JPH0671108B2 - Laser device utilizing magnetically enhanced discharge - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の背景） 本発明の背景を２部に分けて説明する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Background of the Invention The background of the present invention will be described in two parts.

（発明の分野） 本発明は気中放電発生装置に係るものであり、更に詳し
くいえばレーザー増巾部として使用する新規な気中放電
構造体に係るものである。FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to an aerial discharge generator, and more particularly to a novel aerial discharge structure used as a laser broadening section.

（先行技術の説明） 気中放電を安定に維持するという問題により、又はレー
ザーキャビティに均一に気中放電を充満させるという問
題によりガスレーザーの設計は厳しい制限をうける。例
えば、トランスバースフロー又は横流式炭酸ガスレーザ
ーは、グロー放電からアークに放電が変化する「アーク
アウト」問題をしばしば呈する。又、放電は円筒管を一
様に満たすことはできても、他の形状の管を満たすこと
はできない。更に、高圧でパルスモードで動作するレー
ザーは、均一な放電を生ぜしめるため特別にガスをあら
かじめ電離しておかなければならないことがしばしばあ
る。DESCRIPTION OF THE PRIOR ART Gas laser designs are severely limited by the problems of maintaining a stable air discharge or by uniformly filling the laser cavity with a gas discharge. For example, transverse flow or cross-flow carbon dioxide lasers often present an "arc out" problem in which the discharge changes from a glow discharge to an arc. Also, the discharge can fill a cylindrical tube uniformly, but cannot fill a tube of any other shape. Moreover, lasers operating in pulsed mode at high pressure often require special pre-ionization of the gas in order to produce a uniform discharge.

従来から炭酸ガスレーザーは５つのカテゴリーに分けら
れている。最も普通の構造は「スローフロー又は貫流式
放電管」として一般に知られているものである。この構
造のものでは１メートル当り最大約75ワットの出力しか
得られない。炭酸ガスレーザー装置の第２のカテゴリー
に属するものは「対流」レーザー装置であり、これは複
雑になる代りに出力は大きくなる。Carbon dioxide lasers have traditionally been divided into five categories. The most common structure is what is commonly known as a "slow-flow or flow-through discharge tube". With this structure, a maximum output of about 75 watts can be obtained per meter. A second category of carbon dioxide laser devices are "convection" laser devices, which are more complex but more powerful.

第３のカテゴリーに属するものは、ロケットエンジン技
術を利用する「ガスダイナミック」レーザーであり、こ
れは一般に商業的に利用するには適当ではない。第４の
カテゴリーに属するものは「TEA」レーザーとして知ら
れているもので、パルス型レーザーとしてだけ適してい
る。第５のカテゴリーに属するものは「導波」レーザー
であり、これは100ワット以下の用途に最適と考えられ
る。A third category is "gas dynamic" lasers that utilize rocket engine technology, which is generally not suitable for commercial use. A fourth category is known as the "TEA" laser, which is only suitable as a pulsed laser. In the fifth category are "waveguide" lasers, which are considered optimal for applications below 100 watts.

これらの異なるカテゴリーのレーザーを説明していく上
で注意すべきことは、カテゴリー間の主たる相違はレー
ザー増巾部に使用される構造に認められるということで
ある。換言すれば、普通すべてのレーザーは、程々の作
動要素、例えば光学システム、電源、レーザー増巾部等
を含んでいる。しかし、設計上の最も大きな相違はレー
ザー増巾部の構成方式において生じ、そのため種々のカ
テゴリーのレーザーはレーザー増巾部に使用される設計
の仕方によって性格的にはっきり区別できる。例えば、
増巾部はレーザー発振器とレーザー増巾器の両方の要素
として使用される。電気的に励起されるガスレーザーで
は、レーザー増巾部の重要な要素は放電装置である。レ
ーザー以外の分野でも放電は重要な要素である。本文に
開示された新規な放電装置は、新しいレーザー増巾部の
設計を可能とするものである。It should be noted in describing these different categories of lasers that the major difference between the categories is the structure used in the laser amplification. In other words, typically all lasers include modest actuating elements such as optical systems, power supplies, laser amplifiers and the like. However, the biggest design differences occur in the laser amplifier construction scheme, so that different categories of lasers can be distinguished in character by the design used for the laser amplifier. For example,
The amplifier is used as an element of both the laser oscillator and the laser amplifier. In an electrically excited gas laser, the important element of the laser amplification section is the discharge device. Discharge is also an important factor in fields other than lasers. The novel discharge device disclosed in the text allows for the design of new laser amplification parts.

従来技術については以下の文献を参照されたい。For the prior art, refer to the following documents.

（１） 本出願人が取得した米国特許第4,424,646号、
「らせん対流レーザー」； （２） シー・ジェイ・ブッエク他、アプライド フィ
ジックス レターズ、第16巻、第８号（1970）； （３） エイチ・ジェイ・ジェイ・セクィーン他、アプ
ライド フィジックス レターズ、第37巻、130頁（198
0）； （４） エイチ・ジェイ・ジェイ・セクィーン他、アプ
ライド フィジックス レターズ、第39巻、203頁（198
1）； （５） シー・イー・キャパック他、ジャーナル オブ
アプライド フィジックス、第52巻、4517頁（198
1）； （６） シー・イー・キャパック他、アプライド フィ
ジックス、B26巻、161頁（1981）； （７） エイチ・ジェイ・ジェイ・セクィーン他、アプ
ライド オプティックス、第24巻、第９号（1985）； （８） エヌ・ウメダ他、アプライド オプティック
ス、19442（1980）； （９）エス・オノ他、レビュー オブ サイエンティフ
ィック インスツルメンツ、第54巻、1451（1983）； （10） 米国特許第3,435,373号；そして （11） 米国特許第4,077,020号 先行技術（１），（２）は、横方向に流れるガス流内
で、円筒空間内で放電を安定にするための磁界を示して
いる。(1) US Pat. No. 4,424,646 acquired by the applicant,
"Spiral convection laser"; (2) CJ Buek et al., Applied Physics Letters, Volume 16, No. 8 (1970); (3) HJ Jay Sequin, et al. Applied Physics Letters, Volume 37 , P. 130 (198
0); (4) H.J.J.Sequin et al., Applied Physics Letters, Vol. 39, p. 203 (198)
1); (5) C. E. Capac et al., Journal of Applied Physics, Vol. 52, p. 4517 (198)
1); (6) CEE Capac et al., Applied Physics, B26, 161 (1981); (7) HJ Jay Sequin et al., Applied Optics, Vol. 24, No. 9 (1985) ); (8) N Umeda et al., Applied Optics, 19442 (1980); (9) S. Ono et al., Review of Scientific Instruments, Volume 54, 1451 (1983); (10) U.S. Pat. No. 3,435,373. And (11) U.S. Pat. No. 4,077,020 Prior art (1), (2) shows a magnetic field for stabilizing the discharge in a cylindrical space in a laterally flowing gas stream.

先行技術（３），（４），（５），（６），（７）は、
すべてカナダのアルバータ大学のグループにより発表さ
れたものである。これらの文献は「磁気的に安定してい
る電極」をつくる２つの方法を扱っている。放電内で交
叉している電界と磁界とを使用しているが、放電は望ま
しくない程に高い電力密度と低い冷却率とを呈し、その
ため拡散冷却レーザーに使用するのは不適当である。本
発明と比較してその設計の差異は、（１）主境界面に垂
直に電界ベクトルを向けていること；（２）放電空間内
の主境界面に平行に磁界を向けていること；（３）導電
性の主表面を利用していることである。Prior art (3), (4), (5), (6), (7),
All published by a group at the University of Alberta, Canada. These references deal with two methods of making "magnetically stable electrodes". Although using electric and magnetic fields intersecting within the discharge, the discharge exhibits undesirably high power densities and low cooling rates, which makes it unsuitable for use in diffusion cooled lasers. The design differences compared to the present invention are (1) the electric field vector is directed perpendicular to the main boundary surface; (2) the magnetic field is directed parallel to the main boundary surface in the discharge space; ( 3) Utilizing a conductive main surface.

先行技術（８）は「トランスバース ジーマンレーザ
ー」を扱っている。このクラスのレーザーも本発明と相
違している。キャビティ空間が異なり、狙いが異なり、
電界の形態が異なり、そして磁界の形態が異なるからで
ある。Prior art (8) deals with "Transverse Zeeman Laser". This class of laser also differs from the present invention. The cavity space is different, the aim is different,
This is because the form of the electric field is different and the form of the magnetic field is different.

先行技術（９）は炭酸ガスレーザーのサイドアームにガ
ス循環用の小型電磁ポンプを設けることを提案してい
る。The prior art (9) proposes to provide a small electromagnetic pump for gas circulation in the side arm of the carbon dioxide laser.

これらの先行技術と対比して、本発明は、電気的に安定
していない条件下で、又は放電が所望空間を均一に満た
していない条件下で均一な放電をつくる新しい方法と装
置とを教示している。本発明が更に教示していること
は、この新しい型の放電を分子レーザー、例えばCO₂レ
ーザーの構造に適用することである。CO₂レーザーに適
用すると、そのレーザーは新しいカテゴリーのCO₂レー
ザーとなり、その商品名は「マッケン放電レーザー」
（“Macken Discharge Laser"）となろう。その特徴
は、スローフロー又は貫流式放電管レーザーと比較して
単位長当りの出力は大きくなっており、しかも対流レー
ザーの場合のような急速に流れるガスを必要としないと
いうことにある。In contrast to these prior art, the present invention teaches a new method and apparatus for producing a uniform discharge under conditions that are not electrically stable or where the discharge does not uniformly fill the desired space. is doing. It is a further teaching of the present invention to apply this new type of discharge to the construction of molecular lasers, eg CO ₂ lasers. When applied to a CO ₂ laser, the laser becomes a CO ₂ laser of a new category, the product name is "Machen discharge laser"
(“Macken Discharge Laser”). Its feature is that the output per unit length is higher than that of a slow-flow or once-through type discharge tube laser, and it does not require a rapidly flowing gas as in the case of a convection laser.

（発明の要約） 本発明に従うレーザー装置の増巾部の新規な構造は、表
面の寸法に比して近接して間隔をあけて向き会う２つの
表面が全体として境界を定めているキャビティを、含ん
でいる。これらの表面に垂直に磁界をつくる。電極の設
計とキャビティの形とが電界の形を定めているが、その
ようにして形を定められた電界は、磁界ベクトルと電界
ベクトルとの両方に対して垂直な方向に比較して、磁界
に平行な方向において狭くなっている。電極は通常２つ
の長い領域を限定している。これらの領域は、反対に荷
電した２列の電極を分離している距離よりも、かなり長
い距離にわたってのびている。これらの長い領域を横切
って放電が発生するとき、磁界は放電内の荷電粒子に力
を作用して電極領域の下方へ、先の方へ放電を移してい
く。ある磁界の強さ以下では、この作用効果は２つの長
い電極の下方へ先の方へ動いていく一連の放電として現
われてくる。ある磁界の強さ以上では、放電は一様で、
そして非常に安定してくる。放電が比較的狭い、巾広の
キャビティの中へ入り込むと、ガスからの熱除去率は著
しく増大し、そしてCO₂レーザーのような熱的に制限さ
れるレーザーを扱うとき単位長当りの出力をかなり高め
ることができる。第１の実施例では、２つの全体として
平坦な表面によりキャビティを形成し、別の実施例では
２つの同心円筒を使ってキャビティを形成している。SUMMARY OF THE INVENTION The novel construction of the widening portion of a laser device according to the present invention comprises a cavity bounded generally by two surfaces closely spaced in relation to the dimensions of the surface. Contains. Create a magnetic field perpendicular to these surfaces. The design of the electrodes and the shape of the cavity define the shape of the electric field, but the electric field so shaped is compared with the direction perpendicular to both the magnetic field vector and the electric field vector, Narrows in the direction parallel to. The electrodes usually define two long areas. These regions extend for a much longer distance than the distance separating the two oppositely charged rows of electrodes. When a discharge occurs across these long regions, the magnetic field exerts a force on the charged particles in the discharge, displacing the discharge below the electrode region and forward. Below a certain magnetic field strength, this effect manifests itself as a series of discharges moving down and down the two long electrodes. Above a certain magnetic field strength, the discharge is uniform,
And it becomes very stable. When the discharge enters a relatively narrow, wide cavity, the rate of heat removal from the gas increases significantly, and the output per unit length is increased when dealing with thermally limited lasers such as CO ₂ lasers. Can be significantly increased. In the first embodiment, two generally flat surfaces form the cavity, and in another embodiment two concentric cylinders are used to form the cavity.

本発明の他の目的や利点は、同じ要素を同じ数字で示し
ている添付図を参照しての以下の説明から明らかとなろ
う。Other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following description with reference to the accompanying drawings, in which like elements are designated by like numerals.

（好ましい実施例の説明） レーザーに使用できるこの新規な放電装置の背景を説明
する。先行技術の放電装置は多くの場合不安定であり、
不安定でさえなければレーザー増巾部を構成するのに望
ましいものではあった。このような放電装置では、ガス
圧を高くし、又は電流を大きくすると放電は、ガス媒体
を適正に励起するには不適当なアークとなる。それ故、
パルス式ガスレーザーは本発明から利益を得ることがで
きる。Description of the Preferred Embodiment The background of this novel discharge device that can be used in a laser is explained. Prior art discharge devices are often unstable,
Unless it was unstable, it was desirable to construct a laser broadening. In such a discharge device, when the gas pressure is increased or the current is increased, the discharge becomes an arc that is not suitable for properly exciting the gas medium. Therefore,
Pulsed gas lasers can benefit from the present invention.

本文で説明する新しい型の放電は本発明に従って矩形表
面のような２枚の近接したプレート間の空間を一様に満
たす。プレートを冷却すると、これらのプレート間のガ
スからの熱除去率は等長の気中放電管と比べてアスペク
ト比（プレートの分離距離でキャビティの巾を除した
比）にほぼ比例して増大する。The new type of discharge described herein uniformly fills the space between two adjacent plates, such as a rectangular surface, in accordance with the present invention. When the plates are cooled, the heat removal rate from the gas between these plates increases almost in proportion to the aspect ratio (ratio of the separation distance of the plate divided by the width of the cavity) as compared to an air discharge tube of equal length. .

熱除去率を高めることができるということは直ちに、CO
₂レーザーのような熱的に制限されているレーザーの出
力を高めるということになるのである。２枚の平らなプ
レートにより境界を定められている構造の両端に電極を
配置するだけでは気中放電はその全空間を満たすことは
ない。放電はほぼ円形断面を保持し、その直径は２枚の
プレートの分離により定められ、放電はあちらこちらに
のび、そのためレーザーパワーを抽出する問題を更に複
雑にしている。Improving the heat removal rate means that CO
_This means increasing the power of a thermally limited laser, such as a _two laser. Just placing electrodes at the ends of a structure bounded by two flat plates does not allow the air discharge to fill its entire space. The discharge retains a nearly circular cross section, the diameter of which is defined by the separation of the two plates, and the discharge spreads here and there, further complicating the problem of extracting laser power.

もし平らなプレートを使用し、他には何も手の込んだこ
とをしないでレーザーをつくろうとすれば、レーザーの
出力は冷却式円筒管内の放電よりも単位長当り小さくな
ってしまうこととなろう。If we were to use a flat plate and do nothing else to make a laser, the output of the laser would be less than the discharge in a cooled cylindrical tube per unit length. Let's do it.

好ましい実施例として、炭酸ガスレーザーの増巾部へ新
型式の放電装置を適用した構造を説明することとする。
しかし当業者には明らかなことであるが、この技術は放
電装置を必要とする他の装置にも適用できる。As a preferred embodiment, a structure in which a new type discharge device is applied to the widening part of a carbon dioxide laser will be described.
However, as will be apparent to those skilled in the art, this technique can be applied to other devices that require a discharge device.

添付図中特に第１ないし３図を参照する。これらの図に
はレーザー装置の、全体を10で示しているマッケン放電
増巾部が示されている。この放電増巾部10は全体として
箱状の矩形のサンドイッチの形をしたエンベロープ、す
なわち包囲体として形成され、近接している２つの向き
あう表面16,18を含む。これらの表面は後述するファン
クションを遂行するため十分に電気的に絶縁性である。In particular, refer to FIGS. 1 to 3 in the attached drawings. In these figures, the laser device is shown with a McKen discharge amplification section, generally designated 10. The discharge booster 10 is formed as an envelope or enclosure generally in the shape of a box-shaped rectangular sandwich and includes two adjacent facing surfaces 16,18. These surfaces are sufficiently electrically insulating to perform the functions described below.

16,18の好ましい材料は磁器、セラミック又はガラスで
ある。表面16はプレート12で、そして表面18はプレート
14で裏打ちされている。これらのプレートは表面16,18
の支持体となっており、そのため適当な材料でつくるこ
とができ、表面16,18と同じ材料、例えばガラスでつく
ってもよい。しかし、プレート12,14は熱を伝えるのが
望ましいので、これらのプレートは金属であるのが好ま
しい。好ましい実施例では、プレート12,14は後述する
理由からスチールのような強磁性材料からつくる。Preferred materials for 16,18 are porcelain, ceramic or glass. Surface 16 is plate 12 and surface 18 is plate
Lined with 14. These plates have surfaces 16,18
Of the substrate, so that it can be made of any suitable material, and may be made of the same material as surfaces 16,18, such as glass. However, the plates 12, 14 are preferably metallic, as it is desirable to conduct heat. In the preferred embodiment, plates 12 and 14 are made of a ferromagnetic material such as steel for reasons described below.

プレート部材12,14は十分に高い熱伝達性を有し、プレ
ート12において熱冷却チャンネル34A,34Bを、そしてプ
レート14において熱冷却チャンネル37A,37Bを、それぞ
れ形成できるだけの厚みがある。パイプ（図示せず）を
これらの冷却チャンネルへ接続して、冷却液をチャンネ
ルに流してプレート12,14を冷却し、そして空極的には
熱伝導によりキャビティ24の壁の主部分を形成している
表面16,18を冷却する。図に示し、説明したような適当
な冷却手段を表面16,18に設けるためにどのような便宜
的な方法を利用してもよい。The plate members 12 and 14 have sufficiently high heat transfer properties and are thick enough to form the heat cooling channels 34A and 34B in the plate 12 and the heat cooling channels 37A and 37B in the plate 14, respectively. Pipes (not shown) are connected to these cooling channels to allow cooling liquid to flow through the channels to cool the plates 12 and 14 and to form the main portion of the walls of the cavity 24 by heat conduction, which is polar. Cooling surfaces 16, 18 being cooled. Any convenient method may be utilized to provide the surfaces 16,18 with suitable cooling means as shown and described.

全体として矩形のキャビティ24を形成するように位置決
めした支持部材20,22により表面16,18を離して保持す
る。このキャビティは２つの開いた端を有しているけれ
ども、ここに説明している放電装置の部分となるもので
はないが、他の部材により真空密のエンベロープすなわ
ち包囲体を形成することも考えられる。例えば、レーザ
ーミラー54,56（第３図）は真空包囲体の部分を形成で
きる。キャビティ24の空間にはガスを充填し、このガス
はこの例では炭酸ガス、窒素そしてヘリウムの混合であ
る。Surfaces 16 and 18 are held apart by support members 20 and 22 which are positioned to form a generally rectangular cavity 24. Although this cavity has two open ends, it is not part of the discharge device described here, but it is conceivable that other members form a vacuum-tight envelope. . For example, laser mirrors 54 and 56 (FIG. 3) can form part of a vacuum enclosure. The space of the cavity 24 is filled with a gas, which in this example is a mixture of carbon dioxide, nitrogen and helium.

適当な磁界発生手段として永久磁石26,28を設ける。磁
石26,28はプレート12,14の面にほぼ垂直に磁極を揃えて
配置する。すなわち、第1,第２図に示すように、下方の
磁石28の北極はプレート14に接し、上方の磁石26の南極
はプレート12に接し、これらの極性は磁石26,28上に示
すように普通の表記法によりＮとＳで示している。第２
図の矢42は磁界の方向を示す。磁石26,28の大きさは磁
界の発生を容易とするためプレート部材12,14の大きさ
に近いのが好ましい。これらの磁石26,28は、比較的廉
価なバリウム鉄酸化物セラミック磁性材料等から形成し
た永久磁石でよい。他の装置を使って所要の磁界を発生
してもよく、他の装置とは例えば他の永久磁石、直流電
磁石又は交流電磁石である。要するにその目的は、表面
16,18に少なくとも主ベクトル成分が垂直な磁界をキャ
ビティ24内に発生することである。磁石26,28がつくる
磁界をより均一としなければならないときは、プレート
をスチールからつくると磁界が非常に一様になる。好ま
しい実施例では、スチールプレート30,31,32,33（第２
図）はほぼ矩形の管を形成しており、そして磁石や他の
部品を包囲している。他の部品をよく示すために、プレ
ート31,33は第1,3,4図には示されていないが、プレート
31,33は30とほぼ同じ長さである。この強磁性管状構造
体（矩形として示されているが、他の形でもよい）は、
26の北極から出て、28の南極に入る磁力線に対して磁気
抵抗の低い磁路を与えている。この磁路は好ましい実施
例の部分ではあるが、本発明の機能に対して絶対に必要
というものではない。磁路の機能は磁石26,28の寸法や
費用を最小とするためであり、磁界を構造体10へ閉じ込
めるためのものだからである。プレート30,31,32,33を
除去するのであれば磁石26,28ははるかに強力としなけ
ればならなくなる。Permanent magnets 26 and 28 are provided as appropriate magnetic field generating means. The magnets 26, 28 are arranged with their magnetic poles aligned substantially perpendicular to the surfaces of the plates 12, 14. That is, as shown in FIGS. 1 and 2, the north pole of the lower magnet 28 is in contact with the plate 14, the south pole of the upper magnet 26 is in contact with the plate 12, and their polarities are as shown on the magnets 26, 28. It is indicated by N and S in the usual notation. Second
The arrow 42 in the figure indicates the direction of the magnetic field. The size of the magnets 26, 28 is preferably close to the size of the plate members 12, 14 in order to facilitate the generation of a magnetic field. These magnets 26, 28 may be permanent magnets formed of a relatively inexpensive barium iron oxide ceramic magnetic material or the like. Other devices may be used to generate the required magnetic field, for example other permanent magnets, direct current electromagnets or alternating current electromagnets. In short, the purpose is the surface
16, 18 is to generate a magnetic field in the cavity 24 in which at least the main vector component is perpendicular. If the magnetic fields produced by the magnets 26, 28 must be made more uniform, then the plate made from steel will produce a very uniform magnetic field. In the preferred embodiment, the steel plates 30, 31, 32, 33 (second
The figure) forms a generally rectangular tube and surrounds the magnets and other components. Plates 31 and 33 are not shown in FIGS. 1, 3 and 4 to better show the other parts,
31,33 is almost the same length as 30. This ferromagnetic tubular structure (shown as a rectangle, but other shapes)
It gives a magnetic path with low reluctance to the magnetic field lines that exit from the 26 north pole and enter the 28 south pole. Although this magnetic path is part of the preferred embodiment, it is not absolutely necessary for the functioning of the present invention. This is because the function of the magnetic path is to minimize the size and cost of the magnets 26, 28 and to confine the magnetic field to the structure 10. If the plates 30, 31, 32, 33 were removed, the magnets 26, 28 would have to be much stronger.

第３図に示すように、プレート12と磁路要素31,33との
間に間隙をつくることが重要である。プレート14も同様
の形とすべきである。もしこれらの間隙がなかったら
ば、電気的「短絡」に相当することが生じて、キャビテ
ィ24に磁界は発生しないこととなる。As shown in FIG. 3, it is important to create a gap between the plate 12 and the magnetic path elements 31, 33. Plate 14 should have a similar shape. If these gaps were not present, the equivalent of an electrical "short circuit" would occur and no magnetic field would be created in cavity 24.

側壁部材20,22を適当な非磁性材料でつくるのが好まし
い。壁部材20,22も相互から電気的に絶縁されている。
これらの側壁部材は表面16,18の間に間隔を保ち、電極
構造体を支持している。この電極構造体は第１と第２の
同じ電極の組を含んでおり、これらの組は36,38で示さ
れており、各組の電極には添字を付して、36A,36B……
のようにして示している。電極の組36は、相互に平行に
配列され、そして側壁部材20を通ってのび、そして側壁
部材20により支持されている。同様に、電極の組38の電
極も相互に平行であり、電極の軸方向で組36の対応する
電極と揃っており、電極の組38は側壁部材22を通っての
び、そして側壁部材22により支えられている。しかし、
電極は側壁部材20,22と電気的に接触してはいない。も
し電極の組が36がカソードであれば、他の電極の形は好
ましいが必要ではない。The sidewall members 20,22 are preferably made of a suitable non-magnetic material. The wall members 20, 22 are also electrically insulated from each other.
These sidewall members maintain a space between the surfaces 16 and 18 to support the electrode structure. This electrode structure comprises a first and a second same set of electrodes, these sets being indicated by 36, 38, the electrodes of each set being subscripted, 36A, 36B ...
It is shown as. The set of electrodes 36 are arranged parallel to each other and extend through and are supported by the sidewall member 20. Similarly, the electrodes of electrode set 38 are also parallel to each other and are axially aligned with the corresponding electrodes of set 36, with electrode set 38 extending through sidewall member 22 and by sidewall member 22. Supported. But,
The electrodes are not in electrical contact with the side wall members 20,22. If the electrode set 36 is the cathode, then other electrode shapes are preferred but not required.

第３図を参照する。各組36,38の電極はキャビティ24内
へ等距離だけ入り込んでおり、電界39を形成している。
第３図で見て、キャビティ24の下端に隣接して補助電極
40を設ける。この電極40は放電を開始させるために使用
されるシングル電極又はマルチプル電極を表わしてい
る。この作用については後述する。Please refer to FIG. The electrodes of each set 36, 38 enter the cavity 24 at equal distances and form an electric field 39.
As shown in FIG. 3, the auxiliary electrode is adjacent to the lower end of the cavity 24.
Provide 40. This electrode 40 represents a single electrode or multiple electrodes used to initiate the discharge. This action will be described later.

もし必要であれば、電気的に適当なバラスト、例えば抵
抗を電極に設ける。抵抗46A−46Lは電極36A−36Kそして
40と直列に接続されている。抵抗48A−48Lは電極38A−3
8Kそして40と直列に接続されている。抵抗46の他端は適
当な電源の端子50へ電気的に接続されており、抵抗48の
他端も電源の他方の端子52へ電気的に接続されている。
この例では、端子50は負であり、そして端子52は正であ
る。電気的そして磁気的極性は例示に過ぎない。If necessary, electrically suitable ballasts, eg resistors, are provided on the electrodes. Resistors 46A-46L are electrodes 36A-36K and
It is connected in series with 40. Resistance 48A-48L is electrode 38A-3
Connected in series with 8K and 40. The other end of resistor 46 is electrically connected to a suitable power supply terminal 50, and the other end of resistor 48 is also electrically connected to the other power supply terminal 52.
In this example, terminal 50 is negative and terminal 52 is positive. The electrical and magnetic polarities are merely exemplary.

抵抗46A−46Lそして48A−48Lは長い電極領域を定めてい
ることを強調しておく。多数の電極36A−36Kの線形アレ
ーを単一の電極、例えば適当な導体ロッドで置換えても
よい。最適の作動を得るには電極36A−36Kの先端が形成
する空間におけるポイントをロッド電極が通過するよう
にロッド電極を配置して、それにより同じ長い電極領域
にわたってロッド電極がのびているようにする。これら
のロッド電極を電源の正端子と負端子とへ接続する。最
適の電極形状は当業者が実験的に定めることができる。It is emphasized that resistors 46A-46L and 48A-48L define long electrode areas. The linear array of multiple electrodes 36A-36K may be replaced by a single electrode, such as a suitable conductor rod. For optimum operation, the rod electrode is positioned so that it passes through the point in the space defined by the tips of the electrodes 36A-36K so that it extends over the same long electrode area. These rod electrodes are connected to the positive and negative terminals of the power supply. The optimum electrode shape can be experimentally determined by those skilled in the art.

第３図において、レーザーミラー54,56はキャビティ24
の両端に隣接して示されている。これらのミラーは参考
のために示した。この矩形の形状とするのに適している
ミラーは本発明の要旨外のものである。別のやり方とし
て、キャビティ24の端を、ミラー54,56の位置に配置し
た完全に透明な窓で閉じることもできる。外部で発生し
たレーザービームをこれらの窓を通して増巾部10により
増巾する。いずれにせよ、キャビティ24は適当に密封さ
れてその中に混合ガスを含むエンベロープすなわち包囲
体として働かせる。In FIG. 3, the laser mirrors 54 and 56 are cavities 24.
Adjacent to both ends of the. These mirrors are shown for reference. A mirror suitable for forming this rectangular shape is outside the scope of the present invention. Alternatively, the ends of the cavity 24 can be closed by a completely transparent window located at the mirrors 54,56. The laser beam generated externally is widened by the widening section 10 through these windows. In any case, the cavity 24 is appropriately sealed to act as an envelope containing the gas mixture therein.

第３図を再び参照する。直流電源を端子50,52に接続す
る。端子52が正であり、そして第1,2図に示すような極
を有する磁石26,28が発生する磁界の方向42で、電極36A
へ電極40が近接しているとキャビティ24の端で放電を開
始し、キャビティでは磁界の作用が連続的に新しい放電
を発生していく。その場合、横方向への放電が第１組36
の電極と第２組38の電極との間で現われ、磁界の作用は
その放電に力を作用させるようなものである。適正状態
であればキャビティの少なくとも選択された空間におい
ては磁界の作用によりこれらの個別の放電は第３図で矢
で示した方向に掃引していく。この状態を「個別に動く
放電」と称する。Referring back to FIG. Connect the DC power supply to terminals 50 and 52. In the direction 42 of the magnetic field generated by the magnets 26, 28 having terminals 52 positive and having poles as shown in FIGS.
When the electrode 40 is close to the electrode, discharge is started at the end of the cavity 24, and the action of the magnetic field continuously generates new discharge in the cavity. In that case, the horizontal discharge is the first set 36.
Between the electrodes of the second set 38 and the electrodes of the second set 38, the action of the magnetic field is such that it exerts a force on the discharge. Under proper conditions, these individual discharges are swept in the direction shown by the arrow in FIG. 3 by the action of the magnetic field in at least the selected space of the cavity. This state is called "individually moving discharge".

キャビティの形とガス圧とに対してある磁界強度では、
電極間の放電には、第1,3図に示すような個別に動く放
電の間にボイド又は空所が生じる。これらの個別の放電
は58A,58C,58E……58Kで示している。第３図に示す大き
さよりも大きい強度の磁界では、個別の放電は一緒にな
って第４図に示すように１つの均質な放電になる。第４
図の破線57は、均一放電状態に到達すると電子がたどる
路を表わしている。For some magnetic field strengths with respect to cavity shape and gas pressure,
In the discharge between the electrodes, voids or voids occur during the individually moving discharges as shown in FIGS. These individual discharges are shown at 58A, 58C, 58E ... 58K. In a magnetic field of greater strength than the magnitude shown in FIG. 3, the individual discharges come together into one homogeneous discharge as shown in FIG. Fourth
The dashed line 57 in the figure represents the path followed by the electrons upon reaching the uniform discharge state.

これらの放電状態はどちらも実験により観察されてい
る。急激に動く個別の放電をつくるだけの強度の磁界が
あると、これらの個別の放電が動くスピードは磁石26,2
8によりつくられる磁界の強度と、キャビティ24の混合
ガスの圧力と組成とにより異なってくる。Both of these discharge states have been observed experimentally. If there is a magnetic field of sufficient intensity to create rapidly moving individual discharges, the speed at which these individual discharges move will be
It differs depending on the strength of the magnetic field created by 8 and the pressure and composition of the mixed gas in the cavity 24.

炭酸ガスレーザーに普通使用される炭酸ガス17％、窒素
23％、ヘリウム60％の混合ガスでは、キャビティ24内の
放電の運動速度は次のようになる。Carbon dioxide 17%, nitrogen commonly used for carbon dioxide lasers
With a mixed gas of 23% and 60% helium, the motion velocity of the discharge in the cavity 24 is as follows.

Ｖ＝125B/P（式１）， ここで、Ｖは放電の運動速度（cm/sec）， Ｂは磁界の強度（ガウス）， Ｐは全ガス圧（トル）， 例として、もしガス圧が14.2トルであり、そして磁界強
度が300ガウスであると、放電の横移動速度は26m/secと
なる。上式は流れるガスに向って１つの放電が上流へ動
く場合の測定に基礎を置いている。マッケン放電を確立
する磁界において、実験によれば上式は成立しない。そ
の理由は個別の放電の前縁が後縁よりも速く動くからで
ある。このことは放電がキャビティを下方へ進むにつれ
て放電の巾が広がっていくことを意味している。このこ
とが個別の放電が一緒になって１つの均質の放電となる
メカニズムとなっているように考えられる。V = 125B / P (Equation 1), where V is the velocity of discharge movement (cm / sec), B is the magnetic field strength (Gauss), P is the total gas pressure (torr), for example, if the gas pressure is At 14.2 Torr and a magnetic field strength of 300 Gauss, the transverse velocity of the discharge is 26 m / sec. The above equation is based on the measurement when one discharge moves upstream towards the flowing gas. In a magnetic field that establishes Macken's discharge, experiments show that the above equation does not hold. The reason is that the leading edge of the individual discharge moves faster than the trailing edge. This means that the width of the discharge spreads as it goes down the cavity. It seems that this is a mechanism in which individual discharges are combined into one uniform discharge.

磁力が放電中の電子に主として作用する。これは、電子
がそれよりもはるかに重い電離した原子や分子よりも何
倍も速く動くということによるのである。速度Ｖで走る
電荷Ｑの粒子に磁界強度Ｂが作用したときの力Fmは次式
によって与えられる。The magnetic force mainly acts on the electrons in the discharge. This is because electrons move many times faster than ionized atoms or molecules, which are much heavier than that. The force Fm when the magnetic field strength B acts on the particles of the charge Q running at the velocity V is given by the following equation.

Fm＝QV×Ｂ（式２）， ここで×は「クロス」として参照される数学の記号であ
る。この式から力は荷電粒子の速度Ｖに比例する。電子
は正に帯電したイオンよりも100倍以上も速く走るの
で、磁界が働かす力は電子に表われ、そしてこの力は個
々の電子の速度に比例する。Fm = QV x B (Equation 2), where x is a mathematical symbol referred to as "cross". From this equation, the force is proportional to the velocity V of the charged particle. Since electrons run 100 times faster than positively charged ions, the force exerted by the magnetic field appears in the electrons, and this force is proportional to the velocity of the individual electron.

電極の長さに沿って下方に個別の放電が急速に動いてい
るときの磁界強度においては、仮定であるが、個別の放
電の横断方向に電荷は次のように分布している。すなわ
ち、電子は動いている放電の前縁近くに集まろうとし、
正に帯電したイオンは動いている放電の後縁に沿って引
きずられていく。磁界強度を増大していくと、これも仮
定であるが、放電の運動の速さが大きくなり、電界ベッ
ドに対する放電の角度が変化し、そして個別の放電にお
ける負に帯電した前縁と正に帯電した後縁との間の分離
距離が増大する。磁界強度のある臨界値以上で、１つの
放電の前縁における電子は隣りどうしの放電の間の間隙
を橋絡し、そして前の放電の後縁の正に帯電したイオン
に追付いてこれをつかまえる。この点で、放電は一緒に
なって均質になる。Assuming a magnetic field strength when the individual discharges are rapidly moving downwards along the length of the electrode, the charge is distributed as follows across the individual discharges: That is, the electrons try to collect near the leading edge of the moving discharge,
The positively charged ions are dragged along the trailing edge of the moving discharge. Increasing the magnetic field strength, which is also a hypothesis, increases the speed of discharge motion, changes the angle of discharge with respect to the electric field bed, and increases the negative charge leading edge and positive charge in individual discharges. The separation distance between the charged trailing edge is increased. Above a certain critical value of magnetic field strength, electrons at the leading edge of one discharge bridge the gap between adjacent discharges and catch up with the positively charged ions at the trailing edge of the previous discharge. Catch it. At this point, the discharges together become homogeneous.

これが第４図に示された状態である。高出力のCO₂レー
ザーを製作するには、第４図の均質なマッケン放電装置
をつくるのが望ましい。しかし、このことは絶対に必要
というのではない。急速に動く個別の放電でも、キャビ
ティ24の空間の一点を一つの個別の放電が通過し、そし
て別の個別の放電がその点を通過する通過と通過の時間
間隔がキャビティ24内のガスの熱の弛緩又は降下速度又
はレダンダンシーよりも短時間であれば、ガスを加熱す
るということでは熱的な均質をつくり出せるからであ
る。もしこの状態に到達すると、熱除去率、そして多分
レーザーの出力はほぼ最大となる。それ故、個別の放電
を一緒にまとめることにより更に均質とする必要はな
い。しかし、不飽和利得は放電が一緒になるとき大きく
なる。それ故、放電が一緒になって一つの連続した放電
を形成するような状態では励起ガスからレーザーパワー
を引出し易くなる。有用な掃引放電を発生するための磁
界を計算することはできる。有益な効果を得るために必
要な磁界の下限は、ガス中で熱を広がらせ始めるに十分
な速さで個別の放電が動くという基準に基づいている。
既出の式（１）は、CO₂レーザーガスにおける動く放電
の速度の一般式を与えている。This is the state shown in FIG. In order to produce a high power CO ₂ laser, it is desirable to make the homogeneous Macken discharge device shown in FIG. However, this is not absolutely necessary. Even with rapidly moving individual discharges, one individual discharge passes through one point in the cavity 24 space, and another individual discharge passes through that point, with the time interval between passes being the heat of the gas in the cavity 24. This is because heating the gas can create thermal homogeneity for a time shorter than the relaxation or descent rate or redundancy of the gas. If this condition is reached, the heat removal rate, and perhaps the laser power, will be near maximum. Therefore, it is not necessary to bring the individual discharges together to make them more homogeneous. However, the unsaturated gain increases when the discharges are combined. Therefore, it becomes easy to extract the laser power from the excitation gas in the state where the discharges together form one continuous discharge. The magnetic field to generate a useful sweep discharge can be calculated. The lower limit of the magnetic field required to have a beneficial effect is based on the criteria that the individual discharges move fast enough to start spreading heat in the gas.
Equation (1) given above gives a general equation for the rate of moving discharge in a CO ₂ laser gas.

分離距離Ｌ（センチメートル）の２つの平行プレート間
のCO₂,N₂,Heの圧力Ｐ（トル）の混合ガスの熱時間定数
Ｔ（秒）は次の簡単化した近似式で与えられる。The thermal time constant T (seconds) of a mixed gas of CO ₂ , N ₂ and He pressure P (torr) between two parallel plates having a separation distance L (centimeter) is given by the following simplified approximation formula.

Ｔ＝0.0002PL（式３） 速度Ｖで動く放電が距離ｄを掃引するのにかかる時間ｔ
は次式で与えられる。T = 0.0002PL (Equation 3) Time t taken for the discharge moving at velocity V to sweep the distance d
Is given by

ｔ＝d/v（式４） もし式４のｔが式３から求められる熱時間定数Ｔに等し
く定められ、そしてもしｄが式３からのキャビティ分離
距離Ｌに等しく定められると、式４の速度Ｖに式１を代
入すると、この式の解は、１つの熱定数においてキャビ
ティ分離距離と等しい距離を放電が掃引するのは40ガウ
スを必要とするということを示す。この値は圧力やキャ
ビティとは関係ない。t = d / v (Eq. 4) If t in Eq. 4 is set equal to the thermal time constant T determined from Eq. 3, and d is set equal to the cavity separation distance L from Eq. Substituting equation 1 for velocity V, the solution of this equation shows that for one thermal constant, the discharge requires 40 gauss to sweep a distance equal to the cavity separation distance. This value is independent of pressure and cavity.

所定の効果を得るための最小の磁界は80ガウスである。
この値は上述の状態の２倍となる。80ガウスはガスの均
一加熱を必然的に生じさせるということはないけれど、
80ガウスはCO₂,N₂,Heの混合ガス中で動いている放電の
後ろに明確な熱の航跡をつくる。他のまだテストされて
いないガスではそれらの定数は異なるが、実験的に80ガ
ウスはその作用効果を開始させるに十分な基準となる。The minimum magnetic field for a given effect is 80 gauss.
This value is twice the above-mentioned state. 80 Gauss does not necessarily result in uniform heating of the gas,
80 gauss creates a distinct thermal wake behind a discharge moving in a mixture of CO ₂ , N ₂ and He. For other as yet untested gases their constants are different, but experimentally 80 Gauss is a good criterion for initiating its effects.

マッケン放電状態はガス圧、電流密度、キャビティの形
状そして電極の形状を含む多くの要因により異なる大き
な磁界で開始する。所要の臨界的磁界は実験により決定
しなければならない。反対の極限では、最大の適正磁界
強度は約22,000ガウスである鉄の飽和磁束密度に設定さ
れる。The McKen discharge state begins with a large magnetic field that varies depending on many factors including gas pressure, current density, cavity geometry and electrode geometry. The required critical magnetic field must be determined experimentally. At the opposite extreme, the maximum appropriate magnetic field strength is set to the saturation magnetic flux density of iron, which is about 22,000 Gauss.

第１の実験では、第１図に示すのと同じキャビティを形
成し、電極36A,36B……と電極38A,38B……との間の分離
距離は15センチメートルとし、そして表面16と表面18と
の間の分離距離は1.2センチメートルとした。一連のア
ノード又はカソードの長さは45センチメートルであり、
そして個別の電極間の分離距離は1.25センチメートルで
あった。この実験では、使用した磁石はセラミック磁石
で、巾９センチメートル、長さ27センチメートル、そし
て厚み1.25センチメートルであった。第２図に示されて
いるように第１図のプレート20,22へ平行な２枚の矩形
スチールプレートが構造体の外側へ加えられ、磁気的に
スチールプレート30,31,32,33を接続し、それによりキ
ャビティ24内の磁界強度を増大した。In the first experiment, the same cavity as shown in Fig. 1 was formed, the separation distance between the electrodes 36A, 36B ... and the electrodes 38A, 38B ... was 15 cm, and the surface 16 and the surface 18 were separated. The separation distance between and was 1.2 cm. The length of the series of anodes or cathodes is 45 cm,
The separation distance between the individual electrodes was 1.25 cm. In this experiment, the magnets used were ceramic magnets, 9 cm wide, 27 cm long and 1.25 cm thick. Two rectangular steel plates parallel to the plates 20,22 of FIG. 1 are added to the outside of the structure to magnetically connect the steel plates 30,31,32,33 as shown in FIG. Which in turn increased the magnetic field strength within cavity 24.

この実験で、最初ガス圧は、炭酸ガス、窒素そしてヘリ
ウムの標準レーザーの混合ガスで約18トル（torr）であ
った。放電電圧は約１アンペアの電流で1,800ボルトで
あった。抵抗46はそれぞれ20,000オームであり、そして
抵抗48はそれぞれ10,000オームであった。1,500ガウス
の磁界強度で放電は、抵抗48Eのような抵抗を流れる電
流を監視することにより放電が完全に一緒になってしま
ったことを認めた。又、視認により良好な均一性がはっ
きり認められた。第１図の磁石26に相当する磁石層（第
８図と同様の構造を形成している）を取除くことにより
磁界強度は750ガウスに減少し、その場合も放電は完全
に均一であることが確認された。すべての磁石を取除い
ても、スチール構造体に残っている磁界は約25ガウスで
あった。視認により、そして個別の抵抗に流れる電流を
監視することにより、磁界強度は25ガウスに減っても個
別の動いている放電は観察された。これらの放電は予想
したように動き、そして個別の抵抗を流れる電流は放電
が動いたときその抵抗中で変動した。放電と放電との間
の分離距離はこの例では多分10センチメートルであっ
た。In this experiment, the gas pressure was initially about 18 torr with a standard laser mixture of carbon dioxide, nitrogen and helium. The discharge voltage was 1800 volts at a current of about 1 amp. Resistors 46 were 20,000 ohms each and resistors 48 were 10,000 ohms each. The discharge at a magnetic field strength of 1,500 Gauss admitted that the discharge was completely united by monitoring the current through a resistor such as resistor 48E. In addition, good uniformity was clearly recognized by visual observation. The magnetic field strength is reduced to 750 gauss by removing the magnet layer (forming the same structure as in FIG. 8) corresponding to the magnet 26 in FIG. 1, and in that case also the discharge is completely uniform. Was confirmed. With all the magnets removed, the magnetic field remaining in the steel structure was about 25 Gauss. By visual inspection and by monitoring the current through the individual resistors, individual moving discharges were observed even when the magnetic field strength was reduced to 25 gauss. These discharges behaved as expected, and the current through the individual resistance fluctuated in that resistance as it moved. The separation distance between discharges was probably 10 centimeters in this example.

この実験で判明したことは、18トルで1,500ガウスとい
うような大きな磁界強度が電子に強い力を働かせそれに
より極めて僅かな電流が最初の２個か３個アノード48A,
48B,48Cに流れる。最初のカソード46Aを離れる放電は磁
界強度とガス圧とにより定まる角度で動くからである。
ガス圧を35トルへ増大するか、又は磁界強度を750ガウ
スへ減少するかすると、電界に対する平均電子走行角は
減少して最初の２個か３個のアノードは電流を受取り始
める。What was found in this experiment was that a large magnetic field strength of 1,500 gauss at 18 torr exerted a strong force on the electrons, resulting in very little current flowing through the first two or three anodes 48A,
It flows to 48B and 48C. This is because the first discharge leaving the cathode 46A moves at an angle determined by the magnetic field strength and the gas pressure.
If the gas pressure is increased to 35 Torr or the magnetic field strength is reduced to 750 gauss, the average electron transit angle for the electric field decreases and the first two or three anodes begin to receive current.

電界ベクトル39に対してある角度で電子が走行するとい
う考えは放電ライン57により第４図に示されている。電
子に作用する磁力は、正確にはFe＝QV×Ｂとして与えら
れる。又、電界の力Feは次式により与えられる。The idea that the electrons travel at an angle to the electric field vector 39 is illustrated in FIG. 4 by the discharge line 57. To be precise, the magnetic force acting on the electron is given as Fe = QV × B. The electric field force Fe is given by the following equation.

Fe＝QE, ここでＱは電荷、Ｅは電界強度である。それ故、電界の
力に対する磁界の力の比は次のようになる。Fe = QE, where Q is electric charge and E is electric field strength. Therefore, the ratio of the magnetic field force to the electric field force is:

Fm/Fe＝Ｖ×B/E 放電中の電子の速度は種々の条件で測定される。電子の
ドリフト速度の典型的な範囲は50,000M/secから15,000M
/secである。Fm / Fe = V × B / E Electron velocity during discharge is measured under various conditions. Typical range of electron drift velocity is 50,000M / sec to 15,000M
/ sec.

電子の平均速度を70,000M/secとし、毎平方メートル当
り0.075ウェバーの磁界強度（750ガウス）とメートル当
り9,200ボルトの放電内の電界強度（カソード降下は無
視する）とを仮定して、上式にこれらを代入すると、電
気力に対する磁気力の比は約0.57である。これは電界ベ
クトルに対する約30度の平均角度で電子が走行すること
を示しているが、これは広い角度分布の中心的値に過ぎ
ない。一般に、この種の効果は実験的に観察され、そし
て第４図に示されている。Assuming an average velocity of electrons of 70,000 M / sec, a magnetic field strength of 0.075 webbers per square meter (750 gauss) and an electric field strength within the discharge of 9,200 volts per meter (cathode fall is ignored) Substituting these, the ratio of magnetic force to electric force is about 0.57. This shows that the electrons travel at an average angle of about 30 degrees with respect to the electric field vector, but this is only the central value of the wide angular distribution. In general, this type of effect was observed experimentally and is shown in FIG.

第１ないし４図に示すようにすべての電極に一個づつ抵
抗バラストを設ける必要はないということが認められて
いる。カソード又はアノード電極のすべてを並列に接続
して実験を行なった。こうするとキャビティ24の下流端
に放電を集中させようとするけれども、安定はしてい
る。又、長い矩形のアノードバーをマルチプルアノード
38A,38B等ととりかえたり、又は１つの長いカソードバ
ーをマルチプルカソード36A,36B等ととりかえて試験し
てみた。動いている放電と放電との間の空間を最小とす
るか、全く除去するために重要なことは、磁界の作用に
よって放電を「開始」しなければならない構造体の端で
新しい放電を連続的に発生させるだけの大きさの電界強
度をつくることである。第３図において、電極40はグル
ープ38の電極ではなく反対に帯電している電極へ接近し
ている。この電極40は始動電極を表わしている。この電
極に任意のバラスト抵抗48Lを設ける。It has been recognized that it is not necessary to provide one resistive ballast for every electrode as shown in FIGS. Experiments were performed with all cathode or anode electrodes connected in parallel. In this way, the discharge is concentrated at the downstream end of the cavity 24, but it is stable. Also, a long rectangular anode bar is used for multiple anodes.
It was replaced with 38A, 38B, etc., or one long cathode bar was replaced with multiple cathodes 36A, 36B, etc. and tested. It is important to minimize or eliminate the space between moving discharges at all and to continually start a new discharge at the edge of the structure where the action of the magnetic field must "initiate" the discharge. It is to make the electric field strength large enough to generate. In FIG. 3, electrode 40 is approaching the oppositely charged electrode rather than the group 38 electrode. This electrode 40 represents the starting electrode. An arbitrary ballast resistor 48L is provided on this electrode.

電極40を除去して、電極38Aと36Aとの間に新しい放電を
開始させるに必要な電界強度を発生させることもでき
る。こうするためには、電源電圧とバラスト抵抗とは、
アノード38Aへの電流停止時に放電を開始させるのに十
分な大きさでなければならない。Electrode 40 may be removed to generate the electric field strength needed to initiate a new discharge between electrodes 38A and 36A. To do this, the power supply voltage and the ballast resistance are
It must be large enough to initiate discharge when the current to the anode 38A is stopped.

直流電源の代りに、端子50,52に交流電源を接続しても
よい。その場合構造体の両端に電極40と同様の始動電極
を設ける必要があるかもしれない。側壁20,22上の電極
組36,38の代りに、光学系の障害とならないように反対
の端に電極を設けてもよい。この場合、放電の方向は90
度だけ変るが、加えられた磁界と垂直な方向に放電が流
れる。別の変形態様として、永久磁石の代りに電磁石を
使用し、それへ多相交流を流して運動磁界を発生しても
よい。An AC power supply may be connected to the terminals 50 and 52 instead of the DC power supply. In that case, it may be necessary to provide a starting electrode similar to electrode 40 at both ends of the structure. Instead of the electrode sets 36, 38 on the side walls 20, 22, electrodes may be provided at opposite ends so as not to interfere with the optical system. In this case, the discharge direction is 90
The electric current flows in a direction perpendicular to the applied magnetic field, although it varies by degrees. As another modification, an electromagnet may be used instead of the permanent magnet, and a polyphase alternating current may be applied to the electromagnet to generate a kinetic magnetic field.

第１ないし４図を参照して上に説明した実施例は、２つ
の電極領域間で放電が発生し電極の、対の一端で放電を
開始し、そしてその電極対の他端で放電を終了させなけ
ればならないところから「オープンループ」放電装置と
称することができる。オープンループ放電装置では電界
の等電位線はそれ自体では閉じることなくキャビティを
出ていく。電界の矢39は電界ベクトルとして知られてい
る電界勾配を示す。等電位線はこの電界ベクトルに垂直
である。The embodiment described above with reference to FIGS. 1 to 4 creates a discharge between two electrode regions, starting discharge at one end of the pair of electrodes and ending discharge at the other end of the electrode pair. Since it must be done, it can be referred to as an "open loop" discharge device. In an open loop discharge device, the equipotential lines of the electric field exit the cavity without closing themselves. The electric field arrow 39 shows the electric field gradient known as the electric field vector. The equipotential lines are perpendicular to this electric field vector.

第5,6図に示され、「クローズドループ」として知られ
ている掃引型放電装置もある。このクローズドループ放
電装置は新しい放電の連続開始を必要としない。放電
は、無限に長いオープンループシステムと等価であるク
ローズドループの周りを掃引する。電界の等電位線もキ
ャビティの内側で閉じたループを形成する。There is also a swept discharge device shown in Figures 5 and 6 and known as a "closed loop". This closed loop discharge device does not require continuous initiation of new discharges. The discharge sweeps around a closed loop, which is equivalent to an infinitely long open loop system. The equipotential lines of the electric field also form a closed loop inside the cavity.

第5,6図を一緒に参照する。これらの図に示されている
別の実施例においては第１ないし４図の平らな平行の形
状ではなくて同軸円筒形状のものが使用されている。第
5,6図において、円筒キャビティは、第１ないし４図の
表面16,18に対応する２つの同軸表面16T,18Tによって境
界を定められている。表面16Tと18Tとは電気的に絶縁さ
れていて、キャビティ24T中に含まれるガスを通して放
電が発生する。第５図に示すように、軸方向に揃えら
れ、間隔をあけた強磁性円筒62A,B,Cがある。これらの
強磁性円筒は軸方向で揃えられており、相互に間隔をあ
けた永久磁石63Aと63Bとにより磁化される。磁石63Aと6
3Bとは62Bの両端で極が反撥するようにして配置されて
いる。これらの磁石の磁界は第５図に示されており、例
えば磁気円筒62Bはそれの長さにわたって磁石の南極と
して働き、円筒62Aと62Cとは全長にわたり磁石の北極と
して働く。Please refer to FIGS. 5 and 6 together. In the alternative embodiment shown in these figures, a coaxial cylindrical shape is used rather than the flat parallel shapes of FIGS. First
In Figures 5 and 6, the cylindrical cavity is bounded by two coaxial surfaces 16T and 18T, which correspond to the surfaces 16 and 18 of Figures 1 to 4. The surfaces 16T and 18T are electrically insulated from each other, and a discharge is generated through the gas contained in the cavity 24T. As shown in FIG. 5, there are axially aligned, spaced apart ferromagnetic cylinders 62A, B, C. These ferromagnetic cylinders are axially aligned and magnetized by permanent magnets 63A and 63B spaced apart from each other. Magnet 63A and 6
The 3B is arranged so that the poles repel at both ends of the 62B. The magnetic fields of these magnets are shown in FIG. 5, for example, magnetic cylinder 62B acts as the south pole of the magnet over its length, and cylinders 62A and 62C act as the north pole of the magnet over its entire length.

第５図では外側の円筒は内部の詳細を明らかにするため
省略してある。第６図では外側の円筒は示されている。
第６図において、円筒70を構成している強磁性円筒は、
第５図における電極64,65へ接続されている端子68,69の
ための開口を除いては円筒16Tの長さにわたって連続し
ている。In FIG. 5, the outer cylinder is omitted to clarify the internal details. The outer cylinder is shown in FIG.
In FIG. 6, the ferromagnetic cylinder forming the cylinder 70 is
It is continuous over the length of the cylinder 16T, except for the openings for the terminals 68,69 which are connected to the electrodes 64,65 in FIG.

円筒70は円筒62Aと62Cの北極へ円筒62Bの南極を接続す
る磁路の一部分を形成しているので、円筒70は二重の目
的を果している。第５図における半径方向の矢42Tと第
5,6図におけるキャビティ24Tの内側の無印の矢とは、第
６図に示す外側円筒70と円筒62A,62Bそして62Cとの間に
のびる磁界の局所的方向を示している。Cylinder 70 serves a dual purpose because it forms part of the magnetic path that connects the south pole of cylinder 62B to the north pole of cylinders 62A and 62C. The radial arrow 42T and the
The unmarked arrow inside the cavity 24T in FIGS. 5 and 6 indicates the local direction of the magnetic field extending between the outer cylinder 70 and the cylinders 62A, 62B and 62C shown in FIG.

この磁界は第１ないし４図の磁界42と同様である。同じ
ように、矢39Tは第２ないし４図中の39と同様の広域電
界を示している。This magnetic field is similar to the magnetic field 42 of FIGS. Similarly, arrow 39T indicates a wide-area electric field similar to 39 in FIGS.

又、円筒70は４つの水冷パイプ71−74を含んでおり、こ
れらはこの金属円筒と熱的に接触しており、これらのパ
イプは冷却面16Tに対して採用されている冷却を表わし
ている。この場合冷却パイプ71−74から円筒70を通って
最後に表面16Tへ熱は伝導する。同様に、第６図に示す
ように内側の金属円筒62A,62Bそして62Cはパイプ75−78
により冷却される。簡単のためこれらの内側冷却パイプ
は第５図には示されていない。動作において、端子68と
69とへ電圧が加えられると、広域電界39Tと放電とが電
極64と65との間のキャビティ24Tを通して確立される。
これらの電極64,65は直列電極36と直列電極38とに類似
であり、それ故それらは区分けされることができ、そし
て長い電極領域と考えることができる。半径方向の磁界
により放電は急速に回転し、そして磁界が十分に強けれ
ば、第６図に示す角度からみて放電は円を形成する。こ
の放電は第４図の平行形状のものについて既に説明した
プロセスと同じマッケン放電となる。Cylinder 70 also includes four water-cooled pipes 71-74, which are in thermal contact with the metal cylinder, which pipes represent the cooling employed for cooling surface 16T. . In this case heat is conducted from the cooling pipes 71-74 through the cylinder 70 and finally to the surface 16T. Similarly, the inner metal cylinders 62A, 62B and 62C are pipes 75-78 as shown in FIG.
Is cooled by. For simplicity, these inner cooling pipes are not shown in FIG. In operation, with terminal 68
When a voltage is applied to 69, a global electric field 39T and a discharge are established through the cavity 24T between electrodes 64 and 65.
These electrodes 64, 65 are similar to series electrode 36 and series electrode 38, therefore they can be segmented and considered as long electrode areas. The radial magnetic field causes the discharge to rotate rapidly, and if the magnetic field is strong enough, the discharge forms a circle when viewed from the angle shown in FIG. This discharge is the same Macken discharge as the process already described for the parallel shape shown in FIG.

幾つかの要素が協力して掃引放電を実施するということ
を理解することが重要である。これらの要素は放電と関
連しているキャビティの形，ガス，磁界そして電界であ
る。本文中での説明は、従来の放電装置におけるこれら
の要素の相関関係を読者が既に知っているということを
想定している。以下の文献を参考として挙げる。It is important to understand that several elements work together to perform a sweep discharge. These factors are the shape of the cavity, the gas, the magnetic field and the electric field associated with the discharge. The description herein assumes that the reader is already aware of the correlation of these elements in conventional discharge devices. The following documents are listed for reference.

１）エム・イー・ヒルシー，「ガス電子」，第１巻,197
8年，アカデミックプレス，ニューヨーク（第１章と第
２章）； ２）ジエイ・デイ・コバイン「ガス導体」,1957年，ド
ーバーパブリケーションズ，ニューヨーク（第７章と第
８章）； ３）イー・ダブリュー・マクダニエル，「電離ガスにお
ける衝突現象」,1984年，ジョーンウィリーアンドサン
ズ，ニューヨーク（506−512頁）； ４）ジー・フランシス，「ガス中の電離現象」,1960
年，アカデミックプレス，ニューヨーク（123−128
頁）。1) ME Hilsey, “Gas Electronics”, Volume 1, 197
8 years, Academic Press, New York (Chapter 1 and Chapter 2); 2) J.A. Day Cobain "Gas Conductor", 1957, Dover Publications, New York (Chapter 7 and Chapter 8); 3) E. W. McDaniel, "Collision Phenomena in Ionized Gases", 1984, Joan Willie and Sons, New York (pp.506-512); 4) G. Francis, "Ionization Phenomena in Gases," 1960.
Year, Academic Press, New York (123-128
page).

文献1,2は破壊電圧勾配，電圧−電流カーブ，そして環
流放電を安定にする条件を取扱っている。文献3,4は放
電に対する磁界の一般的作用を取扱っている。References 1 and 2 deal with breakdown voltage gradients, voltage-current curves, and conditions for stabilizing the free-wheeling discharge. References 3 and 4 deal with the general effect of magnetic fields on discharges.

これらの４つの要素の協力的特徴はマッケン放電装置を
つくるのに特に重要である。これらの要素のあるものの
パラメータを調整して他の要素についての理想的ではな
い状態を補償することができる。例えば、キャビティの
形と電極とは一緒になって電界の形を調整する。この電
界の形は少なくとも広域掃引放電を形成するものでなけ
ればならないが、理想的には、多くのバラストをつけた
電極を使用し、そして注意深く電極を成形することによ
り電界は放電の広がりを助けていく。しかし、この理想
が十分に達せられない部分は磁界強度の増大により又は
ガス組成もしくは圧力の調整により補償できる。The synergistic features of these four elements are especially important in making a Macken discharge device. The parameters of some of these elements can be adjusted to compensate for non-ideal conditions for other elements. For example, the shape of the cavity and the electrodes together adjust the shape of the electric field. The shape of this electric field must at least form a broad sweep discharge, but ideally an electrode with many ballasts is used, and by carefully shaping the electrode, the electric field helps spread the discharge. To go. However, the portion where this ideal is not sufficiently reached can be compensated by increasing the magnetic field strength or by adjusting the gas composition or pressure.

第５図に示すように、任意の薄い金属円筒面66を磁石63
Aの隣りに、そして薄い金属円筒面67を磁石63Bの隣りに
表面16Tの内側と接触させて置く。これらの円筒66,67は
電極として働き、そして磁界の方向が、例えば、円筒62
Cと62Bとの間で反転するときに生じる異常な不規則性に
回転放電が対処する手段となっている。例えば、電界の
方向と磁界の方向との組合せにより放電が円筒62Cの近
くの領域で時計方向に回転するのであれば、そのときは
この放電が近くの電極66面上に終ることとなろう。それ
から、放電は電極66の他端に再び現われ、そして放電が
円筒62Bの近くの領域を通過するとき反時計方向に回転
する。それから、この放電は電極67近くの縁に終り、そ
してもう一度電極67の遠い方の側に再び現われ、時計方
向に回転し、そして電極65に終る。端子68と69に示され
ているのと同様の外部接続を有する薄い別の電極に内部
電極66,67を取替えることも、又は内部電極66,67を排除
することも、勿論可能である。例えば円筒62Bと62Cとの
間で第５図に示すように磁界の方向に反転があると、そ
の反転が生じているその区域に放電を通らせることは好
ましいことではないが、許容できることであると現在の
ところ考えられている。実験によれば、この領域では磁
気的均質性がないのでこの領域は不安定を生じ勝ちであ
る。磁界の方向の周期的反転は、円筒内の半径方向の磁
界につきものであるということは当業者は認識してい
る。As shown in FIG. 5, an arbitrary thin metal cylindrical surface 66 is attached to the magnet 63.
Next to A and a thin metal cylindrical surface 67 next to magnet 63B is placed in contact with the inside of surface 16T. These cylinders 66, 67 act as electrodes, and the direction of the magnetic field is, for example, cylinder 62.
Rotational discharge is a means of dealing with the unusual irregularities that occur when reversing between C and 62B. For example, if the combination of the direction of the electric field and the direction of the magnetic field causes the discharge to rotate clockwise in the region near the cylinder 62C, then this discharge would end up on the surface of the nearby electrode 66. The discharge then reappears at the other end of electrode 66 and rotates counterclockwise as it passes through the area near cylinder 62B. The discharge then ends at the edge near electrode 67 and then reappears again on the far side of electrode 67, rotates clockwise, and ends at electrode 65. Of course, it is possible to replace the inner electrodes 66,67 with another thin electrode having external connections similar to those shown at terminals 68 and 69, or to eliminate the inner electrodes 66,67. For example, if there is a reversal in the direction of the magnetic field between cylinders 62B and 62C, as shown in FIG. 5, it is not desirable, but acceptable, to have the discharge pass through the area in which the reversal occurs. Currently thought to be. Experiments show that there is no magnetic homogeneity in this region, so this region is prone to instability. Those skilled in the art recognize that the periodic reversal of the direction of the magnetic field is with respect to the radial magnetic field within the cylinder.

第１ないし６図は重要な設計思想を示しているけれど
も、幾つもの変形が可能である。例えば、第７図と第８
図は、第１ないし４図に示すのと同様の全体として矩形
のキャビティへ磁界を供給するため第２図に使用される
磁気回路へなされた設計の変更例を示している。Although FIGS. 1 to 6 show an important design concept, many variations are possible. For example, FIGS. 7 and 8
The figure shows a design modification made to the magnetic circuit used in FIG. 2 to supply a magnetic field to a generally rectangular cavity similar to that shown in FIGS.

第７図は図を複雑にして不明瞭としないため構造体の磁
気回路の要素と、２つか、３つの他の要素を形成する部
品だけを示している。電極、導線、冷却手段、放電など
磁気回路の部分を形成していないものは示していない。
第７図において、添付数字は数字の後にＭを付している
以外は第1,2そして３図の対応要素に付した数字と一致
している。キャビティ24Mは比較的近接して間隔を置き
向い合っている表面16Mと18Mとの間に形成されている。FIG. 7 shows only the elements of the magnetic circuit of the structure and the parts forming two or three other elements in order not to obscure and obscure the figure. Those that do not form a part of the magnetic circuit such as electrodes, conducting wires, cooling means, and discharge are not shown.
In FIG. 7, the attached numbers are the same as the numbers given to the corresponding elements in FIGS. 1, 2, and 3 except that the letter M is attached after the number. Cavity 24M is formed between relatively closely spaced and opposed surfaces 16M and 18M.

支持部材20Mと22Mとはキャビティの壁を形成している。
強磁性（好ましくはスチール）のプレート30Mが第２図
のプレート30と12の両方の作用を果す。同様に、32Mは
第２図の32と14の機能を果す。磁石28Mと26Mとを強磁性
プレート30Mと32Mとの間に配置する。この強磁性プレー
トは磁石が発生した磁界を移して、比較的均一にキャビ
ティ24M内で磁界を分布させる。磁界ベクトルは42Mによ
り示されている。この構造では、第２図と比較してキャ
ビティの内側で磁界ベクトルの方向は反対になっている
ことに注意されたい（両図面とも磁石の北極を上にして
示している）。The support members 20M and 22M form a cavity wall.
Ferromagnetic (preferably steel) plate 30M serves both of plates 30 and 12 of FIG. Similarly, 32M serves the functions of 32 and 14 in FIG. Magnets 28M and 26M are placed between the ferromagnetic plates 30M and 32M. This ferromagnetic plate transfers the magnetic field generated by the magnet and relatively evenly distributes the magnetic field within the cavity 24M. The magnetic field vector is indicated by 42M. Note that in this structure, the direction of the magnetic field vector is reversed inside the cavity as compared to FIG. 2 (both figures are shown with the north pole of the magnet facing up).

第７図において、磁界ベクトルの方向におけるキャビテ
ィの寸法又はディメンジョンは、磁化される方向におけ
る磁石の寸法又はディメンジョンとほぼ同じである。も
し磁石をキャビティよりも厚くか又は薄くしたいのであ
れば、プレート30Mと32Mのどちらかに高さの差を吸収す
るようにさせるか、プレート30Mと32Mに沿って磁石を配
置し、そして磁界をプレート30Mと32M内へ移す磁気結合
要素としてスチールプレートを使用してもよい。In FIG. 7, the dimension or dimension of the cavity in the direction of the magnetic field vector is approximately the same as the dimension or dimension of the magnet in the direction of magnetisation. If you want the magnet to be thicker or thinner than the cavity, either plate 30M and 32M should be made to absorb the height difference, or the magnet should be placed along plates 30M and 32M and the magnetic field Steel plates may be used as magnetic coupling elements to transfer into plates 30M and 32M.

第８図は磁気回路に関係する構造の要素だけを示してい
る。第８図は、第２図と非常によく似ている。対応する
部品には同じ番号にＰを添えて示している。大きな例外
は、磁石26とプレート12とを取除いたことである。誘電
体表面16はプレート30Pに直接配置されている。第８図
において、プレート14Pは構造的に適当な材料からつく
ることができるが、スチールはキャビティ24P内の磁界
を非常に均一にする性格があるので好ましい材料であ
る。14Pにスチールを使うのであれば、磁気的「短絡」
を防止するため、14Pと33P又は31Pの間に適当な間隙を
設けることに、注意すべきである。FIG. 8 shows only the structural elements related to the magnetic circuit. FIG. 8 is very similar to FIG. Corresponding parts are shown with the same numbers with a P attached. The major exception is the removal of magnet 26 and plate 12. Dielectric surface 16 is located directly on plate 30P. In FIG. 8, plate 14P can be constructed of any structurally suitable material, but steel is the preferred material because of its very uniform magnetic field in cavity 24P. If you use steel for 14P, magnetic "short circuit"
Care should be taken to provide a suitable gap between 14P and 33P or 31P to prevent this.

第１ないし８図に示した磁気回路は同じ基本的要素と目
的とを有している。基本的目的は、（１）磁石の２つの
極の間にリラクタンスの小さい（透磁率の高い）路を確
立することであり、（その路の唯一の間隙はキャビティ
であり、そしてキャビティと組合せた非磁性材料であ
る）；（２）向き合っている表面に対しほぼ垂直に向け
てキャビティ内に磁界を一様に分布させることであり；
（３）キャビティ内に十分に強力な磁界を確立すること
である。これらの目的を達成させるため磁気回路の設計
はすべて次の事項を含んでいる。すなわち、（１）少な
くとも１つの磁石；（２）キャビティ；（３）キャビテ
ィの比較的接近して間隙を置いて向き合っている表面を
裏打ちしている強磁性部材；（４）キャビティ内の磁界
を実質的に減少することとなる強磁性裏打部材への磁気
的な「短絡」接続を回避すること；（５）磁気回路を完
全にするのに必要とされる強磁性帰路をつくる磁気回路
の設計。The magnetic circuit shown in FIGS. 1 to 8 has the same basic elements and purpose. The basic objective is (1) to establish a low reluctance (high permeability) path between the two poles of the magnet (the only gap in that path is the cavity, and in combination with the cavity (2) non-magnetic material); (2) to evenly distribute the magnetic field in the cavity, oriented approximately perpendicular to the facing surfaces;
(3) To establish a sufficiently strong magnetic field in the cavity. To achieve these goals, magnetic circuit design includes all of the following: That is, (1) at least one magnet; (2) cavity; (3) a ferromagnetic member lining the relatively closely spaced and facing surfaces of the cavity; (4) the magnetic field in the cavity. Avoiding magnetic "short-circuit" connections to the ferromagnetic backing that would be substantially reduced; (5) Designing the magnetic circuit to create the ferromagnetic return needed to complete the magnetic circuit. .

本発明の教示するところに従って他にも多くの変形があ
り得る。例えば、円筒軸を放電58Cと58Eに示す矢に平行
にした円筒の形に、第３図の平らな形のキャビティを包
み込むような形の円筒にしてもよい。更に別の形の円筒
としては、第５図の磁石63A,63Bを第６図の円筒70と16T
との間に置いた円筒磁石に取替えた円筒としてもよい。
これらの円筒磁石は周期的に反転する極性で半径方向に
磁化されて、第5,6図に示すのと同じ磁界分布をつく
る。磁束のための帰路を効果的に形成するには強磁性円
筒62A,62B,62Cを１つの連続した強磁性円筒で置替える
ことが必要となろう。既に述べたように、ここに説明し
た装置は２つのクラスに分けることができる。第5,6に
図に示す設計は「クローズループ放電装置」と呼ぶクラ
スを代表している。第１ないし４図は「オープンループ
放電装置」と呼ぶクラスを代表している。クローズルー
プ放電装置の変形はいくつかある。例えば、第７図と同
じ２つの構造を、一方を他方の上にのせて組合せること
ができる。２つのキャビティの間の中間プレート上で磁
極を同じにして２つの構造体の向きを定め、そして中間
プレートは完全な放電体のコーティングを有している。
外部包囲体で部分真空を維持していて、放電が先ず上部
キャビティを掃引し、それから下部キャビティに入り込
んでループを完成するようにして連続したループを形成
することができる。Many other variations are possible in accordance with the teachings of the present invention. For example, the cylindrical shape may be such that the cylindrical axis is parallel to the arrows shown in the discharges 58C and 58E, and the flat shape cavity shown in FIG. 3 is enclosed. As another type of cylinder, magnets 63A and 63B shown in FIG. 5 may be used as cylinders 70 and 16T shown in FIG.
The cylinder may be replaced with a cylindrical magnet placed between and.
These cylindrical magnets are magnetized radially with a periodically reversing polarity, producing the same magnetic field distribution as shown in FIGS. It may be necessary to replace the ferromagnetic cylinders 62A, 62B, 62C with one continuous ferromagnetic cylinder to effectively form a return path for the magnetic flux. As already mentioned, the devices described here can be divided into two classes. The designs shown in Figures 5 and 6 represent a class called "closed loop discharger". 1 to 4 represent a class called "open loop discharge device". There are several variants of the closed loop discharge device. For example, the same two structures as in FIG. 7 can be combined with one on top of the other. The two poles are oriented with the same poles on the intermediate plate between the two cavities, and the intermediate plate has a complete discharge body coating.
Maintaining a partial vacuum in the outer enclosure, the discharge can sweep the upper cavity first and then into the lower cavity to complete the loop, forming a continuous loop.

別の変形は第１ないし４図と同様の装置であり、側壁20
に平行な線に沿うキャビティの中間において磁界方向に
反転がある。磁界の掃引方向は、この磁気反転ラインの
両側で反転している。たとえ電界の等電位線がオープン
ループであったとしても、２つの掃引方向が反対である
のでその放電装置は閉じたループシステムにかなり似て
いる。予備実験ではこの設計は安定性でかなり問題があ
る。Another variant is a device similar to that of FIGS.
There is a reversal in the magnetic field direction in the middle of the cavity along a line parallel to. The sweep direction of the magnetic field is reversed on both sides of this magnetic reversal line. Even if the equipotential lines of the electric field are open loop, the discharge device is quite similar to a closed loop system because the two sweep directions are opposite. In preliminary experiments, this design has considerable stability problems.

種々のキャビティ構造がつくられており、そしてレーザ
ーとして十分作動している。少なくともCO₂レーザーの
テストにおいては放電が第４図に示すマッケン放電状態
に到達するか、又は放電状態に部分的に移行していると
いえる状態で少なくとも作動してレーザー光を放射して
いる。CO₂レーザーで普通使用される範囲の圧力と電流
で、個別に動いている放電からマッケン放電への移行は
突然であり、そして目覚しくさえある。移行よりも僅か
に磁界強度が低いと放電は目にはスムーズに映るけれど
も、オシロスコープを使用して個々の電極への電流を監
視すると電流の変動が見られる。この電流変動の振巾は
始動器からの距離が増大するにつれて増大していって、
ついには変動はある最大レベルに到達する。それらはア
ークとなって現われるのではなく、広がってはいない個
別のグロー放電となって現われる。もしガスがレーザー
ガスであってマッケン放電への移行に至らない状態であ
れば、放電で励起したガスは増巾を呈しないか、比較的
低い増巾を呈するかである。Various cavity structures have been made and operate well as lasers. At least in the test of the CO ₂ laser, the discharge reaches the McKen discharge state shown in FIG. 4, or at least operates in a state in which it can be said that the discharge state is partially shifted to emit laser light. At pressures and currents in the range commonly used for CO ₂ lasers, the transition from individually moving discharges to McKen discharges is sudden and even remarkable. Although the discharge appears smooth to the eye if the magnetic field strength is slightly lower than the transition, current fluctuations are seen when the current to individual electrodes is monitored using an oscilloscope. The amplitude of this current fluctuation increases as the distance from the starter increases,
Eventually the fluctuation reaches some maximum level. They do not appear as arcs, but as individual glow discharges that do not spread. If the gas is a laser gas and does not lead to a transition to McKen discharge, the gas excited by the discharge does not exhibit amplification or a relatively low amplification.

磁界強度が移行臨界値以上の値に増大すると、放電の様
子が突然変化する。放電からの光出力はその前の大きさ
から低下し、放電電圧は（多分５−10％）増大し、そし
て電流変動の振巾は始動器からの距離が遠くなるにつれ
て明確な減少を示して遂には最小の変動レベルとなる。
非常に目覚しいこととして、レーザーガスでは増巾は飛
躍し、適当な反射ミラーがあるとレーザー光を発生しな
い状態からレーザー光を発生する状態へと移る。When the magnetic field strength increases above the transition threshold, the state of discharge suddenly changes. The light output from the discharge decreased from its previous magnitude, the discharge voltage increased (perhaps 5-10%), and the amplitude of the current fluctuation showed a clear decrease with distance from the starter. Eventually, it will be the minimum fluctuation level.
What is very remarkable is that laser gas makes a dramatic jump, and if there is a suitable reflection mirror, it shifts from the state of not producing laser light to the state of producing laser light.

このシャープな移行は、他の放電不安定要因が最小とな
っている最適状態で生じる。それ程最適な状態でない状
態では、２つの状態の間に移行域があり、その場合放電
の一部分がマッケン放電へ部分的に移行するか、又は多
分マッケン放電と個別に動く放電状態との間を急激に移
り変ることとなる。他の不安定要因が電流変動を持込
み、部分的にマッケン放電への移行を妨げる。このマッ
ケン放電への移行状態では、かなり低い磁界強度での放
電分布に比して、比較的一様に放電が広がって、ほぼ均
質となっているものと考えられる。レーザーガスについ
て、マッケン放電への移行の開始が明確に認められるの
は、ある範囲にわたって掃引方向にほぼ平行な方向から
磁界強度を監視していくとき、レーザー増巾の増大が認
められるときである。This sharp transition occurs in the optimum state where other discharge instability factors are minimized. In a less-optimal state, there is a transition zone between the two states, in which case some of the discharge partially transitions to McKen discharge, or perhaps abruptly between McKen discharge and individually moving discharge states. It will change to. Other instability factors bring in current fluctuations and partially hinder the transition to McKen discharge. In this state of transition to the Macken's discharge, it is considered that the discharge spreads relatively uniformly and is almost homogeneous compared to the discharge distribution at a considerably low magnetic field strength. For the laser gas, the onset of the transition to the Macken discharge is clearly observed when the laser amplification is observed to increase when the magnetic field strength is monitored from a direction almost parallel to the sweep direction over a range. .

マッケン放電状態に到達するとき放電を安定化させるよ
う作用する条件を考察する。矩形キャビティについて説
明をするが、他の形状のキャビティにも等しく適用でき
る。矩形キャビティは３つの寸法、又はディメンジヨン
を有しており、これらは（ｅ）電界に平行なデイメンジ
ヨン；（ｂ）磁界に平行なデイメンジヨン；そして
（ｓ）掃引方向に平行なデイメンジヨンである。この例
では（ｂ）が（ｅ）よりもはるかに小さく、そして
（ｅ）は（ｓ）よりも小さい。Consider the conditions that act to stabilize the discharge when reaching the McKen discharge state. Although a rectangular cavity is described, it is equally applicable to other shaped cavities. The rectangular cavity has three dimensions, or dimensions, (e) a dimension parallel to the electric field; (b) a dimension parallel to the magnetic field; and (s) a dimension parallel to the sweep direction. In this example, (b) is much smaller than (e), and (e) is smaller than (s).

ガス内の電流を制限するバラスト手段を講じてさえあれ
ば、放電は（ｅ）方向では安定しており、問題はない。
放電は帯電粒子の周りを動いて、（ｅ）方向において安
定状態を形成するのに必要とされる局所電圧勾配と空間
電荷をつくる。（ｂ）方向においてはキャビティの大き
さとガスの圧力とは放電を安定するように選択されてい
る。この形態の安定化を普通「壁安定化」と称する。
（ｓ）デイメンジヨンは大きくとられている。The discharge is stable in the direction (e) and is not a problem as long as the ballast means for limiting the current in the gas is taken.
The discharge moves around the charged particles, creating a local voltage gradient and space charge needed to form a stable state in the (e) direction. In the (b) direction, the size of the cavity and the pressure of the gas are selected to stabilize the discharge. This form of stabilization is commonly referred to as "wall stabilization".
(S) The dimension is large.

電界のポテンシャルはこの（ｓ）方向に平行にかなり均
一である。（ｓ）方向に放電を分散させる手段を講じな
くても、放電の（ｓ）方向の巾は（ｂ）のデイメンジヨ
ンにほぼ等しく、通常（ｓ）デイメンジヨンにおいてさ
まよう丸い放電を形成する。（ｓ）デイメンジヨンにお
ける放電の大きさを制限しているのは、ガスの加熱が狭
いチャンネルにおける放電電圧勾配を低下させているか
らである。これを放電の熱的閉じ込めとして参照する。The electric field potential is fairly uniform parallel to this (s) direction. The width of the discharge in the (s) direction is almost equal to the dimension in (b), and a wandering round discharge is normally formed in the (s) dimension, even if no means for dispersing the discharge in the (s) direction is taken. (S) The size of the discharge in the dimension is limited because the heating of the gas reduces the discharge voltage gradient in the narrow channel. This is referred to as the thermal confinement of the discharge.

従って目的は、この熱的閉じ込めを克服するための新し
い力を（ｓ）デイメンジヨンに持込むことである。磁界
を利用してこの力を放電に加える。例えば、計算による
と約40ガウスでその力は、ガスの熱的時定数に等しい時
間が経つと、放電が１つの壁分離距離（ｂ）だけ動く速
さで、ガスを通して放電を動かすだけの大きさとなる。
この状態ではまだ熱的閉じ込めはあるが、その効果は減
少している。The purpose is therefore to bring new forces to the (s) dimension to overcome this thermal confinement. A magnetic field is used to apply this force to the discharge. For example, according to calculations, about 40 gauss, the force is large enough to move the discharge through the gas at a rate that the discharge moves one wall separation distance (b) over time, which is equal to the thermal time constant of the gas. It becomes
In this state there is still thermal confinement, but its effect is diminished.

強い磁界では、放電にかかる磁力が熱的閉じ込め力を越
え、そして（ｓ）デイメンジヨンに対し新しい安定状態
をつくる。この新しい状態により放電は比較的巾広とな
り、そして均一となる。すべての３つのデイメンジヨン
が安定化される。In a strong magnetic field, the magnetic force on the discharge exceeds the thermal confinement force and creates a new stable state for the (s) dimension. This new condition makes the discharge relatively wide and uniform. All three dimensions are stabilized.

他の放電不安定要因を持込むことなくこの安定化が達成
されているということを認めることが重要である。プラ
ズマと相互作用する磁界が幾つかの不安定モードを発生
することが知られている。（ジー・フランシス，「ガス
中の電離現象」,1960年アカデミックプレスインコーポ
レーテッド・ニューヨーク（第７章）参照）。これらの
問題は、向き合っている表面（そして強磁性バッキング
プレート）をプラズマへ接近させることにより、少なく
とも部分的には、明らかに排除できる。It is important to acknowledge that this stabilization has been achieved without introducing other discharge instability factors. It is known that the magnetic field that interacts with the plasma produces several unstable modes. (See G. Francis, "Ionization in Gas," 1960 Academic Press, Inc. New York (Chapter 7)). These problems can be clearly eliminated, at least in part, by bringing the facing surfaces (and the ferromagnetic backing plate) into the plasma.

物理的説明は放電にしぼってしてきたが、CO₂レーザー
やCOレーザーのようなある種のレーザーでは、放電加熱
ガスからの熱除去率を増大することが真の目的である。
これは冷却した、接近している表面によって行なう。熱
的に制限されない他の型式のガスレーザーは、レーザー
利得を上げる重要なステップを遂行するのに壁に依存し
ている。それ故、レーザー装置では向き合っている表面
とキャビティとは同時に他の役割を果すのが普通であ
る。Although the physical explanation has focused on electrical discharges, for some lasers such as CO ₂ lasers and CO lasers, the true goal is to increase the rate of heat removal from the discharge heating gas.
This is done with a cooled, approaching surface. Other types of gas lasers that are not thermally limited rely on walls to perform the important steps of increasing laser gain. Therefore, in a laser device, the facing surface and the cavity usually play other roles at the same time.

上の説明はこの技術をCO₂レーザーに利用した場合につ
いてしているのであるが、ここに説明しそして図示した
技術と構造とは設計的に融通性がある。これまでは利用
できなかった形のキャビティに放電を満たすこたができ
るようにしたからである。更に、放電の均質効果は、こ
れまで特別の電離方法を必要とした高圧レーザーにおけ
る適用を可能としている。While the above description refers to the use of this technique in a CO ₂ laser, the techniques and structures described and illustrated herein are flexible in design. This is because it is possible to fill the cavity with a shape that could not be used up until now. Furthermore, the homogenous effect of the discharge allows its application in high-pressure lasers, which heretofore required special ionization methods.

大抵の紫外線レーザーにおいて熱除去の重要性は著しく
低減され、それ故第１面と第２面とにより境界を定めら
れたアスペクト比の大きいキャビティを取扱う必要はも
はやなくなった。例えば、紫外線パルスレーザーを円筒
管を用いてつくることもでき、その場合その円筒管は円
筒の長さに沿ってのび、そして円筒の軸を横切って相互
に向き合っている円筒壁の近くに配置された２つの平行
な長い電極領域を含んでいる。これらの２つの平行な長
い電極領域は巾広の電界を形成し、磁界は電界ベクトル
と円筒の長さとに対し垂直にのびる。これらの電極を体
勢するパルス電源が必要な電気的励起を与える。In most UV lasers, the importance of heat removal is significantly reduced, so it is no longer necessary to deal with high aspect ratio cavities bounded by the first and second faces. For example, the ultraviolet pulsed laser may be made using a cylindrical tube, which extends along the length of the cylinder and is positioned near the mutually facing cylindrical walls across the axis of the cylinder. It also includes two parallel long electrode areas. These two parallel long electrode areas form a wide electric field and the magnetic field extends perpendicular to the electric field vector and the length of the cylinder. A pulsed power supply biasing these electrodes provides the necessary electrical excitation.

最後にいくつかの重要な技術用語を明らかにしておく。
「２つの向い合う表面」とはこれらの表面の間に物理的
不連続がなければならないということを必ずしも意味し
ない。又、各層に「２つの向い合う表面」を有する層を
幾つも積上げた形で本発明を実施することもできる。Finally, some important technical terms are clarified.
"Two facing surfaces" does not necessarily mean that there must be a physical discontinuity between these surfaces. It is also possible to practice the invention in the form of stacking several layers, each layer having "two facing surfaces".

本発明において向い合う表面は十分に電気的に絶縁性で
あり、これらの表面に平行な印加電圧はガスを通して放
電を生じる。導体の分割片を十分に短かくして、そして
相互に電気的に絶縁していれば放電キャビティに使用で
きる。これらの分割片は放電に対して電気的に絶縁であ
るので、「有効に電気的に絶縁性」であるという一例と
なる。In the present invention, the facing surfaces are sufficiently electrically insulative that an applied voltage parallel to these surfaces causes a discharge through the gas. The conductor pieces can be used in a discharge cavity if they are sufficiently short and electrically insulated from each other. Since these divided pieces are electrically insulated against discharge, they are an example of being “effectively electrically insulated”.

２つの向き合っている表面は平行でなくてもよい、つま
り一様に間隔があけられていなくてもよい。それ故、こ
れらの表面について一般的に述べているときは向き合う
表面の間の中間を参照していることもある。つまり、２
つの向き合う表面の中間の仮想面を説明していることも
ある。磁界の要件としてはそれが向き合う表面に垂直で
あるのが好ましい。しかし、その場所での中間面に対し
少なくとも磁界の主ベクトル成分が垂直であれば足り
る。The two facing surfaces need not be parallel, i.e. not evenly spaced. Therefore, when referring generally to these surfaces, one may refer to the middle between opposing surfaces. That is, 2
It may also describe an imaginary plane midway between two facing surfaces. The magnetic field requirement is preferably perpendicular to the surface it faces. However, it is sufficient if at least the main vector component of the magnetic field is perpendicular to the intermediate surface at that location.

中間面に対して平行な磁界のベクトル成分は好ましくな
い効果を有し、磁界強度の損失であるが、容認できる。
「磁石」という語は、永久磁石と電磁石とを含むどのよ
うな磁界源をも示すものとして使用されている。実施例
で永久磁石を使用しているがこれは例示に過ぎない。
「磁路」と「短絡」とはどちらも電気回路との類似を示
している。バラスト抵抗又は「バラスト」の使用は、バ
ラストチューブ、トランジスタ又は電流制限電源のよう
な電流制限手段を表しているものとして理解すべきであ
る。「異常グロー」と呼ばれる電流密度でのカソードラ
ン（cathode run）すらも一種の分布バラストである。
単一の長い電極でも多くのバラストをつけた電極と均等
の効果を生じる抵抗層を観念的には有することもある。A vector component of the magnetic field parallel to the intermediate plane has an unfavorable effect, a loss of magnetic field strength, which is acceptable.
The term "magnet" is used to refer to any magnetic field source, including permanent magnets and electromagnets. Although a permanent magnet is used in the embodiment, this is merely an example.
Both "magnetic path" and "short circuit" have similarities to an electric circuit. The use of ballast resistors or "ballasts" should be understood as referring to current limiting means such as ballast tubes, transistors or current limiting power supplies. Even a cathode run at a current density called "abnormal glow" is a type of distributed ballast.
Even a single long electrode may ideally have a resistive layer that produces the same effect as an electrode with many ballasts.

好ましい実施例を説明したが、本発明の技術的思想の範
囲内で種々変更することができる。Although the preferred embodiment has been described, various modifications can be made within the scope of the technical idea of the present invention.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第１図は本発明のレーザー装置の磁気的に高められたレ
ーザー増巾部の展開図である。 第２図は第１図の線２−２に沿うレーザー増巾部の断面
図である。 第３図は第１図の線３−３に沿う断面図で、個別の動く
放電を保持する磁界強度における放電の流れパターンを
概略示している。 第４図は、個別の放電を排しマッケン放電を形成する磁
界強度における放電を概略示している、第３図と同様の
断面図である。 第５図は、クローズループの放電を利用する磁気的に高
められたレーザー増巾部の別の実施例の切開斜視図であ
る。 第６図は、第５図の線６−６に沿って切断し、矢視方向
に見た第５図のレーザー増巾部の断面図である。 第７図は、磁石を挿入した設計の磁気回路を有する別の
実施例の斜視図である。 第８図は一層の磁石を使用した設計の磁気回路を有する
別の実施例の斜視図である。 図中： 10:マッケン放電増巾部 12;14:プレート 16;18:向き合う表面 20;22:支持部材 24:キャビティ 26;28:永久磁石 34A;34B;37A;37B:冷却チャンネル 36A……36K;38A……38K:電極 40:補助電極 42:磁界 54;56:レーザーミラー 58A……58K:個別の放電 63A;63B:永久磁石 64;65:電極FIG. 1 is a development view of a magnetically enhanced laser broadening portion of the laser device of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view of the laser widening portion taken along the line 2-2 in FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line 3-3 of FIG. 1 and schematically shows a discharge flow pattern at a magnetic field strength that holds an individual moving discharge. FIG. 4 is a cross-sectional view similar to FIG. 3, schematically showing the discharge at a magnetic field strength that discharges individual discharges to form Macken's discharge. FIG. 5 is a cutaway perspective view of another embodiment of a magnetically enhanced laser broadening utilizing closed loop discharge. 6 is a cross-sectional view of the laser widening portion of FIG. 5 taken along the line 6-6 of FIG. 5 and viewed in the direction of the arrow. FIG. 7 is a perspective view of another embodiment having a magnetic circuit with a magnet inserted. FIG. 8 is a perspective view of another embodiment having a magnetic circuit designed with one layer of magnets. In the figure: 10: McKen discharge amplification part 12; 14: Plate 16; 18: Facing surfaces 20; 22: Support member 24: Cavity 26; 28: Permanent magnet 34A; 34B; 37A; 37B: Cooling channel 36A …… 36K 38A …… 38K: Electrode 40: Auxiliary electrode 42: Magnetic field 54; 56: Laser mirror 58A …… 58K: Individual discharge 63A; 63B: Permanent magnet 64; 65: Electrode

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】レーザー装置のレーザー増巾部を形成する
方法において、 ２つの電気絶縁性の表面をそれらの寸法に比べて小さな
間隔で対向させることにより、それらの間にガスが充満
したキャビティを形成し、 前記表面にほぼ垂直な方向に磁界を発生させ、 ガス充満キャビディ内に放電を連続的に形成させて、こ
の放電がガスを加熱すると共に磁界と相互作用すること
によりガス中をほぼ前記表面間を延びる方向に移動して
表面の間隔に比べて広い領域に拡がるようにし、 前記表面の少くとも１つを冷却してガスから熱伝導によ
り熱を除去することにより光利得を有する状態を前記ガ
ス中に確立する ステップより成ることを特徴とする方法。1. A method of forming a laser broadening portion of a laser device, wherein two electrically insulating surfaces are opposed at a small distance compared to their size, thereby forming a gas-filled cavity between them. Forming a magnetic field in a direction substantially perpendicular to the surface to continuously form an electric discharge in the gas-filled cavities, which heats the gas and interacts with the magnetic field to cause the electric field to substantially By moving at least one of the surfaces by moving in a direction that extends between the surfaces so as to spread over a wider area than the distance between the surfaces and removing heat from the gas by heat conduction, a state having optical gain is obtained. A method comprising the step of establishing in said gas. 【請求項２】閉じた包囲体内にガスを充満させた連続波
レーザー装置において、 レーザー増巾部が、 ガスの少なくとも一部を包囲するキャビティを画定する
電気絶縁性の第１及び第２の表面であって、表面の寸法
に比べて小さい間隔で対向させた第１及び第２の表面
と、 キャビティ内において２つの細長い電極領域を形成する
少なくとも２つの電極であって、電極領域の方向をそれ
らの間の電界ベクトルが第１及び第２の表面とほぼ平行
になるようにした電極と、 電極に結合されてキャビティ内のガス中に少なくとも１
つの放電を形成させる手段と、 第１及び第２の表面のうちの少なくとも一方を冷却する
ことにより放電により加熱されるガスから熱を除去する
主要な冷却部を構成する手段と、 第１及び第２の表面の局所的表面部にほぼ垂直な磁界を
発生させる手段とよりなり、 磁界の強さが、電界ベクトルと磁界の両方に垂直な方向
に放電を連続的に掃引して押し拡げることによりガスの
冷却効率及び増巾部の光利得を改善するに充分な値であ
ることを特徴とするレーザー装置。2. A continuous wave laser device having a closed enclosure filled with a gas, wherein the laser broadening section defines first and second electrically insulating surfaces defining a cavity surrounding at least a portion of the gas. The first and second surfaces facing each other with a small distance compared to the size of the surface, and at least two electrodes forming two elongated electrode areas in the cavity, the directions of the electrode areas being An electrode in which the electric field vector between the electrodes is substantially parallel to the first and second surfaces, and at least 1 in the gas in the cavity coupled to the electrode
Means for forming two electric discharges, means for forming a main cooling unit for removing heat from the gas heated by the electric discharge by cooling at least one of the first and second surfaces, 2 is a means for generating a magnetic field almost perpendicular to the local surface of the surface of the second surface, and the strength of the magnetic field is obtained by continuously sweeping and expanding the discharge in a direction perpendicular to both the electric field vector and the magnetic field. A laser device characterized in that the values are sufficient to improve the gas cooling efficiency and the optical gain of the widened portion. 【請求項３】２つの細長い電極領域の内の少くとも一方
が、それぞれにバラストを設けた複数の電極より成るこ
とを特徴とする特許請求の範囲第２項のレーザー装置。3. A laser device according to claim 2 wherein at least one of the two elongated electrode regions comprises a plurality of electrodes each provided with ballast.