(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
放電レーザのための高パルス繰返数のパルス電源であって、
Ａ）パルス発生回路を備え、このパルス発生回路は、
１）６００ボルトを超えるピーク電圧を持ち、３ジュールを超える電気エネルギを蓄積する充電コンデンサと、
２）半導体スイッチと、
３）限流インダクタとを含み、この限流インダクタは、前記スイッチが放電させるように閉じたときにこのスイッチを通じて前記充電コンデンサを一時的に制限して、前記充電コンデンサにおける電気エネルギを電気パルスに変換し、
前記パルス電源は更に、
Ｂ）前記パルス生成回路からの前記電気パルスに第１の圧縮をする第１圧縮回路と、この第１の圧縮回路からの前記第１圧縮をされた電気パルスに第２の圧縮をする第２圧縮回路とを規定し、その各々の回路がコンデンサ列と可飽和インダクタとを有する少なくとも２つのパルス圧縮回路と、
Ｃ）電気的に並列の複数の１次巻線と、少なくとも１つの実質的に真っ直ぐな導体を含む２次巻線とを備え、前記電気パルスの前記ピーク電圧を少なくとも１２，０００ボルトまで上げて、前記レーザにエネルギを与えてレーザパルスを発生させて、その各々のパルスがパルスエネルギを規定する昇圧パルス変圧器と、
Ｄ）前記レーザパルスエネルギを監視して、この監視されたレーザパルスエネルギに対応する信号を発生する監視手段と、
Ｅ）少なくとも６００ボルトの電圧において少なくとも３ジュールの電気エネルギを持つ前記充電コンデンサを充電する調整電源と、
Ｆ）前記監視手段からの前記信号に基づいて前記充電コンデンサの充電を制御するプロセッサを含み、このプロセッサは少なくとも１つの以前のレーザパルスのレーザパルスエネルギに基づいてパルスに対する制御電圧を計算するアルゴリズムによりプログラムされているパルス制御システムとを備える高パルス繰返数のパルス電源。
【請求項２】
前記昇圧変圧器は、前記第１圧縮回路の一部である請求項１に記載のパルス電源。
【請求項３】
前記少なくとも１つの実質的に真っ直ぐな導体は、電気的に直列に接続された４本の真っ直ぐなロッドである請求項１に記載のパルス電源。
【請求項４】
前記複数の１次巻線は、少なくとも２０個の１次巻線である請求項１に記載のパルス電源。
【請求項５】
前記調整電源は、前記充電コンデンサの電圧を目標とする制御電圧までブリードダウンするスイッチ及び抵抗器を備えるブリードダウン回路を含む請求項１に記載のパルス電源。
【請求項６】
前記電源は、放電レーザの構成要素であり、電気パルスを供給して前記レーザの電極間に放電を発生し、各々がパルスエネルギを形成するレーザパルスを発生する請求項１に記載のパルス電源。
【請求項７】
前記少なくとも１つの以前のパルスは、パルスのバーストにおける全てのパルスを含む請求項１に記載のパルス電源。
【請求項８】
前記少なくとも１つのパルスは、より以前のバーストにおけるパルスも含む請求項１に記載のパルス電源。
【請求項９】
前記少なくとも２つの圧縮回路であり、前記第２圧縮回路におけるコンデンサは、ピーキングコンデンサである請求項１に記載のパルス電源。
【請求項１０】
前記パルス発生回路、前記圧縮回路、前記パルス変圧器、及び、前記電源は、２つの電極を形成する放電レーザシステムの構成要素を備えるモジュールに組み立てられる請求項１に記載のパルス電源。
【請求項１１】
前記レーザシステムは、エキシマレーザ・システムである請求項１０に記載のパルス電源。
【請求項１２】
前記エキシマレーザ・システムは、ＫｒＦレーザシステムである請求項１１に記載のパルス電源。
【請求項１３】
前記モジュールは、空冷である請求項１０に記載のパルス電源。
【請求項１４】
前記可飽和インダクタは、ポット型容器に包含されるオイルレベルを形成し、前記オイルレベルが少なくとも１つの密封接合の全てより下にあるという少なくとも１つの密封機能を持つ、変圧器オイルに浸される請求項１０に記載のパルス電源。
【請求項１５】
前記可飽和インダクタのうちの少なくとも１つは、少なくとも１つの磁束排除片を含む請求項１に記載のパルス電源。
【請求項１６】
前記コンデンサ及びインダクタは、銅覆プリント基板を使用して電気的に接続され、ボルトを使用して前記コンデンサ及びインダクタを前記プリント基板に接続する請求項１に記載のパルス電源。
【請求項１７】
前記２つの電極のうちの一方は、接地され、前記パルス電源は、前記２つの電極のうちの他方に負の高電圧をもたらす請求項６に記載のパルス電源。
【請求項１８】
前記２つの電極のうちの一方は、接地され、前記パルス電源は、前記２つの電極のうちの他方に正の高電圧をもたらす請求項６に記載のパルス電源。
【請求項１９】
前記パルス発生回路は、負のパルスを発生する第１パルス発生回路であり、正のパルスを発生する第２パルス発生回路を更に含み、前記第１パルス発生回路と前記第２パルス発生回路とは、前記放電レーザの両極性作動を生み出すために交代パルスを生成するように制御される請求項１０に記載のパルス電源。
【請求項２０】
前記エキシマレーザ・システムは、ＡｒＦレーザシステムである請求項１８に記載のパルス電源。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、１９９７年１２月１５日提出の米国特許出願シリアル番号第０８／９９０、８４８号の一部継続出願である。本発明は、パルス電力システムに関し、特に、放電レーザ用の高パルス繰返数のパルス電力システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常のガス放出レーザにおいて、利得媒体は、循環ガス内への２つの細長い電極間の放電により生成される。通常、非常に高い電圧が放電を開始する時に必要とされるが、一旦放電が始まると、プラズマが生成されて電極間の電気抵抗をゼロ近くにまで軽減し、実際上ほぼ短絡回路的な状態を生成する。このため、一旦放電が開始されると、電流を限定する手段が必要となる。この２つの問題に対処する一般的な方法は、電極に平行して「ピーキング」コンデンサ（Ｃｐ）を設けることである。ピーキングコンデンサは、定期的に放電開始に必要な電圧で充電されるが、しかし、それは１つのパルスにとって十分な電気エネルギにすぎない。高電圧により作られた電極間のほぼ短絡した回路は、ピーキングコンデンサのエネルギを消耗し、パルスを消滅する。高いパルス繰返数の放電レーザ（例えば、毎秒１０００パルス）では、ガス循環システムは、電極間のガスの流れ（毎秒１、０００インチなど）を生成し、各パルスから生じた電極間のイオン化ガスを次のパルスの前に迅速に新しいガスと置き換える。次のパルスは、以前のパルスと同様に、ピーキングコンデンサの別の素早い充電により生成される。従って、ピーキングコンデンサに毎秒１、０００回などの目標とするパルス繰返数で、１つのパルスに十分な電圧及び電気エネルギを準備することは、パルス電力システムの仕事である。
【０００３】
従来システムでは、ピーキングコンデンサは、充電コンデンサ（Ｃｏ）を充電する高電圧スイッチ、及び、ピーキングコンデンサに充電コンデンサのエネルギを伝達するサイラトロンなどの高電圧スイッチを使用する１２から２０キロボルトの直流電源により充電される。他の従来技術のパルス電力システムは、ピーキングコンデンサに対して、必要な高電圧及び高エネルギでの素早い繰り返し充電を準備するために磁気パルス圧縮回路を使用する。実施例は、米国特許第５、４４８、５８０号、及び、第５、３１３、４８１号に記載されており、ここに参照として取り込まれている。これらの回路は、通常、多段階エル・シー（ＬＣ）ネットワークを利用し、比較的長く比較的低い電圧パルスを、必要な非常に短い高電圧パルスに変換する。
【０００４】
従来技術には、１、０００ヘルツ程度のパルス繰返数でのエキシマレーザなどの工業用ガス放出レーザ用として、非常に高電圧で短いパルスを供給するパルス電力システムが含まれる。これらのレーザは、定期保守のためのほんの短い停止時間以外、何週間もの間毎日２４時間確実に作動する必要がある。現在、２、０００ヘルツから５、０００ヘルツの範囲、又はそれ以上のパルス繰返数で作動でき、より高い信頼性を持つパルス電力システムが必要とされる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、２０００ヘルツ又はそれ以上の繰返数で制御される高エネルギ電気パルスを供給するパルス繰返数の高いパルス電源を提供する。電源には、充電コンデンサ、半導体スイッチ、及び、限流インダクタを含むパルス発生回路が含まれる。パルス発生回路で発生されたパルスは、少なくとも２つのパルス圧縮回路で圧縮され、昇圧パルス変圧器は、少なくとも１２、０００ボルトまでピーク電圧を上げる。非常に高速に調整された電源は、４００マイクロ秒未満で充電コンデンサを充電するように準備され、プログラムされたプロセッサを含むパルス制御システムは、毎秒少なくとも２、０００充電の割合で、充電コンデンサの充電を約１パーセント未満の正確さで制御する。
【０００６】
エキシマレーザに電気パルスを準備するのに有効な本発明の好ましい実施形態では、最大２０００ヘルツ又はそれ以上のパルス繰返数で、パルス毎に最高５．５ジュールのパルスをもたらす。この実施形態では、ピーキングコンデンサは、約１００ナノ秒でゼロ電圧から１６、０００ボルト程度の放電電圧まで、最高５．５ジュールで充電される。これは、従来技術の設計よりもはるかに速く、レーザ効率がかなり改善される。この早い立ち上がり時間は、２段のパルス圧縮、及び、第１及び第２段の間に２次「巻線」として４区分された真っ直ぐなステンレス鋼ロッドを持つ１：２３パルス変圧器を使用して達成される。この好ましい実施形態では、各パルスのパルスエネルギは、フィードバック制御システムで制御され、そこで以前のパルスのエネルギが測定され、その測定値を使用して充電コンデンサの制御電圧が判断される。次に、充電コンデンサは、調整電源を使用して制御電圧まで充電される。極端に高速で精密な充電が行われるため、充電コンデンサは、１マイクロ秒に約３ボルトの割合で制御電圧を超える数ボルトまで充電され、ブリード回路を通じて制御電圧までブリードダウンされる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい実施形態は、図を参照して説明することができる。
（第１の好ましい実施形態）
工業用狭帯域ＫｒＦエキシマレーザ用のパルス電力システムである本発明の第１の実施形態は、図１のブロック図で示されている。この好ましい実施形態のブロック及び回路の組み合わせの簡略図が図２に示されている。図には、２０８ボルトの３相標準工場用交流電流を、パルス繰返数が約２、０００ヘルツ又はそれ以上のエキシマレーザのピーキングコンデンサにおいて０．５ジュールから６ジュール及び１２キロボルトから２２キロボルトの電気パルスに変換するために本出願者により建造及び試験された好ましい実施形態構造が示されている。まずシステムの説明が以下になされ、システムの個々のモジュール及び構成要素に関して幾つかの重要な詳細の説明がそれに続く。
【０００８】
（システムの説明）
この好ましい実施形態は、図１及び図２に示されるように、４つの別々のモジュールで製造され、各モジュールは、エキシマレーザ・システムの重要な一部分で、その各々は、構成要素故障の場合、または、定期的予防保守プログラムの過程で迅速に取り替えることができる。これらのモジュールは、出願者により明示されており、高圧電源モジュール２０、整流子モジュール４０、圧縮ヘッドモジュール６０、及び、レーザ室モジュール８０である。
【０００９】
（高圧電源モジュール）
高圧電源モジュール２０は、３００ボルトの整流器２２を備え、電源からの２０８ボルトの３相工場用電力を１０から３００ボルトの直流に変換する。インバータ２４は、整流器２２の出力を１００キロヘルツから２００キロヘルツの範囲の３００ボルトの高周波パルスに変換する。システムの最終的な出力パルスエネルギのコース調整をするため、インバータ２４の周波数及び周期は、高圧電源制御盤２１により制御される。インバータ２４の出力は、昇圧変圧器２６において約１２００ボルトまで昇圧される。変圧器２６の出力は、標準ブリッジ整流器回路３０及びフィルタ・コンデンサ３２を含む整流器２８により、１２００ボルトの直流に変換される。回路３０からの直流電気エネルギは、図１に示すインバータ２４の作動を制御する高圧電源制御盤２１による指令で、整流子モジュール４０の８．１マイクロファラッドＣｏ充電コンデンサ４２を充電する。高圧電源制御盤２１内の設定点は、レーザシステム制御盤１００により設定される。
図１に示されるこの実施形態で、レーザ・システムのパルスエネルギ制御が電源モジュール２０により行われることに留意されたい。整流子４０及び圧縮ヘッド６０の電気回路は、ただ、電源モジュール２０により充電コンデンサ４２に蓄積された電気エネルギを単に増幅し、圧縮するだけである。この制御の例として、図１に示されるように、充電サイクルの間は半導体スイッチ４６により下流側回路から分離される充電コンデンサ４２に対して、制御盤１００が電源を制御し、７００ボルトを供給する。
【００１０】
（整流子モジュール）
整流子モジュール４０は、Ｃｏ充電コンデンサ４２を備え、本実施形態において、それは、並列に接続されるコンデンサの列であり、合計で８．１マイクロファラッドの静電容量を準備する。分圧器４４は、高圧電源制御盤２１にフィードバック電圧信号を与え、該フィードバックは、制御盤２１により、コンデンサ４２の電荷を特定電圧（「制御電圧」と呼ばれる）に限定するために使用され、その電圧は、それが電気パルスに形成され、整流子４０及び圧縮ヘッド６０で圧縮されて増幅された時、ピーキングコンデンサ８２において、そして電極８３及び８４に亘って、目標とする放電電圧を生み出すことになる。
【００１１】
本実施形態において（毎秒２、０００パルスのパルス繰返数で３ジュール及び１４、０００ボルトの範囲の電気パルスをもたらすように設計されている）、充電コンデンサ４２を７００ボルトに充電するために、約２５０マイクロ秒が（図６で示されているように）電源２０に必要である。従って、整流子制御盤４１からの信号が半導体スイッチ４６を閉じる場合、充電コンデンサ４２は、十分に充電され、目標とする電圧で安定するが、半導体スイッチ４４が閉じると、充電コンデンサに蓄積された３ジュールの電気エネルギを、電極８３と電極８４とに亘る１４、０００ボルトの放電に変換する非常に速い段階が開始される。本実施形態における半導体スイッチ４６は、ＩＧＢＴスイッチであるが、ＳＣＲ、ＧＴＯ、及び、ＭＣＴなどの他のスイッチ技術でも使用可能であろう。６００ナノヘンリー充電インダクタ４８は、半導体スイッチ４６と直列であり、スイッチ４６を通じて一時的に電流を限定し、それが閉じている間にＣｏ充電コンデンサ４２の放電をする。
【００１２】
（パルス生成段階）
図６Ｂで示す通り、パルス生成５０の第１段階では、充電コンデンサ４２における電荷は、このように、約５マイクロ秒で、Ｃ１の８．５マイクロファラッドコンデンサ５２に切り換えられる。
（圧縮の第１段階）
可飽和インダクタ５４は、コンデンサ５２の電圧をホールドオフし、次に飽和状態となり、圧縮６１の第１段階に関して図６Ｃに示すように、約５５０ナノ秒の転送時間で、１：２３昇圧パルス変圧器５６を通じてコンデンサ５２からＣｐ−１コンデンサ６２への電荷の移行を可能にする。
パルス変圧器５６の設計は、以下の通りである。変圧器の性能に関して、該変圧器は、非常に効率的なパルス変圧器で、７００ボルト、１７、５００アンペア、５５０ナノ秒のパルス繰返数を、圧縮ヘッドモジュール６０のＣｐ−１コンデンサ列６２にごく一時的に蓄積される１６、１００ボルト、７６０アンペア、５５０ナノ秒のパルスに変換する。
【００１３】
（圧縮ヘッドモジュール）
圧縮ヘッドモジュール６０は、更にパルスを圧縮する。
（圧縮の第２段階）
Ｌｐ−１可飽和インダクタ６４（約１２５ナノヘンリーの飽和インダクタンスを持つ）は、約５５０ナノ秒の間、１６．５ナノファラッドＣｐ−１コンデンサ列６２の電圧をホールドオフし、次に、Ｃｐ−１の電荷を、レーザ室８０の上部に配置され、電極８３及び８４に電気的に並列に接続された１６．５ナノファラッドＣｐピーキングコンデンサ８２上に（約１００ナノ秒で）流れることを可能にする。Ｃｐピーキングコンデンサ８２を充電するための、この５５０ナノ秒の長さのパルスの１００ナノ秒の長さのパルスへの変換は、圧縮の最終の第２段階であり、図１の６５で示されている。
【００１４】
（レーザ室モジュール）
レーザの上部にその一部として装着されたピーキングコンデンサ８２上に電荷が流れ始めた後、約１００ナノ秒後に、ピーキングコンデンサ８２の電圧は、約１４、０００ボルトに達して電極間の放電が始まる。レーザ処理がエキシマレーザの共振室内で行われている間、放電は約５０ナノ秒続く。該共振室は、本例では、３プリズム・ビーム拡大器、同調ミラー及びエシェル（ｅｓｃｈｅｌｌｅ）格子、及び、本例では１０パーセントＲミラーを含む出力カプラ８８を備えるライン・ナローイング・パッケージ８６によって形成される。このレーザのレーザパルスは、約１０ミリジュールの狭帯域２０ナノ秒、２４８ナノメートルのパルスで、その繰返数は、毎秒２０００パルスである。パルスは、レーザビーム９０を形成し、ビームのパルスは、フォトダイオード９２により監視される。
【００１５】
（パルスエネルギの制御）
フォトダイオード９２からの信号は、制御盤１００のプロセッサ１０２に転送され、該プロセッサは、このエネルギ信号及び、好ましくは、他の過去のパルスエネルギのデータも利用して、次の、及び／又は、将来のパルス用の指令電圧を設定する。レーザが（約０．１秒の停止時間により分離される、２０００ヘルツで１００パルス、０．５秒のバーストなどの）一連の短いバーストで作動する好ましい実施形態において、制御盤１００のプロセッサ１０２は、特別なアルゴリズムでプログラムされ、該アルゴリズムは、他の過去のパルスのプロフィールデータに加え、バーストにおける以前の全パルスエネルギ信号と共に最新のパルスエネルギ信号を使用して、次のパルス用の制御電圧を選択し、パルスからパルスへのエネルギ変化を最小化すると共に、バーストからバーストへのエネルギ変化も最小化する。この計算は、このアルゴリズムを利用して、制御盤１００のプロセッサ１０２により約３５マイクロ秒の間に行われる。レーザパルスは、図６Ｃに示されるＩＧＢＴスイッチ４６のＴｏ点火に続いて約５マイクロ秒間発生し、レーザパルスエネルギのデータ収集のために、約２０マイクロ秒必要である。（スイッチ４６の点火開始は、Ｔｏと呼ばれる。）すなわち、以前のパルスのためのＩＧＢＴスイッチ４６の点火後（２、０００ヘルツで点火時間は５００マイクロ秒）、約７０マイクロ秒で、新しい制御電圧値が（図６Ａに示されるように）このように準備される。このアルゴリズムの特徴は、本明細書において参照される米国特許出願シリアル番号第０９／０３４、８７０号で更に詳しく説明されている。
【００１６】
（エネルギ回復）
この好ましい実施形態は、充電コンデンサ４２上の過度のエネルギを以前のパルスから回収する電気回路によりもたらされるが、これにより、無駄なエネルギをかなり減らし、レーザ室８０でのリンギングの後に事実上それを取り除く。
これは、エネルギ回復インダクタ５８及びエネルギ回復ダイオード５９から成るエネルギ回復回路５７により実現され、直列結合されたこの２つは、Ｃｏ充電コンデンサ４２に渡って並列に接続される。パルス電力システムのインピーダンスは、室のインピーダンスに正確には一致せず、室のインピーダンスがパルス放電の間に、そのマグニチュードが１０の数乗倍にも変動するという事実のために、負方向の「反射」が主パルスから生じ、パルス生成システムの前端に向かって伝搬して戻る。過度のエネルギが圧縮ヘッド６０及び整流子４０を通って伝搬して戻った後、スイッチ４６は、制御装置によるトリガ信号の除去のために開く。エネルギ回復回路５７は、ダイオード５９によるインダクタ５８の逆電流に押さえられ、共振の無いウィーリング（充電コンデンサ４２及びエネルギ回復インダクタ５８から作られたＬ−Ｃ回路のリンギングの半サイクル）を通じて充電コンデンサ４２上に負電圧を生成した反射極性を逆にする。最終結果として、室８０からの実質的に全ての反射エネルギは、各パルスから回収されて充電コンデンサ４２に陽極電荷として蓄積され、次のパルスに使用するために準備される。図６は、コンデンサＣｏ、Ｃ１、Ｃｐ−１、及び、Ｃｐの電荷を示す時間線図であり、Ｃｏ上のエネルギ回復の過程を示している。
【００１７】
（磁気スイッチのバイアス）
可飽和インダクタに使用される磁気材料の全Ｂ−Ｈ曲線の領域を利用するために、パルスがスイッチ４６が閉じて開始される時、各インダクタが逆飽和状態になるように直流バイアス電流が与えられる。
整流子の可飽和インダクタ４８及び５４の場合、これは、インダクタを通じて約１５アンペアのバイアス電流の流れを逆方向（通常のパルス電流の流れと比較して）に与えることで達成される。バイアス電流は、隔離インダクタＬｂｌを通じてバイアス電源１２０から流れる。実際の電流の流れは、矢印Ｂ１に示されるように、電源から整流子の接地接続、パルス変圧器の１次巻線、可飽和インダクタ５４、可飽和インダクタ４８、更に、隔離インダクタＬｂｌを通ってバイアス電源１２０に戻る。
【００１８】
圧縮ヘッドの可飽和インダクタの場合、約５アンペアのバイアス電流Ｂ２は、隔離インダクタＬｂ２を通じて第２バイアス電源からもたらされる。圧縮ヘッドにおいて該電流は分離し、その大部分Ｂ２−１は、可飽和インダクタＬｐ−１６４を通り抜け、インダクタＬｂ３を通って戻り、第２バイアス電源１２６に戻る。電流の小さい方の部分Ｂ２−２は、圧縮ヘッド６０及び整流子４０に接続する高圧ケーブルを通じ、パルス変圧器の２次巻線を通じて接地へ、更に、バイアス抵抗を通じて第２バイアス電源１２６に戻る。この第２の、より小さな電流は、パルス変圧器にバイアスをかけるのに使用され、これによりパルス変圧器がパルス作動のために再設定される。２つのレッグのそれぞれに分割される電流量は、各経路の抵抗により決められ、各経路が正しいバイアス電流量を受け取るように意図的に調整される。
【００１９】
（電流の方向）
この実施形態では、工場電源１０からシステムを通じて電極へ、更に電極８４を越えて接地へと向かうパルスエネルギの流れを「順方向フロー」と呼び、この方向を順方向とする。可飽和インダクタなどの電気構成要素を順方向伝導として参照する場合、それは、電極方向に「パルスエネルギ」を伝導するように飽和状態にバイアスされることを意味する。それとは逆に伝導する場合、それは、充電コンデンサに向かって電極から離れた方向にエネルギを伝導するように飽和状態にバイアスされる。システムを通る電流の流れ（又は電子の流れ）の実際方向は、観測者がシステムのどこにいるかに左右される。この混乱の可能性を取り除くため、電流の流れの方向を以下に説明する。
【００２０】
この好ましい実施形態では、Ｃｏは、スイッチ４６を閉じてＣ１コンデンサ５２の方向にインダクタ４８を通じてコンデンサ４２から電流が流れるようにする場合、（例えば）プラスの７００ボルトで充電される（これは、電子が実際逆方向に流れていることを意味する）。同様に、電流は、接地に向かってパルス変圧器５６の１次側を通じてＣ１コンデンサ５２から流れる。従って、電流方向及びパルスエネルギは、充電コンデンサ４２からパルス変圧器５６まで同じである。「パルス変圧器」と題した以下の段落で説明するように、パルス変圧器５６における１次ループ及び２次ループの両方の電流の流れは、両方とも接地方向になる。その結果、放電の間、パルス変圧器５６及び電極間の電流は、変圧器５６に向かって電極から離れた方向に流れる。そのため、放電の間、電子方向は、パルス変圧器５６の２次側を通じて接地からインダクタ６４を通って一時的にＣｐ−１コンデンサ６２上に流れ、更に一時的にＣｐコンデンサ８２上に流れ、インダクタ８１へ、放電プラズマを通じて（放電カソードである）電極８４へ、及び、電極８３を通じて接地へと戻る。従って、パルス変圧器５６間で、電子は、放電の間パルスエネルギと同じ方向に流れる。
放電電流及び電子の流れが上記のように逆になった後直ちに、上記の「エネルギ回復」と題した段落の通り、この実施形態においては、電流の逆流に対処するために特別の準備がなされる。
【００２１】
（電源の詳細な説明）
好ましい実施形態における電源部分の更に詳細な回路図が図３である。図３に示されるように、整流器２２は、＋１５０ボルトから−１５０ボルト直流の出力を持つ６パルス位相制御整流器である。インバータ２４は、実際にはインバータ２４Ａ、２４Ｂ、及び、２４Ｃの３つである。８マイクロファラッドＣｏ充電コンデンサ４２上の電圧が指令電圧より低い５０ボルトである場合、インバータ２４Ｂ及び２４Ｃは止められ、Ｃｏ４２の電圧が指令電圧をわずかに上回る場合は、インバータ２４Ａが止められる。この手順により、充電の終わりがけの充電速度が減少する。昇圧変圧器２６Ａ、２６Ｂ、及び、２６Ｃは、それぞれ定格７キロワットであり、電圧を交流１２００ボルトに変換する。
３つのブリッジ整流回路３０Ａ、３０Ｂ、及び、３０Ｃが示されている。高圧電源制御盤２１は、１２ビットのデジタル指令をアナログ信号に変換し、その信号をＣｏ電圧モニタ４４からのフィードバック信号４５と比較する。フィードバック電圧が指令電圧を超過した場合、インバータ２４Ａは、上記のように止められ、Ｑ２スイッチ３４が閉じて電源内に蓄積されたエネルギを放散し、Ｑ３分離スイッチ３６が開いていかなる追加エネルギも電源から出て行くことを防ぎ、Ｑ１ブリードスイッチ３８が閉じてＣｏ４２上の電圧をブリードダウンし、Ｃｏ上の電圧が指令電圧と同等になるようにする。その時点でＱ１が開く。
【００２２】
（整流子及び圧縮ヘッドの詳細な説明）
整流子４０及び圧縮ヘッド６０の主な構成要素は、図１及び２に示され、システム作動に関しては、上記の通りである。この段落では、整流子の組立てについて詳しく説明される。
（半導体スイッチ）
半導体スイッチ４６は、ペンシルバニア州ヤングウッド所在のパワレックス社（Ｐｏｗｅｒｅｘ  Ｉｎｃ．）により準備されるＰ／Ｎ  ＣＭ  １０００  ＨＡ−２８ＨＩＧＢＴスイッチである。
（インダクタ）
インダクタ４８、５４、及び、６４は、米国特許第５、４４８、５８０号、及び、第５、３１５、６１１号に記載されたインダクタと同様である。可飽和インダクタ６４の上部及び断面図は、それぞれ図８Ａ及び８Ｂに示す。しかし、この実施形態のインダクタにおいては、インダクタの漏れ磁束を減じるために磁束排除金属片３０１、３０２、３０３、及び、３０４が加えられ、図８Ｂに示される。これらの磁束排除片は、飽和状態になる前にインダクタを通じて電流の流れをかなり減じ、システムにおけるインダクタのパルスの形成性能を飛躍的に改善する。電流は、垂直の導線を通じて４つのループに流れる。電流は３０５に入り、「１」と番号の付けられた中央の直径の大きい導線を下りその円周にあるまた「１」と番号の付けられた６つの更に小さい導線に上がる。他のループも同様に番号が付けられ、３０６から出る。磁束排除金属自身により形成された等価巻回が更に１つ加えられ、５巻回の導線において３番目の巻回となる。これは、磁束排除金属構成要素の電圧が全電圧の半分で保持でき、磁束排除金属部品と他の巻回の金属ロッドとの間にある安全ホールドオフ間隔を減らすことができるという利点を持つ。
【００２３】
（コンデンサ）
コンデンサ列４２、５２、及び、６２は、全て、並列に接続された既製のコンデンサの列から成っている。これらのコンデンサは、ジョージア州スミルナ所在のムラタ（Ｍｕｒａｔａ）社などの供給元から調達できる。本出願者の好むコンデンサ及びインダクタの接続方法は、米国特許第５、４４８、５８０号に記載されているのと類似の方法で、重いニッケルで被覆された銅のリード線を備える特別なプリント基板上の陽極及び負極端子に、それらをボルトで固定するものである。
【００２４】
（パルス変圧器）
パルス変圧器５６はまた、米国特許第５、４４８、５８０号、及び、第５、３１３、４８１号に記載されたパルス変圧器と類似である。しかし、本実施形態のパルス変圧器は、２次巻線及び２３個の１次巻線においてただ一つの巻回しか持たない。パルス変圧器５６は図４に示す。２３個の１次巻線の各々は、（各々がねじ山付ボルト穴を持つ平らな縁部を備える）２つのフランジを持つアルミニウム製スプール５６Ａを備え、図４の下部端に沿って示されるプリント基板５６Ｂの陽極及び負極端子にボルトで固定される。絶縁体５６Ｃは、各スプールの陽極端子を隣接するスプールの負極端子と分離する。スプールのフランジ間には、長さ１／１６インチ、外径０．８７５、壁厚約１／３２インチの中空シリンダー１がある。絶縁されたメトグラス（Ｍｅｔｇｌａｓ）（登録商標）の包みの外径が２．２４インチになるまで、１インチ幅で０．７ミル厚のメトグラス（登録商標）２６０５  Ｓ３Ａ及び０．１ミル厚のマイラーフィルムでスプールを包む。１つの１次巻線を形成する１つの包まれたスプールの予想図が図５に示されている。
【００２５】
変圧器の２次側は、きつく装着された電気ガラス製の絶縁管内に装着された単一外径のステンレス鋼ロッドである。巻線は、図４のように４つに区分される。図４の５６Ｄで示されるステンレス鋼２次側は、５６Ｅにおいてプリント基板５６Ｂ上の接地リード線に接地され、その高電圧端子は、５６Ｆとして図示されている。上記のように、１次巻線の＋及び−端子間の７００ボルトのパルスは、２次側の端子５６Ｆで−１６、１００ボルトのパルスを生成することになる。この設計により、漏れインダクタンスが非常に低くなり、出力立上リ時間が極単に速くなる。
【００２６】
（レーザ室の電気構成要素の詳細）
Ｃｐコンデンサ８２は、室の圧力容器の上部に装着された２８個の０．５９ナノファラッドコンデンサの列から成る。（通常、ＫｒＦレーザは、１．０％のクリプトン、０．１％のフッ素、及び、残りはネオンで構成されるレーザガスにより作動される。）電極は、それぞれ長さ約２８インチの中実真鍮ロッドで、約０．５から１．０インチ離れている。本実施形態では、上部電極はカソードで、底部電極は、図１のように接地されている。
【００２７】
（他の実施形態）
（逆極性化）
上記のシステムでは、Ｃｏはプラス電圧で充電され、電極の流れは、レーザ室の接地電極に流れる。回路は、約７００ボルトの負の電荷電圧で充電されたＣｏで簡単に逆にされ、電子は、接地電極から高電圧電極へと流れることになる。また、電極空隙に亘る電子の逆流は、２次巻線（例えば、４区域ステンレス鋼管）の極性を変えることで達成できるであろう。
（両極性作動）
図７では、レーザの両極性作動を可能にする変更を示している。この場合、２つの電源に、１つは＋１２００ボルトを供給するもの、もう１つは−１２００ボルトを供給するものが準備される。更に、スイッチ４６は二重化され、４６Ａ及び４６Ｂを備える。４６Ａが閉じると、システムの極性は、上記詳細のようになる。しかし、４６Ａが開いて、スイッチ４６Ｂが閉じた状態になった場合、結果としてパルスは至るところで逆になり、放電空隙に亘る電子の流れは、接地電極から高電圧電極（この場合は約＋１４、０００ボルト）になる。この場合、エネルギ回復回路５７は必要ではない。その代わりに（例えば）、ＣｏＡがＴｏで＋７００ボルトに充電され、４６Ａが閉じるとＣｏＡをインダクタ４８を通じて放電させ、次に、４６Ａが開き、４６Ｂが閉じて、反射エネルギをＣｏＢ上で回復させ、エネルギの回復後に４６Ｂが開く。次にＣｏＢは、−７００ボルトで充電され、次のＴｏにおいて４６Ｂが閉じて、ＣｏＢを回路を通じて放電させる。その結果は、交互に変わる放電方向である。この実施形態は、より均等に消耗する電極をもたらすはずである。
【００２８】
（圧縮ヘッドの装着）
本発明の好ましい実施形態には、図１０Ａ及び１０Ｂに示される圧縮ヘッド装着技術が含まれる。図１０は、電極８３及び８４に対する圧縮機リードモジュールの位置を示すレーザシステムの側面図である。この技術設計により、圧縮リードの室接続に付随するインピーダンスが最小化すると同時に、圧縮ヘッドを素早く簡単に取り替えることが可能となる。図１０Ａ及び１０Ｂに示されるように、接地接続は、図１０Ａの８１Ａ及び図１０Ｂの８１Ｂで示される、圧縮ヘッドの裏側に沿った長さ約２８インチのスロットタブ接続で行われる。スロットの上部は、柔軟なフィンガー・ストックを装着する。最良のフィンガー・ストック材料は、マルチラム（Ｍｕｌｔｉｌａｍ）（登録商標）の商品名で市販されている。
高電圧接続は、可飽和インダクタ６４の直径６インチの滑らかな底部と図１０Ａの８９における柔軟フィンガー・ストックの係合する配列との間で行われる。上記のように、最良のフィンガー・ストック材料は、マルチラム（登録商標）である。この配置は、修理又は予防的保守のため、圧縮ヘッドモジュールを約５分以内に交換することを可能にする。
【００２９】
（可飽和インダクタ用の鍋釜型容器）
従来技術のパルス電力システムでは、電気構成要素からのオイル漏れが問題であった。この好ましい実施形態においては、オイル絶縁構成要素は、可飽和インダクタに限定される。更に、図８Ｂで示されるように可飽和インダクタは、オイルの入ったポット型容器に収められ、その中の全ての密封接続がオイルの高さより上にあり、オイル漏れの可能性が実質的に排除される。例えば、インダクタ６４において一番低い位置にある密封は、図８Ｂで３０８と示されている。
【００３０】
（共振充電）
本発明の別の好ましい実施形態では、図１及び図２で示される第１の好ましい実施形態で説明された、２つの整流器、インバータ、及び、変圧器を利用する電源モジュールは、既製の電源及び共振充電回路に置き換えられる。後者の方法により、充電コンデンサの充電が非常に速く行われる。
この好ましい実施形態の電気回路は、図９に示されている。この場合、交流４８０ボルト／４０アンペア入力、及び、直流１２００ボルト、５０アンペア出力を持つ標準型コンデンサ充電電源２００が使用される。こうした電源は、エクガー（Ｅｃｇａｒ）社、マクスウェル（Ｍａｘｗｅｌｌ）社、カイザー（Ｋａｉｓｅｒ）社、及び、エール（Ａｌｅ）社などの供給元から入手可能である。この電源は、３２５マイクロファラッドコンデンサ２０２を、制御盤２０４から指令された電圧レベル２２２まで絶えず充電する。制御盤２０２はまた、閉じたＩＧＢＴスイッチ２０６に指令を出して開かせ、コンデンサ２０２からコンデンサ４２にエネルギを転送する。インダクタ２０８は、コンデンサ２０２及び４２と関連して転送時間を一定に設定する。制御盤２０２は、コンデンサ４２の電圧に比例した電圧フィードバック２１２、及び、インダクタ２０８を通る電流の流れに比例した電圧フィードバック２１４を受け取る。これら２つのフィードバック信号から、制御盤２０４は、仮にＩＧＢＴスイッチ２０６がその瞬間に開いた場合の、コンデンサ４２の最終電圧を実時間で算出することができる。従って、制御盤２０４内に供給された指令電圧２１０により、コンデンサ４２及びインダクタ２０８内に蓄積されたエネルギの計算が正確に行われ、指令された必要充電電圧２１０と比較することができる。この計算から、制御盤２０４は、充電サイクルにおけるＩＧＢＴスイッチ２０６を開く正確な時間を判断することになる。
【００３１】
ＩＧＢＴスイッチ２０６が開いた後、インダクタ２０８の磁場に蓄積されたエネルギは、ダイオード経路２１６を通じてコンデンサ４２に転送されるであろう。エネルギの実時間計算の精度は、コンデンサ４２の最終電圧に存在するゆらぎディザの量を決めることになる。このシステムの極端な充電速度のために、システム規定が要求する±０．０５％を満たすには多すぎるディザが存在するであろう。従って、ブリードダウン回路が使用されることになる。
インダクタ２０８を通じて流れる電流が止まる場合、ブリードダウン回路２１６は、制御盤２０４より閉じるように指令されるであろう。コンデンサ４２及び抵抗器２２０の時間定数は、気づくほどの全充電サイクルを必要とせずにコンデンサ４２を指令電圧２１０にブリードダウンするほど十分に速いであろう。
【００３２】
当業者は、上記の開示において示された内容に基づき、本発明の他の多くの実施形態が可能であることを理解されよう。
従って、別記請求項及びその法的相当により本発明の範囲を判断されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好ましい実施形態のブロック図である。
【図２】上記の好ましい実施形態の簡略回路図である。
【図３】上記の好ましい実施形態の一部である高圧電源のブロック図及び回路図を組み合わせた図である。
【図４】上記の好ましい実施形態で使用されるパルス変圧器の予想組立図である。
【図５】上記の好ましい実施形態で使用されるパルス変圧器の１次巻線の図である。
【図６Ａ】上記の好ましい実施形態を使用するパルス圧縮を示す時間線チャート図である。
【図６Ｂ】上記の好ましい実施形態を使用するパルス圧縮を示す時間線チャート図である。
【図６Ｃ】上記の好ましい実施形態を使用するパルス圧縮を示す時間線チャート図である。
【図７】両極性パルスをもたらす簡略回路図である。
【図８Ａ】可飽和インダクタを示す図である。
【図８Ｂ】可飽和インダクタを示す図である。
【図９】共振電源を示す回路図である。
【図１０Ａ】好ましい実施形態における圧縮リードの装着を示す図である。
【図１０Ｂ】好ましい実施形態における圧縮リードの装着を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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