JP3847329B2 - パルス放電装置 - Google Patents

Description

本発明は、パルス電源によって狭幅で大電流のパルスを発生し、このパルスでエキシマレーザ装置等のレーザヘッドを励起することでレーザ発光を得るパルス放電装置に係り、特にパルス電源の最終出力段のコンデンサから可飽和リアクトルを通して供給するパルス電流によってレーザヘッドに放電を得るためのパルス放電回路に関する。

図３にパルス放電装置の例を示す。パルス電源は、パルス発生回路１と充電器２と昇圧・磁気パルス圧縮回路３で構成される。

パルス発生回路１は、電力用の初段コンデンサＣ０を設け、このコンデンサＣ０を充電器２により初期充電しておき、半導体スイッチＳＷのオン制御でコンデンサＣ０から可飽和リアクトルＳＩ０を経て昇圧・磁気パルス圧縮回路３の入力段パルストランスＰＴにパルス電流Ｉ₀を供給する。

昇圧・磁気パルス圧縮回路３は、パルストランスＰＴで昇圧したパルス電流Ｉ₁でコンデンサＣ１を高圧充電し、このコンデンサＣ１の充電電圧で可飽和リアクトルＳＩ１が磁気スイッチ動作することによりコンデンサＣ１からコンデンサＣ２への狭幅のパルス電流Ｉ₂を発生させてコンデンサＣ２を高圧充電し、さらにコンデンサＣ２の充電電圧で可飽和リアクトルＳＩ２が磁気スイッチ動作することによりコンデンサＣ２からエキシマレーザなどの負荷４に狭幅・高電圧のパルス電流Ｉ_L1を供給する。

負荷４は、放電電極（主電極と予備電離電極）ＬＨと並列にピーキングコンデンサＣＰを持ち、パルス電源からのパルス電流Ｉ_L1によってピーキングコンデンサＣＰが高圧充電され、この電圧により放電電極ＬＨに放電電流Ｉ_Rを流すことでレーザ発光を得る。

なお、パルス電源の構成は、種々のものがある。例えば、可飽和リアクトルＳＩ１、ＳＩ２とコンデンサＣ１、Ｃ２の２段縦続回路は、それぞれの段で磁気パルス圧縮動作によりパルス幅を狭くするもので、必要に応じて段数を増した構成にされる。また、パルストランスＰＴの部分を可飽和トランスとする構成やパルストランスと可飽和トランスの２段構成とするものがある。さらに、半導体スイッチＳＷに代えて、放電管を用いたものもある（例えば、特許文献１参照）。
特開昭６３−５５４５４号公報

（第１の課題）
従来の装置において、パルス電源の最終出力段のコンデンサＣ２から可飽和リアクトルＳＩ２を通して負荷４の放電電極ＬＨに放電する放電回路の各部波形は、例えば図４に示す各部波形になる。

この各部波形になる回路条件は、コンデンサＣ２とピーキングコンデンサＣＰが同じ容量であって、ピーキングコンデンサＣＰと放電電極ＬＨの間に接続導体が持つインダクタンスＬＰが介在し、放電電極ＬＨの放電抵抗が極めて小さい場合である。

同図中の電流Ｉ_L1は図３のＡ点の図示矢印方向を正方向とする電流波形であり、電流Ｉ_Rは図３の放電電極ＬＨへの放電電流になるＢ点の電流波形である。また、電圧Ｖ_C2はコンデンサＣ２の電圧波形であり、電圧Ｖ_CPはピーキングコンデンサＣＰの電圧波形である。

放電電流Ｉ_Rは、ピーキングコンデンサ電圧Ｖ_CPが−１５ｋＶ程度に達したときに放電電極ＬＨの放電で流れ始め、主にインダクタンスＬＰとピーキングコンデンサＣＰの容量及び放電電極の放電抵抗の直列共振回路による高い周波数の振動電流を発生し、−２０ｋＡ程度のピーク電流を有して零に収束する。

ここで、レーザ装置でのレーザ光発生には、発光時間が長く、レーザヘッド内での光の反射回数が多いほどレーザ光が狭帯域化され、光品位を高めることができる。

この点、従来の放電回路では、コンデンサＣ２のエネルギーがピーキングコンデンサＣＰに殆ど転送された状態で、ピーキングコンデンサＣＰの充電電荷を電圧源としてレーザヘッドの小さいインダクタンスＬＰと放電抵抗で振動電流を発生させる。このため、放電電流Ｉ_Rはピーク点の前後を含めて高い周波数の振動電流になり、そのパルス幅が５０ｎｓ程度の狭幅になってしまう。これではレーザヘッドでの発光時間が短くなり、狭帯域化されたレーザ光を得るのが難しくなる。

逆に、放電電流Ｉ_Rのパルス幅が長くなり過ぎると、放電形態がアーク放電になり易く、エネルギーが発光に使われず、熱として消費され、発光効率が下がってしまう。

本発明の目的は、発光効率を下げることなく、しかもレーザヘッドでの発光時間を長くして狭帯域化されたレーザ発光を得ることができるパルス放電装置を提供することにある。

（第２の課題）
図４の電圧ＶＣＰは、コンデンサＣ２から可飽和リアクトルＳＩ２の飽和動作によるピーキングコンデンサＣＰへのエネルギー転送によってなされ、両コンデンサＣ２とＣＰが同容量になるため、電圧Ｖ_CPは電圧Ｖ_C2とほぼ同じ傾斜を持つ電圧変化及びピークレベルになる。このときのエネルギー転送時間は、次式の時定数τによって決まる。
［数１］
τ＝π（ＬＣ）^1/2 …（１）
Ｌ：可飽和リアクトルＳＩ２の飽和動作時のインダクタンス
Ｃ：コンデンサＣ２とピーキングコンデンサＣＰの合成容量
この転送時間になる電圧Ｖ_CPの立ち上がりでは、放電電極の放電開始電圧（＝−１５ｋＶ）に達するのに図４では１５０ｎｓ程度を必要とする。

すなわち、ピーキングコンデンサＣＰの電圧Ｖ_CPは、コンデンサＣ２の充電電圧とほぼ同じ時間変化率でほぼ同じレベルにまでしか上昇させることができず、放電電極ＬＨが放電するのに必要な十分高い電界をかけるのが難しくなる。

この緩慢な電圧変化と低い電圧では、レーザヘッドでの発光出力を弱めてしまう。

本発明の目的は、レーザヘッドの放電電極が放電するのに十分な高い電圧を印加して、その発光出力を高めることができるパルス放電装置を提供することにある。

本発明は、放電電極に直列にＬＣ並列共振の高周波タンク回路を設けることにより放電電流を方形波状にし、これにより放電電流のパルス幅を適当に広げ、レーザヘッドでの発光時間を長くして狭帯域化されたレーザ発光が得られるようにしたもので、以下の構成を特徴とする。

（１）パルス電源の最終出力段コンデンサから可飽和リアクトルの飽和動作でレーザヘッドにパルス電流を供給し、このパルス電流によりレーザヘッドのピーキングコンデンサの充電電圧が放電電極の放電開始電圧に達することで放電させてレーザ発光を得るパルス放電装置において、
前記放電電極に直列接続でＬＣ並列共振の高周波タンク回路を設けて放電電流を方形波状にしたことを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、放電電極に直列接続でＬＣ並列共振の高周波タンク回路を設けることにより放電電流を方形波状にしたため、放電電流のパルス幅を適当に広げ、放電による発光時間が長くなり、狭帯域化されたレーザ発光を得ることができる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の実施形態を示すパルス放電装置の放電回路図（ａ）と各部波形（ｂ）である。

同図の放電回路が従来の放電回路と異なる部分は、回路定数を変えた点にある。まず、パルス電源の最終出力段になるコンデンサＣ２の容量に比べてピーキングコンデンサＣＰの容量を小容量（本実施形態では１／２）にしている。

これにより、前記（１）式の合成容量Ｃが小さくなり、コンデンサＣ２からピーキングコンデンサＣＰへの転送時間τが小さくなる。すなわち、ピーキングコンデンサＣＰの電圧Ｖ_CPの立ち上がりが急峻になり、コンデンサＣ２の充電電圧に比べてピーキングコンデンサＣＰの充電電圧をその容量比に反比例して高くすることができる。

図１の（ｂ）に示す各部波形では、電圧Ｖ_CPは、従来回路に比べ立ち上がり時間が約５０ｎｓ短縮され、コンデンサＣ２の放電半周期内に放電電極ＬＨの放電開始電圧以上になる十分に高い電圧まで上昇しようとし、放電電極ＬＨの放電開始でその放電開始電圧レベルから急速に低下する。

したがって、コンデンサＣ２の容量に比べてピーキングコンデンサＣＰのそれを小さくすることで、放電電極ＬＨに印加できる電界を高め、レーザヘッドでの発光出力を高めることができる。

次に、放電電極ＬＨは、従来のものに比べて放電抵抗ＲＬを大きく（本実施形態では５倍）している。この放電抵抗を大きくするには、例えば放電電極内のガス圧を上げることで実現される。放電電極ＬＨの放電抵抗ＲＬを大きくすることにより、放電電流Ｉ_Rが流れる回路では放電抵抗ＲＬによるダンプ抵抗成分が大きくなり、ピーキングコンデンサＣＰとインダクタンスＬＰを通した放電電流Ｉ_Rがピークに達した後の振動電流レベルを抑制することができる。

図１の（ｂ）に示す各部波形では、放電電流Ｉ_Rは、放電抵抗ＲＬが大きくなることによりそのピーク値が１０ｋＡ程度に下がるが、ピーク後の振動的振る舞いが放電抵抗ＲＬによってダンプされる。

また、本実施形態では、前記のように、コンデンサＣ２の容量に対してピーキングコンデンサＣＰの容量を小さくしている。これにより、放電電極ＬＨが放電開始した後のコンデンサＣ２からの電流Ｉ_L1は、可飽和リアクトルＳＩ２のインダクタンス分を通して比較的緩やかな変化で放電電極ＬＨ側にも供給される。

したがって、放電電流Ｉ_Rは、ピーキングコンデンサＣＰからの高周波電流成分と、コンデンサＣ２からの比較的緩やかな変化になる電流成分とを合成したものになる。

図１の（ｂ）に示す各部波形では、放電電流Ｉ_Rのパルス幅Ｗ₁は、従来のものが５０ｎｓ程度のものになるのに対し、２００ｎｓ程度まで増大させることができる。

したがって、放電抵抗ＲＬを大きくすること、及びピーキングコンデンサＣＰの容量を小さくすることにより、放電電流Ｉ_Rのパルス幅を増大させることができ、放電による発光時間が長くなり、狭帯域化されたレーザ発光を得ることができる。

（第２の実施形態）
図２は、本発明の実施形態を示すパルス放電装置の放電回路図（ａ）と各部波形（ｂ）である。

同図の放電回路が従来の放電回路と異なる部分は、ＬＣ並列共振の高周波タンク回路を追加した点にある。このタンク回路は、インダクタンスＬＰ２とコンデンサＣＰ２の並列接続にされ、インダクタンスＬＰと直列に挿入される。

インダクタンスＬＰ２は、インダクタンスＬＰと同程度のインダクタンス値にされる。コンデンサＣＰ２は、コンデンサＣ２やＣＰに比べて十分に小さい（本実施形態では１／１２）容量にされる。

このタンク回路の介挿により、放電電極ＬＨに流れる放電電流Ｉ_Rにはタンク回路の並列共振動作で高周波成分に対するインピーダンスを高める。これにより、放電電流Ｉ_Rは、従来の波形に比べて、高周波成分を大きくした方形波状になり、そのパルス幅を大きくすることができる。

図２の（ｂ）の各部波形では、放電電流Ｉ_Rのパルス幅Ｗ₃を従来構成では約５０ｎｓであったものを約８０ｎｓにまで増大させることができる。また、図１に示すものでは放電電流Ｉ_Rのピーク値が従来回路に比べて小さくなるのに対し、本実施形態では大きな放電抵抗ＲＬが介挿されないため、放電電流Ｉ_Rのピーク値が従来回路と同等になる。

したがって、本実施形態においては、比較的大きなピーク値になりかつパルス幅を広くした放電電流Ｉ_Rを得ることができ、放電による発光時間が長くなり、狭帯域化されたレーザ発光を得ることができる。

なお、本発明は、上記までの各実施形態の構成を組み合わせたパルス放電回路として同等以上の作用効果を得ることができる。例えば、放電抵抗ＲＬを大きくし、さらにこの構成にタンク回路を設けた構成とすることができる。さらには、インダクタンスＬＰも大きくする組み合わせ構成とすることができる。このインダクタンスＬＰの増大は、ピーキングコンデンサＣＰからインダクタンスＬＰを通した放電電流Ｉ_Rに比較的長い周期の振動電流を流し、放電電流Ｉ_Rのパルス幅を増大させ、放電電流による発光時間を一層長くすることができる。

本発明の第１の実施形態を示すパルス放電回路と各部波形。 本発明の第２の実施形態を示すパルス放電回路と各部波形。 パルス放電装置例。 従来の各部波形。

符号の説明

１…パルス発生回路
２…充電器
３…昇圧・磁気パルス圧縮回路
４…負荷
Ｃ２…最終出力段コンデンサ
ＳＩ２…可飽和リアクトル
ＣＰ…ピーキングコンデンサ
ＬＨ…放電電極
ＣＰ２…コンデンサ
ＬＰ、ＬＰ２…インダクタンス

Claims (1)

1. パルス電源の最終出力段コンデンサから可飽和リアクトルの飽和動作でレーザヘッドにパルス電流を供給し、このパルス電流によりレーザヘッドのピーキングコンデンサの充電電圧が放電電極の放電開始電圧に達することで放電させてレーザ発光を得るパルス放電装置において、
   前記放電電極に直列接続でＬＣ並列共振の高周波タンク回路を設けて放電電流を方形波状にしたことを特徴とするパルス放電装置。
   

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