(57)【要約】【課題】キャピラリー放電励起方式を採用するレーザー装置の繰り返し周波数を従来よりも高くすることのできる放電型レーザー装置を提供する。【解決手段】陰極２１と陽極２４と前記陰極及び前記陽極とを接続するキャピラリー２２とを備え、前記キャピラリーの一端に放電気体を導入するための導入口２７が接続されていると共に前記キャピラリーの他端に前記放電気体を排出するための排出口２６が接続されたキャピラリー放電機構を備えている。本発明によると、高繰り返し運転が可能となる。また、放電ごとに放電気体が全て入れ替わるため、安定した放電が実現できる。【選択図】　　　　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
陰極（２１）と陽極（２４）と前記陰極及び前記陽極とを接続するキャピラリー（２２）とを備え、前記キャピラリーの一端（Ｘ）に放電気体を導入するための導入口（２７）が接続されていると共に前記キャピラリーの他端（Ｙ）に前記放電気体を排出するための排出口（２６）が接続されたキャピラリー放電機構を備えていることを特徴とする放電型レーザー装置。
【請求項２】
前記キャピラリー（２２）は、略円筒形状であって前記導入口（２７）側の一端（Ｘ）の直径（Ｄ１）が、前記排出口（２６）側の一端（Ｙ）の直径（Ｄ２）よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の放電型レーザー装置。
【請求項３】
陰極（２１）と陽極（２４）と前記陰極及び前記陽極とを接続するキャピラリー（２２）とを備え、前記キャピラリーの一端（Ｘ）に放電気体を導入するための導入口（２７）が接続されていると共に前記キャピラリーの他端（Ｙ）に前記放電気体を排出するための排出口（２６）が接続されたキャピラリー放電機構を備えていることを特徴とする放電型レーザー装置において、
前記導入口（２７）から前記キャピラリー（２２）内に放電気体を導入する工程と、前記陰極（２１）及び前記陽極（２４）にパルス電力を印加して前記キャピラリー内に放電を行なう工程と、前記放電の後、前記排出口（２６）から前記放電気体を排出する工程とを備えていることを特徴とするレーザー発振方法。
【請求項４】
前記レーザー発振方法は、放電気体を流した状態で行なうことを特徴とする請求項３記載のレーザー発振方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＸ線リソグラフィー、生体試料のホログラフィー、プラズマ測定用等に用いられるレーザー発振光源に関し、より具体的には波長域が軟Ｘ線の放電型レーザー装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
レーザー光は、単色性、指向性、高輝度性、コヒーレント性など、通常の光にはない性質を有するため、様々な分野で利用されている。その中でも、軟Ｘ線レーザーは、分子、原子レベルでの計測、加工、物質操作技術への応用など、医学、理工学などにおける最先端の研究開発に必要不可欠の技術として期待されている。なお、本明細書において、軟Ｘ線とは波長が概ね１ｎｍから５０ｎｍまでの波長域のＸ線を意味するものとする。
【０００３】
しかし、軟Ｘ線レーザーの発振効率は、わずか１０−８〜１０−６程度しかなく、炭酸ガスレーザー（効率：１０％）、エキシマレーザー（効率：３％）といった他のレーザーのそれよりも極端に低い。このため、発振効率が高い軟Ｘ線レーザーの励起方式として「キャピラリー放電励起方式」が注目されている。
【０００４】
キャピラリー励起放電方式とは、キャピラリー（円筒形状の細管）の内部にガスを封入し高速放電を行う方式であり、プラズマ中のイオンの特定準位間に反転分布を生成する励起機構の一つとして知られている（プラズマ・核融合学会誌　第７７巻第１２号　２００１年１２月）。
【０００５】
なお、他の励起方式として、時間的空間的に高度に制御されたレーザー光を固体又は気体に集光照射する「レーザー励起方式」があるが、軟Ｘ線を励起する場合は、キャピラリー放電励起方式の方が廉価で装置構成が単純であり、しかも、軟Ｘ線レーザーへの変換効率が高い。
【０００６】
キャピラリー放電型軟Ｘ線レーザー装置によるレーザー発振のポイントは、アルゴン（Ａｒ）などの放電気体が封入されたキャピラリーの両端に高電圧パルスを印加して気体を高温プラズマ化し、反転分布を作り出す点にある。この場合、連続して長時間放電を行うと、キャピラリー内部の表面が溶融ないしスパッタされ、気体中にキャピラリーの構成成分が不純物として混入する。そうするとレーザーの発振効率が著しく低下し、時にはレーザー発振が停止する事態に陥ってしまう。
【０００７】
これを避けるために、キャピラリー放電励起方式では、放電を連続的に行うのではなく、放電をパルス的に繰り返し行う。このとき、キャピラリーからの不純物による汚染によりレーザーの発振効率が低下することを防止するため、１パルスごとに放電気体を新しく入れ替えなければならない。
【０００８】
すなわち、放電プロセスは、まずバルブを開いて放電気体をキャピラリー内に導入する工程と、バルブを閉じてキャピラリー内を密閉する工程と、放電を行なう工程と、放電終了後に放電気体を排気する工程とを１サイクルとして、これを繰り返すことにより行なわれている。
【０００９】
図５は、従来のキャピラリー放電型軟Ｘ線レーザー装置の全体構成図である（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　１３ｔｈ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｈｉｇｈ−Ｐｏｗｅｒ　Ｐａｒｔｉｃｌｅ　Ｂｅａｍｓ（ＢＥＡＭＳ２０００），Ｎａｇａｏｋａ．Ｊａｐａｎ，Ｊｕｎｅ２５−３０，２０００：Ｐ１５１〜Ｐ１５４参照）。この装置は、主に、マルクス発生器５０、スペーサー５１、高速放電部（ＰＦＬ：Ｐｕｌｓｅ　Ｆｏｒｍｉｎｇ　Ｌｉｎｅ）５２、スパークギャップスイッチ５３、及び、キャピラリー５４から構成される部分によってレーザー発振を行なう。
【００１０】
キャピラリー５４は絶縁部材５５により支持され、両端にはコイル５６が設けられている。キャピラリー５４の内部に放電ガスを導入するため、高速バルブ６３を介してガス導入を行なう。一方、ガスの排出は真空ポンプ（ターボ分子ポンプ）に接続されている排出口６０から行なう。なお、排気は常に行ないながら、ガスの導入量を変化させる排気方法を、本明細書では「差動排気」と呼ぶ。差動排気を行なう利点は、バルブの開閉なしで高圧部と低圧部とを作ることができるという点である。
【００１１】
キャピラリー５４から放出されたレーザー光はオリフィス５７、保護フィルター５９を通過し、レーザー放出口６２から放出される。
【００１２】
図６は、図５のキャピラリー放電部（図中の波線部）を拡大した図であり、従来のキャピラリー放電型軟Ｘ線レーザー装置におけるキャピラリー放電機構を説明するための図である。同図に示されるように、キャピラリー２２は陰極２１と、陽極２４とに接続されている。キャピラリーの陽極側に接続された導入口２５からキャピラリー２２の内部にアルゴン（Ａｒ）などの放電気体を導入し放電を行うと、反転分布をもつ直線状のピンチプラズマが生成され、軟Ｘ線レーザー光が放出される。
【００１３】
放電が開始されて一定時間経過すると放電を停止してキャピラリー内部の放電気体は排出口２６から１．３３ｘ１０−５Ｐａ程度の真空度に達するまで排気される。排出口２６の穴の直径は約１ｍｍφ程度のピンホールである。その後、再び放電気体をキャピラリー内に導入し、放電を開始する。
【００１４】
このように、従来のキャピラリー放電型軟Ｘ線レーザー装置は、キャピラリーの一端を閉じた状態で、他端（陽極側）から放電気体を導入し、同じ陽極側から排気する方式が採られていた。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
繰り返しの周波数は高いほど望ましいが、従来の方式では１０Ｈｚ程度の繰り返し周波数が限界であった。これは、従来の装置ではいずれの場合もキャピラリーの片側から放電気体を導入し、放電を行い、放電後は同じ方向から放電気体を排出するという、気体の入れ替え作業を繰り返し行っていたためである。
【００１６】
気体の入れ替えを完全にするために、気体の給気バルブを閉じて差動排気用のポンプを使ってキャピラリーを真空に排気し、あらためて放電気体を導入する方式が採られるが、従来の方式では気体の入れ替えに時間がかかりすぎるために高繰り返し運転を行うことができない。気体の排出はガスの拡散によるため新しいガスと完全に入れ替わるまで放電を開始できないためである。
【００１７】
本発明は、キャピラリー放電励起方式を採用するレーザー装置の繰り返し周波数を従来よりも高くすることのできる放電型レーザー装置およびレーザー発振方法を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る放電型レーザー装置は、キャピラリーの一方から放電気体を導入し他方から排出する機構を備える構成とした。
【００１９】
本発明に係る放電型レーザー装置は、陰極２１と陽極２４と前記陰極及び前記陽極とを接続するキャピラリー２２とを備え、前記キャピラリーの一端Ｘに放電気体を導入するための導入口２７が接続されていると共に前記キャピラリーの他端Ｙに前記放電気体を排出するための排出口２６が接続されたキャピラリー放電機構を備えていることを特徴とする。
【００２０】
この装置によると、放電気体の入れ替え時間が大幅に短縮化できるので、放電の高繰り返し化を可能とすることができる。
【００２１】
この装置の前記キャピラリー２２は、略円筒形状であって前記導入口２７側の一端Ｘの直径Ｄ１が前記排出口２６側の一端Ｙの直径Ｄ２よりも小さくなるように構成してもよい。
【００２２】
このようにすると、ピンチプラズマの密度が軸方向で一様になるのでキャピラリー内に均一な直線状プラズマが生成されやすくなる。
【００２３】
本発明に係るレーザー発振方法は、陰極２１と陽極２４と前記陰極及び前記陽極とを接続するキャピラリー２２とを備え、前記キャピラリーの一端Ｘに放電気体を導入するための導入口２５が接続されていると共に前記キャピラリーの他端Ｙに前記放電気体を排出するための排出口２６が接続されたキャピラリー放電機構を備えた放電型レーザー装置において、前記導入口２７から前記キャピラリー２２内に放電気体を導入する工程と、前記陰極２１及び前記陽極２４にパルス電力を印加して前記キャピラリー内に放電を行なう工程と、前記放電の後前記排出口２６から前記放電気体を排出する工程とを備えていることを特徴とする。
【００２４】
この方法によれば、放電気体の入れ替え時間が大幅に短縮化できるので、放電の高繰り返し化を可能とすることができる。
【００２５】
前記レーザー発振方法は、放電気体を流した状態で行なうことも可能である。これは、流速が極めて小さい場合に有効な手段である。
【００２６】
このような発振方法によれば、給気や排気の制御手段が不要となり、装置がより簡略化される。
【発明の実施の形態】
キャピラリー放電型軟Ｘ線レーザー装置において、高繰り返し運転又は連続運転を行うという目的を、放電気体の導入方法を変更することにより実現した。
【００２７】
（放電型レーザー装置の回路について）
はじめに、図１を参照して、本発明に係る放電型軟Ｘ線レーザー装置の回路図について説明する。本装置の回路は、大きく分けて高電圧発生回路（Ａ）と、中間エネルギー蓄積部（Ｂ）と、ギャップスイッチ（Ｃ）と、キャピラリー放電回路（Ｄ）と、予備電離放電回路（Ｅ）とから構成される。以下、各構成部について説明する。
【００２８】
−高電圧発生回路−
高電圧発生回路（Ａ）は、複数のコンデンサからなるマルクス発生器１０と１気圧のＳＦ６ガスを封入したパルストランス１１とからなる。
【００２９】
−中間エネルギー蓄積部−
中間エネルギー蓄積部（Ｂ）は同軸円筒形状の水コンデンサ１２を使用している。水は絶縁耐力が大きい上に比誘電率も８１とかなり大きいため、高耐電圧で静電容量の大きいコンデンサをコンパクトに構成できる。同軸円筒型水コンデンサは内側導体と外側導体の半径、長さを任意に選択することで静電容量及びパルス幅を自由に設計できる利点もある。この水コンデンサのパラメータは以下の通りである。
外側導体半径Ｒ＝４００ｍｍ
内側導体半径ｒ＝２２５ｍｍ
線路長ｌ＝４００ｍｍ
分布インダクタンスＬ＝１１５ｎＨ／ｍ
分布容量Ｃ＝７．８１ｎＦ／ｍ
全容量＝３ｎＦ
この水コンデンサは４μｓで６００ｋＶのパルスで充電を行なっても絶縁破壊は起こらない。
【００３０】
−ギャップスイッチ回路−
ギャップスイッチ回路（Ｃ）は、繰り返し、ジッター、安定性等を考慮し、本装置では高気圧ガス封入形トリガトロンタイプのギャップスイッチ１３を使用している。封入気体は１気圧〜３気圧のＳＦ６ガスとしている。ギャップスイッチの電極面積を大きくしてトリガ放電を４ヶ所で並列動作させ、インダクタンスを減少させる構造としている。本装置では、ギャップスイッチのインダクタンスは約１００ｎＨ程度と見積もられる。よって等価回路は図１の（Ｃ）に示されるとおりとなる。
【００３１】
−キャピラリー放電回路−
キャピラリー放電回路（Ｄ）は、内直径３ｍｍφで長さは１２０ｍｍの円筒形状のキャピラリー（細管）からなる。キャピラリーはガラス製、ポリアセタル製又はセラミックス製であり、帰路導体半径Ｒ＝１５５ｍｍとしている。このキャピラリーを１〜３気圧のＳＦ６雰囲気中に設置すると共に、プラズマ放電の際にはキャピラリー内部にＡｒガス等を封入する。キャピラリーのインダクタンスは同軸線路の式により１１３ｎＨと見積もられる。電極を含めたキャピラリー放電部全体のインダクタンスは１５０ｎＨと、また、プラズマ抵抗は３Ωと見積もった。よって等価回路は図１（Ｄ）に示されるとおりとなる。放電により電流振幅５０ｋＡ、半周期９０ｎｓの正弦波の電流が得られるようにする。
【００３２】
−予備電離放電回路−
予備電離放電回路（Ｅ）は、等価回路であらわすとコイル、スイッチ、抵抗、コンデンサからなる。予備電離放電回路は初期プラズマを生成するための回路であるが、本発明のような反転分布を持つ直線状のピンチプラズマを生成するためには必要不可欠の回路である。
【００３３】
（装置構成について）
本発明に係るキャピラリー放電型軟Ｘ線レーザー装置の全体構成図を図２に示す。本装置は、キャピラリー放電機構（図中に示す波線部分）に特徴があるが、その他の部分については従来の技術において説明したものと同様の構成であるため、説明を省略し、本発明の特徴部分について、以下実施形態に分けて説明する。
【００３４】
（第１の実施形態）−気体の流速が早い場合−
図３は、本発明に係るキャピラリー放電機構を説明するための図である。放電気体が通過する導入口２７が陰極２１に内挿され、キャピラリー２２につながっている。キャピラリーの他端は排出口２６が設けられた陽極２４に接続されている。
【００３５】
放電気体は、陰極２１側に設けられた導入口２７からキャピラリー２２の内部に導かれ、陽極側に設けられた排出口２６から排出される。放電気体はアルゴン（Ａｒ）を導入し、１０Ｐａ〜１００Ｐａに調節して放電を開始して、キャピラリー内部から軟Ｘ線レーザーを発振させる。このとき、放電に先立ち予備電離を行うことが重要である。また、電流を高速に立ち上がらせるためには、放電部のインダクタンスを極力小さくする必要がある。
【００３６】
そのために帰路導体の半径を小さくする必要がある。ここでは、キャピラリーの電極表面と帰路導体との沿面放電を防ぐため、この距離を１２０ｍｍとした。
【００３７】
このように、キャピラリーの一方からガスを導入し、反対側から排気するようにすると、放電気体は常に一方向に流れることになる。排出口２６の近傍は差動排気によって常に高真空に保たれている。
【００３８】
キャピラリーの陰極側に接続された導入口２７からキャピラリー２２の内部にアルゴン（Ａｒ）などの放電気体を導入し放電を行うと、放電部２３に反転分布をもつ直線状のピンチプラズマが生成され、軟Ｘ線レーザー光が放出される。放電気体は排出口２６から排出される。
【００３９】
なお、放電のための電源は、５０ｋＶ、１０ｋＡ程度で５０ｎｓ〜１００ｎｓ程度のパルスを発生させるパルスパワー電源を用いた。
【００４０】
直径３ｍｍ、長さ１０ｃｍのキャピラリーに１ｌ／ｍｉｎでアルゴンガスを流した。この場合、放電気体が完全に入れ替わるまでに必要な時間は、０．４２ｍｓとなる。
【００４１】
放電気体の入れ替え時間を０．４２ｍｓとした場合、これに基づいて計算すると、放電の繰り返し周波数は２．４ｋＨｚ（１／０．４２ｍｓ）にも達するという画期的なものである。流速をさらに大きくすれば、この繰り返し周波数はさらに大きくすることができ、むしろ、電源の周波数により律速されることになる。
【００４２】
（第２の実施形態）−気体の流速が遅い場合−
第１の実施形態では、放電気体の流速を速くすることにより、放電気体の入れ替えに必要な時間を短くしたが、本発明のキャピラリー放電機構によれば、気体の導入口と排出口とが異なるため、故意に流速を極端に遅くすることもできる。
【００４３】
例えば、流速を０．１ｌ／ｍｉｎとした場合、予備電離を含めた２０μｓ程度の放電時間内に放電気体が移動する距離は０．４８ｍｍであり、放電気体はほとんど止まっているとみなすことができる。０．１ｌ／ｍｉｎ以下の場合その傾向はさらに強くなる。
【００４４】
これは、放電気体を流した状態で運転することも可能となることを意味する。このような放電方法を採用すると、バルブの開閉など給気や排気の制御が不要となるため、装置構成はさらに単純化される。また、レーザー発振の連続運転が可能となる。
【００４５】
（第３の実施形態）
第１及び第２の実施形態では、いずれも差動排気を行なっているために排気側の圧力が低く、導入口側の圧力が高い。従って圧力勾配が大きくなり、均一な直線状プラズマを生成することが困難となる。
【００４６】
これに関し例えば、キセノンによるベータ発振を用いると短い放電管でもレーザー発振可能となり、圧力勾配は軽減されるが、そうすると電源のスペック要求は極めて高くなり、現在の技術では非現実的である。そこで、給気側から排気側までのキャピラリーの直径に勾配を設けておくことにより、均一なプラズマを得ることができるという方法が考えられる。図４は、直径に勾配を設けた略円柱形状のキャピラリーの一例を示す図である。
【００４７】
同図に示すように導入側の一端Ｘの直径Ｄ１と、排出側の他端Ｙの直径Ｄ２とが異なるようにしておけばよい。具体的には、あらかじめ流体計算によって、キャピラリーの太さ（直径）に勾配をかけておくのである。圧力がほぼ均一になるように、導入口側の直径Ｄ１を排出口側の直径Ｄ２の直径よりも小さくしておくのである。ただし、完全に圧力勾配がなくなると気体の流れが止まってしまうため、わずかな圧力勾配は必要である。
【００４８】
波長はガスによって決定されるがレーザー発振するか否かはキャピラリーの長さや電流値、適切な予備電離放電などを制御することが必要となる。しかし、このように圧力勾配に応じてキャピラリーの太さに勾配を設けることはレーザー発振を行なうか否かとは無関係であるので、レーザー発振しない単なる自然放射のキャピラリー放電にも適用可能である。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によると、放電型レーザー装置において、高繰り返し運転が可能となる。また、放電ごとに放電気体が全て入れ替わるため、安定した放電が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る放電型軟Ｘ線レーザー装置の回路図である。
【図２】本発明に係るキャピラリー放電型軟Ｘ線レーザー装置の全体構成図である。
【図３】本発明に係るキャピラリー放電機構を説明するための図である。
【図４】直径に勾配を設けた略円柱形状のキャピラリーの一例を示す図である。
【図５】従来のキャピラリー放電型軟Ｘ線レーザー装置の全体構成図である。
【図６】図５のキャピラリー放電部（図中の波線部）を拡大した図であり、従来のキャピラリー放電型軟Ｘ線レーザー装置におけるキャピラリー放電機構を説明するための図である。
【符号の説明】
Ａ　高電圧発生回路
Ｂ　高速放電回路
Ｃ　ギャップスイッチ
Ｄ　キャピラリー放電回路
Ｅ　予備電離放電回路
１０　　マルクス発生器
１１　　パルストランス
１２　　水コンデンサ
１３　　ギャップスイッチ
２１　　陰極
２２　　キャピラリー
２３　　放電部
２４　　陽極
２６　　排出口
２７　　導入口
５０　　マルクス発生器
５１　　スペーサー
５２　高速放電部
５３　スパークギャップスイッチ
５４　キャピラリー
５５　絶縁部材
５６　コイル
５７　オリフィス
５８　窓
５９　保護フィルター
６０　排出口
６１　排出口
６２　レーザー放出口
６３　高速バルブ
【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６】
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