JPH079970U - アーク放電デバイスにおける低電圧作動 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本考案は、分割型のプラズマ励起再結合（Ｓ
ＰＥＲ）デバイスのようなアーク放電デバイス、とりわ
けこのようなデバイスにおける隣接する電極間の低電圧
アークの形成に関する。 【構成】 本考案のアーク放電デバイスにおいては、薄
膜（２００）により隣接する電極（２０１，２０２）の
間の空隙が架橋され、これによりアーク放電が低電圧
Ｄ．Ｃ．源により開始されかつ維持される。一実施例に
よれば、水銀（Ｈｇ）のイオンプラズマを発生させるた
め液体水銀の溜めを含むカソード電極が利用される。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】考案の背景 本考案は、分割型のプラズマ励起再結合（ＳＰＥＲ）デバイスのようなアーク 放電デバイス、特にこのようなデバイスにおける隣接する電極間の低電圧アーク の形成に関する。

【０００２】 応用物理レター(Applied Physics Letters) 第３６巻第８号、ページ６１５〜 ６１７（１９８０）に、Ｗ．Ｔ．シルフバスト(Silfvast)，Ｌ．Ｈ．スジエト(S zeto) およびＯ．Ｒ．ウッド(Wood)IIが分割型の励起および再結合（ＳＰＥＲ） の原理により、いくつかの金属蒸気について原子スペクトル領域でレーザー作用 を行なわせるために開発した新型の放電デバイスについて記述している。このレ ーザーは、細長い帯状金属片（レーザー作用物質となるもの）を多数有している が、これらは互いに隣接する帯状金属片の間に僅かのギャップをつくるように端 と端が近接した状態で絶縁板上に保持されている。この金属片は緩衝ガス（好ま しい場合）中に置くかあるいは周囲が真空となっており、典型的な場合、大きさ は厚さ０．１〜１mm，幅２mmおよび長さ１０mmである。このように配列した金属 片の端に高電圧、高電流パルスを印加すると、それぞれギャップに高密度の金属 蒸気イオンよりなるプラズマが形成される。このような（主として金属片が蒸発 した物質からなる）プラズマは、一旦形成されると、本質的にはレーザー共振器 内に半球状に拡散してゆき低圧の（例えばヘリウムのような）背景ガスがあると 冷却して再結合する。

【０００３】 ＳＰＥＲレーザーは、製作が簡単であり、寸法的にも容積的にも難しくなく、 長寿命であることも実証されており、また潜在的に高い効率を有している。これ が１９８１年６月２２日発行された米国特許４，３３６，５０６の要旨である。

【０００４】 従来の分割型プラズマ・アーク放電に用いられていた励起手段としては、並列 接続された高圧電源と低圧電源であるのが普通である。そして、それらの電源か ら発生される高電圧および低電圧が順次デバイスに印加されていた。高電圧（数 キロボルト）は、隣接する電極間のギャップを絶縁破壊するのに用いられ、また 低電圧（２０ボルトＤＣ、数アンペア）はアーク放電（すなわちプラズマ）を維 持するのに用いられる。

【０００５】考案の要約 我々は、ギャップを絶縁破壊するための高圧電源を必要とせずにアーク放電デ バイスを作動させることができることを発見した。我々の考案を実施例で説明す ると、隣接する電極間のギャップを短絡するような薄膜が１枚でもあれば、低圧 電源のみでもプラズマを生成し、作動を維持するのに十分であるということであ る。例えば、ＳＰＥＲレーザーを作動させるのに２０Ｖ〜３０Ｖの電池を用いた のみであった。

【０００６】詳細な説明 金属蒸気中のＳＰＥＲレーザーをＣＷまたはパルス作動に用いた装置が図１に 示されている。電気的に絶縁性のある基板１２０の上には多数の帯状電極１０１ 〜１０６が、相隣接する電極の間にわずかのギャップができるように一列に配列 されている。そして、この電極組立ては縦ガラス間１２５および横ガラス間１２ ６より構成されるパイレックス製の十字型ガスセルに納められる。従来の使用法 によれば、高圧電源１３０および低圧電源１３２がそれぞれスイッチ１３４およ び１３６を介して第１（１０１）および最後（１０６）の電極の間に直列に接続 されることになる。高圧電源は、通常、ギャップの絶縁を破壊するための高圧パ ルス（例えばＫＶ）を発生するものであるが、これは以下述べるごとく、ＳＰＥ Ｒデバイスの作動にはもはや不必要なものである。絶縁破壊によって放電が始ま った後は、低圧電源１３２が連続波またはパルス作動に適した低電圧（例えば２ ０ＶＤＣ）の信号を供給する。一般には数ミリ秒より長い信号は、連続波作動に 適している。約１秒以上の作動に対しては、電極が過熱して溶融するのを防ぐた め、いわゆる冷却手段（示していない）を組込む必要がある。このような励起に よって、各ギャップの間には電極物質の蒸気による強力なプラズマが形成される 。図１の１４１〜１４５の領域は、ギャップから背景ガスの中へ本質的に半球状 に拡散した後のプラズマの形状を示したものである。

【０００７】 各金属片の組成は、プラズマとして蒸発する物質（例えば単一の金属）のみで ある必要はない。カソードの端が、デバイスが作動するときに蒸発する物質とな っていさえすれば十分であり、アノードの端は非蒸発性の物質であってもかまわ ない。さらに、多色性とするために同一のデバイス内に異なった蒸発物質よりな る金属片を混在させることもできる。

【０００８】 ２枚の誘電性球面鏡１５０および１５１は、レーザー放射用の共振器を形成し 、所要のレーザー波長で最大の反射率を有するようにコーティング加工されてい る。図では、これらのミラーは窓１２７および１２８のある縦管１２５の両端近 くに取付けられる。この共振器の光軸１６０は電極列に平行であり、かつ僅かに 上方を通っている。この共振器の出力は、矢印１７０で示されているが、適当な フィルターによって適当な光電検知器（示されていない）上に集光される。

【０００９】 ガス注入口１７０およびガス排出口１７２は、それぞれ横管１２６の両端にあ る端板１２９および１３１に取り付けられている。連続波作動においては、ヘリ ウル等の背景ガスは、ガス源（示されていない）から注入口１７０を経て供給さ れ、比較的速い速度で（５００ l/min) ，電極１０１〜１０６を通過し、排出口 １７２に至り、そしてガスポンプ（示されていない）に到達する。パルス動作の 場合は、ガスは電極を通過する必要はない。連続波作動の場合は、ガスは電極を 通過する必要があるが、これはギャップ領域のアーク放電から離れたところにあ るプラズマ中のイオンを除去し、プラズマを冷却する作用を行なわせるためであ る。矢印１７４は、ガス流の方向（共振器軸１６０に対し横方向）を示しており 、この流れによって電極が冷却され、そのため連続波作動が可能となる。このた め、ガス流はできるだけギャップ近傍を通す必要がある。

【００１０】 この効果をさらに高めるために、各電極の間、つまりギャップ部分の基板１２ ０に開孔１８０（スロット）を設けるのが望ましい。これによって、背景ガスは 基板１２０の周辺を流れるのみならず、この開孔を通過し、電極とガスの間の冷 却作用を増大させることになる。

【００１１】 我々の考案に基づき、隣接する電極間を短絡する薄膜、例えば金属膜を少なく とも１枚設けることによって、アーク放電デバイスのギャップを絶縁破壊するた めの高圧電源の必要性はなくなった。例えば、各膜は厚さ数ミクロン（＜１０μ m ）であって、好適な場合電気抵抗はおよそ５Ωから１０００Ωの範囲にあるが 、これは隣接する電極間のアークのダイナミック・インピーダンスよりも大きな 値である。典型的な例では、ギャップの幅は１〜３mmであり、背景ガスは５Torr のＨｅである。図２に示されるごとく、薄膜２００は基板２２０上の隣接する電 極２０１および２０２の間のギャップに形成される。この場合は、各電極は基板 に直接接触している。一方、図３に示されるごとく、薄膜によって基板を広範囲 にわたっておおい、その上に電極２０１および２０２を分割して形成することも できる。

【００１２】 薄膜２００または２０４は、既存の各種処理技術（すなわち蒸発，蒸着）のい ずれかを用いて形成することができる。さらに、図２の実施例として、我々は電 極２０１から材料を蒸発させるため、（図１の）高圧電源１３０から得られる短 時間の高電圧パルスを利用した。蒸発した物質は、薄膜２００として付着する。 なお、この高圧電源１３０は薄膜２００を形成することのみに用いられる点に注 意する必要がある。その後は、低圧電源１３２のみによってプラズマが形成され 作動が維持される。

【００１３】 以下の例は、説明のために示したものであり、デバイスの諸元および作動条件 は、特にことわらないかぎり、本考案の適用範囲を制限することを意味するもの ではない。 例 Ｉ． 本例は、１対のＣｄ電極間のアーク放電を低電圧（約３０Ｖ）で開始するのに 我々の発明を応用した場合を示している。図２に示すごとく、これらの電極２０ １および２０２は、長さ８．２mmで、直径１０mmの半球状の棒よりなり、また約 １．５mmのギャップによって分離され、Ａｌ₂ Ｏ₃ 製の基板２２０の上に取り付 けられたものである。図には示されていないが、これら２つの電極の対向する面 はそれぞれとがっている。背景ガスは約５TorrのＨｅであった。

【００１４】 電極２０１および２０２を短絡するような薄膜２００を作るため、電極間のア ーク放電用として、図１の高圧電源１３０が用いられた。例えば、高圧電源は接 地コンデンサー３．５μＦおよび３００Ωの抵抗を経て電極２０１および２０２ に並列接続のスパーク・ギャップに１０ＫＶを供給した。電源１３０からの電流 パルスによって、電極２０１および２０２からＣｄが蒸発された。蒸発したＣｄ は、大部分が基板２２０の表面上の電極２０１および２０２の間の薄膜として付 着した。このＣｄ膜は、Ｃｄ電極２０１および２０２と電気的に接触していた。

【００１５】 典型的な場合として５〜２０個の電流パルスを加えた後、高圧電源１３０が取 りはずされ（スイッチ１３４を開とした）、そして低圧直流電源１３２のみを用 いて出力電圧約３０Ｖを１ｍ Sec印加するのみによってアーク放電を形成するこ とができた。

【００１６】 これらは５torrのＨｅガス中で観測したものであるが、同様の低電圧での絶縁 破壊が０．２５〜８０Torrの圧力範囲で発生した。電極２０１および２０２間の ギャップの低電圧絶縁破壊は、Ｃｄ膜２００の特性によって異なる。絶縁破壊は 、電極間の抵抗が電源を断としたとき、約５〜１０００Ωとなるときに起ること が観測された。

【００１７】 電極２０１および２０２間のギャップにおける低電圧絶縁破壊は、理論的には 次のような機構によって起ると考えられる。先ず、約３０Ｖの低電圧パルスを印 加すると、電極間のＣｄ膜２００に電流が流れ、これによって電極２０１および ２０２間に電位差が生ずる。Ｃｄ膜は比較的薄い（＜１０μm ）ので、ジュール 熱によって急激にＣｄ蒸気および電子が発生し、その結果、電極間にＣｄイオン と電子が生ずることになる。この種子が電極間の電流の増加分を導くフィラメン トの役目をする。この電流の増加分によって薄膜がさらに加熱され、そのためフ ィラメントの導電率が上り、フィラメントのインピーダンスがＣｄ膜２００より も低い値となる。これによって大多数の電流がフィラメントによって導かれるこ とになり、そしてアーク放電として観測されることになる。

【００１８】 アーク放電が形成される最低の電圧は、ギャップの幅および電極材料に依存す ると考えられる。１〜３mmのギャップおよびＣｄ電極においては、最低電圧とし て２０〜２５Ｖが必要であるが、これは実験値２３〜２５Ｖとよく一致する。

【００１９】 例 II． 本例は、１．４３３μm で作動するパルス型Ｃｄ ＳＰＥＲレーザーに関する ものである。アーク放電開始用として、例Ｉで説明したものと同じ３０Ｖトラン ジスタ電池が用いられた。Ｃｄのプラズマが圧力約２〜５Torrの背景ガス中に拡 散し、再結合することによって、Ｃｄプラズマに反転分布が生じた。レーザー作 用は入力電流パルスの減衰期間中に発生した。

【００２０】 このＳＰＥＲレーザーは、形態としては、図１のＳＰＥＲデバイスの６つの電 極の代りに（図２に示される型の）２つの電極が用いられた。さらに、パルス作 動のみが用いられたため、Ｈｅの縦方向の流れ１７４は不必要であった。この実 験では、３０Ｖトランジスタ電池が１ kΩの抵抗を介して５００μＦのコンデン サーを充電するのに用いられた。充電されたコンデンサーは、前述のとおり、電 極２０１および２０２の間のギャップをとおして放電された。その結果、電極間 には、ピーク電流約２５Ａ、1/e 減衰約２５０μSec のアークが形成された。レ ーザー作用は、この入力電流パルスの減衰段階において、拡散するプラズマが十 分に冷却した後に発生した。レーザーパルスの持続時間は約２００μsec であっ た。

【００２１】 レーザー作用はＨｅの圧力が１．５〜１０Torrの範囲において観測され、最適 値は、共振器の軸１６０とアーク放電との距離によって異なった。ピーク出力は １mW以下であるが、０．１mW以上はあるものと推測された。出力を最大にするよ うな手段はとられなかった。

【００２２】 殆んど同じような実験において異なる作動圧力、アークおよび共振器軸間の距 離ｄのもとで入力電圧は２２．５Ｖまで低下された。例えばこの低電圧作動はｄ ＝１０mmで圧力２．５Torrで、またｄ＝７．５mmで圧力３．５Torrで実施された 。

【００２３】 例 III ． 本実験では、図２に示す型のＳＰＥＲデバイスについて接触抵抗および薄膜抵 抗を測定した。例Ｉに示したごとく、電極および薄膜のいずれもＣｄであった。 我々はアノード電極２０２および薄膜２００の間には接触抵抗を認めなかったが 、カソード電極２０１および薄膜２００の間には３．５Ωの接触抵抗のあること を認めた。

【００２４】 例 IV． 本実験では、我々はガラス基板上に長さ０．７５in、幅３mm、厚さ１mmのＣｄ 電極３個を取付けたものを用いた。これらの電極は１mmのギャップによって分離 された２つのギャップを形成していた。８０Ｖ直流電源から０．３秒の電流パル スが５０発印加された後、ギャップ内に良好な薄膜が形成された。すなわち、我 々は４５Ｖ電池を用いてギャップ間にアーク放電を成生することができたのであ る。ＳＰＥＲデバイスの抵抗は第１および第３の電極間で測定したところ２．５ Ωであた。

【００２５】 第１および第３の電極に対するコンタクトはこれらの電極と基板との間にある アルミニウム箔によって作られていた。

【００２６】 例 Ｖ． 本例では、我々は図３に示されるようなガラス基板２２０上にＣｄ膜２０４を 塗膜した。この膜２０４の上にＣｄ電極２０１および２０２を形成した。しかし ながら、実際の実験では薄膜２０４は両電極の下に完全に拡がることはなかった 。むしろ薄膜２０４は各電極の下面の一部に拡がっており、カソード電極２０１ の下の接触面がアノード電極２０２の下の接触面よりも広くなっていた。Ｃｄ膜 ２０４の薄膜抵抗は約１０Ωであり、また厚さは約１μm 以下であった。電源が オフのときの電極間抵抗は約１５Ωであった。このＳＰＥＲデバイスは、前述の ３０Ｖ電池からの単一パルスによって電極間にプラズマ・アーク放電を発生する ことができた。

【００２７】 例 ＶＩ． 本実験はカソード電極２０１がＡｌ製であり、アノード電極がＣｄ製であるこ と以外は、前述の例Ｖに同じである。薄膜２０４はここでもＣｄとした。このＳ ＰＥＲデバイスは、４０Ｖ直流電源からの電圧パルスを印加することによってプ ラズママークが生じた。このプラズマはＡｌイオンおよびＣｄイオンの混合であ った。

【００２８】 例 ＶII． 本実験はＣｄ電極の間のギャップを１mmとする代りに１cmとした以外は、例Ｖ と同じであった。５０Ｖ以上の直流を印加することによって、各電極の近傍に１ つずつ２つのＣｄプラズマが成生した。

【００２９】 例 ＶIII ． 本実験は長さ２５mm、幅３mm、厚さ１mmの２つのＡｌ電極が図２に示すごとく ガラス基板上に１mmのギャップを隔てて載せられている以外は例Ｉで説明したも のと同じである。Ａｌの薄膜２００は、例Ｉで述べたごとく高圧電源１３０（図 １）からの１秒のパルスを約１０個印加することによって形成された。その後は このＳＰＥＲデバイスは７５Ｖ直流電源によってアーク放電を開始することがで きた。

【００３０】 例 ＩＸ． 本実験はガラス基板上にＣｄ−Ｈｇ複合カソードおよびＣｄアノードを載せた ＳＰＥＲデバイスによる低電圧アーク放電の成生について説明するものである。 図４および図５に示すごとく、ガラス基板３０２の上にガラスブロック３２２が 載せられた。ブロック３２２はカソード電極３２６をはめ込めるよう溝３２４が 刻まれていた。カソード電極３２６の一部にはステップ３２８が付いており、こ れによってカソード３２６が溝３２４の中に取付けられたときにステップ３２８ が液体水銀の入る凹部３３０を形成するようになっていた（液体をとじ込めるた めの別の方法として、例えばカソード電極３２６の中に井戸を掘ることも勿論可 能である。）アノード電極３３２はガラスブロック３２２の上にカソード電極３ ２６と軸を合せ、かつ凹部３３０と僅かに離して取付けられた。

【００３１】 ＳＰＥＲデバイスは凹部３３０に水銀を入れる前に、カソードおよびアノード 間のガラスブロック３３２の垂直面および水平面、すなわち溝３２４に最も近い ブロック３３２の角部にＣｄの薄膜３３４を付着させるように例Ｉで述べたと同 じように処理された。薄膜３３４によって凹部に液体水銀を入れない状態でも低 電圧を電極間に印加してプラズマアーク放電を形成することができた。次に凹部 ３３０に液体水銀が溜められると、Ｃｄカソード電極３２６とＣｄ薄膜３３４が 接触するが、Ｃｄアノード電極３３２とは接触しない状態となる。この形態を３ TorrのＨｅの背景ガス中で用いることによって２２．５Ｖ電池によってプラズマ アーク放電が開始され、維持することができた。このプラズマは主としてＨｇ蒸 気によるものであり、主に波長２５３７ の紫外線放射を発生した。この作用は 僅か数パルスしか再現しなかったが、直流電源（例えば１ｍ Sec. ３０Ｖパルス ）あるいは２２．５Ｖ電池を２つ直列接続したものによる再処理によって再現す ることができた。

【００３２】 この型の作動の後、我々はカソード電極３２６はＨｇで完全におおわれ容易に はぎ落せないようになることを発見した。

【００３３】 例 Ｘ． 直径約１０mmおよび長さ約４．５ in の密閉した石英管の底部に水銀を満たし 、またその他は約１０Torrの水銀蒸気によって満たされていた。値径１mmのタン グステン線が管底を通過して水銀だめに入り、これが負電極の役目をはたした。 管上部から延びた銅片が正電極となった。帯状の石英片が底部の水銀だめにのび ていた。高電圧のアークによって石英片は水銀によってコーティングされ、この ため我々の考案に基づく銅片および水銀だめの間のギャップを短絡するような水 銀の薄膜が形成された。

【００３４】 アーク放電を成生、維持するため銅片およびタングステン線の間に１２VDC.６ Ａが印加され、これによって、ギャップ中の水銀プラズマから２５３７ の紫外 線放射が生じた。高圧の水銀圧力のため、紫外線放射は再結合よりもむしろ主と して電子衝突励起によって発生したものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＳＰＥＲデバイスの典型的な形態であるところ
の連続波型ＳＰＥＲレーザーの説明的な実施例を示す図
である。

【図２】我々の考案の１つの実施例に基づき１対の電極
間のギャップに薄膜がある場合のＳＰＥＲデバイスを図
示した図である。

【図３】我々の考案のもう１つの実施例を図示したもの
であって、１対の電極が薄膜の上部に配置され、この薄
膜が電極間のギャップを短絡する作用を行なうことを示
す図である。

【図４】我々の考案のもう１つ別の実施例を等角投影図
法で示したものであるが、ここではカソード電極の一部
を液体金属としたものを表わす図である。

【図５】図４の線５−５に沿った断面図である。

【符号の説明】

２００ 薄膜 ２０１，２０２ 電極 ２２０ 基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 ウッド，オバート リーヴス セカンド アメリカ合衆国 07739 ニュージャーシ ィ，リットル シルヴァー，フォックス ヒル ドライヴ 19

Claims (7)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 二つの分離した帯状片（２０１，２０
   ２）からなり、それらの間のギャップが放電路を形成し
   て放射を発生する励起手段と；前記帯状片の間に電気信
   号を印加する手段とを含み；前記電気信号印加の結果、
   前記帯状片の一部が前記放射を生成するイオンのプラズ
   マに変換される物質で製作されているようなアーク放電
   光源において、 薄膜（２００）が前記ギャップを短絡し、これによって
   前記プラズマを開始するに必要な前記信号の電圧を低減
   することを特徴とするアーク放電光源。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の光源において、 さらに前記帯状片を載せた電気的絶縁基板（２２０）を
   有し、前記薄膜が前記基板上に形成され、前記二つの帯
   状片の一部の下にある光源。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の光源において、 さらに前記帯状片が載せられた電気的絶縁基板（２２
   ０）を有し、前記薄膜が前記ギャップ内に形成され、前
   記の各帯状片と接触する光源。
4. 【請求項４】 請求項１、２又は３に記載の光源におい
   て、 前記薄膜が単一の金属層よりなる光源。
5. 【請求項５】 請求項４に記載の光源において、 前記薄膜が厚さ＜１０μm である光源。
6. 【請求項６】 請求項３に記載の光源において、 前記帯状片（３２６）の１つが凹部（３３０）を有し、
   前記凹部に液体金属が満され、前記プラズマが前記液体
   金属のイオンからなるよう前記薄膜（３３４）が前記液
   体金属および前記帯状片の他方（３３２）に接触してい
   る光源。
7. 【請求項７】 請求項６に記載の光源において、 前記基板（３２２）が内部壁のある溝を有し、前記の一
   方の帯状片が前記溝に導入されるよう加工され、また一
   端にステップ（３２８）を有し、前記の一方の帯状片が
   前記溝に挿入されたとき内部壁とともに前記凹みを形成
   し、 前記の他方の帯状片が前記凹部に隣接する前記基板上に
   取付けられ、 前記薄膜が前記帯状片を接続し少なくとも前記内部壁の
   上に形成される光源。