JPH06215700A - コンパクトな高電流交差電界プラズマスイッチ - Google Patents

コンパクトな高電流交差電界プラズマスイッチ

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JPH06215700A
JPH06215700A JP5262415A JP26241593A JPH06215700A JP H06215700 A JPH06215700 A JP H06215700A JP 5262415 A JP5262415 A JP 5262415A JP 26241593 A JP26241593 A JP 26241593A JP H06215700 A JPH06215700 A JP H06215700A
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anode
switch
plasma
grid
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ダン・エム・ゴーベル
Robert L Poeschel
ロバート・エル・ポーシェル
Ronnie M Watkins
ロニー・エム・ワトキンス
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    • H01J17/06—Cathodes
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、10ｋＡ以上のピーク電流と高いス
イッチング速度を有し、信頼性の高い動作が可能であ
り、コンパクトなクロスアトロンプラズマスイッチを提
供することを目的とする。 【構成】 真空ハウジング18と、内面に内方に突出する
軸方向に延在する波形のひだを備えた円筒形の冷陰極20
と、陰極20と同軸的な円筒形陽極22および円筒形ソース
グリッド24と、イオン化ガスの導入手段42と、陰極20と
陽極22との間のプラズマ路を選択的に設定する円筒形の
制御グリッド24と、陰極22とソースグリッド26との間の
予め定められた電圧差と共同して陰極20からの２次電子
にサイクロイド軌道をたどらせる磁界を生成する磁石手
段40a, bとを具備していることを特徴とし、陰極20の内
面の波形のひだの深さはひだの間の距離の１．５倍より
小さく設定されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は一般にクロスアトロン
（CROSSATRON）スイッチと呼ばれるグリッド変調された
プラズマスイッチ、および10ｋＡ以上の電流レベルにお
けるこのようなスイッチの動作に関する。
【０００２】
【従来の技術】クロスアトロンスイッチは、サイラトロ
ン（thyratron ）のような速い閉成速度および真空管の
ような速い開放速度が可能なグリッド変調されたプラズ
マスイッチである。クロスアトロンは、ヒューズエアク
ラフト社の登録商標である。一連のクロスアトロン設計
は、Harvey氏による米国特許第4,247,804 号明細書（19
81年 6月27日出願）、Schumacher氏他による第4,596,94
5 号明細書（1986年 6月24日出願）および氏による第5,
019,752 号明細書（1991年 5月28日出願）に示されてお
り、これらの特許は全て本出願人のヒューズエアクラフ
ト社に譲渡されている。
【０００３】クロスアトロンスイッチの動作原理は図１
に示されている。スイッチは、中心軸２の周囲に配置さ
れた４つの同軸の円筒形電極を有する水素プラズマ装置
である。最も外側の電極４は陰極であり、それは陰極表
面の近くに集中された先端磁界８を生成するように軸方
向の周期的な永久磁石積層６によって包囲されている。
最も内側の電極10は陽極として機能し、一方２番目の外
側の電極12は制御グリッドであり、３番目の外側の電極
14はソースグリッドである。
【０００４】陰極表面で生成された２次電子は磁界中に
トラップされ、放射状の電界および磁界の軸方向の成分
のため円筒形陽極10の周囲においてサイクロイドのＥ×
Ｂ軌道で移動する（ここでＥは電界であり、Ｂは磁界で
ある）。電子は最終的に衝突によりそれらのエネルギを
失い、陽極またはグリッドによって収集される。陰極表
面の近くの電子の長い通路長は水素背景ガスのイオン化
を高め、スイッチが動作する圧力を減少させる（サイラ
トロンに比較して）。このスイッチ中の水素圧力は、電
極間の間隙の間隔と電圧レベルとに応じて 100乃至1,00
0 ミクロンの範囲である。陰極材料は典型的にモリブデ
ンであり、陰極ヒータ電力は不要である。
【０００５】ソースグリッド14は陰極への低いレベルの
（典型的に20ｍＡより小さい）ＤＣ放電を維持すること
によってオン切替えジッタを最小にするために使用さ
れ、一方制御グリッド12は通常陰極電位の約１ｋＶ内に
保持される。開放時、スイッチ中の高電圧は制御グリッ
ド12と陽極10との間の間隙を横切って維持される。スイ
ッチは陰極の電位より上の電圧電位に制御グリッド12を
パルス駆動することによって閉じられ、それによってそ
れが制御グリッド12と陽極10との間の間隙中に拡散する
ようにプラズマ16の密度を高める。結果として、陰極と
陽極との間に低いインピーダンス導通路が生成され、ス
イッチが結果的に閉じられる。高密度プラズマはスイッ
チ中に生成されることが可能であり、陽極に対する電流
上昇率は閉成電圧パルスが制御グリッド12に供給される
より約１マイクロ秒前にソースグリッド14を予めパルス
化することによって増大されることができる。
【０００６】クロスアトロンスイッチは閉成専用スイッ
チとして始めに開発された（米国特許第4,247,804 号明
細書）が、高電流遮断の可能な変調器スイッチも開発さ
れた（米国特許第4,569,945 号明細書）。米国特許第5,
019,752 号明細書において、陰極は陰極軸の周囲に延在
する一連のクロムめっきされた円形溝または波形ひだを
具備していた。波形ひだはプラズマに露出された実効陰
極表面積を増加させ、それによってアークを最小にする
ためにクロム表面からの電子放出電流密度を減少した。
【０００７】陰極波形ひだを使用する異なる方法は、本
出願人によって1992年 6月19日に出願され、ヒューズエ
アクラフト社に譲渡された米国特許出願第07/901,353号
明細書（“High Voltage Crossed-Field Plasma Switc
h”）に記載されている。この特許明細書中の陰極波形
ひだは米国特許第5,019,752 号明細書のように周辺方向
ではなく軸方向に延在し、波形ひだの深さはそれらの幅
の少なくとも２倍である。充填された重水素ガスと関連
して使用された場合、より一般的な平坦な陰極表面およ
び水素充填による約 250アンペアのピーク閉成電流と比
較して、 100ｋＶより大きい電圧および１ｋＡのピーク
閉成電流のスイッチングが達成された。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】上記のスイッチにより
達成される電流レベルは、依然としてスイッチがＴＥ−
ＣＯ2 およびエキシマレーザにおいて認められるような
レーザ放電スイッチングに使用されることを可能にする
ように十分に高くはなかった。これらの適用にはスイッ
チが約 2.5乃至10ｋＡのピーク電流能力およびＣＯ2 レ
ーザに対して２×1010Ａ／秒またエキシマレーザに対し
てほぼ１×1011Ａ／秒より大きい閉成速度を有すること
が必要とされる。現在ガス放電レーザは、Cobin 氏によ
る文献（“Thyratron ”，McGraw-Hill Encyclopedia o
f Electronics and Computers ，McGraw-Hill Inc., 19
84年， 855乃至 856頁）に記載されているようなサイラ
トロンおよびスパーク間隙を使用する。クロスアトロン
スイッチはサイラトロンおよびスパーク間隙スイッチよ
りかなり長い寿命および同様に速い閉成速度と非常に高
いパルス反復周波数を有しており、ガスレーザシステム
に対してクロスアトロンスイッチを使用することが望ま
しい。しかしながら、現在利用可能なクロスアトロンス
イッチは３ｋＡまたはそれ以下のピーク電流に制限され
ている。陰極直径を、したがって電子放出面積を増加す
ることによってピーク電流レベルを高めようとする試み
が行われており、10ｋＡを越えるピーク電流能力を持つ
スイッチは、25cmを越える陰極直径を使用することによ
って達成されている。残念ながら、商用レーザはスイッ
チが適合しなければならない固定された直径のソケット
を有しており、約10cmを越す陰極直径を持つクロスアト
ロンスイッチは使用不可能である。したがって、開発さ
れている高電流クロスアトロンスイッチはレーザスイッ
チングに十分なピーク電流能力を示すが、実際はそれら
は大き過ぎてレーザ装置には使用できない。
【０００９】本発明の目的は、10ｋＡ以上のピーク電流
およびエキシマおよびＣＯ2 レーザに適したスイッチン
グ速度を有し、高い信頼性の下に動作することが可能で
あり、さらに通常のエキシマおよびＣＯ2 レーザのスイ
ッチのソケット内に適合するように十分にコンパクトな
改良されたクロスアトロンプラズマスイッチを提供する
ことである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】これらの目的は、従来の
技術と対照的に実際に動作するが、組合せにおいて非常
に高いピーク電流容量およびスイッチング速度を持つコ
ンパクトなスイッチを可能にする多数の特徴を有する新
しいクロスアトロンスイッチ設計によって達成される。
陰極は軸方向に導かれた波形ひだを使用するが、スイッ
チの最高電流伝送容量がさらに高くても、米国特許出願
第07/901,353号明細書のものより波形ひだが浅く、先端
において丸みを付けられて滑らかにされている。波形ひ
だの深さが波形ひだ間の幅の２倍以上である従来の適用
と対照的に、本発明において波形ひだの深さは波形ひだ
間の距離の 1.0乃至1.5 倍であることが好ましい。波形
ひだが浅くなると、小さい直径のスイッチにおいて50乃
至100 cm3 にプラズマボリュームを最大化し、したがっ
て1011Ａ／秒またはそれより良好なスイッチング速度を
実現することが可能になり、一方において丸みを付けら
れたエッジはアークが発生させずに電流密度を高める。
【００１１】利用可能なプラズマボリュームはまた10cm
の直径の陰極で従前に使用された6.4cm の直径より陽極
直径を大幅に減少することによって高められる。陽極直
径に対する下限はパッシェン破壊を防止するために与え
られるが、本発明の別の設計特徴と結合された場合に、
2.5cm の小さい陽極直径がエキシマレーザに対して使用
可能なことが認められている。1.25cmのさらに小さい陽
極直径はＣＯ2 レーザに対して要求される少し低いピー
ク電流で得られることができる。エキシマレーザでは、
陽極は陰極と同じ材料すなわちモリブデンから形成され
ることが好ましい。これは、陽極のイオン衝突およびス
パッタリングを生じさせる各エキシマレーザパルスの端
部における高い負の陽極電圧スパイクと関連した陽極ス
パッタリング効果を相殺する。
【００１２】磁石設計はまた高電流密度を得るために修
正される。電子を限定し、プラズマを生成するために波
形ひだの先端においてスイッチ軸に沿って適切な磁界Ｂ
z（ 300ガウスより大きい）を提供し、さらに著しいプ
ラズマ発生を阻止してスイッチのラッチを阻止するため
に陽極と制御グリッドとの間の間隙において十分に低く
（ 200ガウスより小さく）磁界強度を維持するために、
磁石は従来のクロスアトロンスイッチに比較して長くさ
れ、また強度が高められ、さらに陰極と制御グリッドと
の間の間隔を増加することにより制御グリッドから離さ
れる。10cmの直径の陰極を包囲している磁石は長さが軸
方向において約 2.5乃至3cm であり、約 1.2乃至2.4 ｋ
Ｇの表面強度を有していることが好ましい。また２つの
積重ねられた磁石は、従来の設計のような多数の磁石層
および多数のプラズマリングではなく、スイッチ中に単
一のプラズマリングを生成するために使用される。
【００１３】本発明のこれらおよびその他の特徴および
利点は、以下の詳細な説明および添付図面から当業者に
明らかになるであろう。
【００１４】
【実施例】高いピーク電流容量および速いスイッチング
速度を提供するために本発明にしたがって構成されたク
ロスアトロンスイッチの断面は図２に示されている。ス
イッチ用の真空ハウジング18はほぼ円筒形の陰極20を含
み、この陽極20は陽極シリンダ22を包囲し、それから半
径方向外側に間隔を隔てられている。以下、図３を参照
して陰極上の軸方向の波形ひだを説明する。ソースグリ
ッド24および制御グリッド26は陽極22の周囲に環状に、
陰極20から内部に配置されている。陰極、陽極およびグ
リッドは中心軸27を中心にして同軸方向に配置されてい
る。電気コネクタ28、30および32は容器ヒータ、ソース
グリッドおよび制御グリッドのそれぞれのために設けら
れており、一方陰極接続はベースフランジ33を介して行
われる。陽極22は、セラミックブッシング34から機械的
に吊下げられ、電気導体36を介して電圧信号を供給され
る。パッシェンシールドと呼ばれる上部陰極延在部38
は、そうでなければ結果的にパッシェン破壊を生じさせ
る陽極と陰極との間の大きい間隙の形成を阻止するため
に陽極の上部を包囲する。永久磁石40は外部陰極壁に位
置される。スイッチの内部のための十分な水素ガスは容
器42から供給される。
【００１５】レーザ放電用に対しては、高電流上昇率
（＞２×1010Ａ／秒）における高いピーク電流（＞2.5
ｋＡ）が要求される。これは、高密度のプラズマがスイ
ッチ中で非常に速く生成されなければならず、したがっ
て高いイオン化率が必要であることを意味する。第１の
オーダーに対して、スイッチ中のイオン化の率はスイッ
チ中の中性ガス圧力およびイオン化が発生することがで
きるスイッチボリュームの両者に直接比例する。このボ
リュームは、１次電子が限定される陰極とソースグリッ
ドとの間の空間と考えられる。コンパクトで小さいボリ
ュームのスイッチは、同じ電流上昇率において大きいボ
リュームのスイッチより著しく高いガス圧力を必要とす
ることが認められている。しかしながら、陰極直径が約
10cmであることが好ましい上記の約40ｋＶの電圧のスイ
ッチにより、充填された水素ガス圧力はパッシェン破壊
によって約 600乃至700 ミクロンの圧力に制限される。
この圧力範囲内において、50乃至100 cm3 のボリューム
プラズマは、エキシマレーザによって要求されるような
１×1011Ａ／秒のスイッチング率を達成するために必要
とされることが決定されている。
【００１６】ここに記載されている本発明の別の特徴と
共に、軸方向に波形ひだを有する陰極の高いピーク電流
容量の可能性を実現し、さらにスイッチング速度を高め
るために大きいプラズマボリュームを提供するユニ−ク
な陰極設計が開発されている。図３は好ましい陰極構造
を示した断面図である。陰極20はほぼ円筒形の形状であ
り、陰極軸に向かって内部に突出する一連の波形ひだ44
として形成される。波形ひだは軸方向に延在し（図３で
紙面に垂直）、モリブデンのシートを折り畳んで波形ひ
だを有する構造にし、外部中空ステンレス鋼支持シリン
ダ46にそれをスポット溶接またはろう付けすることによ
って形成されることが好ましい。波形ひだは波形ひだ間
の空間において大きい陰極面積および大きいプラズマ発
生領域の両者を提供する。波形ひだの内端はアークの発
生を阻止するために十分に丸みを付けられている。
【００１７】循環している電子は波形ひだ44間の空間に
入力せず、したがって実効プラズマボリュームの外部限
界は波形ひだの丸くされた端部によって定められる。本
発明によると、波形ひだは米国特許出願第07/901,353号
明細書のものより著しく浅く形成され、さらにアークが
充填された水素ガスで始まる前に許容可能な電流密度
は、約10Ａ／cm2 の重水素ガス充填による従来のものの
最大電流密度と対照的に100Ａ／cm2 程度に増加され
る。波形ひだ44の深さ（陰極ベース周囲48から波形ひだ
の先端までのそれらの内部突出距離）は、波形ひだ間の
距離の 1乃至1.5 倍であることが好ましい。10cm直径の
陰極に対して、波形ひだは深さが約 5乃至7mmであり、
約 4乃至6 mm間隔を隔てられ、約2.5 乃至3 cmの陰極の
軸長を有していることが好ましい。特定の実施例におい
て、波形ひだは深さが約6mm であり、隣接した波形ひだ
間の距離が約4.8mm であり、陰極の長さが約2.6cm であ
る。波形ひだをこのように浅くし、しかし依然として高
電流動作に十分な陰極面積を保持することによって、実
効プラズマボリュームはスイッチをレーザソケットと機
械的に適合させることのできる10cm以上に陰極のベース
直径を拡大することを必要とせずに、エキシマレーザに
よって要求されるスイッチング速度が達成されるレベル
に拡張されることができる。
【００１８】新しい陽極設計はまたプラズマボリューム
を増加するために提供される。米国特許出願第07/901,3
53号明細書の従来のクロスアトロンスイッチに対する約
6cmの陽極直径と比較して、陽極は10ｋＡのピーク電流
を生成するために 600乃至700 ミクロンの水素圧力およ
び2 cmのプラズマ接触する軸長（２つの磁石の行間を中
心とする）により約2.5cm の直径に減少されることがで
きることが認められている。陽極22の直径を減少するこ
とにより、ソースグリッド24および制御グリッド26の直
径が同様に約3.6cm および3.0cm にそれぞれ減少される
ことが可能になる。浅い陰極波形ひだと組合されたソー
スグリッド直径の減少は、結果的にエキシマレーザスイ
ッチングに必要なプラズマボリュームを生じさせる。こ
の縮小方法は、大きい電流処理能力のためにスイッチ寸
法を増加する従来の傾向と対照的である。
【００１９】許容可能な陽極寸法に対する下限は、電流
密度を導くのに十分な陽極面積を保持する必要性により
与えられる。クロスアトロンスイッチ中の電流の半分以
上が陽極に流れるプラズマ電子によって伝送される。エ
キシマレーザスイッチに対して、最小の信頼できる陽極
直径は約2.5cm であることが認められた。ＣＯ2 レーザ
と関連したそれより低いピーク電流に対して、陽極直径
はさらに約1.25cmに減少されることができる。この減少
はプラズマボリュームをさらに増加させ（ソースグリッ
ドおよび制御グリッド直径の減少を可能にすることによ
って）、材料が大幅に節約される。
【００２０】従来のクロスアトロンスイッチの陽極は、
典型的に良好な熱伝達特性を提供し、容易に機械加工さ
れ、比較的安価な銅またはステンレス鋼から構成され
た。しかしながら、上記に示されているように、従来の
クロスアトロンスイッチはガスレーザスイッチングには
適さなかった。制動下のエキシマレーザ回路において、
約20ｋＶまでの大きい負の電圧スパイクは各パルスの端
部において陽極に印加される。この負の電圧スパイクは
イオンを引付け、陰極およびグリッドに陽極表面材料を
スパッタリングする。しかしながら、陰極は銅またはス
テンレス鋼ではなく、典型的にモリブデンの高電流密度
能力のためにモリブデンから形成されるため、陰極表面
への異なる陽極材料のスパッタリングは本発明によって
考慮された高い動作レベルで結果的にアークを生じさせ
る可能性がある。したがって、スイッチ陽極はまたこの
ようなアークを防止するためにエキシマレーザ装置に対
してモリブデンから形成される。モリブデン陽極は以前
から陽極がアークを阻止して故障中に溶融しないように
真空管に使用されているが、クロスアトロンスイッチに
関して陽極アーク問題は存在しない。さらに、モリブデ
ンは陰極へのスパッタリングのために本発明のエキシマ
レーザ態様において陽極に対して使用される。スイッチ
がＣＯ2 レーザと共に使用された場合に、非常に小さい
負の電圧が陽極に供給され、ステンレス鋼または銅陽極
がその適用に時々使用されることができる。
【００２１】磁石40はまた特にプラズマが速いスイッチ
閉成のために非常に高い速度で生成されるように設計さ
れる。管の軸方向において測定される磁界が 300ガウス
を十分に越えることが好ましい比較的高い磁界は、高電
流レーザスイッチによって必要とされる高いプラズマ密
度を生成するために波形ひだの内端において必要とされ
る。しかしながら、陽極間隙（陽極と制御グリッドとの
間の領域）中の磁界強度は高過ぎるならば（約 200ガウ
スより大きい）、スイッチはプラズマがこの領域中でＥ
×Ｂ放電により生成されるため意図しないのにラッチし
て閉じられる。磁界強度の所望の傾斜特性は磁界強度、
軸方向の寸法、磁石とグリッドとの間の半径方向の間
隔、および使用される磁石数の特有の組合せにより得ら
れる。
【００２２】磁石40の表面磁界強度は陰極波形ひだの先
端で大きい磁界強度を得るために増加され、システム軸
に平行な磁石の長さは磁界の先端がシステム軸に向かっ
てさらに内部に延在し、したがって本発明において使用
される小さい陽極直径を考慮するように増加される。特
に表面磁界強度が約 800ガウス、長さが約2.2cm の従来
のセラミック磁石と対照的に、本発明は約 1.2乃至2.4
ｋＧの表面磁界強度およびほぼ 2.5乃至3 cmの長さを有
する磁石を使用する。実施例において、実際の磁界表面
強度は1.67ｋＧであり、長さは2.5cm であった。さら
に、３個以上の磁石を積層した従来実施されている構成
とは対照的に、本発明は全体的な磁石構造40を形成する
ために２つの磁石40ａおよび40ｂだけを積層する。図１
に示されているように、３つの積重ねられた磁石の従来
の使用は磁界に二重の先端を生じさせた。しかしなが
ら、１ｋＡより上の電流レベルに対してほとんど全ての
プラズマはＥ×Ｂ電磁界によって押し下げられることが
認められている。したがって、３つの従来の磁石の最上
部のものは本発明によって考慮された高電流レベルで使
用された場合にプラズマ分布にあまり影響を与えないの
で、それは簡単に取除かれる。
【００２３】図４は、ガスレーザに対する放電回路中の
新しいクロスアトロンスイッチ50の使用を示した簡単化
された概略図である。レーザは気体レーザ媒体を含み、
共振器空洞を限定する放電管52、放電管52の一端におけ
る完全反射鏡54および管の他端の部分反射鏡56を含む。
陽極および陰極プレート58および60はレーザ放射路から
外れて放電室の対向した側に沿って延在する。
【００２４】40ｋＶのような適切なレーザ放電電圧容量
を持つ自己調整電源62は、充電抵抗Ｒ1 および可飽和リ
アクタＬ1 を通してパルス蓄積キャパシタＣ1 に接続さ
れている。放電キャパシタＣ2 および充電インダクタＬ
2 は、パルス蓄積キャパシタＣ1 の電源62と反対側とス
イッチの陰極50ａとの間においてレーザ空洞電極58およ
び60と並列に接続されている。スイッチの陽極50ｂは、
充電抵抗Ｒ1 と可飽和リアクタＬ1 との間に接続されて
いる。動作において、スイッチが開放された場合、電源
62は充電抵抗Ｒ1 および可飽和リアクタＬ1 を通してパ
ルス蓄積キャパシタＣ1 を充電する。充電インダクタＬ
2 は充電時間スケールで低インピーダンスを有し、充電
回路を完成する。スイッチが閉じたときに、それはキャ
パシタＣ1 およびＣ2 に対して２キャパシタリンギング
回路を完成する。パルス蓄積キャパシタＣ1 は放電キャ
パシタＣ2 に放電し、次にキャパシタＣ2 はポンプ動作
を生じさせるようにレーザに非常に速く放電する。リン
ギング回路は、閉成電流が約 100Ａに増加したときに、
可飽和リアクタのコアが飽和してインダクタンスが降下
する可飽和リアクタＬ1 を含んでいる。可飽和リアクタ
は最初に閉じたときにスイッチにあるインピーダンスを
与え、それによって電位漏洩問題を回避するが、しかし
閉成サイクルの最初の部分の後可飽和リアクタのインダ
クタンスはパルス蓄積キャパシタＣ1 の迅速な充電を可
能にするように十分に降下する。充電インダクタＬ2 は
キャパシタ充電期間中に低インピーダンスを提供する
が、それは本質的にパルス蓄積キャパシタＣ1 から短い
放電パルスへの開回路として現れ、したがって放電キャ
パシタＣ2 の充電を妨害しない。
【００２５】スイッチ50の動作回路は、ソースグリッド
50ｃにかなり低い“キープアライブ”電圧を維持するた
めに抵抗Ｒ2 を通して接続された電源64およびスイッチ
の気体容器用のヒータ68に加熱電流を供給する別の電源
66を含む。制御グリッド50ｄは、電源70によって再充電
される制御パルスキャパシタＣ3 からのパルスによって
動作される。シリコン制御整流器（ＳＣＲ）72は、制御
パルスキャパシタＣ3と制御グリッド50ｄとの間の（抵
抗Ｒ3 を介して）回路を完成するために制御端子74に供
給された低電圧パルスによってトリガーされる。パルス
変成器Ｔ1 は、閉じた時にスイッチ中で発生した電圧パ
ルスから制御グリッド回路の残りのものを分離する。バ
イアスキャパシタＣ4 および並列電源76は、パルス間で
制御グリッドに小さい負のバイアスを与えるために変成
器側で制御グリッド50ｄに接続される。これは残留プラ
ズマがスイッチ中に存在している場合にスイッチがキャ
パシタ再充電サイクル中に不適切に自己的にオンに切替
わることを阻止する。種々の回路素子に対して適切な値
は以下の通りである： Ｒ1 1 ｋΩ 電源62 40 ｋＶ Ｒ2 5 ｋΩ 電源64 500 Ｖ Ｒ3 5 Ω 電源66 2.5 Ｖ Ｌ2 100 μＨ 電源70 1 ｋＶ Ｃ1 22 ｎｆ 電源76 -150Ｖ Ｃ2 28 ｎｆ Ｃ3 100 ｎｆ Ｃ4 2 μｆ 図５は、通常のエキシマレーザシステムのスイッチソケ
ット80に取付けられた本発明のクロスアトロンスイッチ
78を示した簡単な構成図である。レーザシステムの観察
可能な素子は、両端部に反射鏡84を備えたレーザ空洞8
2、高電圧電源86、充電システム88、キャパシタ90、グ
リッド駆動装置92およびヒータ電源94を含む。送風機96
およびファン98は、低インダクタンスの相互接続100 に
よってレーザ空洞電極に接続された電気素子を冷却する
ために設けられている。スイッチの10cmの陰極直径は、
アークを生ぜずにレーザハウジングの別の素子に取付け
られることが可能である。それはソケットフロアにボル
トで取付けられた下端にフランジを持つブラケットを含
む。
【００２６】以上、本発明の実施例が図示および説明さ
れてきたが、当業者は種々の変更および別の実施例を認
識するであろう。このような種々の変更および別の実施
例は検討され、添付された特許請求の範囲に限定されて
いるような発明の技術的範囲を逸脱することなく実行可
能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のクロスアトロンスイッチの動作を示す断
面図。
【図２】本発明によるクロスアトロンスイッチの断面
図。
【図３】陰極軸に対して垂直な方向の好ましい陰極構造
の断面図。
【図４】ガスレーザと共に使用されるスイッチを示した
概略図。
【図５】レーザのスイッチソケット中に位置された本発
明によるコンパクトなクロスアトロンスイッチを備えた
レーザの概略図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロバート・エル・ポーシェル アメリカ合衆国、カリフォルニア州 91360、サウザンド・オークス、カレ・コ ーラド 935 (72)発明者 ロニー・エム・ワトキンス アメリカ合衆国、カリフォルニア州 91301、アゴウラ、ユニット・エー、スカ イビュー・ウエイ 5716

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 真空ハウジングと、 内面に外部ベース面から内部に突出するほぼ軸方向に延
    在する波形のひだを備え、２次電子のソースを提供する
    前記ハウジング内のほぼ円筒形の冷陰極と、 陰極の内部に同軸方向に配置され、前記陰極ベース面の
    直径の半分より小さい直径を有するほぼ円筒形の陽極
    と、 前記陽極と陰極との間に同軸的に配置されたほぼ円筒形
    のソースグリッドと、 前記陰極およびソースグリッドがそれらの間の予め定め
    られた電圧差に応答してそれらの間にプラズマを維持す
    るために陰極とソースグリッドとの間の空間にイオン化
    可能なガスを導入する手段と、 陰極と陽極との間のプラズマ路を選択的に設定し、それ
    によって制御グリッドに供給された制御電圧信号に応答
    してスイッチを閉じる前記ソースグリッドと陽極との間
    に配置されたほぼ円筒形の制御グリッドと、 陰極とソースグリッドとの間の領域中に延在して前記陰
    極とソースグリッドとの間の予め定められた電圧差と共
    同して前記陰極からの２次電子に前記領域中でサイクロ
    イド軌道をたどらせる磁界を生成する磁石手段とを具備
    していることを特徴とするプラズマスイッチ。
  2. 【請求項２】 前記陰極の波形のひだの深さは前記波形
    のひだの間の距離の１．５倍より小さい請求項１記載の
    プラズマスイッチ。
  3. 【請求項３】 前記波形のひだを有する陰極および陽極
    は少なくとも５０cm3 のそれらの間のボリュームを限定
    する請求項１記載のプラズマスイッチ。
  4. 【請求項４】 前記波形のひだを有する陰極は約２．５
    乃至３．０ｃｍの距離だけ軸方向に延在する請求項３記
    載のプラズマスイッチ。
  5. 【請求項５】 真空ハウジングと、 内面に外部ベース面から内部に突出するほぼ軸方向に延
    在する波形のひだを備え、波形のひだ間の距離に対する
    波形のひだの深さの比がほぼ１．０乃至１．５の範囲で
    ある２次電子のソースを提供する前記ハウジング内のほ
    ぼ円筒形の冷陰極と、 陰極の内部に同軸的に配置されたほぼ円筒形の陽極と、 前記陽極と陰極との間に同軸的に配置され、前記陰極と
    の間に約５０乃至１００ｃｍ3 のボリュームを限定する
    ほぼ円筒形のソースグリッドと、 前記陰極およびソースグリッドがそれらの間の予め定め
    られた電圧差に応答してそれらの間にプラズマを維持す
    るために陰極とソースグリッドとの間の空間にイオン化
    可能なガスを導入する手段と、 陰極と陽極との間のプラズマ路を選択的に設定し、それ
    によって制御グリッドに供給された制御電圧信号に応答
    してスイッチを閉じる前記ソースグリッドと陽極との間
    に配置されたほぼ円筒形の制御グリッドと、 陰極とソースグリッドとの間の領域中に延在して前記陰
    極とソースグリッドとの間の予め定められた電圧差と共
    同して前記陰極からの２次電子に前記領域中でサイクロ
    イド軌道をたどらせる磁界を生成する磁石手段とを具備
    していることを特徴とするプラズマスイッチ。
  6. 【請求項６】 前記磁石手段は前記波形のひだの内端で
    実質的に３００ガウスより大きく、前記制御グリッドで
    実質的に２００ガウスより小さい軸方向の磁界を生じさ
    せる請求項１または５記載のプラズマスイッチ。
  7. 【請求項７】 前記陰極および陽極は同じタイプの材料
    から形成されている請求項１または５記載のプラズマス
    イッチ。
  8. 【請求項８】 真空ハウジングと、 内面に約０．５乃至０．７ｃｍだけ外部ベース面から内
    部に突出し、波形のひだ間の距離が約０．４乃至０．６
    ｃｍであるほぼ軸方向に延在する波形のひだを備え、前
    記外部ベース面が１０ｃｍ程度の直径を有する２次電子
    のソースを提供する前記ハウジング内のほぼ円筒形の冷
    陰極と、 陰極の内部に同軸的に配置され、前記陰極ベース面の直
    径の半分より小さい直径を有するほぼ円筒形の陽極と、 前記陽極と陰極との間に同軸的に配置され、前記陰極と
    の間に約５０乃至１００ｃｍ3 のボリュームを限定する
    ほぼ円筒形のソースグリッドと、 前記陰極およびソースグリッドがそれらの間の予め定め
    られた電圧差に応答してそれらの間にプラズマを維持す
    るために陰極とソースグリッドとの間の空間にイオン化
    可能なガスを導入する手段と、 陰極と陽極との間のプラズマ路を選択的に設定し、それ
    によって制御グリッドに供給された制御電圧信号に応答
    してスイッチを閉じる前記ソースグリッドと陽極との間
    に配置されたほぼ円筒形の制御グリッドと、 陰極とソースグリッドとの間の領域中に延在して前記陰
    極とソースグリッドとの間の予め定められた電圧差と共
    同して前記陰極からの２次電子に前記領域中でサイクロ
    イド軌道をたどらせる磁界を生成する磁石手段とを具備
    していることを特徴とするプラズマスイッチ。
  9. 【請求項９】 前記磁石手段は約２．５乃至３．０ｃｍ
    の軸方向の長さにわたって陰極の周囲に延在する一連の
    磁石を含み、約１．２乃至２．４ｋガウスの磁界強度を
    有している請求項８記載のプラズマスイッチ。
  10. 【請求項１０】 前記磁石は約２．５ｃｍの軸方向の長
    さにわたって延在し、約１．６乃至１．７５ｋガウスの
    磁界強度を有している請求項９記載のプラズマスイッ
    チ。
  11. 【請求項１１】 前記磁石手段は２つの積重ねられた磁
    石によって構成されている請求項１、６または１０記載
    のプラズマスイッチ。
  12. 【請求項１２】 前記陰極および陽極の両者はモリブデ
    ンから形成されている請求項７または８記載のプラズマ
    スイッチ。
  13. 【請求項１３】 レーザシステムは、 スイッチソケットを含むレーザハウジングと、 前記ハウジング内のレーザ共振器空洞と、 その中のガスをポンプするように前記共振器空洞内にお
    いて放電を開始するための電極とを備え、 前記スイッチは前記電極の付勢を制御し、前記スイッチ
    ソケット内に収容され、 前記スイッチの前記陰極および陽極は、スイッチが閉じ
    られたときに前記レーザ電極用の放電回路を完成するよ
    うに接続されていることを特徴とする請求項８乃至１２
    のいずれか１項記載のスイッチ。
  14. 【請求項１４】 前記レーザは前記陽極の直径が２．５
    ｃｍ程度であるエキシマレーザか、或は前記陽極の直径
    が１．２５ｃｍ程度であるＣＯ2 レーザから構成されて
    いる請求項１３記載のレーザシステム。
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