DE1764910B1 - Kathode fuer einen optischen sender oder verstaerker fuer kohaerente strahlung - Google Patents

Description

Anschlußleiter 128 der Kaltkathode 112 ist aus dem Entladungsgefäß nach außen geführt. In das Innere der Kathode 112 wird eine kleine Menge eines Alkalimetalls, wie Kalium, aus einem Vorratsbehälter 5 über ein Rohr 130, das anschließend abgeschmolzen wird, eingebracht. Ferner ist ein Keramikeinsatz 132 mit einer kleinen öffnung 134, z. B. einem Loch von 2,5 bis 3,8 mm Durchmesser vorgesehen, welche die einzige Verbindung zwischen dem Rohr 110 und der

weil das eine niedrige Austrittsarbeit der Elektronenemission aufweisende adsorbierte Alkalimetall sich
mindestens bis zu einem gewissen Grade in den Poren
der Isolatormasse befindet und vor allem der unter
dem Einfluß der einzelnen Teilchen des adsorbierten
Alkalimetalls stehende Bereich der Isolatoroberfläche als leitende Fläche wirkt. Wenn sich benachbarte leitende Gebiete gegenseitig überlappen, was
bei ausreichenden Mengen an adsorbiertem Alkalimetall der Fall ist, so besteht zwischen der eingebet- io Kaltkathode 112 darstellt. Das Entladungsgefäß des teten Elektrode und der Außenfläche der Isolator- Lasers ist mit einem stimulierbarem Gas, z. B. einem masse eine einwandfrei elektrisch leitende Verbin- Gemisch aus Helium und Neon, mit einem Gasdruck dung. von erheblich weniger als 10 Torr gefüllt.

Wegen der Anordnung der Kathode in einem End- Wenn die Leiter 122 an ein geeignetes positives

raum des Gefäßes wird eine etwaige Entaktivierung 15 Potential und der Leiter 128 an ein geeignetes negatider Kathode infolge Verlustes von adsorbiertem Al- ves Potential angeschlossen werden, tritt eine Gasentkalimetall der Kathodenoberfläche im Betrieb lau- ladung von der Oberfläche der Schicht 126 durch die fend durch den Vorgang der Kataphorese ausgegli- öffnung 134, das enge Rohr 110, den erweiterten chen. Ebenso ist der durch ungewollte Überhitzung Teil 102, das Rohr 100, den erweiterten Teil 104 und der Kathode verursachte Verlust an Alkalimetall nur ao das enge Rohr 114 zur Elektrode 118 der Anode 116 vorübergehend. Und zwar kehrt der größte Teil des auf, und im Rohr 100 entsteht Licht. Wenn man, wie Alkalimetalls nach dem Abkühlen der Kathode wie- in der Lasertechnik bekannt, die Entladungsröhre in der zur großen wirksamen Kathodenfläche zurück, da einem optischen Resonator zwischen zwei parallelen das Alkalimetall stärker an der entblößten Isolator- Spiegelflächen (nicht gezeigt) anordnet, deren eine fläche haftet als an sich selbst, so daß das Zurück- 25 sich außerhalb des Fensters 106 und deren anbleiben von Tröpfchen an anderen Stellen des Gefä- dere sich außerhalb des Fensters 108 befindet, so daß ßes verhindert wird. Die Kathode erholt sich also von
durch Überhitzung verursachten Schaden selbst, so
daß nach einer Erholzeit von ungefähr einer Stunde
der normale Betrieb wieder aufgenommen werden 30
kann.

Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Der Erfindungsgedanke wird im folgenden an

Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit 35 wird. Obwohl nicht die gesamte Oberfläche der poröder Zeichnung näher erläutert. Es zeigt sen Schicht 126 mit adsorbiertem Alkalimetall be-F i g. 1 einen Gas-Laser mit einer Ausführungs- deckt ist, ist gleichwohl etwas Alkalimetall innerhalb form der erfindungsgemäßen Kaltkathode, der Poren der Schicht 126 adsorbiert. Ferner wurde Fig. 2 eine andere Ausführungsform der erfin- gefunden, daß das einzelne Außenhüllenelektron der dungsgemäßen Kaltkathode, 40 adsorbierten Alkalimetallatome sich zeitweilig inner-Fig. 3 eine dritte Ausführungsform der erfin- halb der umgebenden Oberflächenmoleküle des Isolators in der unmittelbaren Nachbarschaft des betreffenden Alkalimetallatoms aufhält. Dies hat zur Folge, daß ein kleines Gebiet der Oberfläche der Isolatordungsröhre eines Gaslasers eignet. Die Entladungs- 45 schicht 126 in der Nachbarschaft und unter dem Einröhre besteht aus einem Rohr 100 mit einem Durch- fluß der einzelnen adsorbierten Alkalimetallatome efmesser von einigen Millimetern, das einen ersten er- fektiv als Leiter statt als Isolator wirkt. Wenn daher, weiterten Teil 102 am einen Ende mit einem zweiten wie es der Fall ist, die Anzahl der vorhandenen aderweiterten Teil 104 am anderen Ende verbindet. Die sorbierten Alkalimetallatome genügend groß ist, so erweiterten Teile 102 und 104 sind jeweils durch 50 daß die entsprechenden Einflußgebiete der einzelnen Brewster-Fenster 106 bzw. 108 abgeschlossen. adsorbierten Alkalimetallatome sich gegenseitig über-Mit dem ersten erweiterten Teil 102 ist über ein ein lappen oder ineinandergreifen, wirkt die gesamte verengtes Halsstück bildendes Rohr 110 ein Katho- Oberfläche des Isolators als Leiter. Da der Isolator denraum mit einer Kaltkathode 112 verbunden. Ent- porös ist, enthält seine effektive Oberfläche, an der sprechend ist mit dem zweiten erweiterten Teil 104 55 die Alkalimetallatome adsorbiert sind, die mikroskoüber ein Rohr 114 ein Anodenraum mit einer Anode pisch feinen gewundenen Wege durch die unzähligen

Poren in der Isolatorschicht 126. Es wird folglich die eingebettete Wendelelektrode 124 über einen Leitungsweg elektrisch mit den auf die Schicht 126 der 60 Kaltkathode 112 auftreffenden Gasionen gekoppelt. Da jedoch die Schicht 126 aus einem zerstäubungsfesten Isolator wie Aluminiumoxid besteht, ist die Zerstäubung dieses Kaltkathodenmaterials im Betrieb der Laser-Gasentladungsröhre vernachlässigbar geschieht 126 ist an der Seitenwand und dem rückwärti- 65 ring,
gen Ende des die Kaltkathode· 112 enthaltenden End- Beispielsweise wurde in der Praxis gefunden, daß

raumes des Entladungsgefäßes angebracht. Ein am die Kaltkathode gemäß einer Ausführungsform der Ende der Wendelelektrode 124 befestigter elektrischer Erfindung bei Verwendung in einer Laser-Gasentla

das durch die entsprechenden Fenster hindurchtretende Licht auf diese Spiegelflächen fällt, tritt Laserwirkung unter Erzeugung kohärenten Lichtes auf.

Das Arbeiten der Kaltkathode 112 hängt davon ab, daß eine bestimmte Menge des in die Entladungsröhre des Lasers eingebrachten Alkalimetalls von der porösen Schicht 126 aus Aluminiumoxid, das eine hohe Affinität für das Alkalimetall hat, adsorbiert

dungsgemäßen Kaltkathode.

F ig. 1 veranschaulicht eine Ausführungsform der Erfindung, die sich besonders für eine Gasentla-

116 verbunden. Die Anode 116 besteht aus der Elektrode 118, deren elektrische Anschlußleiter 120 und 122 aus dem Gasentladungsgefäß nach außen geführt sind.

Die Kaltkathode 112 besteht aus einer Wendelelektrode 124 aus z. B. Wolfram, die in eine Schicht aus porösem Isoliermaterial 126, beispielsweise Aluminiumoxid (Al₂ O₃) eingebettet ist. Die Isolator-

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dungsröhre selbst nach 2000stündigem Dauerbetrieb nition angeordnet sein. Wenn dagegen, wie es im vor-

noch nicht durch Zerstäubung oder anderweitig gelit- liegenden Fall tatsächlich zutrifft, die Kaltkathode

ten, d. h. sich in ihren Eigenschaften verschlechtert 112 mit dem übrigen Teil des Gefäßes lediglich über hatte. Die für diesen Versuch verwendete Laser-Gas- das Rohr 110 verbunden ist, so befindet sich die entladungsröhre war mit einem Quarzrohr 100 mit 5 Kaltkathode 112 innerhalb eines »Endraumes« des einem Innendurchmesser von 3 mm und einer effekti- Gefäßes.

ven Länge von 75 cm ausgerüstet und mit einem Ge- F i g. 2 und 3 zeigen andere mögliche Ausführungs-

misch aus Helium- und Neongas gefüllt, wobei als formen der Kaltkathode.

Aktivatoralkalimetall für die Kaltkathode Kalium In Fig. 2 besteht die Kaltkathode 212 aus einer

verwendet wurde. io Netz- oder Maschenelektrode 224 aus Wolfram, die

Ein weiteres Merkmal, wie erwähnt, besteht darin, in eine poröse Aluminiumoxidschicht 226 eingebettet daß die Kaltkathode 112 zwar entaktiviert wird, ist. Diese Aluminiumoxidschicht 226 ist unter Freilaswenn sie unter abnormalen Betriebsbedingungen sung eines Zwischenraums gegenüber dem Keramikstark überhitzt wird, so daß übermäßig viel Alkalime- einsatz 232 an den Wänden des die Kaltkathode 212 tall verdampft und sich auf der kälteren Gefäßober- 15 enthaltenden Teils der Laser-Gasentladungsröhre anfläche niederschlägt, daß diese Entaktivierung jedoch gebracht. Das Entladungsrohr 200, das bei dieser nur vorübergehend ist, weil das Alkalimetall, das sich Ausführungsform dem Entladungsrohr 100 nach auf der Gefäßwand abgesetzt hat, schließlich ver- Fig. 1 entspricht, ist koaxial zur Kaltkathode 112 dampft und größtenteils auf der Aluminiumoxid- angeordnet und mit dieser lediglich durch die kleine schicht 126 kondensiert, die eine größere Affinität für ao öffnung 234 in einem zylindrischen Keramikeinsatz Alkalimetall hat als alle sonstigen Teile der Laser- 232 verbunden. Das Alkalimetall wird in die Kaltka-Gasentladungsröhre. Die Kaltkathode 112 ist also thode 212 aus einem Behälter durch die öffnung 230 g* nach Schädigung »selbstheilend«, so daß nach einer vor deren Abschmelzen eingebracht. Ferner ist ein * Erholungszeit von ungefähr einer Stunde der normale Anschlußleiter 228 vorgesehen. Betrieb wieder aufgenommen werden kann. 25 Die in F i g. 3 dargestellte Kaltkathode 312 enthält

Ferner werden etwaige Verluste an Alkalimetall Elektroden 324 in Form einer Mehrzahl von in eine vom Kathodengebiet im Betrieb infolge von Erwär- Aluminiumoxidmasse 326 eingebetteten Wolframmung und Zerstäubung laufend durch kataphoreti- drähten. Die einzelnen Wolframdrähte sind jeweils sehe Vorgänge ersetzt. Der kataphoretische Effekt mit einem frei liegenden Ende, das einen Durchkommt zustande, da die Alkalimetallatome bei der 30 messer von 0,25 mm haben kann, unmittelbar dem Entladung leicht ionisiert werden und infolge ihrer Gas in der Laser-Gasentladungsröhre ausgesetzt, positiven Ladung zur negativen Kathode zurückgezo- Mit ihren anderen Enden sind die Wolframdrähte an gen werden. einen nach außen geführten Leiter 328 angeschlos-

Damit die Kataphorese wirksam werden kann, sen. Die Kaltkathode 312 ist mit dem übrigen Teil muß die Kaltkathode 112 in einem Endraum der Gas- 35 der Gasentladungsröhre lediglich über eine kleine entladungsröhre angeordnet sein. Der Ausdruck Öffnung 334 in einem Keramikeinsatz 332 gekoppelt. »Endraum« bedeutet hier, daß mit diesem Teil kein Das Alkalimetall wird in die Kaltkathode 312 aus anderer Teil oder Bereich des Gasentladungsgefäßes einem Behälter durch die Öffnung 330 vor deren Abmit Ausnahme des Teils, in dem die Anode 118 an- schmelzen eingebracht. Die Ausführungsform nach geordnet ist und durch den die Gasentladung erfolgt, 40 Fig. 3 eignet sich besonders für Impulslaser, beiverbunden ist. Das heißt, wenn in F i g. 1 sich (wie es spielsweise Argon-Impulslaser, bei denen die frei lietatsächlich nicht der Fall ist) unmittelbar rechts von genden Enden der Elektroden 324 sehr hohe Spitzender Kaltkathode 112 ein weiterer zusätzlicher Teil entladungsströme (in der Größenordnung von 100 A) des Gasentladungsröhrengefäßes befände, in den Gas während jedes Impulses ermöglichen. m

diffundieren kann, ohne daß eine Entladung in ihm 45 Der poröse Isolator (126, 226, 326) der Kathode stattfindet, so würde die Kaltkathode 112 nicht in besteht vorzugsweise aus Teilchen mit einer Teilcheneinem »Endraum« des Gefäßes im Sinne dieser Defi- größe von ungefähr 5 μπι.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

1 2 samen Gasentladungsraum innerhalb des optischen Patentansprüche: Resonators über ein verengtes Halsstück verbunden ist.

1. Kathode für einen optischen Sender oder Aus der belgischen Patentschrift 633 533 ist ein

Verstärker für kohärente Strahlung aus einem 5 Gaslaser bekannt, der ein durch Brewster-Fenster abgasförmigen stimulierbaren Medium mit einem geschlossenes, rohrförmiges Entladungsgefäß enthält, Druck von weniger als 10 Torr, dessen Kathoden- bei dessen Enden ein Kathoden- bzw. Anodenraum endraum mit dem wirksamen Gasentladungsraum angeordnet sind, die mit dem wirksamen Entladungsinnerhalb des optischen Resonators über ein ver- raum jeweils über ein senkrecht zu dessen Achse verengtes Halsstück verbunden ist, dadurch ge- ίο laufendes verengtes Halsstück verbunden sind. Der kennzeichnet, daß die Kathode als Kalt- Kathodenraum enthält eine thermisch emittierende kathode eine poröse Masse eines weitgehend zer- Kathode aus thoriertem Wolfram, stäubungsfesten Isolators (126) enthält, der ehe- Auch die Verwendung von Kaltkathoden in Gasmisch im wesentlichen inert gegen ein gegebenes entladungsröhren, wie den bekannten Neonröhren, Alkalimetall ist und in den eine mit dem äußeren 15 die mit Gasdrücken von 10 Torr und darüber arbei-Anschlußleiter (128) verbundene Drahtelektrode ten, ist bekannt. Diese Kaltkathoden bestehen ge- (124) eingebettet ist, wobei mindestens ein erheb- wohnlich aus einer Erdalkaliverbindung, wie Bariumlicher Teil der Oberfläche der Isolatormasse im oxid oder Calciumoxid, und in manchen Fällen Betrieb mit einem Alkalimetall, das an dieser sind noch Spuren eines Alkalimetalles zugesetzt, um Oberfläche adsorbiert ist, bedeckt ist und wobei 20 die Austrittsarbeit der Kathode zu verringern. Bei die Querschnittsfläche der Verengung (134, 234, Gasdrücken von 10 Torr und darüber ist die Zerstäu- 334) so klein ist, daß die Temperatur bei der Gas- bung einer solchen Erdalkali-Kaltkathode Verhältnisentladung zwischen Kathode (112) und Anode mäßig gering, so daß sich eine ausreichende Lebens- (116) durch die Verengung (134, 234, 334) noch dauer ergibt.

ausreichend ist, um weitgehend zu verhindern, 25 Gaslaser arbeiten jedoch mit niedrigeren Gasdrükdaß sich auf der Oberfläche des die Verengung ken im Entladungsraum. Die üblichen Drücke liegen bildenden Gefäßteils Beläge aus dem Alkalimetall hier zwischen einigen Zehnteln Torr und mehreren bilden. Torr. Bei Drücken unterhalb von 10 Torr ist die mitt-

2. Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekenn- lere freie Weglänge der Gasionen jedoch schon ziemzeichnet, daß die Isolatormasse (126, 226, 326) 30 lieh groß, so daß die auf eine Kaltkathode auftreffenaus Aluminiumoxid besteht. den Gasionen viel höhere Geschwindigkeit und kine-

3. Kathode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch tische Energien haben als bei den in Neonröhren gekennzeichnet, daß die Isolatormasse (332) eine u. dgl. üblichen Gasdrücken von 10 Torr und dar-Schicht bildet, die in Berührung mit der Innen- über. Die bekannten Kaltkathoden, die im wesentliwandfläche des den Kathodenendraum bildenden 35 chen aus Erdalkaliverbindungen bestehen, haben da-Gefäßteils steht. her bei Verwendung mit einer Niederdruck-Gasentla-

4. Kathode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch dung (Gasdruck unterhalb von 10 Torr), wie sie in gekennzeichnet, daß in die Isolatormasse (326) einem Gaslaser vorliegt, nurmehr eine sehr kurze Leeine Anzahl von im wesentlichen parallel verlau- bensdauer, z. B. von nur einer halben Stunde, fenden Drähten vorgesehen ist, die in der Ober- 40 Kaltkathoden haben andererseits gegenüber therfläche der Isolatormasse (326) enden und dem misch emittierenden Kathoden den Vorteil, daß sie Gas im Kathodenendraum ausgesetzt sind keine Heizleistung benötigen und außerdem wesent-(F i g. 3). lieh unempfindlicher sind.

5. Kathode nach Anspruch 4, dadurch gekenn- Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zuzeichnet, daß die eingebetteten Elektrodendrähte 45 gründe, eine Kaltkathode anzugeben, die sich für mit jeweils einen Durchmesser in der Größenordnung Gasdrücken von weniger als 10 Torr arbeitende Gasvon 0,25 mm haben. entladungen, wie sie in einem Gaslaser vorliegen,

6. Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekenn- eignen und eine sehr lange Lebensdauer haben, zeichnet, daß die Verengung (134) Teil eines im Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch Kathodenendraum angeordneten Keramikeinsat- 50 eine Kathode der eingangs genannten Art gelöst, die zes (132) ist. dadurch gekennzeichnet ist, daß die Kathode als

7. Kathode nach Anspruch 6, dadurch gekenn- Kaltkathode eine poröse Masse eines weitgehend zerzeichnet, daß die Verengung (134) durch ein stäubungsfesten Isolators enthält, der chemisch im Loch im Keramikeinsatz (132) gebildet ist, das wesentlichen inert gegen ein gegebenes Alkalimetall einen Durchmesser von ungefähr 2,5 bis 3,8 mm 55 ist und in den eine mit dem äußeren Anschlußleiter hat. verbundene Drahtelektrode eingebettet ist, wobei

8. Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekenn- mindestens ein erheblicher Teil der Oberfläche der zeichnet, daß die Isolatormasse (126, 226, 326) Isolatormasse im Betrieb mit einem Alkalimetall, das aus einzelnen Teilchen mit einer Korngröße von an dieser Oberfläche adsorbiert ist, bedeckt ist und ungefähr 5 μηι besteht. 60 wobei die Querschnittsfläche der Verengung so klein

ist, daß die Temperatur bei der Gasentladung zwi-

sehen Kathode und Anode durch die Verengung noch

ausreichend ist, um weitgehend zu verhindern, daß

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kathode sich auf der Oberfläche des die Verengung bildenden für einen optischen Sender oder Verstärker für kohä- 65 Gefäßteiles Beläge aus dem Alkalimetall bilden, rente Strahlung aus einem gasförmigen stimulierba- Der normalerweise nichtemittierende Isolator wird

ren Medium (Gaslaser) mit einem Druck von weniger durch die Anwesenheit des absorbierten Alkalimeals 10 Torr, dessen Kathodenendraum mit dem wirk- tails zu einer wirksamen zerstäubungsfesten Kathode,