DE2953233T1 - Pre-ionising arrangement for electrical discharge apparatus such as a gas laser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Entladungsvorrichtung, bei der eine Glimmentladung innerhalb eines Gases zwischen zwei Elektroden erzeugt wird. Insbesondere, aber nicht ausschließlich bezieht sich die Erfindung auf: einen Gaslaser, bei dem der Laser durch eine solche Entladung angeregt wird.

Diese Vorrichtung wird erfindungsgemäß mit einem Vorionisationssystem versehen, um eine hohe Hintergrundkonzentration der Elektronen zu erzeugen, bevor die Hauptentladung eingeleitet wird. Dies ermöglicht die Einleitung der Hauptentladung und schafft die Möglichkeit, daß eine größere Energiemenge in die Entladung gepumpt wird, ohne daß ein Lichtbogen zwischen den Entladungselektroden erzeugt wird. Bei einem bekannten Vorionisationssystem, welches bei Gaslasern Anwendung findet, wird ein Triggerdraht verwendet, der eine Vorionisation durch elektrostatische Emission erzeugt. Bei einem anderen derartigen bekannten System werden kleine Funkenstrecken in das Gasvolumen eingeführt und die von diesen Lichtbogen ausgehende ultraviolette Strahlung verursacht diese Vorionisation. Jedes dieser bekannten Systeme besitzt Nachteile, die mehr oder weniger bedeutsam im Hinblick auf die Anwendung sein können, und der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine abgewandelte Vorionisationsanordnung für einen Gaslaser zu schaffen, die vorteilhafter arbeitet als die bekannten bei gewissen Anwendungen. Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, ein einfach aufgebautes und billiges Vorionisationssystem für einen Gaslaser oder eine andere Gasentladungsvorrichtung zu schaffen, wodurch die Wirksamkeit der Gasentladung darinnen verbessert wird.

Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Entladungsvorrichtung mit einer ersten und einer zweiten Elektrode, zwischen denen eine elektrische Entladung über ein Gas in dem

030603/0 133

Entladungsraum zwischen den Elektroden stattfindet. Erfindungsgemäß ist dabei ein Vorionisationsglied aus Halbleitermaterial wenigstens dicht benachbart zu jenem Raum derart angeordnet, daß beim Anlegen eines Entladungspotentials zwischen den Elektroden ein Stromfluß innerhalb des Gliedes erfolgt und das Gas vorionisiert wird.

Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Gaslaser mit einem optischen Hohlraum und ersten und zweiten Elektroden zur Erzeugung einer elektrischen Entladung über das Gas im Entladungsraum zwischen den Elektroden zur Anregung des Lasers. Dabei ist erfindungsgemäß wenigstens ein Vorionisationsglied aus Halbleitermaterial wenigstens in der Nähe des Entladungsraums derart angeordnet, daß beim Anlegen eines Entladungspotentials zwischen den Elektroden ein Stromfluß innerhalb des Gliedes auftritt und eine Vorionisation des Gases erfolgt.

Vorzugsweise besitzt die Vorrichtung wenigstens ein weiteres Vorionisationsglied aus Halbleitermaterial, welches längs einer oder beider Seiten des Raumes verläuft.

Vorzugsweise liegt ein Abschnitt des Vorionisationsgliedes wenigstens dicht benachbart zu der ersten Elektrode, und das Glied erstreckt sich längs des Raumes auf die zweite Elektrode hin. Noch zweckmäßiger ist es, wenn die jeweiligen Abschnitte des Vorionisationsgliedes oder der Vorionisationsglieder wenigstens dicht benachbart zu den beiden Elektroden liegen, oder noch besser ist es, wenn das oder die Vorionisationsglieder in körperlicher Berührung mit wenigstens einer der Elektroden stehen. Zweckmäßigerweise verläuft das Vorionisationsglied oder verlaufen die Vorionisationsglieder quer zum Verlauf der Elektroden wenigstens über den größeren Teil der Abmessungen in dieser Richtung quer zu den Elektroden.

0 30603/0133

Die in der Beschreibung benutzte Bezeichnung "Halbleitermaterial" bzw. "Material mit mittlerem Widerstand" soll ein Material bezeichnen, das weder ein Dielektrikum noch ein guter metallischer Leiter ist und unter diesen Materialien, fallen beispielsweise kristalline Halbleiter sowie Kohlenstoff und Kohlenstoffzusammensetzungen, wie sie zur Herstellung von Widerständen benutzt werden. Die jeweiligen Materialien können im Hinblick auf ihre Anwendung leicht experimentell bestimmt werden, und wenn der spezifische Widerstand zu niedrig oder zu hoch ist, dann wird der Votionisationseffekt verschlechtert oder er hört überhaupt auf. Weitere Informationen im Hinblick auf die Wahl geeigneter Werkstoffe finden sich weiter unten in der Beschreibung.

Vorzugsweise beträgt der spezifische Widerstand des Materials wenigstens 50 to cm. Obgleich, wie erwähnt, andere Materialien beispielsweise Kohlenstoff und Kohlenstoffzusammensetzungen benutzt werden können, hat sich gezeigt, daß die besten Ergebnisse mit den oben erwähnten kristallinen Halbleitermaterialien, z.B. aus Silicium und Germanium erlangt werden können.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht des optisohen Hohlraums eines quer erregten Gaslasers;

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie A-A gemäß Fig. 1;

Fig. 3a-f verschiedene Ausführungsbeispiele möglicher Lageanordnungen eines Vorionisationsgliedes, welches bei dem Laser gemäß Fig. 1 Anwendung findet.

0 3 0 6 0 3/0133

Gemäß Fig. 1 und 2 besteht der Laser aus einer Kammer mit einem Gaseinlaß 8 zur Einleitung von Lasergas, z.B. einer Mischung aus Kohlenstoffdioxid, Stickstoff und Helium in Anteilen 10 : 10 : 80, und es ist außerdem ein Gasauslaß 5 vorgesehen. Innerhalb der Kammer befinden sich zwei Elektroden 1 und 2. Die Elektroden können aus Messing oder anderem geeigneten Metall hergestellt sein und sie besitzen vorzugsweise Ränder, die so profiliiert sind, daß dazwischen eine gleichmäßige Feldausbreitung erfolgt. Die Ränder können beispielsweise in der dargestellten Form abgerundet sein, oder sie können ein "Rogowski-Profil" oder eine Annäherung hiervon aufweisen. Ein mit 98# reflektierender Hohlspiegel 3 und ein 8056 reflektierender ebener Spiegel 4 sind an den Enden der Kammer angeordnet und definieren einen optischen Hohlraum dazwischen. Im Betrieb strömt die Gasmischung durch die Kammer 7, und zwar etwa unter atmosphärischem Druck, und die Entladeimpulse werden den Elektroden von einer herkömmlichen Entladeschaltung (nicht dargestellt) zugeführt, um eine Glimmentladung durch das Gas zwischen den Elektroden hindurch zu erzeugen. Die Entladung findet demgemäß quer zur Richtung der zwischen den Spiegeln verlaufenden Laserachse statt, und daher wird in der vorliegenden Beschreibung von einem "quer erregten" Laser gesprochen. An den gegenüberliegenden Seiten des Entladungsraumes zwischen den Elektroden sind Vorionisationsglieder 5 und 6 angeordnet, die zwischen den Elektroden verlaufen und diese berühren. Die Vorionisationsglieder bestehen aus einem Material mit einem mittleren Widerstand, d.h. sie sind weder gute Leiter noch gute Isolatoren. Wenn ein Spannungsimpuls an die Elektroden angelegt wird, dann führt das Vorhandensein der Glieder 5 und 6 zur Erzeugung einer hohen Hintergrundkonzentration von Elektronen innerhalb des Raumes zwischen den Elektroden und diese Vorionisation unterstützt die Einleitung einer Glimmentladung zwischen den Elektroden. Diese Wirkung

03 0 603/0133

scheint eine Folge der Formation von zahlreichen kleinen elektrischen Lichtbogen zwischen den Elektroden und den Gliedern zu sein, und diese Elektroden erzeugen wahrscheinlich eine ultraviolette Strahlung, die ihrerseits den Verionisationseffekt bewirkt. Demgemäß sollte der Widerstand des Materials der Glieder 5 und 6 genügend niedrig sein uin zu gewährleisten, daß der den Lichtbogen bildende Strom fließen kann, wobei der Widerstand aber nicht so niedrig ist, daß die Lichtbogen sich selbst aufrecht erhalten oder aufhören über die Länge jeder Berührungsfläche zwischen .dsr. Elektroden und den Gliedern verteilt aufzutreten. Das heißt, wenn das Material ein guter Leiter ist, können die Lichtbogen an nur wenigen im großen Abstand zueinander liegenden Stellen konzentriert werden und es entstehen kräftige Lichtbogen mit einer hieraus resultierenden Verschlechterung der Gleichförmigkeit des Vorionisierungseffektes. Der spezifische Widerstand sollte demgemäß wenigstens etwa 50 ω cm betragen, weil unter diesem Wert ein zu großer Anteil der Entladungsenergie durch die Glieder fließt und verloren geht. Es wird auch angenommen, daß einige Materialien, die spezifische Widerstände über etwa 7500cm oder dgl. besitzen, nachteilige nicht lineare Wirkungen ergeben, z.B. Oberflächenkriechströme. Es kann jedoch gezeigt werden, daß einige Materialien mit einem spezifischen Widerstand außerhalb des Bereichs zwischen 50 und 750 wem insbesondere Materialien mit einem spezifischen Widerstand darüber nützlich sein können und aus Kostengründen vorteilhaft benutzt werden können, selbst wenn sie nicht so wirksam sind.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Laser gemäß der zeichnerischen Darstellungen Elektroden besitzen, die etwa I55 mm χ 10 mm groß sind, wobei der Abstand zwischen den Elektroden etwa 5 mm beträgt. Die Länge des optischen Hohlraums beträgt etwa 22 mm und die Vorionisationsglieder be-

030603/0133

sitzen einen spezifischen Widerstand von 200a? cm. Sie bestehen aus Silikon der p-Type und sind ungefähr 1,5 mm dick. Ein solcher Laser kann mit einer Eingangsenergiedichte vor etwa 90 Youles /Liter gespeist werden und besitzt einen Wirkungsgrad von etwa 8%.

Für die Glieder 5 und 6 können andere kristalline Halbleiter Anwendung finden, beispielsweise polykristallines Germanium mit 50 «cm und p-Silicium mit lOOtocm. Diese Materialien haben sich im Versuch als befriedigend erwiesen. Es können jedoch auch andere Materialien als kristalline Halbleiter benutzt werden, beispielsweise Kohlenstoff und Kohlenstoffzusammensetzungen.

Der beschriebene und dargestellte Laser besitzt keinen elektrostatischen Triggerdraht oder ein Doppelentladungssystem, um Funken In das Gasvolumen einzuführen.

Es braucht auch nur ein Halbleiter-Vorionisationsglied benutzt zu werden, und dieses kann in seinen Abmessungen kurzer sein als die Elektroden. Je kürzer die Abmessung, desto kurzer wird jedoch die Entladung. Unter gewissen Umständen kann es möglich sein, daß dieser Effekt sich als vorteilhaft erweist, wie dies aus folgenden Ausführungen hervorgeht. Es ist zweckmäßig, daß die Ränder jener Abschnitte der Elektroden, zwischen denen die Entladung auftritt und zwischen denen daher eine Laserwirkung wirksam wird, in der oben beschriebenen Weise profiliiert werden sollten. Wenn eine Entladung über die Länge der Elektroden auftritt, dann sollten die Enden der Elektroden ebenso wie die Seiten entsprechend profiliiert sein und dies kann sich jedoch im Hinblick auf die Kosten der spanabhebenden Bearbeitung der Elektroden niederschlagen, insbesondere soweit es die Ecken anbetrifft, wo sich die seitlichen und die stirn-

0 30 6 0 3/0133

seitigen Profile treffen. Wenn die Vorionisationsglieder etwas kürzer bemessen werden als die Elektroden, dann kann an deren Enden keine Entladung auftreten, und in diesem Fall brauchen diese Enden nicht profiliiert zu werden, d.h. die Elektroden könnten über die gesamte Länge gleichen Querschnitt aufweisen. Hierdurch können die Herstellungskosten für den Laser gesenkt werden.

Im Folgenden wird auf Figur 3 Bezug genommen. Hier sind verschiedene Stellungen eines Vorionisationsgliedes M relativ zu den Elektroden beispielsweise dargestellt. In Figur 3 (a) und in Figur 3 (b) kann das Vorionisationsglied M in Berührung mit beiden Elektroden 1 und 2 stehen. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 (c) liegt das Vorionisationsglied M im Abstand von beiden Elektroden und der Abstand für einen Laser der beschriebenen Bauart könnte bis etwa 1 mm betragen, er liegt jedoch vorzugsweise bei ungefähr 0,5 mm oder weniger. Figur 3 (d) zeigt das Vorionisationsglied M in Berührung mit der unteren Elektrode 2, wobei jedoch ein Spalt zwischen diesem und der oberen Elektrode 1 verbleibt. Dieser Spalt kann etwa 2 bis 3 mm betragen.

Das Vorionisationsglied kann kapazitiv mit einer der Elektroden gekoppelt werden, indem beispielsweise ein Blatt oder eine Schicht dielektrischen Materials 10 zwischen das Glied M und die Elektrode 1 eingefügt wird, wie dies in Figur 3 (e) dargestellt ist.

Wie aus Figur 3 (f) dargestellt, liegt das Glied M in der gleichen Ebene wie die Elektrode 2 und es ist eine Drahtverbindung 11 oder eine andere metallische Leiterverbindung zwischen das Glied M und die Elektrode 1 gelegt. Die Elektrode 2 in Figur 3 (f) kann etwa 5 mm dick sein und das Glied M ungefähr 2 mm dick. Figur 3 (f) demonstriert eine weitere mög-

030603/0133

liehe Abwandlung, die durch die Tatsache bedingt ist, daß das Glied M in diesem Fall in der gleichen Ebene wie die Elektrode 2 liegt, und demgemäß die Seite des Raumes zwischen den Elektroden nicht behindert. Diese weitere mögliche Abwandlung besteht darin, den Laser so anzuordnen, daß der Laser-Gasstrom im Entladungsraum quer zur Laserachse verläuft. Dies kann eine bessere Abkühlungswirkung zur Folge haben- und es kann die Wiederholfrequenz der Entladungsimpulse vergrößert werden, die an die Elektroden angelegt werden.

In den Figuren 3 (a) bis 3 (e) könnten natürlich Vorionisationsglieder jeweils eines auf jeder Seite der Elektroden vorgesehen werden. In Figur 3 (f) könnten bis zu vier Glieder M vorgesehen werden, und zwar jeweils eines auf jeder Seite jeder Elektrode.

Ebenso wie bei einem Gaslaser könnten die Vorionisationsglieder gemäß der Erfindung bei anderen elektrischen Entladungsvorrichtungen, beispielsweise bei Entladungslampen und Gasentladungsvorrichtungen benutzt werden, die als Schalter Anwendung finden.

030603/0133

Claims (9)

Patentansprüche

1. Elektrische Entladungsvorrichtung mit einer ersten und zweiten Elektrode, zwischen denen eine elektrische Entladung über ein Gas in einem Entladungsraum zwischen den Elektroden stattfindet,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Vorionisationsglied aus einem Halbleitermaterial wenigstens benachbart zu dem Entladungsraum derart angeordnet ist, daß beim Anlegen eines Entladungspotentials zwischen den Elektroden ein Stromfluß innerhalb des Gliedes auftritt, wodurch das Gas vorionisiert wird.

2. Gaslaser nach Anspruch 1, mit einem optischen Hohlraum und einer ersten und zweiten Elektrode zur Erzeugung einer elektrischen Entladung über das Gas in dem Entladungsraum zwischen den Elektroden zwecks Erregung des Lasers,

dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Vorionisationsglied aus Halbleitermaterial wenigstens in der Nähe des Raumes derart angeordnet ist, daß beim Anlegen eines Entladungspotentials zwischen den Elektroden ein Stromfluß innerhalb des Gliedes erzeugt wird, wodurch eine Vorionisation des Gases erfolgt.

030603/0133

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein weiteres Vorionisationsglied aus Halbleitermaterial vorgesehen ist, und daß die beiden Vorionisationsglieder sich längs der entsprechenden Seiten des Entladungsraumes erstrecken.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Vorionisationsglieder oder Jedes Vorionisationsglied wenigstens unmittelbar benachbart zu der ersten Elektrode liegt und sich längs des Raumes nach der zweiten Elektrode erstreckt.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Abschnitte von Ionisationsgliedern wenigstens dicht benachbart zu den beiden Elektroden liegen.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorionisationsglied oder alle Vorionisationsglieder in körperlicher Berührung mit wenigstens einer Elektrode stehen.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das oder jedes Vorionisationsglied in einer Richtung quer zur Erstreckung der Elektroden verläuft und wenigstens längs des größeren Teils der Erstreckung quer zu den Elektroden.

030603/0133

-v/3-

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Widerstand wenigstens 50 to cm beträgt.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennze lehnet, daß das Material ein kristalliner Halbleiter, z.B. Silicium oder Germanium ist.

' 030603/Ό 133