DE2716578A1

DE2716578A1 - Plasma-elektronen/ionen-quelle

Info

Publication number: DE2716578A1
Application number: DE19772716578
Authority: DE
Inventors: Robert P Giguere; George Wakalopulas; Robert D Washburn
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1976-04-20
Filing date: 1977-04-14
Publication date: 1977-11-03
Also published as: IL51788A; SE411827B; GB1555198A; US4025818A; SE7704403L; FR2349209A1; JPS52128048A

Description

Anmelderin; Stuttgart, den 13. April 1977

Hughes Aircraft Company P 334-6 S/kg Centinela Avenue and

Teale Street

Culver City, Calif., V.St.A.

Vertreter:

Kohler - Schwindling - Späth
Patentanwälte
Hohentwielstraße 41
7000 Stuttgart 1

Plaama-Jilektronen/Ionen-^uelle

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochapannungs-Entladungs-Leistungsquelle, die dazu dient, elektronischen Hochfrequenz-Kreisen oder -Systemen Leistung zuzuführen, und insbesondere auf Elektronenkanonen mit einem Ionen-Plasma»

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Die übliche Methode zur Erzeugung einer Gasentladung besteht einfach darin, einen strombegrenzenden Vorwiderstand in Serie zu einem Gasrohr zu schalten und dann eine hohe Spannung an die Kombination von Gasrohr und Vorwiderstand anzulegen.

Zur Verwendung als Laser-Verstärker ist es erwünscht, eine durchgehende, gleichförmige Entladung in einem Gasentladungsrohr von 1 m Länge zu erzeugen, das ein Gas enthält. Die erforderliche Betriebsspannung für solche bekannte Gasentladungsrohre wird enorm und liegt in der Größenordnung von 375 kV. Es kann jedoch die eine Entladung in mehrere kürzere Entladungsstrecken unterteilt werden, die geringere Betriebsspannungen erfordern, jedoch erfordert die Verwendung solcher kürzeren Entladungsetrecken mit niedrigeren Betriebsspannungen die Verwendung von voneinander unabhängigen, gegeneinander isolierten Spannungsquellen. Bei praktischen Systemen werden die Kosten, die für mehr als zwei Abschnitte solcher kürzeren Entladungsstrecken aufzuwenden sind, so hoch, daß sie eine praktische Anwendung von mehr als zwei Entladungsstrecken verhindern.

Eine andere bekannte Alternative it?t die Verwendung von zusätzlichen Vorwiderständen zur Stabilisierung der mittels einer einzigen Spannungsquelle erzeugten Entladung. Eine solche Methode führt jedoch notwendig zu toten Käumen zwischen den Entladungselementen. Wenn tote Räume zwischen Anoden unc/oöer Katheten besteJ-en,

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ist nicht gewährleistet, daß ein Entladungsstrom zwischen benachbarten Entladungszweigen bei den bekannten Entladungsmethoden gezündet wird. Obwohl es sich hierbei um ein einfaches, geradliniges Konzept handelt, erfüllt diese bekannte Methode nicht die Forderung nach einem Eliminieren der toten Räume.

Weiterhin haben die bekannten Einrichtungen den zu_ sätzlichen Nachteil, daß die im Bereich niedriger Ströme stattfindende Entladung zeigt, daß gewöhnliche Belastungszweige mit Vorwiderständen unstabil werden, wenn die Entladung in solchen Bereichen niedrigen Stromes stattfindet.

Soweit es die Anwendung der Erfindung als Elektronenkanone betrifft, weist der Stand der Technik die gleichen Nachteile auf, wie sie vorstehend behandelt wurden· Weiterhin ist es nach dem Stand der Technik nicht möglich, unabgeschirmte metallische Tragteile zu benutzen, weil solche Tragteile in der Entladungsstrecke frei fliegende Elektronen auffangen und daher eine deutliche Verminderung des Wirkungsgrades zur Folge haben.

Ein spezielles Beispiel für eine bekannte Elektronenkanone ist in der FR-PS 2 204 882 offenbart, die keine Quellen und Senken umfaßt, magnetische Mittel zur Ionisierung des Gases aufweist und sowohl einen zur Elektronenemission dienenden Heizfaden als auch eine Kathode aufweist. Diese bekannte Elektronenkanone hat offensichtlich die gleichen Nachteile, wie sie verstehend, beschrieben wvxder.»

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Durch die Erfindung wird eine Laserverstärker-Entladungs-Leistungaquelle geschaffen, die ein Ausmaß an Verfeinerung erfordert, das die Fähigkeiten aller im Handel erhältlicher Hochspannungs-Leistungsquellen überschreitet. Im Zusammenwirken mit einem Hohlleiter-Oszillator ist ein hohes Maß an Stabilität der Gasentladung erforderlich, damit die verstärkenden Abschnitte richtig arbeiten, die mit den als Leiatungsquelle wirkenden Abschnitten integriert sind. Forderungen nach einem erhöhten Verstärkungsfaktor, nach der Ausschaltung parasitärer Schwingungen, nach einer Flexibilität bei der Parameterwahl und nach hoher Sicherheit für den Benutzer bilden die Grundlage für die Ausbildung der erfindungsgemäßen Leistungsquelle. Demgemäß werden die folgenden Ziele bei der Ausbildung der gewünschten Leistungsquelle berücksichtigt.

Ein Ziel besteht in dem Eliminieren von toten Räumen bei der Anwendung als Hohlleiter-Verstärker, in dem die Gasentladungs-Leistungsquelle ein integraler Bestandteil ist, um Unterbrechungen der Gasentladung, die infolge von Änderungen des Brechungsindex eine Linsenwirkung hätten, und parasitäre Schwingungen zu verhindern.

Ein anderes Ziel besteht darin, eine größere Verstärkung bei geringeren Entladungsströmen, beispielsweise von weniger als 1 HA, zu erzielen, insbesondere bei Anwendung höherer Gasdrücke. Infolgedessen wurden stromstabilisierte Netzgeräte erforderlich sein, um eine Entladung bei diesen Stromstärken und Gasdrücken aufrechtzuerhalten.

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Ein weiteres Ziel besteht darin, die Sicherheit des Benutzers und des Betriebs durch Hochspannungs-Schutzmaßnahmen zu erhöhen. Hierzu ist eine Konstruktion erforderlich, bei der die Ausgänge in bezug auf Erde potentialfrei sind.

Obwohl keine empirischen Daten vorhanden sind, welche die Beziehung zwischen einer -üntladungs-Instabilität oder Rauschen und der Hohlleiterverstärker-Amplitude oder dem Hohlleiterrauschen betreffen, wurde durch Experimente festgestellt, daß Schwankungen des Entladungsstromes Prequenzschwankungen in Hohlleiter-Oszillatoren hervorrufen. Ähnliche Effekte können bei einem langen Hohlleiter-Verstärker erwartet werden, bei denen Stromschwankungen im Mikroampere- oder Nanoampere-Bereich das Ausgangssignal in einem sehr weiten und nicht tolerierbaren Bereich modulieren können.

Als Ergebnis der erreichten Ziele vermindert eine Reduktion des durch den Verstärker injizierten Rauschens die Anforderungen an die Schleifen-Fehlerkorrektur der Leistungsquelle und des damit betriebenen Systems.

Der Aufbau der Leistungsquelle erlaubt die Wahl von üntladungsstromstärken in einem weiten Bereich. Die Fähigkeit, den l^ntladungsstrom in verschiedenen Abschnitten des Verstärkers zu variieren, erlaubt eine Optimierung der üesamt-Verstärkereigenschaften.

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-Eine Leistungsquelle zum Betreiben eines Hohlleiter-Verstärkers umfaßt eine aus einem einzigen Element bestehende Anode, um dadurch tote Zonen im Verstärker zu eliminieren_e Sie enthält auch Anodenstrombegrenzer, um zu gewährleisten, daß alle Abschnitte mit Sicherheit immer gezündet werden. Weiterhin erlauben Kathodenstromregler einen Betrieb mit niedrigen Stromstärken« Bei Bedarf können Plasmakathoden verwendet werden, um das durch den Entladungsstrom hervorgerufene Rauschen zu vermindern«

Eine Hauptforderung für ein befriedigendes Glimmentladungsrohr, das die Nachteile des Standes der Technik vermeidet, besteht darin, daß Stromquellen und Stromsinken abwechselnd mit Elektroden verbunden werden, durch welche die Ströme, die die Glimmentladung hervorrufen, geleitet werden. Diese Forderung wird durch die Erfindung erfüllt. Bei der Anwendung als Elektronenkanone können im Gegensatz zum Stand der Technik metallische Tragteile benutzt werden, ohne dadurch frei fliegende Elektronen aufzufangen, so daß hierdurch der Wirkungsgrad erhöht wird.

Die Erfindung wird im folgenden anband der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformeη der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden. Es zeigen

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Fig. Λ die perspektivische Darstellung einer Glimmentladungs-Leistungsquelle nach der -Erfindung, die in Verbindung mit einem Laser benutzt wird und dazu dient, das Leistungs-Ausgangssignal des Lasers zu verstärkern,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 durch die Gasentladungs-Leistungsquelle nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt ähnlich Fig. 2 durch eine abgewandelte Ausführungsform einer Gasentladungs-Leistungaquelle nach der Erfindung,

Fig. 4 einen Schnitt ähnlich Fig. 3 durch eine weitere Ausführungsform einer Gasentladungs-Leistungsquelle, die von mehreren Gasentladungsrohren Gebrauch macht,

Fig. 5 das Schaltbild der Stromquellen bzw. Stromsenken, die nach der Erfindung verwendet werden,

Fig. 6 ein Diagramm, das die in Laboratoriumsversuchen ermittelte Abhängigkeit des Entladungsstromes in Abhängigkeit von der Entladungsspannung bei verschiedenen Gasdrücken im Entladungsrohr wiedergibt,

Fig. 7 ein Diagramm, das die lineare Beziehung zwischen dem von einer äußeren -^eistungsquelle gelieferten Zündfeld in Abhängigkeit vom Druck bei einer er Γ .ine'irvsc;". ße: ¹^ ".*'·■ ■:.· r"¹ . ur»en röhre wieder·? .'...·

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Fig. 8 das Diagramm der geschätzten Verstärkung, die bei Anwendung einer Glimmentladungs-Leistungsquelle in Verbindung mit einem Laser erzielt wird, ausgedrückt durch die Ausgangsleistung in Abhängigkeit von der Gesamtlänge der Gasentladungsröhre ,

Figo 9 die perspektivische Darstellung einer Ionen-Plasmakanone nach der Erfindung mit einer oberen und einer unteren Kammer sowie einer an der unteren Kammer befestigten, Gas enthaltenden Kammer, die in Verbindung mit einem Laser verwendet wird,

Fig. 10 einen Querschnitt durch die Anordnung nach Fig. 9»

Fig. 11 einen Längsschnitt durch die untere Kammer der Anordnung nach Fig. 9 in Verbindung mit den angeschlossenen elektronischen Komponenten,

Fig. 12 einen Querschnitt durch eine Laser-Gaskammer, an die eine eigene Spannungsquelle angeschlossen ist, und

Fig. 13 das Schaltbild einer Stromquelle, wie sie bei der Ausführungsform nach Fig. 11 verwendet wird, die jedoch so modifiziert ist, daß sie mit einem Signal moduliert werden kann, wenn das erfindungsgemäße Gasentladungsrohr als Elektronenkanone verwendet wird.

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Die Fig. 1 und 2 zeigen als Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Gasentladungsrohr 10, das eine Länge von etwa 1 m aufweisen und aus elektrisch hochieolierender Keramik bestehen kann, beispielsweise aus Berylliumoxid, das einen Schmelzpunkt von 1600⁰C aufweist.

Das Gasentladungsrohr 10 hat Wände 12 und eine Kapillare 20, die sich längs der Mittelachse durch das ganze Rohr erstreckt. Endplatten 24 schließen die Kapillare 20 ab, so daß ein Gas in der Kapillare eingeschlossen werden kann_e Gleichzeitig wirken sie als Fenster für Laserstrahlung in einem gewünschten Wellenlängenbereich, beispielsweise im Bereich von 0,3 bis 14/im. Diese Endplatten 24 können aus Zinkselenid bestehen, weil dieses Material als Fenster für Laserstrahlen mit solqhen Wellenlängen geeignet ist. An der Außenfläche des Rohres 10 sind abwechselnd Elektroden 26 und 28 im Abstand voneinander angeordnet, und ea sind Stromquellen 36 mit den Elektroden 26 und Htromaenken 38 mit den Elektroden 28 verbunden.

Die Stromquellen 36 sind mit ihren negativen Klemmen an die Anoden oder Elektroden 26 angeschlossen, wogegen ihre positiven Klemmen mit der positiven Klemme einer Gleichstrom-Hochspannungsquelle 40 verbunden sind. Die otromsenken J>ö sind mit ihren positiven Klemmen an die Kathoden oder Elektroden 28 angeschlossen, wogegen ihre negativen Klemmen mit der negativen Klemme der Hoch-

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Die Hochspannungsquelle 40 ist bei dem dargestellten System auf eine Spannung im Bereich von O bis 70 kV einstellbar und hat eine Stromkapazität im Bereich von O bis 225 ωΑ unter Vollast. Eine Hochapannungaquelle mit diesen Eigenschaften wird von der Firma Universal Voltronics of Mount Kisco in New York hergestellt· Einzelheiten dieser Hochspannungsquelle sind in der Gebrauchsanweisung dieser Firma für da3 Modell BAL-7O-225-H behandelt. Die Hochspannungsquelle 40, die Stromquellen 36 und die Stromsenken 38 sind in den Fig. 1 und 2 als Netzgerät 65 dargestellt.

Der Querschnitt des Gasentladungsrohres nach Fig. 2 läßt eine Anzahl öffnungen 30 erkennen, die sich von der Kapillare 20 radial nach außen durch die Wand 12 bis zur Außenseite des Kohres 10 erstrecken, so daß die Anoden 26 und Kathoden 28 die Öffnungen 30, die einen runden oder auch anderen Querschnitt haben können, abschließen. Die durch Pfeile 22 angedeutete Glimmentladung umfaßt mehrere Entladungsstrecken· Jede Entladungsstrecke 39 hat eine Länge von etwa 10 cm. Wie ersichtlich, werden die Glimmentladungsstrecken in der Kapillare 20 durch die Wirkung der Stromquellen 36 und Stromsenken 38 erzeugt, die beide von der Hochspannungsquelle 40 gespeist werden. Es ist zu bemerken, daß die Glimmentladungsstrecken, die von + nach - verlaufen, zwischen benachbarten Interelektrodenräumen in entgegengesetzten Richtungen verlaufen·

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Der Stromfluß durch die Stromquellen 36 beträgt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel I und 21, wie es in Fig. 2 neben den Pfeilen angegeben ist, und es beträgt auch der Stromfluß durch die beiden Stromsenken 38 21 bzw. I. Der Grund dafür, daß eine der Stromquellen und eine der Stromsenken jeweils den doppelten Strom führt, liegt darin, daß diese Stromquelle die doppelte Anzahl von Entladungsstrecken speist bzw. den Strom von der doppelten Anzahl von Entladungsstrecken empfängt als die anderen Stromquellen und -senken, die nur den einfachen Strom führen.

Wenn Fig. 2 von links nach rechts betrachtet wird, ist demnach ersichtlich, daß der Stromfluß von der ersten Stromquelle nach oben durch die Elektrode 26, die öffnung 30 und die erste Glimmentladungsstrecke 39 im Zusammenwirken mit der nächstliegenden, benachbarten öffnung 30, deren Elektrode 28 und der Stromsenke 38 erzeugt wird, von der aus der Strom in die Hochspannungsquelle 40 zurückfließt. Gleichzeitig fließt Strom durch die nächstfolgende Stromquelle 36, die den doppelten Strom führt, und von dort durch die Elektrode 26 und die Öffnung 30, um ein weiteres Paar Gasentladungsstrecken zu bilden, von denen die eine nach links zur direkt benachbarten Öffnung 30 und die andere nach rechts zur direkt benachbarten Öffnung 30 gerichtet ist. In beiden Fällen fließt der Strom Stronsenken 38 zu und es wird der Strom von diesen beiden Senken an die negative Klemme der Hochypannunfrsqu^? ..<? ^l'-0 zu~<* führt. Es -'ersteht

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BAD ORIGINAL

sich, daß die Hochspannungs quelle 4-0 den beiden Stromquellen Leistung mit positivem Potential zuführt»

Es ist demnach ersichtlich, daß infolge der Anordnung der Stromquellen und Stromsenken und der ihnen entsprechenden Elektroden das Gas in der Kapillare 20 gezündet wird, um im wesentlichen gleichzeitig eine Gruppe von Entladungsstrecken kurzer Länge zu bilden, nämlich von etwa 10 cm Länge, die anders als beim Stand der Technik alle einen Strom liefern, der durch die verschiedenen Kreise, Stromquellen und Stromsenken fließt, um durch die Ionisation des Gases innerhalb der Kapillare 20 die Kapillare mit Elektronen zu füllen.

Für die Kapillare 20 können Querschnittsflächen verschiedener Größe benutzt werden. Experimente haben

ergeben, daß eine Querschnittsfläche von 1 mm befriedigend ist. Als Gasfüllung für die Kapillare 20 hat sich für die Verwendung als Verstärker eine Mischung von 1? VoI_o% Kohlendioxid, 22 VoI.% Stickstoff und 65 Vole% Helium als geeignet erwiesen. Es versteht sich jedoch, daß andere geeignete Gase und Gasmischungen im Rahmen der Erfindung benutzt werden können.

Im Hinblick auf die Zündung verschiedener Gase innerhalb der Kapillare 20 und im Hinblick auf die Tatsache, daß die vorgesehenen Glimmentladungsstrecken sofort die gesamte Kapillare ausfüllen, ist erkennbar, daß der Strahl 52 eines Lasers 50» der so angeordnet ist, daß sein Licht

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durch das Fenster 24 in die Kapillare 20 einfällt, die Kapillare 20 durchläuft und am anderen lande der Kapillare durch ein gleiches Fenster 24 mit bedeutend erhöhter Leistung austritt. Die erhöhte leistung ist eine Funktion der Gesamtlänge der Glimmentladung. Die übertragung von Energie auf den Laserstrahl wird durch die Elektronen des Gases bewirkt, die sich mit dem Laserstrahl kombinieren, wie es in der Technik bekannt ist. Beispielsweise hat ein Glimmentladungsrohr mit einer effektiven Länge von etwa 4 m eine Ausgangsleistung von etwa 100 W₁ wenn der iiingangs-Laserstrahl eine leistung von 1 W aufweist· Das Beispiel ist für eine bestimmte Höhe der von der Hochspannungsquelle gelieferten Spannung und einen die Stromquellen und -senken durchfließenden bestimmten Strom bei konstantem Gasdruck und unabhängig von der Wellenlänge des Laseretrahles berechnet, sofern sich die Wellenlänge im Bereich von 0,3 bis 14 μ. m befindet» Die geschätzte Leiütungscharakteristik eines Glimmentladungsrohres, welche die Ausgangsleistung als Funktion der Länge der Glimmentladung angibt, wird in etwa durch die in Fig. 8 dargestellte Kurve wiedergegeben.

Die in Fig. 3 dargestellte Anordnung unterscheidet sich von der Anordnung nach Fig. 2 nur dadurch, daß sie eine zusätzliche Stromquelle aufweist. Diese zusätzliche Stromquelle ermöglicht eine besser ausgeglichene Verteilung der Ströme, welche die verschiedenen Stromquellen und »Jtromsenken durchfließen.

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Aus Fig«, 4 ist ersichtlich, daß ein System Anwendung finden kann, bei dem zwei Gasentladungsrohre mit der in Fig. 3 veranschaulichten Schaltungsanordnung Seite an Seite angeordnet sind. Jedes Gasentladungsrohr benötigt eine eigene Hochspannungsquelle 40 und einen eigenen Satz Stromquellen 36 und Stromsenken 38» Es benötigt auch seine eigenen Elektroden, nämlich Anoden 26 und Kathoden 28, und es verhält sich jedes Entladungsrohr in der gleichen Weise, die anhand der Fig. 2 und 3 beschrieben wurde, was die Erzeugung von Gasentladungen innerhalb jedes Rohres betrifft. In diesem Fall ist jedoch eine Einrichtung zum Umlenken des Ausgangsstrahles vorgesehen, der von einem Laser dem Eingang eines dieser Hohre zugeführt wird und an dessen anderem Ende austritt. Diese Einrichtung kann aus einem Prisma 60 oder jedem anderen geeigneten Umlenkglied bestehen, das den Weg des Lichtstrahles so bestimmt, daß dieser Lichtstrahl durch das Fenster des anderen Gasentladungsrohres eintritt und an dessen anderem Ende mit im Vergleich zu dem vom Laser 50 gelieferten Strahl erhöhter Leistung austritt. Es ist erkennbar, daß viele dieser kleineren Gasentladungsrohre in der gleichen Weise, wie sie gerade beschrieben wurde, neben- oder übereinander angeordnet werden können, um fast jede beliebige Länge einer effektiven Glimmentladung herzustellen. Wenn beispielsweise zwei weitere Sätze von Gasentladungsrohren auf die in Fig. 4 dargestellten beiden Sätze aufgesetzt und mit den anderen beiden mittels Prismen 60 gekoppelt würden, würde die

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effektive Länge des vorstehend behandelten entladungsrohres etwa 4 m betrage« Daher würde dann die Ausgangsleistung des Lasers von 1 W auf eine Ausgangsleistung des Systems von etwa 100 W verstärkt.

Das in Fig. 5 dargestellte Schaltbild veranschaulicht eine Schaltungsanordnung, die sowohl als Stromquelle als auch als Stromsenke 38 benutzbar ist. Diese Schaltungsanordnung enthält eine Röhre vom Typ 6BK4C, deren Kathode mit der Anode einer Diode, insbesondere einer Gasdiode, beispielsweise vom Typ 1N5297 verbunden ist, deren Kathode wiederum mit der negativen Klemme der Schaltungsanordnung verbunden ist. Dem Gitter der Röhre wird mittels einer 50 V-Spannungsquelle, beispielsweise einer Batterie, eine Vorspannung zugeführt, so daß das Gitter in bezug auf die Kathode der Diode eine Spannung von +50 V aufweist. Wenn diese Schaltungsanordnung in einem der Kreise nach den Fig. 1 bis 4 benutzt wird, wird diese Stromquelle oder Stromsenke derart angeschlossen, daß die an ihren Klemmen in Fig. 5 angegebene Polarität mit der Polarität der Stromquellen und Stromsenken in den Anordnungen nach den Fig. 1 bis 4- übereinstimmt. Es versteht sich, daß andere geeignete Stromquellen und -senken, die eine vergleichbare Charakteristik haben, bei einer erfindungsgemäßen Anordnung verwendet werden können.

Fig. 6 veranschaulicht die Ergebnisse von Laborversuchen, die unter Bedingungen erzielt wurden, bei denen die Länge

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der Entladungsstrecke für jede einzelne Anoden-Kathoden-Strecke etwa 10 cm betrug. Es wurde eine Kapillare mit

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einem Querschnitt von 1 mm benutzt und es hatte das Gas in der Kapillare 20 die oben angegebene Zusammensetzung. Es ist eine Familie von Kurven dargestellt, die jeweils bei konstantem Druck, angegeben in mbar, die Entladungsspannung zwischen den Anoden 26 und Kathoden 28 in Abhängigkeit von dem Strom in mA für jede Entladungsstrecke angeben, wie der in Figo 2 angedeuteten Entladungsstrecke 39·

Fig. 7 veranschaulicht den beispielshaften Zustand einer konstanten Spannung von 11 V pro cm und pro mbar in einer Kurve für das "Einschalt"-Feld, gemessen in V/cm, als Funktion des Druckes in mbar«, Das "Einschalt^M-Peld ist das elektrische Feld, das zwischen Jeweils benachbarten Anoden 26 und Kathoden 28 erzeugt wird.

Bezüglich der Ausführungsbeispiele nach den Fig. 1,2, 3 iind 4· sei festgestellt, daß die Menge der Verwendung von Vorwiderständen nach dem Stand der Technik zu der Verwendung von Stromquellen und Stromsenken bildenden Schaltungsanordnungen nach der Erfindung geführt hat, um die Anforderungen, die an diese Hochspannungs_Glimmentladungs-Leistungsquelle gestellt werden, bei sehr viel geringeren Gleichstrom-Hochspannungspegeln zu erfüllen, dii von der Hochspannungsquelle 40 geliefert werden. Dabei wurden zwei Hauptforderungen erfüllt. Die Spannung zwischen zwei benachbarten Elektroden wurde

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etwas größer bemessen als diejenige, die zum Zünden einer Entladungsstrecke erforderlich war. Nach dem Zünden der Entladung musste die dynamische Impedanz der Entladungsstrecke und der Steuerkreise positiv sein. Die dynamische Impedanz ist diejenige Impedanz, welche während des Betriebszustandes der Glimmentladungs-Leistungsquelle in die Stromquelle und die Stromsenke sieht. Um diese hohe dynamische Impedanz zu erzielen, wurde eine Konstantstromquelle und/oder eine Konstantstromsenke benutzt. Hohe dynamische Impedanz bedeutet, daß die Änderung der Stromstärke bei einer Änderung der Spannung gegen Null geht. Die Ausdrücke "Quelle" und "Senke" beziehen sich auf das Injizieren und das Abziehen von Strom in einem Stromknoten· Im Idealfall hat eine solche Einrichtung eine unendlich große Impedanz, während sie in der Lage ist, große Ströme bei einer Spannung von annähernd Null zu übertragen. Die Konstantstromquellen 36 oder -senken sind Einrichtungen, die auf einen Stromfluß in Serien-Stromwegelementen ansprechen, unabhängig davon, ob diese Elemente Halbleiter, gezündete Gasmassen, Plasma- oder Vakuumeinrichtungen sind, und dienen dazu, einen konstanten Strom unabhängig von der Spannung aufrechtzuerhalten, die an diese Quellen oder Senken angelegt werden. Solche Quellen und Senken können mit dynamischen Impedanzen von 100 MOhm bei beispielsweise 1 kHx konstruiert werden. Diese Quellen und Senken, die bei den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden, sind aktive Schaltungen, welche die Forderungen an die dynamische Impedanz erfüllen können, wie sie oben angegeben wurden, bei einem Spannungsabfall, der sehr viel kleiner ist als an einem üblichen Vorwiderstand.

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Die Quellen 36 sind ebenso wie die Senken 38 Stromstabilisatoren. Als Stromstabilisatoren halten sie den sie durchfließenden Strom konstant, solange sie in Betrieb sind, also Strom leiten. Infolgedesaen ist die an diesen Quellen und Senken abfallende Spannung im nichtleitenden Zustand anders als im leitenden Zustand» Diese Spannungsänderungen erscheinen ale Spannungsänderungen an der Gleichstrom-Spannungsquelle, die dem System Leistung zuführt. Solche Quellen sind im allgemeinen Serienschaltungen und haben eine minimale Betriebsspannung, unterhalb welcher der Strom bei abnehmender Spannung abnimmt, wie es auch bei einem einen nichtlinearen Widerstand durchfließenden Strom der Fall sein mag„ Anfänglich sind die Stromquellen 36 nichtleitend, so daß eine ausreichend hohe Spannung vorhanden ist, um eine Entladung auszulösen. In der Praxis wird jedoch infolge kleiner Druck-, Temperaturoder Längenunterschiede eine Entladungsstrecke bei einer geringfügig verminderten Spannung eher ausgelöst als die andere« Wenn die Entladung in einer Strecke diejenige ist, die zuerst zu einer Entladung in der Kapillare führt, beginnt der Strom in der entsprechenden Stromquelle zu fließen und nimmt an Stärke zu, bis der Grenzwert der Stromstärke erreicht ist, bei welchem die Spannung an der Stromquelle weiter ansteigen kann, ohne daß eine Erhöhung der Stromstärke die Folge wäre. Zur gleichen Zeit hat die benachbarte Spannungsquelle, deren Grenzwert für die Stromstärke auf etwa das Zweifache des Grenzwertes der Stromstärke der ersten Stromquelle eingestellt worden ist, den Spannungsabfall zwischen benachbarten Elektroden,

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an welche die Stromquellen angeschlossen sind, reduziert, indem ihre Spannungs-Strom-Charakteristik zur Hälfte durchlaufen wurde, und dadurch das Auslösen einer Entladung in der zweiten Entladungsstrecke weiter verhindert. Ein Erhöhen der Speisespannung 40 wird jedoch nicht weiter den Spannungspegel an der Elektrode der zweiten Stromquelle verändern. Durch Erhöhen der Versorgungsspannung kann die zweite Entladungsstrecke gezündet werden, während die erste Entladungsstrecke aufrechterhalten bleibt. Wenn das Gas im Bereich der zweiten Entladungsstrecke zündet, nimmt der Strom in der zweiten Stromquelle zu und erreicht ebenfalls den Grenzwert, bei dem das überschüssige Potential, das zum Zünden benötigt wurde, nun an der positiven Klemme der Hochspannungsquelle erscheint. Dies ist in Kürze die grundlegende Theorie für das Zündverhalten, das sich infolge der Verbindung von Konstantstromquellen und -senken durch eine fast gleichmäßige und sofortige Bildung von Entladungsstrecken auszeichnet.

Fig. 8 läßt erkennen, daß mittels der erfindungsgemäßen Glimmentladung-Leistungsquelle eine Verstärkung der Leistung eines Laserstrahles möglich ist. Danach ergibt ein System, wie es in fig. 4- dargestellt ist, eine Ausgangsleistung von 20 W, wenn ihm vom Laser 50 eine Eingangsleistung von 1 W zugeführt wird. Fig. 8 zeigt weiter, daß bei einer Verdopplung des Systems bezüglich der Anzahl der Elemente, nämlich bei Anwendung von vier Kapillar-Entladungsrohren, die miteinander durch Strahlteiler oder Spiegel, wie sie in Fig. 4 dargestellt sind,

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gekoppelt sind, für die gleiche Eingangsleistung von 1 W in das erste Glimmentladungsrohr eine Ausgangsleistung vom vierten Glimmentladungsrohr von etwa 100 W erwartet werden kann«

Es sei erneut darauf hingewiesen, daß in diesem Fall die Wirkungsweise der Gasentladungs_Leistungsquelle derjenigen eines Röhrenverstärkers sehr ähnlich ist. Die Analogie besteht darin, daß die Glimmentladungsstrecke das gesamte Kapillarenvolumen mit sich in Bewegung befindlichen Elektronen füllt und der Laserstrahl solche Elektronen ansammelt, wenn er die Kapillare durchläuft, so daß eine größere Masse von Elektronen das Glimmentladungsrohr oder die Glimmentladungsrohre verläßt, wodurch die vom Laser ursprünglich zugeführte Leistung verstärkt wird.

Es kann weiterhin festgestellt werden, daß Stromquellen und »-"tromsenken benötigt werden, um innerhalb der Kapillare des Gasentladungsrohres stabile Entladungsstrecken zu erzielen. Der Grund hierfür besteht darin, daß die Stromsenken an ihren positiven Klemmen und die Stromquellen an ihren negativen Quellen eine hohe positive dynamische Eingangs- bzw. Ausgangsimpedanz aufweisen, was mit den nach dem Stand der Technik üblichen Vorwiderständen nicht möglich wäre« Der Grund liegt darin, daß bei der Verwendung von Vorwiderständen der Strom abnehmen würde, so daß eine bedeutende Erhöhung der Spannung der Hochspannung squelle 4-0 erforderlich wäre, und zwar in dem Maße, daß die Erhöhung der zugeführten Gleichstrom-Hochspannung bedeutend größer wäre als bei dem erfindungsgemäßen System.

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Zurückkommend auf die Ausführungsform nach Fig. 2, bewirken die vorhandenen Entladungsstrecken in der Kapillare des Gasentladungsrohres 10 ein elektrisches Pumpen des Lasergases in der Kapillare. Die Endplatten an den beiden Enden der Röhre, die beispielsweise aus Zinkselenid bestehen, verhindern ein Entweichen des Gases aus der Kapillare, bilden jedoch Fenster,,die eine Strahlung im Bereich der Vi/ellenlängen von 0,3 bis 14 am passieren lassen, wie sie beispielsweise vom Laser 50 geliefert wird. Die Stromquellen 36, die an entsprechende Anoden 26 angeschlossen sind, und die Stromsenken 38, die an entsprechende Kathoden 28 angeschlossen sind, wobei die Anoden und Kathoden abwechseln, dienen zur Erzeugung von Entladungsstrecken innerhalb der Kapillare 20 über öffnungen 30, und bilden zusammen eine Einrichtung zum Ausfüllen der Kapillare 20 mit Entladungen und Ionisieren des darin enthaltenen Gases in gleichförmiger Weise, wie es durch die Pfeile 22 und 39 angedeutet ist, wobei tote Räume in der Umgebung der Öffnungen 30 innerhalb der Innenfläche der Kapillare vermieden werden.

Einer der Höhepunkte dieser Erfindung ist daher die Verwendung von an Anoden angeschlossenen Stromquellen im Wechsel mit an Kathoden angeschlossenen Stromquellen·

Die Fig. 9» 10 und 11 veranschaulichen eine andere Verwendung des erfindungsgemäßen Prinzips, durch welche die Erfindung als Ionenquelle für eine Plasma-Ionenkanone

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brauchbar wird« Die grundlegende Theorie der Wirkungsweise mit mehrfachen Entladungen ist die gleiche, wie sie oben anhand der Fig. 1 bis 8 behandelt wurde, jedoch mit einem unterschiedlichen Aufbau.

Eine Hochspannungs-Kathode 105 bildet eine Quelle energiereicher Elektronen in einer Kammer 90. Die Kathode 105 kann aus Metall bestehen. Die Kathode 105 erzeugt Elektronen als Ergebnis des Aufpralls positiver Ionen, die das Ergebnis mehrerer einen Draht 170 umgebender Entladungen sind, die in einer unteren hohlen Kammer 110 durch die Ionisation des darin enthaltenen Gases erzeugt werden. In den Kammern 90 und 100 befindet sich ein leichtes Vakuum, Die Elektronen werden an einem Gitter auf ein Energieniveau von I50 keV beschleunigt. Das Gitter 110 bildet eine gemeinsame Grenze oder Grenzfläche zwischen den Kammern 90 und 100 undist mit Löchern 111 versehen« Eine Spannungsquelle V^. erzeugt 50 bis 250 kV. Ein Nennwert von 150 kV Gleichspannung hat sich als befriedigend erwiesen«

Die Gestalt der Kathode 165 und des Gitters 110 ist so gewählt, daß ein maximaler Durchtritt der Elektronen durch das Gitter 110 mit einem Strahlprofil erzielt wird, das zum Durchstrahlen einer dünnen Aluminiumfolie 180 geeignet ist. Die Aluminiumfolie bildet eine gemeinsame Wand oder Grenzfläche zwischen der Kammer 100 und einer weiteren Kammer 200»

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Das Gehäuse der oberen Kammer 90 bildet eine die Kathode 105 umgebende Umhüllung und bildet zusammen mit dem Gehäuse der unteren Kammer 100 eine ein leichtes Vakuum enthaltende Umhüllung für die Kathode. Die Ionenquelle wird mit Hilfe eines Stromes gebildet, der von SpannungaqueIlen Vp und V, geliefert wird. Die negative Klemme der Spannungsquelle Vp und die positive Klemme der Spannungsquelle V, liegen an Erdpotential. Hochspannungs-Durchführungs-Isolatoren 140 dienen zur Verbindung der negativen Klemme der Hochspannungsquelle V, mit der Kathode 105 unter Verwendung von Drähten 141, welche die Isolatoren 140 durchdringen, während die vakuumdichte Ausbildung der Kammern 90 und 100 gewahrt bleibt. Die Kombination aus Drähten 141 und Durchführungs-Isolatoren 140 bilden die Einrichtung zum Halten der Kathode 105 in der Kammer 90«

Die von der Aluminiumfolie 180 gebildete gemeinsame Wand dient als Elektronenfenster_β Dieses Fenster ist so dünn wie möglich und hat allgemein eine Dicke in der Größenordnung von 12 bis 25 um, um einen maximalen Durchtritt von -Elektronen in die Kammer 200 zu ermöglichen. Die Kammer 200 ist gasdicht und enthält ein Laser^Gas, das von den Elektronen ionisiert wird. Obwohl bei dem angegebenen Ausführungsbeispiel das Fenster von einer Aluminiumfolie 180 gebildet wird, können auch andere Folien-Werkstoffe für das Fenster benutzt werden.

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Die Kammer 200 kann an ihren Enden 201 und 201' durch Endplatten 240 und 240' dicht abgeschlossen sein, welche den Endplatten 24 der Ausführungsformen nach den Fig. bis 4 entsprechen und ebenfalls aus Zinkselenid bestehen können, so daß sie das Gas in der Kammer 200 einschließen, jedoch für den Strahl eines optischen Lasers durchsichtig sind.

Das Folienfenster ermöglicht das Erzeugen einer Druckdifferenz zwischen den Kammern 100 und 200. In den Kammern 90 und 100 wird ein geeigneter Innendruck mittels einer Vakuumpumpe und/oder einer Gasquelle aufrechterhalten. Diese Einrichtungen sind nicht dargestellt, Jedoch an die Kammern 90, 100 bzw. 200 angeschlossen« Der Druck in den Kammern 90 und 100 ist ausreichend, um ein Plasma oder eine Glimmentladung darin zu erzeugen, wie es von G₀ W₀ McClure in American Physics Letters, Band 2, Nr„ 12 vom 15.6.1963, üeite 233, beschrieben ist. Solch ein Druck in den Kammern 90 und 100 ist nicht hoch genug, um in der Kammer 90 einen Hochspannungs-Paschen-Durchbruch zu erzielen. Der erforderliche Druck liegt im Bereich zwischen 10 bis 2.10 mbar. Das dünne Folien!caster 180 ist im wesentlichen auf das Gitter 110 ausgerichtet und liegt diesem gegenüber«,

Das Beschleunigungsgitter 110 kann aus einem oder auch aus mehreren gleichen Gittern bestehen» Wenn ein Gitter benutzt wird, dient es zwei Funktionen. Erstens ermöglicht

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ts~

das Gitter das Extrahieren positiver Ionen aus der unteren Kammer 100 und zweitens dient es als Anode zum Beschleunigen der Elektronen, die von der Kathode emittiert werden. Die Form und die Größe des Gittere bestimmt die endgültige Verteilung und Dichte des Elektronenstrahls. Andere Oberflächen und Medien, die sich jenseits dieses Gitters befinden, sind auf einem relativ niedrigen Potential, so daß sie nicht die Bahn des Strahls energiereicher Elektronen stören. Wenn ein Gitter benutzt wird, so ist sein Potential auf das Gehäusepotential der Kammer 90 festgelegt, bei dem es sich um das Massepotential und das positive Potential der Spannungsquelle V, handelt. Wenn zwei Gitter benutzt werden, dann ist das obere, der Kathode 105 benachbarte Fenster noch immer mit der Kammer 90 verbunden, während das der Folie benachbarte, untere Gitter ein Potential haben kann, das unabhängig vom Potential der Kammer 100 eingestellt sein kann. Dieses einstellbare Potential des Gitters 110 könnte dazu benutzt werden, die Menge der Ionen zu bestimmen, die von der Entladung in die Hochspannungs-Beschleunigungsstrecke 106 extrahiert werden, und infolgedessen die Gesamtstärke des Elektronenstroms O

Wie insbesondere aus Figo 11 ersichtlich, enthält die Kammer 100, welche die Ionenquelle bildet, einen Entladungsdraht 170 mit einer Abzweigung 17"t. Dieser Draht erstreckt sich im wesentlichen axial durch das Zentrum

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der Kammer 100„ Da die Kammer 100 langgestreckt ist, erstreckt sich der Draht in der Längsachse der Kammer.

Die zum Betrieb erforderlichen Ströme werden von Spannungsquellen V^ und V₂ geliefert. Elektrische Verbindungen werden zum Draht 1?0 an den Abzweigungen 171 mit Hilfe von Leitern 161 hergestellt, die den Draht 1?0 tragen. Einsätze 130 sind elektrische Isolatoren, die integrale Bestandteile der Wandung der Kammer 100 und mit der Wandung der Kammer 100 dicht verbunden sind, so daß sie sowohl das leichte Vakuum als auch die elektrische Einheitlichkeit bewahren. Die Leiter 161 sind abwechselnd mit den positiven Klemmen von ßtromsenken 160 und den negativen Klemmen von Stromquellen 150 verbunden.

Elektrisch leitende Blenden 120 weisen zentrale öffnungen 121 auf und umgeben im wesentlichen den Draht 17O an den Abzweigungen 171» an denen die Leiter 161 mit dem Draht verbunden sind. Diese Blenden machen keinen elektrischen Kontakt mit dem Draht 170 oder den Leitern 161, sondern befinden sich auf Erdpotential. Die Leiter 161 sind durch Kanäle 122 in den Blenden 120 hindurchgeführt, ohne mit den Blenden in elektrischem Kontakt zu stehen. Es brauchen nur zwei Paare Stromquellen und -senken und ihre elektrischen Verbindungen zum Draht 170 benutzt werden» Es kann jedoch tatsächlich eine größere Anzahl von Stromquellen- und Stromsenken-Paaren benutzt werden, wenn es gewünscht wird.

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Wie vorstehend beschrieben, sind die negativen Klemmen der Konstantstromquellen 150 miteinander und mit den positiven Klemmen von Spannungsquellen V^ und V~ verbunden. Die Nennspannung der Spannungs quelle V,. beträgt etwa 100 V und der Spannungsquelle V₂ etwa 2000 V. Die Konstantstromsenken 160 sind mit ihren positiven Klemmen abwechselnd mittels der Leiter 161 an den Abzweigungen 171 mit dem Draht I70 verbunden. Die negativen Klemmen der Senken 160 sind mit der negativen Klemme der Spannungsquelle V. elektrisch leitend verbunden·

Die Erfindung veranschaulicht, daß Mehrfäch-Entladungen in einem Elektronenrohr als Plasmakathode verwendet werden können, die sich über eine große Distanz erstrecken kann, weil die Entladungen aneinander angrenzen. Durch Einstellen der Plasmadichte jeder Entladung kann eine räumliche und zeitliche Formung dee Elektronenstrahles erreicht werden. Durch geeignete Einstellung der Ströme in den Konstantstromsenken 160 ist es möglich, die gewünschte Plasmadichteverteilung für das gewünschte Profil des Elektronenstrahls zu gewährleisten.

Der beschriebene Aufbau hat das Einfangen von Elektronen auf den Draht 170 umgebenden Bahnen zur Folge und führt zu einer Gasentladung, weil diese eingefangenen Elektronen, die eine relativ geringe Energie haben, die Gasmoleküle wirksam ionisieren und dadurch weitere, auf den Draht umgebenden Bahnen gefangene Elektronen erzeugen, die ihrerseits wiederum eine Ionisierung dea Gases bewirken.

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Eine fortdauernde Kettenreaktion hält diese Entladung aufrechte Die leitenden Blenden 120 in der unteren Kammer 100 dienen zu einem partiellen Abschluß der ■landen jeder Kammer, um zu gewährleisten, daß Komponenten des innerhalb jeder Kammer herrschenden elektrischen Feldes die Elektronen ablenken, wenn sie sich den Blenden 120 nähern.

Außer einer Einstellung der Plasmadichte dient die Anordnung von Stromquellen und Stromsenken zum Eliminieren jeglicher Entladungs-Instabilitäten, die bei bekannten Vorrichtungen festgestellt wurden, wenn der Spitzenentladestrom bis in den Amperebereich erhöht wurde,

Nachdem die Plasmaentladung ausgelöst worden ist, werden positive Ionen durch das Gitter 110 hindurch extrahiert und in Hichtung auf die Hochspannungs-Kathode 105 beschleunigt. Der Aufprall der energiereichen positiven Ionen (etwa 150 kV) hat zur Folge, daß beim Aufprall jedes Ions viele Sekundärelektronen ausgelöst werden. Die Anzahl der Sekundärelektronen hängt vornehmlich vom Material der Kathode und der Ionenenergie ab. Diese Sekundärelektronen werden durch die gleiche hohe Spannung auf das sich auf positivem Potential befindende Gitter 110 mit den Löchern 111 beschleunigt. Hierbei folgen die Elektronen einem Weg 176, der zu dem Weg der positiven Ionen 175 entgegengesetzt ist. Nach dem Passieren des Gitters bewegen diese energiereichen Elektronen ungestört durch die Glimmentladung in der Kammer 100 und gelangen durch die dünne Folie 180 mit leicht verminderte Geschwindigkeit in die Kammer 200, um das darin enthaltene Lasergas zu ionisieren.

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Die Kathode 105 besteht allgemein aus rostfreiem Stahl, Molybdän oder anderen Metallen, die hohen Temperaturen standhalten. Obwohl bei Bedarf eine Beschichtung aus Wolfram oder einem anderen Material benutzt werden kann, um eine Oberfläche mit noch besserer Elektronenemission zu schaffen, hat sich eine solche Beschichtung nicht als notwendig erwiesen.

Bei jedem Aufprall eines Ions auf die Kathode 105 werden von der Kathode 10 bis 14 Elektronen emittiert.

Die Elektronenemission von der Kathode wird durch den Aufprall von Ionen bewirkt. Ionen werden mittels eines stromes erzeugt, der den Draht 170 durchfließt und dem Draht von Stromquellen I50 und Stromsenken 160 zugeführt wird. Die Leistungszufuhr erfolgt von Spannungsquellen V„ und V₂,

Die positiven Klemmen der Spannungsquellen V₄. und Vp sind mit den positiven Klemmen der Stromquellen I50 verbunden. Die negative Klemme der Spannungsquelle V. ist mit den negativen Klemmen der Stromsenken 160 verbunden. Die negative Klemme der Spannung3quelle Vp ist mit dem metallischen Gehäuse der Kammer 100 verbunden, das sich auf Erdpotential befindet. Demgemäß schwimmt die Spannungsquelle V in bezug auf Erde, jedoch ist die negative Seite der Spannungsquelle Vp geerdet. In gleicher Weise befindet sich die positive Klemme der Spannungsquelle V, auf Erdpotential, während

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die negative Klemme der Spannungsquelle V, mittels der die Isolatoren 140 durchdringenden Drähte 14-1 mit der Kathode 105 verbunden ist. Alle Spannungsquellen sind Gleichstrom-Spannungsquellen,,

Das leichte Vakuum innerhalb der Kammern 90 und 100 wird unter der Verwendung von Gasen wie Helium, Argon oder auch Wasserstoff bei den angegebenen Drücken von 10"¹ bis 2,,1U"⁴ mbar hergestellt.

Wenn Strom auf seinem Weg von den Quellen zu den Senken über die Leiter 161 und die Abzweigungen 171 den Draht durchfließt, befindet sich der Draht 170 im wesentlichen auf dem positiven Potential Vp in bezug auf das Massepotential des die Kaimner 100 umschließenden metallischen Gehäuses. Bei Anliegen eines positiven Potentials am Draht 170, fließen eines Stromes durch den Draht und vorliegen von Gas in den Kammern 90 und 100 wird das darin enthaltende Gas ionisiert und bildet eine den Draht umgebende Plasmaentladung, welche die Hohlräume in der Kammer 100 ausfüllt»

Das Plasma hesteht aus positiven und negativen Ionen. Bei der beschriebenen Anordnung werden die positiven Ionen dazu benutzt, die Oberfläche der Kathode 105 zu beschießen. Da die Kathode 105 in bezug auf die positiv geladenen Ionen negativ iat, werden die positiv geladenen Ionen durch die Löcher 111 in der gemeinsamen Wandung hindurch beschleunigt, damit <;ie auf die Oberflache der

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Kathode 105 aufschlagen und eine Elektronenemission im Verhältnis von 10 bis 14 Elektronen pro auf die Kathodenoberfläche auftreffendes Ion bewirken. Dieses Prinzip ist in dem Buch von McDaniel: "Collision Phenomena in Ionized Gases", New York 1964, Seite 630, letzter Absatz bis Seite 334, beschrieben.

Die negativen Ionen des in den Hohlräumen 190 erzeugten Plasmas sind gezwungen, durch den Draht 170 und die Leiter 161 in die Stromsenken 160, durch diese Senken zur negativen Klemme der Spannungs quelle V,., durch die Spannungsquelle V. in die positive Klemme der Spannungsquelle V₂ und endlich durch die Spannungsquelle V₂ über das Gehäuse der Kammern 90 und 100 nach Erde abzufließen.

Die von der Kathode 105 emittierten Elektronen werden auf dem Weg 176 von der positiv geladenen gemeinsamen Wandung 110 angezogen und durch deren Löcher 111 hindurch in die Kammer 100 hinein beschleunigt. Die hohe Energie dieser Elektronen, die auf ihre hohe Beschleunigung zurückzuführen ist, wird auf ihrem die Kammer 100 mit den Hohlräumen 190 durchdringenden Weg 176 nicht abgebaut, so daß die meisten dieser Elektronen die von der Folie 180 gebildete Grenzfläche zwischen den Kammern und 200 durchdringen und das Lasergas bombardieren, das sich in der Kammer 200 befindet, um es zu ionisieren.

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" η"

Einige der Elektronen werden auf ihrem Weg durch die Kammern 90 und 100 dispergiert, so daß sie deren Wandungen treffen, jedoch werden die meisten, nämlich 80 bis 90%, durch die Löcher 111 des Gitters hindurch beschleunigt, wobei dieses Gitter dem Steuergitter einer Vakuumröhre analog ist.

Das Experiment hat gezeigt, daß die Verwendung von Stromquellen und -senken an Stelle von Vorwiderständen das Auftreten von Hochfrequenz-Schwingungen mit einer Frequenz von etwa 20 MHz innerhalb der Hohlräume 190 verhindert, wenn der Entladungsstrom, dank der Ionisation des Gases in der Kammer 100, so weit erhöht wird, daß die Stärke des von den Stromquellen gelieferten Stromes einen Wert von 1 A oder mehr erreicht. Solche Schwingungen sind unerwünscht, weil sie bewirken, daß die durch das Fenster oder die Folie 180 beschleunigten Elektronen gebündelt werden und die Folie 180 in einem durch die Schwingungen beeinflußten Zustand durchdringen, wodurch sie eine Modulation der Entladungen des Lasergases in der Kammer 200 mit der Schwingungsfrequenz bewirken« Solche Schwingungen können sich daher als nachteilig erweisen, wenn diese Elektronenkanone als Teil eines Lasersystems verwendet wird.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 9 ist die Elektronenkanone optisch mit einem Laser 300 gekoppelt, der einen Laserstrahl 305 erzeugt. Bei einer aolchen Anwendung weist die Kammer 200 zwei einander gegenüberstehende Bndflächen 201 und 201· auf, die von Zinkselenid-Platten 24-0 und 240' gebildet werden, um das Lasergas in der

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Kammer 200 einzuschließen, jedoch eine optische Durchlässigkeit für den Laserstrahl herzustellen, damit der an der Endfläche 201' austretende Laserstrahl 310 gegenüber dem an der Fläche 201 eintretenden Laserstrahl 305 verstärkt ist.

Wird die Vorrichtung als Verstärker verwendet, brauchen die Endflächen 201 und 201' nicht verspiegelt zu sein.

Findet die Anordnung als Oszillator Verwendung, kann der Laser 300 eliminiert werden, jedoch müssen die Innenflächen 202 und 202' der ündplatten 240 und 240' verspiegelt sein, so daß das Lasergas in der Kammer 200 Oszillationen zwischen den Flächen 202 und 202· bei der Resonanzfrequenz des sich dazwischen befindenden Lasergases aufrechterhalten kann.

Die Anordnung nach den Fig. 9 bis 11 kann als Hochspannungs-Elektronenstrahlröhre benutzt werden, wenn nur die Folie 180 durch eine dicke Metallplatte ersetzt wird, die verhindert, daß Elektronen die untere Wandung der Kammer 100 durchdringen. Die Dicke der Metallplatte kann 6 bis 12 mm betragen. Bei einer solchen Anwendung wird die Kammer 200 nicht benötigt und kann entfernt werden. Weiterhin kann die Anordnung mit einem Eingang für ein zu verstärkendes, eine Nachricht enthaltendes Signal versehen werden, in dem eine Verbindung zwischen dem Gitter und der Kathode der Stromquellen 150hergestellt wird.

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n~

Fig. 12 veranschaulicht eine Variante bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung als Laser-Verstärker oder Laser-Oszillator. Hierbei schließt an die Kammer 100 eine Kammer 250 an, die an einer Seite die gleiche Folie 180 aufweist, wie sie in der Kammer 100 verwendet wird, deren Wände 255 jedoch aus einer hochwarmfesten Keramik bestehen, damit sie Temperaturen in der Grüßenordnung von 17ΟΟ bis 1900°C widerstehen. Die positive Klemme einer Spannungsquelle V^ ist an die Folie 180 und damit auch an Ürde angeschlossen. Die Bodenplatte 256 der Kammer 250 besteht aus Metall und hat eine erhebliche Dicke, die etwa 12 mm betragen kann. Diese Bodenplatte 256 ist mit der negativen Klemme der Spannungsquelle V^ verbunden. Sie ist mit den Seitenwänden 255 und der Folie 180 verbunden und bildet dadurch einen integralen Teil der Kammer 100. Die zu_ sätzliche Spannungsquelle liefert die Energie, die erforderlich ist, um das Gas in der Kammer 25Ο zur Lasertätigkeit anzuregen.

Fig. 13 zeigt eine Konstantstromquelle 15Ο¹ die an Stelle der Konstantstromquellen 150 /erwendet werden kann, wenn das System nach den Fig. 9 bis 11 als modulierbarer Laserverstärker verwendet werden soll. Mit der Konstantstromquelle 150¹ ist eine Signalquelle 3OO¹ verbunden, die zwischen die Kathode und das Gitter der in der Konstantstromquelle 15Ο¹ verwendeten Röhre geschaltet ist, um das Lasersystem mit einer Nachricht zu modulieren.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

f1.jPlasma-i^lektronen/Ionen-Quelle, dadurch gekennzeichnet, daß in einer ersten langgestreckten Kammer (90) ein elektrisch leitendes Glied (105) angeordnet ist, das sich im wesentlichen über die ganze Länge der Kammer (90) erstreckt und von der Kammer elektrisch isoliert ist, daß mit der ersten Kammer (90) eine zweite langgestreckte Kammer (IOO) verbunden ist, die mit der ersten Kammer (90) eine gemeinsame, gelochte Wand (110) aufweist und in der sich ein im wesentlichen über die ganze Länge der zweiten Kammer (IOO) erstreckender, elektrisch leitender Draht (1?O) befindet, und daß mit länge des Drahtep (170) aufeinanderfolgenden Stellen (171) abwechselnd Stromquellen (150) und Stromsenken (160) elektrisch leitend verbunden sind.
2. Plasma-iilektronen/Ionen-^uelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kammer (IOO) durch mehrere im Abstand voneinander angeordnete Blenden (120) in mehrere Hohlräume (190) unterteilt ist und die Blenden (120) je eine zentrale Öffnung (121) und einen sich bis zu der zentralen öffnung erstreckenden radialen Kanal (122) aufweisen, und daß sich der Draht (17O) durch die zentralen öffnungen (121) der Blenden (120) hindurch erstreckt und im Bereich der öffnungen (121) an den Draht Leiter (I6I) angeschlossen sind, die sich durch die Kanäle (122) hindurch erstrecken und die Verbindung zu den Stromquellen (150) bzw. Stromsenken (160) herstellen.

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ORIGINAL INSPECTED
3· Plasma-^lektronen/Ionen-^uelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Wandung der zweiten Kammer (IOO) von einer Metallfolie (I8O) gebildet wird, die sich im wesentlichen über die ganze Länge der Kammer (IOO) erstreckt.
4. Plasma-Elektronen/Ionen-Quelle nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß an die Metallfolie (I8O) eine dritte, gasgefüllte Kammer (200) angrenzt, die eine von der Metallfolie (180) abgeschlossene Öffnung aufweist.
5· Plasma-Elektronen/Ionen-Quelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Kammer (200) an ihren Enden (201, 201') durch Platten (240, 24O¹) gasdicht abgeschlossen ist, die für Strahlung mit optischen Wellenlängen durchlässig sind.
6. Plasma-Elektronen/Ionen-Quelle nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß mit dem einen linde (201) der dritten Kammer (200) ein Laser (300) optisch gekoppelt ist.
7. Plasma-Klektronen/Ionen-tiuelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (300) zur optischen Kopplung mit der Platte (240) an einem Ende (201) der dritten Kammer (200) eine Spiegelfläche aufweist.

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8. Plasma-l^lektronen/Ionen-Quelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitende Glied (105) in der ersten Kammer (90) von ersten Isolatoren (140) gehalten ist, die von leitendem Material (Drähte durchsetzt werden, die eine elektrisch leitende Verbindung zu dem elektrisch leitenden Glied (105) herstellen.
9. Plasma-Elektronen/I onen-<^uelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kammer (IOO) mit den Abständen voneinander angeordneten zweiten Isolatoren (130) versehen ist, durch die sich zum Draht (170) führende Leiter (I6I) hindurch erstrecken, an welche die Stromquellen (150) bzw. Ütromsenken (160) angeschlossen sind.
10. Plasma-lilektronen/Ionen-Quelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Hochspannungsquelle (V.) mit ihrer positiven Klemme an die positiven Klemmen der Stromquellen (150) und mit ihrer negativen Klemme an die negativen Klemmen der ütromsenken (160) angeschlossen ist.
11. Plasma-ülektronen/Ionen-Quelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Hochspannungsquelle (V₀) mit ihrer positiven Klemme an die positive Klemme der ersten Hochspannungsquelle (V..) und mit ihrer negativen Klemme an die aus Metall bestehende zweite Kammer (IOO) angeschlossen ist.

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12. Plasma-Ülektronen/Ionen-^uelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Hochspannungsquelle (V,) mit ihrer positiven Klemme an die aus Metall bestehende zweite Kammer (100) und mit ihrer negativen Klemme an das elektrisch leitende Glied (105) in der ersten Kammer (90) angeschlossen ist.
13· Plasma-KLektronen/Ionen-Quelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Kammer (250) elektrisch isolierende Seitenwände (255)» die an die Metallfolie (180) angrenzen, und eine zur Metallfolie (180) parallele, mit den Seitenwänden (255) dicht verbundene Bodenplatte (256) aufweist.
14. Plasma-ülektronen/Ionen-Quelle nach Anspruch I3» dadurch gekennzeichnet, daß eine vierte Hochspannungaquelle (V^) mit ihrer positiven Klemme an die Metallfolie (180) und an Masse und mit ihrer negativen Klemme an die Bodenplatte (256) angeschlossen ist.

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