DE2411309C3 - Elektrodensystem für die impulsförmige transversale Anregung eines Gaslasers, zugehörige Stromversorgungsschaltung und Verfahren zu ihrem Betrieb - Google Patents

Description

Hie Erfindung bezieht sich auf ein Elektrodensystem für die impulsförmige transversale Anregung eines Gaslasers, das eine Anode und zwei der Anode gegenüberliegende, von einem Isolator getragene und jeweils unter sich elektrisch verbundene Elekirodengruppcn aufweist, von denen die erste Gruppe aus langgestreckten, parallel zueinander verlaufenden, im Abstand voneinander angeordneten Elektroden besteht und als K athoile lür die I lauptentladung dient, w ährend die Elektroden tier /weiten Gruppe abwechselnd mit 11C η Γ Ic kl linien tier ersten Gruppe und parallel zu ihnen angeordnet sind und der Erzeugung einer V'oreniladung dienen.

The Ke\iew of .Scientific Insu uinenis. lid. -Ii (1972), Ni 4, Seren hb2 bis bhh. behandelt ein gaiimigsgemäßes Elektrodensysiem, bei dem die Elektroden der /weilen Gruppe aus Widerstandsdrähien bestehen, die von

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einein Mantel aus Pyrex-Glas umgeben sind. Letzterer behindert den Austritt der Ladungsträger sowie ein rasches Anlaufen der Vorentladung und macht das System außerdem störanfällig gegen mechanische Einwirkungen. Auch ist der Durchmesser solcher s Elektroden relativ groß und verhindert somit eine dichte Bestückung bzw. eine dadurch bedingte gute Raumausnutzung. Min gegebenenfalls erforderliches Nacharbeiten ist durch den Gasmantel nur sehr bedingt möglich. ίο

Aus den Fariiaufsäl/.en »Double Discharge Excitation for Atmospheric Pressure CO₂ Lasers« von Albeit K. Laflamme, The Review of Scientific Instruments, lid. 41 (1970), Nr. II, Seiten 1578 bis 1581, und »Transversely Excited Atmospheric Pressure (Ό. Lasers« von A. J. Be a u I i e 11, Applied Physics Letters, BtI. 16(1970), Nr. 12, Seiten 504 und 505, ist eine weitere Anordnung bekannt, bei der die Gasentladung zwischen einer Netzelektrode oder einer Elektrode aus mit Löchern versehenem Hleeh und dahinter angeordneten Stiftelektroden stattfindet. Stiftelektroden und Blechbzw. Netzelektrode bilden zusammen Finikenst.reck.cn, die sowohl Ladungsträger als auch ionisierende Quanten erzeugen. Die /weite Gasentladung, deren Aufgabe die Gasanregung ist, findet /wischen der Nd/- bzw. Blech-Elektrode und einer gegenüberliegenden Elektrode — die auch aus einem Elektrodensystem bestehen kann — statt. Von Nachteil bei dieser Anordnung ist, daß sowohl Elektronen als auch ionisierende Quanten durch die Löcher des Net/es b/w. jo Bleches hindurchtreten müssen, um in den Ciasraum der /weiten Gasentladung zu gelungen. Dabei geht infolge der Abschattung an den Stegen des Netzes b/w. ilen massiven Teilen der Blechelektrode ein erheblicher I eil der Ladungsträger bzw. der ionisierenden Quanien li verloren. Außerdem geht infolge der annähernd radialsymmctrischcn Abstrahlung und der relativ großen Entfernung tier Funkenstrecken vom Ciasraum ein weiterer relativ großer Teil der ionisierenden Quanten verloren. Außerdem haben die Stege von Drahtgittern meist einen kreisförmigen Querschnitt, der wiederum bei der /weiten Ciasentladung eine Lenden/ zu einer inhomogenen Entladung und damit auch zu einer schlechteren Ciasanregung besitzt. Diese negative Tendenz wird noch verstärkt, wo sich längsgerichiete und quergerichtete Drähte des Netzes kreuzen und somit Aufwerfungen bilden. Einen ahnlich unerwünschten Einfluß haben auch die Ränder der an ilen Blechelektroden angebrachten Löcher.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Eniwieklung eines Elektrodensystems mit einer op'ima'en I lomogenität der Vorionisation über das die Elektroden nach oben und unten hin begrenzende Gasvolumen. Gelöst wird diese Aufgabe genial.) der Erfindung einmal dadurch, daß die als Kathode für die Haup'eniladung dienenden Elektroden der ersten Gruppe als schmale Stege ausgebildet sind, die über einzelne Stützen mit dem Isolator verbunden sind, und daß die der Vorentladung dienenden Elektroden als Stiftreihen ausgebildet sind, wobei die einen Enden der Stifte <>.' /wischen den Stegen angeordnet sind und die anderen Enden in dem Isolator eingebettet und don miteinander elektrisch verbunden sind.

Erfindungsgemäß kann die Aufgabe aber auch dadurch gelöst werden, daß die als Kathode dienenden '■■. Elektroden der ersien Gruppe als schmale Suve ausgebildet sind, die über einzelne Stützen mit ilui Isolator verbunden sind, uiul daß die der Vorenilading dienenden Elektroden aus dem Stegverlauf angepaßten mit ihren Enden im Isolator befestigten und dor untereinander elektrisch verbundenen Triggerdrählei bestehen.

Generell erhält man auf diese Weise einen mecha nisch robusten Aufbau, der durch den Fortfall de: Dielektrikums kapazitätsarm ist und rasch ansteigend! elektrische Impulse gewährleistet. Solche blanke Elek troden lassen sich herstcllungstechnisch in einfache! Weise fertigen, be- und nacharbeiten, sowie z. B. aucl mit kleinen Krümmungsradien versehen, so daß in benachbarten Gasraum bei besserer Raumausnuizunt höhere Feldstärken entstehen, was zu einer l.adungs Irägervermehrung im Gasraum führt. Auch können dii Oberflächen zwischen den Gas- und den Triggerelek troden klein gehalten werden, wodurch sich Vergleichs weise sehr hohe .Stromdichten erzielen lassen, was fin das Ausmaß der Erzeugung ionisierender Quanten vor Bedeutung ist. Die bessere Raumaiisnutzung komm durch den geringen Durchmesser der blanken Elektroden zustande. Die Folge ist, daß derselbe Isolator mit einer erheblich größeren Anzahl von Elektroder bestückt werden kann, wodurch nochmals die Quantität der Ladungsträger in homogener Verteilung gesteigert wird. Auf these Weise läßt sich auch eine lonisatior kleiner Ciasvolumeneinheiten erreichen. Zweckmäßig is", es in diesem Zusammenhang, wenn die I'riggerdrähte aus Widerstandsmaterial bestehen.

Bezüglich der geometrischen Formgebung kann e¹· ein Vorteil sein, wenn bei den als Kathoden tür die llauptentladung dienenden Elektroden die Übergänge zn ischen den Stegen und den Stützen mit Abrundungen versehen sind. Diese Elektroden können auch ein die I lomogenität der Gasentladung begünstigendes sogenanntes Rogowski-Profil aufweisen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht ferner vor. daß an dem parallel zum Isolator verlaufenden Teil der Triggerdrähte, die einen Enden von zu diesem Teil in senkrechter Richtung verlaufen den Kontaktierungsdrähten befestigt sind, während die anderen Enden im Isolator vergossen sind. Hierbei können die Kontaktierungsdrähte mit einem Entkopp lungsglied versehen und in dessen Bereich zusammen mit diesem im Isolator vergossen sein. Zweckmäßigerweise bes :hen die Kontaktierungsdrähte und die Entkopplungsglieder aus Widerstandsmaterial. Das Einbetten der elektronischen Bauelemente und maß geblicher Teile der Verdrahtung gibt dem ganzen Elektrodensystem einen kompakten und wenig störanfälligen Aufbau.

Der Art, Auswahl und Anordnung tier für cm solches Elektrodensystem vorgesehenen Schaltungselemente kommt besondere Bedeutung /\i. Es ist daher eine Stromversorgungsschalumg vorgesehen, die dem vorbeschriebenen Elektrodensv stern bestmöglich angepaßt ist und die daher eine erste I lochspannungsqueile. einen ersten Kondensator, ein erstes als Schalter wirksames Thyratron und einen Hoehspannungsüberirager zur Stromversorgung: an die der Vorentladting dienende I lekf ■ >de η gruppe besitz t. fei ner eine /weite 11 och span niingsquelle. einen /weilen Kondensator und ein /weites als Schalter wirksames lh\ratron /nr 'itrom Versorgung an die Kathode und die Anode lur die I lauptentl,idling, und einen 1 aklgenci aior, eine Impuls ν erscluebecinheit. eine erste \u\d eine /weite Steilerem heil /um Ansteuern del I hv rations m der gewünschten Reihenfolge. Vorteilhaft ist hierbei die Verwendung des als Schaller ausgebildeten Ihv rations, der nut einer

bestimmten Induktionsarmut und Stoßspannungsfestigkeit ausgestatteten Widerstände und Kondensatoren sowie des hinsichtlich Kapazität und Induktivität angepaßten, die Flankensteilheit und maximalmögliche Grenzfrequenz bestimmenden Übertragers. In diesem Zusammenhang ist es ferner von Vorteil, wenn der Hochspannungsübertrager ein Luftübertrager ist, dessen Sekundärwicklung zwischen zwei parallelgeschalteten Primärwicklungen eingebettet ist. Für die Spannungstransformation ist es dabei wesentlich, daß der Übertrager eine geringe Streuinduktivität besitzt.

Ein vorteilhaftes Verfahren zum Betrieb der oben beschriebenen Stromversorgungsschaltung wird so durchgeführt, daß der Taktgenerator die Impulsverschiebeeinheit, und diese eine erste Steuereinheit ansteuert, welche das erste Thyratron einschaltet, so daß sich der erst. Kondensator über die Primärwicklung des Hochspannungsübertragers entlädt, wobei der Entladeimpuls, über die Sekundärwicklung hochtransformiert, zwischen den Elektroden für die Vorcntladung und der Kathode für die Hauptentladung eine Vorcntladung bewirkt, daß anschließend der Taktgenerator wiederum die Impiilsverschiebeeinheit. und diese die zweite Steuereinheit ansteuert, welche das zweite Thyratron einschaltet, wodurch die Hauptcntladung zwischen der Kathode für die Hauptentladung und der Anode ausgelöst wird. Auf diese Weise lassen sich saubere Schaltzeitpunktc (Jitter) bzw. eine gute Pulslagenstabilitäl erzielen. Ferner kann mit hohen Spannungen gearbeitet, sowie relativ schnell und mit einer hohen Pulsfolgcfrcqucnz geschaltet werden.

Im folgenden sollen an Hand einer Zeichnung im wesentlichen drei Ausführungsbcispiclc der Erfindung näher erläutert werden, 'vobei die in den einzelnen Figuren einander entsprechenden Teile die gleichen Hezugszeichcn aufweisen. Es zeigt

F i g. I ein aus steg- und stiftförmigen Elektroden bestehendes System in perspektivischer Darstellung,

Fig. 2 einen Schnitt 11-11 gcmöBFi g, I,

I·' i g.3 ein aus stegförmigcn Elektroden und Triggerdrähten bestehendes System in perspektivischer Darstellung,

I" ig. 4 einen Schnitt IV-IV gcmiiß Fig. J,

F ig. 5 ein aus einer stcgformigen Elektrode und einem Widcrslandsstab bcstchetuli.;. System in perspektivischer Darstellung,

Fig. (i die elektrische Kontaktierung von /vvoi verschiedenen Elektrodcnaiten innerhalb eines Isolators und

I'ig. 7 die Stromversorgungsseluiltung für diis Elektrodensystem.

Fig. I zeigt im wesentlichen zweierlei für (iasvoltimen-Entliulevorgange innerhalb einer nicht dargestellten I.ascrkammcr vorgesehene Elekirodetuirlcn I und 2, die mil ihrem in Blickrichtung unterem Bereich in einem Isolator .1 eingebettet sind. Die Elektroden 1 verlaufen zueinander parallel und sind mit in ihren Eiulbcrcichen Abriindiingen 5 und β aufweisenden lllnglichen Auslrllsungen 4 versehen. Im vorliegenden Heispiel besitzen die nn den Stegenden gelegenen Abrtinchingen h einen größeren Radius als alle übrigen mich der Steginitte hin gelegenen Abrundungen 5. Es sind mich andere, nicht gezeichnete Beispiele mit vertauschten Proportionen oder gleichgroßen Radien (lenkbar. Die Aiisfillsungen 4 bestimmen die Für diese Elcktrodcnart charakteristische Stegform. /ti diesen Stegen 1 verlaufen ebenfalls parallel und mit den Stegen 1 alternierend in dem Isolator 3 eingebettete Sliftrcihen 2. Dadurch, daß die erste und die letzte Elektrode von einer Stifireihe 2 gebildet wird, werden alle Stege 1 von Stiften flankiert. ^r, deren Spitzen in der vorliegenden speziellen Ausführung mit der Sieghöhe übereinstimmen. Bei einem anderen, nicht gezeichneten Ausführungsbeispiel sind jedoch auch unterschiedliche Höhen der beiden Elektrodenarten möglich. Darüber hinaus zeigt Fig. 2

ίο noch die elektrische Kontaktierung der Stege 1 in einem oberen Isolatorblock J' und der Stifte bzw. Stiftreihen 2 in einem unteren Isolatorblock 3", wobei in letzterem Falle als Widerstand, Kapazität oder Induktivität ausgebildete Entkopplungsglicder 7 vorgesehen sind.

In den Ausführungsbeispielen gemäß der F i g. 3 bis 5 treten an die Stelle von Stiften Triggerdrähte 8, die im Fall der Fig. 5 aus Widerstandsmaterial 8' bestehen. Diese Drähte sind dem Stegverlauf im wesentlichen angepaßt und — wie aus Fig.4 ersichtlich — mit ihren

jo beidseitigen Enden in dem Isolator 3 eingebettet. Die Entkopplung kann — wie bereits bei dem vorstehenden Ausführungsbcispiel beschrieben — über Entkopplungsglicder 7 (Fig. 5) oder aber auch ohne dieselben mit Drähten aus einem geeigneten Widerstandsmaterial 9' erfolgen. Beide Varianten sehen mehrere Kontakticrungcn 9 bzw. 9' vor, die in regelmäßigen Abständen am einen Ende in dem Isolator 3 und am anderen Ende an den parallel zum Isolator 3 verlaufenden Teilen der Widcrstandsstäbe 8' befestigt sind, zu denen sie senkrecht verlaufen. Bei einem anderen, zeichnerisch nicht wiedergegebenen Ausführungsbeispiel verlaufen die Konlakticrungen unter einem spitzen oder stumpfen Winkel, wobei ihre gegenseitigen Abstände unterschiedlich ausgebildet sind.

In Fig. 6 ist angedeutet, daß die einen Enden der Elektroden 1, 8 bzw. 8' innerhalb des Isolators 3 elektrisch miteinander verbunden sind, während die gegenüberliegenden Enden ohne eine solche Verbindung in dem Isolator .3 eingebettet sind. Mit ti sind hierbei die nach außen führenden elektrischen Anschlüsse bezeichnet.

Die Ionisation oder sogenannte Vorentladung zwischen den Elektroden I und 8 bzw. 8' sowie die sich anschließende llaiiplentladiing gegenüber der Elckirode 10 (F i g. 3 und 7) vollzieht sich unter Anwendung von zwei aus der Hochspannungsversorgung 12 cingespei sten unterschiedlichen Spannungen ll\ und lh- Über einen Taktgenerator 13, eine linpulsverschicbecinheh 14, I¹» sowie eine erste Steuereinheit 16 wird hierbei ein

so als Thyratron ausgebildeter Schalter 17 betätigt. Dadurch entladt sich über die zweiteilige Piimarwick lung 18 eines Übertragers 20 ein Kondensator 21. Der Entiadcimpiils wird mit Hilfe der Sekundärwicklung 14 des Übertragers 20 hoeliiransformicrt und bewirkt die vorerwähnte Ionisation zwischen den Elektroden 1 und 8 h/w. 8'. /eillich versetzt erfolgt über denselben Taktgenerator IJ, die Impulsverschieheeinheit 14. I¹) sowie eine weitere Steuereinheit 22 die Betätigung eines anderen, gleichfalls als Thyratron ausgebildeten Schal

fto ters 23. Durch letzteren entladt sich ein weiterer Kondensator 24, wodurch die llauptenlliulimg gegenüber der Elektrode 10 gc/ündcl wird. Der Übertrager 20 kann hierbei mit einem Kern oder als l.uflüberlragei ausgebildet sein und besteht im wesentlichen aus einer zwischen zwei parallelen Primärwicklungen 18 eilige betteten Primärwicklung 19.

Hierzu Ί llhill Zeichnungen

Claims (9)

1. Patentansprüche:

   I. Elektrodensystem für die impulsförmige transversale Anregung eines Gaslasers, das eine Anode und zwei der Anode gegenüberliegende, von einem Isolator getragene und jeweils unter sich elektrisch verbundene Elektrodengruppen aufweist, von denen die erste Gruppe aus langgestreckten, parallel zueinander verlaufenden, im Absland voneinander angeordneten Elektroden besieht und als Kathode für die Huiipientladimg dient, wahrend die Elektroden der zweiten Gruppe abwechselnd mil den Elektroden der ersten Gruppe und parallel zu ihnen angeordnet sind und der Erzeugung einer Vorentladung dienen, dadurch g e k e η η ζ e i c h net, daß die als Kathode für die I laupieniladung dienenden Elektroden (I) der ersten Gruppe als schmale Stege ausgebildet sind, die über einzelne Stützen mit dem Isolator (3) verbunden sind, und daß die der Vorentladung dienenden Elektroden als Stiftreihen (2) ausgebildet sind, wobei die einen Enden der Stifte zwischen den Stegen angeordnet sind und die anderen Enden in dem Isolator (3) eingebettet und dort miteinander elektrisch verbunden sind.
2. 2. Elektrodensystem für die impulsförmige transversale Anregung eines Gaslasers, das eine Anode und zwei der Anode gegenüberliegende, von einem Isolator getragene und jeweils unter sich elektrisch verbundene Elekiiode'igruppen aufweist, von denen die erste Gruppe aus langgestreckten, parallel zueinander verlaufenden, im Abstand voneinander angeordneten Elektroden bestellt und als Kathod-j für die Hauptentladung dient, wahrend die Elektroden der zweiten Gruppe abwechselnd mit den Elektroden der ersten Gruppe und parallel zu ihnen angeordnet sind und der Erzeugung einer Voreniladung dienen dadurch gekennzeichnet, daß die als Kathode dienenden Elektroden (I) der ersten Gruppe als schmale Stege ausgebildet sind, die über einzelne Stützen mit dem Isolator (.3) verbunden sind und daß die der Vorentladung dienenden Elektroden aus dem Stegverlauf' angepaßten, mit ihren Enden im Isolator (3) befestigten und dort untereinander elektrisch verbundenen Triggerdräliten (8, 8') bestehen.
3. i. Elektrodensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Triggerdrähte (8, 8) aus Widerstandsmaterial bestehen.
4. 4. Elektrodensystem nach einem der Ansprüche 1 bis .3, dadurch gekennzeichnet, daß bei den als Kathoden für die I lauptentladung dienenden Elektroden (I) die Libergänge zwischen den Stegen und den Stützen mit Abrundungen (5; 6) versehen sind. SS
5. 5. Elektrodensystem nach einem der Ansprüche I bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß die als Kathode für die Hauptentladung dienenden Elektroden (I) ein clie Homogenität der Gasentladung begünstigendes sogenanntes Rogowski-IVoIiI ;iulweisen. '«>
6. h. Elektrodensystem nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß an dem parallel zum Isolator ()) verlaufenden Teil der Triggerdrähte (8, 8 ) die einen linden \on zu diesem l'eil in senkrechter Richtung \ erlaufenden Koniaklierungsdrahten (9) beledigt <\s sind. \\ aiii end die anderen Enden im Isolator (i) vergossen sind.
7. 7. Elektrodens> stein nach Anspruch b. dadurch gekennzeichnet, daß die Konlaktierungsdrähte (9 mit einem Entkopplungsglied (7) versehen und it dessen Bereich zusammen mit diesem im Isolator (.3 vergossen sind.
8. 8. Elektrodensystem nach Anspruch 6 und 7 dadurch gekennzeichnet, daß die Konlaklicrungs drähte (9') und die Entkopplungsglieder (7) au< Widerstandsmaterial bestehen.
9. 9. Stromversorgungsschaltung für ein Elektroden system nach einem der vorausgehenden Ansprüche gekennzeichnet durch eine erste Hochspannungsquelle (U I), einen ersten Kondensator (21), eir erstes als Schalter wirksames Thyratron (17) und einen Hochspannungsübertrager (20) zur Stromversorgung an die der Vorentladung dienende Elektrodengruppe (8,8'),durch eine zweite 1 lochspannungsquelle (U2). einen zweiten Kondensator (24) und ein zweites als Schalter wirksames Thyratron (23) zur .Stromversorgung an die Kathode (1) und die Anode (10) für die I lauptentladung, und durch einen Taktgenerator (1.3), eine Impulsverschiebeeinheit (14, 15), eine erste und eine /weite Steuereinheil (16, 22) zum Ansteuern der Thyratrons (17, 2.3) in der gewünschten Reihenfolge.

   K). Schaltungsanordnung nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, daß der I lochspaniiungsübertragei (20) ein l.uftübertrager ist, dessen Sekundärwicklung (19) zwischen zwei parallel geschalteten Primärwicklungen (18) eingebettet ist.

   II. Verfahren zum Betrieb einer Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß tier Taktgenerator (H) die Impulsverschiebeeinheil (14, 15). und diese eine erste Steuereinheit ansteuert (16), welche das erste Thyratron (17) einschaltet, so daß sich der erste Kondensator (21) über die Primärwicklung (18) des Hochsp Innungsübertragers (20) entlädt, wobei der Entladeimpuls, über die Sekundärwicklung (19) hochtransi'ormien zwischen den Elektroden (8, 8') für die Vorentladung und der Kathode (1) für die I lauptentladung eine Vorentladung bewirkt, daß anschließend der Taktgenerator (1.3) wiederum die Impulsverschiebeeinheil (14, 15), und diese die zweite Steuereinheit (22) ansteuert, welche das zweite Thyratron (23) einschaltet, wodurch die Hauptentladung /wischen der Kathode (I) für die Haupieiitladung und der Anode (10) ausgelöst wird.