DE19611679A1 - Gasentladungsvorrichtung - Google Patents

Gasentladungsvorrichtung

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Description

Die Erfindung betrifft eine Gasentladungsvorrichtung mit einem Gasentladungskanal, welcher zwei Gasentladungselek­ troden und ein zwischen diesen liegendes Gasentladungsvolumen umfaßt, mit einer über eine Schaltvorrichtung mit den Gasent­ ladungselektroden verbundenen Energiespeicherschaltung zur Erzeugung eines zwischen einem ersten Ausgangsanschluß und einem zweiten Ausgangsanschluß fließenden Stromstoßes zum Betreiben einer Gasentladung in dem Gasentladungsvolumen und mit einer Zündeinrichtung zum Fremdzünden der Gasentladung.
Derartige Gasentladungsvorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Bei diesen handelt es sich vorzugsweise um sogenannte elektronenstrahlkontrollierte Gasentladungsvor­ richtungen, wobei das Problem besteht, die Gasentladung synchron zum extern erzeugten Elektronenstrahl zu zünden. Insbesondere dann, wenn die Gasentladung bei Spannungen erfolgen soll, die oberhalb der Durchbruchsspannung des Gasentladungsvolumens zwischen den Gasentladungselektroden liegen, ist es bislang nur mit einer extern triggerbaren Schaltvorrichtung möglich gewesen, die in der Energie­ speicherschaltung gespeicherte Energie in die Gasentladung synchron mit der Fremdzündung einzukoppeln.
Zum Triggern war es daher nötig, in der Schaltvorrichtung Thyristoren, Thyratrons oder andere Schaltelemente zu ver­ wenden, die einerseits sehr teuer sind und andererseits die begrenzende Größe bei der Standzeit der Gasentladungsvorrich­ tung darstellen.
Darüber hinaus besteht die Gefahr, daß Fehlfunktionen bei der Erzeugung des Elektronenstrahls dazu führen, daß die Schalt­ vorrichtung die Energiespeicherschaltung mit den Gasent­ ladungselektroden verbindet, obwohl in dem Gasentladungs­ volumen ein ungenügend vorionisiertes Gas vorliegt, so daß sich eine unkontrollierte selbständige Entladung ausbildet, die in der Regel zu einer unerwünschten Bogenentladung im Gasentladungsvolumen führt. Eine derartige unerwünschte Bogenentladung bewirkt andererseits wieder Spannungsumkeh­ rungen und führt letztlich dazu, daß insbesondere die triggerbaren Schaltelemente um ein Vielfaches höher bean­ sprucht werden als im Normalbetrieb und daher vorzeitig ausfallen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gasent­ ladungsvorrichtung der gattungsgemäßen Art derart zu verbes­ sern, daß diese besser und zuverlässiger arbeitet.
Diese Aufgabe wird bei einer Gasentladungsvorrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Schaltvorrichtung einen zwischen den Ausgangsan­ schlüssen liegenden Spannungsteiler, umfassend einen ersten und einen zweiten Widerstand aufweist, daß dem ersten Wider­ stand die Gasentladungselektroden und dem zweiten Widerstand eine Funkenstrecke parallel geschaltet sind, daß der erste Widerstand so dimensioniert ist, daß bei nichterfolgender Gasentladung an den ersten Gasentladungselektroden eine unter deren Durchbruchsspannung liegende Spannung anliegt und daß die Funkenstrecke so ausgelegt ist, daß deren Durchbruchs­ spannung nach Fremdzündung der Gasentladung überschritten wird und dadurch der Stromstoß aus der Energiespeicherschal­ tung durch die Funkenstrecke zu den Gasentladungselektroden fließt.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, daß die Schaltvorrichtung äußerst einfach aufgebaut ist und daß die Schaltvorrichtung keine äußere Triggerung mehr be­ nötigt, sondern selbständig dann, wenn die Gasentladung fremdgezündet wurde, ebenfalls durchschaltet und den Strom­ stoß von der Energiespeicherschaltung zu den Gasentladungs­ elektroden fließen läßt.
Damit sind sämtliche Problem mit einer möglichst präzisen Triggerung der Schaltvorrichtung synchron zur Fremdzündung, insbesondere zum Elektronenstrahl, entfallen und außerdem hat die Schaltvorrichtung keinerlei teuren und empfindlichen Bau­ teile mehr.
Prinzipiell ist es ausreichend, in dem Spannungsteiler 42 mit zwei Widerständen zu arbeiten, nämlich einem, welchem die Gasentladungselektroden parallelgeschaltet sind, und einem, welchem die Funkenstrecke parallelgeschaltet ist. Günstigere Verhältnisse, insbesondere hinsichtlich der Auslegung der Funkenstrecken und hinsichtlich der dadurch bedingten Schalt­ sicherheit derselben lassen sich jedoch erreichen, wenn der Spannungsteiler eine Kaskade von Widerständen und diesen jeweils parallelgeschalteten Funkenstrecken umfaßt. Dies hat den Vorteil, daß insgesamt dann an den Funkenstrecken selbst niedrigere Spannungen anliegen und somit die Dimensionierung der Funkenspannung im Hinblick auf ihre Durchbruchssicherheit und ihre Durchbruchsspannung einfacher erfolgen kann.
Besonders vorteilhaft ist es, um eine möglichst hohe Durch­ bruchssicherheit zu erreichen, wenn die Funkenstrecken so dimensioniert sind, daß deren Durchbruchsspannung nach Fremd­ zündung der Gasentladung zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten überschritten wird, d. h., daß eine der Funkenstrecken zu­ nächst durchbricht und dann die weiteren aufeinanderfolgend.
Bei der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung könnte der Span­ nungsteiler prinzipiell jede Art von Widerständen aufweisen. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, insbesondere um Verluste zu vermeiden, wenn die Widerstände Kondensatoren sind.
Dadurch fließen selbst bei anliegender Hochspannung keine Ströme über diese Kondensatoren und außerdem dient der erste als Kondensator ausgebildete Widerstand dazu, nach Fremdzün­ den der Gasentladung in dem Gasentladungsraum zunächst die Gasentladung mit der an diesem gespeicherten Energie auf­ rechtzuerhalten, nämlich solange, bis die Funkenstrecke ge­ zündet hat und die Gasentladung durch den über diese Funken­ strecke fließenden Stromstoß der Energiespeicherschaltung gespeist wird.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn der erste Widerstand einerseits auf Masse liegt und somit auch eine der diesem parallel geschalteten Gaselektroden auf Masse liegt.
Die erfindungsgemäße Lösung eignet sich vorzugsweise für elektronenstrahlkontrollierte, flächenhafte Gasentladungen.
Besonders zweckmäßig läßt sich die erfindungsgemäße Lösung dann einsetzen, wenn der Gasentladungskanal ein Gasent­ ladungskanal eines Gaslasers ist.
Hinsichtlich der Energiespeicherschaltung wurden im Zusammen­ hang mit der bisherigen Erläuterung der einzelnen Ausfüh­ rungsbeispiele ebenfalls keine näheren Angaben gemacht. So sieht ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel vor, daß die Energiespeicherschaltung eine Kondensatorbank mit einer Vielzahl von über Induktivitäten parallel geschalteter Kondensatoren aufweist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Dar­ stellung einiger Ausführungsbeispiele.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 Eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Gasentladungsvorrichtung;
Fig. 2 eine Darstellung der bei der erfindungsge­ mäßen Gasentladungsschaltungsvorrichtung auftretenden Spannungen und Ströme, wobei
Fig. 2a die die an einer Funkenstrecke der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung anlie­ gende Spannung,
Fig. 2b die an dem Gasentladungskanal anliegende Spannung und
Fig. 2c den durch den Gasentladungskanal fließenden Stromstoß jeweils über derselben Zeitachse zeigen;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Lösung mit mehreren Gasentladungselektroden und
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Lösung.
Ein erstes vereinfachtes Ausführungsbeispiel einer erfin­ dungsgemäßen Gasentladungsvorrichtung, welche beispielsweise Teil eines elektronenstrahlkontrollierten gepulsten CO₂ Lasers ist, wie er in dem Artikel "Experimental results of an E-Beam Controlled Repetitively Pulsed CO₂ Laser" in der Zeit­ schrift SPIEVOL. 12/76 CO₂-lasers and applications II (1990) Seite 77 bis 85 beschrieben ist, umfaßt, wie in Fig. 1 dar­ gestellt, einen als Ganzes mit 10 bezeichneten Gasentladungs­ kanal, in welchem zwei Gasentladungselektroden 12 und 14 an­ geordnet sind. Zwischen diesen Gasentladungselektroden 12 und 14 liegt ein Gasentladungsvolumen 16, welches im Fall der vorliegenden Gasentladungsvorrichtung CO₂ aufweist.
Die Steuerung einer durch Striche 18 angedeuteten flächen­ haften Gasentladung zwischen den Elektroden 12 und 14 erfolgt über einen Elektronenstrahl 20, welcher in das Gasentladungs­ volumen 16 eintritt, um flächenhafte Gasentladung 18 defi­ niert zu zünden.
Zur Aufrechterhaltung der flächenhaften Gasentladung 18 nach deren Zündung durch den Elektronenstrahl 20 ist eine als Ganzes mit 30 bezeichnete Energiespeicherschaltung vorge­ sehen, welche eine Vielzahl parallel geschalteter Kondensa­ toren aufweist, wobei diese durch den Kondensator 32 in Fig. 1 repräsentiert sind.
An dem Kondensator 32 liegt eine Hochspannung UH an, welche im Bereich mehrerer KiloVolt liegt.
Die Energiespeicherschaltung 30 weist einen ersten, auf Masse liegenden Ausgangsanschluß 34 und einen zweiten Ausgangsan­ schluß 36 auf, die beide mit jeweils einen Anschluß des Kon­ densator 32 verbunden sind. Mit den beiden Ausgangsanschlüs­ sen 34 und 36 verbunden ist eine als Ganzes mit 40 bezeich­ nete Schaltvorrichtung, welche dazu dient, zum geeigneten Zeitpunkt die Energiespeicherschaltung 30 mit den Elektroden 12 und 14 des Gasentladungskanals 10 zu verbinden, und zwar unmittelbar nach Zündung der flächenhaften Gasentladung 18 mittels des Elektronenstrahls 20.
Die Schaltvorrichtung 40 umfaßt einen zwischen den Ausgangs­ anschlüssen 34 und 36 liegenden Spannungsteiler 42, gebildet aus einem ersten Kondensator 44 und einem zweiten Kondensator 46, wobei der erste Kondensator 44 zwischen dem ersten Aus­ gangsanschluß 34 und einem Mittelabgriff 48 des Spannungs­ teilers 42 liegt, während der zweite Kondensator 46 zwischen dem Mittelabgriff 48 und dem zweiten Ausgangsanschluß 36 liegt.
Die Schaltvorrichtung 40 umfaßt ihrerseits zwei Anschlüsse 52 und 54, mit welchen die Gasentladungselektroden 12 und 14 verbunden sind, wobei die Gasentladungselektrode 12 mit dem Anschluß 52 und die Gasentladungselektrode 14 dem Anschluß 54 der Schaltvorrichtung 40 verbunden ist.
Der Anschluß 52 der Schaltvorrichtung 40 ist einerseits direkt mit dem ersten Ausgangsanschluß 34 der Energiespei­ cherschaltung 30 verbunden, während der Anschluß 54 über eine Gasdurchbruchsstrecke oder Funkenstrecke 50 mit dem zweiten Ausgangsanschluß 36 der Energiespeicherschaltung verbunden ist. Ferner ist der Anschluß 54 direkt mit dem Mittelabgriff 48 verbunden.
Somit ist in der Schaltvorrichtung 40 die Funkenstrecke 50 dem Kondensator 46 parallel geschaltet und die mit den An­ schlüssen 52 und 54 verbundenen Gasentladungselektroden 12 und 14 sind dem Kondensator 44 parallel geschaltet.
Die Kondensatoren 44 und 46 sind nun so dimensioniert, daß die zwischen dem ersten Ausgangsanschluß 34 und dem Mittel­ abgriff 48 stehende und am Kondensator 44 anliegende Spannung UK unterhalb der Durchbruchsspannung UDK des Gasentladungs­ volumens 16 liegt, sofern die Funkenstrecke 50 nicht durchge­ brochen ist. Ferner ist der Kondensator 46 so definiert, daß eine zwischen dem Mittelabgriff 48 und dem zweiten Ausgangs­ anschluß 36 liegende und somit am Kondensator 46 anliegende Spannung UF unterhalb einer Durchbruchsspannung UDF der Funkenstrecke 50 liegt.
Damit ist bei voll anliegender Hochspannung durch die Dimen­ sionierung der Kondensatoren 44 und 46 des Spannungsteilers 42 sichergestellt, daß weder die Funkenstrecke 50 durchbricht noch ein Durchbruch in dem Gasentladungsvolumen 16 unter Bil­ dung einer Gasentladung 18 auftritt, so daß bei voll anlie­ gender Hochspannung UH in dem Kondensator 32 die gesamte Energie für einen Stromstoß zur späteren Speisung der Gasent­ ladung 18 gespeichert werden kann.
Wie in Fig. 2a bis 2c dargestellt, liegt bis zu einem Zeit­ punkt t₁, zu welchem der Elektronenstrahl 20 eingeschaltet wird und in das Gasentladungsvolumen 16 eintritt, an der Fun­ kenstrecke 50 die volle Spannung UF und an den Gasentladungs­ elektroden 12 und 14 die volle Spannung UK an. Durch die Ionisation des Gases im Gasentladungsvolumen 16 aufgrund des eintretenden Elektronenstrahls 20 beginnt sich das Plasma 18 auszubilden, was dazu führt, daß zwischen dem Zeitraum t₁ und dem Zeitraum t₂ die Spannung UK dadurch abnimmt, daß in dem Gasentladungsvolumen 16 die Gasentladung 18 gestützt durch den Elektronenstrahl 20 erfolgt. Da die Summe aus UK + UF = UH sein muß, führt dieser Abfall der Spannung UK zu einem An­ stieg der Spannung UF über die Durchbruchsspannung UDF der Funkenstrecke 50 und somit zu einem Zünden derselben. Nach Zünden der Funkenstrecke 50 nimmt die Spannung UF ab und es fließt ein Stromstoß zwischen den Ausgangsanschlüssen 34 und 36 der Energiespeicherschaltung 30 über den Gasentladungs­ kanal 10, wobei der Stromstoß vom zweiten Ausgangsanschluß 36 über die durchgebrochene Funkenstrecke 50 zum Anschluß 54 dann zur Elektrode 14, über die Gasentladung 18 zur Elektrode 12 und von dieser über den Anschluß 52 zum ersten Ausgangsan­ schluß 34 fließt. Über diesen Stromstoß entlädt sich die im gesamten Kondensator 32 gespeicherte Energie in Form einer zeitlich begrenzten Gasentladung, wie in Fig. 2c dargestellt ist, wobei Fig. 2c den Verlauf des über die Gasentladung 18 durch den Gasentladungskanal 10 fließenden Stromes IK zeigt, welcher im wesentlichen zum Zeitpunkt t₂ einsetzt, und zum Zeitpunkt t₃ endet.
Fig. 2b zeigt dabei, daß unmittelbar nach dem Durchbruch der Funkenstrecke 50 die Spannung UK, welche zwischen den Elek­ troden 12 und 14 liegt, wieder ansteigt, um dann während des Stromstoßes wieder abzunehmen.
Ferner zeigt Fig. 2a, daß nach dem Zünden der Funkenstrecke 50 die an dieser abfallende Spannung UF ebenfalls während des Stromstoßes abnimmt.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lösung, dargestellt in Fig. 3 umfaßt der Gasentladungskanal 110 mehrere Paare von Gaselektroden 112 und 114 umfaßt, wel­ che beispielhaft durch die Gaselektrodenpaare 112a, 114a bis 112d, 114e repräsentiert sind.
Im Gegensatz zum vereinfacht dargestellten ersten Ausfüh­ rungsbeispiel ist die Gasentladungselektrode 112 für einen jeweils für das entsprechende Paar von Gasentladungselektro­ den 112 und 114 benötigten Elektronenstrahl 120 durchlässig angeordnet, wobei der jeweilige Elektronenstrahl 120 mittels einer Elektrode 122 erzeugt wird, die der jeweiligen Gasent­ ladungselektrode 112 auf einer der Gasentladungselektrode 114 gegenüberliegenden Seite stehend zugeordnet ist. Bei Anlegen einer Spannung zwischen der jeweiligen Elektrode 122 und der entsprechenden Gasentladungselektrode 112 entsteht der Elek­ tronenstrahl 120, der durch die Gasentladungselektrode 112 hindurch in das Gasentladungsvolumen 116 eintritt.
Jedem Paar von Gasentladungselektroden 112, 114 ist eine er­ findungsgemäße Schaltvorrichtung 140 zugeordnet, welche je­ weils die Funkenstrecke 50 und die Kondensatoren 44 und 46 umfaßt.
Ferner ist jedem Paar 112, 114 von Gasentladungselektroden die entsprechende Energiespeicherschaltung 130 zugeordnet.
Die einzelnen Energiespeicherschaltungen 130a bis 130d arbei­ ten in gleicher Weise wie die diesen zugeordneten Schaltvor­ richtungen 140a bis 140b unabhängig voneinander, wobei bei Eintritt des jeweiligen Elektronenstrahls 120a bis 120d in das jeweilige Gasentladungsvolumen 116a bis 116d die jewei­ lige Schaltvorrichtung 140a bis 140d selbständig schaltet, um das jeweilige Paar von Gasentladungselektroden 112a, 114a bis 112d, 114d mit dem entsprechenden Stromstoß zu versorgen, in gleicher Weise wie in Zusammenhang mit dem ersten Ausfüh­ rungsbeispiel beschrieben wurde.
Um alle Elektronenstrahlen 120a bis 120d gleichzeitig einzu­ schalten, sind alle Elektroden 122a bis 122d mit einer als Ganzes mit 160 bezeichneten Versorgungsschaltung verbunden, welche über einen Schalter 162 so mit den Elektroden 122a bis 122d verbindbar ist, daß diese den entsprechenden Elektronen­ strahl 120a bis 120d erzeugen.
Bei einem dritten Ausführungsbeispiel, dargestellt in Fig. 4, umfaßt der Spannungsteiler 42′ nicht nur einen einzigen zwei­ ten Widerstand 46, sondern eine Kaskade von zweiten Wider­ ständen 46, 46′ und 46′′, denen jeweils eine Funkenstrecke 50, 50′ bzw. 50′′ parallelgeschaltet ist. Dadurch sind bei dem dritten Ausführungsbeispiel die über jeder der Funkenstrecken 50, 50′ und 50′′ anliegenden Spannungen UF, UF′ bzw. UF niedri­ ger, so daß die Funkenstrecken 50, 50′ und 50′′ bei derselben Hochspannung UH auf niedrigere Durchbruchsspannungen UDF, UDF′ und UDF′′ ausgelegt werden können. Dadurch wird eine höhere Durchbruchssicherheit der Funkenstrecken 50, 50′ und 50′′ erreicht.
Vorzugsweise sind die Funkenstrecken 50, 50′ und 50′′ dabei so dimensioniert, daß zunächst nach Fremdzündung der Gasentla­ dung 18 mittels des Elektronenstrahls 20 die an der Funken­ strecke 50 anliegende Spannung UF über den Wert UDF ansteigt und somit die Funkenstrecke 50 durchbricht und somit den Kondensator 46 überbrückt. Danach bricht die Funkenstrecke 50′ durch und überbrückt den Kondensator 46′ und schließlich die Funkenstrecke 50′′ unter Überbrückung des Kondensators 46′′, so daß danach insgesamt über alle Funkenstrecken 50′′, 50′ und 50 der Stromstoß aus der Energiespeicherschaltung zu den Gasentladungselektroden 12 und 14 fließt und die Gasent­ ladung 18 speist.
Im übrigen ist das dritte Ausführungsbeispiel in gleicher Weise ausgebildet wie das zweite Ausführungsbeispiel, so daß bezüglich der mit denselben Bezugszeichen versehenen Elemente vollinhaltlich auf die Ausführungen zum ersten Ausführungs­ beispiel Bezug genommen wird.

Claims (8)

1. Gasentladungsvorrichtung mit einem Gasentladungskanal (110), welcher zwei Gasentladungselektroden (12, 14; 112,114) und ein zwischen diesem liegendes Gasent­ ladungsvolumen (16; 116) umfaßt, mit einer über eine Schaltvorrichtung (40; 140) mit den Gasentladungselek­ troden (12, 14; 112, 114) verbundenen Energiespeicher­ schaltung (30; 130) zur Erzeugung eines zwischen einem ersten Ausgangsanschluß (34) und einem zweiten Ausgangs­ anschluß (36) fließenden Stromstoßes zum Betreiben einer Gasentladung (18) und mit einer Zündeinrichtung (20; 120) zum Fremdzünden der Gasentladung (18), dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtung (40; 140) einen zwischen den Ausgangs­ anschlüssen (34, 36) liegenden Spannungsteiler (42), um­ fassend einen ersten (44) und einen zweiten Widerstand (46), aufweist, daß dem ersten Widerstand (44) die Gasentladungselektroden (12, 14; 112, 114) und dem zweiten Widerstand (46) eine Funkenstrecke (50) parallelgeschal­ tet sind, daß der erste Widerstand (44) so dimensioniert ist, daß bei nichterfolgender Gasentladung (18) an den Gasentladungselektroden (12, 14; 112, 114) eine unter deren Durchbruchsspannung (UDK) liegende Spannung (UK) anliegt, und daß die Funkenstrecke (50) so ausgelegt ist, daß deren Durchbruchsspannung (UDF) nach Fremd­ zündung der Gasentladung (18) überschritten wird und dadurch der Stromstoß aus der Energiespeicherschaltung (30; 130) durch die Funkenstrecke (50) zu den Gasent­ ladungselektroden (12, 13; 112, 114) fließt.
2. Gasentladungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungs­ teiler (42′) eine Kaskade von zweiten Widerständen (46, 46′, 46′′) und diesen parallelgeschalteten Funkenstrecken (50, 50′, 50′′) umfaßt.
3. Gasentladungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Funkenstrecken (50, 50′, 50′′) so dimensioniert sind, daß deren Durchbruchsspannung (UDF, UDF′, UDF′′) nach Fremdzündung der Gasentladung zu aufeinan­ derfolgenden Zeitpunkten überschritten wird.
4. Gasentladungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände (44, 46) Kondensatoren sind.
5. Gasentladungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Wider­ stand (44) einerseits auf Masse liegt.
6. Gasentladungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasentladung (18) eine elektronenstrahlkontrollierte, flächenhafte Gasentladung ist.
7. Gasentladungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasent­ ladungskanal (110) ein Gasentladungskanal eines Gaslasers ist.
8. Gasentladungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiespei­ cherschaltung (30; 130) eine Kondensatorbank mit einer Vielzahl über Induktivitäten parallelgeschalteter Kon­ densatoren (32) aufweist.
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