JPH04171879A - パルスレーザ用電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、繰返し放電励起パルスレーザ、特にエキシマ
レーザ、Ｃ０２レーザ等のガスを空間的に均一なグ〒−
放電により励起する必要のある／ぞルスレーザ用電源装
置に関する。

〔従来の技術〕

放電励起パルスレーザでに、ガス媒質を予備電離した後
、一対の電極間に立上りの速い急峻な高電圧ノ々ルスを
印加し、電極間の媒質ガスがグロー放電することを利用
して、これに主電流を注入。

レーザがスを励起しレーザ発振を行わせるものである。

この種のレーザがス放電Ｆｉ、放電開始後。

短時間で放電がアーク化することから、アーク化する前
に主電流の注入を行わなければならないため、・５ルス
状の電流注入が行われる。

従来、このよう々パルス電源装置に関し、容量移行回路
を基本としたものが攬々提案されている。

第６図にその１例としてサイラトロンを用いた容量移行
回路の構成を示す。この回路では、グロー放電量生成に
必要とされる急峻な高電圧パルス発／生回路と主電流の
ガス媒質への注入を行う主電流”注入回路を同一の回路
としている。このため、装置の大容量化に伴い、高電圧
パルスの立上り時間が延びる欠点があった。

また、目的の異なる２つの回路、電圧源としての高電圧
パルス発生回路と電流源としての主電流注入回路とを分
離し、それぞれ独立した２つの回路で前記の異なる作用
をさせる吃のの１例として。

特開昭６３−９６９７８号公報に記載されている本のが
知られている。第５図にその実施例を示す。

この回路は高電圧パルス発生回路に半導体スイッチ、昇
圧トランス、可飽和インダクタ及びコンデンサを組み合
せ要電流増幅型磁気・やルス幅圧縮回路の組み合せを適
用し、前記主電流注入回路と可飽和トランスにより接続
した本のである。

なお、第６図において、ＰＳＩＦｉ直流電源、ＬＤは放
電負荷、Ｃ，ＣＩ　、Ｃ２にコンデンサ。

τＳはサイラトロン、ＬＣはインダクタ、ＳＩ￥′ｉ可
飽和インダクタを示す。ま７９：、、第５図において。

６は調整用コンデンサ、１７〜９はコンデンサ。

１０〜１２は可飽和インダクタ、１３は半導体スイッチ
、１４は磁気圧縮回路、１５はプルムライン回路、Ｊｂ
は一対の電極、７７は可飽和トランスを示す。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上述し九ような高電圧パルス発生回路に
半導体スイッチ素子を用いた電流増幅型磁気・臂ルス幅
圧縮回路を適用する場合は、ノ４ルス幅圧縮回路の出力
端に可飽和トランスの１次側入力波形を定めるための調
整用コンデンサが必要となる。更に、可飽和トランスの
２次側には最終負荷である放電管がある。したがって、
パルス幅圧縮回路の負荷としては調整用コンデンサと放
電管内の浮遊容量とカリ、・母ルス幅圧縮回路の容量は
調整用コンデンサの容量分大きくする必要がある。

また、パルス幅圧縮回路のパルス幅圧縮動作において、
電圧の昇圧動作はトランスを用いないため原理的にでき
ない、半導体スイッチの動作電圧は現状５　ｋＶ以下で
あるため、５ｋＶ以上のノぞルスを供給するためには、
半導体スイッチの直列運転でスイッチの耐電圧を増加さ
せるか、またはパルス幅圧縮回路の他に昇圧用トランス
が必要になる。

大容量電源では、半導体スイッチの直並列運転は段数の
増加と供にトリがタイミングの同期、均一な電流及び電
圧分配の点で技術的な難しでか増すと考えられる。従来
、用いられている方法としては第５図に示すように昇圧
トランスを用いているのが現状である。

本発明は上記のような点に鑑みなされたもので５サイリ
スタの直並列運転を不要、または昇圧トランスを不要と
し、しかも、調整用コンデンサを必要とせずにノぐルス
幅圧縮回路の容量を低減できる／４’ルスレーザ用電源
装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するだめの手段〕

本発明のノルスレーザ用電源装置は、高電圧充電電源に
対し直列に接続された複数のコンデンサ及び充電電源に
対し並列に接続された複数の可飽和トランスとからなる
電圧増幅型磁気パルス幅圧縮回路と、前記可飽和トラン
ス磁心の初期飽和方向を与えるためのバイアス電流供給
回路、さらに前記充電電源を断続的に接続するスイッチ
手段を備え、負荷に対し繰返し高電圧短ノソルスを供給
する。

可飽和トランスとコンデンサにより構成される本回路で
は、可飽和トランスのスイッチング動作によるパルス幅
圧縮作用の他に、可飽和トランスによる電圧昇圧動作が
同時に行えることが特徴である。更に２回路構成止金て
の可飽和素子に可飽和トランスを用い、これを全て並列
配置としているため、調整用コンデンサを必要とせずに
直接レーザ管を負荷できる特徴を持つ。

〔作用〕

可飽和トランスとコンデンサにより構成される本回路は
、可飽和トランスのスイッチング動作による・平ルス幅
圧縮作用の他に可飽和トランスの電圧昇圧作用を有する
。この２つの作用により、サイリスタの直並列運転が不
要、または昇圧トランスを不要とすることができる。し
かも、可飽和素子として可飽和トランスを用いているた
め、調整用コンデンサを必要とせずパルス幅圧縮回路の
容量を低減できる。

〔実施例〕

以下１図面を参照して本発明の一実施例に係るパルスレ
ーザ用電源装置を説明する。

第１図に示すように、高電圧ｔ４ルス発生回路として、
高電圧充電電源ＰＳ１の出力端にはスイッチ手段として
のサイリスタＴｈｙが並列に１！！続されティる。更に
、コンデンサＣ４を介して可飽和トランスＴｒ４の１次
側にも接続されている。可飽和トランスＴｒ４の２次側
は、コンデンサＣ３を介して可飽和トランスＴｒ３の１
次側に接続されている。

以下、同様に、コンデンサＣ２及び可飽和トランスＴｒ
２　、コンデンサＣノ及び可飽和トランスＴｒｉが各々
直並列接続されている。最終段可飽和トランスＴｒｉの
２次側出力端は電圧増幅型磁気・ンルス幅圧縮回路の出
力端ＯＵＴとなっており、ここに負荷として放電管と主
電流注入回路の大容量コンデンサ（ＰＦＬ　）が直列に
接続されている。放電管部の浮遊容量はＰＦＬの容量に
較べ十分に小さいため。

電圧増幅型磁気パルス幅圧縮回路の出力電圧はほとんど
放電部に加わる。また、各可飽和トランスＴｒｉ〜Ｔｒ
４　Ｋは、コアの初期飽和方向を与えるためのバイアス
電流供給端子Ｂ１〜Ｂ４が具備されている。

一方、主電流注入回路として、高電圧充電電源ＰＳ２の
出力端にはスイッチ手段としてのサイリスタＴｈｙまた
はサイラトロンが並列に接続されている。更に、コンデ
ンサＣ５を介して昇圧トランスＴｒの１次側に本接続さ
れている。外圧トランスＴｒの２次側は、主電流注入用
大容量コンデンサとして％ＰＦＬに接続されている。

ココで、同実施例において、可飽和トランスには、磁心
材料として非晶質磁性合金薄帯、フェライト等の材料が
用いられている。特に、最終段のトランスには、漏れイ
ンダクタンスを少なくするため、レーストラック状のコ
アを用いた第４図に示すトランス形状を採用している。

第４図において、２次側配＋＠２は幅広の板状絶縁被覆
金属板またはケーブル、もしくは複数本の絶縁ケーブル
を板状に並べた本ので構成され、１次側配線１は複数本
の絶縁ケーブルを板状に並べたもので構成されている。

磁心３は複数個有り。

形状はトロイダル形状のコアを一方向に押し潰したよう
な形状となっている。各磁心３に対して１次側配線１は
並列巻、２次側配線２は直列巻として必要な巻線比を持
たしている。このため、低漏れインダクタンス及び１次
、２次配線の構造インダクタンスが低減可能な構成とな
っている。なお。

図中４は非晶質磁性合金薄帯、５は絶縁用合成樹脂薄膜
を示す。

このようにして構成される可飽和トランスは、コンデン
サと供に電圧増幅型磁気・やルス幅圧縮回路を構成して
いる。各段の可飽和トランスの磁心断面積は、各段の可
飽和トランスの２次側に接続されているコンデンサの印
加電圧が最大となる時期に磁心の飽和が生じ、スイッチ
ング動作を起こすように、印加電圧Ｖ及びその立上り時
間τから以下の磁心飽和の設計式で定められる。

ここＫ Ｓｔ：）ランスの磁心断面積 Ｎａニドランスの２次側巻線数 ΔＢ：　磁心の磁束密度の変化 ｖ　：　トランスの２次側最大出力電圧τ　：　トラン
スの２次側出力電圧の立上り時間上記実施例では、各段
の可飽和トランスの１次−２次巻線比はＴｒｌからＴｒ
ｌまで各々１　：　２　、１：２゜１：４，１：４とし
ている。更に、各段のコンデンサの値は、最大蓄積エネ
ルギーが等しくなるように最大印加電圧から定められる
。

なお、前記スイッチング素子はサイリスタに限定される
本のではない。また、主電流注入用大容量コンデンサと
してはパルスフォーミングライン（ＰＦＬ　）に限定さ
れるものではなく、パルスフォーミングネットワーク（
ＰＦＮ　）またはコンデンサ等が使用できる。

次に、同実施例の動作を説明する。

放電管内のガスは予備電離源Ｐｒ−３ｏｎｉｚ＠ｒによ
り電離される。予備電離方法としては、ピン電極間のア
ーク放電からの紫外光、またはＸ＠源からのＸ線による
光電離を利用するものがある。その後、以下に示す回路
動作によυ高電圧パルス発生回路から急峻な高電圧パル
スが電極間に印加される。第２図に高電圧・９ルス発生
回路の各部動作波形を示す。

初期状態では各コンデンサには充電されておらず、コン
デンサＣ４のみが高圧充電電源ＰＳにより２　ｋＶに充
電されている。サイリスタＴｈｙにトリがを与えると、
同サイリスタＴｈｙ　Ｆｉ導通しコンデンサＣ４に蓄え
られていたエネルギーは可飽和トランスＴｒ４の１次１
１１に投入される。これに伴い。

コンデンサＣ４の電圧Ｖ　Ｃ４は低下する。可飽和トラ
ンス’ｒｒ４ｈ、バイアス電流の印加により未飽和状態
としており、高インピーダンスとなっているため、理想
トランスとして動作する。前記エネルギーは可飽和トラ
ンスＴｒ４の１次−２次間の磁気結合を通して、コンデ
ンサＣ４及びコンデンサ０３間の容量移行により、２次
側のコンデンサＣ３に伝送される。このとき、可飽和ト
ランスＴｒ３はバイアス電流により飽和状態としである
ため、１次、２次間の結合がほとんど無＜、１次側のコ
イルによる自己インダクタンスとしてのみ働く、可飽和
トランスＴｆ４の２次側では、可飽和トランスＴｒ４に
より電圧は１次側の約４倍に増幅され、コンデンサＣ３
の電圧Ｖ　ＣＪ　Ｆｉ約８　ｋＶが得られている。この
時のコンデンサＣ４からコンデンサＣ３へのエネルギー
移行時間は約３．４μ３・Ｃである。

可飽和トランスＴｒ４の電圧がピークＫＪｊすると。

可飽和トランスＴｒ４は飽和し、可飽和トランスＴｒ４
の２次側は２次側コイルによる自己インダクタンスとし
てのみ働く。コンデンサＣ３のエネルギーは可飽和トラ
ンスＴｒ３の１次−２次間の磁気結合を通して、コンデ
ンサＣ３及びコンデンサＣ２間の容量移行により％２次
側のコンデンサＣ２に伝送される。このとき、可飽和ト
ランスＴｒｊはバイアス電流により飽和状態としである
ため％１次、２次間の結合がほとんど無く、１次側のコ
イルによる自己インダクタンスとしてのみ働く、可飽和
トランスＴｒ３の２次側では、可飽和トランスＴｒ３に
より電圧は１次側の約４倍ＩｃＭＩ幅され、コンデンサ
Ｃ２の電圧Ｖ　Ｃ２は約３０ｋＶが得られている。この
時のコンデンサＣ３からコンデンサＣ２へのエネルギー
移行時間は約７２０　ｎ５ｅｅでおる。

可飽和トランスＴｒ３の電圧がピークに達すると。

可飽和トランスＴｒＪは飽和し、可飽和トランスＴｒＪ
の２次側は２次側コイルによる自己インダクタンスとし
てのみ働く、コンデンサＣ２のエネルギーは可飽和トラ
ンスＴｒ２の１次−２次間の磁気結合を通して、コンデ
ンサＣ２及びコンデンサＣ１間の容量移行により、２次
側のコンデンサＣＪに伝送される。このとき、可飽和ト
ランスＴｒｉはバイアス電流により飽和状態としである
ため、１次、２次間の結合がほとんど無＜、１次側のコ
イルによる自己インダクタンスとしてのみ働く。可飽和
トランスＴｒ２の２次側では、可飽和トランスＴｒ２に
より電圧は１次側の約２倍に増幅され、コンデンサＣＪ
の電圧ＶＣＪは約５０ｋＶが得られている。この時のコ
ンデンサＣ２からコンデンサＣ１へのエネルギー移行時
間は約１６０　ｎａｅｅである。

可飽和トランスＴｒ２の電圧がピークに達すると。

可飽和トランスＴｒｉは飽和し、可飽和トランスＴｒ２
の２次１１ｉ１は２次側コイルによる自己インダクタン
スとしてのみ働く。コンデンサＣＩのエネルギーは可飽
和トランスＴｒＪの１次−２次間の磁気結合を通して、
コンデンサＣ１及び放電部の浮遊容量ＣＯ間の容量移行
により、２次側の容量Ｃθに伝送される。このため、可
飽和トランスＴｒｉの２次側には高電圧■。ＬＩＴが発
生し、この電圧ａ　ＰＦＬの容量に較べ放電部の浮遊容
量Ｃθが十分小さいため、はとんど放電部に印加される
。この電圧が放電部の絶縁破壊電圧に達すると、放電部
は絶縁破壊を起こし、電極間のがス媒質はグロー放電を
起こす。これと同時に、可飽和トランスＴｒｉが飽和を
起こすように設計されている。

この時、放電部に発生する電圧は１次側の約１．３倍に
増幅され、放電電圧Ｖ。。７は約６５　ｋＶが得られて
いる。この時の放電電圧の立上り時間は約２５　ｔｓｅ
ｅである。最終的な電圧、電流パルス幅の圧縮率は１３
６倍を得、また、電圧の昇圧率は３２倍を得ている。更
に、各段の電流ピーク値は。

はぼ２．５ｋＡ程度で一定である。高電圧パルス発生回
路による発生電圧は、以下で説明する主電流注入回路に
より発生する電圧に重畳されて放電部に印加される。第
３図に放電部に印加される電圧ＶＬＤ％電流”ＬＤの波
形を示す。

主電流注入回路では事前に、高圧充電電源ＰＳ２により
コンデンサＣ５は所定の電圧に充電されており、高圧充
電電源ＰＳ２に対し並列に接続されているスイッチにト
リガを加えると、サイリスタＴｈ７は導通し、コンデン
サＣ５に蓄えられていたエネルギーは昇圧トランスの１
次側に投入される。

これに伴い、　ＰＥＬの電圧ｖＰＦＬは上昇し所定の電
圧（約１５　ｋＶ　）にパルス充電される。この時、高
電圧パルス発生回路による放電部へのパルス電圧ｖＯＵ
Ｔの印加により放電部にグロー放電が形成されると、放
電部のインピーダンスが急激に低下し、主電流回路から
主エネルギーの注入が始まる。この時、可飽和トランス
ＴｒＪは飽和状態にあるため。

この主エネルギーの注入は高速化され、グロー放電は約
１００　ｎａｅｅで接続し続ける。

ここで、主電流の立上少時間は約１００　ｎａｅｃ　。

電流値は約５　ｋＡが得られている。主エネルギーによ
り励起されたガス媒質はレーザ発振を起こし。

ｚ４ブ そのエネルギーは光として外部に取シ出される。

この装置をＸｅＣｌレーザに適用した結果、レーザ発振
が確認されている。

〔発明の効果〕

以上のように本発明では、可飽和トランスのスイッチン
グ動作によるパルス幅圧縮作用の他に。

可飽和トランスの電圧昇圧作用を持つ電圧増幅型パルス
幅圧縮回路を高電圧ノ苧ルス発生回路に用いることによ
り、サイリスタの並列運転のみで昇圧トランス要せずに
負荷に対し高繰返し、高電圧短ノ４ルス供給することが
できる。従って、従来の方法に較べ、昇圧トランスを用
いたため、装置の小型化が可能となり、さらにサイリス
タの直並列運転を並列運転のみとすることで回路構成の
簡略化。

並びに信頼性向上を図ることができる。

また、可飽和トランスとコンデンサにより構成される本
回路では、可飽和トランスのスイッチング動作による／
４ルス幅圧縮作用の他に可飽和トランスの電圧昇圧動作
を同時に行うことが可能である。この２つの作用により
、サイリスタの直並列運松−−不要、または昇圧トラン
スを不要とすることができる。しかも、可飽和素子とし
て可飽和トランスを用いているため、調整用コンデンサ
を必要とせずに・母ルス幅圧縮回路の容量を低減できる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る電源装置の構成を示す
図、第２図は同実施例における高電圧ノ４ルス発生回路
の各部動作波形図、第３図は同実施例における放電部に
印加される電圧及び電流の波形図、第４図は本発明に用
いられるレーストラック状コアを用いたトランスの構造
を示す図、第５図は従来の放電励起パルスレーデ用電源
装置の構成を示す図、第６図は従来のサイラトロンスイ
ッチを用いた容量移行回路の構成を示す図である。 ＰＳＪ・・・直流電源、ＰＳ２・・・直流電源、　Ｔｈ
ｙ・・・スイッチ素子（半導体スイッチまｆｃはサイラ
トロｙ）、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ−ｉ：ｙ
デンサ、ＣＯ・・・電極部浮遊容量、　Ｔｒｉ　＋　Ｔ
ｒ２　＋’ｆｒ３　、　Ｔｒ４・・・可飽和トランス、
Ｔｒ・・・昇圧トランス、ＬＤ・・・放電負荷（レーザ
管）、Ｂｌ　、Ｂ２．Ｂ３゜Ｂ４・・・バイアス電流供
給端子、ＶＣｚ、ＶＣｚ。 Ｖ　ＣＪ　、　Ｖ　Ｃ４・・・各コンデンサ印Ｘ電圧、
ｖＯＵＴ・・・高圧パルス発生回路出力電圧、ｖＰＦＬ
・・・ＰＦＬ出力電圧、ｖＬＤ・・・放ｌＬ部印ｍｔ圧
”　■ＬＤ・・・放電都電流、１・・・可飽和トランス
１次側配置、２・・・可飽和トランス２次側配線、３・
・・レーストラ、り状トランス磁心、４・・・非晶質磁
性合金薄帯、５・・・絶黴用合成樹１１１ｇ膜。 出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　彦第３図 ＩＴ（５Ｐ）　ｘ２Ｐ　　ＩＴｘ２Ｓ 豐練比１２ （ａ） （ｂ） 第４図 第５図 第６図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）電圧源として充電電源に並列に接続された可飽和
   トランス及び前記充電電源に対して直列に接続されたコ
   ンデンサの複数段の組み合せよりなり、スイッチ素子の
   ターンオン時間により決定される比較的低周波の電圧ま
   たは電流パルス波形を所定の高周波の波形まで圧縮し、
   かつ所定の電圧まで昇圧する電圧増幅機能を有するパル
   ス幅圧縮回路と、このパルス幅圧縮回路において前記充
   電電源を断続的に接続するスイッチ手段とを備え、前記
   パルス幅圧縮回路の最終段可飽和トランス２次側出力端
   に接続された負荷に急峻な高電圧短パルスを繰返し供給
   することを特徴とする電圧増幅型磁気パルス圧縮回路を
   用いたパルスレーザ用電源装置。
2. （２）前記電流源として、パルスフォーミングライン、
   パルスフォーミングネットワークまたはコンデンサ等の
   電気エネルギー蓄積器と、この蓄積器を充電する充電回
   路とを具備した主電流注入回路を用いることを特徴とす
   る請求項（１）記載のパルスレーザ用電源装置。
3. （３）前記可飽和トランスのコアは、非晶質磁性合金薄
   帯を多層巻きにした磁心、フェライト磁心または珪素鋼
   板の磁心を用いることを特徴とする請求項（１）記載の
   パルスレーザ用電源装置。
4. （４）前記負荷として、エキシマレーザ等の繰返し放電
   励起パルスレーザ装置の放電管とすることを特徴とする
   請求項（１）記載のパルスレーザ用電源装置。