DE2652258A1 - Generator zur erzeugung eines elektrischen signals von grosser energie - Google Patents

Description

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(ANVAR)

13, rue Madeleine Michelis

F-92522 Neuilly-Sur-Seine

Frankreich

16.November 1976

3A3 1176

Generator zur Erzeugung eines elektrischen Signals von großer Energie

Die Erfindung betrifft einen Generator, der über eine kurze Zeit von höchstens 100 Nanosekunden (ns) ein elektrisches Signal erzeugt, das eine Energie von wenigstens 0,5 Joule aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Laser, der mit einem molekularem Gas, insbesondere Stickstoff, arbeitet und mit einem derartigen Generator als Anregungsquelle ausgestattet ist.

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Es ist bekannt, daß Laser, die mit molekularem Stickstoff arbeiten, im allgemeinen zwei Elektroden enthalten, die normalerweise langer als 30 cm sind und deren einander gegenüberliegenden Seiten parallel sind. Diese länglichen Elektroden sind in einer Kammer angeordnet, in der sich der Stickstoff befindet. Derartige Laser umfassen außerdem eine Anregungsvorrichtung, die diese länglichen Elektroden mit einer Energie in einer Größenordnung von mehreren Joule über eine sehr kurze Zeit, größenordnungsmäßig einige 10 ns, versorgt. Diese Energie tritt in Form eines elektrischen Signals von hoher Spannung, im allgemeinen mehreren Kilovolt (kV), auf.

Eine derartige Anregungsvorrichtung für Stickstofflaser, die sowohl Energiespeicherkondensatoren, die von einem Hochspannungsgenerator auf eine hohe Spannung aufgeladen werden, als auch einen Stromkreis zum Entladen dieser Speicherkondensatoren aufweist, ist bereits bekannt (z.B. aus dem Artikel in der Zeitschrift¹ "Applied Physics Letters", 1. Juli 1965, Band 7, Nr. 1, S. 4-6, betitelt "Saturation of The Molecular Nitrogen Second Positive Laser Transition"), Dieser Entladestromkreis ist an die Klemmen des Speicherkondensators gekoppelt und umfaßt, in Reihe geschaltet, einen elektronischen Unterbrecher, wie z.B. eine Entladefunkenstrecke, und Koaxialkabel zur Übertragung der Energie auf die Elektroden zur transversalen Anregung des Stickstoffs. In dieser bekannten Vorrichtung sind die Elektroden in Segmente gegliedert, und jedes Koaxialkabel speist ein Elektrodensegment. Eine derartige Anregungsvorrichtung hat einen störend großen Platzbedarf, insbesondere aufgrund der großen Anzahl von Koaxialkabeln. Außerdem ist ihre Herstellung wegen der Segmentierung der Elektroden kompliziert.

Es ist außerdem eine weitere Anregungsvorrichtung bekannt-(vgl. den Artikel von BRUNO GODARD mit dem Titel ^lrA Simple Power High/Large Efficiency Np Ultraviolet Laser" veröffentlicht in der Zeitschrift "IEEE Journal of Quantum Elec-

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tronics", Band QE 10, Nr. 2, Feb. 1974), die im wesentlichen einen flächigen Leiter umfaßt, der aus einer Isolierfolie besteht, die auf jeder Seite mit einer Kupferschicht versehen ist. Auf mindestens einer Seite dieser Isolierfolie ist ein dünner Streifen der Kupferschicht entfernt. Diese Schicht ist also von dem dünnen Streifen in einen ersten und einen zweiten Teil unterteilt. Die Elektroden der Laserkammer sind mit diesem ersten bzw. zweiten Teil verbunden. Ein elektronischer Unterbrecher ist zwischen dem erwähnten ersten Teil der Kupferschicht und jener Kupferschicht, die sich auf der gegeüberliegenden Seite der Isolierfolie befindet, angeordnet. Der Hochspannungsgenerator ist schließlich zwischen dem oben genannten ersten Teil der Kupferschicht und der Kupferschicht, die sich auf der gegenüberliegenden Seite der Isolierfolie befindet, angeschlossen. Daraus folgt, daß die Speicherung der Energie und ihre übertragung zu den Elekroden in einem einzigen Bauteil realisiert wird.

Bei einer solchen Anregungsvorrichtung, die mit einem flächigen Leiter arbeitet, ist es erforderlich, daß die Isolierfolie von geringer Dicke ist, damit eine Energie von ausreichender 'Größe gespeichert werden kann und die Impedanz des Übertragungsleiters keinen zu hohen Wert auf» weist (da die Verluste eine Funktion dieser Impedanz sind). In der Tat ist die Kapazität des Speicherkondensators umgekehrt proportional zur Dicke der Isolierfolie (die gespeicherte Energie ist direkt proportional zu der erwähnten Kapazität), und die Impedanz des Übertragungsleiters ist ihrerseits proportional zu der genannten Dicke. Indessen darf die Dicke der Isolierfolie nicht zu gering sein, denn letztere muß die Nutzspannung aushalten und bekanntlich sind bei einer zu geringen Dicke die Durchschlagsgefahren beträchtlich, um so mehr als der erwähnte flächige Leiter beständig unter Spannung bleibt. So hat der Speicherkondensator bei Verwendung einer dielektrischen Isolierfolie aus "Kapton" oder "Mylar", die 50 Mikrometer dick ist, höchstens eine Kapazität von

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0,32/4-F/m ; bei einer Nutzspannung von höchstens 5 kV beträgt die Energie dann höchstens 4 Joule/m . Zur Speicherung einer Energie von ausreichender Stärke ist es also notwendig, daß dieser flächige Leiter eine ausreichend große Oberfläche besitzt. Wenn der Speicherkondensator und der Übertrager' in einem einzigen Bauteil ausgeführt sind, erfordert jede Veränderung der Anregungseinrichtung (ob freiwillig oder bedingt durch Reparaturen) die Demontage der gesamten Anregungsvorrichtung. Schließlich ist das Abbeizen der Kupferschicht von nur einem dünnen streifen auf einer Seite der Isolierfolie ein schwieriger Prozess; ebenso schwierig ist es die Verbindung herzustellen zwischen den ersten und zweiten Teilen der Kupferschicht, die . sich auf einer Seite der Isolierfolie befindet, einerseits und den Anregungselektroden andererseits.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der oben genannten Nachteile einen Generator der oben erwähnten Art zu entwickeln, der einen geringen Raumbedarf und eine hohe Zuverlässigkeit hat, einfach zu warten ist, und der es erlaubt, einen Laser, der mit molekularem Gas arbeitet, so anzuregen, daß ein stimulierter Lichtstrahl von großer Energie erzeugt wird.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Generator, der einen diskreten Speicherkondensator, der auf eine hohe Spannung aufgeladen werden kann, und einen Stromkreis zum Entladen des Kondensators enthält, welcher in Reihe geschaltet einen elektronischen Unterbrecher zur steuerung der Entladung und Mittel zur Energieübertragung mit einer ersten und einer zweiten Ausgangsklemme, die mit einer ersten und zweiten entsprechenden Klemme einer Nutzlast für das elektrische Signal verbindbar sind, aufweist, dadurch gelöst, daß die Mittel zur Energieübertragung wenigstens einen flächigen Leiter aufweisen, der aus einer isolierenden Schicht und aus auf beiden Seiten der isolierenden Schicht aufgebrachten Metallschichten besteht, die mit den entsprechenden Ausgangsklemmen verbunden sind.

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Auf diese Weise wird ein Generator erhalten, der eine große Energie speichern kann und einen reduzierten Platzbedarf wie auch eine befriedigende Zuverlässigkeit hat.

Die Erfindung bietet außerdem den Vorteil, daß auch - wie im folgenden beschrieben wird - ein Generator realisiert werden kann, mit dem mehrere Verbraucher, wie z.B. Anregungselektroden mehrerer Laser, die mit molekularem .·' Stickstoff arbeiten, versorgt werden können.

Es ist vorteilhaft, die Dicke der Isolierfolie zwischen 3yttm und 5 mm, vorzugsweise zwischen 50 und 100 M-m , zu wählen.

In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält der elektronische Unterbrecher eine Entladefunkenstrecke. In diesem Fall, ist die Isolierfolie vorzugsweise mit einer Öffnung versehen, und die Kondensatoren zur Energiespeicherung werden von einer Anordnung aus parallel angeordneten ( vorteilhafterweise identischen ) Kondensatoren gebildet, wobei diese Kondensatoren um die Öffnung herum angeordnet sind und mittels ihrer ersten Schichten mit einem ersten metallischen Basiskörper verbunden sind, der Ringform hat und eine Kontaktfläche aufweist, die auf eine erste Seite der Isolierfolie auf die entsprechende Metallschicht so aufgesetzt werden kann, daß die Achse der zentralen Öffnung des Basiskörpers der Achse der Öffnung der Isolierfolie entspricht. Die zweiten Schichten der Kondensatoren sind mit einem zweiten metallischen Basiskörper verbunden, und die Kondensatoranordnung und der erste und zweite Basiskörper sind auf der ersten Seite der Isolierfolie angeordnet. Schließlich besitzt der Generator auf der zweiten Seite der Isolierfolie einen dritten metallischen Basiskörper, der eine Kontaktfläche aufweist, die auf den metallischen Überzug, der sich auf der zweiten Seite der Isolierfolie befindet und ihre Öffnung umgibt, aufgesetzt werden kann, wobei die erste und die zweite Elektrode der Entladefunkenstrecke mit dem zweiten bzw.

dritten metallischen Basiskörper derart verbunden sind, daß die Längsachse der Elektroden der Entladefunkenstrecke genau auf die Achse der Öffnung der Isolierfolie fällt. Mit einer derartigen Anordnung werden die Energieverluste noch verringert.

Die Erfindung betrifft darüber hinaus einen Laser, der mit molekularem Gas, wie z.B. Stickstoff, arbeitet, und eine Anregungsvorrichtung,bestehend aus einem Generator vom oben dargelegten Typ, umfaßt.

Vorzugsweise ist ein solcher Laser mit einem ersten und einem zweiten Laserkanal ausgestattet, die hintereinander angeordnet sind, so daß das vom ersten Laserkanal gelieferte optische Signal den zweiten Kanal anregen kann. In diesem Fall sind ein erster und ein zweiter Generator vom oben erwähnten Typ zur Anregung des ersten bzw. zweiten Laserkanals vorgesehen wie auch Mittel zur Synchronisation der Auslösung der elektronischen Unterbrecher des ersten und zweiten Generators, wobei diese Synchronxsationsmittel sowohl einen Detektor zur Bestimmung des Stromfluß.es im elektronischen Unterbrecher des ersten Generators enthalten als auch ein Verzögerungsmittel, das zwischen dem Detektor und einer Steuerelektrode des elektronischen Unterbrechers des zweiten Generators angeordnet ist. Auf diese Weise erhält man einen Lichtstrahl von großer Stärke, wobei die Einheit^ bestehend aus dem zweiten Laserkanal und der zweiten Anregungsvorrichtung, gewissermaßen einen Verstärker für das vom ersten Laserkanal gelieferte Lichtsignal darstellt.

Weitere Eigenschaften, Ziele und Vorteile der Erfindung werden detaillierter dargelegt in der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung, den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind.

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Es zeigen: ' /A

Fig. 1 u. 2 in einer schematischen Darstellung das

Prinzip des erfindungsgemäßen Generators,

Fig. 3 Ebenfalls in schematischer Darstellung ■'. eine Art des Zusammenbaus der in Fig. 1 und 2 dargestellten Teile,

Fig. 4 eine detailliertere Explosionszeichnung eines Teils der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung,

Fig. 5 eine Variante der in Fig. 3 dargestellten Anordnung,

Fig. 6 ein.Prinzipschaltbild entsprechend der in Fig. 5 dargestellten Anordnung,

Fig. 7 einen schematisch dargestellten erfin- ■ dungsgemäßen Laser, der zwei Generatoren • vom in Fig. 1 dargestellten Typ aufweist und

Fig. 8 eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Lasers.

Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Generators in seiner.bevorzugten Verwendung, nämlich zur

Anregung eines Lasers, der mit molekularem stickstoff ar beitet.

Wie in Fig. 1 dargestellt, umfaßt der Generator vor allem einen Energiespeicherkondensator 1, der von einem Hochspannungsgenerator (nicht dargestellt in Fig. l) auf eine Spannung V in einer Größenordnung von mehreren Kilovolt aufgeladen ist. Die vom Kondensator 1 gespeicherte Energie ist dazu bestimmt einen Verbraucher zu speisen, der aus

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AX

den Anregungselektroden 2 und 3 eines Laserkanals besteht, der molekularen Stickstoff enthält. Diese Energie wird den Elektroden 2 und 3 mittels eines Leiters 5 zugeführt, der in Fig. 1 durch einen Kondensator dargestellt ist. Die Übertragung der im Kondensator 1 gespeicherten Energie auf den Leiter 5, d.h. auf den Verbraucher, wird mit Hilfe eines elektronischen Unterbrechers 6 gesteuert, der im vorliegenden Beispiel aus einer Entladefunkenstrecke mit einer steuerelektrode 7 besteht. Selbstverständlich wäre jeder andere elektronische Unterbrecher, wie z.B. ein Thyratron, ebenfalls möglich.

Wie in Fig. 1 dargestellt, bilden die Entladefunkenstrecke und der Leiter 5 (oder Verbindungskondensator) eine Serienanordnung, die an die Klemmen des.Speicherkondensators angeschlossen ist. Fig. 1 zeigt außerdem, daß der Verbraucher (Elektroden 2 und 3) parallel zum Leiter 5 angeordnet ist.

Schließlich ist in Fig. 1 eine Ladeinduktivität 8 an die Klemmen des Leiters 5 gelegt. Diese Induktivität 8 dient nur dem Zweck, den Leiter 5 kurzzuschließen, wenn die Entladefunkenstrecke 6 nicht leitend ist, nämlich dann, wenn der Kondensator 1 geladen wird. Diese Induktivität wirkt sich nicht störend auf die Energieübertragung aus, denn, zu diesem Zeitpunkt, ist ihre Impedanz wesentlich höher als jene, die zwischen den Klemmen 2 und 3 besteht. Die letztere Impedanz fällt nämlich sehr schnell (innerhalb einer Zeit von weniger als einer Nanosekunde) auf einen sehr niedrigen Wert von größenordnungsmäßig 0,

Erfindungsgemäß und wie aus Fig. 2 deutlicher wird, ist der Leiter 5 ein flächiger Leiter, der von einer Isolierfolie 10 gebildet wird, deren beide Seiten 10a bzw. 10b von einer Metallschicht 11 bzw. 12, beispielsweise aus Kupfer, überzogen sind.

Wie der Fig. 3 zu entnehmen ist, sind die Elektroden 2 und

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mit den Kupferschichten 11 bzw. 12 verbunden.

Es ist bereits aus dem Vorstehenden zu entnehmen, daß die Verwendung eines flächigen Leiters in einer Anordnung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, zahlreiche Vorteile bietet. Zuerst einmal ist es im Gegensatz zu üblichen Anordnungen, die mit einem flächigen Leiter aufgebaut sind und beil denen dieser Leiter gleichzeitig zur Energiespeicherung und Übertragung dieser Energie dient, nicht notwendig, einen Streifen der Kupferschicht auf einer Seite zu entfernen.,· denn bei der erfindungsgemäßen Anordnung sind die Elektroden, wie bereits oben erwähnt, verbunden mit den Schichten 11 und 12, die sich auf entgegengesetzten Seiten befinden. Außerdem wird der Leiter 5, bestehend aus der Isolierfolie 10 und ihren Beschichtungen 11 und 12, nicht dauernd der Hochspannung ausgesetzt. Unter diesen Bedingungen sind die Gefahren eines Durchschlags durch das Isoliermaterial herabgesetzt, um so mehr als in der vorgesehenen Anwendung (stickstofflaser) die von dem Leiter 5 übertragenen Impulse von extrem kurzer Dauer sind, d.h. von einigen .10 ns. Es muß außerdem erwähnt werden, daß die maximale Gleichspannung, die an den Klemmen des Leiters 5 auftreten kann, folgenden Wert hat:

^Cs

^{= E}

⁰ r- 4. r
^CL ^{+ C}s

^Gs

In dieser Gleichung ist E der Wert der vom Generator gelieferten Hochspannung, und C und C_ stehen für die Kapazität des Kondensators 1 bzw. die Kapazität des vom Leiter gebildeten Kondensators. Gewöhnlich ist die Kapacität C^ des Leiters 5 größer als die Kapazität C_s des Speicherkondensators 1. Hieraus folgt, daß die an den Klemmen des Leiters 5 anliegende Spannung V höchstens halb so groß ist wie die Spannung E_Q. Die Durchschlagsgefahr ist dadurch noch herabgesetzt.

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A*

Es bleibt außerdem festzustellen, daß der Leiter 5 auf einfache Weise ausgetauscht werden kann und daß er keine große Oberfläche aufweisen muß.

In der in Fig. 2 dargestellten Anordnung ist zu sehen, daß öiae Klemme oder ein Anschluß la des Kondensators 1 mit der Kupferschicht 11 in Verbindung steht. Der zweite Anschluß Ib des Kondensators 1 ist an die erste Elektrode 6a der Entladefunkenstrecke 6 angeschlossen. Die zweite Elektrode 6b dieser Entladefunkenstrecke 6 ist mit der Kupferschicht verbunden. Schließlich ist die Induktivität 8 im vorliegenden Fall zwischen den Schichten 11 und 12 angeordnet.

Anhand der Fig. 3 und 4 soll im folgenden ein Vorteil des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Generators beschrieben werden, dessen prinzipieller Aufbau (Fig. 1 und 2) vorstehend erläutert worden ist.

In diesem Beispiel wird der Kondensator 1 von einer bestimmten Anzahl (z.B. acht) von parallel geschalteten Teilkondensatoren (nur zwei Kondensatoren mit den Bezugsziffern 13, sind dargestellt) gebildet, und die Isolierfolie 10, die mit Metallschichten 11 und 12 überzogen ist, weist eine Öffnung 15 auf, um die herum die Kondensatoren 13, 14 ... verteilt sind.

Die Elektroden 6a und 6b der Entladefunkenstrecke sind gemäß der Achse dieser Öffnung 15 angeordnet, so daß die Längsachse 6 dieser Entladefunkenstrecke mit der Achse der Öffnung 15 zusammenfällt. Die Kondensatoren 13, 14 sind im Hinblick auf ihre -Kapazität und ihre äußere Form identisch und gleichmäßig um die Achse der Öffnung 15 herum verteilt.

Die ersten Anschlüsse 13a, 14a ... der Kondensatoren 13, 14 ... sind untereinander verbunden, und zwar mittels eines metallischen Rings 16, der eine ebene Oberfläche 16a aufweist, die auf der Metallschicht 11 aufliegt. Im Beispiel

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J?

ist der Innendurchmesser der Öffnung dieses Rings 16 größer als jener der Öffnung 15 und die Achse des Rings 16 fällt zusammen mit der Achse der Öffnung 15. Diese Anordnung dient zur Vermeidung von Durchschlägen durch das Dielektrikum 10.

Die Zweiten Anschlüsse 13b, 14b ... der Kondensatoren 13, 14 ... sind über eine Metallplatte 17 miteinander verbunden.

Die Elektrode 6a ist mittels eines Metallkörpers 18 mit dieser Platte 17 verbunden, wobei der Metallkörper im vorliegenden Beispiel eine konische Form aufweist und seine Achse ebenfalls mit derjenigen der Öffnung 15 zusammenfällt.

Die Elektrode 6b ist mit einem metallischen Basiskörper 19 verbunden, der eine ebene Oberfäche 19a aufweist, die sich um die Öffnung 15 herum mit der Metallschicht 12 der Isolierfolie 10 im Kontakt befindet.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, befindet sich der die einander gegenüberliegenden Elektroden 6a und 6b trennende Zwischenraum auf der Höhe der Öffnung 15.

Wie bereits erwähnt, ist die Elektrode 2 mit der Schicht 11 und die Elektrode 3 mit der Schicht 12 elektrisch verbunden.

Die aus den Kondensatoren 13, 14 ... und der Entladefunkenstrecke 6 bestehende Anordnung ist symmetrisch zur Achse der Öffnung 15 aufgebaut. Diese Art des Aufbaus bedeutet einen geringeren Platzbedarf. Diese Geometrie erlaubt zudem eine Herabsetzung der Verluste, da sie sowohl eine schwache. Induktivität als auch eine geringe parasitäre Kapazität aufweist und der Strom nur über kurze Wege fließt. Diese Einheit kann weiterhin sehr leicht zusammen- und auseinandergebaut werden. Die diskreten Kondensatoren 13, 14 ... können leicht ausgetauscht, hinzugefügt oder entfernt werden, f Schließlich ist der Abstand zwischen den Elektroden 6a und 6b der Entladefunkenstrecke 6 ohne weiteres zu verändern, insbesondere wenn der Hochspannungswert modifiziert wird.

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Es bleibt festzustellen, daß der Ring 16 und die Platte 17 eine Doppelfunktion haben, die darin besteht elektrische Verbindungen herzustellen und mechanische Halterungen für die Kondensatoren 13, 14 ... zu bilden.

Wie.in Fig. 4 dargestellt, hat jeder der Kondensatoren 13, 14 ... zylindrische Form und sind seine Endabschnitte durch Gewindespindeln 13c, 13d verlängert, deren Achse mit der des zylindrischen Körpers des entsprechenden Kondensators übereinstimmt. Diese Spindeln 13c und 13d sind selbstverständlich mit den entsprechenden Anschlüssen 13a bzw. 13b elektrisch verbunden. Die Gewindespindeln ermöglichen die Befestigung der Kondensatoren an dem Ring 16 auf der einen Seite und an der Platte 17 auf der anderen Seite. Der Ring 16 ist mit Öffnungen 20 versehen, die das Durchtreten der Gewindespindeln 13c ermöglichen; ebenso weist die Platte 17 Öffnungen 21 auf, durch die die Spindeln 13d hindurchgesteckt werden können. Die Spindeln 13c sind mittels -Muttern 22 und Unterlegscheiben 23 an dem Ring befestigt. In gleicher Weise wird die Befestigung der Gewindespindeln 13b an der Platte 17 durch Muttern 24 und Unterlegscheiben 25 erreicht. "

Zur Befestigung des Körpers 18 an der Platte 17 ist letztere mit einer Öffnung, die ein Innengewinde 26 aufweist, versehen, und das Ende 18a dieses Körpers 18 ist um ein Gewindeteil 27 verlängert, welches mit der Öffnung mit Innengewinde 26 in Wirkverbindung treten kann.

Um die Elektrode 6a der Entladefunkenstrecke an dem konischen Körper 18 zu befestigen, ist in diesem Körper 18 auf der Seite 18b (entgegengesetzt der Seite 18a) ein Gewindeloch 28 vorgesehen, und an der Elektrode 6a ist ein Gewindeteil 29 angebracht, welches dazu bestimmt ist, mit dem Gewindeloch 28 in Wirkverbindung zu treten.

Vor dem Gewindeteil 29 endet die Elektrode 6a auf der ihrem aktiven Teil gegenüberliegenden Seite in einer Schulter

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Die Fläche 18b de*-· TCörpers 18 weist eine Nut 31 auf, die dazu bestimmt ist, einen Dichtungsring 32 aufzunehmen, welcher sich normalerweise zwischen einem Ende einer Buchse und dieser Fläehe 18b befindet.

Die Elektrode 6b ist, ebenfalls auf der ihrer aktiven Oberfläche gegenüberliegenden Seite, um ein Gewindeteil 33 verlängert. Ebenso wie der Körper 18 weist der Basiskörper 19 ein Gewindeloch 34 auf, welches dazu bestimmt ist, zusammen mit dem Gewindeteil 33 die Befestigung der Elektrode 6b an dem Basiskörper 19 zu bewirken. Zwischen dem Gewindeteil 33 und der Elektrode 6b ist eine Schulter 35, die eine Nut 36 aufweist, vorgesehen, wobei diese Nut 36 zur Aufnahme eines Rings 37 bestimmt ist, der die Abdichtung zwischen der Schulter 35 und einer Fläche 38 des Körpers 19 bewirkt. Auch sind in der Fläche 38 ein Dichtungsring 39 und eine Nut 40 vorgesehen. Dieser Ring 39 drückt normalerweise gegen das andere Ende (das untere Ende in Fig. 4) der Buchse 52. Damit Gas in den Raum zwischen den Elektroden 6a und 6b strömen kann, sind der Körper 18, die Elektroden 6a und 6b und der Basiskörper 19 mit zentral angeordneten Kanälen 41, 42, 43, 44 versehen. Im vorliegenden Beispiel sind diese Kanäle auf der Achse der erwähnten Teile angeordnet. Ein derartiger Gasfluß stabilisiert den Strom der durch die Entladefunkenstrecke 6 fließt. Außerdem bewirkt diese Gaszirkulation eine Abkühlung der Elektroden. Selbstverständlich verändern'die Dichtungsringe 32, 37, 39 ein seitliches Entweichen des Gases.

Um das Gas in den Raum zwischen den Elektroden 6a und 6b zu leiten, ist ein Übergangsstück 45 vorgesehen, welches einen zentral angeordneten Kanal 46 aufweist und durch ein Gewindeteil 47 verlängert ist, das mit einem Gewindeloch 48 in dem Basiskörper 19 zusammenwirkt. Es versteht sich von selbst, daß zwischen dem Gewindeteil 47 und dem Zwischenstück 45 eine Schulter 49 angeordnet ist, die eine Nut 50 zur Aufnahme eines Dichtungsrings 51 aufweist.

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Abschließend sei hinsichtlich der Fig. 4 erwähnt, daß die isolierende Buchse 52 in einem Material ausgeführt ist, welches unter der Marke "Teflon" bekannt ist und daß sie dazu dient, die Elektroden 6a und 6b und den Zwischenraum zwischen beiden zu umschließen. Die Buchse 52 stellt einen "Schalldämpfer" dar, der dazu bestimmt ist, das durch das Zünden der Entladefunkenstrecke 6 erzeugte Geräusch wirksam zu dämpfen und die Druckverhältnisse zu regulieren, um so den Funken zu stabilisieren. Weiterhin dient die Buchse 52 zur Aufnahme einer (in Fig. 4 nicht dargestellten) Wicklung, mit der - wie weiter unten enaäutert werden wird die Stärke des über die Entladefunkenstrecke fließenden Stroms gemessen wird.

Im in den Fig. 3 und 4 dargestellten Beispiel ist keine Steuerelektrode 7 für die Entladefunkenstrecke 6 vorgesehen. Es wäre aber durchaus möglich eine solche Elektrode zu verwenden .

In einem speziellen Ausführungsbeispiel dieser Anregungsvorrichtung (Fig. 3 und 4) umfaßt der Kondensator 1 acht Teilkondensatoren mit einer Kapazität von je 0,012 MF. D iese Kondensatoren sind von der Art wie die Gesellschaft L.C.C. - C.I.C.E. sie unter der Nummer KIV 416 herstellt. Diese Kondensatoren erlauben einen sehr steilen Stromanstieg und ihre Induktivität ist klein, höchstens 20 nH. In diesem speziellen Ausführungsbeispiel hat der flächige Leiter eine Kapazität von 0,145/»-F. Dieser Leiter umfaßt eine Isolierfolie 10, ausgeführt in "Kapton¹?, in einer Dicke von 75a und Kupferschichten 11, 12 - die auf die Oberflächen 10a, 10b geklebt sind - in einer Stärke von 35-«- . Diese Folie hat die Form eines Rechtecks mit einer Länge von 90 cm und einer Breite von 45 cm. Die Nutzspannung des Speicherkondensators beträgt 10 kV, und der Druck des Stickstoffs in der Laserkammer beträgt ca. 60 Torr. Unter diesen Bedingungen beträgt die Intensität des Laserstrahls 6 Millijoule und die Halbwertsbreite des Lichtimpulses liegt bei 8 Nanosekunden. Schließlich beträgt der

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erreichte Wirkungsgrad, d.h. das Verhältnis zwischen der Energie.des Laserstrahls und der im Speicherkondensator gespeicherten Energie, 1,3 °/oo.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf diese für die Kapazität des Speicherkondensators gewählten Werte beschränkt. Diese Kapazität kann insbesondere wesentlich höher sein. Die gespeicherte Energie kann einen hohen Wert haben, der 100 Joule übersteigt.

In dem oben erwähnten Ausführungsbeispiel werden die länglichen Elektroden 2 und 3 von länglichen Metallplatten gebildet, die dadurch mittels (nicht gezeigter) länglicher Schlitze voneinander getrennt sind, daß eine Isolierschicht auf die einander gegenüberliegenden Flächen der Elektroden aufgebracht ist. Diese Isolierschicht besteht aus einem einfachen Klebeband. Auf diese Weise erhält man eine Laserstrahldivergenz, die deutlich geringer ist als bei Elektroden, die keine derartigen Schlitze aufweisen.

Wie in den Fig. 5 und 6 dargestellt, kann die Anordnung, die im vorstehenden unter Bezug auf die Fig. 3 und 4 beschrieben worden ist, mit nur geringen Abänderungen dazu verwendet werden, gleichzeitig mehrere Laser, die mit molekularem Stickstoff arbeiten, anzuregen. Hierzu ist nur eine einzige Speicherkondensatoreinheit und eine einzige Entladefunkenstrecke vorgesehen. Die Abänderungen bestehen darin, daß mehrere mit Kupferschichten überzogene Isolierfolien aufeinandergeschichtet werden. In Fig. 5 sind zwei derartige Isolierfolien gewählt; selbstverständlich kann eine größere Anzahl verwendet werden.

Jede der mit Metallschichten überzogenen Isolierfolien weist eine Öffnung auf, die der in Fig. 3 dargestellten Öffnung 15 entspricht. Der Ring 16 ist in Kontakt mit der Schicht H₁ der ersten Folie 1O₁, und der Basiskörper 19 ist in Kontakt mit der Metallschicht 12₂ der letzten Isolier-

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folie lo₀.

An einer bestimmten Stelle sind die Folien voneinander getrennt ausgeführt, um die Verbindung ihrer metallisierten Oberflächen zu den entsprechenden Elektroden 2^, 3^ und 2₂, 3p der einzelnen Laser zu ermöglichen.

Wie in Fig. 6 dargestellt, bilden die Leiter 5-, und 5₂ eine Serienanordnung, deren erste Klemme mit der Elektrode 6b der Entladefunkenstrecke 6 verbunden ist und deren andere Klemme mit dem Anschluß la des Kondensators 1 in Verbindung steht.

Mit der vorstehend unter Hinzuziehung der Fig. 5 und 6 beschriebenen Anordnung ist es möglich, Lasersignale zu erhalten, die vollkommen zeitlich synchronisiert sind oder deren Zeitverschiebungen einen festgelegten Wert besitzen, der im wesentlichen von dem Gasdruck in jedem Laserkanal abhängt.

Es folgt nun anhand der Fig. 7 eine Beschreibung eines Lasers mit zwei Kanälen 60 bzw. 61, der die Möglichkeit bietet einen Laserstrahl von sehr großer Intensität zu erhalten.

Jedem Kanal ist eine Anregungsvorrichtung 62 bzw. 63 zugeordnet, die von der Art ist, wie sie bei der Besprechung der Fig. 3 und 4 beschrieben wurde. In dieser Fig. 7 ist die aus den diskreten Kondensatoren, den Basiskörpern und der Entladefunkenstrecke gebildeten Anordnung durch eine durchgezogene Kreislinie (62a und 63a) dargestellt; die Folie 10 ist durch ein einfaches Rechteck (62b und 63b) angedeutet.

Die beiden Kanäle 60 und 61 sind so angeordnet, daß der vom Kanal 60 erzeugte Laserstrahl 64 den Kanal 61 erreicht, so daß dieser strahl 64 zur optischen Anregung im Kanal 61 verwendet werden kann. Hierzu reicht es, wenn die Laserkanäle exakt aufeinander ausgerichtete Achsen aufweisen.

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Eine optische Justierung ist in jedem Fall erforderlich, aber sie kann einfach mit Hilfe einer Teleskop-Justiervorrichtung 86 durchgeführt werden. Diese Vorrichtung 86 ermöglicht außerdem die Bündelung des aus dem Kanal 60 austretenden Strahls.

Wie Fig. 7 zeigt, weist jeder Kanal eine längliche Einfassung 80, 81 auf, in deren Innenraum sich die Elektroden 2₃, 3^, bzw. 2., 3, befinden. Die Einfassungen 80 und 81 sind an ihren Enden durch Quarzfenster 82, 83 und 84, 85 abgeschlossen. Eine optische Einrichtung 86 ist zwischen den Fenstern 83 und 84 installiert; um den aus dem Kanal 60 austretenden Strahr auf den Eingang des Kanals 61 zu konzentrieren. Schließlich befindet sich hinter dem Fenster 82 des ersten Kanals ein Spiegel 87.

Die⁷ Synchronisation des Betriebs der Anregungsvorrichtungen 62 und 63 ist im folgenden beschrieben. Zuerst einmal ist um die isolierte Buchse (52 in -Fig. 4) der Anregungsvorrichtung .62 eine Wicklung 65 - in Fig. 7 schematisch dargestellt durch einen Kreis in gestrichelter Linie - angeordnet. Diese Wicklung 65 gehört zu einer Sonde zur Messung des inneren Stromflusses von der Art, wie sie in der US Patentschrift Nr. 3 885 213 beschrieben ist. Es sei daran erinnert, daß eine solche Sonde im wesentlichen durch die Tatsache charakterisiert ist, daß ihre Wicklung einen nicht unbedeutenden Widerstand darstellt.

Das von der Wicklung 65 gelieferte Signal wird über ein V e rzögerungselement 68 auf den Eingang 66 eines Impulsgenerators 67 gegeben. Der Ausgang 69 des Generators 67 ist an die Triggerelektrode der Entladefunkenstrecke (oder des Thyratrons) der Anregungsvorrichtung 63 angeschlossen.

Eine derartige Anordnung ermöglicht die Synchronisation des Betriebs der beiden Laserkanäle 60 und 61, denn die Erfinder haben bei den im Rahmen der Erfindung durchgeführten Versuchen festgestellt^ daß die Zeitverschiebung t^ - t_s

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zwischen dem Auftreten eines Impulses 70 an den Klemmen der Wicklung 65 und dem Auftreten des Laserimpulses 71 einen konstanten Wert in einer Größenordnung von 40 - 100 ns hat. Diese Verschiebung hängt im wesentlichen nur von dem Gasdruck im Laserkanal ab.

Folglich ist es mittels der vom Verzögerungselement 68 und dem Generator 67 gebildeten Synchronisationsmittel möglich, im zweiten Laserkanal 61 gleichzeitig sowohl die optische Anregung - bewirkt durch das vom ersten Kanal 60 gelieferte Lasersignal 64 - als auch die elektrische Anregung durch den Generator 63 zu erhalten. Demzufolge kann die durch den zweiten Laserkanal 61 mit seiner Anregungsvorrichtung 63 gebildete* Vorrichtung als Verstärker für das von der aus dem ersten Kanal 60 und seiner Anregungsvorrichtung 62 gebildeten Laservorrichtung ausgesandte Licht angesehen werden.

In dem vorstehend anhand der Fig. 7 beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung dient die Wicklung - um die Buchse 52 (Fig. 4), die die Elektroden der Entladefunkenstrecke umschließt, herum angeordnet - dazu, einen zweiten Laserkanal zu triggern. Es ist zu erwähnen, daß das von dieser Wicklung 65 gelieferte Signal auch zum Vorionisieren des im Laserkanal befindlichen Stickstoffs verwendet werden kann. Mit einer solchen Vorionisation wird vor der Entladung eine anfängliche Elektronendichte ermöglicht, und folglich eine Abkürzung der zur Bildung des aktiven Plasmas zwischen den Elektroden benötigten Zeit erreicht. Zu diesem Zweck kann man beispielsweise auch dem Stickstoff ein weiteres Gas beigeben, dessen Ionisationspotential gering ..· ist, z.B. Schwefelhexafluorid SFg. Die Vorionisation wird also dadurch bewirkt, daß ein Lichtstrahl von sehr kurzer Dauer (Blitz) zwischen die.im Laserkanal angeordneten Elektroden geschickt wird. Fig, 8 zeigt eine schematische Darstellung der entsprechenden Anordnung, wie in dieser Figur dargestellt, ist oberhalb des Zwischenraums zwischen den Elektroden 2 und 3 ein System zur Lichtstrahlerzeugung angeordnet. Dieses System umfaßt eine längliche, zylindrische Lampe 90 und einen Reflektor 91,

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der dazu vorgesehen ist, den von ui-v Lampe 90 erzeugten Lichtstrahl auf eine Linse 92 zu fokussieren. Die Linse 92 dient dazu, den Lichtstrahl auf den Raum 93 zwischen den Elektroden 2 und 3 zu richten. Diese verschiedenen Bauteile 90, 91, 92 haben vorzugsweise genau die gleiche Länge wie die Elektroden und sind im selben Kanal angeordnet.

Selbstverständlich ist eine (nicht gezeigte) Vorrichtung zum Triggern der Lampe 90 vorgesehen, die von einem von der Wicklung 65 gelieferten signal gesteuert wird.

Wie bereits angedeutet, besteht der hauptsächliche Verwendungs~ zweck des erfindungsgemäßen Generators in der Anregung eines Stickstofflasers. Mit einer solchen Anregungsvorrichtung ist ein Laser zu realisieren, der eine hohe Leistung, mehr als 500 kW, und eine beträchtliche Lichtimpulsdauer von mehr als 5 ns hat, wobei diese Impulse, selbst nachdem sie in erhöhter Anzahl produziert worden sind, noch dieselben Eigenschaften besitzen. Schließlich ist die Zuverlässigkeit dieser erfindungsgemäßen Anregungsvorrichtung sehr groß,-und der erzeugte Laserstrahl weist eine geringe Divergenz auf. Außerdem ist es möglich-, mit der erfindungs gemäß en Anregungsvorrichtung Laserimpulse mit einer Frequenz, die mehrere zehn Hertz erreichen kann, zu erzeugen.

Es ist bekannt, daß derartige Laser, die mit molekularem Gas arbeiten, eine ultraviolette strahlung mit einer Wellenlänge von 3 371 A aussenden. Diese Laserstrahlung kann dazu verwendet werden, einen Farbstofflaser anzuregen (durch optisches Pumpen), der ein kontinuierliches Spektrum in einem relativ breiten Wellenlängenbereich aufweist. Man nimmt an, daß derartige Farbstofflaser eine Trennung der Uranisotopen möglich werden lassen können.

Im Hinblick auf die Anwendungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist auch darauf hinzuweisen, daß sie zur.-Anregung von anderen Gasen verwendet werden kann, wie z.B. Wasserstoff, Neon, einem Gemisch aus Argon u'nd Stick-

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stoff usw...

Schließlich bleibt bezüglich der in den Fig. 5 und 6 dargestellten Vorrichtung festzustellen, daß die beiden so erzeugten Laserstrahlen zur gleichzeitigen Anregung zweier Farbstofflaser auf verschiedenen Wellenlängen zu benutzen sind. Diese beiden Laserstrahlen können aber ebensogut dazu verwendet werden, nur einen Farbstofflaser anzuregen.

Es versteht sich von selbst und wird auch schon aus dem vorher gesagten deutlich, daß die Erfindung keinesfalls nur auf die Anwendungs- und Ausführungsmöglichkeiten, die in der vorliegenden Anmeldung näher in Betracht gezogen worden sind, beschränkt ist, sondern daß sie alle denkbaren Varianten einschließt.

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erseite

Claims (1)

1. 265225:

   Generator zur Erzeugung eines elektrischen Signals, das eine Energie von wenigstens 0,5 Joule über eine Zeit von höchstens 10 ns hat, der sowohl einen diskreten Kondensator, der auf eine hohe Spannung aufgeladen werden kann, zur Speicherung der Energie besitzt als auch zum Entladen des Kondensators mit einem Stromkreis ausgestattet ist, welcher in Reihe geschaltet einen elektrischen Unterbrecher zur Steuerung der Entladung und Mittel zur Energieübertragung mit einer ersten und einer zweiten Ausgangsklemme, die mit einer ersten und einer zweiten entsprechenden Klemme einer Nutzlast für das elektrische Signal verbindbar sind, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Energieübertragung wenigstens mit einem flächigen Leiter (.10, 11, 12) versehen sind, der aus einer Isolierfolie (1O) und aus einer ersten und einer zweiten auf beiden Seiten dieser Folie (lO) aufgebrachten Metallschicht (11, 12) besteht, die mit der ersten bzw. zweiten Ausgangsklemme (2, 3) verbunden sind.

   Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierfolie (lO) 'zwischen 3 Mikrometer und 5 Millimeter dick ist.

   Generator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Unterbrecher (6) aus einer Entladefunkenstrecke besteht.

   4. Generator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß die Isolierfolie (10) eine Öffnung (15) aufweist, daß mehrere parallel angeordnete, diskrete Energiespeicherkondensatoren (13, 14) eine Anordnung bilden, in der sie um die Öffnung (15) herum angebracht sind und in der ihre ersten Anschlüsse (13a, 14a) formschlüssig mit einem ringförmigen metallischen Basiskörper (16) verbunden sind, der eine Kontaktfläche (16a) aufweist,

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   die auf einer Metallschicht (ll) einer ersten Seite der Isolierfolie (lO) in der Form angeordnet werden kann, daß die Achse seiner Mittelöffnung mit der Achse der Öffnung der Isolierfolie (lO) zusammenfällt, daß die zweiten Anschlüsse (13b, 14b) der Kondensatoren (13, 14) mit einem zweiten metallischen Basiskörper (17) formschlüssig verbunden sind, daß die Kondensatoranordnung und der erste und zweite Basiskörper (16, 17) auf der ersten Seite der Isolierschicht (lO) angeordnet sind, und daß der Generator auf der zweiten Seite der Isolierfolie (lO) mit einem dritten metallischen Basiskörper (19) versehen ist, der eine Kontaktfläche (19a) aufweist, die auf der Metallschicht (12), die sich auf der zweiten Seite der Isolierfolie (lO) befindet, ange-' ordnet werden kann, und daß die erste und zweite Elektrode (6a, 6b) der Bntladefunlcenstrecke (6) formschlüssig mit dem zweiten bzw. dritten metallischen Basiskörper (17, 19) so verbunden sind, daß die Längsachse der Elektroden (6a, 6b) der Funkenstrecke (6) mit der Achse der Öffnung der Isolierfolie (lO) zusammenfällt.

   5. Generator nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Elektroden (6a, 6b) der Entladefunkenstrecke (6) mit Innenkanälen (42, 43) versehen sind, um ein Strömen eines Gases in den die Elektroden (6a, 6b) trennenden Zwischenraum zu ermöglichen.

   6. Generator nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er eine isolierende Buchse (52) aufweist, die den die erste und zweite Elektrode (6a, 6b) der Entladefunkenstrecke (6) trennenden Zwischenraum umschließt.

   7. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Energieübertragung wenigstens zwei beidseitig mit einer Metallschicht beschichtete... Isolierfolien (10,, 10^) besitzen, daß diese

   Folien (1O₁, -υ₂) mit Ixwen Oberflächen wenigstens teilweise so aufeinanderliegen, daß sie eine Reihenanordnung zwischen einer Klemme des elektrischen Unterbrechers (6) einerseits und einer Klemme des Speicherkondensators (l) andererseits bilden und daß die beschichteten Isolierfolien (1O₁, 1O₂) je zwei Ausgangsklemmen zur Verbindung mit einem entsprechenden Verbraucher (2, 3) aufweisen.

   8. Generator nach Anspruch 7 und einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede Folie (10,, 10p) eine Öffnung (15) aufweist, daß die Folien (10,, 1O₂) so aufeinandergeschichtet sind, daß die Achsen ihrer Öffnungen sich decken und mit denen der Elektroden (6a, 6b) der Bntladefunkenstrecke (6) zusammenfallen und daß sich die Kontaktfläche des ersten metallischen Basiskörpers (16) auf der ersten Seite der ersten Folie (1O₁) und die Kontaktfläche des dritten metallischen Basiskörpers (19) auf der zweiten Seite der letzten Folie (1O₂) befinden.

   9. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch . gekennzeichnet, daß die Anregungselektroden (2, 3) eines Lasers (4), der mit molekularem Gas arbeitet, den Verbraucher bilden.

   10. Laser, der mit molekularem Gas arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß er wenigstens einen ersten und einen zweiten Laserkanal (60, 6l) aufweist, die so hintereinander angeordnet sind, daß das vom ersten Laserkanal (60) gelieferte optische signal den zweiten Laserkanal anregen kann, und der mit einem ersten (62) und einem zweiten (63) dem Anspruch 9 entsprechenden Generator zur Anregung des ersten bzw. zweiten Laserkanals (60, 61) ausgestattet ist, und der weiterhin eine Synchronisationsvorrichtung zum Triggern des elektrischen Unterbrechers (6) des ersten und zweiten Generators (62, 63) besitzt, wobei diese Synchronisations-

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   vorrichtung sowohl mit einem Detektor (65) zur Messung des im elektrischen Unterbrecher (6) des ersten Generators fließenden Stroms als auch mit einem zwischen dem Detektor (65) und einer Steuerelektrode des elektrischen Unterbrechers des zweiten Generators (63) angeordneten Verzögerungsglied (68) versehen sind.

   11. Laser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Unterbrecher des eisten Generators (62) aus einer Funkenstrecke besteht und daß der Detektor (65) eine Sonde zur Messung des inneren Stromflußes aufweist, deren Wicklung um die Entladefunkenstrecke (6) herum angeordnet ist.

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