DE2711827B2 - Verfahren zum Betrieb einer zwischen einer Anode und einer Kathode in einem strömenden Gas brennenden Glimmentladung - Google Patents
Verfahren zum Betrieb einer zwischen einer Anode und einer Kathode in einem strömenden Gas brennenden GlimmentladungInfo
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- H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
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- H01S3/0979—Gas dynamic lasers, i.e. with expansion of the laser gas medium to supersonic flow speeds
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb c.ner zwischen einer Anode und einer Kathode in einem
strömenden Gas brennenden Glimmentladung, bei dem man das Gas mit hoher Strömungsgeschwindigkeit
radial in das Gasentladungsgefäß einführt, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Solche Glimmentladungen können beispielsweise eingesetzt werden, um kontinuierliche Laser hoher
Leistungsdichte zu 'erhalten. Beispielsweise ist ein solcher gasdynamischer CO-Laser bekannt, bei dem das
die Glimmstrecke 3:wischen Anode und Kathode durchlaufende Gas anschließend auf sehr tiefe Temperaturen
abgekühlt wird, wodurch sich die für eine Laserwirkung erforderliche Inversion ergibt Um die
Leistungsdichte derartiger Laser zu steigern, ist Voraussetzung, daß die Leistungsdichte in der Glimmentladung
zur Anregung des Gases möglichst hoch ist Bisher wurde bei ähnlichen i'.i Gasströmungen
brennenden Glimmentladungen eine rohrförmige Anode verwendet wobei das Gas entweder durch das
Anodenrohr selbst oder durch radiale Schlitze vor dem Anodenrohr in das eigentliche Entladungsrohr eingeführt
wurde. Mit solchen Anordnungen ließen sich Leistungsdichten bis ca. 50 W/cm3 erzielen. Derartige
Anordnungen sind z. B. bekannt aus:
— I.W.Rich.R.CBergmann.J.A.Lordi, '
Electrically Excited, Supersonic Flow
Carbon Monoxide Laser, AIAA J.Vol. 13,
No.1, Jan. 1975.
Electrically Excited, Supersonic Flow
Carbon Monoxide Laser, AIAA J.Vol. 13,
No.1, Jan. 1975.
— H.Brunet.M.Mabru,
Improved Performance of an Electric-Discharge
N2-CO Mixing Laser, J. of Appl. Physics,
Vol.46, No. 7, July 1975.
N2-CO Mixing Laser, J. of Appl. Physics,
Vol.46, No. 7, July 1975.
- W.LNighan,
Stability of High Power Molecular Laser
Discharges, United Technologies Res. Center,
Rep. 75-19.
Discharges, United Technologies Res. Center,
Rep. 75-19.
- J.W.Daiber,H.M.Thompson,Th.J.Falk,
The Efficiency of CO Vibrational Excitation
The Efficiency of CO Vibrational Excitation
in a Self-Sustained CW Glow Discharge,
IEEE J. of Quantum Electronics, Vol. 12,
No. 11,1976.
IEEE J. of Quantum Electronics, Vol. 12,
No. 11,1976.
Es hat sich bei den bisher bekannten Verfahren zum Betrieb einer Glimmentladung jedoch herausgestellt,
daß einer Erhöhung der Leistungsdichte dadurch Grenzen gesetzt sind, daß die Glimmentladung in eine
Bogenentladung umschlägt. Dieser Umschlag äußert sich zunächst in einer Anzahl von fadenförmigen
Bogenentladungen, die von bestimmten Stellen der Anode ausgehen. Um derartige lokale Bogenentladungen
möglichst zu verhindern, hat man bisher beispielsweise die Breite eines radialen Einlaßspaltes für das
strömende Gas mit höchster Präzision eingehalten (vgl. den oben angeführten Artikel von D a i b e r et al. in der
Zeitschrift IEEE J. of Quantum Electronics vom 11. November 1976). Jedoch konnten auch diese
Maßnahmen nicht zu einer über den oben angegebenen Wert hinausgehenden Steigerung der Leistungsdichte
führen.
Die vorliegende Erfindung baut nun auf der Erkenntnis auf, daß für das Entstehen der Bogenentladungen
lokale Erhitzungen an der Anode, also thermische Instabilitäten, verantwortlich sind und daß
bei Beseitigung dieser thermischen Instabilitäten oder Inhomogenitäten die Leistungsdichte einer solchen
Glimmentladung erheblich gesteigert werden kann.
Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, die Leistungsdichte einer Glimmentladung gegenüber bisher
bekannten Glimmentladungen deutlich zu erhöhen, indem die Entstehung thermischer Instabilitäten, d. h.
lokaler Überhitzungen, im Bereich der Anode vermieden werden.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch
gelöst, daß man als Anode eine im wesentlichen ebene Anode verwendet, deren Ansatzfläche im wesentlichen
senkrecht auf der Entladungsachse steht, und daß man das Gas derart in das Gasentladungsgefäß einführt, daß
es an der ebenen Ansatzfläche der Anode vorbeiströmt.
Vorzugsweise läßt man das Gas mit Schallgeschwindigkeit einströmen.
Die besondere geometrische Anordnung der Anode im Entladungsgefäß und das an ihrer Ansatzfläche, d. h.
ihrer für die Glimmentladung aktiven Fische, vorbeiströmende Gas führen zu einer sehr effektiven Kühlung
an der Anodenoberfläche, wobei die radiale Einführung des Gases und die damit verbundene Verwirbelung
desselben im Raum vor der Anodenansatzfläche die Kühlung noch unterstützen.
Dieser Effekt wird mit steigender Strömungsgeschwindigkeit
des eingelassenen Gases in zunehmendem Maße wirksam; daher läßt man das Gas vorzugsweise mit Schallgeschwindigkeit einströmen.
Die Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einem eine Anode
und eine Kathode enthaltenden, gasdurchströmten Gasentladungsgefäß mit einem Ringspalt, durch den das
Gas in das Entladungsgefäß eintritt, dadurch gelöst, daß
die Anode eine im wesentlichen ebene, senkrecht auf der Entladungsachse stehende AnsatzfJäche für die
Glimmentladung aufweist und derart angeordnet ist, daß das radial einströmende Gas an dieser Ansatzfläche
entlangströmt
Vorzugsweise ist die Breite des Ringspaltes einstellbar; dadurch kann die Strömungsgeschwindigkeit des an
der Ansatzfläche vorbeifließenden Gases eingestellt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Anode in einer mit dem
eigentlichen Entladungsrohr über den Ringspalt in Verbindung stehenden Vorkammer angeordnet ist,
welche einen Einlaß für das einströmende Gas aufweist. Vorteilhafterweise kann die Anode zur Einstellung der
Breite des Ringspaltes gegenüber der entladungsrohrseitigen Stirnfläche der Vorkammer verstellbar sein.
Schließlich kann vorzugsweise die Anode in den Bereichen, die nicht als Ansatzfläche für die Gljmmentladung
dienen, n.it einem elektrisch isolierten Überzug versehen sein.
Die nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient im Zusammenhang
mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Die Zeichnung stellt eine schematische Längsschnittansicht
des Anodenraumes einer Glimmentladung dar.
Die Glimmentladung wird in einem Entladungsgefäß üblicher Bauart durchgeführt, das im wesentlichen ein
Entladungsrohr 1 mit einem kreisförmigen Querschnitt sowie eine Kathode und eine Anode 2 umfaßt. In der
Figur ist nur das anodenseitige Ende des Entladungsgefäßes im Längsschnitt dargestellt, kathodenseitig kann
das Entladungsgefäß beispielsweise in an sich bekannter Weise in einen Expansionsraum einmünden, in dem das
Gas durch Expansion ausreichend abgekühlt wird, um eine für eine Laserwirkung ausreichende Inversion zu
erreichen.
Gasdynamische Laser sind jedoch nicht die einzige Anwendungsmöglichkeit für Glimmentladungen erhöhter
Leistungsdichte. So werden diese Glimmentladungen beispielsweise auch in der Plasmachemie zur
Synthese von organischen und anorganischen Reaktionsprodukten eingesetzt.
Am anodenseitigen Ende ist das Entladungsrohr 1 offen und mündet in eine Vorkammer 3, die über einen
Einlaß 4 mit einer in der Figur nicht dargestellten Quelle für das Betriebsgas verbindbar ist. Die Vorkammer 3
selbst wird durch den Innenraum eines topfartigen Bauteiles aus einem isolierenden Kunststoffmaterial
gebildet welches am anodeaseitigen Ende des Entladungsrohres 1 abgedichtet befestigt ist Zu diesem
Zweck ist um das anodenseitige Ende des Entladungsrohres 1 ein ebenfalls aus einem Kunststoffmaterial
bestehender Flanschring 5 gelegt der gegenüber dem Vorkammerbauteil durch eine Ringdichtung 6 abgedichtet
ist Auf der dem Vorkammerbauteil gegenüberliegenden Seite ist ein weiterer, das Entladungsrohr 1
umgebender, am Flanschring 5 mittels einer weiteren
ίο Ringdichtung 7 abgedichtet anliegender Haltering 8 aus
Aluminium vorgesehen. Die eine Dichtungspackung bildenden Ringe 5 und 8 weisen Bohrungen 9 bzw. IQ
auf, durch die eine in das Vorkammerbauteil einschraubbare Schraube 11 hindurchragt die die Ringe 5 und 8
sowie das Vorkammerbauteil zusammenspannt
Im Innern der Vorkammer 3 ist die Anode 2 zentrisch zum Entladungsrohr 1 derart angeordnet daß ihre
Ansatzfläche 12, d.h. ihre für die Glimmentladung aktive Fläche, senkrecht zur Längsachse des EntIadungsrohres
steht Die Anode selbst besteht im wesentlichen aus einer Scheibe 13 mit kreisförmigem
Querschnitt und einem daran anschließenden, aus dem Vorkammerbauteil durch eine Öffnung 15 austretenden
Stempel 14, der gegenüber dem Vorkammerbauteil mittels einer Ringdichtung 16 abgedichtet ist. An seinem
freien Ende 17 trägt der Stempel 14 ein Außengewinde, das in eine am Vorkammerbauteil auf der der
Vorkammer 3 gegenüberliegenden Seite anliegende Scheibe 18 eingeschraubt ist. Die Scheibe 18 besteht
κι vorzugsweise aus Aluminium und dient gleichzeitig als Stromzuführung zur Anode.
Durch Verdrehen des Stempels 14 und damit der Anode 2 gegenüber der Scheibe 18 kann der axiale
Abstand der Anode 2 vom Entladungsrohr 1 eingestellt
j") werden. Dabei bildet sich zwischen der Anode 2
einerseits und der anodenseitigen Stirnfläche des Entladungsrohres oder des Flanschringes 5 andererseits
ein Ringspalt 20 aus, dessen Breite durch Verdrehen der Anode 1 und des Stempels 14 einstellbar ist.
■40 Die Scheibe 13 der Anode ist in den Bereichen, die
nicht als aktive Fläche der Glimmentladung, also nicht als Ansatzfläche dienen sollen, mittels eines elektrisch
isolierenden Überzuges 21 versehen. Dieser Überzug kann auch zusätzlich, anders wie in der Zeichnung
•r. dargestellt an der Oberfläche des Stempels 14
aufgebracht sein.
Im Betrieb wird das Betriebsgas durch den Einlaß 4 in die Vorkammer 3 geleitet und gelangt durch den
Ringspalt 20 mit großer Geschwindigkeit in das
■'Ό Entladungsrohr 1. Die durch den Ringspalt 20
hindurchtretende Gasströmung streicht an der Ansatzfläche 12 vorbei und erfährt im Bereich dieser
Ansatzfläche eine starke Verwirbelung. Dadurch wird die Ansatzfläche 12 wirksam gekühlt, lokale Überhit-
")"> zungen und damit die Ausbildung von Bogenentladungen
werden vermieden.
Diese Kühlung wird mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit des Gases größer. Daher ist man bestrebt,
die Strömungsgeschwindigkeit durch Verkleinerung des
mi Ringspaltes 20 möglichst hoch einzustellen, vorzugsweise
läßt man das Gas mit Schallgeschwindigkeit einströmen.
Durch Erhöhung des Gasdruckes in der Vorkammer 3, el. h. also durch Zufuhr des Betriebsgases unter
ι ■ erhöhtem Druck, kann man erreichen, daß der durch
den Ringspalt 20 hindurchtretende Gasstrom auch nach dem Durchtritt durch den Ringspalt 20 seine ursprüngliche
Richtung beibehält, d. h. sich längs der Ansatzfläche
weiterbewegt, bevor er nach Verwirbelung in Richtung des Entladungsrohres 1 umgelenkt wird. Durch Wahl
des Überdruckes im Vorraum 3 kann man daher die Strömungsverhältnisse im Bereich der Ansatzfläche 12
beeinflussen. Dies gilt insbesondere auch dann, wenn der Überdruck in der Vorkammer 3 gegenüber dem
Entladungsrohr 1 so hoch gewählt ist, daß das Gas in jedem Fall mit Schallgeschwindigkeit durch den
Ringspalt 20 strömt.
Die im wesentlichen ebene Ansatzfläche der Anode kann auch leicht gewölbt sein.
Claims (8)
1. Verfahren zum Betrieb einer zwischen einer Anode und einer Kathode in einem strömenden Gas
brennenden Glimmentladung, bei dem man das Gas mit hoher Strömungsgeschwindigkeit radial in das
Gasentladungsgefäß einführt, dadurch gekennzeichnet, daß man als Anode eine im wesentlichen ebene Anode verwendet, deren Ansatzfläche
im wesentlichen senkrecht auf der Entladungsachse steht, und daß man das Gas derart
in das Gasentladungsgefäß einführt, daß es an der im
wesentlichen ebenen Ansatzfläche der Anode vorbeiströmt
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Gas mit Schallgeschwindigkeit
einströmen läßt '
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das Gas unter einem Druck in das
Entladungsgefäß einführt, der größer ist, als es zur Erreichung der Schallgeschwindigkeit nötig ist.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1,2 oder 3, mit einem eine
Anode und eine Kathode enthaltenden, gasdurchströmten Gasentladungsgefäß und mit einem Ringspalt,
durch den das Gas in das Entladungsgefäß eintritt, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (2)
eine im wesentlichen ebene, senkrecht auf der Entladungsachse stehende Ansatzfläche (12) für die
Glimmentladung aufweist und derart angeordnet ist, daß das radial einströmende Gas an dieser
Ansatzfläche (12) entlangströmt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Ringspaltes (20)
einstellbar ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (2) in
einer mit dem eigentlichen Entladungsrohr (1) über den Ringspalt (20) in Verbindung stehenden
Vorkammer (3) angeordnet ist, welche einen Einlaß (4) für das einströmende Gas aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (2) zur Einstellung der
Breite des Ringspaltes (20) gegenüber der entladungsrohrseitigen Stirnfläche der Vorkammer (3)
verstellbar ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (2) in den
Bereichen, die nicht als Ansatzfläche (12) für die Glimmentladung dienen, mit einem elektrisch
isolierenden Überzug (21) versehen ist.
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