DE2122657C3 - Entladungsröhre für einen Gaslaser - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Entladungsröhre nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Entladungsröhre ist aus der FR-PS 15 27 988 bekannt. Bei dieser enthält der einen Druckausgleich zwischen den Elektrodenräumen herstellende, zum Entladungskanal

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Bei Gaslasern, die mit einem Dampf als stimulierbarcs, aktives Medium arbeiten, wie Kadmiumdampf in einem He-Cd-Laser, ist es bekannt, das akt^;ve Material in fester Form, gewöhnlich in der Nähe der Anode, im Kolben der Entladungsröhre anzuordnen, das feste aktive Material durch eine Heizvorrichtung, die sich außerhalb des Kolbens befindet, zu verdampfen, den Dampf kataphoretisch durch den Entladungskanal der Röhre in die Nähe der Kathode zu transportieren und ihn dann in einem auf verhältnismäßig niedriger Temperatur gehaltenen Kondensator in den festen Zustand zu kondensieren (Journal of Applied Physics, Vol. 40[1969], Nr. 13. S. 5138 bis 5144). Bei einer solchen bekannten Anordnung treten mindestens zwei Probleme auf: Erstens ist die Lebensdauer der Entladungsröhre auf die Zeitspanne begrenzt, innerhalb derer der ganze ursprüngliche Vorrat an festem aktiven Material im Verdampferteil der Röhre verdampft, kataphoretisch zum Kondensatorteil transportiert und dort wieder kondensiert worden ist. Zweitens enthält das Ausgangssignal der Entladungsröhre einen Störanteil verhältnismäßig hoher Leistung in Form von AusgangssignalschwanKingen, deren von Spitze zu Spitze gerechnete Amplitude bis zu 50% der mittleren Amplitude des Ausgangssignals betragen kann und deren Frequenzen in der Größenordnung von etwa 10 bis 100 kHz liegen. Dieser hohe Störanteil im Ausgangssignal ist besonders unerwünscht.

Auch aus der US-PS 35 01 714 ist eine Entladungsröhre mit einem Rückdiffusionskanal bekannt. Bei dieser wird der Entladungskanal durch eine Anzahl in geringem Abstand voneinander angeordneter Scheiben gebildet, die aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit bestehen und die Aufgabe haben, die Wände des Kolbens vor den Entladungsprodukten zu schützen. Der innere Rückdiffusionskanal wird durch eine durch jede zweite Scheibe führende enge Bohrung gebildet.

Bei den aus der FR-PS 15 27 988 und der US-PS 35 01714 bekannten Entladungsröhren ist der Strömungswiderstand im Kanal für die Rückdiffusion sehr hoch. Deshalb besteht bei relativ schneller kataphoretischer Gaswanderung im Entladungskanal keine Möglichkeit mehr für eine ausreichende Rückdiffusion des Gases. Dies gilt insbesondere für die Verwendung eines Lasergases mit Metalldampf.

Aufgabe der Erfindung ist, eine Entladungsröhre mit einem zweiten Kanal anzugeben, durch den die erforderliche Rückdiffusion des Gases zur Anode auch dann möglich ist, wenn die kataphoretische Gasbewegung durch den Entladungskanal mit erheblicher Geschwindigkeit erfolgt, ohne daß die Möglichkeit einer Gasentladung im Rückdiffusionskanal bestehen darf.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Entladungsröhre.

Die Erfindung hat den besonderen Vorteil, daß die bei Verzicht auf einen Kondensatorteil der Röhre notwendige Rückdiffusion des Gases auch dann gewährleistet ist, wenn die Gasfüllung einen Metalldampf enthält, der besonders schnell kataphoretisch durch den Entladungskanal wandert.

Es wurde ferner gefunden, daß die störenden Ausgangssignalschwankungen zum großen Teil auf starke, statistische Änderungen der Dichte der Moleküle des aktiven Materials in der Nähe der Kathodenzone

lurückzuführen sind. Diese Schwankungen werden durch die übliche Kühlung im Kondensatorteil der Röhre noch zusätzlich verstärkt. Durch das Entfallen des Kondensators werden die Schwankungen erheblich verringert, und sie können dadurch noch weiter herabgesetzt werden, daß man die in der Nähe der Kathode befindliche Röhrenzone erhitzt, wofür eine optimale Temperatur existiert.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert, es zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht einer Entladungsröhre gemäß einem e-sten Ausführungsbeispiel der Erfindung

Fig.2 eine Schnittansicht einer Entladungsröhre gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfin-

Die in Fig. 1 dargestellte Entladungsröhre 10 ist am linken Ende durch Brewster-Fenster 12 und am rechten Ende durch ein Brewster-Fenster 14 verschlossen. In der Nähe des Brewster-Fensters 12 befindet sich eine Anodenzone 16, in der eine Hauptanode 18 angeordnet ist. In entsprechender Weise befindet sich in der Nähe des Brewster-Fensters 14 eine Anodenzone 20, in der eine Hilfsanode 22 angeordnet ist.

Links von der Zone 20 befindet sich eine Kathodenzone 24, in der eine Kathode 26 angeordnet ist. Rechts von der Anodenzone 16 befindet sich eine Verdampferzone 28 die ein aktives stimulierbares Lasermateria! 30, zum Beispiel Kadmium, in festem Zustand enthält. Das Material 30 wird bei der Herstellung der Röhre in der Verdampferzone 28 des Kolbens untergebracht. Bei der Verdampferzone 28 ist eine Heizvorrichtung 32 angeordnet, mit der das Material 30 verdampft werden kann.

Die Verdampferzone 28 und die Kathodenzone 24 sind durch einen Plasma- oder Entladungskanal 34 direkt miteinander verbunden. Die Kathodenzone 24 ist durch eine Heizvorrichtung 36, die in noch zu beschreibender Weise zur Dampfdichteregelung dient, heizbar.

Die Kathodenzone 24 ist ferner durch einen Diffusionskanal 38, der zwischen der Kathode und der Anode zur Rückführung des aktiven Materials dient, mit der Verdampferzone 28 verbunden. Im Diffusionskanal 38 sind über einen erheblichen Teil seiner Länge verteilt eine Anzahl getrennter, im Abstand voneinander angeordneter leitender Gitterelemente 40 angeordnet. Jedes dieser Gitterelemente hat eine erhebliche Länge und ist so ausgebildet, daß es das ganze Volumen, das durch den Querschnitt des Diffusionskanal;, und die Länge des betreffenden Gitterelements begrenzt ist, in ein Bündel getrennter Gaskanäle oder -leitungen unterteilt, die jeweils von einem Ende des betreffenden Gitterelements zu seinem anderen Ende reichen. Die öffnung jedes einzelnen Gaskanals des Bündels ist klein und die Länge des betreffenden Gaskanals ist um soviel größer als der Wert, bei dem in Metallröhren eine Entladung möglich ist, das keine Gasentladung durch die Gaskanäle der Gitterelemente hindurch brennen kann. Außerdem ist der Absland zwischen den jeweiligen Gitterelementen bzw. zwischen einem Gitterelement und der Anode oder Kathode so klein, daß auch dort keine Gasentladung existieren kann. Genauer gesagt, ist die Anzahl der leitenden Gitterelemente größer als Va/Vc, wobei Va die normale Entladungsspannung, mit der die Röhre betrieben wird, und Vc der normale Kathodenfall für eine kalte Elektrode, der vom Material des Gitterelements und der Gasfüllung der Röhre abhängt, sind.

Die Gitterelemente können in der Praxis auf verschiedene Weise realisiert werden. Beispielsweise kann ein Gitterelement aus einem Bündel von dünnwandigen Nickelröhrchen bestehen, deren Enden an einem sehr dünnen Wolframdrahtnetz befestigt sind. Jedes Gitterelement kann z. B. et^a 12.5 mm lang sein und die einzelnen Nickelröhrchen, die jeweils einen Gaskanal bilden, können einen Außendurchmesser von etwa 1 mm und eine Wandstärke von etwa 50 μιη haben. Bei dieser Konstruktion blockiert ein Gitterelement nur etwa 15% der Querschnittsfläche des Diffusionskanals 38. Eine andere Möglichkeit zur Realisierung der Gitterelemente besteht darin, diese aus zwei aufeinandergelegten und dann aufgerollten Aluminiumblechen, von denen das eine glatt und das andere gewellt ist. herzustellen, wobei man dann eine Art Wellblechzylinder erhält. Der Querschnitt des Diffusionskanals 38, durch die das aktive Medium zurückdiffundiert, wird wesentlich größe.· gemacht als der Querschnitt des Entladungskanals 34 (zum Beispiel im Verhältnis von etwa 100 : 1), damit gewährleistet ist, daß die Rückdiffusionsi ate der Gasmoleküle von der Kathode durch den Diffusionskanal 38 zurück zur Anode jederzeit wenigstens annähernd gleich der Rate ist. mit der die Gasmoleküle kataphoretisch durch den Entladungskanal 34 zwischen der Anode und der Kathode transportiert werden.

Die Gitterelemente können ferner zum Beispiel auch jeweils einen einzigen relativ weiten Zylinder enthalten, der an einem oder an beiden Enden mit einem dichten leitenden Netz oder Gitter hoher optischer Transparenz verbunden ist.

Die in F i g. I dargestellte Entladungsröhre 10 arbeitet folgendermaßen: Die in der Nähe der Brewster-Fenster 12 und 14 angeordneten Haupt- und Hilfsanoden 18 bzw. 22 verhindern kataphoretisch, daß kataphoretisch transportiertes Gas zu diesen Fenstern gelangt. Das in der Verdampferzone 28 verdampfte Material 30 wird jedoch im Betrieb durch eine Gasentladung, die durch eine zwischen die Anode 18 und die Kathode 26 angelegte Spannung erzeugt wird, kataphoretisch durch den Entladungskanal 34 zur Kathodenzone 24 transportiert.

Die im Entladungskanal 34 brennende Gasentladung hält das verdampfte Material in diesem Kanal auf einer so hohen Temperatur, daß dort keine Kondensation stattfinden kann. Das kataphoretisch transponierte Material, das die verhältnismäßig weite Kathodenzone 24 erreicht, würde jedoch dort wenigstens teilweise kondensieren, wenn nicht die Heizvorrichtung vorhanden wäre, und bei der Kondensation würden starke Schwankungen der Dichte der Moleküle in der Kathodenzone 24 und damit Schwankungen in der Dichte der kataphorelisch transportierten Moleküle in der im Kanal 34 brennenden Entladung auftreten. Ohne die zur Dichteregelung dienende Heizvorrichtung würde dementsprechend im Ausgangssignal des Lasers ein Stör Wechselsignal hoher Leistung auftreten, dessen

von Spitze zu Spitze gerechnete Amplituden bis zu 50% des mittleren stetigen Ausgangssignals und dessen Frequenzen größenordnungsmäßig 10 oder 100 kHz betragen können.. Wenn man jedoch die Kathodenzone 24 mittels der Heizvorrichtung 36 auf eine geeignete Temperatur erhitzt, z.B. 235"C im Falle einer He-Cd-Laserröhre, können die Schwankungen des Ausgangssignals bezüglich des Mittelwertes von 50%

auf unter 5% reduziert werden. Durch das Heizen der Kathodenzone 24 wird also die Störleistung in der Ausgangsstrahlung stark herabgesetzt, da die Dichte der kataphoretisch transportierten Dampfmoleküle bei entsprechender Heiztemperatur im Entladungsbereich innerhalb des Kanals 34 zeitlich im wesentlichen konstant bleibt.

Im Betrieb werden die Dampfmoleküle durch die Entladung mit einem erheblichen Durchsatz kataphoretisch von der Verdampferzone 28 durch den Kanal 34 zur Kathodenzone 24 transportiert Dies bedeutet, daß die Querschnittsfläche des Diffusionskanals 38, durch den die Dampfmoleküle zurückdiffundieren sollen, einen erheblich größeren Querschnitt als der Kanal 34 haben muß, damit bei der passiven Rückdiffusion von der Kathodenzone 24 zurück zur Verdampferzone 28 derselbe Durchsatz erreicht wird, wie bei dem aktiven kataphoretischen Transport durch den Entladungskanal 34. Außerdem enthält der Diffusionskanal 38 ja auch die Gitterelemente 40, die zur Unterdrückung einer Entladung zwischen Anode und Kathode durch den Diffusionskanal 38 erforderlich sind.

Die in Fig.2 als zweites Ausführungsbeispiel dargestellte Entladungsröhre 50 ist links durch ein Brewster-Fenster 52 und rechts durch ein Brewster-Fenster 54 abgeschlossen. In der Nähe des Brewster-Fensters 52 befindet sich eine Anodenzone 56 mit einer linken Anode 58. In der Nähe des Brewster-Fensters 54 befindet sich eine Anodenzone 60 mit einer rechten Anode 62.

Zwischen den Anodenzonen 56 und 60 liegt eine Kathodenzone 64, in der sich eine Kathode 66 befindet. Zwischen der Anode 58 und der Kathode 66 ist in der Nähe der Anodenzone 56 eine Verdampferzone 68 vorgesehen, in der aktives Material 70 in fester Form angeordnet ist. In entsprechender Weise befindet sich zwischen der Kathodenzone 64 und der Anodenzone 60 in der Nähe der Anodenzone 60 eine Verdampferzone 72, in der aktives Material 74 in fester Form vorgesehen ist. Bei den Verdampferzonen 68 und 72 ist jeweils eine Heizvorrichtung 76 bzw. 78 angeordnet, mittels derer das aktive Material 70 bzw. 74 verdampft werden kann.

Von der Verdampferzone 68 führt ein zentraler, längs verlaufender Kanal 80 zur Verdampferzone 72, der einen unbehinderten Plasmakanal zwischen der Kathodenzone 64 und den Anodenzonen 56 und 60 bildet. Der Kanal 80 hat in der Nähe der Kathodenzone 64 in seiner Wand eine öffnung 82. Der Kanal 80 liegt koaxial zur Innenwand des Kolbens der Entladungsröhre 50. Der ringförmige Bereich zwischen der Außenwand des Kanals 80 und der diese im Abstand umgebenden ίο Innenwand des Kolbens und der Entladungsröhre 50 begrenzen einen zweiten Kanal 84 als Rückdiffusionskanal der Entladungsröhre von der Kathodenzone 64 zu den Anodenzonen 56 und 60. Im zweiten Kanal 84 sind, wie dargestellt, eine Anzahl von in Längsrichtung beabstandeten, ringförmigen Gitterelementen 86 angeordnet, die in Aufbau und Wirkungsweise den Gitterelementen 40 der Entladungsröhre 10 gemäß F i g. 1 entsprechen.

Bei der Entladungsröhre 50 gemäß F i g. 2 hat es sich gezeigt, daß kein» Heizvorrichtung zur Dampfdichtere-., gelung erforderl^:ch ist, um störende Schwankungen der Intensität der Ausgangsstrahlung klein zu halten. Dies beruht vermutlich darauf, daß die Kathodenzone in der Mitte angeordnet ist und sowohl von der Verdampferzone 68 als auch von der Verdampferzone 72 mit kataphoretisch transportierten aktiven Molekülen versorgt wird, so daß die Moleküldichte in der Kathodenzone 64 relativ zuverlässig auf einem verhältnismäßig hohen Wert gehalten wird.

Wenn die Länge von Entladungsröhren des in F i g. 1 und 2 dargestellten Typs über einen bestimmten kritischen Wert vergrößert wird, läßt sich die Dichte der Moleküle nicht mehr auf dem für einen kleinen Störanteil im Ausgangssignal erforderlichen Wert halten, wenn man nicht eine Verbindung zwischen den getrennten Bereichen (Entladungskanal, Rückdiffusionskanal) an einer oder mehreren, in Längsrichtung beabstandeten Stellen zwischen Anode und Kathode zusätzlich zu den Verbindungsstellen in der Nähe der Anode und Kathode vorsieht Durch diese Maßnahme wird die Dampfdichte in regelmäßigen oder vorgegebenen Intervallen längs des Entladungskanals festgelegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

2t 22 Patentansprüche:

1. Entladungsröhre für einen Gaslaser mit einem Kolben, der eine Anode, eine im Abstand von dieser angeordnete Kathode und eine Gasfüllung enthält und zwei sich zwischen den Elektroden erstreckende gesonderte Kanäle aufweist, die miteinander jeweils in der Nähe der Elektroden in Verbindung stehen und von denen der eine einen unbehinderten Plasma-Entladungskanal bildet, durch welchen während einer Gasentladung zwischen den Elektroden wenigstens ein Teil der Gasfüllung kataphoretisch von der Anode zur Kathode transportiert wird, während der zweite Kanal einen Rückweg für diesen Teil von der Kathode zur Anode darstellt und mehrere sich über seinen Querschnitt erstreckende Gitterelemente enthält, die jeweils aus einer Anzahl durchgehender, sich in Längsrichtung des zweiten Kanals erstreckender enger Leitungen gebildet sind, welche die Rückdiffusion durch den zweiten Kanal ermöglichen, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Gitterelemente größer ist als Va/Vc, wobei Va die beim normalen Betrieb an der Röhre liegende Entladungsspannung und Vcder vom Material der Gitterelemente und der Art der Gasfüllung in der Entladungsröhre abhängige normale Kathodenfall für die kalte Elektrode sind und daß der freie Querschnitt innerhalb eines Gitterelements wesentlich größer ist als der Querschnitt des Entladungskanals (34,80).

2. Entladungsröhre nach Anspruch 1, dadurch dadurch gekennzeichnet, daß die wirksame Querschnittsfläche des zweiten Kanals (38, 84) etwa das lOOfache der Querschnittsfläche des Entladungskanals(34,80)ist.

3. Entladungsröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kanal (84) den Entladungskanal (80) koaxial umschließt und daß die leitenden Gitterelemente (86) sich über den Raum zwischen den beiden Kanälen erstrecken.

4. Entladungsröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterelemente (40, 86) jeweils aus einem Bündel von Nickelröhrchen mit einer Wandstärke in der Größenordnung von 50 μπι oder statt dessen aus zwei übereinander aufgerollten Aluminiumblechen, von denen das eine gewellt ist, gebildet sind

5. Entladungsröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben in der Nähe der Anode (18) eine Verdampferzone (28) und in der Nähe der Kathode (26; eine heizbare Zone (24) enthält.

6. Entladungsröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasfüllung Kadmiumdampf oder einen anderen Metalldampf enthält.

parallele zweite Kanal eine pneumatische Impedanz in Form eines mit Graphitkörpern gefüllten Gittergehäu-