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Kaltkathodengaslaser Die Erfindung betrifft Gaslaser mit Kaltkathode,
die eine gegen Ionenbeschuß möglichst resistente Oberflächenschicht aufweist, betrieben
im normalen Kathodenfall und mit Anregung des stimulierbaren gasförmigen Mediums
in positiver Säule.
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Es ist bereits bekannt, bei derartigen Lasern, beispielsweise Helium-Neon-Lasern
kleiner Leistung (1mW-Bereich)t Aluminium, Magnesium oder Beryllium als Kathodenmaterial
zu verwenden. Um eine gegen Ionenbeschuß möglichst resistente Oberflächenschicht
zu erhalten, müssen diese Kaltkathoden besonderer Oberflächenbehandlung, einer Oberflächenoxydation
unterworfen werden. Die Oberflächenoxydation setzt Kathodenzerstäubung - hervorgerufen
durch auf die Kathode treffende, Sekundärelektronen auslösende positive Ionen aus
der positiven Säule - herab, so daß Gasaufzehrung verlangsamt wird, lange Laserlebensdauer
erreichbar ist.
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Zur Oberflächenoxydation sind die Kathoden u.a. mehrmalig einer elektrischen
Entladung in verdünnter sauerstoffhaltiger Atmosphäre auszusetzen. Der Erfolg der
Oberflächenbehandlung hängt stark von der exakten Einhaltung der Formierungabedingungen
ab.
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Ziel der Erfindung ist ein verbesserter Gaslaser obigen Typs.
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+) 21 g 53/12
Bereits bei Raumtemperatur bildet Titan
in sauerstoffhaltiger bzw. stickstoffhaltiger Atmosphäre, beispielsweise Luft, einen
dichten festen Titanoxid- bzw. Titannitridüberzug. Die fiberzugstärke wächst mit
steigender Temperatur.
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Es wurde gefunden, daß eine Kaltkathode aus Titan eine besonders geringe
Neigung zum Zerstäuben zeigt und daß mit Kaltkathoden aus Titan bei dem angesprochenen
Lasertyp längere Lebensdauern, als bisher mit Al-, Mg-, oder Beryllium-Kaltkathoden
erzielt, erreichbar sind. Besonders vorteilhaft ist, daß diese geringe Neigung des
Titans zum Zerstäuben nicht erst durch besondere-0berflächenbehandlung mit kritisch
einzuhaltenden Bearbeitungsbedingungen erzeugt werden muß, sondern bereits ohne
besonderes Zutun vorhanden ist, gleichsam eine Charaktereigenschaft des Titans darstellt.
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Titankaltkathoden sind höher belastbar als die bisher verwendeten.
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Die Belastbarkeit einer rohrförmigen Titankaltkathode in bezug auf
die Entladungsstromdichte pro cm2 Kathodenoberfläche erwies sich bei einem Vergleich
mit rohrförmigen Aluminiumkaltkathoden als mindestens um den Faktor 2 höher.
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Die geringe Zerstäubungstendenz der Kathode hat auch geringere Fenster-bzw.
Resonatorspiegelverschmutzung zur Folge. Entsprechend geringer ist Leistungsabfall
mit zunehmender Betriebsdauer des Lasers.
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Titankaltkathoden gettern bevorzugt Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff
und Kohlendioxid. Die Getterung ist praktisch irreversibel.
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Stickstoff und Sauerstoff werden bei höheren Temperaturen auch im
Vakuum nicht mehr abgegeben. Wasserstoff, der in atomarer Form schon bei Zimmertemperatur
gegettert wird, kann aus Titan erst bei Temperaturen oberhalb 500°C entweichen.
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Titan als Elektrodenmaterial ist auf dem Gaslasergebiet an sich bereits
bekannt, bislang aber für den in Rede stehenden Gaslasertyp noch nicht vorgeschlagen
worden.
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Eine massive Kaltkathode aus Titan für Gasionenlaser mit Edelgasfüllung
für Impuls- oder Dauerstrichbetrieb ist der amerikanischen Patentschrift 3 688 217
zu entnehmen. Die bei extrem hohen Stromdichten, etwa 107 bis 108 A pro cm2, arbeitende
Kathode schmilzt im
Betrieb lokal. Weggeschleudertes Kathodenmaterial
scheidet sich auf der Gefäßwand ab. Die Gettereigenschaft von Titan wird so genützt.
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Dominierender Emissionsmechanismus bei dieser Kathode ist Feldemission,
nicht Sekundärelektronenemission. Kathodenzerstäubung ist nicht unerwünscht.
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Eine rohrförmige Kathode aus Titan, die Teil des Entladungsgefäßes
ist, offenbart die britische Patentschrift 1 013 725. Sie dient aber als Kathode
eines Gaslasers mit Hohlkathodenglimmentladung und mit Strahlungserzeugung im Kathodengebiet
(keine positive Säule!). Hohlkathodenentladungen werden im allgemeinen von intensiver
Kathodenzerstäubung begleitet. Die starke Kathodenzerstäubung wird benutzt, um neben
stimulierten Übergängen im Füllgas ( Helium-Neongamisch (Helium-Neongemisch) stimulierte
Übergänge in Metalldampf (Titanspektrum) zu erzeugen.
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Ein Gaslaser mit Kaltkathode, die eine gegen Ionenbeschuß möglichst
resistente Oberflächenschicht aufweist, betrieben im normalen Kathodenfall und mit
Anregung des stimulierbaren gasförmigen Mediums in positiver Säule, ist gemäß der
Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltkathode aus Titan ist und eine Oberflächenschicht
aus Titanoxid und/oder Titannitrid aufweist.
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Die Erfindung wird anhand von Figuren noch näher erläutert.
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Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel.
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Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel.
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Der erfindungsgemäße Gaslaser (Fig.1) besitzt ein langes, kapillarförmiges,
gerades Entladungsrohr 1 aus Weich- oder Hartglas, dessen Enden durch vorzugsweise
unter dem Brewsterwinkel geneigte Fenster 2 abgeschlossen sind. Einen optischen
Resonator bildet eine externe Spiegelanordnung (nicht dargestellt). Die Füllung
besteht aus einem bekannten Gemisch aus Helium und Neon. Auch ein Gemisch anderer
Gase ist denkbar. Feste Elektroden (Anode 3, Kaltkathode 4) sind vorgesehen. Die
Anode 3 besteht aus einem Stift aus beispielsweise Nickel.
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Die Kaltkathode 4 besteht erfindungsgemäß aus Titan mit Titanoxid-und/oder
Titannitridoberflächenschicht. Die Kathode kann massiv sein.
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Vorzugsweise ist sie rohrförmig ausgebildet. Sie ist in einem seitlichen
Ansatz 5 untergebracht, der über ein Verbindungsrohr 6 mit dem Entladungsrohr 1
in Verbindung steht. Etwa in Kathodenmitte endet das Verbindungsrohr.
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Ist interne Spiegelanordnung vorgesehen, sind Entladungsrohr, Kaltkathode
4 und Kathodengefäß 5 koaxial zueinander angeordnet.
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Im Ausführungsbeispiel nach Fig.2 trägt das Entladungsrohr an seinen
Enden Resonatorspiegel 7, 7', von denen einer, Spiegel 7, total reflektierend, der
andere, Spiegel 7', teilweise strahlungsdurchlässig ist. Das Entladungsrohr 1' weist
eine seitliche Öffnung 8 auf, die den Zugang zum Rohrinneren ermöglicht. Das Entladungsrohr
ist gegenüber der Kathode 4 so angeordnet, daß seine Öffnung 8 etwa in Kathodenmitte
liegt.
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Die Kaltkathode 4, ein beidseitig offenes Rohr, besitzt in den Ausführungsbeispielen
eine Länge von etwa 12 - 15 cm und einen Durchmesser von etwa 3 cm. Ihre Wandstärke
beträgt etwa 0,7 - 1 mm. Außenanschluß erfolgt über Durchführungsleiter 9, die mit
dem Kathodenmantel fest verbunden, beispielsweise angeschweißt, sind. Auch andere
Kaltkathodendimensionen sind selbstverständlich denkbar. Die Stromstärke beträgt
5 - 10 mA.
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Kaltkathoden erlauben Wegfall von Kathodenheizung. Homogenere Temperaturverteilung
im Laser wird erreicht. Besonders erwünscht ist dies bei Monomodenbetrieb, wenn
interne Spiegelanordnung vorgesehen ist und Entladungsrohr mit Spiegel koaxial zur
Hohlkathode liegen.
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- Patentansprüche -