DE2145963A1

DE2145963A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung einer gesteuerten Entladung in einem gasförmigen Arbeitsmedium

Info

Publication number: DE2145963A1
Application number: DE19712145963
Authority: DE
Inventors: Jack Donald; Patrick Richard Montgomery; Winchester; Pugh Even Robert Lexington; Douglas-Hamilton Diarmaid Hugh Boston; Mass. Daugherty (V.St.A.)
Original assignee: Avco Corp
Current assignee: Avco Corp
Priority date: 1970-09-17
Filing date: 1971-09-14
Publication date: 1972-03-23
Also published as: JPS555717B1; US3702973A; FR2106572B1; FR2106572A1; IT944700B; GB1373402A; CH575668A5; IL37615A0; CA939796A; SE376817B; IL37615A

Description

Avco Corporation, Greenwich, Conn. / USA

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung einer gesteuerten Entladung in einem gasförmigen Arbeitsmedium

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung einer gesteuerten Entladung in einem gasförmigen Arbeitsmedium. Solche gesteuerten Entladungen werden insbesondere für einen Laser-Betrieb in gasförmigen Medien, zur Gewinnung von elektrisch leitendem, ionisierten Gas für magnetohydrodynamische (MHD) Vorrichtungen u.a. oder zur Ausführung bzw. leichteren Durchführung von chemischen Verfahren, wie beispielsweise der Erzeugung von Ozon u.a., verwendet.

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Die Erfindung schafft daher ein Verfahren zur Erzeugung einer gesteuerten Entladung in einem gasförmigen Arbeitsmedium, bei dem eine Ionisationsstrahlung erzeugt wird, die Ionisationsstrahlung in das Medium eingeführt wird, um eine vorbestimmte Raumverteilung von Sekundärelektronen in dem Medium zu schaffen, und bei dem die Elektronentemperatur der Sekundärelektro-· nen zur Gewinnung der gesteuerten Entladung gesteuert wird.

Weiterhin schafft die Erfindung eine Vorrichtung zur Erzeugung einer gesteuerten Entladung in einem gasförmigen Arbeitsmedium mit einer einen Raum bestimmenden Einrichtung, in der das gasförmige Arbeitsmedium untergebracht ist, mit einer Einrichtung zur Erzeugung der Ionisationsstrahlung, mit einer Einrichtung zur Zuführung dieser Strahlung in den Raum und zur Erzeugung einer vorbestimmten Raumverteilung von Sekundärelektronen in dem Medium, und mit einer Einrichtung zur Steuerung der Elektronentemperatur der Sekundärelektronen, um eine gesteuerte Entladung in dem Medium in dem Raum zu erzeugen.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Vorrichtung weist eine Verstärkungseinrichtung auf, wenn die gewünschte elektrische Leitfähigkeit des gasförmigen Arbeitsmediums in den MHD-Einrichtungen, wie beispielsweise Generatoren und Beschleunigern, nicht erreicht ist. Es sind auch genauso gut andere Vorrichtungen anwendbar, bei denen ein elektrisch leitendes oder ionisiertes Gas gefordert oder verwendet wird.

Ferner weist eine Ausführungsform der Vorrichtung eine Einrichtung zur Erzeugung von Ozon auf, wobei das Arbeitsmedium Sauerstoff oder Luft enthält, indem die gesteuerte Entladung mittels einer unabhängigen Elektronenquelle und eines elektrischen Feldes durchgeführt wird. Da das elektrische Feld von der Elektronenerzeugung entkoppelt ist, werden optimale Bedingungen für eine Ozon-Bildung erreicht, und zwar ohne strenge Anforderungen an einen Ausgleich, wie sie beispielsweise bei einer Town- send- Ent ladung für Ozon-Erzeugung zu beachten sind, oder stren-

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ge Anforderungen an den Elektrodenaufbau, wie beispielsweise bei einer Corona-Entladung für Ozon-Erzeugung. Da gleichmäßige Zustände in der positiven Säule geschaffen sind, wird der gesamte energetische Wirkungsgrad vergrößert und die Wärmeableitung in dem Vorgang verringert.

Eine weitere, vorteilhafte Ausführungsform der Vorrichtung weist einen Hochleistungs-Voluimengas-Laser auf, dessen Abmessungen in den drei Hauptkordinatenrichtunge-n ebenso wie der Druckpegel maßstäblich geändert werden können. Es wird dann eine gesteuerte Entladung erzeugt, bei der die Elektronen-Ionen-Diffusion in den Wänden vernachlässigbar ist.

Da die gemäß der Erfindung erzeugte, gesteuerte Entladung keine Ionisation durch Elektronenentladung erfordert, kann sie auf die genaue Elektronentemperatur für den leistungsfähigen Laser-Betrieb eingestellt werden. Darüber hinaus ist ein die gesteuerte Entladung verwendender Laser volumetrisch in dem Sinn, daß die richtige Gastemperatur und niedrigere Laser-Zustandskonzentrationen anders aufrechterhalten werden als durch Gasdiffusion in gekühlte Seitenwände. Darüber hinaus kann der Laser in Durchflußbetrieb genauso wie in statischem Pulsbetrieb betrieben werden.

Bei bekannten, entweder in Durchfluß- oder statischem Betrieb arbeitenden Gas-Lasern wurden die Laser durch eine durch Diffusion gesteuerte, elektrische Entladung in einer kleinen Röhre mit einem niedrigen Innendruck erregt. In derartigen Gas-Entladungsröhren, deren Durchmesser in der Größenordnung von einem Zentimeter liegt und die bei niedrigen Druckwerten (von ungefähr 1 bis 10 Torr) arbeiten, findet ein Verlust an Elektronen-Ionen-Paaren durch radiale Diffusion, der sogenannten ambipolaren DiP-fusion von Ionen-Elektronen-Paaren, von der Mitte des Plasmas zu den Seitenwänden der Röhre hin, statt. Wenn sich die Entladung in eingeschwungenem Zustand befindet, muß dieser Verlust durch die Gesamt-Ionisierungsgeschwindigkeit in dem Plasma, das genau die Diffusions-Verlustmenge ausgleicht, aufgebracht werden. Die erforderliche Ionisierungsgeschwindigkeit bestimmt auch,

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welche Temperatur die Elektronen haben müssen, um die Entladung zu unterstützen, und welcher E/N-Wert angelegt werden muß, damit die Elektronen diese Temperatur aufweisen. Bei großen Röhren wird der E/N-Wert von der angelegten Spannung, geteilt durch die Röhrenlänge und die Gasdichte, bestimmt.

In solchen Fällen kann dann die Entladung durch die Röhrenwände als "ausgeglichen" bezeichnet werden, d.h. da die Diffusion der Elektronen-Ionen-Paare in radialer Richtung sehr schnell erfolgt, wird ein geringfügiges, lokales Anwachsen der Elektronendichte durch die Diffusion verringert. Hierdurch wird eine derartige Entladung in radialer und in axialer Richtung gleichmäßig, ganz sicher und ist einfach herzustellen.

Das Plasma (neutrales Gas plus Elektronen-Ionen-Paare) im Inneren der elektrischen Entladungsröhre bleibt in radialer Richtung so lange stoßfrei, solange die Zeit, die die Elektronen-Ionen-Paare zur Diffusion, durch die sie umgebenden Wände, benötigen, gleich der Ionisationszeit ist, beispielsweise der Zeit, die zur Verdopplung der Elektronendichte erforderlich ist. Da die ambipolare Diffusionszeit im allgemeinen proportional dem Produkt aus dem Gasdruck und dem Röhrendurchmesser ist, der bei großen Durchmessern quadriert wird, kann diese ambipolare Diffusionszeit unter bestimmten Umständen lang werden, verglichen mit der Ionisationszeit in der Röhre, insbesondere bei hohen Ionisationsgeschwindigkeiten, Röhren mit großen Durchmessern und hohen Druckwerten. In diesem Fall wird dann die Entladung durch die Wände nicht mehr länger "ausgeglichen" (ballasted), d.h. bei einer lokalen Zunahme der Elektronendichte diffundieren die Elektronen nicht mehr unmittelbar in die Wände, wo sie durch Wand-Rekombinationen verringert werden. Durch diese höheren Elektronendichten können daher örtliche Ungleichmäßigkeiten erzeugt werden; die schnell zunehmenden Ungleichmäßigkeiten können dann schlechter werden. Das Ergebnis ist dann oft, daß die vorher gleichförmige Glimmentladung in Lichtbogen, unbestimmte Strahlungen und Strom-Wege bzw. -Fäden (spokes) umschlägt. Die-

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ser zuletzt erwähnte Zustand tritt oft in einem Plasma auf, das sehr wenig leistungsfähig und für bestimmte Zwecke unbrauchbar ist.

Bei unter hohem Druck stehenden Entladungsröhren mit großen Durchmessern ergibt sich daher oft eine örtliche Zunahme in der Elektronendichte, die nicht durch eine Diffusion in den Umgebungswänden gedämpft wird. Das Auftreten derartiger Störungen kann durch eine Verminderung der Ionisierungsgeschwindigkeit herabgesetzt werden, was zu einer niedrigeren Elektronentemperatur führt, da die lokale Ionisierungsgeschwindigkeit eine Funktion der lokalen Elektronentemperatur ist. Damit die Elektronentemperatur niedriger wird, muß ein niedrigeres elektrisches Feld angelegt werden. Das richtige Gleichgewicht ist hierbei kritisch; wenn nämlich ein zu hohes elektrisches Feld angelegt wird, kann dies in unter hohem Druck stehenden Entladungsröhren mit großem Durchmesser zu einer "Strom-Weg"- bzw. "Strom-Faden"-Bildung führen ("spoke"); wenn aber ein zu niedriges elektrisches Feld angelegt wird, kann die Entladung gar nicht einsetzen. Weiterhin hat sich bei unter hohem Druck stehenden Röhren ergeben, daß eine angelegte Spannung oder ein angelegtes elektrisches Feld, das groß genug ist, um eine Entladung einzuleiten, auch groß genug ist, um eine in radialer Richtung nicht gleichförmige Entladung auszulösen. Wenn daher eine Entladungsröhre oder ein Entladungsraum ein hinreichend großes Volumen besitzt, kann eine gesteuerte Entladung allein durch eine Diffusion in den Wänden nicht aufrechterhalten wer den. Der hier verwendete Begriff "gesteuerte Entladung" beschreibt eine Entladung in einem gasförmigen Medium mit vorbe stimmten Eigenschaften, die, obwohl sich derartige Eigenschaften räumlich und zeitlich ändern können, zumindest in bestimmten Bereichen erhalten bleiben, solange die Entladung vorhanden ist. Diese Eigenschaften sind aber nicht nur durch die elektronischen irnd molekularen Zustände des gasförmigen Mediums sowie durch die optischen, elektrischen und chemischen Beschaffenheiten des Mediums, sondern auch durch die Erwärmung, die Ioni-

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sation, die Zerfall- und Rekombinationsgeschwindigkeiten begrenzt. Die gesteuerte Entladung in einem Gas-Laser besitzt daher eine "charakteristische Zeitkonstante", die im wesentlichen gleich der Zeitdauer ist, während der die Entladung aufrechterhaltende Ströme in dem gasförmigen Medium aufgrund der Bewegung der Sekundärelektronen fließen, die in dem gasförmigen Medium unter der Wirkung eines elektrischen Feldes erzeugt sind; hierbei ist mit elektrischem Feld ein die Entladung aufrechterhaltendes, elektrisches Feld bezeichnet, das im folgenden genauer beschrieben wird. Bei einer strömenden Medium, bei dem die Durchflußzeit durch den Raum oder den Arbeitsbereich geringer ist als die Dauer des Erhaltungsströmeε in dem gasförmigen Medium, stellt die "charakteristische Zeitkonstante" die Durchflußzeit durch den Raum dar.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische, teilweise aufgebrochene Darstellung eines Gas-Lasers, die eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung darstellt;

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linien 2-2 durch die in Figur 1 dargestellte Vorrichtung;

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linien 3-3 der in Figur 2 dargestellten Vorrichtung;

Fig. 4 eine perspektivische, teilweise aufgebrochene Ansicht, in der Einzelheiten der Elektronenquelle dargestellt sind;

Fig. 5 eine perspektivische, schaubildliche Ansicht zur Erläuterung des Arbeitsverfahrens, der Elektronenerzeugung, der Gasströmung und der Laser-Tätigkeit; und

Fig. 6 ein Blockschaltbild für die Elektronenkanone und die die Ladung aufrechterhaltenden Elektroden.

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In den Figuren 1 bis 6 sind verschiedene Einzelheiten des Gas-Lasers dargestellt. Bei der Vorrichtlang ist für den Laser-Betrieb ein gasförmiges Medium, beispielsweise eine Mischung aus \6% GO₂, J,k% N₂ und 5056 He, verwendet, das von einer herkömmlichen Quelle (die eine nicht dargestellte Luftkammer und einen Diffuser enthalten kann) über eine Gaseinströmungsöffnung 11 zugeführt wird, die einen Raum oder einen Arbeitsbereich 10 der Laser-Vorrichtung 12 bestimmt. Der Baum oder Arbeitsbereich 10 des Lasers 12 ist in dem Ausführungsbeispiel als rechteckiger Raum wiedergegeben. Mit dem hier verwendeten Begriff "Raum" ist nicht nur ein Raum gekennzeichnet, der durch Wände oder etwas ähnlichem begrenzt ist, da in bestimmten Fällen die Wände für eine Anwendung der Erfindung nicht wesentlich sind. Der in den Figuren 2 und y dargestellte, rechteckige Arbeitsbereich 10 weist einander gegenüber angeordnete Wände Ik und 15 auf, in denen Spiegelhalter- und Einstelleinrichtungen 21 und 22 gehaltert sind, die später noch genauer beschrieben werden. An den inneren Flächen der oberen und unteren Wände Ik und 15 sind einander gegenüber angeordnete, gebogene Strömungsteile 16 und 17 angebracht, die für eine gleichmäßige, laminare Strömung durch den Arbeitsbereich 10 sorgen. Die Spiegeleinrichtungen 21 und 22 sind jeweils in den Strömungsteilen 16 und I7 vertieft untergebracht, um die Strömungsunterbrechung und eine unerwünschte Lichtbogenbildung auf das Mindestmaß herabzusetzen. Einander gegenüber angeordnete Seitenwände 18 und 19 sind dicht an den oberen und unteren Wänden Ik und 15 befestigt; die Seitenwand 18 weist eine kreisförmige Öffnung auf, in der dicht die Elektronenkanone untergebracht ist, die im folgenden noch genauer beschrieben wird. Gegenüber der vorerwähnten kreisförmigen Öffnung in der Seitenwand 18 ist eine Aussparung in der Seitenwand 19 vorgesehen, in die bündig eine elektrisch leitende Elektrodenplatte 52 eingelassen ist. Außer der Elektrode 52 bestehen die vorerwähnten Bauelemente, die den Raum bzw. Arbeitsbereich 10 begrenzen, aus elektrisch nicht-leitendem Material.

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Die in den Figuren 1 und k dargestellte, insgesamt mit dem Bezugszeichen 25 "bezeichnete Elektronenkanone weist eine rechteckige Elektronenquelle mit einer elektrisch leitenden Umhüllung 26 aus nicht-rostendem Stahl oder etwas ähnlichem auf, die auf einer Seite offen isto In der Umhüllung 26 werden auf herkömmliche Weise Elektronen durch thermische Emission aus einer Anzahl im Abstand angeordneter Heizfäden 27 erzeugt, die in dem hinteren Teil der Umhüllung 26 in einer Platte 28 aus elektrisch nicht-leitendem Material gehaltert sind. Die Heizfäden 27 werden von elektrisch leitenden Abstandshaltern 29 getragen, die mit einer Stromquelle 30 verbunden sind. Die Heizfäden werden in herkömmlicher Weise von der Stromquelle 30 aufgeheizt und ™ dadurch thermisch Elektronen emittiert. Die Umhüllung 26 ist von der äußeren zylindrischen Wand 36 isoliert und von Stützen 33 und Jk gehalten, die eine elektrische Verbindung mit der Impulsschaltung 40 herstellen. Über die Stützen 33 und Jk wird an die Umhüllung 26 das Potential angelegt, das zur Steuerung der erzeugten Elektronenmenge benötigt wird. Die Steuerung kann beispielsweise über ein netzförmiges Schirmgitter 35 durchgeführt werden, das elektrisch und mechanisch mit der Umhüllung 26 verbunden ist und deren offene Seite abdeckt.

Eine herkömmliche Impulsschaltung kO (Figur 6), die an das Gitter 35 über die Stützen 33 und 3k und die Umhüllung 26 gefc koppelt ist, schafft das notwendige Potential, um die von der Elektronenkanone ausgelösten, energiereichen Elektronen zu steuern. Die Impulsschaltung kO wird von einer ZeitSteuerungsschaltung kl gesteuert. Die Erregung und Steuerung der Elektronenkanone wird später noch genauer beschrieben. Der Elektronenemitter oder die Elektronenkanone sorgt für einen Überfluß an energiereichen Elektronen, die defokussiert werden und durch das Schirmgitter 35 in den Arbeitsbereich 10 gelenkt werden (Figur 5).

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Der die Elektronenkanone innerhalb der Wand 36 umgebende Baum ist in herkömmlicher Weise mittels einer nicht-dargestellten Vakuumpumpe evakuiert; die Elektronenkanone wird auf niedrigem Druck gehalten, um optimale Verhältnisse für die freien, in ihr erzeugten Elektronen zu schaffen, die ungehindert durch das Schirmgitter 35 hindurchgehen, von einer netzförmigen, elektrisch leitenden Platte 45 angezogen und in Richtung auf die Platte beschleunigt werden. Die Platte 45 aus nicht-rostendem Stahl oder etwas ähnlichem wird auf einem, verglichen mit dem Schirmgitter 35, hohen Potential gehalten. Die von den Heizfäden 27 erzeugten Elektronen werden in Richtung der Platte 45 stark beschleunigt und ein Teil von ihnen passiert die Löcher 46 in der Platte 45. Eine Membran 47 aus dünnem Blech ist zwischen dem Arbeitsbereich 10 und der Elektronenkanone angeordnet, um getrennte Druck-Betriebsbedingungen zu schaffen. Die Membran 47, die zumindest teilweise von der Platte 45 gehalten sein kann, muß eine entsprechende Gefügebeständigkeit besitzen, damit sie die erforderliche Druckdifferenz aushält (das Vakuum in der Elektronenkanone 27 und den unter Druck gehaltenen Gasstrom in dem Arbeitsbereich 10); die Membran 47 besteht aus einem Material, das eine maximale Anzahl Elektronen durchläßt, ohne einen übermäßigen Teil ihrer Energie zu absorbieren, da eine solche Absorption den Wirkungsgrad verkleinert und/oder Fehlstellen in der Membran erzeugt. Obwohl die Membran vorzugsweise aus Metall besteht, kann sie auch aus einem nicht-leitenden oder leitenden Material bestehen.

Wenn die Elektronen von dem Schirmgitter 35 die Löcher 46 in der Platte 45 und dann die Membran 47 passiert haben, gelangen sie in den Arbeitsbereich 10, wenn sie durch die netzförmige Kathode 50 aus Maschendraht hindurchgelangen, die von der Elektronenkanone 25 durch einen Bing 51 aus nicht-leitendem Material isoliert ist. In dem Arbeitabereich 10 wird die Elektronenenergie durch ein elektrische» Feld zwischen der Anodenplatte 52 und der ihr gegenüber angeordneten, vorerwähnten Kathode 50

1 ^ / 1RQO

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aufrechterhalten, die an die das elektrische Feld erhaltende Schaltung 53 gekoppelt sind· Durch die Kathode 50 aus einem Drahtgeflecht ist eine Beschädigung der Membran 4-7 durch unerwünschte Lichtbogen verhindert, die irgendwie zufällig zwischen der Anode 52 und/oder der Kathode 50 und der Membran 47 auftreten können. Zwischen der Anode 52 und der Kathode 50 wird mittels einer herkömmlichen Schaltung 53 ein hohes Gleichspannungspotential aufrechterhalten; die die Spannung aufrechterhaltende Schaltung 53 weist kapazitive Entladungseinrichtungen auf, die von einem Netzteil 5^ geladen und durch die Zeitsteuerschaltung hl für gepulsten Betrieb gesteuert werden. Das vorbeschriebene Beispiel bezieht sich auf einen "brausenförmig" ausgebildeten Elektronenstrahl, der einen großen Bereich überdeckt; dasselbe Ergebnis kann aber auch erzielt werden mit einem einen großen Bereich schnell überstreichenden Elektronenstrahl.

Die Erzeugung einer volumetrischen, gesteuerten Entladung, die für die in den Figuren 1 bis 6 dargestellte Ausführungsform die Anregung und Besetzungsinversion eines gasförmigen Mediums in dem Arbeitsbereich 10 zwischen der Anode 52 und der Kathode 50 darstellt, wird gemäß der Erfindung in zwei Stufen durchgeführt. Der Begriff "Entladung", wie er hier verwendet ist, kennzeichnet den Stromfluß unter der Wirkung eines elektrischen " Feldes oder elektrischer Felder in einem ionisierten Medium. Obwohl in der vorliegenden Beschreibung zur Aufrechterhaltung eines elektrischen Feldes hauptsächlich Gleichspannungen an die den Arbeitsbereich bzw. den Baum begrenzenden Elektroden angelegt sind, können genauso gut hochfrequenzte, elektromagnetische Felder, ein induktiver oder kapazitiver Elektrodenaufbau, eine Bewegung eines elektrisch leitenden Mediums in einem angelegten Magnetfeld und die Zuführung von Laser-Energie in den Arbeitsraum zur Aufreohterhaltung der elektrischen Felder verwendet werden· Der beschriebene Laser bewirkt eine Verbesserung der Ionisationsstrahlung, da durch Verwendung einer Elektronenkanone eher als durch Hochspannungs-Entladungseinrichtun-

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gen oder etwas ähnlichem eine wirkungsvollere Ionisationsstrahlung erzeugt wird. Durch diese wirkungsvollere Strahlung wird eine Sekundärelektronenquelle mit sehr niedrigen Temperaturen und mit größeren, bisher nicht erreichbaren Wirkungsgraden geschaffen, da, wie sich theoretisch nachweisen läßt, dies der einzige Weg ist, auf dem vergleichbare Bedingungen in Hochleistungs- und Hochdruckeinrichtungen verdoppelt werden können, um eine Impulsschaltung bei Spannungswerten in der Größenordnung von einer Killion Volt und/oder hohen 'Impuls-Folgefrequenzen zu betreiben - ein Ergebnis, das in der Praxis nicht leicht, wenn nicht überhaupt unmöglich zu erreichen ist.

Ein Hauptmerkmal bei einer volumetrischen, maßstäblich geänderten Entladung stellt die Steuerung der Gastemperatur und der Gleichförmigkeit der Entladung dar, wobei eine elektrische Entladung oder etwas ähnliches freie Elektronen und eine Ionisation des Arbeitsmediums in einem elektrischen Feld erzeugt. Die Elektronentemperatur, die eine Funktion des elektrischen Feldes E zu der Gasdichte N (E/N) in einer Gasmischung ist, wird durch Einstellen des elektrischen Feldes E und durch Steuern der Gasdichte N gesteuert. Bei Durchflußbetrieb bestimmt der richtige Aufbau die zulässigen Temperaturanstiege (Δτ) und- die entsprechende Dichte (AN) in dem Gas. Bei Impulsbetrieb muß die Wärmeaufnahmefähigkeit des Gases, die Impulsbreite und die Wirkung von Druckwellen zur richtigen Steuerung der Dichte Δ Ν betrachtet werden. Wenn die Elektronentemperatur ausreichend niedrig gehalten ist, so daß die Ionisation durch das angelegte elektrische Feld klein ist verglichen mit der Ionisation durch die vorerwähnten freien und vorzugsweise energiereichen Elektronen, dann kann die volumetrische Entladung bei hohen Druckwerten aufrechterhalten werden. Beispielsweise sind gesteuerte Entladungen gemäß der Erfindung bis zu einer Atmosphäre festgestellt worden.

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Gemäß der Erfindung besteht ein weiteres Merkmal der volumetrischen Ionisation zur Stabilisierung der Entladung in der Unterdrückung der Lichtbogen-Bildung. Ein Großteil der Lichtbogen-Bildung beruht auf der Elektrodenanordnung bzw. der Elektrodenform; es wurden daher verschiedene Elektrodenanordnungen bzw. -formen getestet; in allen Fällen führte die Ionisation zu einer Stabilisierungswirkung, die den Betrieb in Bereichen ermöglicht, in denen es bisher zu einer Lichtbogen-Bildung oder Durchbrüchen gekommen wäre.

Gemäß der Erfindung ist ein Elektronenstrahl zur Erzeugung von ^ freien Elektronen und zur Ionisierung des Arbeitsmediums geschaffen. Der Elektronenstrahl, der den kurzen Hochspannungsimpuls ersetzt, ist unter anderem auch wirkungsvoller bei der Ionisierung des Arbeitsmediums. Beispielsweise erzeugt ein 50 kV-Elektron in Luft entlang seiner Bahn ungefähr 1000 Sekundärelektronen, bevor es seine Energie verliert. Das wirksame Ionisierungspotential einer Gasmischung aus N₂, CO₂ und He beträgt ungefähr 30 V, wobei die Hälfte des primären Elektronen-Energieverlustes bei der Ionisation verbraucht wird.

Obwohl ein Laser-Betrieb beispielsweise eine sehr hohe Leistung erfordert, kann hier vorteilhafterweise bei relativ hohem Gasdruck (beispielsweise bis zu einer Atmosphäre oder mehr) und mit großen Querabmessungen (bis zu 30 cm oder mehr) gearbeitet werden. Derartige Bedingungen würden Spannungswerte von über einer Million Volt in einer Impulsschaltung mit einem kurzen Hochspannungsimpuls für eine Ionisation erfordern. Gemäß der Erfindung sind derartige hohe Spannungswerte nicht mehr erforderlich. Eine Elektronenstrahl-Ionisiereinrichtung benötigt beispielsweise nur eine Spannung in der Größenordnung von I50 kV, um eine für solche Abstände und Druckwerte geeignete Ionisation zu erreichen. Weiterhin ist durch die Ionisierung mittels eines Elektronenstrahls eine fortwährende Ionisation in derart großen Volumen geschaffen, so daß beispielsweise bei einem Laser-Betrieb eine wiederholte Impulsionisation nicht mehr nötig ist.

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Obendrein kann eine Ionisation mittels Elektronenstrahl einfach und vorteilhaft durch Regeln des Potentials an einem Gitter gesteuert werden, das vor der elektronenemittierenden Einrichtung angeordnet ist» Der Ionisationswert und beispielsweise der Laser-Ausgang für Laser-Anwendungen kann ebenfalls einfach und wirtschaftlich durch Regeln der Gitterspannung gesteuert werden, die einen Teil einer mit geringer Leistung betriebenen, geregelten Schaltung darstellen kann. Durch die einfache Steuerung und die Möglichkeit, fortwährend eine Ionisation mittels eines Elektronenstrahls durchführen zu können, wird die hier beschriebene Vorrichtung sehr interessant zur Ionisierung eines Arbeitsmediums für irgendwelche Anwendungszwecke, wo es erwünscht oder vorteilhaft ist, eine Ionisation zur Aufrechterhaltung einer Entladung gesondert durchzuführen.

In dieser Vorrichtung überträgt oder schafft zumindest eine einen Arbeitsbereich bestimmende Wand einer Einrichtung energiereiche Elektronen, die ihre kinetische Energie mit einem hohen Wirkungsgrad an das Arbeitsmedium zu dessen Ionisierung abgeben. Die Elektronenstrahl-Spannung, d.h. die Energie der Elektronen in dem Strahl, der die vorerwähnten energiereichen Elektronen erzeugt, muß ausreichend hoch sein, damit die Elektronen den Arbeitsbereich beispielsweise nach Durchdringen einer Membran oder einer Folie, die in einer Wand des Behälters angeordnet ist, erreichen, bevor sie hindurchgehen und das Arbeitsmedium ionisieren. Die Intensität des Elektronenstrahl-Stromes wird im allgemeinen von den Anforderungen an den Ionisationspegel in der Weise bestimmt, daß die Volumen-Rekombinations-(oder Anlagerungs-)Geschwindigkeit der lonisationsgeschwlndigkeit in dem Elektronenstrahl gleichkommt, was zu einer Erhöhung des Ionisationspegels und damit zu einer entsprechend höheren Volumen-Rekombinations-Geschwindigkeit führt. Die Membran odeuiLie Membranen, durch die die energiereichen Elektronen in den Arbeitsbereich gelangen, müssen nur so beschaffen sein, daß sie die notwendige Anzahl von Elektronen durchlassen und während der Übertragung der energiereichen Elektronen ent-

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sprechend gehaltert und gekühlt sind. Die Halterung muß so ausgeführt sein, daß die Membran den Druckunterschieden zwischen dem Arbeitsgas und dem Vakuum auf der anderen Seite der Membran widersteht, wo die energiereichen Elektronen erzeugt und in Richtung auf die Membran beschleunigt werden» Bei einem zweckmäßigen Aufbau liegt ein Hochvakuumbereich außerhalb von einer oder mehreren Wänden des den Arbeitsbereich bestimmenden Raums. Die Elektronen werden in dem Vakuumbereich nach einem zweckmäßigen Verfahren erzeugt, beispielsweise durch Plasmaemission, thermische Emission, Photoemission, Elektronenbeschuß u.a. Nach der Erzeugung werden die Elektronen in herkömmlicher Weise durch entsprechende elektrostatische oder elektromagnetische Einrichtungen beschleunigt und gelangen dann durch die Membran in den Arbeitsbereich.

Unabhängig von dem Verfahren, nach dem die Elektronen erzeugt werden, können sie durch die Membran mit dem Arbeitsbereich gekoppelt werden. Die Membran kann über einem gitterförmig ausgebildeten Bauteil angeordnet sein; bei bestimmten Impuls-Betriebsarten kann der Temperaturanstieg in der Folie auf einfache Weise durch die eigene Leitfähigkeit begrenzt werden und kamjiauf geeignete Weise durch eine Gasströmung oder durch Leitung bzw. Wärmeableitung gekühlt werden, die aus Aluminium, P Beryllium, Titan, Kohlenstoff u.a. bestehen kann. Da die Punktion der Membran darin besteht, das Arbeitsmedium in dem Arbeitsbereich von dem Vakuum in der Elektronenkanone zu trennen, sollte es im allgemeinen auch einem Druckunterschied von einer Atmosphäre widerstehen können. Da die Membran durch Absorb ie render Energie von Elektronen erhitzt wird, die fortwährend oder in zahlreichen, schnellen Impulsfolgen übertragen werden, muß sie gekühlt werden; so kann aber irgendeine regel» mäßige Kühleinrichtung verwendet werden.

Obwohl eine "brauseförmig " ausgebildete Elektronenstrahl-Anordnung, d.h. eine Elektronenstrahl-Anordnung mit einem großen

i η Q R η / 1 ζ «i Π

Streubereich zur Bestrahlung einer großen Fläche mittels eines verhältnismäßig energiearmen Elektronenstrahls in der Größenordnung von 50 bis 150 kV dargestellt und beschrieben ist, können selbstverständlich auch andere Anordnungen, wie beispielsweise eine oder mehrere kleine Elektronenkanonen, verwendet werden, wie sie bei mit Elektronenstrahlen arbeitenden Schweißgeräten u.a. üblich sind. Wenn keine Membran verwendet werden soll, können eine Reihe kleiner Löcher in einer Anzahl Platten verwendet werden, die mehrere in Reihe angeordnete Kammern begrenzen, die unterschiedlich ausgepumpt sind, um eine Trennung der Elektronenkanone von dem Arbeitsbereich zu schaffen; hierbei brauchen dann die Elektronen nicht durch ein festes Bauteil hindurch zu strömen. In diesem Fall gelangen dann die Elektronen unmittelbar durch die Löcher in einer oder mehreren der hintereinander angeordneten Platten; das Gas in dem Arbeitsbereich diffundiert dann nicht schnell genug durch das Loch neben der Elektronenkanone, um wesentlich die Elektronenerzeugung zu beeinflussen. Hierbei werden zweckmäßige Spannungen an den Raum zwischen den Platten angelegt, um eine maximale Fokussierung der Elektronen und um den Druck zwischen den Platten aufrechtzuerhalten, der in Richtung der Elektronenkanone fortlaufend abnimmt .

Der in einem vorgegebenen Arbeitsmedium erforderliche Elektronenstrahl-Strom und der Ionisationspegel werden von der jeweiligen Anwendung bestimmt. Hierbei benötigen dann viele N₂-CO₂-Laser nur einen verhältnismäßig niedrigen Ionisationspegel und einen geringen volumetrischen Elektronenstrahl-Strom. Weiterhin kann bei Lasern die Kühlung der Membran ziemlich leicht und durch Wärmeleitung zu den gekühlten Halteteilen erreicht werden. Beispielsweise für magnetohydrodynamische Generatoren und Beschleuniger sind höhere Ionisationspegel und höhere volumetrische Elektronenstrahl-Ströme für bestimmte Einrichtungen erforderlich. Sinngemäß muß auch eine stärkere Kühlung der Membran vorgenommen werden.

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Die Beschaffenheit des Elektronenstrahls, d.h. die Streuung, die Energie und die Gleichförmigkeit des Elektronenstrahls durch das Arbeitsmedium, wird durch die jeweilige Anwendung bestimmt. Für viele Laser-Anwendungen muß daher die Intensität des Elektronenstrahls im wesentlichen gleichförmig sein (d.h. mit Abweichungen, die nicht über einige Prozent hinausgehen) , um ein Arbeitsmedium mit einer im wesentlichen gleichförmigen Ionisation zu erzeugen, was für eine gleichförmige Elektronenaufnahme, d.h. für eine gleichmäßige Verstärkung, und für die optischen Eigenschaften in dem beständigen Medium notwendig ist.

Obwohl die Ionisierungsstrahlung in Form eines Elektronenstrahls für das offenbarte Ausführungsbeispiel bevorzugt wird, da die Verwendung des Elektronenstrahls ein sehr wirksames Verfahren zur Erzeugung einer volumetrischen Ionisation darstellt, kann selbstverständlich bei anderen Anwendungen im Rahmen der Erfindung eine Ionisierungsstrahlung in Form von Photonen, oC Teilchen, Röntgenstrahlen u.a. erforderlich sein»

Wie aus der vorhergehenden Besprechung zu ersehen ist, wird der Ionisationspegel, der mit energiereichen Elektronen erhalten werden kann, von dem Ausgleich zwischen den erzeugten Sekundärelektronen und den entweder durch eine Rekomb!nationsanlagerung oder durch die Strömung verlorengehenden Elektronen bestimmt. Demgemäß ist es wichtig, die Grenzwerte der energiereichen Elektronen-Stromdichte und Energie zu kennen, um den im folgenden zu besprechenden, erheblichen Verlustvorgang zu verstehen.

Um in einer praktisch durchführbaren Ausführungsform einen Laser-Betrieb durchzuführen, erzeugte eine Elektronenkanone einen Elektronenstrom, der auf eine dünne Metallfolienmembran gerichtet wurde, die von einer perforierten Platte mit H-7Q 0,4 cm (1/6 inch) großen Löchern auf einer Fläche von (5 χ 10)cm

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getragen wird. Die Grenzbedingung in dem Elektronenstrahl-Strom bestand darin, daß die verwendete Metallfolie nicht auf eine Temperatur erhitzt wurde, bei der ihre strukturelle Festigkeit erheblich herabgesetzt wurde, da ihre Aufgabe darin besteht, der Druckdifferenz zwischen dem Arbeitsbereich und der Elektronenkanone zu widerstehen und noch dazu Elektronen durchzulassen. Diese Temperatur wurde willkürlich auf 200⁰K festgesetzt; die Folie bestand aus Aluminium und besaß eine Dicke von ungefähr 10"*^ cm. Es können genauso gut andere Materialien mit anderen Stärken verwendet werden. Die Folie kann durch verschiedene Einrichtungen einschließlich einer Ableitung zu den gekühlten Haltestützen oder beispielsweise durch eine verstärkte Konvektion mit dem Gas gekühlt werden, das bei einem Impuls-Betrieb über die Oberfläche geblasen wird.

Bei Impuls-Betrieb kann angenommen werden, daß die gesamte Energie in der Folie abgegeben wird; ein unterer Grenzwert in der einfallenden Stromdichte, ausgedrückt in der einfallenden Elektronenstrahl-Energie E (Volt) und der Impulslänge t (Sekunden), beträgt ungefähr

EIt < 0,5 Joule (1)

Wenn E = 50 kV, 5 = 20 u-Sekunden und I -C 0,5 Amp/cm ist, werden ungefähr 20Ji der einfallenden Elektronen mit einer mittleren Energiereduzierung auf ungefähr 10 kV durchgelassen; diese durchgelassenen Elektronen stehen dann für die gepulste Ionisation des Gases zur Verfügung. Wie sich später ergibt, stellt der oben erwähnte Grenzwert eine Stromdichte dar, die weit über dem für eine Ionisation des für Laser-Betrieb ausgewählten Gassystems erforderlichen Bereich liegt.

Im folgenden werden nun die Ionisations- und Rekombinationsvorgänge in dem verwendeten Gas betrachtet, die für einen richtigen Laser-Betrieb wesentlich sind.ί Die erzeugte Ionenmenge ρ in einem Gas pro cm-* beträgt

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ά E ^ ΤΈ>

eE.

cm

se ο

(2)

wobei ρ die Energiedichte in gm cm" , I die Stromdichte des

austretenden Elektronenstrahls in Amp cm

2 -1 lere Energieverlustmenge in V cm gm ,E

, < -r-^ > die mitt- o m

der mittlere Ener-

gieverlust pro Ionisation in V und e die Elektronenladung in Coulomb ist. Wenn, wie in dem hier betrachteten Anwendungsfall, die Rekombination von zwei Teilchen vorherrscht, dann beträgt die Elektronendichte η :

dt

wobei oC der effektive Rekombinationskoeffizient und ρ die erzeugte Elektronenmenge ist. Hieraus folgt, daß im Gleichgewicht, d.h. für dn-/dt = 0, gilt:

ⁿe ⁼

IP

h E £ m

Mm

oLT

(3)

wobei P der Gasdruck in Dyn cm" , T die Gastemperatur in K, der effektive Rekombinationskoeffizient in cm-^ see

-1,

M das

Molekulargewicht des Gases, m die Protonenmasse gm und k die Botzmann-Konstante in Erg/ K ist.

Die angenäherten Maximalwerte von n_ für einen Elektronenstrahl

2
und eine Stromdichte von 1 mA/cm in einer Mischung aus Helium,

Stickstoff und CO₂ im Verhältnis von 3

1 sind unten wie

dergegeben, wobei die Eigenausschwingzeit I = l/an und der Bereich R bei E = 50 kV lag und E₁ 50 Volt betrug.

t-19-

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2H5963

He : N₂ :	CO₂	R	T
ⁿe		cm 122	αχ sec 12
4 χ ΙΟ¹¹		12	4
ΙΟ¹²		4,8	2,4
2 χ ΙΟ¹²

p
Torr

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird der Vorgang, der die Erzeugung von Laser-Energie mittels eines Elektronenstrahls und einer aufrechterhaltenen Entladung beinhaltet, im folgenden erläutert.

Thermische, von einem Wolframfaden emittierte Elektronen wurden mittels eines Gitters moduliert, dessen Potential bezüglich des Fadens verändert werden konnte; die Elektronen wurden durch ein Potential V_Q beschleunigt. Der Wert Vq wurde so gewählt, daß die Ionisation in dem Gas optimal ist. Für höhere Energiewerte ist die Aluminiumfolie transparenter und es werden mehr Elektronen durchgelassen; die erzeugte Ionisationsdichte ist aber niedriger. Demgemäß wird Gleichung (2) annähernd:

<4| > oC i ' ^L°g ^E und

<-Hinnimmt ab, wenn der Wert E zunimmt» c in

Der Optimalwert der angelegten Spannung V_Q betrug ungefähr 50 kV und die Elektronenkanone wurde auf einem Vakuum von ρ <. 0,1 Micron gehalten und war von der Laser-Kammer durch eine dünne, 10~^ cm starke Aluminiumfolie getrennt. Das Aluminium wurde gewählt, da es ohne weiteres verfügbar ist. Die Laser-Kammer kann unter einem Druck von unter 1 η bis über eine Atmosphäre oder mehr stehen.

-20-209813/1590

2U5963

Nach Durchgang durch die Folie gelangte der Elektronenstrahl durch ein verhältnismäßig weites Maschengitter aus nicht-rostendem Stahl in den Arbeitsbereich. Das Gitter stellte die Kathode und eine goldplattierte Scheibe stellte die Anode dar, zwischen der eine Spannung .V (<10 kV) angelegt war. Durch das Gitter wurde eine Beschädigung der Folie verhindert; mittels der Goldplatte an der Anode wurde ein Teil der einfallenden Primärelektronen reflektiert, um dadurch die Ionisierung des Gases zu erhöhen. Die Fäden in der Elektronenkanone wurden, bezogen auf die Folie, die auf oder beinahe auf Erdpotential lag, durch einen Kondensator von ^ uF, der den gepulsten Elektronenstrahl-Strom lieferte, auf einer Spannung von - 5OkV gehalten. Die Fäden wurden bezüglich des Gitters mit einer Spannung von -500 V im Impuls-Betrieb gesteuert. Zur Erzeugung des in das Gas gerichteten Elektronenstrahls können verschiedene Einrichtungen verwendet werden, beispielsweise eine photoelektrische Feldemission, Elektronen- oder Ionenbeschuß.

Der Strom wurde über einen Kondensator von 250 uF bei Spannungen von über 10 kV zugefährt. Sowohl die Anode als auch die Kathode können geerdet werden. Die Gasgeschwindigkeit, mit der das Arbeitsmedium durch die Laser-Kammer senkrecht zu dem Elektronenstrahl strömte, konnte bis über etwa 1 Mach verändert werden. Bei vorläufigen Versuchen wurden Geschwindigkeiten von ungefähr 1 m pro Sekunde verwendet, um sicherzustellen, daß das Gas nicht über undichte Stellen verunreinigt wurde.

Die Gleichförmigkeit des Elektronenstrahls in dem Arbeitsbereich und die geringen IntensitatsVeränderungen des Elektronenstrahls wurden durch Ersetzen der Anodenwand durch eine Kunststoffwand gefestigt, die mit Natrium-Salicyl beschichtet war, einer Substanz, die fluoresziert, wenn sie mit energiereichen Elektronen erregt wird.

-21-

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21*5963

In der Laser-Kammer wurden zwei Spiegel, deren Achse senkrecht sowohl zu dem Gasstrom als auch zu dem Elektronenstrahl ausgerichtet war, vertikal in der Vorrichtung untergebracht. Ein Spiegel bestand aus Kupfer und war konkav; der andere Spiegel reflektierte bei einer Wellenlänge von 10,6 ju 98#. Die Spiegel waren im Abstand von 18 cm angeordnet und in einem Rohr gehalten, dessen Ausrichtung mittels Schrauben eingestellt werden konnte. Die Spiegel wurden nach den üblichen Verfahren ausgerichtet; der Ausgang des Lasers wurde durch ein 10,6 n-FiIter in einen Germaniumkristall-Infrarotdetektor geleitet, dessen Ausgang einem durch den Elektronenstrahl-Strom gesteuerten Oszilloskop zugeführt wurde. Der Strom wurde ebenso wie das Infrarot-Detektorsignal gemessen; der Infrarotdetektor wurde mit einem Thermo-Kaloriemeter geeichte Die Laser-Verstärkung reichte aus, um mit dem Laser-Betrieb nur kurze Zeit, nachdem der Elektronenstrahl-Impuls sein Maximum erreicht hatte, zu beginnen. Diese Zeitverzögerung stellt die erforderliche Zeit dar, um durch Erregen der COg-Moleküle in ihren höheren Zustand eine Besetzungsinversion durchzuführen. Sie spricht auf die Temperaturabhängigkeit der Elektronen-Erregungsgeschwindigkeit an. Wenn die den Vorgang aufrechterhaltende Spannung und damit die Elektronentemperatur in dem Laser-Medium erhöht wurde, nahm diese Verzögerungszeit ab.

Ein brauchbarer Ionisationspegel wurde bei einer Impulsdauer von 20 u sek. erreicht. Danach rekombinieren die durch den Impuls ionisierten Gase und während der restlichen Rekombinationsphase des Vorgangs setzt der Laser-Betrieb ein. Bei einem anderen Versuch wurde ein Laser-Betrieb mit einem im wesentlichen kontinuierlichen Elektronenstrahl (d.h. mit einer Ionisation verglichen mit den Strömungs- und Kühlzeiten) durchgeführt. Die Elektronenstrahl-Impulslänge kann von unendlich stetig bis in eine sehr kurze Impulslänge geändert werden, wodurch ein echter Daueretrich-Laser-Betrieb, ein effektiver Dauerstrich-Laser-Betrieb oder ein gepulster Laser-Betrieb erzeugt ist. Für einen Hochleistungsbetrieb kann das Arbeitsmedium in Form von

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Impulsen geschaffen werden; der Elektronenstrahl und die den Vorgang aufrechterhaltenden Schaltungen können dann im wesentlichen zwischen den Impulsen erregt werden. Bei einem derartigen Betrieb kann die Wärme weitgehend abgeführt werden, wodurch ein weitgehend homogenes Medium in dem Arbeitsbereich geschaffen ist»

Zur Unterhaltung des Laser-Betriebs können verschiedene Gase und Gasmischungen verwendet werden. Obwohl hier eine Gasmischung aus Helium, N₂ und CO₂ in einem Mischungsverhältnis von ^ 3:2:1 beschrieben wurde, kann irgendein anderes Gas oder eine andere Gaskombination, wie beispielsweise CO,H₂O, CO₂, HCN, NO, H₂, Ar, NO₂, N₂O, HP u.a., in der vorbesprochenen Weise verwendet werden; wenn erforderlich oder gewünscht, können auch andere Gase hinzugefügt werden.

Die vorliegende Erfindung ist im wesentlichen bei jedem für Laser-Betrieb brauchbaren Gasgemisch verwendbar; der Hauptvorteil der Erfindung besteht darin, daß geeignete Gasmischungen bei hohem Druck verwendbar sind, und daß eine steuerbare, volumetrische, maßstäblich veränderbare Gasentladung unter den verschiedensten Betriebsbedingungen und Elektroden-Anordnungen bzw. -formen erzeugt wird. Mit der Erfindung ist daher eine sta-" bile und gesteuerte Entladung erzeugbar, wenn die Gasmischungs-Bestandteile und die Elektronentemperatur T so gewählt sind, daß die Geschwindigkeit von einem oder mehreren Rekombinationsvorgängen (Atom-Rekombination, Molekular-Rekombination, Anlagerung etc.) über der Ionisationsgeschwindigkeit liegt. Wenn dieser Vorgang gefestigt ist, unterhält sich die Entladung nicht selbst, d.h. sie läuft nicht ab, ohne daß die Ionisierungseinrichtung erregt wird; gemäß einem Merkmal der Erfindung lassen sich also mittels der Ionisierungseinrichtung der Entladungsverlauf bzw. die Entladungseigenschaften steuern. Wenn die Temperatur (T ) als Zustandsbedingung für eine bestimmte

e max

Gasmischung definiert ist, bei der die Ionisation gleich der Rekombination ist, dann ist eine "lebensfähige¹¹ Laser-Einrich-

209813/1590 "²3-

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tung geschaffen, wenn eine Inversion durch elektronische Anregung (und/oder durch eine entsprechende gaskinetische Deaktivierung von Zuständen, "bezogen auf den Laser-Übergang) bei einer Elektronentemperatur oder bei Elektronentemperaturen T hervorgerufen wird, so daß Τ_Ω <(T_o)_mQV wird. Ein kenn-

© w C ill CWv

zeichnendes Beispiel hierfür ist die Ng-COg-Laser-Mischung. Nennenswerte, ausgeprägte Ionisationen treten dann auf, wenn T in der Größenordnung von 1,5 eV oder höher liegt. Eine reine, bevorzugte Anregung (zur Erzeugung einer Inversion) kann bei Elektronentemperaturen von weniger als 1,5 eV sowohl in dem Np- als auch in dem CO₂-GaS zustande kommen. Durch den Stand der Technik ist es bekannt, daß ein großer Atom- und Nolekülbereich elektronisch durch eine Entladung erregt werden kann. Ein Laser-Fedium, in dem eine Besetzungsinversion durch eine unmittelbare elektronische Anregung oder durch eine Anregung über ein Hilfsmedium (beispielsweise in dem N₂-GOp-System) bei T_Ä *C (Τ_Ω) „ hervorgerufen werden kann, kann als geeignet für den hier behandelten, die Ionisierung aufrechterhaltenden Vorgang und insbesondere geeignet für den mittels eines Elektronenstrahls aufrechterhaltenen Ionisierungsvorgangs angesehen werden.

Weiterhin kann der hier behandelte, die Ionisierung aufrechterhaltende Vorgang auch bei einer Gasmischung mit einem Gas angewendet werden, das eine hohe Anlagerungsgeschwindigkeit (um eine effektive Rekombination hervorzurufen) bei hohen Elektronentemperaturen besitzt, die beispielsweise bei Sauerstoff für Werte von T von über etwa 3 eV auftreten. Bei Ver-

Wendung einer solchen Gasmischung ist ein Betrieb bei höheren als den üblichen Elektronentemperaturen möglich, wobei eine beachtliche Ionisierung eines der Laser-Mischungsbestandteile zustande kommt. Hierdurch werden einwandfreie Laser-Übergänge durchgeführt, die auf andere Weise nicht stabil zur Verfügung stehen (ungedämpfte Welle aus N₂ bzw. C.W.N₂).

-Zk-

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H5963

Tabelle I

Ausgangswellenlänge	10,6 jx
Ausgangskopplung	~1%
Spitzenausgangsleistung eines Impulses	3 W
Elektronenstrahl-Impulsbreite	/v/ 100 u sek.
Aufrechterhaltene Impulsbreite	^ 800 u sek.
Laser-Impulsbreite	^L 600 η sek.
Gas	16% CO₂, 3k% N
Gasdruck	30 Torr
Eingangsgeschwindigkeit	1 m/sek. (quas tisch)
Laser-Raumgröße	Durchmesser: 2 Länge 18 cm

Elektroden

Kammergröße für die Laser-Entladung

Elektronenstrahl-Schaltung Hochspannungs-Anschluß Energie-Speicherkondensator Ungeerdete Heizfaden-Schaltung

Netzanschluß
Kondensator

₂,

Maschengitter-Elektrode aus nicht-rostendem Stahl

Gitterlänge: 10 cm, Gitterbreite: 5 cm, Kammertiefe: 5 cm

150 kV bei 5 mA

5 /UP

Trenntransformator, Übersetzungs- bzw. Wicklungsverhältnis 11 : 1

50 kV bei 5 mA C = 250 uP

Der Elektronenstrahl schafft also eine gewünschte Elektronendichte-Gleichförmigkeit, wobei nur eine geringe Energiemenge verwendet wird, wohingegen mit der aufrechterhaltenen Entladung eine Spannung geschaffen ist, die den Elektronen eine Temperatur gibt, die beispielsweise für Laser-Betrieb erheblich höher liegt, aber nicht hoch genug ist, um eine nennenswerte Erhöhung in der Elektronendichte zu erzeugen. Die aufrechterhaltene Entladung gibt die Hauptenergiemenge unmittelbar dort in dem Gas ab, wo es erwünscht ist. Bei einem Ng-COg-Laser wird die Energie auf den

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oberen Laser-Zustand des CO₂ und auf die Stickstoff-Schwingung eingestellt; die optimale Elektronentemperatur garantiert dann auch den optimalen Laser-Wirkungsgrad» Wenn mittels des Elektronenstrahls eine gleichförmige Elektronen-Ionen-Wolke geschaffen ist, dann bleibt die Wolke während der Dauer des durch die angelegte Spannung aufrechterhaltenen elektrischen Feldes gleichförmig, solange nicht die Spannung zu einer schnellen Elektronenerzeugung führt. Wenn der Pegel der Spannung oder des Feldes bis zu einem Wert angestiegen ist, bei dem die Ionisation zu schnell erfolgt, dann können Ladungs-Ungleichförmigkeiten auftreten. Durch Schaffung eines Feldes, das so gewählt ist, daß vernachlässigbar wenige Elektronen erzeugt werden, bleibt eine stabile, gleichförmige und gesteuerte Entladung für verschiedene Durchflußaeiten durch das Arbeitsmedium erhalten.

Die Erfindung schafft in einem Strömungs-Gas-Laser eine räumlich gleichförmige Entladung bei optimalen Elektronentemperaturen, die für einen wirksamen Laser-Betrieb bei beliebigen Druckpegeln und Größen erforderlich sind. Obwohl die Erfindung hierauf nicht beschränkt ist, kann mit ihr bei Anwendung des vorerwähnten Zweistufen-Vorganges vorzugsweise zuerst ein Elektronenstrahl erzeugt werden, der in dem Gas eine vorbestimmte, räumlich verteilte (vorzugsweise gleichförmige) Elektronendichte oder Ionisation erzeugt, die sich gewöhnlich, wenn sie sich selbst überlassen ist, in volumetrischen Vorgängen erschöpft und/oder aus dem Kanal ausströmt und nicht in der Lage ist, einen wirksamen Hochleistungs-Laser-Betrieb hervorzurufen. In der zweiten Stufe oder mittels der erhaltenen Entladung wird den in der ersten Stufe erzeugten Sekundärelektronen die notwendige Elektronentemperatur für eine vorzugsweise optimale Laser- (oder andere) Anregung erteilt, ohne daß hierdurch die Dichte der Sekundärelektronen aufgrund der selbst regenerierenden Ionisation nennenswert erhöht wird.

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Selbstverständlich ist die Vorrichtung auch nicht auf die hier speziell beschriebenen und ,dargestellten Einrichtungen beschränkt; beispielsweise können auch andere Einrichtungen zur Erzeugung der Anfangs-Elektronendichte verwendet werden, wie beispielsweise ultraviolette Strahlung, eine elektrische Entladung, Photonen u.a., die durch Elektronenstrahl-Einrichtungen zur Einführung eines oder mehrerer Elektronenstrahlen geschaffen sind, um eine Ionisation des gasförmigen Mediums hervorzurufen, wie vorher bereits erläutert ist. Unabhängig davon, ob die Elektronen wie vorbeschrieben oder auf irgendeine ande- *' re Art erzeugt worden sind, müssen sie auf die genaue Elektronentemperatur erhitzt werden, wobei der Wert E/N durch die aufrechterhaltene Entladung angelegt ist.

Die vorliegende Erfindung kann auch zur Durchführung von chemischen Vorgängen, wie beispielsweise zur Erzeugung von Ozon, verwendet werden. Für industrielle Anwendungszwecke wurde bisher Ozon hauptsächlich durch Anwendung der bekannten Townsend- oder der sogenannten ruhigen Entladung erzeugt. In letzter Zeit ist für kommerzielle Anwendungszwecke ein zweites Verfahren angewandt worden, bei dem eine Corona- oder eine unter hohem Druck erfolgende Glimmentladung benützt wird.

Der Townsend-Entladungsvorgang ist durch zwei ausgeprägte Besonderheiten gekennzeichnet, die zumindest etwas voneinander abhängen, nämlich eine, niedrige Stromdichte in der Entladung und ein niedriger Gesamt-Energiewirkungsgrad. Die Ozon-Produktion erfordert hohe Aktivierungs-Energiepegel auch bei niedrigen Umwandlungsgeschwindigkeiten in der Größenordnung von einem Mol-# des Arbeitsmediums; auch ist bei diesem Vorgang die Kühlung wichtig, wenn eine unerwünschte Änderung in der chemischen Kinetik aufgrund eines Temperaturanstiegs verhindert werden soll. Die vorerwähnte niedrige Stromdichte und der geringe Gesamt-Energiewirkungsgrad des Townsend-Verfahrens haben nicht nur zu hohen Produktionskosten geführt, sondern haben die Anwendung

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von die Townsend-Entladung einschließenden Verfahren stark beschränkt.

Einzelheiten der Ozon-Herstellung mittels einer Townsend-Entladung sind allgemein bekannt. Obwohl in positiven Entladungssäulen ständig hohe energetische Wirkungsgrade gemessen worden sind, ergibt sich wegen des starken Potentialabfalls an den Elektroden ein insgesamt niedriger Wirkungsgrad. Da die zur Stabilisierung der Entladung verwendete dielektrische Schicht hauptsächlich für den vorerwähnten Abfall an den Elektroden verantwortlich ist, ohne daß durch die dielektrische Schicht eine Stabilisation erreicht ist, läuft die Townsend-Entladung bei industriellen Arbeitsvorgängen nicht zufriedenstellend ab.

Der GlimmentladungsVorgang weist nicht die zwei grundsätzlichen Mängel der Townsend-Entladung auf, nämlich die niedrige Stromdichte und den großen Kathodenabfall. Bei dem Glimmentladungsvorgang liegt die Stromdichte etwa zwei bis drei Größenordnungen über der der Townsend-Entladung; der Kathodenabfall ist im allgemeinen kleiner als ungefähr 1000 V. Verglichen mit der Townsend-Entladung ist aber auch der energetische Wirkungsgrad in der positiven Säule der Glimmentladung erheblich niedriger.

Glimmentladungsvorgänge werden im allgemeinen bei niedrigem Druck innerhalb von durch flüssige Luft gekühlten Wänden durchgeführt. Andererseits weist die Hochdruckentladung oder die Corona-Entladung einen viel begrenzteren Stabilitätsbereich auf als die Niederdruck-Glimmentladung. Mit Ausnahme einer hochfrequenten Entladung ohne Elektroden stellt der Elektrodenaufbau im allgemeinen einen kritischen Faktor bei der Stabilisierung einer Corona-Entladung dar.

Da die Stabilisierung durch eine dielektrische Schicht oder durch eine spezielle Elektrodenausbildung erreicht werden muß, sind die vorbeschriebenen Verfahren im wesentlichen an der Ober-

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fläche stattfindende Verfahren. Bei derartigen Verfahren ist die Kinetik in dem aktiven Volumen des Arbeitsmediums nicht homogen; auch können keine gleichbleibenden, optimalen oder beinahe optimalen Bedingungen geschaffen werden. Das Grundproblem bei den vorbeschriebenen Verfahren besteht darin, daß eine enge Kopplung zwischen der Elektrodenemission an den Elektroden und dem elektrischen Feld in dem aktiven Volumen besteht. Wo eine solche Kopplung vorhanden ist, ist es sehr schwierig, eine beständige und gleichförmige Entladung ohne Lichtbogenbildung zu erhalten.

Ozon kann leichter und wirkungsvoller als bisher hergestellt werden, wenn eine unabhängige Elektronenquelle in Form eines Elektronenstrahls oder wechselweise in Form von wiederholt eintreffenden, kurzen Elektronenstrahl-Impulsen verwendet wird, die einem bestehenden elektrischen Feld überlagert werden, wie vorher bereits beschrieben ist. Optimale Bedingungen für die Ozon-Erzeugung können geschaffen werden, ohne daß beispielsweise strenge Anforderungen an den Gleichgewichtszustand wie bei einer Townsend-Entladung gestellt werden und ohne daß strenge Anforderungen an den Elektrodenaufbau bzw. deren Anordnung gestellt werden, wie bei einer Corona-Entladung. Die Ozon-Er-. zeugung mit Hilfe einer gesteuerten Entladung gemäß der Erfin- * dung ist ein echter volumetrischer Vorgang; für viele Anwendungszwecke sind daher nicht nur die Schwierigkeiten bei maßstäblichen Veränderungen geringer als bei bekannten Verfahren, sondern es kann auch die Größe der gesamten Anordnung erheblich verkleinert werden. Weiterhin führen die gleichförmigen Bedingungen in dem Arbeitsmedium zu einer Verbesserung des gesamten energetischen Wirkungsgrades; ferner ist der Wärmeverlust bei dem Verfahren gemäß der Erfindung, verglichen mit den bisher bekannten Verfahren, auf ein Minimum herabgesetzt. Demgemäß kann Ozon in höheren Konzentrationen erzeugt werden, als es bisher möglich war, ohne daß die Notwendigkeit der Kühlung anfällt.

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Das Ozon kann mit der vorgeschriebenen und dargestellten Vorrichtung erzeugt werden, abgesehen davon, daß die Spiegel, die den optischen Raum begrenzen, nicht erforderlich sind» Das Arbeitsmedium zur Erzeugung von Ozon kann Luft oder vorzugsweise reiner Sauerstoff sein« Die Elektronen werden von der Elektronenkanone in der vorbeschriebenen Weise erzeugt, gelangen in das Arbeitsmedium und kollidieren mit den Sauerstoffmolekülen, wodurch Sekundärelektronen und Ionen erzeugt werden. Die Elektronentemperatur in dem Arbeitsbereich muß auf einem Wert gehalten werden, der für die Ozon-Erzeugung günstig ist.

In dem Arbeitsbereich werden die Elektronen durch eine Ionisation durch Primär- und Sekundär-Elektronen erzeugt, und gehen durch Anlagerung an die Sauerstoffmoleküle verloren. Sowohl die Ionisationsgeschwindigkeit der Sekundär-Elektronen als auch die Geschwindigkeit, mit der sich die Elektronen an die Sauerstoffmoleküle anlagern, wird stark durch die Elektronentemperatur beeinflußt. Da ein Elektronen-Überschuß aufgrund der Ionisation durch die Primär-Elektronen vorhanden ist, kann ein räumlich gleichförmig verteilter Strom mittels der Ionisationsgeschwindigkeit der Sekundär-Elektronen aufrechterhalten werden, deren Geschwindigkeit geringer ist als die Anlagerungsgeschwindigkeit. Demgemäß ist die Stabilität des Entladungsvorgangs in dem Arbeitsmedium erheblich größer als die bei herkömmlichen Entladungsvorgängen, wo die reine Ionisation durch Sekundär-Elektronen wichtig zur Erhaltung des Entladungsvorganges ist.

Wenn eine Sekundär-Elektronentemperatur im Bereich von ungefähr 2 bis 3 Elektronenvolt geschaffen ist, führt ein hoher Prozentsatz der bei elastischen Zusammenstößen verloren gegangenen Energie zu einem Sauerstoff-Zerfall, was für die Erzeugung von Ozon hoher Konzentration wichtig ist. Der Elektronen-Temperaturbereich, der für die Erzeugung von Ozon geeignet ist, liegt um ungefähr einen Paktor 2 höher als der Bereich, der zur Durchfüh-

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³⁰ 2U5963

rung eines Laser-Betriebs notwendig ist. Da weiterhin eine niedrige Umgebungstemperatur in dem Arbeitsmedium ohne weiteres geschaffen werden kann, kann die Erzeugung von Ozon hoher Konzentration mit einem viel größeren Wirkungsgrad durchgeführt werden, als es bisher möglich war.

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit der Erfindung besteht in der magnetohydrodynamischen (MHD) Energieerzeugung. Elektrische Energie kann einem elektrisch leitenden Plasmastrom entzogen werden, wenn das Plasma durch ein senkrecht zu der Strömungsrichtung angeordnetes Magnetfeld geleitet wird. Das Magnetfeld baut ein elektrisches Feld auf, das senkrecht zu dem Magnetfeld und der Strömungsrichtung liegt; mittels entsprechend4construierter und parallel zu dem elektrischen Feld angeordneter Elektroden kann die kinetische Energie des Plasmas als elektrische Energie ausgekoppelt werden.

Bei dieser Anwendungsform wird ein Elektronenstrahl in das Plasma eingeführt, um den erforderlichen Ionisationspegel unabhängig von der Elektronentemperatur aufrechtzuerhalten. Auf diese Weise kann eine stabile Plasma-Entladung in dem Plasma erzeugt werden, wobei die Ionisierung volumetrisch ist und nicht durch eine ambipolare Diffusion von Ionenpaaren in die Wände, wie bei einer herkömmlichen Entladung, stabilisiert wird, sondern durch das Gleichgewicht zwischen der Ionen-Rekombination und der Ionen-Produktion durch den Elektronenstrahl. Die angeführten Parameter sowie ihre numerischen Werte sind nur beispielsweise zur besseren Erläuterung angegeben.

Anforderungen an den Rekombinations-Koeffizienten-MHD-Generator

Gas Helium

Strömungsgeschwindigkeit ^/1,5 x 10-* m/sek

Strömungszeit ^ 10" ^ sek.

Dem Plasma entzogene Energie ~0,2 eV pro Partikel

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Ionisationspegel ^η _β-^¹⁰ Elektronen/cnr

Gasdichte ~· 3 x 10¹⁹ cm"³

Effektive Energie pro Ionisation 50 eV Die zur Ionisierung pro Partikel *n . -j 15 erforderliche Energie 10 Ionen/cm-W ^ χ

1 ο eV/cm-^

Die bei 100 Ionisationsvorgangen

pro Strömungszeit erforderliche

Energie, um eine Ionisation auf- c ₂ 3

rechtzuerhalten ^ ^ χ 10" eV/cnr

Verhältnis: Gesamter Ionisations-Energieeingang^ 1

Gesamter Energieausgang

Rekombinationszeit: _Λ _Γ

wobei 06 der dissoziStive Rekombinations-Koeffizient ist

T- ττ

Dies muß γχπ der Strömungszeit sein, woraus sich als Forderung für den Rekombinations-Koeffizienten ergibt:

10~"

ⁿe

Die jüngsten Versuchsergebnisse (Berlande, Phys Rev. Al., 887, 1970) zeigen, daß in dem vorzugsweise verwendeten Arbeitsbereich n_Ä *j 10 , die Elektronentemperatur T_Ä -^ 3 χ ΙΟ^{3 0}K, die e β

Gastemperatur T ^ I300 K und der obere Grenzwert des wirksamen

S -9 ^ y

Rekombinations-Koeffizienten oC ·<- 10 ⁷ cm-^/sec beträgt.

Die Elektronenstrahl-Stromdichte, die zur Aufrechterhaltung eines Gleichgewichts-Ionisationswertes n_ = 10 cm^J erforderlieh ist, wird dadurch erhalten, daß die Produktionsgeschwindigkeit gleich der Rekombinationsgeschwindigkeit ist. Dann gilt 2 IE

etwa für cc η « , wobei oC der wirksame Rekombinationse er·, im*; *

e er·, im*; * „

Koeffizient, I die Elektronenstrahl-Stromdichte in A cm , E die Elektronenenergie in Volt, B(E) der Bereich der Energie-Elektronen E in cm, E^«50 eV pro Ionenpaar, e-4 x ICr^ Coulomb ,

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³² 2U5963

F oder E » 100 KeV und die Dichte N_Q = 2,6 χ ΙΟ¹⁹ cm"³ ist„ Wenn. dann R(E) w 90 cm in Helium ist, dann wird

I = η ^{2 eE}i^R(^E>
.^e ~E

= 7,5 x 10"^J A/cm , wenn 06 = 10" cnrysek und

14 τ η = 10 cm ^J ist.

Ein derartiger Elektronenstrahl kann leicht erzeugt werden, wie bereits vorher beschrieben ist; ein Heliumstrahl kann beispielsweise zur Kühlung der Folie oder der Membran verwendet werden,, Der Elektronenstrahl wird in den MHD-Kanal unter einem entsprechend ausgewählten Winkel relativ zu der Richtung des angelegten Magnetfeldes eingeführte

-33-

20981 3/15S0

Claims

Patentansprüche

1./ Verfahren zur Erzeugung einer gesteuerten Entladung

η einem gasförmigen Arbeitsmedium, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ionisierungsstrahlung erzeugt wird, daß die Ionisierungsstrahlung in das Arbeitsmedium zur Erzeugung einer vorbestimmten räumlichen Verteilung von Sekundär-Elektronen in dem Medium zugeführt wird, und daß die Elektronentemperatür der Sekundär-Elektronen zur Erzeugung der gesteuerten Entladung geregelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Ionisierungsstrahlung in Form von einem oder mehreren strahlenfreien Elektronen geschaffen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Elektronentemperatur der Sekundär-Elektronen so durchgeführt wird, daß eine wesentliche Erhöhung der Elektronendichte durch eine selbst regenerierende Ionisation vermieden ist.

k. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Elektronentemperatur dadurch erreicht ist, daß der Pegel und die Gleichförmigkeit sowohl der Dichte als auch der Temperatur des Mediums auf Werten gehalten sind, die niedriger liegen als die, die eine ungeregelte Lichtbogenbildung in dem Medium hervorrufen.

5. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Elektronentemperatur dadurch erreicht wird, daß die durch die Sekundär-Elektronen hervorgerufene Ionisationsgeechwindigkeit auf einem Wert gehalten wird, der niedriger als der Wert ist, der eine unge-

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2U5963

regelte Lichtbogenbildung in der Sollzeit der Entladung erzeugt .

6. Verfahren nach Anspruch ^, dadurch gekennzeichnet , daß die Elektronendichte und die Temperatur für Zeitabschnitte aufrechterhalten werden, die kürzer sind als die Sollzeit der Entladung.

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Arbeitsmedium von freien Elektronen bestrahlt wird, die mit einer Geschwindigkeit durch einen Raum geleitet werden, um eine vorbestimmte Temperatur und Dichte des Mediums aufrechtzuerhalten.

8 β Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Arbeitsmedium in einem Raum untergebracht ist, daß die freien Elektronen in einer Umgebung mit einem Druck erzeugt werden, der niedriger ist als der des Mediums in dem Raum, und daß die Elektronen in den Raum durch ein für Gase undurchdringliches Element hindurchgeleitet werden.

9. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η zeichnet, daß das gasförmige Medium in einem Raum untergebracht ist, in den die freien Elektronen eingeleitet werden, daß eine vorbestimmte räumliche Verteilung von Sekundär-Elektronen ausreicht, um eine Besetzungsinversion in dem Medium zu unterhalten, und daß die Elektronentemperatur der Sekundär-Elektronen so gesteuert ist, daß eine durchschnittliche Energie der Sekundär-Elektronen geschaffen ist, um eine Besetzungsumkehr in dem Medium in dem Raum zu erzeugen.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Elektronentemperatur durch ein den Vorgang aufrechterhaltendes elektrisches Feld in dem Medium gesteuert wird.

209813/1590 ~³⁵~

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß das Medium durch den Raum geleitet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein optischer Raum zur Lichterzeugung durch eine erzwungene, durch die Besetzungsinversion her vorgerufene Strahlungsemission verwendet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch g ek e η η zeichnet , daß der Laser-Betrieb in dem Medium seriell in Form von Impulsen durchgeführt wird, und daß die dem Medium durch Zuführung von freien Elektronen hinzuaddierte Energie geringer ist als die Energie, die dem Medium durch das den Vorgang aufrechterhaltende elektrische Feld hinzuaddiert wird.

Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Erzeugung einer gesteuerten Entladung in einem gasförmigen Arbeitsmedium nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Raum, in dem das gasförmige Mediunr untergebracht ist, durch eine Einrichtung zur Erzeugung der Ionisierungsstrahlung, durch eine Einrichtung zur Zuführung der Ionisierungsstrahlung in den Baum und zur Erzeugung einer vorbestimmten räumlichen Verteilung von Sekundär-Elektronen in dem Medium, und durch eine Einrichtung zur Regelung der Elektronentemperatur der Sekundär-Elektronen zur Erzeugung der gesteuerten Entladung in dem Medium in dem Raum.

15. Vorrichtung nach Anspruch Ib, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung der Ionisierungsstrahlung die Strahlung in Form von einem oder mehreren strahlenfreien Elektronen erzeugt.

-36-209813/1590 '

" ' 2U5963

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche Ik oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die die Elektronentemperatur regelnde Einrichtung so eingestellt ist, daß eine wesentliche ErhöBnung der Dichte der Sekundär-Elektronen aufgrund einer selbst regenerierenden Ionisierung verhindert ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , daß eine Einrichtung zur Aufrechterhaltung des Pegels und der Gleichförmigkeit sowohl der Dichte als auch der Temperatur des Mediums auf Werten vorgesehen ist, die

) niedriger liegen als die Werte, die eine ungeregelte Lichtbogenbildung in dem Medium erzeugen.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch ge k e η η _r zeichnet , daß die die Strahlung zuführende Einrichtung eine weitere Einrichtung zur. Aufrechterhaltung der von den Sekundär-Elektronen erzeugten Ionisationsgeschwindigkeit aufweist, deren Pegel niedriger ist als der Pegel, der eine ungeregelte Lichtbogenbildung innerhalb der Sollzeit der Entladung erzeugt.

19· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in der Einrich-™ tung zur Erzeugung der Ionisierungsstfahlung niedriger ist als der Druck in dem Raum, und daß ein für Gase undurchlässiges Element vorgesehen ist,· das den Raum von der Einrichtung abtrennt und durch das die freien Elektronen in den Raum gelangen.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche Ik bis 19, dadurch gekennzeichnet , daß die die Elektronentemperatur steuernde Einrichtung ein den Vorgang aufrechterhaltendes elektrisches Feld in dem Raum erzeugt.

-37-20981 3/1590

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet , daß der Raum eine Gaseinströmungs- und eine Gasausströmungsöffnung aufweist, und daß die die Elektronentemperatur steuernde Einrichtung Elektroden aufweist, die zwischen der Gaseinströmungs- und der Gasausströmungsöffnung zur Erzeugung des den Vorgang aufrechterhaltenden elektrischen Feldes in dem Raum -angeordnet sind.

22. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet , daß das für Gase undurchlässige Element eine Membran ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , daß die die Strahlung zuführende Einrichtung die freien Elektronen im wesentlichen gleichförmig über zumindest einen Großteil des Raumvolumens in das Medium leitet.

24. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß die die Elektronentemperatur steuernde Einrichtung eine perforierte Platte und eine dünne Membran aufweist, die die Platte abdeckt und von dieser gehaltert wird, und daß die Membran zwischen der Platte und dem Medium angeordnet ist.

25. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß das Medium einen höheren und niedrigeren Laser-Zustand aufweist, daß die die Elektronen erzeugende und zuführende Einrichtung eine Dichte an Sekundär-Elektronen in dem Medium schafft, die zur Unterhaltung einer Besetzungsinversion ausreicht, und daß die Steuerungseinrichtung die Durchschnittsenergie der Sekundär-Elektronen auf ein Niveau erhöht, bei dem eine Besetzungsinversion in dem Medium in dem Raum durchführbar ist.

2U5963

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, um das Medium durch den Raum in Form von Impulsen hindurchzuleiten, und daß eine Einrichtung zur Erregung der die Elektronen erzeugenden, zuführenden und steuernden Einrichtung zwischen den Impulsen vorgesehen ist, um die Besetzungsinversion zwischen den Impulsen hervorzubringen.

27. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet , daß das Medium kontinuierlich durch den Raum hindurchströmt.

28. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet , daß Zuführungseinrichtungen zur Erzeugung einer Strömung des gasförmigen Mediums mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit und einem vorbestimmten Druck in dem Raum vorgesehen sind, wobei der Raum ein solches Volumen aufweist, daß in ihm die Aufrechterhaltung einer gesteuerten Entladung durch Diffusion in den Wänden im wesentlichen nicht möglich ist.

209813/1590