JPS589591B2 - ガスバイタイノ ブンシレイキ ノタメニ セイギヨサレタ ホウデンオアタエルタメノソウチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はガス媒体の分子励起を与えるための制御された
放電を生じさせる装置に関する。

そのような装置は、ガス状レーザ媒体がイオン化輻射と
電界との相互作用により誘導放出を与えるため励起され
るようになったレーザのような大出力流動ガス装置を含
んでいる。

最近ガスレーザー技術の分野では原理的にさらに高出力
でさらに効率の高いレーザを実現するための多くの開発
がなされている。

ネオン、クリプトン、アルゴン、ヘリウムおよびこれら
の混合体、そして炭酸ガスや窒素のような他のガスのご
とき気体は広い範囲の電磁スペクトルにおいてレーザ発
振を与えるものであることが判っている。

広範囲のガスおよび圧力が今日のレーザで用いられてい
る。

流動ガスレーザを含む殆んどのガスレーザの機構は今日
では周知である。

多くの注目が今日では光子を放出しそれ故振動的に励起
された附勢ガスによる近共振衝突によりレーザガスに選
択的に移されるエネルギーの結果としてレーザ空洞内に
コヒーレント光の誘導放出に寄与することの出来るエネ
ルギーレベルまでレーザガスを励起させることについて
行われている。

一つの大いに注目されているガスレーザの形式は窒素一
炭酸ガスレーザである。

この形式のガスレーザでは窒素は第一振動レベルまで励
起され、そしてそれがエネルギーを選択的に炭酸ガスの
上位レーザレベルへと移しそれによりレーザ放出を支持
する分布反転を与えるようになっている。

炭酸ガスによる光子の放出によってその分子は下位レー
ザレベルのエネルギーとなり、このエネルギーレベルの
分子が急激にガス衝突を介して基底状態に崩壊する。

かくして、大出力ガスレーザ技術の今日の状態では、一
つの物質のレーザ作用（光エネルギーの量子のコヒーレ
ントな誘導放出）は、レーザ物質のエネルギーレベルに
近似する振動エネルギーレベルに励起された附勢ガスと
の衝突の結果として高く非平衡のエネルギー状態となさ
れた物質によるものである。

この附勢ガスを励起する方法は与えられたレーザーの特
定の設計パラメータにより変る。

例えば、電気的励起がいくつかの形式では用いられる。

一つのよく知られた形式は無線周波数励起であり、もう
一つの形式は直流プラズマ励起であり、第三のものはマ
イクロ波励起である。

第四の形式は電子ビームを用いるものである。

さらに、附勢ガスにその下位の振動エネルギーレベルの
間のスペースに合った周波数の強い光を吸収させること
により励起することも出来る。

従来の電子ビームで励起される流動ガス装置ではガスの
流量は放電によりこのガス中に与えられる消費エネルギ
ーのすべてを運び出すに充分なものとされている。

典型例としては放電電流密度ベクトルはガス流ベクトル
と光学軸にほぼ直角である。

そのような装置では放電が下流に向いて向われるがそこ
では例えば作動領域そしてあるいは光学空洞のような所
望の領域においてガスを有効クこ励起することが出米な
いから平らな固体力ン一ドの使用は満足すべきものでな
いことが判っているこの効果はカソード領域に対するＥ
／ｎ比（ガス密度に対する電界の比）が陽光柱における
Ｅ／ｎ比よりかなり高く、一般に実質的な局部自己イオ
ン化を生じるに充分な高さとなる傾向があるために少く
とも部分的に生じる。

局部条件により著しく制御されるこの自己イオン化はガ
ス流により下流に移される。

さらに、そしてさらに重要なことであるが、上記のイオ
ン化の局部領域化はガス流に対して殆んどあるいは全く
速度を有さないために、これらの領域は加熱されそして
これによりＥＺｎ比が増加し、それによってさらに自己
イオン化が促進される。

陽光柱の歪みの発生に加えて上記の効果により不安定放
電およびアークが発生する。

ガス境界層を通りそして作動領域を通ってガスの主流へ
と伸びる電極は従来の電極に関連した前記の欠点をなく
すものであることを見い出した。

かくすることにより、そのように配置された電極は満足
すべき電極動作を与えるに適した高いＥＺｎ比をもつ局
部的な安定した領域を与える。

これらの局部的で安定した領域は高い局部電界がガス流
の効果よりもむしろ安定静止した幾何的効果によりもた
らされるために下流側に運ばれることはない。

さらに、これら電極により与えられる局部領域は静止す
るから、これらは従来のものと比べてガス流Ｑこ対して
高速であり、従ってガス流によりさらに効果的に冷却さ
れる。

本発明によれば壁を有してそこに作動領域をもつ空洞を
限定する装置と、この作動領域を通るガス作動媒体流を
つくるためのガス供給装置と、この作動領域る流れる作
動媒体をイオン化するために作動領域内にイオン化幅射
を与えるための装置と、作動領域のほぼすべてにまたが
り電圧を印加するための装置と、上記空洞を限定する装
置内に間隔をもって配置された一対の対向配置された網
状のあるいは分割された電極からなる装置とから成り、
前記電極が前記ガス媒体流中に伸びているように位置決
めされかつ形成されており、前記ガス媒体が前記電極の
各部上を流れこれを冷却し、前記電極が互いに間隔をも
って配置された複数の狭いほゾ細長く伸びた部分３５
．３１から成り、前記電極が前記ガス媒体流の方向に効
果的に広がっている、ガス作動媒体の分子励起を与える
べく制御された放電を発生させるための装置が与えら？
る。

これら電極は好適には夫々間隔をもってガスの主流内に
配置された電気的に接続した複数の狭いロンド状の部分
からなる。

これらロンドの配向は流れの方向に対して横方向の軸に
対しあるいはまた流れの方向または軸に対してかなり変
化しうる。

しかしながらカソードよりもアノードの配向については
より大きな自由度が可能である。

アノードでは本質的に任意の配向が可能であるが、カソ
ードでは流れ方向とロッド部分の大多数の軸との間の角
度は少くとも約４５°であることが望まれ句アノードと
カソードについてのこの差は主として例えばジエームズ
・デー・コバインによるニューヨーク・ドーハーパフリ
ケーション１９５８年版の［ガシアス・コンダクタズ：
セオリ・アンド・エンジニアリングアプリケーションズ
」に詳細に示されるようなアノード降下とカソード降下
の差により生じるものである。

カソードでは局部自己イオン化はカソード降下が大きい
ことによりさらに促進される。

ロッドまたはロッド状部分が一般に流れ方向に直角に配
置される場合にはこれらは好適には上流端よりも下流端
で壁に近づく一つの面（平面でなくともよい）を限定す
る。

これら電極の形は好適にはレンズ効果をなくすためにレ
ーザ装置のケースの中で非対称とされる６かくしてアノ
一ド電極は流れ方向に多少とも向いたロッド状部材（大
出力装置用の冷却材を受けるようになっている）を利用
し、カソ一ド電極は流れ方向を多少横切るようになった
多少波を打つような形のロッド状部材を利用する。

第１図を見る（こ、一例として電極を用いるレーザ装置
が示されている。

本発明はレーザ装置について説明されるが、本発明はそ
れに限られるものではなく、一般的には同様の構造では
あるが例えば制御された放電を利用してオゾンとか他の
化学反応をつくり出すような目的に使用されるような装
置にも応用出来る。

一般に１０で示されるレーザは壁を有しそこに作動領域
１２をもつ空胴を限定するハウジングまたは適当な装置
１１からなる。

アルゴン、キセノン、クリプトンまたはＣ０２，Ｎ２お
よびＨｅの混合体のようなガス状レーザ媒体１３はガス
人口１５を介してこの作動領域−こ供給されそしてガス
出口１４から排出される。

作動領域１２は一般に便宜的Ｃこ方形として示してある
。

この作動領域は適当に鏡１８と１９を支持するようにな
った適等な非導電物質からなる対向配置された穴の明い
ていない側壁１６と１７からなる。

対向配置された上面および下面の非導電性の壁２１と２
２はこの側壁に付着され、上壁２１は穴が明いておらず
、そして下壁２２は電子窓２５を通じて作動領域に広い
電子ビームの形式のイオン化幅射を導入するための電子
銃装置２４を受けるため鏡１８と１９の間にほぼ全部伸
びている開口２３を備えている。

この電子窓２５は下壁２２を穴がない状態つまり気密に
している。

高度の真空とされた電子銃装置内で発生される電子ビー
ムは作動領域１２内の媒体内に２次電子の実質的に均一
な空間分布を発生する。

この２次電子は媒体内での分布反転を発生するには不十
分な平均エネルギを有している。

作動領域において、この分布反転は、自己再生（ ｓｅ
ｌ ｆ−ｒｅｇａｎｅｒａｔ ｉｖｅ）イオン化による
２次電子密度の増加を伴なわずに、作動領域全体に均一
に２次電子の平均エネルギを増加するように２次電子の
電子温度を制御する電界により発生される。

この電界は高圧直流電流源（図示せず）に接続された対
向電極２６及び２７によりこの電極間に与えられる。

そのような電源は電源により充電されそして適当なトリ
ガまたはタイミング回路で作動される容量放電装置から
なる。

電子銃装置２４の気密電子窓２５を通ることにより電子
は窓２５上の壁２２で支持され、それから離されている
アノード電極２７を通る。

アノード２７は好適には鏡１８と１９の間でガス流に平
行に伸びる作動領域の断面とほぼ同じ断面積を有し、そ
して上流端より下流端が壁２２に近くなるような向きで
作動領域を流れるガスの主流１３内に配置される。

アノ一ド２７の上記の発散（およびカソード電極２６の
同様な発散）により作動領域を流れるガスは電極の各部
分を流れてそれを冷却しそれにより電子ビームによる所
望のところの部分の作動媒体の実質的なイオン化を行う
ため電極における加熱の傾向を減少しうるようになる。

特に大出力における望ましくない加熱の可能性をさらζ
こ減らすために、これら電極は中空の鋼管で構成されそ
して水のような加圧冷却材源に接続される。

第１．４．５図に示すアノード２７は中空のコネクタ管
３１により中空のヘッダまたはマニホルド部材２８と２
９を有する。

冷却材の流れる管３１は作動領域を通るガス流に対して
角度をもって配置される。

コネクタ管の向きは重要はないが、レーザについてはほ
ぼ４５°の角度がよい。

光学軸に平行の狭い電極部材の向きは好適には避ける。

冷却材は銅の供給パイプ３２を通ってアノードに供給さ
れそして銅パイプ３３から排出される。

アノードは適当な支持体またはスペーサ３４により壁２
２に固定される。

電気的接続は銅の水パイプにより行われる。

前述のようにガス流に対して角度をもったコネクタ管の
配向は媒体のレンズ効果またはその光学的品質の歪みを
減らすに有効であり、長く細い平行部材を用いるものと
較べてビーム品質を改善する。

コネクタ管のスペースは均一の放電を与えつつ上述のよ
うにガス流による冷却を可能とするばかりでなくアノー
ド電極を通り作動領域に入ってそこでガスをイオン化す
る電子ビームとの干渉を最少Ｃこする。

第１ ．２．３図に示すカソード２６は壁２１に設けら
れた支持体により固定されそしてアノードと同じ目的の
ために同様に配置されアノードと同じ断面積を有する。

かくしてアノードとカソードはガス流内で互いに発散す
る。

しかしながら、図示のカソード２６は互いに間隔を与え
られガス流の方向にほぼ直角に、従って光学軸にほぼ平
行に配置された複数の銅の管部材３５からなる。

しかしながら、上記部材３５を限定する長い狭い管は真
直ではなく第２図によく示されるように波を打った電極
を与えるように鏡の中間における作動領域の部分を横切
るところに複数の連続した曲線をもつようになっている
ことに注目すべきである。

この波を打っている部材３５は冷却材入口および出口ヘ
ッド３６と３７に接続される。

電極２６は支持体３８により壁２１に間隔をもって固定
される。

部Ｒ３５ａはレーザビームのモードの外側に配置される
場合には図示のように直線でよい。

レーザ装置におけるビーム品質を改善するためにはアノ
ードとカソードの形を例えば第１図に示すように互いに
非対称とするとよい。

また第２，３図に示す形のカソードをもつレーザ装置に
対する電極はレーザビームのモードにおける光学軸に平
行に長い細い部分を与える必要はない。

他の形状についても勿論当業者には明らかであり、本発
明の範囲内となるべきものである。

或る場合にはアノード電極への冷却材の供給は適宜では
あるが、一般にカソードへの冷却材の供給はしばしば必
要なものである。

大出力動作については両電極への冷却材の供給は極めて
望ましいものである。

こうすることにより不必要なイオン化を生じさせる電極
の傾向は減少し、そして電子窓に接近した電極をもちい
る場合にはその動作温度を低く維持すること（こより電
子窓の故障をもたらす電子窓の加熱が減少する。

これら電極は典型的には製造上の容易さを与えるためほ
ぼ平面状であるが、これらは光学空洞内での円形レーザ
ビームの使用を容易にするためにガス流の方向で曲げて
もよい（第５図参照）。

さらに、アークの発生を避けるために電極の隅を鋭くす
るべきでないが、例えば光学空洞内のレーザビームのモ
ードの外にある部材３５ａのような電極の部分は角度を
つけたり、曲げたりする必要はない。

しかしながら、媒体が作動領域を通るときのその発熱の
ためζこ前述のような電極の発散はＥを電介としｎを媒
体の密度とした場合のＥ／ｎ比が一定とされるべきであ
れば実際上必要なものとなる。

媒体が作動領域を流れそして放電により加熱されると、
その密度は小さくなる。

かくしてＥ／ｎ比を一定に維持するためにはこれら電極
は密度の減少と同じ率で発散しなければならない。

作動領域における放電の均一性はＥ／ｎ比によりきまり
、そして勿論Ｅ／ｎが一定でなければ放電は均一とはな
らない。

放電はレーザに分布反転をもたらすから大きな大積につ
いての放電の均一性は必要でありビーム品質は放電の不
均一の度合に逆比例する。

従って電極の発散は極めて重要である。高速ガスを用い
るレーザでは放電が下流側に流される傾向があるため、
作動領域内の所望の位置での放電を与えるに充分な距離
だけ電極が離されているとよい。

第６図は第４図とほぼ同様の電極構造を示す。

第６図ζこ示すように、冷却材を受けそして排出するよ
うになった銅の管４１は約４５°の角度をもって配置さ
れる一連の比較的短いループ４２を与えるように形成さ
れる。

これらループを形成する脚間のスペースは重要ではなく
対向電極と共に作動領域に均一の放電を与えるようなも
のであればよい。

鋼で補強されたロツド４３と４４は図示のようにループ
の曲がり部分と上記管の端部分にろう付される。

この電極は、種々の要素の膨脹と収縮の補償を考慮して
この鋼のロンドと支持壁に固定された適当な支持体（図
示せず）により支持壁から間隔をとられて発散状｛こ支
持される。

第７，８図は電極がガス流に平行に、従ってレ−ザの場
合にはその光学軸に直角に配置されたコネクタ部分４５
を有する場合の変形例を示す。

加熱があまり問題とならぬ場合にはコネクタ部分４５は
平行な主ロッド４６と４７に端部をろう付または溶接さ
れた小さい鋼のロッドで形成してもよい、主ロツド４６
と４７に溶接されたスタンドオフ４８はこの電極をその
壁から間隔をもった関係に支持する。

コネクタロツド４５の両端は図示のように曲面を与える
ため曲げられる。

これはアークの防止に効果がある。

第９，１０図は満足な動作を行うピン型電極を示す。

この場合の電極は図示のようにセラミック等のような適
当な材料からなる非導電部材５２に埋込まれて作動領域
を部分的に限定する適正な壁により支持される直径の小
さいタングステンのピン５１からつくってもよい。

これらピンは別の非導電部材５４を通り熱交換器５５へ
と伸びる銅の管５３に入れられてもよい６油がこの熱交
換器５５に供給されて冷却と電気絶縁を与える。

これらピンはすべて電源に並列接続される。

適当に寸法づけられたバラスト抵抗５６を必要であれば
これらピンと直列に接続してもよい。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明のレーザ装置における電極装置を示す部
分破断斜視図、第２，３図は第１図のカソード電極の拡
大上面および側面図、第４，５図は第１図のアノード電
極の拡大上面および側面図、第６図は第４図と同様のア
ノード形状を示す上面図、第７，８図はさらに他のアノ
ード形状を示す拡大上面および側面図、第９図は複数の
ピンからなる分割されたカソード電極の上面図、第１０
図は第９図の１ ０−１ ０から見た断面側面図である
。 １０・・・・・・レーザ、１１・・・・・・ハウジング
、１２・・・・・・作動領域、１３・・・・・・ガス媒
体、１８．１９・・・・・・鏡、２４・・・・・・電子
銃、２５・・・・・・電子窓、２６・・・・・・力゛ノ
ード電極、２７・・・・・・アノード電極、２８，２９
・・・・・・マニホルド、３１・・・・・・コネクタ管
、３４・・・・・・スペーサ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ その内部に作動領域をもつ空胴を限定する壁を有す
   るハウジングと、この作動領域を通るガス作動媒体流を
   つくるためのガス供給装置と、この作動領域を流れる作
   動媒体をイオン化するために作動領域内にイオン化幅射
   を与れるための装置と、作動領域のほぼすべてにまたが
   り電圧を印加するため、互いに間隔をもって前記空胴内
   に対向配置された網状あるいは分割された第１及び第２
   の電極２６．２７とを含み、前記電極が前記ガス媒体流
   中に伸びているように位置決めされかつ形成されており
   、前記ガス媒体が前記電極の各部上を流れこれを冷却す
   る、ガス媒体の分子励起のために制御された放電を与え
   るための装置において、前記第１及び第２の電極２６
   ．２７が互いに間隔をもって配置され冷媒入口管及び出
   口管３６．３７：３２．３３に結合され、付加の冷却を
   行なうために前記中空管を介して冷媒を循環するように
   構成された複数の狭い細長い中空管３５，３１から成り
   、前記電１の電極２６の中空管３５が第２の電極２７の
   中空管３１に対して非対称に配置されており、前記第１
   及び第２の電極２６．２７が前記ガス媒体流の方向に互
   いに離れるように効果的に広がっていることを特徴とす
   る、ガス媒体の分子励起のために制御された放電を与え
   るための装置。