JPH0318750B2

JPH0318750B2 -

Info

Publication number: JPH0318750B2
Application number: JP60068050A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Ikeda; Michio Koshizuka
Original assignee: Japan Radio Co Ltd; Aloka Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Japan Radio Co Ltd
Priority date: 1985-03-30
Filing date: 1985-03-30
Publication date: 1991-03-13
Also published as: JPS61226984A

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕本発明は、高出力、長寿命でかつ広範囲な出力
制御範囲を有する封じ切り型炭酸ガス（CO₂）レ
ーザ発振管に関するものである。〔従来の技術〕炭酸ガスレーザ発振管は大別すると、封じ切り
型とガスフロー型がある。封じ切り型炭酸ガスレ
ーザ発振管は、管内にガスを封入し封じ切つた状
態になつていて、ガスフロー型炭酸ガスレーザ発
振管に必要なガスボンベや排気系を必要としな
い。そのため装置が小形にできかつメンテナンス
が容易である点で便利である。炭酸ガスレーザ発
振管内にはCO₂の他、N₂、Heガス混入してあり、
放電時に下記反応式によりCOやNO_xの有毒ガス
が生成する。 2CO₂→2CO＋O₂ N₂＋O₂→NO_x（NO、NO₂など）封じ切り型炭酸ガスレーザ発振管であるとこれ
らの有毒ガスが管外に放出しないという点でも有
利である。反面、封入ガスが放電の都度分解して
溜つてゆき、経時的に出力が低下し短寿命に終つ
てしまうという欠点を持つている。このため封じ切り型炭酸ガスレーザ発振管にお
いては封入ガスの分解を抑制するための触媒を管
内に用いるのが一般的である。前記の反応式から
しても、封じ切り型炭酸ガスレーザ発振管用触媒
は、COの酸化触媒あるいはNO_xの還元触媒が適
当であることが解る。封じ切り型炭酸ガスレーザ
発振管用の触媒について種々あり、例えば気体触
媒としてH₂、H₂OあるいはXeを管内封入ガスに
混入したもの、固体触媒として白金を始めとする
白金属元素及びその合金をカソードとして用いた
り放電管内面に被覆したもの、そして最近では導
電性ペロブスカイト酸化物をカソードとして用い
たものがある。しかし気体触媒は、触媒効果が小さいうえにレ
ーザ発振管内壁に吸着してしまい、長期間に渡つ
て安定な分圧制御が困難であるため、大出力で長
寿命を得るには適さない。導電性酸化物をカソー
ドに用いたものは、次に述べる白金属元素及びそ
の合金に比較すると触媒効果が小さく、1000〜
2000時間程度の寿命を得ることも可能であるが、
装置のメンテナンスなどの実用面から考えるとこ
の10倍程度の寿命が要求されている。各種触媒の中で、白金属元素及びその合金が最
も顕著な触媒効果を有している。これは白金属元
素及びその合金がCOの酸化触媒とNO_xの還元触
媒の双方の作用を有しているためである。触媒効
果の点では、封じ切り型炭酸ガスレーザ発振管用
触媒として最適なものである。白金属元素及びその合金の触媒効果は、温度が
高いほど優れており、そのためにもカソードとし
て用いるのが一般的である。この際、白金属元素
及びその合金は他の金属に比較しスパツタリング
が著しい点が問題となる。即ちスパツタリングに
伴なうカソード近傍のスパツタリング付着物は封
入ガスを吸着し、このためレーザ発振管内の封入
ガス圧及びガス組成は、レーザ発振管動作上での
最適条件から経時的に遠ざかつてしまう。その結
果、レーザ発振管の出力が低下し短寿命になつて
しまう。またスパツタリング付着物はカソード材
質と同質のために導電性を有しており、著しい場
合は、放電がスパツタ付着物を経由する異常放電
を起し、これがレーザ発振管の寿命を制限する一
因ともなる。カソードのスパツタリングは放電電
流に大きく依存する。即ちレーザ出力を増すため
に放電電流を増せば、スパツタリングも増大しレ
ーザ発振管が短寿命になつてしまうので、封じ切
り型炭酸ガスレーザ発振管は大出力を制限せざる
をえなかつた。白金属元素及びその合金をカソードとして用い
る上での難点の今一つは、それらの仕事関数の高
さにある。レーザ装置において最大出力を長期に
維持する必要性がある他、その出力を広範囲に可
変できることが望ましい。炭酸ガスレーザ発振管
では放電電流を少なくしていつた時に、制御しう
る最低出力が可能なかぎり小さいことが望まし
い。出力を小さくするために放電電流を極めて小
さくした場合、カソードの仕事関数が高いと微小
電流時の放電が不安定になつて間欠放電あるいは
パルス状放電となつてしまう。そのため出力を絞
り込むことが不可能となる。白金属元素及びその
合金をカソードに用いた場合は、最大出力の1/20
程度までの出力制御が限界であつた。〔発明が解決しようとする問題点〕本発明は、従来の封じ切り型炭酸ガスレーザ発
振管のこれらの欠点を除去し、高出力で長寿命か
つ出力制御範囲の広い実用的な封じ切り型炭酸ガ
スレーザ発振管を提供するものである。〔問題点を解決するための手段〕上記の問題点を解決するため、本発明の封じ切
り型炭酸ガスレーザ発振管を実施例に対応する第
１図、第２図により説明する。本発明のガスレーザ発振管は、白金属元素の単
体金属または白金属元素の合金の基材に導電性ペ
ロブスカイト酸化物で被覆した電極を有する。そ
の電極は有底筒のホローカソード１であり、有底
筒の内周部の開口端近傍から放電管内部に向けて
筒状に設けられた放電ガイド９によりホローカソ
ード１が管体に支えられている。ホローカソード
１を構成する有底筒の内壁のみが導電性ペロブス
カイト酸化物１２で被覆されている。有底筒の外
壁は前記した白金属元素の単体金属または白金属
元素の合金の基材１１が露出している。そして放
電ガイド９は前記により露出している基材１１の
周辺の空間と放電管内部５の空間とが連通する構
造となつている。〔作用〕ホローカソード１の有底筒の外壁で露出してい
る基材１１の白金属元素の単体金属または白金属
元素の合金の基材１１が、その周辺と連通する放
電管内部５のCOの酸化触媒、NO_xの還元触媒の
双方の作用をする。またカソードの表面にある導
電性ペロブスカイト酸化物１２は、スパツタリン
グを抑制する作用をすると同時に、仕事関数が低
いので微小電流時の放電が安定になる。〔実施例〕以下本発明を図面に基づき詳細に説明する。第１図は本発明を適用する封じ切り型炭酸ガス
レーザ発振管の一実施例を示した断面概略図、第
２図はその要部であるカソード周辺の拡大断面図
である。第１図で、１は円筒形をしたホローカソ
ード、２はアノード、３は全反射鏡、４は出力
鏡、５は放電管内部、６は冷却水出入口を有する
外管（ジヤケツト）、７は放電によつて生じた放
電プラズマ、８はレーザ出力光である。第２図
で、９はカソードの位置を決めると同時に放電プ
ラズマをカソード内に均一に導くための放電ガイ
ド、１０はカソード内外の封入ガスの流動のため
の細孔、１１は白金からなるホローカソード基
材、１２はホローカソード基材１１の円筒内面に
被覆した導電性ペロブスカイト酸化物である。ペ
ロブスカイト酸化物は分子式ABO₃で表わされ、
特異な結晶構造を有する物質である。その焼成体
は、組成により圧電性を示したり、金属型の導電
性を示したりする。例えばLa_1-xSr_xCoO₃やLa_1-x
Sr_xMnO₃などは顕著な導電性を示す。カソード基材１１の内面には、通常のセラミツ
クスの焼付けと同じように次のような方法でペロ
ブスカイト酸化物１２を被覆することができる。
La_1-xSr_xCoO₃を、例えばLa分が0.7、Sr分が0.3
になるモル比で混合した原料粉末を仮り焼きした
ものを粉砕し、ポリビニールアルコール溶液等を
バインダとしてペースト状にする。そのペースト
をカソード基材１１の内面に塗布してから本焼成
をし被覆を完了する。なおカソード基材１１と導
電性ペロブスカイト酸化物１２の機械的結合力を
増すためには、前述したペースト内に、SiO₂を
主成分とする硝子質を１〜10重量％程度混入する
と有効である。その混入量の増大に伴ない比抵抗
は増大するが、通常の炭酸ガスレーザ発振管のイ
ンピーダンスが100KΩ〜1MΩと比較的高いの
で、１〜10％程度の硝子質の混入によつて生じる
抵抗値の増大（100Ω〜1KΩ）はカソードとして
使用する上で問題とならない。レーザ発振管が動作するときは、放電プラズマ
７が放電ガイド９によつてカソード内面に導かれ
る。そのときレーザ発振管に封入されているガス
（CO₂、N₂）から放電によつてCO、NO_xが生成
する。生成したガスは、封入ガスとともに放電ガ
イド９の途中にあけた細孔１０を通して出入り
し、カソード外側面のカソード基材１１の白金に
より強い触媒作用を受け、CO₂、N₂に戻る。そ
の結果、分解が抑制されたと同じ効果になる。またレーザ発振管が動作するときは、カソード
内面の導電性ペロブスカイト酸化物１２は放電プ
ラズマ７にさらされる。一般に酸化物は金属に比
較しスパツタリングを生じにくゝ、導電性ペロブ
スカイト酸化物もやはりスパツタリングを生じに
くい。従来の白金属元素またはその合金をカソー
ドとして使用していた場合に比較しスパツタリン
グの問題を無視出来る程度となる。上記実施例の封じ切り型炭酸ガスレーザ発振管
では、放電長１ｍ当り65Wを得ることができ、放
電維持電圧が10％低下するまでに10000時間、す
なわち寿命10000時間を達成することができた。これに対し、上記のように白金の触媒作用を受
ける可能性のない構成では、特公昭58−41674号
公報に示されたように、導電性ペロブスカイト酸
化物を用いた電極でも放電維持電圧が50％低下す
るまでの時間（半減期）が180時間しかない。さらに上記構成の封じ切り型炭酸ガスレーザ発
振管のカソードは、微小電流時においても極めて
安定な放電を持続できることが判明した。円筒状
のいわゆるホローカソードは、従来から知られた
構成であるが、微小電流時においてはいわゆるホ
ローカソード効果がない。ホローカソード効果を
得るには、カソード材質の仕事関数が低いことが
必要である。第１表に白金属元素と導電性ペロブ
スカイト酸化物構成元素の代表的なものの仕事関
数を示してある。同表に示すように、白金属元素
と比較すると導電性ペロブスカイト酸化物構成元
素は仕事関数の低いことが判る。さらに一般に酸
化物は金属単体より仕事関数が低い。これらの総
合により上記構成の封じ切り型炭酸ガスレーザ発
振管のカソードは、微小電流時の放電の安定性が
高いものと思われる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明の封じ切り型炭酸ガ
スレーザ発振管は、カソード基材に使われている
白金属元素またはその合金が高い触媒作用をする
ので、有害ガスが蓄積することがないため、高性
能のまゝ長寿命を維持できる。カソード内面の導
電性ペロブスカイト酸化物１２は、スパツタリン
グに大きな耐性を示すために、この点からも高出
力で長寿命を達成することができるようになる。また本発明の発振管では、有底筒電極の内面を
電子放出源とするホローカソードを採用した。ホ
ローカソードは、筒内面でのイオンおよび電子の
衝突による電子増倍作用がある。そのため単位面
積当たりの取り出し電流が大きく、放電が安定に
なりカソードを小さくできることになる。一般に
これら冷陰極放電管では、カソード部で損失があ
り発熱するが、カソードの大きさ（熱容電）が小
さいほど温度上昇が大きくなる。また一般に化学
反応時の触媒作用は、温度が高いほど活性にな
る。例えば炭酸ガスレーザ発振管では、カソード
温度が300℃以上で、顕著な触媒作用を呈する。
触媒作用が顕著であれば、封入ガスの分解が抑制
され、発振管の長寿命化につながる。前記本発明
の例における寿命10000時間以上は、ホローカソ
ードを採用し、カソードサイズを小さくできたた
めに達成された値である。カソードサイズを大き
くすると、寿命が低下することは確認されてお
り、ホローカソードでないと寿命が半減すると共
に、放電が不安定になる。さらには、微小電流時の放電の安定性が良いた
めに出力制御範囲が広く、出力零から最大出力ま
で連続的に可変することが可能となつた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用するレーザ発振管の側断
面図、第２図はその要部拡大図である。１……カソード、２……アノード、３……全反
射鏡、４……出力鏡、５……放電部内管、６……
外管、７……放電プラズマ、８……レーザ出力
光、９……放電ガイド、１０……細孔、１１……
カソード基材、１２……導電性ペロブスカイト酸
化物。

Claims

【特許請求の範囲】

１白金属元素の単体金属または白金属元素の合
金の基材に導電性ペロブスカイト酸化物で被覆し
た電極を有するガスレーザ発振管において、該電
極は有底筒のホローカソードであり、その有底筒
の内周部の開口端近傍から放電管内部に向けて筒
状に設けられた放電ガイドにより該ホローカソー
ドが管体に支えられ、該有底筒の内壁のみが前記
導電性ペロブスカイト酸化物で被覆されており、
該有底筒の外壁は前記基材が露出しており、該放
電ガイドは前記により露出している基材の周辺の
空間と該放電管内部の空間とが連通可能な構造で
あることを特徴とする封じ切り型炭酸ガスレーザ
発振管。