DE1639273A1 - Induktive Plasmaanregung - Google Patents

Description

IBM Deutschland lnUrnmtionaU Büro-Maidiintn CnelUchafl mbH Anmelderin: Amtliches Aktenzeichen:

Böblingen, 1. Oktober 1969 bu-gn

International Business Machines Corporation. Armonk, N. Y, 10 504, USA

Aktenzeichen der Anmelderin: Docket YO 9-67-067 Induktive Plasmaanregung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Anregung von Gasen, indem durch induktives Einwirken eines elektrischen Wechsel vorgange in einer ringförmig in sich geschlossenen Rdhre ein Plasma erzeugt wird.

Eine solche induktive Anregung stellt ein bevorzugtes Verfahren dar, da hierbei keinerlei Elektroden benötigt werden und außerdem auch keine Begrenzung der Leistung vorliegt, die auf das Plasma übertragen werden kann. Eine solche leistung smäßige Begrenzung liegt ja bei kapazitiver Anregung vor.

In üblicher Weise erfolgt die induktive Anregung mit Hilfe eines hochfrequenten Wechselvorgangs, da eine niederfrequsEite AuTGgang eine Modulation in der An-

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strich regung de· Plasmas aur Folge hat und folglich auch keinen Dmiftroetrlob t.ulÄßt, der In manchen FlUen angestrebt wird. Eine hochfrequente Anregung Jedoch führt bu Streuver tasten, die Im allgemeinen dadurch kompeneiert worden, da Ο ein· Kapazität In die Λ nregungs schaltung eingeschaltet wird, um ein« Resonanswirkung herbeiführen xu können. Dies hinwiederum führt xu unerwünschten Hochspannungsbedingungen.

Die Aufgab« der Erfindung besteht unter Vermeidung der oben aufgeführten Nachteile darin, eine möglichst einfache Anordnung bereltsusteilen, um eine Induktiv· Plasmaanregung herb ei ruf Uhr cn.

Erflndungsgemtn wird die Aufgab· dadurch gelost» daß der elektrisch· V.^rech~ selvorgang durch den Pul« ein·· Rechteckimpulsgenerators, dessen Tastverhältnis gleich «wel 1st, gebildet wird.

Obwohl dl· erfindungsgemine Anordnung auch bei.relativ hohen Frequenzen betrieben werden kanu, tritt der Vorteil der erflndungsgomäßcn Anordnung bei relativ niedrigen Frequenzen um so mehr in Erscheinung. Hierunter sind Frequence» mit einem kleineren Wert als 1 MHs. verstanden. Es hat sich geseigt, dafl die Modulationswirkung bei der Anregung soweit unterdrückt ist, dad ihr Einfluß unb« achtlich bleibt und sich ein sufriedenstellender Dauerstrich· betrieb ersielUsss. läßt. Diss ist besonders vorteilhaft bei Anwendung der erfinßea /■ zispaxmsg als Venen-Gae-Lae*r. ' -

Der Rechteckpul· wird der Primärwicklung eine« Transformators zugeführt, denen Sckundfraeite durch das I laama selbst gebildet wird, das gleichzeitig das selektiv fluoresxente Medium des Ionen -Gas -Laser· darstellt. Γ>& die «ich ergebende Anregung unabhängig von der jeweiligen Elektronenrichtung im Flacmn 1st und nur von der Höhe der induktiv sugeführten Energie abhängig lot, ergibt sich in Besug auf die Anregung der erforderlich« Gleichvorgang, während gleichzeitig der erforderliche V/echseletrom sur Verfügung steht, um die mir Aufrechterhaltung des Plaomas erforderliche Spannung su erzeugen.

Dadurch de3 ein Rechtecksignal mit einem Tastverhältnis von swei sur Verfügung steht, 1st der Modulationsvorgang tatsächlich auf ein Minimum beschränkt selbst wenn berücksichtigt wird, dal) Ideale Rechtecklmpuise nicht zu erzielen sind.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, die anhand eines Aueführungsbeispiels mit Hilfe der nachstehend aufgeführten Zeichnungen die Erfindung naher erläutert,und aus den Patentansprüchen.

Es «eigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindung β gemäßen Anordnung, Fig. 2 eine graphische Darstellung dee sum Betrieb der erfindungsge -

mftfien Anordnung erforderlichen elektrischen Wechselvorgangs,

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Flg. 3 ein« graphisch· Darstellung ein·· «ich bei Betrieb dor erfindungs-

gemäßen Zuordnung ergebenden elektrischen Wechselvorgangs,

Flg. 4 eine graphische Darstellung eine· *ur Frlfiuterung der Betriebe-

weite der erfindungsgemSilen Anordnung dienenden elektrischen Wecheelvorganga.

Da· Induktion·«Anregung«system gemäß vorliegender Erfindung wird im.Zu* * sammenwirken mit einem Gas-Laser beschrieben, da sich hierbei ein· besondere Brauchbarkeit ergibt. Es handelt sich dabei apesiell um einen Ionen-Gas Laser, der sich von einem üblichen Laser dadurch unterscheidet» dall hier die Gasatome im ionisierten Zustand sind. Der Ionen-Gas-Laser erfordert eine sehr viel höhere Stromdichte als dor übliche Laser, um eine selektiv üuoresaente Strahlung herbeifahren xu können. Wfhrend alle anderen Parameter unverändert bleiben, erfordert der Ionen-Gas-Laser einen Strom« der um awel Größenordnungen hoher ist als es bei üblichen Gas-Lasern der Fall ist. Die Erfordernis eines so hohen Stromes ergibt natürlich Probleme bei der Anregung. Eine Anregung über kapaxitlve Kopplung ist dabei nicht sweckmftßig» da der Plasmawiderstand in Serie mit dem Kondensator sur Hochspannungebedingungen führt und praktisch eine Grenee vorgegeben ist^bis su der die Spannung am Kondensator erhöht werden kann. Gleich Stromanregung über Kathoden muß aber auch ausscheiden, da die Stromstärke der Kathoden begrenst ist, wenn noch handliche hierfür verwendet werden sollen.

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Eine induktive Anregung hingegen IftPt eich bei Ionen-Ga*-Latern anwendet», da hierbei keine Begrenzung für den *ur Anregung erforderlichen Strom auftritt. .Pie vorliegende niederfrequente induktive Anregung gomlQ der Erfindung lit •omit far Ionen-Ga* «Later angebracht.

Der in Fig. 1 schematiech dargestellte Ionen-Ga* -Laier besteht aus einer Plaamaruhre 10 und einer Induktionsspule 12« Die Plaemaröhr« 10 besteht au· einem in eich ringförmig getchloaaenen Hohlraum* Injdem lediglich sur vereinfachten Darstellung ein au· gestreckten Teilen susammengesetater Aufbau der Plasmaröhre 10 in Flg. 1 gegeigt 1st, Ein gestreckter X l&smaruesenteil trlgt dnbei an seinen jeweils verlängerten Enden Je eis Breweter-Fenster Ii und 16.

« ■

Dia Induktionsspule 12 besteht aus einem Kern 18 und einer den Kern 18 um ge* bonden Wicklung 20. Der Kern 18 umschlieAt dabei den gestreckten* die Brewster-Fenster 16 und 14 tragendes Teil der Flaemaröhre 10. Die durch die gleiche Öffnung dec Kerns 18 verlaufende Wicklung 20 ist mil ihren Enden an •inen Rechteckimpulsgenerator 22 angeschlossen· Der Kern 19 besteht vorzugsweise aus Ferrit oder einem anderen magnetisierbarer Material, obwohl an sich auch eine kernlose Anordnung Verwendung finden könnt®.

Die Plaemaröhre 10 ist mit einem geeigneten Gas.wie a. B. Argon oder Argon Xenon-Mischung, unter sweckmSQigem Druck gefüllt« Ftte Sie vorliegende Erfindung können jedoch auch sämtlich» bisher In Ionen«CSae-L*s«*a verwendete

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■Λ f..

Gase benutzt werden. Die Kombination der I laumarühre IO mit der Induktion«- •pule 12 it eilt somit im wesentlichen einen Transformator dar* bei dem dio Wicklung 20 die Primärwicklung und der geschlossene Gasring in der I laemaröhre 10 eine einwindige Sekundärwicklung darstellt.

Die Aufgabe de« an die Wicklung 20 angeschlossenen Rechtockimpulsgenerators ZZ besteht darin» mit Hilfe der Induktionsspule 12 ein magnetische· V/echtelfeld su erzeugen, so daß eine Wechselspannung im in der Ilaemaröhre 10 eingeechlos- k senen Ga· Induziert wird und damit in dea Plasmasuetand gebracht wird. Die vom Hechteckimpulsgenerator abgegebene Impulsfolge bat eine Frequens, die oberhalb eines bestimmten Wertes liegt» da eine Impulsfolge unterhalb diese· Werte· su einer Modulation der Plasmaanregung führt. Eine Modulation in der Plasmaanregung ist jedoch nicht sweckmlßig, da hiermit ein intermittierender Betrieb herbeigeführt wird, d. h.» der Laser kann nicht in Dauerstrichbetrieb arbeiten. Die Verwendung einer Ixnpulsiolgefrequena oberhalb dieses genannten Frequenswertes eraeugt jedoch ein hohe· Streufeld* su dessen Kompensation

Hothspannungsbedlngungen erforderlich sind.

»■

JDIe vorgenannte Frequens ist also dadurch definiert· daß unterhalb de· entsprechenden Werte· eine Modulation in der Plaamaanregung auftritt; da· bedeutet, dafi der weiterhin verwendete .Ausdruck Nieder frequens irgendeine Frequenz sein kann, bei der eine Modulation in der Flaemaanregung auftreten kann. Für die meieten in Plasmarehren verwendeten Gas« lieges die Anregungshochfrequensen

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BAD

im Bereich von 1 MHe bi· 10 Ϊ/Η». Bei Argon t. B. wäre eine Hochfrequen» von angenähert 5 MHjs erfordert eh. De.« bedeutet» daß die NlcderfrequenB im vorliegenden .Aunführungebelsnlci im allgemeinen imtorhalb einer Frequens von 1 MHb ließt. Dieser niederfrequente Schwellenwert, unterhalb dem eich eine Modulation in der Placmaanregung herbeiführen läßt· kann für j ede β Gas mit Hilfe beknnnter Verfahren bettimmt werden. Der llechteckimpulegenerator

in Fig. 1 erzeugt alto «ine niederfrequente Impulffolge, d.h. ein Rechteekelgan flieh
nal mit einer Frequenz, welche'eine Modulation der Plasmaanregung In dor

Plasma roh re 10 herbeizuführen vormag.

In der graphischen Darstellung nach Fig. 2 ist die Rechtccktmpulcfolgc dee vom Rechtecklmpulegenerator 22 an die V/icklung 20 ungelegten Signale dargestellt. Lediglich »um Zweckt der ErlÄuterung ist hierbei eine maximale Signalspannung von +150 V angegeben} das gilt ebenso für die Frequens von 2,5 kHs und den Stromwert von 100 A. Wird nun eine Primärwicklung 20 mit drei Windungen vorauege«etzt, dann ergibt eich für die Sekundarepannung ein Spitzenwert von 50 V_t eine Frequens von 2,5 kHx und ein Strom von 300 Λ. DIo graphische Darstellung In Fig. 3 selßt den Verlauf der Sekv.ndarwecheelspannung In der PUemarÖhre 10,

Während der positiven Anteile der Sekund&rspannung werden die Elektronen Im Gas In einer Richtung und während der negativen .Anteile Ir de? Herzu entgegengesetzten Richtung bewegt. Während der hierdurch bedingten V'anderung der

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BAD GR!3!*Li,L

Elektronen nach den beiden Richtungen entstehen Zusammenstoße mit den Ionen» so dad die durch das Magnetfeld sugofflhrto Energie «n diese Ionen abgegeben wird« Da nun aber die Energie eine skalaro Größe ist· ist es unbeachtlich, ob die Ionen mit Elektronen eusammenstoßen» dl« eich in der einen oder in der anderen Richtung bewegen. Der Energieverlauf in Abhängigkeit van der Zeit ist in der graphischen Darstellung nach Fig. A göseigt. Aus der graphischen Darstellung nach Fig. 4 ist «u entnehmen« daß die den Ionen «!geführte Energie« also dio Anregung, iüx das Plasmatim wesentlichen als Gleichvorgang wirkt« so defl die Anregungemodulation weitgehend reduziert 1st und der Laser im Dauerstrichbetrieb arbeitet.

Andererseits stellt die in der graphischen Darstellung nach Fig. 2 in ihrem Verlauf wiedergegebene Anregung*spannung «in« Rerhteckwelle dar» die die erforderliches PolariUUewechsel aur Erzeugung der magnetischen feldenergie herbeiführt* um den Plasmasustand des Gases beizubehalten.

Die Anordnung gemäß vorliegender Erfindung ist besonder« brauchbar für die induktive Anregung von Lasern mit weiter Bohrung. Laser mit weiter Bohrung bestehen aus Plasma röhren mit relativ großem Durchmesser oder Querschnittsfliche. Laser mit weiter Bohrung haben verschiedene Vorteile gegenüber Lasern mit enger Bohrung. Sie können nlmlich größere Feldtypen •Durchmesser unterhalten« so daü sich geringere Strahldivergenxen ergeben} das größer« Volumen pro Längeneinheit gestattet eine größere Ausgangsleistung pro Welleneinheit und

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BAD ORIGINAL

fahrt »u eine» raumsparenden Anordnung; und schließlich ergibt eine größer· Bohrung ein selektiv fluoreseentes Medium mit höherer numerischer Öffnung, was Iflr die Inner-Resonator-Vorgingt» sweckmiOig ist. Gleichphasiger P lau mastrom I ItAt sich durch folgende Gleichung definieren;

R. . Γ. .2Tl 2 _L 2

UtM

Hierin bedeuten! W «ine Funktion der Anregungsfrequens, E die Plasmaspannungt

h_§ die Plasmalnduktivitlt·

R. den PUimawiderstand,

k de« Kopplungskoefflsientetu

Für eine vorgegebene Plasmainduktivittt L* eine» vor gegebenen Kopplung·- koeffisienten k» der auch im vorliegenden Falle eine Funktion der Form und der Permeabilität des Kern· allein ist, und eine vorgegebene Spannung £ 1st der Plasmastrom I umgekehrt proportional der Anregungsfrequensiunktion* so daß «um Erreichen hoher Ströme niedrige Frequensen erstrebenswert sind, wie es mit Hilfe der vorliegenden Erfindung erreicht wird.

Docket YO 9*47-06?

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BAD CFiiGSMAL -_- r

In obenstehenden .Ausführungen 1st eine induktive Oft «anregung beschrieben worden unter Verwendung einer Pl* smarohre, wies. D. eines Ionen-Gas Lasers. Die Plasmarohre kann In CrHRe und Form von dor beschriebenen abweichen; die einsige Forderung besteht darin* da£t ein in sich geschlossener F lasmartng bereitgestellt ist. Die induktive Anregung erfolgt Ober «in angelegtes Rechteckslgn&l mit vorzugsweise niedriger Impuisfolgefrequens wio oben definiert. Die für eine Plaemarohre geeigneten Caoe sind an sich bekannt, wie Argon, Krypton, Xenon usw. und Chlor» Brom usw..Gasdruck und übrige Be* trlebsparametar weichen dabei nicht von den bisher Üblichen ab»

Docket YO 9-67-067

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BAD QBIGlHAL ■ f

Claims (4)

PAT ENTANSPR ÜCHE

1. Anordnung zur Anregung von Gasen, indem durch induktives Einwirken eines elektrischen Wecheelvorgange in einer ringförmig in sich geschlossenen Röhre ein Plasma erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Wechselvorgang durch den bipolaren Puls (Fig. 2) eines Rechteckimpulsgenerators (22), dessen Tastverhältnis gleich zwei ist, gebildet wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasma- ä röhre (10) zu einem Teil von einem magnetieierbaren Kern (18) umschlossen ist, der anderseits eine Wicklung (20) zur Zuführung des

Pulses (Fig. 2) trägt.

3. Anordnung mindestens nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Puls (Fig. 2) eine Folgefrequenz von maximal 1 MHz besitzt.

4. Anordnung mindestens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung als Ionen-Gas-Laser bei relativ großem Querschnitt des durch das Plasma dargestellten selektiv fluoreszenten Mediums.

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Docket YO 9-67-067

j Un iprlaßen (Art. 7 41 Aöe, 2 Nr. l Satt 3 dw ÄnderunfliQ·*. v. 4, %. lä£Z|

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