DE1539829C - Kühlsystem für optischen Hochleistungssender - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem für optische die erreichbare Nutzleistung von Laser-Röhren in

Hochleistungssender (Laser) mit gasförmigem stimu- erster Linie von der Meisterung des Kühlproblems

lierbarem Medium, das das sich in einem rohr- abhängt. Zum anderen ist der Aufbau von Hoch-

förmigen, in seinem Mittelteil mit dünnerem Durch- leistungs-Lasern, bei denen die Röhre integraler

messer zylindrischen, innen glatten Entladungsrohr 5 Bestandteil des Kühlsystems ist, erheblich kom-

aus elektrisch isolierendem, aber die Wärme leiten- pliziert.

dem Werkstoff befindet, dessen Außenmantel längs Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,

seines Mittelteils mit Kühlrippen versehen ist und ein Kühlsystem für optische Hochleistungssender zu

dessen Stirnflächen mit Fenstern aus einem Werkstoff schaffen, welches unter Vermeidung vorstehender

hoher optischer Güte abgeschlossen sind. . io Nachteile die Abführung großer Verlustleistungen

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein von der Laser-Röhre gestattet und damit die Er-Kühlsystem für gasgefüllte Laser-Röhren mit ständig zeugung höherer Nutzleistungen zuläßt,
fließendem oder impulsförmig fließendem Ionen- Diese Aufgabe ist bei dem hier vorgeschlagenen strom, sogenannte Entladungsröhren, die Ausgangs- Kühlsystem dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß nutzleistungen von mehreren 10 Watt erreichen oder 15 das mit Kühlrippen oder -höckem versehene dicküberschreiten, wandige Mittelteil des Entladungsrohres mit den

Für Laser-Röhren geringer Leistung mit einigen Kühlrippen oder -höckem einstückig aus dem die

Milliwatt Ausgangsleistung und einigen Watt Ver- Wärme gut leitenden Berylliumoxyd besteht, während

lustleistung, die gewöhnlich in Form eines Quarz- die aus der Flüssigkeitskühlung herausragenden, die

rohres vorliegen, stellen sich im Zusammenhang mit ao Fenster tragenden Endstücke des Entladungsrohres

der Kühlung keine Probleme. Anders verhält es sich aus darauf verschweißtem Quarzsiliziumoxyd be-

mit Laser-Röhren, deren Nutzleistung mehrere stehen.

10 Watt beträgt und bei denen dementsprechend Nach einer vorteilhaften Ausführungsform des

mehrere 10 Kilowatt an Wärmeenergie abgeführt Kühlsystems dient zur Kühlung des Mittelteils des

werden müssen. Zu diesem Zweck werden Maß- 15 Entladungsrohres ein mit einem Kondensor ausge-

nahmen getroffen, die diese Energie möglichst nahe rüsteter Siedekühler.

an deren Ursprung abfangen lassen, über den Durch eine derartige Ausbildung des erfindungs-

kleinstmöglichen Wärmewiderstand nach außen gemäßen Kühlsystems und die Verwendung eines

führen und diese Wärme sodann durch entspre- elektrisch isolierenden und thermisch gut leitenden

chende Mittel abführen. 30 Materials wie Berylliumoxyd für den Mittelteil der

Einem ähnlichen Problem begegnet man bei Laser-Röhre, sind die den bisher bekannten Laser-Leistungs-Elektronenröhren, für deren Kühlung Röhren und ihren Kühlsystemen anhaftenden Nachbereits mehrere Lösungen vorgeschlagen wurden. teile vermieden. Die hier vorgeschlagene Lösung Eine derselben besteht in der Siedekühlung, die bei führt zu einem außerordentlich einfachem Aufbau unter der Marke »Vapotron« in den Verkehr ge- 35 der Laser-Röhre und gestattet, große Verlustbrachten Elektronenröhren unter der Kühlsystem- leistungen abzuführen, wodurch höhere Nutzleistunr bezeichnung «Vapodyn« bekannt ist (vgl. beispiels- gen erzielbar sind.

weise die deutsche Patentschrift 974 683). Diese Weitere Merkmale des mit der Erfindung vorElektronenröhren unterscheiden sich jedoch in mehr- geschlagenen Kühlsystems, das auf einer entsprefacher Hinsicht von Laser-Röhren, beispielsweise 40 chenden Ausbildung der Laser-Röhre beruht, gehen durch die auf der Außenwand vorhandene Potential- aus der nachstehenden Beschreibung der Zeichnung Verteilung. Bei den Elektronenröhren befindet sich hervor, die Laser-Röhren der erfindungsgemäßen die Anode auf konstantem Potential, wogegen bei Art in mehreren beispielsweise gewählten Ausfüheinem Laser längs der Röhre ein Spannungsabfall von rungsformen schematisch veranschaulicht. Es zeigt
bis zu 1000 Volt auftritt. Die Außenwand einer 45 F i g. 1 einen schematisch gehaltenen teilweisen Vapotron-Röhre kann daher ohne weiteres von der Längsschnitt durch eine erfindungsgemäß ausgemetallischen Anode gebildet sein, die im übrigen als bildete Laser-Röhre,

massiver Außenstrahler ausgebildet ist, wohingegen F i g. 2 einen Querschnitt durch eine solche Laserdie Außenwand einer Laser-Röhre nicht aus durch- Röhre, ·
gehend leitendem Material bestehen darf. 50 F i g. 3 einen Querschnitt einer weiteren Ausfüh-

So ist für Laser hoher Leistung eine Lösung be- rungsform einer derartigen Laser-Röhre,
kannt (Electronics, Bd. 38, Nr. 9, S. 29), bei der die F i g. 4 eine seitliche Teilansicht einer solchen Röhre aus einer Reihe nebeneinander angeordneter Laser-Röhre unter Darstellung deren Querschnitts,
Elemente aufgebaut ist, die aus besonders geformten F i g. 5 eine teilweise im Schnitt gehaltene Seiten-Metallteilen und damit verschweißten Quarzflanschen 55 ansieht einer anderen Ausführungsform einer erfinbestehen. Die Quarzflansche dienen der Isolierung dungsgemäß ausgebildeten Laser-Röhre,
längs der Röhre, während die Metallteile so ausge- F i g. 6 einen vereinfachten Längsschnitt eines bildet sind, daß sie die Wärmeenergie aus dem Endes einer solchen Laser-Röhre,
Inneren der Röhre zu den betreffenden metallischen F i g. 7 ein Ausführungsbeispiel einer vollständigen Außenwänden leiten. Die Wärmeabgabe über die 60 Kühleinrichtung für eine mit dem erfindungsgemäßen Außenwand der Röhre wird dadurch beschleunigt Kühlsystem versehene Laser-Röhre,
und durch Zwangsbelüftung unterstützt. F i g. 1 stellt einen vereinfachten Teillängsschnitt

Dieser wie auch ähnliche andere Vorschläge einer mit dem erfindungsgemäßen Kühlsystem eine

weisen vor allem die folgenden beiden Nachteile auf: integrale Einheit bildenden Laser-Röhre dar, wobei

Zum einen ist das Kühlsystem nur bis zu Nutz- 65 dieser Schnitt nicht die äußeren Teile der Röhre ab-

leistungen verwendbar, die weit unter den hier ins weichenden Aufbaus umfaßt, die im einzelnen in

Auge gefaßten Leistungen liegen. Dabei ist bekannt, Fig. 6 wiedergegeben sind. Wie Fig. 1 zu ent-

daß nach dem augenblicklichen Stand der Technik nehmen ist, ist die Laser-Röhre in ihrem Hauptteil

massiv und besitzt einen einfachen Aufbau. Der mit glatten Wänden versehene Innenraum begrenzt den Entladungsquerschnitt. Die Außenwand kann glatt oder mit Kühlrippen oder -höckern versehen sein. Im letzteren Fall sind diese Kühlrippen ähnlich ausgebildet wie bei den mit Siedekühlung arbeitenden Vapotron-Elektronenröhren. Der Röhrenkörper besteht aus einem Material, das gute elektrische Isoliereigenschaften und eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt. Ein diese Merkmale in sich vereinendes und für den Aufbau einer solchen Laser-Röhre hoher Leistung gut geeignetes Material ist das Berylliumoxyd. Die Wandstärke der Röhre muß ausreichend groß sein, um das Vakuum zu halten.jund beträgt für einen Entladungsquerschnitt von etwa 4 mm Durchmesser beispielsweise 5"mm, wobei die Kühlrippen und -hocker ausgenommen sind. Da das Material, aus dem die Röhre besteht, nichtleitend ist, bestehen keinerlei Forderungen hinsichtlich der Isolation und der Spannungsfestigkeit der Kühlflüssigkeit, die normales Wasser sein kann. Man wird jedoch vorzugsweise reines Wasser verwenden, um Kesselsteinansatz an der Röhre zu vermeiden, der bei einem nicht geschlossenen Kühlflüssigkeitsumwälzsystem unvermeidbar wäre. Die Abmessungen der massiven Kühlrippen und -hocker entsprechen denjenigen, die bei den bekannten Vapotron-Elektronenröhren verwendet werden, um gute Betriebsbedingungen zu gewährleisten und die Bildung einer geschlossenen Dampfhülle zu vermeiden. Diese radialen Rippen oder Hocker haben eine solche Länge, daß ihr Ende ständig von der Kühlflüssigkeit bespült wird, und ihre Stärke sowie die Wärmeleitfähigkeit des darunterliegenden Materials gewährleistet eine stetige Temperaturabnahme längs der Seitenfläche der Rippen. Diese massiven Rippen können verschiedene Ausbildungen aufweisen, wie diese bei den Vapotron-Elektronenröhren hoher Leistung bekannt sind. Beispielsweise können sie aus zahnförmigen Höckern bestehen, die zueinander in Flucht stehen (F i g. 1 und 2) oder zueinander versetzt sind (Fig. 3); sie können auch durch Längsrippen (F i g. 4) oder durch Querrippen (F i g. 5) gebildet sein.

Eine Laser-Röhre hoher Leistung ist vorzugsweise eine Röhre, die mit Außenspiegeln abgeschlossen ist, da die Innentemperatur es nicht möglich macht, eine Röhre mit Innenspiegel verwickeiteren Aufbaus zu verwenden. Diese Röhre endet beidseitig in jeweils einem Fenster hoher optischer Güte. Die Endbereiche einer solchen Röhre verbinden das aus einem Material wie Berylliumoxyd bestehende Mittelteil mit den endseitigen Fenstern. Ein mögliches Ausführungsbeispiel ist in Fig. 6 dargestellt, die ein Ende einer solchen Laser-Röhre zeigt, wobei das andere Ende entsprechend ausgebildet und symmetrisch zum ersteren angeordnet ist. Der aus Berylliumoxyd bestehende Mittelteil 61 des Entladungsrohres, der mit Kühlrippen 611 ausgestattet sein kann, ist an jedem Ende durch Verschweißung an ein Endstück 62 aus Siliziumoxyd angeschlossen. Diese Verschweißung erfolgt bei 63 in üblicher Weise durch Metallisierung des Siliziumoxyds und Verschweißen dieser beiden metallisierten Bereiche. Das Endstück aus Siliziumoxyd besitzt einen rohrförmigen Bereich 62 entsprechenden Durchmessers und entsprechender Länge, der in ein ausgebauchtes Ende ausläuft, um das Austrittsfenster 621 zu bilden. Dieses Fenster ist entsprechend dem Brewster Winkel geneigt und besteht aus einem Material hoher optischer Reinheit wie Quarzsiliziumoxyd, während der verbleibende rohrförmige Teil aus einem weniger reinen Siliziumoxyd gefertigt sein kann, das jedoch gleiche mechanische und thermische Eigenschaften besitzt Diese beiden Teile sind unmittelbar nach Polieren der betreffenden Enden miteinander verschweißt. Jedes Ende der Röhre besitz eine Elektrode 64, die eine Kathode bzw. Anode bildet. Diese Elektroden sind im Innern der Laser-Röhre angeordnet und können, wie dargestellt, eine Ringform besitzen und konzentrisch zur Röhre angeordnet sein und besitzen einen größeren Durchmesser als der Entladungsquerschnitt, der durch die Innenaussparung des Mittelteils 61 begrenzt ist.

Wegen der Änderung des Temperaturgradienten in Nähe der Elektroden befinden sich diese vorzugsweise in einem aufgeweiteten Endbereich des aus Berylliumoxyd bestehenden Mittelteils 61. In diesem Bereich ist eine vakuumdichte Durchführung für die An-

ao schlußdrähte 641 der Elektroden 64 zum Leistungsgenerator vorgesehen. Die Spiegel 65 befinden sich außerhalb der Röhre und sind plansphärisch für das konfokale System oder plankonkav für das halbkonzentrische System. Der die Gesamtheit von Röhre und Spiegeln haltende mechanische Aufbau ist zeichnerisch nicht wiedergegeben. Er enthält gewöhnlich Stäbe aus Invar, Montageteile für die Röhre und die Spiegel sowie eine Präzisionsmechanik zur Ausrichtung der beiden Spiegel längs einer Horizontalachse und längs einer Vertikalachse, und schließlich einen Sockel, auf den die Anordnung aufgebaut ist.

Das erfindungsgemäße, an eine Laser-Röhre anzupassende Kühlsystem hängt von der abzuführenden Leistung ab. Für mehrere 10 Kilowatt annehmende hohe Werte ist es empfehlenswert, die Vapodyn-Kühleinrichtung anzuwenden, vor allem bei einer Laser-Röhre, die mit Rippen oder Höckern entsprechend den Vapotron-Elektronenröhren ausgestattet ist. Ein Anwendungsbeispiel dieser Vapodyn-Kühleinrichtung ist in F i g. 7 dargestellt, bei der ein mit einem Kondensor ausgerüsteter Siedekühler vorgesehen ist, der dort vereinfacht zeichnerisch wiedergegeben ist. Dieser Siedekühler ist einstückig ausgebildet und enthält in einem verhältnismäßig geringen Raum einen Siedekühler, einen Kondensor und eine Sicherheitsvorrichtung. Eine Laser-Röhre großer Leistung, wie diese zuvor beschrieben ist, ist senkrecht in dem Siedekühler angeordnet, der bis zu einem bestimmten Pegel reines Wasser enthält. Die Außenwand der Röhre 61

so ist mit massiven radialen Kühlrippen 611 ausgestattet, und die Endstücke 62 und 62' besitzen eine ausrei- ■ chende Länge, um durch entsprechende dichte Durchführungen 77 und 77' nach außen vorzuragen. Der Lichtstrahl des Lasers wird somit im oberen Teil aufgefangen und gegebenenfalls durch einen um 45° geneigten Spiegel in die Horizontale umgelenkt. Die Laser-Röhre ist von einem koaxialen Mantel 73 umgeben, dessen Länge der des Mittelteils 61 entspricht, und ferner von einer Kühlschlange 74 umschlossen, durch die Wasser gepumpt wird. Die Sicherheitsvorrichtung 75 enthält einen Schwimmer 751, eine Hohlstange 752, einen Luftentnahmebehälter 753, einen elektrischen Kontakt 754 und ein Ventil 755. In dem Gefäßkörper 71 und dem Deckel 72 des Siedekühlers sind dichte Durchführungen für die Anschlußdrähte 641 der Elektroden vorgesehen. Der diese Teile und die Spiegel 65 abstützende mechanische Aufbau liegt außerhalb des Siedekühlers, der durch entspre-

chende Säulen befestigt ist, die die Lage der Laser-Röhre sicherstellen. Nach einer anderen Ausführungsform kann die Laser-Röhre selbst an Invar-Stangen 76 des mechanischen Stützaufbaus befestigt sein, um unbeabsichtigte Schwingungen zu vermeiden, die beispielsweise auf die Verdampfung des Wassers bei Berührung mit der Röhre zurückzuführen sind und und durch entsprechende elastische dichte Durchführungen 77 absorbiert werden können. Ferner kann der Siedekühler 71 durch entsprechende Vorrichtungen wie Flansche auf der Grundplatte 78 gehalten sein.

Die Kühlung geht wie folgt vor sich: das destillierte Wasser verdampft bei Berührung mit dem heißen Mittelteil 61 der Röhre, und die hierbei gebildeten Dampfblasen werden von einer allgemeinen Konvektionsbewegung mitgenommen und tragen selbst dazu bei, deren Richtung durch die eingezeichneten Pfeile angegeben ist und die durch die Anwesenheit eines Abdeckkörpers, z. B. des Mantels 73, erleichtert wird. Der Dampf kondensiert somit durch Mischung mit dem destillierten Wasser, das durch Wärmeaustausch mit der Kühlschlange 74 auf einer Temperatur gehalten wird, die wesentlich unter der Siedetemperatur liegt. Der Mantel 73 unterstützt den natürlichen Umlauf, so daß das destillierte Wasser eine Umlauf-, geschwindigkeit hat, die den Wärmeaustausch begünstigt, und dieses Wasser auf der tiefsten mittleren Temperatur gehalten wird, die sich aus den Betriebsbedingungen der Kühlschlange 74 ergibt. Die Menge des in dem Behälter 71 enthaltenen destillierten Wassers führt zu einer gewissen Wärmeträgheit, so daß Änderungen in der Wärmeabgabe der Röhre ohne unmittelbaren Einfluß auf die Kühlwasserumströmung bleiben. Diese muß lediglich die Abführung der mittleren Verlustleistung gewährleisten, und die Kühleinrichtung paßt sich an sämtliche Betriebszustände an. Eine solche bereits bei Vapotron-Elektronenröhren angewandte Kühleinrichtung gestattet eine Leistung von über 100 Kilowatt abzuführen.

Cs lassen sich auch andere Kühleinrichtungen zur Kühlung einer mit dem erfindungsgemäßen Kühlsystem ausgestatteten Laser-Röhre verwenden, wobei FlUssigkeitspegelregelungen, Zusatzkühlorgane, Wärmeverwertungseinrichtungen sowie Anlagen zur Gewinnung destillierten Wassers vorgesehen sein können. Es können eine Reihe von Metallteilen bei einer solchen Laser-Röhre vorgesehen sein, die durch Quarzflansche getrennt sind, wobei die äußeren

S Metallteile entsprechend den Vapotron-Röhren geformt und das Metall selbst durch ein elektrisch isolierendes und thermisch gut leitendes Material wie Berylliumoxyd ersetzt sein können.
Durch die Verwendung eines elektrisch isolierenden und thermisch gut leitenden Materials wie Berylliumoxyd zur Bildung des zwischen den Elektroden befindlichen Mittelteils einer solchen Laser-Röhre und durch gegebenenfalls gemeinschaftliche Anwendung einerseits der Verfahren zur Fertigung von Vapotron-Elektronenröhren, d. h. durch Verwendung einer Laser-Röhre, deren Außenmantel mit massiven Rippen und Höckern ausgestattet ist, und andererseits der Vapodyn-Kühleinrichtung, sind die bei der Kühlung von bisher bekannten Laser-Röhren hoher Leistung auftretenden Nachteile vermieden.

Claims (2)

Patentansprüche: .

1. Kühlsystem für optischen Hochleistungssender (Laser) mit gasförmigem stimulierbarem

as Medium, das sich in einem rohrförmigen, in seinem Mittelteil mit dünnerem Durchmesser zylindrischen, innen glatten Entladungsrohr aus elektrisch isolierendem, aber die Wärme leitendem Werkstoff befindet, dessen Außenmantel längs seines Mittelteils mit Kühlrippen versehen ist und dessen Stirnflächen mit Fenstern aus einem Werkstoff hoher optischer Güte abgeschlossen sind, -dadurch gekennzeichnet, daß das mit Kühlrippen oder -höckern (611) versehene dickwandige Mittelteil (61) des Entladungsrohres mit den Kühlrippen oder -höckern einstückig aus dem die Wärme gut leitenden Berylliumoxyd besteht, während die aus der Flüssigkeitskühlung herausragenden, die Fenster tragenden Endstücke (62) des Entladungsrohres aus darauf verschweißtem Quarzsiliziumoxyd bestehen.

2. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kühlung des Mittelteils (61) des Entladungsrohres ein mit einem Kondensor ausgerüsteter Siedekühler (71) vorgesehen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen