JPH083959Y2

JPH083959Y2 - アーク放電デバイス

Info

Publication number: JPH083959Y2
Application number: JP1992062734U
Authority: JP
Inventors: ジョセフマックリン，ジョン; トーマスシルフヴァスト，ウィリアム; リーヴスセカンドウッド，オバート
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1982-08-13
Filing date: 1992-09-07
Publication date: 1996-01-31
Anticipated expiration: 1998-07-18
Also published as: IT1167572B; US4504955A; WO1984000855A1; EP0118465A1; JPH079970U; IT8322495A0; EP0118465B1; JPS59501430A; EP0118465A4; DE3367705D1; SG15087G; CA1199716A

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 Letter
s) 第３６巻第８号、ページ６１５〜６１７（１９８
０）に、Ｗ．Ｔ．シルフバスト(Silfvast)，Ｌ．Ｈ．ス
ジエト(Szeto) 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１
０mm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４，３
３６，５０６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、Ｓ
ＰＥＲ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１２６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１３
２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、ＳＰＥＲ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２０ＶＤＣ）
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１４１〜１４
５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１
２８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（５
００ l/min) ，電極１０１〜１０６を通過し、排出口１
７２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１２０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（＜１０μm ）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３
０Ｖ）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２０１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０．２５〜８
０Torr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ＣｄＳＰ
ＥＲ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１７
４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２００μse
c であった。

【００２１】レーザー作用はＨｅの圧力が１．５〜１０
Torrの範囲において観測され、最適値は、共振器の軸１
６０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２．５Ω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２２
０上にＣｄ膜２０４を塗膜した。この膜２０４の上にＣ
ｄ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ＳＰＥＲ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１
cm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３
３２はガラスブロック３２２の上にカソード電極３２６
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３Torr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３
２６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.６Ａ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

【実用新案登録請求の範囲】

【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デバイスにおいて、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デバイス。
【請求項２】請求項１に記載のデバイスにおいて、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アーク放電デバイス。
【請求項３】請求項１に記載のデバイスにおいて、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アーク放電デバイス。
【請求項４】請求項１、２および３のいずれか一の請
求項に記載のデバイスにおいて、前記薄膜が単一の金属層よりなるアーク放電デバイス。
【請求項５】請求項４に記載のデバイスにおいて、前記薄膜が厚さ＜１０μm であるアーク放電デバイス。
【請求項６】請求項３に記載のデバイスにおいて、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
るアーク放電デバイス。
【請求項７】請求項６に記載のデバイスにおいて、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
上に形成されるアーク放電デバイス。