JP4750053B2 - 放電励起ガスレーザの放電回路 - Google Patents
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Description
本発明は、複数段のコンデンサ及び磁気スイッチを用いてエネルギーの磁気パルス圧縮動作を行って主放電電極間で主放電を発生させる放電励起ガスレーザの放電回路に関し、特に高繰り返し周波数に伴う可飽和リアクトルの劣化を抑制するものである。
半導体集積回路の微細化、高集積化につれて、その製造用の投影露光装置においては解像力の向上が要請されている。このため、露光用光源から放出される露光光の短波長化が進められており、半導体露光用光源として、従来の水銀ランプから波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ装置が用いられている。さらに、次世代の半導体露光用光源として、波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザ装置及び波長１５７ｎｍのフッ素（Ｆ2 ）レーザ装置等の紫外線を放出するガスレーザ装置が有力である。
ＫｒＦエキシマレーザ装置においては、レーザチャンバの内部にレーザガスすなわちフッ素（Ｆ2 ）ガス、クリプトン（Ｋｒ）ガス及びバッファガスとしてのネオン（Ｎｅ）等の希ガスからなる混合ガスが数百ＫＰａで封入されており、このレーザチャンバの内部で放電を発生させることによってレーザ媒質であるレーザガスが励起される。
ＡｒＦエキシマレーザ装置においては、レーザチャンバの内部にレーザガスすなわちフッ素（Ｆ2 ）ガス、アルゴン（Ａr ）ガス及びバッファガスとしてのネオン（Ｎｅ）等の希ガスからなる混合ガスが数百ＫＰａで封入されており、このレーザチャンバの内部で放電を発生させることによってレーザ媒質であるレーザガスが励起される。
フッ素（Ｆ2 ）レーザ装置においては、レーザチャンバの内部にレーザガスすなわちフッ素（Ｆ2 ）ガス及びバッファガスとしてヘリウム（Ｈe ）等の希ガスからなる混合ガスが数百ＫＰａで封入されており、このレーザチャンバの内部で放電を発生させることによってレーザ媒質であるレーザガスが励起される。
レーザチャンバ内部には、レーザガスを励起するための一対の主放電電極が、レーザ発振方向に垂直な方向に所定の距離だけ離間して対向配置されている。この一対の主放電電極には高電圧パルスが印加され、主放電電極間にかかる電圧がある値（ブレークダウン電圧）に到達すると、主放電電極間のレーザガスが絶縁破壊されて主放電が開始し、この主放電によりレーザ媒質が励起される。このような露光用ガスレーザ装置は主放電の繰り返しによるパルス発振を行い、放出するレーザ光はパルス光となる。近年の露光に用いられているレーザ装置のレーザパルスの繰り返し周波数は４ＫＨｚ程度であるが、スループットの増大、露光量のバラツキの減少のため、繰り返し周波数６ＫＨｚ以上が要請されており、さらに繰り返し周波数８ＫＨｚ以上のレーザ装置が研究開発されている。
図５はレーザチャンバ内の主放電電極間で放電を発生させる装置（以下では放電回路という）の一例を示す。
図５の放電回路は、高電圧電源ＨＶと、高電圧電源ＨＶによって充電される主コンデンサＣ0と、固体スイッチＳＷがオンされるに応じて主コンデンサＣ0の電圧が印加される磁気アシストＳＲ1と、転送コンデンサＣ1、Ｃ2および磁気スイッチＳＲ2、ＳＲ3をそれぞれｋ（ｋは２以上の整数）個有するｋ段の磁気パルス圧縮回路１０と、磁気パルス圧縮回路１０の２段目の磁気スイッチＳＲ3を介して２段目の転送コンデンサＣ2に並列に接続されるピーキングコンデンサＣpと、ピーキングコンデンサＣpに並列に接続される一対の主放電電極Ｅ、Ｅと、を備える。
図５に示す放電回路は２段（ｋ＝２）の磁気パルス圧縮回路１０を有する。磁気パルス圧縮回路１０は、２段目の転送コンデンサＣ2が１段目の磁気スイッチＳＲ2を介して１段目の転送コンデンサＣ1に並列に接続されており、磁気アシストＳＲ1の磁気飽和に応じて主コンデンサＣ0から１段目の転送コンデンサＣ1に電荷が転送され、１段目の磁気スイッチ部ＳＲ2の磁気飽和に応じて１段目の転送コンデンサＣ1から２段目の転送コンデンサＣ2に順次電荷が転送される。
図５示す放電回路では、磁気アシストＳＲ1と固体スイッチＳＷとの間に昇圧用トランスＴｒの一時巻線Ｔｒ1が接続されており、主コンデンサＣ0と磁気アシストＳＲ1と一次巻線Ｔｒ1と固体スイッチＳＷのループが形成されている。また昇圧用トランスＴｒの二次巻線Ｔｒ2に磁気パルス圧縮回路の１段目の転送コンデンサＣ1が接続されており、二次巻線ＴＣ2と転送コンデンサＣ1のループが形成されている。
図５に示す放電回路の動作を図６を参照して説明する。
先ず固体スイッチＳＷがＯＦＦにされ、電圧値Ｖinに調整された高電圧電源ＨＶによって主コンデンサＣ0が充電される。このときの主コンデンサの充電電圧は正であるとする。固体スイッチＳＷがＯＦＦからＯＮに切り替えられると、主コンデンサＣ0の充電電圧Ｖc1は磁気アシストＳＲ1に印加される。主コンデンサＣ0の充電電圧Ｖc0の時間積分値が磁気アシストＳＲ1の特性で決まる限界値に達すると、磁気アシストＳＲ1が飽和して磁気アシストＳＲ1のインダクタンスが低下する。このタイミングを図５の時刻ｔ1で示す。すると、主コンデンサＣ0、磁気アシストＳＲ1、昇圧用トランスＴｒ1の１次巻線Ｔｒ1、固体スイッチＳＷのループに電流が流れる。同時に、昇圧用トランスＴｒの２次巻線Ｔｒ2、１段目の転送コンデンサＣ1のループにも電流が流れ、主コンデンサＣ0に蓄えられていた電荷が１段目の転送コンデンサＣ1に転送されて、１段目の転送コンデンサＣ1が負側に充電される。
先ず固体スイッチＳＷがＯＦＦにされ、電圧値Ｖinに調整された高電圧電源ＨＶによって主コンデンサＣ0が充電される。このときの主コンデンサの充電電圧は正であるとする。固体スイッチＳＷがＯＦＦからＯＮに切り替えられると、主コンデンサＣ0の充電電圧Ｖc1は磁気アシストＳＲ1に印加される。主コンデンサＣ0の充電電圧Ｖc0の時間積分値が磁気アシストＳＲ1の特性で決まる限界値に達すると、磁気アシストＳＲ1が飽和して磁気アシストＳＲ1のインダクタンスが低下する。このタイミングを図５の時刻ｔ1で示す。すると、主コンデンサＣ0、磁気アシストＳＲ1、昇圧用トランスＴｒ1の１次巻線Ｔｒ1、固体スイッチＳＷのループに電流が流れる。同時に、昇圧用トランスＴｒの２次巻線Ｔｒ2、１段目の転送コンデンサＣ1のループにも電流が流れ、主コンデンサＣ0に蓄えられていた電荷が１段目の転送コンデンサＣ1に転送されて、１段目の転送コンデンサＣ1が負側に充電される。
１段目の転送コンデンサＣ1の充電電圧Ｖc1の時間積分値が磁気スイッチＳＲ2の特性で決まる限界値に達すると、磁気スイッチＳＲ2が飽和して磁気スイッチＳＲ2のインダクタンスが低下する。このタイミングを図５の時刻ｔ2で示す。すると、１段目の転送コンデンサＣ1、２段目の転送コンデンサＣ2、磁気スイッチＳＲ2のループに電流が流れ、１段目の転送コンデンサＣ1に蓄えられていた電荷が２段目の転送コンデンサＣ2に転送されて、２段目の転送コンデンサＣ2が負側に充電される。
さらに、２段目の転送コンデンサＣ2の充電電圧Ｖc2の時間積分値が磁気スイッチＳＲ3の特性で決まる限界値に達すると、磁気スイッチＳＲ3が飽和して磁気スイッチＳＲ3のインダクタンスが急激に低下する。このタイミングを図５の時刻ｔ3で示す。すると、２段目の転送コンデンサＣ2、ピーキングコンデンサＣp、磁気スイッチＳＲ3のループに電流が流れ、２段目の転送コンデンサＣ2に蓄えられていた電荷がピーキングコンデンサＣpに転送されて、転送コンデンサＣpが負側に充電される。
ピーキングコンデンサＣpの電圧Ｖcpがある値（ブレークダウン電圧）Ｖbに達すると、主放電電極Ｅ、Ｅ間のレーザガスが絶縁破壊されて主放電が開始される。この主放電によってレーザ媒質が励起され、光が発生する。
なお、主放電電極Ｅ、Ｅで大きな放電を発生させるために、１段目の転送コンデンサＣ1から２段目の転送コンデンサＣ2への電荷転送、及び２段目の転送コンデンサＣ2からピーキングコンデンサＣpへの電荷転送の際に、電流パルスのパルス幅を順次狭くする所謂磁気パルス圧縮動作が行われるように、磁気パルス圧縮回路（Ｃ1、ＳＲ1、Ｃ2、ＳＲ2）の各素子が設計されている。
ところで各磁気スイッチＳＲ1〜ＳＲ3には可飽和リアクトルが使用されている。可飽和リアクトルＳＲ1〜ＳＲ3は磁化曲線が変化する際に発熱するため、冷却を目的として冷媒に浸漬されている。しかしレーザパルスの繰り返し周波数の増加に伴い、磁気パルス圧縮回路１０の最終段に配置された可飽和リアクトルＳＲ3のコアの発熱量が大きくなり、発熱量が定格値を超える場合がある。こうした可飽和リアクトルは劣化が激しくなるため、解決すべき課題であった。単位時間あたりのパルス数の増加に従い単位時間あたり発熱量も増加するため、可飽和リアクトルのコアの温度上昇は大きくなる。
一般に可飽和リアクトルＳＲ1〜ＳＲ3のコアは円筒状の芯材に薄帯状の磁性体合金が複数巻回されてなり、薄帯状の磁性体合金の表面及び裏面には薄膜状の絶縁物（例えばシリカ薄膜など）が形成されている。こうしたコアが定格値以上に発熱すると、磁性体合金とシリカ薄膜との熱膨張係数の違いから、シリカ薄膜にクラックが生じる。するとそのクラック部分で漏れ電流が多くなり、更に発熱量が多くなる。最悪の場合は回路素子として特性を失うことになる。
特許文献１にはこうした問題を解消する技術として、従来のコアを輪切りにしたような複数の平板部が所定間隔をもって複数積層されてなるコアを開示している。引用文献１に係る発明によれば、単位体積あたりのコアの表面積が増え、コアと冷媒との接触面積を大きくすることができ、効率的にコアの冷却を行うことが可能となる。
特開２００３−１１５４１４号公報
しかしながら、近年の繰り返し周波数の更なる増加に伴い、従来のコアの冷却技術ではコアの発熱を許容値以下に抑えられなくなることが予想される。すると可飽和リアクトルの破損が生ずる。また可飽和リアクトルの寿命が短くなり、可飽和リアクトルの交換回数が増加するため、コスト上昇を招く。また可飽和リアクトルの交換サイクルが短くなり、メンテナンス回数が増加するため、作業工数が増加する場合もある。
本発明はこうした実状に鑑みてなされたものであり、繰り返し周波数の増加に伴い発生する可飽和リアクトルのコアの過度の発熱を抑制し、磁気パルス圧縮器の高繰り返し運転を可能にすることを目的とするものである。
上記目的を達成するために、第１発明は、
高電圧電源(HV)と、
前記高電圧電源(HV)によって充電される主コンデンサ(C0)と、
固体スイッチ(SW)がオンされるに応じて前記主コンデンサ(C0)の電圧が印加される磁気アシスト(SR1)と、
転送コンデンサ(C1,…,Cn)および磁気スイッチ部(1,…,n)をそれぞれｋ（ｋは２以上の整数）個有し、ｎ（ｎ＝１〜ｋ）段目の転送コンデンサ(Cn)がｎ−１段目の磁気スイッチ部(n-1)を介してｎ−１段目の転送コンデンサ(Cn-1)に並列に接続されており、前記磁気アシスト(SR1)の磁気飽和に応じて前記主コンデンサ(C0)から１段目の転送コンデンサ(C1)に電荷が転送され、ｎ−１段目の磁気スイッチ部(n-1)の磁気飽和に応じてｎ−１段目の転送コンデンサ(Cn-1)からｎ段目の転送コンデンサ(Cn)に順次電荷が転送される磁気パルス圧縮回路(10)と、
前記磁気パルス圧縮回路(10)のｋ段目の磁気スイッチ部(k)を介してｋ段目の転送コンデンサ(Ck)に並列に接続されるピーキングコンデンサ(Cp)と、
前記ピーキングコンデンサ(Cp)に並列に接続される一対の主放電電極(E,E)と、
を備えた放電励起ガスレーザの放電回路において、
磁気圧縮用の可飽和リアクトル(21-1,…,21-n)と回路切替用の可飽和リアクトル(22-1,…,22-n)との直列回路を複数有し、当該複数の直列回路が互いに並列に接続された並列回路を前記ｋ段目の磁気スイッチ部(k)に備え、
パルス発振毎に前記回路切替用の可飽和リアクトル(22-1,…,22-n)の磁気リセット量を変化させて、当該回路切替用の可飽和リアクトル(22-1,…,22-n)のうち一以上の可飽和リアクトルの磁気リセット量をゼロにしてオンにすると共に残りの回路切替用の可飽和リアクトルの磁気リセット量を最大にしてオフにすること
を特徴とする。
高電圧電源(HV)と、
前記高電圧電源(HV)によって充電される主コンデンサ(C0)と、
固体スイッチ(SW)がオンされるに応じて前記主コンデンサ(C0)の電圧が印加される磁気アシスト(SR1)と、
転送コンデンサ(C1,…,Cn)および磁気スイッチ部(1,…,n)をそれぞれｋ（ｋは２以上の整数）個有し、ｎ（ｎ＝１〜ｋ）段目の転送コンデンサ(Cn)がｎ−１段目の磁気スイッチ部(n-1)を介してｎ−１段目の転送コンデンサ(Cn-1)に並列に接続されており、前記磁気アシスト(SR1)の磁気飽和に応じて前記主コンデンサ(C0)から１段目の転送コンデンサ(C1)に電荷が転送され、ｎ−１段目の磁気スイッチ部(n-1)の磁気飽和に応じてｎ−１段目の転送コンデンサ(Cn-1)からｎ段目の転送コンデンサ(Cn)に順次電荷が転送される磁気パルス圧縮回路(10)と、
前記磁気パルス圧縮回路(10)のｋ段目の磁気スイッチ部(k)を介してｋ段目の転送コンデンサ(Ck)に並列に接続されるピーキングコンデンサ(Cp)と、
前記ピーキングコンデンサ(Cp)に並列に接続される一対の主放電電極(E,E)と、
を備えた放電励起ガスレーザの放電回路において、
磁気圧縮用の可飽和リアクトル(21-1,…,21-n)と回路切替用の可飽和リアクトル(22-1,…,22-n)との直列回路を複数有し、当該複数の直列回路が互いに並列に接続された並列回路を前記ｋ段目の磁気スイッチ部(k)に備え、
パルス発振毎に前記回路切替用の可飽和リアクトル(22-1,…,22-n)の磁気リセット量を変化させて、当該回路切替用の可飽和リアクトル(22-1,…,22-n)のうち一以上の可飽和リアクトルの磁気リセット量をゼロにしてオンにすると共に残りの回路切替用の可飽和リアクトルの磁気リセット量を最大にしてオフにすること
を特徴とする。
第１発明を図１を参照して説明する。
磁気パルス圧縮回路１０の最終段の磁気スイッチ部２は、磁気圧縮用可飽和リアクトル（圧縮用リアクトル）２１-1、２１-2と回路切替用可飽和リアクトル（切替用リアクトル）２２-1、２２-2とが直列接続された２つの直列回路が互いに並列に接続されている並列回路を備える。切替制御部３は、パルス発振毎に切替用リアクトル２２-1、２２-2の磁気リセット量が交互にゼロおよび最大になるように、すなわち切替用リアクトル２２-1、２２-2が交互にオン・オフするように切替制御する。
例えば、２ｍ（ｍは１以上の整数）回目のパルス発振の際には、磁気パルス圧縮回路１０の前段から供給される電流は、圧縮用リアクトル２１-1と切替用リアクトル２２-1の直列回路を流れ、圧縮用リアクトル２１-2と切替用リアクトル２２-2の直列回路には流れない。また（２ｍ−１）回目のパルス発振の際には、磁気パルス圧縮回路１０の前段から供給される電流は、圧縮用リアクトル２１-2と切替用リアクトル２２-2の直列回路を流れ、圧縮用リアクトル２１-1と切替用リアクトル２２-1の直列回路には流れない。
また第２発明は、第１発明において、
磁気圧縮用の可飽和リアクトル(11-1,…,11-n)と回路切替用の可飽和リアクトル(12-1,…,12-n)との直列回路を複数有し、当該複数の直列回路が互いに並列に接続された並列回路を前記ｋ段目より前段の磁気スイッチ部(1)に備え、
パルス発振毎に前記回路切替用の可飽和リアクトル(12-1,…,12-n)の磁気リセット量を変化させて、当該回路切替用の可飽和リアクトル(12-1,…,12-n)のうち一以上の可飽和リアクトルの磁気リセット量をゼロにしてオンにすると共に残りの回路切替用の可飽和リアクトルの磁気リセット量を最大にしてオフにすること
を特徴とする。
磁気圧縮用の可飽和リアクトル(11-1,…,11-n)と回路切替用の可飽和リアクトル(12-1,…,12-n)との直列回路を複数有し、当該複数の直列回路が互いに並列に接続された並列回路を前記ｋ段目より前段の磁気スイッチ部(1)に備え、
パルス発振毎に前記回路切替用の可飽和リアクトル(12-1,…,12-n)の磁気リセット量を変化させて、当該回路切替用の可飽和リアクトル(12-1,…,12-n)のうち一以上の可飽和リアクトルの磁気リセット量をゼロにしてオンにすると共に残りの回路切替用の可飽和リアクトルの磁気リセット量を最大にしてオフにすること
を特徴とする。
第２発明は第１発明に加えて、磁気パルス圧縮回路の最終段以外の磁気スイッチ部に圧縮用リアクトル２１-nと切替用リアクトル２２-nの直列回路を複数並列に設けるものである。
本発明によれば、磁気スイッチとして使用される複数の可飽和リアクトルが互いに並列に接続され、パルス毎に使用する可飽和リアクトルが切り替えられる。こうした構成によると１パルス当たりの可飽和リアクトルで発生する熱量が低下する。また可飽和リアクトルのオフ間隔を長くすることができるため、可飽和リアクトルの冷却時間を十分に確保することができる。したがって可飽和リアクトルの過度の発熱を抑制することができ、磁気パルス圧縮器の高繰り返し運転を可能にする。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は第１の実施形態の放電回路を示す。図１に示す放電回路と図５に示す従来の放電回路との相違点は磁気パルス圧縮回路の最終段に設けられた磁気スイッチの構成にある。図１に示す放電回路は図５に示す従来の放電回路と同様に２段の磁気パルス圧縮を行う回路である。
図１は第１の実施形態の放電回路を示す。図１に示す放電回路と図５に示す従来の放電回路との相違点は磁気パルス圧縮回路の最終段に設けられた磁気スイッチの構成にある。図１に示す放電回路は図５に示す従来の放電回路と同様に２段の磁気パルス圧縮を行う回路である。
直流の高電圧電源ＨＶの両端には主コンデンサＣ0の両端がそれぞれ接続される。また主コンデンサＣ0の一端には磁気スイッチＳＲ1の一端が接続され、磁気アシストＳＲ1の他端には昇圧用トランスＴｒの一次巻線Ｔｒ1の一端が接続され、一次巻線Ｔｒ1の他端には固体スイッチＳＷの一端が接続され、固体スイッチＳＷの他端には主コンデンサＣ0の他端が接続されている。主コンデンサＣ0と磁気アシストＳＲ1と一次巻線Ｔｒ1と固体スイッチＳＷはループを形成する。
磁気アシストＳＲ1は可飽和リアクトルからなる磁気スイッチである。固体スイッチＳＷは外部から送信される信号に応じてスイッチング動作するＩＧＢＴのような半導体スイッチである。
昇圧用トランスＴｒの二次巻線Ｔｒ2には２段の磁気パルス圧縮回路１０が接続されている。
昇圧用トランスＴｒの二次巻線Ｔｒ2の両端には磁気パルス圧縮回路１０の１段目の転送コンデンサＣ1の両端が接続されている。二次巻線Ｔｒ2と１段目の転送コンデンサＣ1はループを形成する。
昇圧用トランスＴｒの二次巻線Ｔｒ2の両端には磁気パルス圧縮回路１０の１段目の転送コンデンサＣ1の両端が接続されている。二次巻線Ｔｒ2と１段目の転送コンデンサＣ1はループを形成する。
１段目の転送コンデンサＣ1の一端には１段目の磁気スイッチ部１、ここでは可飽和リアクトルＳＲ2、の一端が接続され、１段目の磁気スイッチ部１の他端には２段目の転送コンデンサＣ2の一端が接続され、２段目の転送コンデンサＣ2の他端には１段目の転送コンデンサＣ1の他端が接続されている。１段目の転送コンデンサＣ1と１段目の磁気スイッチ部１と２段目の転送コンデンサＣ2はループを形成する。
２段目の転送コンデンサＣ2の一端には２段目の磁気スイッチ部２の一端が接続され、２段目の磁気スイッチ部２の他端にはピーキングコンデンサＣpの一端が接続され、ピーキングコンデンサＣpの他端には２段目の転送コンデンサＣ2の他端が接続されている。２段目の転送コンデンサＣ2と２段目の磁気スイッチ部１０とピーキングコンデンサＣpはループを形成する。２段目の磁気スイッチ部２の詳細は後述する。
図１に示す放電回路の磁気圧縮動作は図５を用いて説明した図５に示す放電回路の磁気圧縮動作と基本的に同じであるため、その説明を省略する。
２段目の磁気スイッチ部２は、磁気圧縮用可飽和リアクトル２１-n（以下単に「圧縮用リアクトル」という）と回路切替用可飽和リアクトル２２-n（以下単に「切替用リアクトル」という）とが直列接続された直列回路をｎ個有し、ｎ個の直列回路が互いに並列に接続された並列回路である。図１に示す磁気スイッチ部２においては、２個の直列回路、すなわち圧縮用リアクトル２１-1および切替用リアクトル２２-1からなる直列回路と圧縮用リアクトル２１-2および切替用リアクトル２２-2からなる直列回路とが互いに並列に接続されている。そして各磁気圧縮用可飽和リアクトル２１-nの端部が２段目の転送コンデンサＣ2の一端に接続され、回路切替用可飽和リアクトル２２-nの端部がピーキングコンデンサＣpの一端に接続される。
切替制御部３は、切替用リアクトル２２-n毎に設けられる励磁回路３１-nを有する。各励磁回路３１-nは電流源３３-nと巻線３４-nとを有する。図２に示すように巻線３４-nは切替用リアクトル２２-nのコアＣＲに巻回される。したがって巻線３４-nに流れる電流を適宜調整することによって、切替用リアクトル２２-nの磁気リセット量を最大とゼロとの間で切り替えることが可能となる。切替制御部３はパルス発振毎に切替用リアクトル２２-nの磁気リセット量を最大とゼロとの間で切り替える。
この切り替えの際には、切替用リアクトル２２-1と切替用リアクトル２２-2の一方が磁気リセット量最大になり他方が磁気リセット量ゼロになるようにし、さらに同一の切替用リアクトル２２-nが連続して磁気飽和状態にならないようにする。例えば、図１に示すように２つの切替用リアクトル２２-1、２２-2の切替制御を行う場合に、励磁回路３１-1が有する電流源３３-1の周期に対して励磁回路３１-2が有する電流源３３-2の周期を半周期ずらすと、切替用リアクトル２２-1と切替用リアクトル２２-2とが一定周期で交互に磁気リセット量最大（又は磁気リセット量ゼロ）になる。
切替用リアクトル２２-nの磁気リセット量が最大となった直列回路では、直列回路に印加される電圧が切替用リアクトル２２-nのコアと圧縮用可飽和リアクトル２１-nのコアとで分圧され、それぞれのコアに１／２の電圧が印加される。一方、切替用リアクトル２２-nの磁気リセット量がゼロとなった直列回路では、直列回路に印加される電圧が圧縮用可飽和リアクトル２１-nのコアに印加される。このため切替用リアクトル２２-nの磁気リセット量がゼロとなった直列回路に接続されている圧縮用リアクトル２２-nのコアが先に飽和し電流が流れる。
切替制御部３の制御に応じて切替用リアクトル２２-1、２２-2はパルス発振毎に交互に磁気リセット量最大になり、また磁気リセット量ゼロになる。つまり各切替用リアクトル２２-nはパルス発振毎にオンとオフが切り替わる。切替用リアクトル２２-nがオフであるときはその直列回路には電流が流れない。すなわち切替用リアクトル２２-nおよび圧縮用リアクトル２１-nはパルス発振２回に１回の割合で磁気飽和しない状態になる。例えば８ＫＨｚで発振するレーザ装置であれば、４ＫＨｚ分は磁気飽和しないことになる。
例えば、２ｍ（ｍは１以上の整数）回目のパルス発振の際には、磁気パルス圧縮回路１０の前段から供給される電流は、圧縮用リアクトル２１-1と切替用リアクトル２２-1の直列回路を流れ、圧縮用リアクトル２１-2と切替用リアクトル２２-2の直列回路には流れない。また（２ｍ−１）回目のパルス発振の際には、磁気パルス圧縮回路１０の前段から供給される電流は、圧縮用リアクトル２１-2と切替用リアクトル２２-2の直列回路を流れ、圧縮用リアクトル２１-1と切替用リアクトル２２-1の直列回路には流れない。
次に本発明の作用効果を具体的に説明する。
以下では図１に示す放電回路を図５に示す放電回路と同一周波数で動作させた場合を想定し、図５に示す単一の可飽和リアクトルＳＲ3で１パルス発振時に発生する熱量Ｐを基準として、図１に示す磁気スイッチ部２の各可飽和リアクトル２１-n、２２-nで発生する熱量Ｐ21、Ｐ22を算出する。なお説明の便宜上、圧縮用リアクトル２１-nと切替用リアクトル２２-nのＶｔ積は同一であり、非飽和時のインダクタンスも同一であるとする。また磁気スイッチ部２の前段に設けられた転送コンデンサＣ2の電圧はＥであるとする。
以下では図１に示す放電回路を図５に示す放電回路と同一周波数で動作させた場合を想定し、図５に示す単一の可飽和リアクトルＳＲ3で１パルス発振時に発生する熱量Ｐを基準として、図１に示す磁気スイッチ部２の各可飽和リアクトル２１-n、２２-nで発生する熱量Ｐ21、Ｐ22を算出する。なお説明の便宜上、圧縮用リアクトル２１-nと切替用リアクトル２２-nのＶｔ積は同一であり、非飽和時のインダクタンスも同一であるとする。また磁気スイッチ部２の前段に設けられた転送コンデンサＣ2の電圧はＥであるとする。
先ず、パルス発振時に、切替用リアクトル２２-1の磁気リセット量が最大（オフ）であり、切替用リアクトル２２-2の磁気リセット量がゼロ（オン）である場合を想定する。
この場合、直列回路に印加される電圧は各リアクトル２１-1、２２-1で分圧されるため、圧縮用リアクトル２１-1に印加される電圧Ｅoffは、前段のコンデンサに印加される電圧をＥとした場合、
Ｅoff＝（１／２）Ｅ
となり、切替用リアクトル２２-1に印加される電圧Ｅｃoffは
Ｅｃoff＝（１／２）Ｅ
となる。
また、圧縮用リアクトル２１-2に印加される電圧Ｅonは
Ｅon＝Ｅ
となり、切替用リアクトル２２-2に印加される電圧Ｅｃonは
Ｅｃon＝０
となる。電圧Ｅｃonが０となるのは切替用リアクトル２２-2の磁気リセット量がゼロすなわち磁気飽和状態になっているためである。こうした状況下での各リアクトルの発熱量は次のように算出される。
Ｅoff＝（１／２）Ｅ
となり、切替用リアクトル２２-1に印加される電圧Ｅｃoffは
Ｅｃoff＝（１／２）Ｅ
となる。
また、圧縮用リアクトル２１-2に印加される電圧Ｅonは
Ｅon＝Ｅ
となり、切替用リアクトル２２-2に印加される電圧Ｅｃonは
Ｅｃon＝０
となる。電圧Ｅｃonが０となるのは切替用リアクトル２２-2の磁気リセット量がゼロすなわち磁気飽和状態になっているためである。こうした状況下での各リアクトルの発熱量は次のように算出される。
コアの発熱量は磁束密度変化量の二乗で大きくなる。このため圧縮用リアクトル２１-1の発熱量Ｐoffは
Ｐoff＝（１／４）Ｐ … （１）
となり、切替用リアクトル２２-1の発熱量Ｐｃoffは
Ｐｃoff＝（１／４）Ｐ … （２）
となる。
また、圧縮用リアクトル２１-2の発熱量Ｐonは
Ｐon＝Ｐ … （３）
となり、切替用リアクトル２２-2の発熱量Ｐｃonは
Ｐｃon＝０ … （４）
となる。
Ｐoff＝（１／４）Ｐ … （１）
となり、切替用リアクトル２２-1の発熱量Ｐｃoffは
Ｐｃoff＝（１／４）Ｐ … （２）
となる。
また、圧縮用リアクトル２１-2の発熱量Ｐonは
Ｐon＝Ｐ … （３）
となり、切替用リアクトル２２-2の発熱量Ｐｃonは
Ｐｃon＝０ … （４）
となる。
ここまで説明したのは、「パルス発振時に、切替用リアクトル２２-1の磁気リセット量が最大（オフ）であり、切替用リアクトル２２-2の磁気リセット量がゼロ（オン）である場合」の各リアクトル２１-n、２２-nの発熱量である。この逆の場合、すなわち「パルス発振時に、切替用リアクトル２２-1の磁気リセット量がゼロ（オン）であり、切替用リアクトル２２-2の磁気リセット量が最大（オフ）である場合」は圧縮用リアクトル２１-nの発熱量Ｐoff、Ｐonが入れ替えられ、また切替用リアクトル２２-nの発熱量Ｐｃoff、Ｐｃonが入れ替えられる。図１に示す磁気スイッチ部２では各直列回路のオンとオフが交互に切り替えられるため、各可飽和リアクトル２１-n、２２-nの発熱量は１パルス発振毎に交互に変化する。そこで１パルス当たりの発熱量Ｐ21、Ｐ22としては平均値を算出する。
上記（１）式および（３）式の結果から、各圧縮用リアクトル２１-nの１パルス当たりの発熱量の平均値Ｐ21は
Ｐ21＝（１／２）×Ｐoff＋（１／２）×Ｐon＝（５／８）Ｐ
となり、上記（２）式および（４）式の結果から、各切替用リアクトル２２-nの１パルス当たりの発熱量の平均値Ｐ22は
Ｐ22＝（１／２）×Ｐｃoff＋（１／２）×Ｐｃon＝（１／８）Ｐ
となる。
Ｐ21＝（１／２）×Ｐoff＋（１／２）×Ｐon＝（５／８）Ｐ
となり、上記（２）式および（４）式の結果から、各切替用リアクトル２２-nの１パルス当たりの発熱量の平均値Ｐ22は
Ｐ22＝（１／２）×Ｐｃoff＋（１／２）×Ｐｃon＝（１／８）Ｐ
となる。
このように磁気スイッチ部２の各圧縮用リアクトル２１-1の発熱量Ｐ21は（５／８）Ｐとなり、各切替用リアクトル２２-1の発熱量Ｐ22は（１／８）Ｐとなる。これらの発熱量Ｐ21、Ｐ22は図５に示す従来の可飽和リアクトルＳＲ3の発熱量Ｐよりも低下している。したがってレーザ装置の繰り返し周波数を上げても可飽和リアクトルのコアの温度上昇が低く抑えられ、レーザ装置の繰り返し周波数を上げることが可能となる。
ここまでは磁気スイッチ部２に２つの直列回路を設けた形態について説明したが、直列回路は２以上あればよい。以下では第２の実施形態として直列回路が３つある場合を例にして説明する。
図３は第２の実施形態の放電回路を示す。図３に示す放電回路は磁気スイッチ部２に３つの直列回路を有する。
図３に示す磁気スイッチ部２においては、３個の直列回路、すなわち圧縮用リアクトル２１-1および切替用リアクトル２２-1からなる直列回路と圧縮用リアクトル２１-2および切替用リアクトル２２-2からなる直列回路と圧縮用リアクトル２１-3および切替用リアクトル２２-3からなる直列回路とが互いに並列に接続されている。
切替制御部３は、切替用リアクトル１２-n毎に設けられる励磁回路３１-nを有する。各励磁回路３１-nは電流源３３-nと巻線３４-nとを有する。したがって巻線３４-nに流れる電流を適宜調整することによって、切替用リアクトル２２-nの磁気リセット量を最大とゼロとの間で切り替えることが可能となる。切替制御部３はパルス発振毎に切替用リアクトル２２-nの磁気リセット量を最大とゼロとの間で切り替える。
本実施形態では、切替用リアクトル２２-nの一つが磁気リセット量ゼロになり残りが磁気リセット量最大になるようにする。
ここで各圧縮用リアクトル２１-nと各切替用リアクトル２２-nの発熱量の平均値Ｐ21、Ｐ22を算出する。
上記（１）式および（３）式の結果から、各圧縮用リアクトル２１-nの１パルス当たりの発熱量の平均値Ｐ21は
Ｐ21＝（２／３）×Ｐoff＋（１／３）×Ｐon＝（１／４）Ｐ
となり、上記（２）式および（４）式の結果から、各切替用リアクトル２２-nの１パルス当たりの発熱量の平均値Ｐ22は
Ｐ22＝（２／３）×Ｐｃoff＋（１／３）×Ｐｃon＝（１／６）Ｐ
となる。
Ｐ21＝（２／３）×Ｐoff＋（１／３）×Ｐon＝（１／４）Ｐ
となり、上記（２）式および（４）式の結果から、各切替用リアクトル２２-nの１パルス当たりの発熱量の平均値Ｐ22は
Ｐ22＝（２／３）×Ｐｃoff＋（１／３）×Ｐｃon＝（１／６）Ｐ
となる。
このように磁気スイッチ部２の各圧縮用リアクトル２１-1の発熱量Ｐ21は（１／４）Ｐとなり、各切替用リアクトル２２-1の発熱量Ｐ22は（１／６）Ｐとなる。これらの発熱量Ｐ21、Ｐ22は図５に示す従来の可飽和リアクトルＳＲ3の発熱量Ｐよりも低下している。したがってレーザ装置の繰り返し周波数を上げても可飽和リアクトルのコアの温度上昇が低く抑えられ、レーザ装置の繰り返し周波数を上げることが可能となる。
図４は第３の実施形態の放電回路を示す。図４に示す放電回路は最終段の磁気スイッチ部２に２つの直列回路を有すると共に、１段目の磁気スイッチ部１にも２つの直列回路を有する。
１段目の磁気スイッチ部１は、圧縮用リアクトル１１-nと切替用リアクトル１２-nとが直列接続された直列回路をｎ個有し、ｎ個の直列回路が互いに並列に接続された並列回路である。図４に示す磁気スイッチ部１においては、２個の直列回路、すなわち圧縮用リアクトル１１-1および切替用リアクトル１２-1からなる直列回路と圧縮用リアクトル１１-2および切替用リアクトル１２-2からなる直列回路とが互いに並列に接続されている。
切替制御部４は、切替用リアクトル１２-n毎に設けられる励磁回路４１-nを有する。各励磁回路４１-nは電流源４３-nと巻線４４-nとを有する。したがって巻線４４-nに流れる電流を適宜調整することによって、切替用リアクトル１２-nの磁気リセット量を最大とゼロとの間で切り替えることが可能となる。切替制御部４はパルス発振毎に切替用リアクトル１２-nの磁気リセット量を最大とゼロとの間で切り替える。
本実施形態のように、最終段以外の磁気スイッチ部に圧縮用リアクトル２１-nと切替用リアクトル２２-nの直列回路を複数並列に設けてもよい。将来的にはレーザ装置の繰り返周波数の更なる増加が予想されるため、最終段以外の磁気スイッチ部も発熱量の上昇が予想される。本実施形態によれば、最終段以外の磁気スイッチ部の発熱量上昇を抑制できる。
１、２…磁気スイッチ部 ３…切替制御部 １０…磁気パルス圧縮回路
２１-1、２１-2…磁気圧縮用可飽和リアクトル（圧縮用リアクトル）
２２-1、２２-2…回路切替用可飽和リアクトル（切替用リアクトル）
３１-1、３１-2…励磁回路 ３３-1、３３-2…電流源 ３４-1、３４-2…巻線
ＨＶ…高電圧電源 ＳＶ…固体スイッチ Ｃ0…主コンデンサ
Ｃ-1、Ｃ-2…転送コンデンサ ＳＲ-1…磁気アシスト Ｅ、Ｅ…主放電電極
２１-1、２１-2…磁気圧縮用可飽和リアクトル（圧縮用リアクトル）
２２-1、２２-2…回路切替用可飽和リアクトル（切替用リアクトル）
３１-1、３１-2…励磁回路 ３３-1、３３-2…電流源 ３４-1、３４-2…巻線
ＨＶ…高電圧電源 ＳＶ…固体スイッチ Ｃ0…主コンデンサ
Ｃ-1、Ｃ-2…転送コンデンサ ＳＲ-1…磁気アシスト Ｅ、Ｅ…主放電電極
Claims (2)
- 高電圧電源(HV)と、
前記高電圧電源(HV)によって充電される主コンデンサ(C0)と、
固体スイッチ(SW)がオンされるに応じて前記主コンデンサ(C0)の電圧が印加される磁気アシスト(SR1)と、
転送コンデンサ(C1,…,Cn)および磁気スイッチ部(1,…,n)をそれぞれｋ（ｋは２以上の整数）個有し、ｎ（ｎ＝１〜ｋ）段目の転送コンデンサ(Cn)がｎ−１段目の磁気スイッチ部(n-1)を介してｎ−１段目の転送コンデンサ(Cn-1)に並列に接続されており、前記磁気アシスト(SR1)の磁気飽和に応じて前記主コンデンサ(C0)から１段目の転送コンデンサ(C1)に電荷が転送され、ｎ−１段目の磁気スイッチ部(n-1)の磁気飽和に応じてｎ−１段目の転送コンデンサ(Cn-1)からｎ段目の転送コンデンサ(Cn)に順次電荷が転送される磁気パルス圧縮回路(10)と、
前記磁気パルス圧縮回路(10)のｋ段目の磁気スイッチ部(k)を介してｋ段目の転送コンデンサ(Ck)に並列に接続されるピーキングコンデンサ(Cp)と、
前記ピーキングコンデンサ(Cp)に並列に接続される一対の主放電電極(E,E)と、
を備えた放電励起ガスレーザの放電回路において、
磁気圧縮用の可飽和リアクトル(21-1,…,21-n)と回路切替用の可飽和リアクトル(22-1,…,22-n)との直列回路を複数有し、当該複数の直列回路が互いに並列に接続された並列回路を前記ｋ段目の磁気スイッチ部(k)に備え、
パルス発振毎に前記回路切替用の可飽和リアクトル(22-1,…,22-n)の磁気リセット量を変化させて、当該回路切替用の可飽和リアクトル(22-1,…,22-n)のうち一以上の可飽和リアクトルの磁気リセット量をゼロにしてオンにすると共に残りの回路切替用の可飽和リアクトルの磁気リセット量を最大にしてオフにすること
を特徴とする放電励起ガスレーザの放電回路。 - 磁気圧縮用の可飽和リアクトル(11-1,…,11-n)と回路切替用の可飽和リアクトル(12-1,…,12-n)との直列回路を複数有し、当該複数の直列回路が互いに並列に接続された並列回路を前記ｋ段目より前段の磁気スイッチ部(1)に備え、
パルス発振毎に前記回路切替用の可飽和リアクトル(12-1,…,12-n)の磁気リセット量を変化させて、当該回路切替用の可飽和リアクトル(12-1,…,12-n)のうち一以上の可飽和リアクトルの磁気リセット量をゼロにしてオンにすると共に残りの回路切替用の可飽和リアクトルの磁気リセット量を最大にしてオフにすること
を特徴とする請求項１記載の放電励起ガスレーザの放電回路。
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