸ線予備電離パルスレーザー
   装置。
3. （３）レーザー管内に対向配置された一対の主電極の間
   でパルス放電を行うことによりレーザー媒質を励起して
   レーザー発振を行うパルスレーザー装置において、前記
   一対の主電極によって形成される主放電部にＸ線を照射
   して予備電離を行なうＸ線発生部を設け、このＸ線発生
   部は真空気密室を有し、この真空気密室内に沿面放電部
   を設け、この沿面放電部に一対の沿面放電電極を設け、
   前記沿面放電部に対向して配置されたＸ線発生用陽極を
   前記真空気密室内に設け、このＸ線発生用陽極と前記沿
   面放電電極の一方との間にコンデンサと沿面放電用コン
   デンサとを直列に接続し、この両コンデンサ間と他方の
   沿面放電電極との間にスイッチング素子を接続し、前記
   両コンデンサ間の点と他方の沿面放電電極との間のイン
   ダクタンスが沿面放電部と沿面放電用コンデンサとスイ
   ッチング素子とで作られる回路インダクタンスの大半を
   占めるように沿面放電部、沿面放電用コンデンサ、スイ
   ッチング素子を配置するか、インダクタンスを接続し、
   前記両コンデンサ間の点に対し両コンデンサの反対側が
   正の電位となるようにこれら２つのコンデンサに充電し
   た後、スイッチング素子を導通させて沿面放電用コンデ
   ンサを放電して放電部に沿面放電を起こさせることによ
   りプラズマを生成すると共に沿面放電用コンデンサの電
   位を反転させ、コンデンサと沿面用コンデンサによりプ
   ラズマ中の電子を加速してＸ線発生用陽極に衝突させる
   ことによりＸ線を発生させることを特徴とするＸ線予備
   電離パルスレーザー装置。
4. （４）前記一対の主電極に主放電用コンデンサを並列に
   接続し、この主放電用コンデンサに充電を行つた後に前
   記Ｘ線発生装置により発生したＸ線を主放電部に照射し
   てプラズマを生成することにより主電極間にパルス放電
   を発生させるようにしたことを特徴とする請求項３記載
   のＸ線予備電離パルスレーザー装置。
5. （５）前記沿面放電部は、基板材質としてフェライト又
   はセラミックス又はその他の金属酸化物もしくはこれら
   の複合体を用い、その表面の一部を急加熱、急冷却しア
   モルファス化することにより表面上に放電チャンネルを
   形成したものであることを特徴とする請求項１、２、３
   又は４記載のＸ線予備電離パルスレーザー装置。