DE2046260A1

DE2046260A1 - Verfahren zur Erzeugung von elektn sehen Entladungen in einem gasförmigen Ar beitsmedium in Hohlräumen

Info

Publication number: DE2046260A1
Application number: DE19702046260
Authority: DE
Inventors: James Patrick Lexington Mass Reilly (VStA) P
Original assignee: Avco Corp
Current assignee: Avco Corp
Priority date: 1969-09-19
Filing date: 1970-09-18
Publication date: 1971-03-25
Also published as: DE2046260B2; CA925920A; IL35314A0; US3721915A; DE2046260C3; CH524902A; GB1306746A; FR2077502A1; SE369008B; IL35314A

Description

DR. ING. E. HOFFMANN · DIPL. ING. W. UJITLE · DE KEK. Λ AT. K. HOFFMANN

PATENTANWÄLTR D-8000 MDNCHEN 81 · ARABEUASTRASSE 4 · TELEFON (0811) 911087 ^^r · 19506

18. August 1970

AVCO Corporation, Greenwich, Conn./USA

VERFAHREN ZUR ERZEUGUNG VON ELEKTRISCHEN ENTLADUNGEN IN EINEM GASFÖRMIGEN ARBEITSMEDIUM IN HOHLRÄUMEN

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine λ

Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Entladungen in einem gasförmigen Arbeitsmedium in Hohlräumen.

Derartige elektrische Entladungen können beispielsweise dazu verwendet werden, um einen Laserbetrieb zu erzeugen oder um elektrisch leitendes ionisiertes Gas für Magnetohydrodynamische Vorrichtungen (MHD) usw. oder sogar um chemische Reaktionen zu erzeugen. Die Erfindung wird im folgenden in Verbindung mit einem AusfOhrungsbeispiel zur Erzeugung eines Laserbetriebs beschrieben.

In der herkömmlichen Ausführung von bekannten statischen

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Gaslasern ist das Gas statisch in einer Röhre von ungefähr 100 cm Länge enthalten. Die Spiegel, welche die Enden des optischen Hohlraums bilden, sind entweder innerhalb der Röhre oder außerhalb von ihr angeordnet. Das Pumpen wird durch elektrische Erregung erreicht (entweder durch Radiofrequenzen oder durch Gleichstrom).

In Verbindung mit Helium-Neon-Gaslasern wurden andere Gaslaser mit Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon, Sauerstoff und Cäsium (das letztere wurde optisch auf den gasförmigen Zustand gebracht) als emittierende Atome erzeugt.

Andere Laser enthalten eine Mischung aus Kohlendioxid, Helium und Stickstoff. Ein Hochleistungsgaslaser, der Kohlendioxid, Helium und Stickstoff enthält, besteht üblicherweise aus zwei Reflektoren, die einen geeigneten optischen Resonator oder Hohlraum bilden, aus einer Röhre, die die Seitenwände des Lasers enthält, aus einer geeigneten Pump-(Anregung-)-Vorrichtung, die eine Kathode, Anode und Gleichstromquellen enthält, die mit der richtigen Polarität zwischen die Anode und die Kathode geschaltet sind, aus einer Einlaßvorrichtung, aus einer Kohlendioxid-, Helium- und Sauerstoffquelle, die mit der Einlaßvorrichtung verbunden ist, und aus einer Vorrichtung zum Absaugen der verbrauchten Gase aus dem Laser oder zur Kühlung und Trennung für eine Wiederverwendung.

Es ist bereits bekannt, daß ein Laserausgang in verschiedenen Medien verstärkt wird (d.h. in Kristallen, Halbleitern und Gasen), und zwar durch Pump- oder zugeführte Energie, um eine Inversion zu erzeugen, wobei eine große

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Anzahl der Atome in hohen Energieniveaus ist, um eine Photonenemission zu unterhalten. Eekannte Gaslaser, entweder strömende oder statische, wurden durch Verwendung einer Diffusion gepumpt oder erregt, wobei eine elektrische Entladung in einer kleinen Röhre gesteuert wurde, die unter niedrigem Druck gehalten wurde. In solchen Gasentladungsröhren (die üblicherweise einen Durchmesser in der Größenordnung von 1 cm besitzen), die bei niedrigem Druck arbeiten (ungefähr 1 bis 10 torr) .. ergibt sich ein Verlust von Elektronen-Ionen-Paaren von dem Zentrum des Plasmas zu den Seitenwänden der Röhre durch radiale Diffusion (sog. Ambipolare Diffusion von Ionen-Elektronen-Paaren). Für einen gMchmäßigen statischen Betrieb der Entladung muß der Verlust durch einen Restionisationsbetrag in dem Plasma ausgeglichen werden, v/elcher genau den Diffusionsverlustbetrag ausgleicht. Der erforderliche lonisationsbetrag bestimmt, welche Temperatur die Elektronen haben ruissen, um die Entladung zu unterstützen und welcher verwendete E/I>-T'7ert benötigt wird, um den Elektronen diese Temperatur zu geben. Für lange Röhren ist der Ε/Π-Wert durch die verwendete Spannung geteilt durch die Röhrenlänge und die Gasdichte bestimmt.

In solchen Fällen kann gesagt werden, daß die Entladung durch die Röhrenwände "ausgewogen" ist (ballasted) d.h. da eine Radialdiffusion der Elektronen-Ionen-Paare dauerhaft ist, wird ein geringes lokales Anwachsen in der Elektronendichte durch Diffusion reduziert. Dies bedeutet, daß derartige Entladungen radial und axial gleichförmig ebenso wie durchaus zuverlässig und einfach zu erzeugen sind.

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Das Plasma (neutrales Gas plus Elektronen-Ionen-Paare), das in der elektrischen Entladungsröhre enthalten ist, zielt darauf ab, es so lang radial gleichförmig zu erhalten, daß die Zeit, die für die Elektronen-Ionen-Paare erforderlich ist, um die umgebenden Wände zu diffudieren, gleich der Ionisationszeit ist, die b eispielsweise erforderlich ist, um die Elektronendichte zu verdoppeln. Da die ambipolare Diffusionszeit im allgemeinen dem Produkt des Gasdruckes und des Röhrendurchmessers,der für große Durchmesser quadriert ist, proportional ist, kann diese ambipolare Diffusionszeit unter solchen Umständen lang mit der Ionisationszeit in der Röhre verglichen werden, speziell für hohe Ionisationsbeträge, große Röhrendurchmesser und hohe Drucke. In letzterem Fall ist die Entladung nicht länger "ausgeglichen" durch die Anwesenheit der Röhrenwände, d.h. lokale Zunahmen in der Elektronendichte sind nicht sofort in den Wänden diffudiert, wo sie durch die Wandrekombination reduziert werden, etc. Lokale Ungleichförmigkeiten können entsprechend durch diese höheren Elektronendichten erzeugt werden und die beständig anwachsenden Ungleichförmigkeiten können schlechter werden. Das Ergebnis ist dann oft, daß die vorher gleichförmigen Glimmentladungen umschlagen in Lichtbogen und unbestimmte Strahlungen. Diese letztere Beschaffenheit besitzt dann oft ein Plasma, das sehr unwirksam und oft sogar für gewisse Zwecke unbrauchbar ist.

Aus dem oben Angeführten ist zu ersehen, daß in Entladungsröhren mit hohem Druck und großem Durchmesser die Tendenz zu einer lokalen Zunahme in der Elektronendichte besteht, die nicht durch Diffusion in die umschließenden Wände zu dämpfen ist. Reim Auftreten solcher Störungen kann diese

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Tendenz dadurch reduziert werden, daß der Ionisationsbetrag durch Reduzieren anwächst, was einer niedrigeren Elektronentemperatur entspricht, da der lokale Ionisationsbetrag eine Punktion der lokalen Elektronentemperatur ist. Eine niedrigere Elektronentemperatur erfordert daher, daß ein niedrigeres elektrisches Feld angelegt werden muß. Ein geeigneter Ausgleich ist aber kri tisch: Ist das elektrische Feld zu hoch, so kann dies bei einer Entladung bei hohem Druck und großem Durchmesser zu "Funken" (spoke) I

führen, ist aber ein zu niedriges elektrisches Feld angelegt, so kann die Entladung nicht in die erste Phase gestartet werden. Bei hohen Drücken wurde herausgefunden, daß eine angelegte Spannung oder ein elektrisches Feld groß genug ist, um eine Entladung zu starten, und daß es ebenfalls groß genug ist, um eine Entladung zu verursachen, die radial nicht gleichförmig ist und beispielsweise "funkt" (spoke).

Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von räumlich gleichförmig verwendbaren Entladungen in strömenden Gaslasern bei sol- J chen Druckpegeln und Größen anzuwenden, daß die Elektronen-Ionen-Paare-Diffusion durch die umgebenden Wände vernachlässigbar ist, d.h. die Entladung wird nicht durch die Wände beherrscht sondern ist eine echte Volumenentladung.

Es muß noch betont werden, daß das Verfahren und die Vorrichtung, die zan Erzeugung der erwähnten volumetrischen Entladung verwendet werden, nicht auf strömende Gaslaser - wie oben ausgeführt - beschränkt sind. Solche volumetri-

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räumlich gleichförmige Entladungen finden Verwendung in den verschiedensten Arten von Vorrichtungen, die Plasma zum Antrieb, zur Leistungserzeugung und für chemische Vorgänge verwenden.

Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung einer elektrischen Entladung in einem gasförmigen Arbeitsmedium in einem Hohlraum vorgesehen, wobei zur Lieferung der elektrischen Entladung räumlich gleichförmig über das Arbeitsmedium in einem Fall, wo es tatsächlich nicht durch Diffusion in die Hohlraumwände erreichbar ist, eine räumlich gleichförmige Dichte von freien Elektronen in dem Arbeitsmedium erreicht wird und dann die Elektronentemperatur der freien Elektronen gesteuert wird, um ihre Durchschnittsenergie zu vergrößern, ohne ihre Dichte zu vergrössern.

Bei Anwendung des Verfahrens in Lasern besitzt das gasförmige Arbeitsmedium einen höheren und einen niedrigeren Laserzustand und strömt durch einen verlängerten Hohlraum von einem Gaseinlaß zu einem Gasauslaß in einer Richtung senkrecht zu der Längsachse des Hohlraums, wobei die tatsächlich räumliche gleichförmige Dichte der freien Elektronen zu erzeugt wird, daß sie ausreicht, um eine Inversionsbesetzung in dem Arbeitsmedium zu unterstützen, wobei die Elektronentemperatur der freien Elektronen so gesteuert wird, daß ein Laserbetrieb in dem Arbeitsmedium während der Strömung durch den Hohlraum erzeugt wird.

Gemäß der Erfindung ist eine Verrichtung zur Durchführung des Verfahrens, wie es für Laser angewendet wird, vorgesehen, indem eine Gasversorgungseinrichtung vorgesehen ist, welche eine Strömung des gasförmigen Arbeitemediums

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von dem Gaseinlaß zu deir Gasauslaß des langgestreckten Hohlraums bei einer bestimmten Geschwindigkeit und bei einem bestimmten Druck erzeugt, indem eine Mehrzahl von Impulselektroden vorgesehen ist, die orthogonal zu der GasStrömungsrichtung und neben dem Gaseinlaß ausgerichtet sind, indem eine Mehrzahl von Kathodenelektroden vorgesehen ist, die orthogonal zu der Gasströmungsrichtung und neben dem Gasauslaß ausgerichtet sind, indem eine Mehrzahl von Elektroden zur" Aufrechterhaltung vorgesehen sind _r die orthogonal zu der Gasströmungsrichtung und zwischen den ausgerichteten Impuls- und Kathodenelektroden ausgerichtet sind, wobei die erste elektrische Erregungsvorrichtung einen Ausgang besitzt, der zwischen die Impulselektroden und die Kathodenelektroden zur Erzeugung einer elektrischen Entladung geschaltet ist, die die räumlich gleichförmige Dichte der freien Elektronen in dem Arbeitsmedium erzeugt, und daß eine zweite elektrische Erregungsvorrichtung einen Ausgang besitzt, die zwischen die Elektroden zur Aufrechterhaltung und die Kathodenelektroden zur Erzeugung eines elektrischen Feldes geschaltet ist, das die Elektronentemperatur der freien Elektronen steuert, um den Laserbetrieb in dem Arbeitsmedium zu erzeugen.

Die Vorrichtung enthält einen ITochleistungsströmungsgaslaser, welcher tatsächlich volumetrisch in seinem Charakter ist und der maßstäblich in allen drei charakteristischen Dimensionen ebenso wie in dem Druckpegel geändert werden kann. Eine räumlich gleichförmige Entladung wird erzeugt, wobei die Elektronen-Ionen-Diffusion in die Wände tatsächlich vernachlässigbar ist.

Während die Erfindung in Verbindung mit einem elektrisch

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erregten Stickstoff (N₃) Kohlendioxid (CO₃) und Helium (He)-Strömungslaser beschrieben ist, kann sie auch bei anderen Systemen verwendet werden, wo ein solches Plasma erforderlich ist, aber es ist nicht auf Laser mit anderen Gasbestandteilen als Stickstoff, Kohlendioxid und Helium beschränkt und ebenso nicht auf andere Lasersysteme. Eine Entladung gemäß dem Erfindungsgegenstand besitzt eine korrekte Elektronentemperatur für den wirkungsvollsten Laserbetrieb. Darüberhinaus ist eine Laserausführung gemäß der Erfindung volumetrisch in der Art, daß die geeignete Gastemperatur und die niedrigeren Laserzustandskonzentrationen nicht durch Diffusion durch das Gas in gekühlte Seitenwände erhalten werden, sondern eher durch die geeignete Wahl der Gasströmungsgeschwindigkeit.

Nähere Einzelheiten der Erfindung werden in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen im folgenden im einzelnen beschrieben. Es zeigen

Figur 1 eine perspektivische teilweise aufgebrochene Ansicht, einer Vorrichtung, in der das Verfahren gemäß der Erfindung durchgeführt werden kann;

Figur 2 eine Schnittansicht entlang der Linie 2-2 der Figur 1;

Figur 3 eine Ansicht entlang der Linien 3-3 der Figur 1;

Figur 4 eine graphische Darstellung der Elektronentemperatur als Funktion des E/N-Wertes für reines Helium, Kohlendioxid und Stickstoff ebenso wie für eine typische Gasmischung, die in elektrischen N₂/CO₂/He-

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Gaslasern verwendet wird;

Figur 5 eine graphische Darstellung der Betragskonstanten als Funktion der Elektronentemperatur für die höheren und niedrigeren Laserniveaus von CO_ und schwingungserregtem H₂; und

Figur 6A_/ B un c C graphische Darstellungen, die die Wir- g kung der Gastemperatur für verschiedene Verhältnisse der volumetrischen, freien Elektronendichte (n in dem Gas bei dem Druck P des Gases zeigen, der erforderlich ist, um Hochleistungs- und leistungsfähige, volumetrische, veränderbare Strönrangsgaslaser zu erzeugen.

In den Figuren 1 bis 3 wird ein gasförmiges Medium, das zur Erzeugung eines Laserbetriebs geeignet ist und beispielsweise eine Mischung von 16% CO₂/ 34% N. und 50% He enthält, aus einer geeigneten Quelle - wie beispielsweise einer vollen Kammer - und einem Diffusor an den Arbeitsteil des Lasers über die Gaseintrittsöffnung 11 geliefert. | Der Arbeiteteil des Lasers, der mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet ist und im allgemeinen rechteckig ausgebildet ist, besitzt einen Rahmen 13 für abnehmbare einander gegenüberliegende Decken- und Bodenaufnahmeteile 14 und 15, von denen jedes zur Aufnahme einer Vielzahl von Elektroden geeignet ist, weie sie dargestellt und weiter unten beschrieben werden. Das Arbeitsteil 12 besteht vorzugsweise aus einem elektrisch nicht leitenden Material - wie beispielsweise Glasfiber versteiftes Epoxydharz,-dessen innere Oberflächen mit einem geeigneten "non ablativen" und elektrisch nicht leitenden Material 16 - wie beispiels-

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weise Quartz - bedeckt sind. Die Decken- und Bodenteile 14 und 15 können abnehmbar sein, wie es auch dargestellt ist, um den Betrieb und eine Reparatur zu erleichtern.

Eine Vielzahl von Elektroden ist dicht in der Mitte des Deckenteils 14 gehaltert und räumlich voneinander und hintereinander angeordnet, um kollektiv als Elektroden 21 zur St romaufrechterhaltung zu dienen. Die Elektroden 21 zur St romaufrechterhaltung ragen über den.oberen Teil in Y-Richtung hinaus und sind durch den Zwischenraum von den Decken- und Bodenteilen und in dem Bodenteil 15 so begrenzt, daß ihre Enden unter die innere Fläche des Bodenteils 15 eingelassen sindü In ähnlicher Weise ist das Bodenteil dicht mit einer Mehrzahl von Elektroden versehen, die voneinander getrennt sind und die in den Oberstrom- und Unterstromteilen des Bodenteils angeordnet sind. Diese Elektroden 22 und 23 ragen durch das Arbeiteteil hindurch und in Auskerbungen 24 und 25 hinein, die durch den Rahmen 13 und den oberen Teil 14 begrenzt sind. Die Oberstromelektroden werden im folgenden Insgesamt als Impulskreiselektroden 22 und die Unterstromelektroden werden insgesamt als Kathodenelektroden 23 bezeichnet. Die Spitzen aller Elektroden sind eingelassen, um eine gleichförmige Entladung in dem aktiven Strömungsgasmedium sicherzustellen und eine Lichtbogenbildung von den Spitzen der Elektroden zu unterbinden. In den Endwänden 26 und des Rahmens 13 sind Spiegel 28 und 29 angeordnet, welche einen optischen Hohlraum oder einen Laserbereich zwischen den Elektroden 21 zur Stromaufrechterhaltung und den Kathodenelektroden 23 begrenzer Der Laeerbereich ist nicht begrenzt durch irgendeine spezifische Anbringung und kann einen durchaus großen Unterstrombereich von Elek-

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troden 22 einschließen. Die Spiegel 28 und 29 besitzen die übliche Ausbildung und sind ausreichend, um einen optischen Raum zu begrenzen, wie er aufgrund des Standes der Technik bekannt ist. Die Kathodenelektroden sind mit Erde durch Isolationselemente 31 ebenso wie mit Widerständen und/oder Kondensatoren verbunden.

Die Erregung und Inversion des gasförmigen Mediums in dem Bereich 35 zwischen den Elektroden 21 zur Aufrechtserhaitung und zwischen den Kathodenelektroden 23 ist durch ein zweistufiges Verfahren vorgesehen. Eine Hochspannungsentladung kann zwischen den Impulskreiselektroden 22 und den Kathodenelektroden 23 mittels einer herkömmlichen Hochspannungsleistungsversorgung 36 mittels eines Impulskreises 37 und eines Triggerkreises 38 vorgesehen werden. Der Impulskreis enthält beispielsweise einen Kondensator und eine Funkenstrecke mit einer Triggerelektrode (die nicht dargestellt ist), die durch einen herkömmlichen Oszillator-Triggerkreis gesteuert ist. Der Kondensator wird durch die Hochspannungsleistungsversorgungsquelle aufgeladen und ist mit den Impulselektroden über die Funkenstrecke gekoppelt. Um optimale Laserbedingungen kontinuierlich in dem Laserbereich 35 aufrecht zu erhalten, ist eine zweite Entladung zwischen dem Flektroden 21 zur Aufrechterhaltung und den Kathodenelektroden 23 mittels einer Gleichstromleistungsquelle 45 und einem Aufrechterhaltungskreis 46 vorgesehen, der eine Vielzahl von Kondensatoren enthält, die in Serie mit einem Widerstand liegen. In Verbindung mit einem geeigneten Schaltungsaufbau kann auch eine Wechselstromquelle verwendet werden. Die Kondensatoren und Widerstände, die oben angeführt sind, können auch durch Widerstände oder Induktivitäten ersetzt werden. Die er-

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wähnten Kondensatoren und Widerstände sind jeder einzeln mit der Leistungsquelle 45 und mit einer der Elektroden zur Aufrechterhaltung verbunden, um sicherzustellen, daß jedes Anoden-Kathoden-Paar etwa gleich Strom durch das Gas leitet. In einem bewährten Ausführungsbeispiel enthielt das Arbeitsteil 12 44 Impulselektroden 22, 44 Elektroden 21 zur Aufrechterhaltung und 44 Kathodenelektroden 23, wie es in Figur 1 dargestellt ist. Der Abstand zwischen den Elektroden betrug ungefähr 2,54 cm in X-Richtung und ungefähr 0,60 cm in Z-Richtung. Die Oberstromelektroden besaßen einen Durchmesser von ungefähr 0,05 cm. In diesem speziellen Fall betrug der Zwischenraum zwischen den Decken- und Bodenteilen 14 und 15 2,54 cm und der Abstand in Z-Richtung zwischen den Spiegeln 2P und 29 ungefähr 30 cm.

Die Richtung des Laserausgangs ist senkrecht zu der Strömungsrichtung des Gases und, wie in der Zeichnung angezeigt, verläuft sie in Z-Richtung. Die Richtung des Gasflusses verläuft in Y-Richtung und zwar entlang der Längsachse des Hohlraums. Der optische Hohlraum 35 ist durch die Elektroden 21 zur Aufrechterhaltung und die Kathodenelektroden 23 sowie durch die Spiegel 28 und 29 begrenzt. Entsprechend den herkömmlichen Ausführungen reflektiert einer der Spiegel,beispielsweise der Spiegel 29, bei der geeigneten Frequenz sehr stark und der andere Spiegel 28 reflektiert teilweise und ist teilweise durchlässig, um einen Austritt zu erlauben. Wie bereits ausgeführt, geht das Arbeitsgas durch den Arbeitsteil in X-Richtung hindurch, wie es auch dargestellt ist. Pas Gas kann mit einen Druck von beispielsweise 15 torr mit einer Geschwindigkeit von Mach 0,2 geliefert werden. Eine geeignete Gaszuführung (die nicht dargestellt ist) ist vorgesehen und mit dem

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Auslaß des Arbeitsteils verbunden, um den gewünschten Druck zu liefern. Es ist zu verstehen, daß ein Laserbetrieb gerade unterhalb der Elektroden 23 erhalten werden kann und daß entsprechend eine Erregung des Arbeitsmediums in einem Hohlraum oder einem Bereich vorgesehen sein kann, der von dem Arbeits- oder Laserbereich getrennt ist, wo die gewünschte Besetzungsinversion oder der Laserbetrieb angewendet wird. Wie es in den Figuren 1 bis 3 dargestellt ist, kann die vorliegende Erfindung in einem Strömungsgas- I Laser ausgeführt sein, der tatsächlich volumetrisch in seinem Charakter ist und in allen drei charakteristischen Dimensionen ebenso wie in dem Druckniveau veränderbar ist. Eine räumlich gleichförmige Entladung, wie sie vollständig später beschrieben wird, wird in dem Arbeitsbereich erzeugt, in dem eine Elektronen-Ionen-Diffusion in den VJänden in dem Strömungsgas vernachlässigbar ist. Die vorliegende Erfindung ist auch mit anderen Gasen ausführbar als denen, die in Verbindung mit dem bevorzugten Ausführungsbeispiel beschrieben sind. Eine Entladung, um ein Pumpen (Erregen) zu bewirken, ist vorgesehen, um die korrekte Elektronentemperatur für einen sehr leistungsfähigen Laser- A betrieb zu erzeugen. Darüberhinaus ist ein Laser gemäß der Erfindung volumetrisch in der Art, daß die geeignete Gastemperatur und niedrigere Laserzustandskonzentrationen nicht durch Diffusion durch das Gas in gekühlte Seitenwände erhalten werden, sondern eher durch die geeignete Wahl der Gasströmungsgeschwindigkeit.

Zwei Probleme, die in Verbindung mit der Erzeugung eines Lasermediums auftreten, welches tatsächlich volumetrisch ist und die durch die vorliegende Erfindung überwunden sind, bestehen darin, die Gastemperatur und die Entladungs-

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gleichförmigkeit zu steuern. Um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern, wird zuerst das Problem der Gastemperatursteuerung und dann die Erzeugung einer gleichförmigen Entladung im folgenden diskutiert.

In Verbindung mit der Gastemperatursteuerung wird nun zuerst ein herkömmlicher N₂-CO₂-He-Laser betrachtet, der durch eine Gleichstromentladungsvorrichtung erregt ist. In der Gleichstromentladungsröhre solcher N₂-CO₂-He-Laser wird das Gas durch Wärmediffusion in herkömmlichen wassergekühlten Seitenwänden gekühlt und durch die obenerwähnte Diffusion ebenso wie durch ambipolare Diffusion von Ionen-Elektronen-Paaren gleichförmig gehalten. Es kann durch eine einfache genau bekannte Gleichung gezeigt werden, daß in einer solchen gleichförmigen Gleichstromsituation die Energiebilanz für das Gas in der Röhre zusammen mit den thermischen Leitfähigkeiten der verwendeten Gase und dem bekannten maximal erträglichen Betrag der erlaubten Gaswärme den maximalen Wärmebetrag begrenzt, der durch das Gas in gekühlte Seitenwände in der Größenordnung von 100 bis 200 Watt pro Meter Röhrenlänge geleitet werden kann, was von der Größe des verwendeten Heliumsteils abhängt. Da der maximale Wirkungsgrad von Nj-COj-He-Lasersystemen ungefähr 40% beträgt, stellt der obenerwähnte Wärmeverlust von 100 bis 200 Watt pro Meterlänge ungefähr den maximalen Detrag der Laserleistung dar, die pro Meter aus einer gleichmäßig wandgekühlten N^-CO^He-Laserentladungsröhre erhalten werden kann. Bei tatsächlichen Versuchen wurden bis zu 75 Watt Laserleistung pro Meter Entladungsröhre bei gleichmäßigem Gleichstrombetrieb erhalten. Die oben angeführte Grenze solcher Gaslaser ist durch das Erfordernis bestimmt, daß das Gas durch die Wände der umgebenden

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Röhre gekühlt werden muß. Die axiale (x) und die radiale (r) Temperaturverteilung in einem strömenden thermisch leitenden Gas ist durch folgende Energiegleichung gegeben:

in der/⁰ = die Gasdichte, U die Gasgeschwindigkeit, C die spezifische Gaswärme,Λ= die thermische Gasleitfähigkeit, r den radiale Abstand, χ den axialen Abstand,/^ die gleichförmige volumetrisch erzeugte Wärme, T die Gastemperatur und T die Stagnationstemperatur darstellt. Das erste oder Wärmekonvektionsglied in Gleichung (1) ist das axiale Ansteigen der Gastemperatur und dies ist abhängig von dem Gasdruck und der Strömungsgeschwindigkeit. Das zw eite oder Wärmeleitungsglied (das Glied auf der linken Seite des Gleichheitszeichens) ist die Wärme, die durch das Gas an die umgebenden Wände geleitet wird; das dritte oder Wärmequellenglied ^ ist eine gasdruckabhängige volumetrische Wärmequelie.

Aus der Gleichung (1) ist zu entnehmen, daß, wenn das Wärmequellenglied ,R, durch das zweite oder Wärmeleitungsglied ausgeglichen ist, ein zulässiger Röhrendurchmesser, der druckabhängig ist, bestimmt wird, um ein überhitzen des Gases zu verhindern. Wenn das Wärmequellenglied ,X durch das erste oder Wärmekonvektionsglied in Gleichung (1) ausgeglichen ist, ergibt sich keine solche Abhängigkeit von dem Röhrenradius. Da das Wärmequellenglied und das Wärmekonvektionsglied beide proportional dem Gasdruck sind,

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heben sich derartige Gasniveauwirkungen gegenseitig auf. Ein höherer Druck erlaubt mehr Energiezufuhr in das Gas, aber es ergibt ebenso eine größere Fähigkeit des Gases, diese Energie zu speichern, bevor der Temperaturanstieg einsetzt. Soweit bei der Entwicklung der vorliegenden Erfindung allein die Massenkühlung betrachtet wird, wurde herausgefunden, daß, um die Temperatur der Gasmassen durch Strömung eher als durch Wandkühlung zu kontrollieren, es nur erforderlich ist, daß die Arbeitszeit eines Gaspartikels durch die Arbeitskammer des Lasers schnell ist im Vergleich mit der Diffusionszeit des Partikels von dem Zentrum des Mediums zu dem Wall; d.h. die thermischen Begrenzungsschichten an der Wand sind dünn verglichen mit der Höhe des Kanals.

Für eine parallele Plattenanordnung in Verbindung mit einem gegebenen Plattenabstand, einer Gasgeschwindigkeit und einer axialen Länge besteht das Kriterium für dünne thermische Pegrenzungsschichten darin, daß die Zeit für eine thermische Diffusion quer zu dem Plattenabstand lang ist, verglichen mit der Strömungszeit durch die Länge, und dies wird wiedergegeben durch folgende Beziehung:

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in der f> die Ga%ichte (direkt proportional zu dem Druck P) , c die spezifische Gaswärme (unabhängig von dem Druck P), \die thermische Gasleitfähigkeit (unabhängigfcom Druck), II der Plattenabstand, U die Gasströmungsgeschwindigkeit

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und L die axiale Länge der Platten darstellt. Für übliche Gadruckwerte P gleich 10 torr des reinen Heliums und einer Größe H von IO cm ergibt sich eine thermische Diffusionszeit von ungefähr einer Sekunde. Für eine Kanallänge L von ungefähr 100 cm und eine Strömungsgeschwindigkeit von Mach 0,1 (30 m/sec) beträgt die Arbeitszeit 0,030 see. Hieraus ist zu ersehen, daß für den angenommenen Fall die Arbeitszeit viel kürzer sein wird als die thermische Dif- -fusionszeit, was auf den dünnen thermischen Begrenzungs- ' f schichten beruht. Mit derartigen dünnen thermischen Begrenzungs schichten wird die Temperatur der Gasmengen strömungsgesteuert .

Ebenso wurde herausgefunden, daß das Vorsehen von dünnen Begrenzungsschichten, wie oben ausgeführt, nicht für die Wahl der Strömungsgeschwindigkeit ausreichend ist. Als Ergebnis einer detaillierten Studie hat sich ergeben, daß eine Anpassung der Gasströmungsgeschwindigkeit, des Gasdruckpegels, der Gastemperatur, der Elektronendichte und der Durchschnittselektronenenergie bestehen muß, um einen leistungsfähigen und volumetrisch veränderbaren Strömungs- Λ gaslaser mit hoher Leistung zu liefern, wie beispielsweise der obenbeschriebene N₂/CO₂/He-Laser.

Da nun wie beschrieben Verfahren mit einem Gasgemisch von N₂/CO₂/He entwickelt wurden, ist dies auch auf andere Lasersysteme anwendbar und es können andere Gase hinzugefügt werden, wenn es erforderlich ist oder gewünscht wird. Die bisherige Besprechung über dünne thermische Begrenzungsschichten ist wichtig als Ausgangspunkt für die Bestimmung der oben erwähnten Beziehung zwischen Geschwind±g-

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keit, Druck und Raumdimensionen.

Die Gleichung (2) kann verwendet werden, um die minimale notwendige Strömungsgeschwindigkeit durch eine gegebene Vorrichtung zu bestimmen, die bei einem gegebenen Druckpegel arbeitet, um für einen Ausgleich der Strömungskühlung gegenüber der Eingangsleistung in das Gas zu sorgen. Der Pegel, auf den die Gastemperatur zulässigerweise ansteigen darf, ist sehr wichtig und wird nun im Einblick auf die Verstärkung des obenbeschriebenen N₂/CO_/He-Strömungslaser besprochen.

Die Verstärkung eines Lasermediums ist im allgemeinen proportional der Differenz zwischen der Besetzung der höheren und niederen Laserzustände des STstems, die im folgenden mit X., und X- bezeichnet sind. Wenn das höhere Laserniveau stärker besetzt ist als das niedrige Laserniveau (X_u*>X_w dann sagt man, das Gas oder das System besitzt eine Besetzungs-Inversion und es kann im allgemeinen ein Laserbetrieb erzeugt werden.

In den Figuren 6A, B und C ist als Beispiel für eine 3/2/1 Mischung von He/N₂/CO₂ die obere und untere Lasernlveaubesetzung Xy und X, - rgesteilt, die erreicht ist in einem elektrisch erregten volumetrischen Laser bei einer gegebenen volumetrischen Elektronendichte η und einem Druckpegel P, niedrigen Laserströmungebedingungen für Gastemperaturen von 3OO°K, 5OO°K und 70O⁰K. Der elektrische Entladungsbereich und der Laserraum waren für die Zwecke dieser graphischen Darstellung zusammengefallen, obwohl es nicht im allgemeinen erforderlich ist. Bei Verwendung der in den Figuren 6A, B und C gezeigten graphischen Darstellungen

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ist zu erkennen, daß eine bestimmte Gasgeschwindigkeit gewählt werden muß, um einen übermäßigen Gastemperaturanstieg und sogar eine Unwirksamkeit in dem Laserraum mit einer gegebenen volumetrischen freien Elektronendichte η bei einem gegebenen Druckpegel P zu verhindern. Für die folgende Besprechung sei angenommen, daß die Elektronen sich auf oder in der Nähe der optimalen Elektronentemperatur für eine Lasererregung befinden.

In einer Vorrichtung gemäß der Erfindung existieren im ^

allgemeinen 5 Bereiche A bis E von Besetzungsdifferenzen. Im Bereich A ist das Verhältnis der höheren Laserniveauerregung durch Elektronen zu der De-Erregung durch Grundgasmoleküle (n /P) nicht ausreichend hoch, um für eine

ti

Besetzungsinversion zu sorgen. Entsprechend X_ ^X kann kein Laservorgang eintreten. In dem Bereich B ist das Verhältnis η /P höher als im Bereich A und Fesetzungs-Inversionen werden hervorgerufen (X₁^Xy), aber die Besetzung des höheren Laserniveaus ist nicht wesentlich grosser als die des niedrigeren Laserniveaus. Entsprechend tritt nur ein unwirksamer Laservorgang ein. Im Bereich C ist das Verhältnis η /P, wenn auch mäßig, so doch höher ä

als im Bereich B und X_ « X... Hierbei ist eine wirkungsvolle Inversion möglich und ein brauchbarer Laserbetrieb tritt ein. Die Begrenzung zwischen den Bereichen E und C ist da, wo X_T ungefähr 1-50 bis 1-halb von X₁₁ ist. Im

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Bereich D ist das Verhältnis n_ß/P größer als im Bereich C; die höhere Ni veaubesetzung Xy ist nun hoch genug, so daß die Kollisionsinaktivierung von X.. eine niedrigere Niveaubesetzung X- erzeugt, so daß wiederum die Restdifferenz zwischen X_TT und X_T ungefähr auf das reduziert wird, was

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im Bereich B existiert. Die Laserverstärkung wird entsprechend reduziert auf mindestens einen Faktor 2 gegenüber dem, was im Bereich C besteht, und es tritt nur ein wenig wirksamer Laserbetrieb auf. Im Bereich E findet keine Besetzungsinversion statt (wie im Bereich A), und zwar wegen der Existenz einer ungeeigneten Bilanz zwischen Erregungsbeträgen und De-Erregungsbeträgen.

Hieraus ergibt sich in Verbindung mit den Figuren 6A, B und C, daß eine geeignete Wahl der Gasgeschwindigkeit gemäß der Erfindung getroffen werden kann. Wenn das ankommende Gas bei ungefähr 300°K liegt (siehe Figur 6A), sind die volumetrische freie Elektronendichte η und der Mischdruckpegel P vorzugsweise so gewählt, daß das Gas oder das Arbeitsmedium in dem Laserraum im Bereich C beginnt. Wenn die Eingangsleistung in das Gas (in diesem Fall elektrische Leistung) beispielsweise bei dem niedrigen η /P-Ende des Bereichs C liegt, kann ein Anwachsen von ungefähr 400 K in der Gastemperatur nicht geduldet werden, da die Besetzungsinversion zerstört wird (siehe Figur 6C). Demgemäß muß die Strömungsgeschwindigkeit vergrößert werden, um das notwendige Gleichgewicht von elektrischer Eingangsleistung und Massenströmung so vorzusehen, daß einmal ein Anwachsen von 100 K während der Strömungszeit durch den Raum erreicht wird. Wenn dies gegeben ist, wird das Arbeitsmedium im Bereich C bei dem Hohlraum Einlaß und Auslaß sein und es ist für einen Laserbetrieb gemäß der Erfindung gesorgt. Wenn andererseits die Geschwindigkeit nicht geändert wird, dann muß das Verhältnis η /P geändert werden, um das Arbeitsmedium in dem Bereich C zu halten. Da in dem verwendeten Beispiel eine Finlaßtemperatur von

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300 K verwendet worden ist, ist es selbstverständlich, daß das Arbeitsmedium, wenn gewünscht, gekühlt oder bei niedrigen Temperaturen mit all den hierin liegenden Vorteilen eingeführt wird.

Beim Vergrößern der Gasgeschwindigkeit über diesen Punkt nimmt die Gastemperatur ab, die an dem Hohlraumausgang ankommt, und es wird nur ein geringer Zuwachs in dem Wirkungsgrad erhalten. Wenn dies eingetroffen ist, wird eine f weitere Wirkungslosigkeit unbedeutend bei einem Betrag, der direkt proportional der Strömungsgeschwindigkeit ist. Diese Wirkungslosigkeit beruht auf der Tatsache, daß die Gasströmung aus dem Laserkanal ein Laserbetrieb gewesen ist, und sogar vibrationeil erregt ist. Wenn die Energie ein Verlust in dem Lasersystem ist, dann ist diese Strömung in den Strömungslasern speziell unbedeutend, da beispielsweise das Verhältnis der Strömungsfläche zu der Spiegelfläche groß ist. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel wurde im allgemeinen in einem Bereich von 10 < η /P <10 , der als wirkungsvollster Bereich für den Vertrieb bis zu Austrittsgastemperaturen von ungefähr 60O⁰K ermittelt wurde. g

Selbstverständlich wird ein Vergrößern der Strömungsgeschwindigkeit von einem Minimalwert den volumetrischen Gesamtlaserwirkungsgrad in dem Raum nur bis zu dem Punkt erhöhen, wo die Gastemperatur an dem Laserausgang auf einem solchen Wert gehalten wird, daß die Verstärkung tatsächlich nur proportional der höheren Niveaubesetzung Xy ist; dies ergibt nur eine geringe Reduktion in der Verstärkung, die beispielsweise auf der Anwesenheit einer begrenzten niedrigeren Niveaubesetzung X- beruht. Ein weiteres Erhöhen der Strömungsgeschwindigkeit reduziert

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X_L auf O, aber - wie bereits oben auegeführt - resultiert dies in einem unerwünschten Anwachsen der Strömung von vibrationen erregtem Gas außerhalb des Ausgangs des Hohlraumes. In Strömungslasern, wo dieser letztere Energieverlust ein merklicher Teil des Laserausgangs ist, wird die Strömungsgeschwindigkeit erreicht, die für den maximalen Laserwirkungsgrad benötigt wird; das Anwachsen des Laserwirkungsgrades (durch Erzeugen einer geringeren niedrigeren Niveaubesetzung X_), die aus einer vergrößerten Strömungsgeschwindigkeit resultiert, wird gerade durch die Abnahme des Laserwirkungsgrades aufgehoben, der auf dem resultierenden Vergrößern in der Konvektion des Lasers der oberen Niveaubesetzung X„ beruht. Bei diesem Punkt ist die Strömungsgeschwindigkeit optimal für den Laserwirkungsgrad gemäß der Erfindung, da die erforderliche Anpassung der elektrischen Eingangsleistung und der Gasmassenströmung vorgenommen ist.

Bisher ist angenommen worden, daß der Druck P ungefähr konstant bleibt, und daß die elektrische Entladung, die die Erregung erzeugt, eine gleichförmige Entladung geblieben ist. Bei der Entwicklung der Erfindung ergab sich, daß räumlich gleichförmige Entladungen, die im folgenden genau so wie ihre Verwendungszwecke noch im einzelnen genauer beschrieben werden, einen leistungsfähigen Hochleistungslaserausgang bis ungefähr zu dem Punkt erzeugen, wo genügend elektrische Energie dem Gas durch die Entladung hinzugefügt worden ist, um die Anfangsgastemperatur auf eine Grenze (ungefähr 600° bis 70O⁰K für das hier beschriebene Ausführungsbeispiel' lurch Joule'sehe Wärme des Gases in der Entladung in der Zeit zu erhöhen, die für einen diskreten Teil des Gases benötigt wird, um durch

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den Laserteil hindurchzufließen (Strömungszeit). Es ist bekannt, daß diese Gastemperaturgrenze verträglich ist mit der obenerwähnten Strömungsgeschwindigkeit/Gastemperatur-Beziehung.

über die erwähnte augenscheinliche Grenze für einen maximal erhaltbaren Wirkungsgrad hat sich ergeben,/die Entla-/daß dung ungleichförmig wird, und daß während der Laserbetrieb nicht aufhört, das Verfahren weniger leistungsfähig wird. ä

Diese Grenze steigt, wie bereits oben angeführt, mit zunehmendem Druck und einer zunehmenden Gasgeschwindigkeit an. Wenn der Druck, die Strömungsgeschwindigkeit und die Skalengrößen gemäß der Erfindung vergrößert sind, kann mehr und mehr Leistung dem Gas zugefügt werden, wodurch noch eine gleichförmige Entladung und sogar ein leistungsfähiger Hochleistungslaserbetrieb bei höheren und höheren Ausgangspegeln geliefert wird.

Für gegebene Betriebsbedingungen unterhalb der Grenze von erreichbaren, räumlich gleichförmigen Entladungen hängt die Wahl der Strömungsgeschwindigkeiten von Parametern ab, die zu dem Laserraum gehören, was später noch ausführli- ™

eher beschrieben wird. Im Falle eines geschlossenen Kreisprozeßbetriebes bei Strömungslasern vergrößert sich beispielsweise die Leistung, die erforderlich ist für die Vorverdichter und Pumpen, die für den Rücklauf des Gases durch den Laserraum und die Kühlmittel benötigt werden, mit dem Kubik der Strömungs-Mach-zahl. Hieraus ergibt sich dann, daß die Pumpenleistungsanforderungen für ein geschlossenes Kreislaufsystem angeben, daß eine niedrige Machzahl wünschenswert ist. Für eine Machzahl von 0,2

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ist die Pumpenleistung, die erforderlich ist, um den Druckverlust zu tiberwinden, ungefähr nur 1/50 der Ausgangsleistung, die aus dem N.-COj-He-Raum gewonnen wird, während bei einer Machzahl von 2,0 die erforderliche Pumpenleistung mindestens 20 mal die Laserausgangsleistung beträgt. Für einen offenen Kreislaufbetrieb sind hohe Strömungsgeschwindigkeiten nicht unbedingt nachteilig. Hohe Strömungsgeschwindigkeiten (über einer Machzahl von 1,0 für ein offenes Kreislaufsystem) können vorteilhaft sein und ermöglichen einen Druck in dem Laserraum von weniger als einer Atmosphäre, wobei dann das Arbeitsmedium direkt an die Atmosphäre abgegeben wird.

Versuche, die in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurden, haben ergeben, daß ein Machzahlbereich von 0,05 bis 0,6 für einen leistungsfähigen Laserbetrieb angemessen ist.

Da die Notwendigkeit zur Lieferung einer gleichförmigen Entladung bereits oben aufgezeigt wurde, kann eine Strömung für eine Gastemperatursteuerung in den obenaufgezeigten Grenzen eine Dimensionsänderung unabhängig von dem Druckpegel ermöglichen. Gleichzeitig ergibt sich der Vorteil, daß in einer Vorrichtung mit einer festen Dimension, die eine geeignete Strömungsgeschwindigkeit für die Gastemperatursteuerung verwendet, ein Anwachsen des Druckpegels gleichzeitig ein Anwachsen in der Ausgangsleistung des Lasers erlaubt. Bei solchen hohen Drücken muß die Entladung gleichförmig bleiben und darf sich nicht in Lichtbogen, unbestimmte Strahlungen und/oder Funken verändern. Darüberhinaus muß die Entladung bei derartig hohen Drucken in der Lage sein, ohne Funkenbildung das elektrische Feld

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aufrechtzuerhalten, das für einen Laserbetrieb erforderlich ist.

In der Literatur existieren Daten für die Durchschnittselektronenenergie (die dort als Elektronentemperatur bezeichnet wird), die in elektrischen Entladungen bei einzelnen Gasarten wie beispielsweise reines N«, CO-, He usw. erzielt wird. Wie sich in Verbindung mit der Entwicklung der vorliegenden Erfindung ergeben hat, können diese Daten f verwendet v/erden, um die Elektronentemperatur in einer Gasentladung vorauszusagen, die beispielsweise eine Mischung aus einzelnen Gasarten enthält,. Dieses Verfahren geht von der Tatsache aus, die oben als Energiegewinn und -verlust für eine Elektronen-Atomkollision in einem angelegten elektrischen Feld beschrieben worden ist. Wenn die Daten der Elektronentemperatur T und die Driftgeschwindigkeit Wj vs E/N für jedes Gas gegeben ist, kann die Berechnung von T und W, vs E/N für jede Gasmischung durchgeführt werden. Die Elektronentemperatur für reines N₃, CO₂, He und eine Mischung aus 16% CO₃, 34% N₃ und 50% He, die in Verbindung mit der angeführten Berechnung erhalten g

worden sind, sind in Figur 4 dargestellt. Irgendein Gas oder eine Kombination von Gasen wie beispielsweise CO, NO, H2_r Ar, NO₃, N₂O usw. kann tatsächlich in der obenbeschriebenen Art behandelt werden und weitere Gase hinzugefügt werden, wenn es erforderlich ist oder gewünscht wird.

Da als Ausgangspunkt abgeschlossene, diffusionsbeherrschte Ng-COj-Laser verwendet wurden, hat sich ergeben, daß ein Verhältnis der N₂ zu den CO₂-Drücken von ungefähr 2:1 das Optimum für die Ausgangsleistung war und daß mehr Helium als N₂ oder CO₃ verwendet wurde. Eine Mischung zwischen

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10% und 50% Helium mit dem verbleibenden Gas, das aus zwei Teilen N₂ zu einem Teil CO₂ besteht, wurde als ausreichend befunden·

Die Querschnitte für eine direkte Erregung der oberen und unteren Laserpegel von CO₂ durch Elektronenstöße wurde zusammen mit diesen für eine Schwincfungserregung von N₂ angezeigt. Diese Querschnitte, die in Erregungsbeträge umgewandelt sind, sind in Figur 5 dargestellt. Figur 5 zeigt, daß Elektronentemperaturen in der Größenordnung von 0,8 bis 1,50 Elektronenvolt das Optimum für direkte Erregung der oberen Laserpegel von CO₂ (der 001 Zustand) ist, und das Optimum für den ersten Schwingungspegel von Ν« (V^l) ist, der die Energie auf den CO₂-OOl-Zustand überträgt.

Für die obenangegebene Mischung ergibt ein E/N-Wert von ungefähr 1-3 χ 10 Volt pro Zentimeter pro Partikel pr Kubikzentimeter eine Elektronentemperatur von ungefähr

Hieraus ergibt sich, daß für einen optimalen Betrieb des N₂-CO₂-Systems beispielsweise der bevorzugte Betriebsbereich der ist, wo der Betrag des Energieverlustes aus den Elektronen in der Entladung dominierend ist, was auf der Schwingungserregung des N₂ und des CO₂ beruht, und daß entsprechend die Elektronentemperatur fest bei ungefähr 1 eV liegt. Diese Anforderung 1st aber mindestens in einigen Fällen unverträglich mit der Anforderung in einem Gleichstrom-Diffusionsbeherrschten Laser, wo aus Gründen der Entladungsgleichförmigkeit alt» Produktionsrate von Elektronen exakt den Restbetrag des üiektronenverlustee ausglei chen muß. Wo dies der Fall let, ist die Elektronentemperatur mit dem Druckpegel und der Röhrengröße verbunden und

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nicht notwendigerweise 1 eV.

Bei Verwendung von zwei Entladungspumpen-(Erregungs-)Verfahren wird die obige Begrenzung durch Verwendung von zwei aufeinander folgenden elektrischen Entladungen in dem Gas umgangen, wenn es durch den Kanal fließt.

Die erste Entladung erzeugt die Elektronendichte, die nur einen geringen Energiebetrag verbraucht, während die zwei- | te Entladung eine Spannung vorsieht, um den Elektronen eine genügend hohe Temperatur für einen Laserbetrieb zu geben, die aber nicht hoch genug ist, um ein angemessenes Vergrößern in der Elektronendichte zu erzeugen. Die zweite oder die Entladung zur Aufrechterhaltung setzt den Hauptenergiebetrag direkt in das Gas um, wie es erwünscht ist. Im Fall von N₂-CO_-Lasern wird die Fnergie in das höhere Laserniveau von CO« und in eine Rtickstoffschwingung umgesetzt, wobei die optimale Elektronentemperatur den optimalen Laserwirkungsgrad sicherstellt. Durch die erste Entladung wird eine gleichförmige Elektronen-Ionen-Wolke erzeugt; diese Wolke bleibt gleichförmig während der Zeitdauer der zweiten Entladung und zwar so lang, bis die f zweite Entladung noch nicht schnell genug Elektronen erzeugt. Wenn der Pegel der zweiten Entladung oder der Entladung zur Aufrechterhaltung den Punkt erreicht, wo ebenfalls eine schnelle Ionisation auftritt, können Entladungsungleichförmigkeiten auftreten. Das Vorsehen einer zweiten Entladung oder einer Entladung zur Aufrechterhaltung, die vorgesehen ist, um die Elektronen langsam zu erzeugen, resultiert in der Erhaltung einer stabilen Gleichförmigen Entladung für einige Strömungszeiten. Die geringe Erzeugung von Elektronen durch die zweite Fntladung gleicht

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in etwa den Elektronenverlust aus, der durch die erste Entladung erzeugt wird und auf einer Strömung und den HSkombinationselektronenverlusten beruht; sie muß den Ionisationspegel nicht wesentlich vergrößern, da dies eine ungleichförmige Elektronendichte, wie beispielsweise einen Lichtbögen, ergibt.

Gemäß der Erfindung ist für einen Strömungsgaslaser für eine räumlich gleichförmige Entladung bei einer optimalen Elektronentemperatur gesorgt, die für einen leistungsfähigen Laserbetrieb bei beliebigen Druckpegeln und physikalischen Größen erforderlich ist. Obwohl die Erfindung hierauf nicht beschränkt ist, kann sie doch für die obenerwähnte zweistufige Entladung verwendet werden; diese sieht vorzugsweise zuerst eine schnelle Ilochspannungsentladung vor, welche eine gleichförmige Elektronendichte erzeugt, die sich üb "licherweise in volumetrischen Vorgängen während des Ausströmens aus dem Kanal erschöpfen würde und nicht geeignet ist, einen leistungsfähigen Uochleistungslaserbetrieb zu erzeugen. Eine zweite Entladung niedrigerer Spannung ist vorgesehen, durch die Elektronen, die durch die erste Entladung erzeugt sind, die nötige Elektronentemperatur für eine optimale Lasererregung erhalten, ohne daß eine wesentliche Vergrößerung in der Elektronendichte auftritt.

Die Erfindung ist auch nicht auf die dargestellte und beschriebene Vorrichtung beschränkt; beispielsweise können andere Verfahren und andere Vorrichtungen zur Durchführung der Anfangselektronendichte verwendet werden, wie beispielsweise ultraviolette Strahlung, eine hochenergetische Elek-

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tronenstrahlung, Protonen usw., die durch eine Elektronenstrahlvorrichtung geliefert werden, um einen oder mehrere Elektronenstrahlen einzuführen, um eine Ionisation des gasförmigen Mediums zu erzeugen, wie sie für die angegebenen Zwecke obenausgeführt sind. Unabhängig davon, ob die Elektronen auf die obenbeschriebene Art und Weise oder auf eine andere geeignete Weise erzeugt werden, müssen sie auf die korrekte Elektronentemperatur durch den E/N-Wert erhitzt werden, der durch die Entladung zur Aufrechterhai— tung angelegt ist. In den Figuren 1 bis 3 ist eine Vorrichtung dargestellt, die gegenüber ihrer tatsächlichen Ausführung erheblich verkleinert ist und die die obenbeschriebene zweistufige Impuls-Aufrechterhaltungsentladung in einer gasförmigen Mischung von N₂, CO_ und He verkörpert.

Wegen der ziemlich hohen Spannungen, die für den Impulskreis erforderlich sind, der dargestellt und für die Erzeugung einer ersten Entladung beschrieben ist, müssen ausreichende Spannurigsabstände zwischen den Oberstrom-und Unterstromelektroden vorgesehen sein, um einen Stromfluß in dem Gas nur in der geeigneten Richtung in dem Impulskreis sicherzustellen. Bei Lasern kann,dies, wie bereits vorher beschrieben, beispielsweise durch Herstellung eines Arbeitsteiles aus kräftigen, elektrisch nicht leitenden Material, wie beispielsweise Fiberglas, erreicht werden, das mit Epoxidharz imprägniert ist. Da Laser der beschriebenen Art veränderbar sind, können große Kanäle verwendet werden- und für den Aufbau metallische Wände erforderlich sein. In diesen Fällen müssen die inneren Flächen mindestens in dem Bereich der Entladung mit einem geeigneten nicht leitenden Material, wie beispielsweise Quartz und

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so ähnlichem, armiert sein.

Wenn metallische Spiegel verwendet werden, ist es wichtig, daß sie nicht zu eng zu dem Entladungsbereich angeordnet sind, da die Elektroden neben den Spiegeln eher dazu neigen, sich in sie zu entladen als in das strömende Gas, wie es gewünscht ist. Demgemäß ist ein ausreichender Spannungs abstand der Spiegel von der Entladung erforderlich, um eine unerwünschte Entladung in die Spiegel zu verhindern. Eine Entfernung der Spiegel von den Elektroden auf ungefähr 1 oder 2 Anoden-Kathoden-Abstände ergab sich als ausreichend. Das Gas in dem Bereich zwischen den Spiegeln und den Elektroden kann strömen, zurückzirkulieren oder einfach statisch sein, obwohl ein Strömendes Gas bevorzugt wird.

Wichtig ist auch, daß die Richtung des Stromflusses, wie in Figur 1 dargestellt, parallel zu der Gasströmungsrichtung (in der X-Rlchtung) verläuft. Diese Anordnung wird daher bevorzugt, da sie das Problem eines Entladungsausbruchs vermeidet. Eine Entladung, die senkrecht zu der hohen Gasströmungsgeschwindigkeit getroffen wird, verläuft nicht direkt senkrecht zu dem Anoden-Kathoden-Spalt, sondern der Strompfad wird nach abwärts geblasen, und zwar ist die Gasgeschwindigkeit umso höher, je größer die Strompfadverzerrung ist. Ea ist nun offensichtlich, daß bei Strompfaden, die parallel zu dem Gasfluß gemäß der Erfindung gewählt sind, dieses Problem nicht auftreten kann.

Wenn die Elektrodenachfen beispielsweise in Z-Richtung gewählt sind, wenn auch der Stromfluß in der X-Richtung auf-

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rechterhalten wird, zielen die resultierenden Stromflachen und die zugehörigen Gasdichtegradienten darauf ab, Brechungseffekte in den Laserstrahlen in dem Raum zu verursachen, wodurch sich ein geringwertiger Laserausgangsstrahl ergibt, da er nicht das beste Fokusierungsvermögen enthält. Es ist daher eine Orientierung der Elektrodenachsen in Z-Richtung brauchbar, aber die Orientierung der Elektrodenachsen in Y-Richtung ist vorzuziehen, da sie die oben erwähnten Brechungsprobleme und die damit zusammenhängenden i Schwierigkeiten beseitigt.

Der Querelektrodenabstand (der Abstand zwischen den Elektroden in Z-Richtung) ist so zu wählen, daß die ambipolare Diffusion in der Z-Richtung gerade ausreicht, um benachbarte Stromflächen zu verursachen, um sogar bei hohen Drucken und hohen Stromgeschwindigkeiten so aufzugehen, daß die gesamte Gasströmung durch den Arbeitsbereich dem ErregungsVorgang unterzogen ist und hierdurch für den Laserbetrieb verwendbar gemacht ist. Für einen gegebenen Fall kann ein· geeigneter Querabstand (Z-Richtung) durch Verwendung der ambipolaren Diffusionszeit des Anoden-Kathoden-Abstands und der Elektrodendurchmesser berechnet werden. "

Die Kathodenelektroden besitzen eine höhere Spannungsspitze während-' des Betriebs und liefern dementsprechend eine größere Wärme als die Anodenelektroden. Aus diesem Grund sind die Kathodenelektroden ungefähr an dem Ausgang des Laserräums unterhalb der Anoden-Elektroden angebracht. Eine derartige Anordnung hat den Vorteil, daß eine kühlere Gasteirperatur für das Lasermedium in den Arbeitsbereich geliefert wird und daher ein leistungsfähigeres Laserver-

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fahren ergibt. Bei den tatsächlichen Tests traten keine Entladungen auf, die gerade einen Grenzwertlaserbetrieb mit der in Figur 1 dargestellten Ausführung erzeugen würden, um insgesamt einen Laserbetrieb zu erzeugen, wenn die Kathoden oberhalb des Laserraums oder des Arbeitsbereichs angebracht sind.

Die Elektroden besitzen eine zylindrische Form und sind, wie oben beschrieben, in den Wänden des Arbeitsbereichs eingebettet, um sicherzustellen, daß eine gleichförmige Entladung von den zylindrischen Oberflächen zwischen den Anoden und Kathodenelektroden auftreten werden wird. Wenn die Spitzen der Elektroden nicht geschützt sind, beispiels weise durch ein Einbetten in den Wänden, ist vorzugsweise eine Entladung von den Spitzen der Elektroden zu erwarten, was dann eine räumlich ungleichförmige Entladung und folglich auch schlechte Laserqualitäten ergibt.

Die Ausbildung der Elektroden ist nicht auf zylindrische Elektroden beschränkt, sondern es können auch andere Elektrorienkonfigurationen verwendet werden. Beispielsweise können stromlinienförmige Elektroden mit polierten Oberflächen (die nicht dargestellt sind) verwendet v/erden. Eine aerodynamische Ausbildung besitzt den Vorteil, daß der Druckabfall reduziert wird, der auf dem aerodynamischen Widerstand der Elektroden beruht. Die Elektroden sollen so nahe wie möglich angeordnet sein, was sich dann auf die gesamte Elektrodenanordnung auswirkt und eine "Hohlkathode" bewirkt, wodurch ultraviolette Strahlung möglich wird; dies kann dazu verwendet werden, den Flektro nenabtransport von den Metalloberflächen gegenüber dem von den Kathodenspannungsspitzen zu vermehren. Die größe-

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ren Emittierungsflächen der stromlinienförmigen Elektroden liefern den zusätzlichen Vorteil, daß sie die Stromemission unterstützen, wodurch niedrigere Kathodenspannungsspitzen erforderlich sind. Als Material für die Elektroden ist Wolfram und Kupfer geeignet. Wie zu erwarten, besitzen Wolfram und andere schwer schmelzbare Metalle eine viel größere Lebensdauer wegen ihrer hohen Ableitungstemperatur und wegen ihrer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit. I

Um sicherzustellen, daß jedes Anoden-Kathoden-Paar in dem Stromerhaltungskreis Strom führt, besitzt ein< jedes derartiges Anoden-Kathoden-Paar vorzugsweise seinen eigenen Kondensator als Energiequelle. Die Sicherheit, daß jedes einzelne Elektrodenpaar Strom führen wird, kann durch eine starke Belastung jedes Elektrodenpaares mit großen Widerstandelementen und durch ein Betreiben aller Elektroden mit einem einzigen großen Kondensator oder sogar direkt von einer Leistungsversorgungsguelle. Die letztere Annäherung besteht im allgemeinen in dem Leistungsabfall, der auf der ohmschen Dämpfung in den großen Ballastwiderstän- den beruht, die erforderlich sind. Beide angeführten Verfahren können verwendet werden, entweder also andere Schaltkreisanordnungen und Elemente oder auch beispielsweise Induktivitäten anstelle von oder in Verbindung mit den Widerstands/Kondensator-Kombinationen, dessen Wahl durch die spezifische Anordnung bestimmt wird. Die Kapazitäten für die Anoden-Kathoden-Stromerhaltungskreise besitzen eine solche Größe, daß sie nicht merklich entlastet werden, wenn der ßtromerhaltungskreis auf Impulsbasis arbeitet. Eine Abnahme von 5 bis 10% der Anfangsspannung wurde als

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ausreichend befunden. Die Stromversorgungsquelle, die die übliche Konfiguration besitzt, muß genügend Kapazität besitzen, um die Stromerhaltungskondensatoren wiederaufzuladen, bevor der nächste Stromimpuls von den Kondensatoren gefordert wird. Demgemäß ist die geforderte Belaßtungszeit durch die von den Entladungsimpulsen beanspruchte Wiederholungsfrequenz bestimmt. Dies wiederum hängt von der Art der Verwendung ab, in der ein Laser gemäß der Erfindung eingesetzt ist. Hohe Impulswiederholungsfrequenzen ergeben im allgemeinen einen Gleichstromlaserausgang, während niedrige Wiederholungsfrequenzen, wie sie in einigen Anwendungsbeispielen erforderlich sein können, einen gepulsten Ausgang erzeugen. Eine Aufrechterhaltung einer Entladung in der Größenordnung von Millisekunden wurde als ausreichend befunden, da die Induktivität des Schaltkreises auf sehr geringe Spannungsspitzen ansteigt. Die Spannung, die notwendigerweise an den Stromerhaltungskapazitäten angelegt wird, ist begrenzt durch die Berücksichtigung des bereits oben erwähnten E/N-Wertes ebenso wie durch die Kathoden und Anodenspitzen, die bei einer vorgegebenen Elektrodenanordnung, einem bestimmten Material einer Oberflächenbedingung, einer bestimmten Stromdichte und Druckpegel gemessen sind.

Während die Anforderungen an die Druckpegel, die Gasbestandteile, den Elektrodenabstand und die Elektronentemperatur durch die erforderliche Spannungsspitase an der positiven Entladungssäule vorgegeben ist, kann die tatsächliche Spannung, die an den Kondensatoren in dem Stromerhaltungskreis anliegt, einige JOO Volt höher sein als an den Elektrodenspitzen. Wenn uie Änderung der Laser- und

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und Betriebsbedingungen derart ist, daß Spannungen in der Größenordnung von Kilovolt ermittelt werden, die für einen Laserbetrieb notwendig sind, dann sind natürlich Elektrodensptitzen von 100 Volt unwichtig. Wenn aber ermittelt wird, daß nur 100 Volt an der positiven Entladungssäule erforderlich sind, wird irgendein Erfahrungswert benötigt, um die geeignete Kondensatorspannung zu liefern.

Der Impulskreis enthält die bereits erwähnten Impulsanoden- | und Kathodenelektroden. Eine der bekannten Hochspannungsleistungsquellen 1st mit einem Ladekreis gekoppelt, der mit den Impulskreisanoden über einen Triggerkreis verbunden ist. Die Impulskreisversorgungsquelle enthält eine der bekannten Gleichstromspannungsquellen, die in der Lage ist, 1-20 kV oder mehr zu liefern. Der Ladekreis ist mit einer Versortmgsquelle gekoppelt und enthält einen Kondensator in Serie mit einem Begrenzungswiderstand (der nicht dargestellt ist). Der Triggerkreis enthält eine der üblichen Funkenstrecken, (die nicht dargestellt ist) in Verbindung mit einer Triggerelektrode, die mit einem Oszillator oder etwas ähnlichem verbunden ist, der geeignet ist, die gewünschte Impulsspannung, die Impulslänge und Wie- %

derholungsfrequenz zu liefern. Die Form von schnellen Hochspannungsimpulsen (d.h. die Ansteckszeit, die Abfallzeit und die Spannung- und Stromamplitude) hat sich als wichtig für den Laserwirkungsgrad unter einigen Betriebsbedingungen herausgestellt, bei denen eine geglättete Impulsform durch den Einschluß von Impulsformwiderständen (die nicht dargestellt sind) in dem Impulskreis beeinflußt werden kann. Geeignete Vierte dieser Widerstände verändern sich beispielsweise mit dem Druckpegel in dem Laserkanal und mit der Impulskreiskapazitet (der Energiespeicherung).

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Da das Arbeitsgas in den Arbeitsbereich mit Machzahlen von ungefähr 0,05 bis 0,60 und mit Druckbeträgen von 5-50 torr eintritt, passiert es die Hochspannungsimpulselektroden, die auf einer Hochspannung von beispielsweise 1 bis 20 kV gehalten sind. Gerade bei diesem Punkt (bei oder gerade unterhalb der Impulsanodenelektroden) ist es, daß die erforderliche anfänglicher räumlich gleichförmige Elektronendichte erzeugt wird. Die Elektronen, die auf diese Weise zusammen mit dem Plasma-gleichgewicht erzeugt werden, das durch die Impulskreisentladung erzeugt wird, geht durch die Erhaltungsanodenelektroden hindurch, wo die Elektronen auf die Elektronentemperatur erhitzt werden, die für das Gas erforderlich ist, das so verwendet wird, daß im Fall einer lU-COg-Fe-Gasmischung beispielsweise die unteren Laserpegel von ^TJ_? und C0_ vorzugsweise durch riektronenstoß für einen maximalen Laserwirkungsgrad erregt sind. Für einen Laser oder Oszillator wird die Laserenergie auf herkömmliche Feise mittels der Spiegel gewonnen, die an jedem Fnde des Raumes angeordnet sind, der durbh die Stroir.erbaltungs- und Grundelektrodcn und die Seitenwändo des Rahmens begrenzt ist. Für einen Verstärker können die Spiegel durch entsprechende Fenster ersetzt werden, um zu ermöglichen, daß der erforderliche Lichtstrahl durch den Fohlraum hindurchgeht und in üblicher Weise verstärkt wird.

die Spannung des Stromerhaltungskreises auf bewährte Weise bei Spannungen in der Größenordnung von 1000 Volt oder weniger betrieben worden ist und kontinuierlich angelegt werden kann, kann die Iir.pulskreisspannung ohne Beeinträchtigung der Gleichförmigkeit in der Entla-

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dung bei einer Frequenz von beispielsweise 100 Impulsen pro Sekunde mit einer Impulsbreite von 20 bis 100 nfec bis zu einer Anstiegszeit von 1 Mikrosekunde und einer Abfallzeit von einigen Mikrosekunden angelegt werden. Ein ausreichender Eetrieb kann in Verbindung mit der Impulskreisspannung aufrechterhalten werden, die nur so kurz angelegt wird, wie zwei oder drei Strömungszeiten betragen, d.h. die Zelt, die das Gas braucht, um von den Stromerhaltungsanoden zu den geerdeten Kathodenelektroden zu ' fließen. Zeitänderungen in der obenangeführten Größenordnung sind bei anderen Gasen zu erwarten, beispielsweise bei CO₂, NO, N₂O, NO₂, SO₃,HCL, HBr, HI, HF, Ar U.a.-

Bei Testversuchen hat sich ergeben, daß für den N₂-CO₃-He-Laser, auf den sich die obigen Ausführungen beziehen, mit einem einzigen Impulskreiskondensator von 0,003 Mikrofarad ein optimaler Laserbetrieb bei Impulsspannungen von 15 kV (an einem 5 cm Spalt in X~Richtung) bei einem Druck von 15 und 30 torr und bei einer Impulsspannung von 20 kV für 45 torr auftrat. Die erforderliche Impulskreisspannung hängt wenigstens zum Teil von der Größe des Spaltes ab. Hierbei ergab sich, daß ein Vergrößern des Impulskreiskondensator um einen Faktor 7 und ein Vergrößern der ImpulskAseingangsenergie um einen Faktor 7 die Stromerhaltungseingangsenergle vergrößerte und sogar die Laserausgangsleistung um einen Faktor 2 vergrößerte. In diesem Fall wird das gesamte System weniger leistungsfähig, da eich die Eingangsimpulsenergie der Stromerhaltungseingangsenergie nähert. Es ergab sich weiterhin, daß in dem Anfangsteil des StromerhaLbungsimpulses höhere Ströme vorhanden sind, was auf der höheren Anfangselektronendichbe

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beruht, die durch den Impulskreis erzeugt wird. Da diese Elektronen durch Volumenrekombinationen verschwinden, fällt der Erhaltungsstrom und schließlich erlischt die aufrechterhaltene Entladung. Die Laserstrahlung zeigte eine Anfangsdauer von ungefähr 10 bis 30 Mikrosekunden, wo noch kein Laserbetrieb eingesetzt hatte. Dann mußte eine Schwelle überschritten werden und der Laser schaltete an. Dann folgte der zeitliche Verlauf der Laserausgangsspannu ng nahe dem zeitlichen Verlauf des Eingangsstroms.

Als Beispiel sind Betriebsparameter für ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung in Tabelle 1 unten aufgeführt.

Tabelle 1	bis	30%
Positiver Laserwirkungsgrad	10,
Ausgangswellenlänge	4%
Ausgangskoppelung
Gepulste Spitzenausgangs-	50	bis
leistung

Wiederholungsfrequenz Pulsbreite (Impulsschaltkreis)

Impulsbreite
kreis)

(Stromerhaltungs-

Gaszusammensetzung
Fingangsdruck
Eingangsgeschwindigkeit Größe des Laserraumes

Elektroden

1 bis 1OO Impulse/aec

20 bis 100 nsec (bis einige Mikrosekunden)

34IN₂, 50% He

bis 6 msec

16% CO.

15 Torr (15 bis 45 Torr) 0,2 Mach (0,05 bis 0,6 Mach)

2,54 cm breit χ 2,54 cm hoch χ 30 cm lang

44 Wolframimpulsestromanoden 44 Wolframstromerhaltungs-

anoden
44 Wolframkathoilen

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Inipulsschaltkreis:

Hochspannungsquelle 20 kV bei 1 mA

Belastungswiderstände 50 Kilbis 500 I

Impulsformerwiderstände 720 SL

Energiespeicherkondensator 0,003 bis 0,030/».F

Funkenstrecke unter Druck 0,60 cm Spaltweite

Triggerschaltkreis 1-100 Imp/sec

Stromerhaltungskreis:

Versorgungsquelle 3 kV bei 6 A

Widerstände 20 K SL

Kondensatoren C

Belastungswiderstand für

jedes Flektrodenpaar ?00 £L

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Claims

Patentansprüche

I)) Verfahren zu ι Erzeugung einer elektrischen Entladung in einem gasförmigen Arbeitsmedium in einem Hohlraum, dadurch gekennzeichnet , daß zur Lieferung der elektrischen Entladung, die räumlich gleichförmig über das Arbeitsmedium in einem Fall verteilt ist, in dem die Entladung nicht durch Diffusion durch die Raumwände erreichbar ist, eine räumlich gleichförmige Dichte freier Elektronen in dem Arbeitsmedium erzeugt wird und die Flek-tronentemperatur der freien Elektronen gesteuert wird, um ihre Durchschnittsenergie zu vergrößern, ohne hierbei ihre Dichte zu vergrößern.
2) Verfahren nach Anspruch 1) dadurch gekennzeichnet , daß die Steuerung der Elektronentemperatur das Niveau und die Gleichförmigkeit der Dichte und der Temperatur des Arbeitsmediums auf einem Wert aufrechterhält, welcher Lichtbogen in dem Arbeitsmedium verhindert.
3) Verfahren nach Anspruch 1) oder 2), dadurch gekennzeichnet , daß die Erzeugung der räumlich gleichförmigen Dichte von freien Elektronen und der Steuerung der Elektronentemperatur zu der Zeit ausgeführt werden, wo das gasförmige Arbeitsmedium durch den Hohlraum hindurchgeht.
4) Verfahren nach einem der Ansprüche 1) bis 3), dadurch gekennzeichnet , daß die freien Elektronen mit einer Durchschnittsenegie erzeugt werden, die nicht

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ausreicht, um eine elektrische Entladung zu unterstützen, aber mit einer Dichte, die ausreicht, um eine elektrische Entladung zu unterstützen.
5) Verfahren nach Anspruch 4), dadurch gekennzeichnet , daß die Durchschnittsenergie der freien Elektronen geringer ist als die, welche eine nicht gleichförmige elektrische Entladung erzeugt.
6) Verfahren nach Anspruch 1), in dem ein gasförmiges Medium einen oberen und unteren Laserzustand Besitzt und durch einen langgestreckten Hohlraum von einer Gaseintrittsöffnung zu einer Gasaustrittsöffnung in eintr Richtung hindurchgeht, die orthogonal zu der Längsachse des Hohlraums verläuft, gekennzeichnet durch die Erzeugung der räumlich gleichförmigen Dichte von freien Elektronen, die ausreicht, um eine Besetzungsinversion in dem Arbeitsmedium zu unterstützen, und durch die Steuerung der Elektronentemperatu ζ der freien Elektronen, so daß ein Laserbetrieb in dem Arbeitsmedium während: der Strömung durch den Hohlraum erzeugt wird.
7) Verfahren nach Anspruch 6), dadurch gekennzeichnet , daß ein elektrisches Feld parallel zu der Strömungsrichtung des Arbeitsmediums zur Steuerung der Elektronentemperatur der freien Elektronen erzeugt wird.
8) Verfahren nach Anspruch 7), dadurch gekennzeichnet , daß eine elektrische Entladung zur Erzeugung der räumlich gleichförmigen Dichte der freien Elektronen verwendet wird.

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9) Verfahren nach Anspruch 8), dadurch f e k β η η -leichnet , daft die elektrische Entladung, die tür Erzeugung der freien Elektronen verwendet wird, laufend in Form von Impulsen geliefert wird, daß die Energie, die dem Arbeitsmedium durch die Impulse hinzuaddiert wird, klein 1st im Vergleich zu der Energie, die dem Arbeitsmedium durch das elektrische Feld zugeführt wird,
10) Verfahren nach Anspruch 9), dadurch gekennzeichnet , daß jeder der Impulse für eine Zelt geliefert wird, die kurz 1st Im Vergleich xu der Kelt, die erforderlich ist für das Arbeitsmedium, um durch den »au* hindurehzuströsten, wobei jeder Impuls von hoher Spannung und von einem niedrigen ßtrowwert lsi Vergleich stit der Spannung und dem Strom des elektrischen Feldes ist.
11) Verfahren nach Anspruch 10), dadurch gekennzeichnet , daß die Dauer j ed·· Zsqmlses ger infer 1st als 10 Mikrosekunden, da· die StrnsjufMssnlisisjiltfcelt des Arbeitsmedlume geringer ist als Ultraschall.
12) Verfahren nach einem der Ansprüche 6) bis 11), dadurch gekennzeichnet , daß die Dichte der freien Elektronen, der Druck in dem Hohlraum, die Einlaßtemperatur des gasförmigen Arbeitsmediums ausgewählt werden, um eine Verstärkung in dem Arbeitsmedium in der Nähe der Gaseintrittsöffnung zu erzeugen, die prop Ortional zu dem Bruchteil des Arbeitsmediums ist, das sich in dem oberen Laserzustand befindet, und/oder ausgewählt ist, um die Temperatur} des Arbeitsmediums zu erhalten, das den Raum durch die Gasaustrittsöf-Uiung bei einem Wert, der

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nicht wesentlich höher ist als 30O⁰K, verläßt.
13) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 6), gekennzeichnet durch eine Gasversorgungsquelle, welche eine Strömung des gasförmigen Arbeitsmediums von der Gaseinlaßöffnung zu der Gasauslaßöffnung des langgestreckten Hohlraums bei einer bestimmten Geschwindigkeit und bei einem bestimmten Druck

erzeugt, durch eine Vielzahl von Impulselektroden, die |

orthogonal zu der Gasströmungsrichtung und neben der Gaseintrittsöffnung ausgerichtet sind, durch eine Vielzahl von 7«*athodenelektroden, die orthogonal zu der Gasströmungsrichtung und neben der Gaseintrittsöffnung ausgerichtet sind, durch eine Vielzahl von Stromerhaltungselektroden, die orthogonal zu der Gasströmungsrichtung und zwischen den ausgerichteten Impuls- und Kathodenelektroden ausgerichtet sind, durch eine erste Energiequelle mit einem Ausgang, der zwischen den Impulselektroden und den Kathodenelektroden angeschlossen ist, um eine elektrische Entladung zu erzeugen, die die räumlich gleichförmige Dichte der freien Elektronen in dem Arbeitsmedium erzeugt, und durch eine zweite ele ktrische Energiequelle mit einem %

Ausgang, der zwischen den Stromerhaltungselektroden und den Kathodenelektroden angeschlossen ist, um ein elektrisches Feld zu erzeugen, das die Flektronentemperatur der freien Elektronen steuert, um den Laserbetrieb in dem Arbeitsmedium zu erzeugen.
14) Vorrichtung nach Anspruch 13), dadurch gekennzeichnet , daß die erste elektrische Energiequelle eine Ausgangsstufe hat, die aus einem Impulskreis besteht, während die zweite elektrische Energiequelle eine Ausgangsstufe besitzt, die aus einem Stromerhaltungskreis besteht,

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wobei der Impulskreis eine höhere Spannung für eine kürzere Seit relativ zu der Spannung erzeugt, die durch den Stromerhaltungskreis erzeugt wird.
15) Vorrichtung nach Anspruch 13) oder 14), dadurch gekennzeichnet , daß der Hohlraum Endwände mit Vorrichtungen zum Durchlassen eines Lichtstrahls durch den Hohlraum parallel zu der Längsachse des Hohlraums und unterhalb der Stromerhaltungselektroden enthält.
16) Vorrichtung nach Anspruch 13) oder 14), dadurch gekennzeichnet , daß der Hohlraum Endwände mit Spiegeln enthält, die einen optischen Resonator parallel zu der Längsachse des Hohlraums begrenzen.

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