DE3046687A1 - Elektronenstrahlgeschaltete entladung fuer schnellgepulste laser - Google Patents

Description

Elektronenstrahlgeschaltete Entladung für schnellgepulste

Laser

Die Erfindung bezieht sich auf Elektronenstrahl- und elektrische Entladungssysteme für wiederholt gepulste Laser.

Im sichtbaren und ultravioletten Bereich des Spektrums arbeitende gepulste Laser haben potentielle Anwendungen auf den Gebieten der laserisotopen Trennung und Photochemie. Beispiele derartiger Laser sind die Edelgashalogenid-Laser (RGH-Laser = rare gas halide-laser) und die Edelgas-Excimer-Laser (RGE = rare gas excimer-laser) sowie die Hg-Halogenidlager. Einige dieser Anwendungsfälle machen Laser erforderlich, die mit hohen Wiederholfrequenzen oder Wiederholraten arbeiten, und zwar mit kurzen Impulsen und geringen Energien pro Impuls.

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Typische Parameter für solche Anwendungsfälle sind Energien im Bereich von 0,1 - 1,0 Joules pro Puls bei Wiederholfrequenzen zwischen 1 und 10 kHz, wobei die Impulsdauer im Bereich von 20-100 nsec liegt. Kombinationen dieser Parameter entsprechen durchschnittlichen Leistungsausgangsgrößen von zweckmäßigerweise 0,1- 1 kW. Laser mit geeigneten Impulsbreiten und einzelnen Impulsenergien wurden bereits vorgeführt, wobei diese' Laser aber nicht mit den erforderlichen relativ niedrigen Impulswiederholfrequenzen und niedrigen durchschnittlichen Leistungen arbeiten. Der Betrieb dieser Laser ist derzeit beschränkt durch die Gaserhitzung und akustische Effekte, sowie durch nichtadäquate Leistungskonditioniersysteme. Höhere Durchschnittsleistungen können durch eine Erhöhung der Impulswiederholfrequenz erreicht werden, und zwar durch Anlegen einer Konvektionsströmung zur Gaskühlung, durch akustische Dämpfung und durch verbesserte Leistungskonditionierverfahren. Die wirtschaftliche Arbeitsweise der RGH-Laser mit hohen Wiederholfrequenzen und hohen Durchschnittsleistungen hängt ab von der Zuverlässigkeit und den Kosten des Leistungskonditioniersystems. Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren für die Entladungs-Laser-Anregung, welches die elektrische Leistungskonditionierung bei hohen Wiederholfrequenzen für gepulste Laser im allgemeinen und RGH-Laser speziell verbessert.

Gepulste RGH-Laser wurden unter Verwendung irgendeines der folgenden Verfahren angeregt: Direkte Elektronenstrahlanregung, Elektronenstrahl-Aufrechterhaltungsanregung (sustainer-Anregung) und elektrische Entladung mit schnellem Impuls. Diese Verfahren wurden auch zur Anregung mehrerer anderer Laser (CO, CO₂/ ^Xeo' ^N? ^usw·) verwendet und diese Anregungen

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werden in zahlreichen Literaturstellen beschrieben. Allgemeine Aspekte der Elektronenstrahl- sowie Elektronenstrahl-Aufrechterhaltungs-Lösung sind in US-PS 3.641.454 beschrieben. J. Daugherty et al in Applied Physics Letters Band 28, Seite 581 (1976) beschreiben die Verwendung der Elektronenstrahl-Aufrechterhaltungs-Lösung bei CO^-Lasern. Die Strahlaufrechterhaltungs-Anregung des Xe-Lasers wird von E. Huber u.a. in der folgenden Literaturstelle beschrieben: I.E.E.E. Journal of Quantum Electronics, Band QE-12, Seite 353 (1976).

Die Elektronenstrahl-Anregung von RGH-Lasern wurde zuerst von Searles and Hart in Applied Physics Letters, Band 27, Seite 243 (1975) beschrieben, und von Ewing and Brau in Physical Review A, Band 12, Seite 12 (1975). Mangano u.a., beschrieben in Applied Physics Letters, Band 27, Seite 495

(1975) und Band 28, Seite 724 (1976) und schließlich in Band 29, Seite 426 (1976) die RGH-Laseranregung durch elektronenstrahlgesteuertes Entladungspumpen, während die schnelle Impulsentladungsanregung von RGH-Lasern zuerst von Burnham u.a. in Applied Physics Letters, Band 29, Seite 86

(1976) beschrieben wurde. Einen Überblick über das Gebiet der elektronenstrahlgesteuerten RGH-Laser gibt Nighan in I.E.E.E. Journal of Quantum Electronics, Band QE-14, Seite 714 (1978).

Diese verschiedenen Lösungsmöglichkeiten haben sowohl Vorteile als auch Nachteile beim Betrieb mit hohen Wiederholfrequenzen. Beim direkten Elektronenstrahl-Verfahren wird die Laser-Anregung dadurch erzeugt, daß man einen Hochspannungselektronenstrahl durch eine dünne Metallfolie und durch das Gas leitet, wobei der Elektronenstrahl eine

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Ionisation hervorruft, die schließlich die Laser-Anregung bewirkt. Der Elektronenstrahl ist die einzige Energiequelle für die Entladung und die Elektronenstrahldichte muß relativ hoch sein, damit eine hinreichende Leistungsabscheidung zur Anregung des Lasers vorgesehen wird. Typischerweise sind

Elektronenstrahlstromdichten von mehr als 10 A/cm bei Spannungen von einigen hundert Kilo Volt für die Anregung von RGH-Lasern bei einem Druck von wenigen Atmosphären erforderlich, was sich aus folgenden Betrachtungen ergibt.

Eine Laser-Mediumverstärkung von 0,01-0,05/cm macht eine Leistungsabscheidung wie folgt erforderlich:

5-10 kW/cm³
₁

dabei ist £ der Laserwirkungsgrad; für £ = 0,1 (charakteristisch für RGH-Laser), E_D = 50-100 kW/cm³ ist eine Stromdichte von J. = 10 A/cm erforderlich.

Elektronenstromdichten dieser Größenordnung werden üblicherweise mit eine kalte Kathodenelektrode aufweisenden Kanonen erreicht. Jede emittierende Oberfläche der Kathode wird auf eine Spannung in der Größenordnung von 300 KeV impulsgeladen und die Elektronen werden von einem Plasma emittiert, das sich darauffolgend nahe der Kathodenoberfläche ausbildet. Die Folienerhitzung ist eine Hauptbegrenzung hinsichtlich der maximalen Impulswiederholfrequenz für ein rein Elektronenstrahl angeregtes Medium, da ein repräsentatives Elektronenstrahlelektron eine signifikante Menge seiner kine-

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.j.

tischen Energie in der Folie abscheiden kann, bevor es in das Gasvolumen eintritt. Sobald der Strahl in das Target-.Gasvolumen eintritt, verliert der Strahl ungefähr 30 eV bei der Erzeugung eines Ions, und jedes Ion hat das Potential ein 5 eV Laser-Photon bei der Elektronen/Ionen-Kombination zu erzeugen; dies bedeutet einen sechsfachen Verlust an Effizienz. Weitere Verluste bei der Effizienz treten auf, weil Edelgase, molekulare Halogenide und bestimmte Ionen (Ar₂, F usw.), erzeugt bei der Entladung, Strahlung über den gesamten Ultraviolettbereich hinweg absorbieren. Die Elektronen können auch aus dem brauchbaren Volumen herausstreuen. Das Ergebnis besteht darin, daß Gesamtwirkungsgrade von ungefähr 6% für durch Elektronenstrahlen gepumpte RGH-Laser möglich sind; die Selbstabsorption in RGE-Lasern beschränkt den Gesamtwirkungsgrad auf ungefähr £1%.

Die Verwendung des Elektronenstrahl-Anregungsverfahrens für Laser mit hohen Wiederholfrequenzen ist durch die Erhitzung des Folienfensters, welches für dieses Verfahren erforderlich ist, begrenzt, da die gesamte Eingangsleistung für die Entladung durch den Elektronenstrahl geliefert wird. Mit ansteigender Wiederholfrequenz und Stromdichte steigt die mittlere Temperatur der Folie an. Mit den derzeit bekannten Folienmaterialien und Folienkühlverfahren ist die durchschnittliche Strahlstromdichte auf weniger als annähernd 1 mA/cm begrenzt. Für einen Arbeitszyklus von 0,1 %, der für einige Anwendungsfälle von Kurzimpulslasern typisch ist, ist die Spitzenstromdichte durch die Folienerhitzung auf

weniger als annähernd 1 A/cm beschränkt, und zwar bei Bedingungen, die für einen effizienten Betrieb mit hoher Impulswiederholfrequenz erforderlich sind, was zur direkten An-

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regung eines RGH-Lasers nicht ausreicht.

Die für die Laser-Anregung erforderliche Elektronenstrahlstromdichte kann durch die Verwendung von Elektronenstrahl-Auf rech terhal tun gs verfahren reduziert werden, wobei eine kleine stetige Spannung unterhalb der Durchbruchspannung an einem Paar von Elektroden angelegt wird, die in das gleiche Gas eintauchen, das durch den Elektronenstrahl angeregt wird. Eine zusätzliche EingangsIeistung für die Entladung wird aus diesem elektrischen Aufrechterhaltungsfeld erhalten, wobei aber die erforderliche Aufrechterhaltungsstromdichte offensichtlich die folgende ist: J₀^ 2 Amp/cm (vergl. Huber in der oben angegebenen Literaturstelle). Für die gleiche Leistungsabscheidung im Gas kann die Elektronenstrahlleistungseingangsgröße in dem Maße vermindert werden, wie der Aufrech terhaltungsbeitrag ansteigt. Die Elektronenstrahlleistungseingangsgröße kann jedoch nicht auf einen beliebig niedrigen Wert reduziert werden. Die Leistungseingangsgröße vom Aufrechterhaltungsfeld steigt mit dem angeregten elektrischen Feld an, wobei es aber ein maximales elektrisches Feld gibt, das ohne das Entstehen von Ionisationsinstabilitäten im Laser-Gas angelegt werden kann. Ferner ist die Leistungsübertragung vom Aufrechterhaltungsfeld selbst bestimmt durch die elektrischen Eigenschaften der im Laser-Gas durch den Elektronenstrahl erzeugten Entladung. Für RGH-Laser werden die durch den Elektronenstrahl erzeugten Elektronen schnell durch dissoziative Anhaftung an der Halogenidkomponente des Laser-Gases entfernt, und die elektrische Leitfähigkeit der Entladung wird proportional vermindert. Somit ist in RGH-Lasern eine relativ hohe Elektronenstrahl-Stromdichte erforderlich, um eine "hinreichende Leitfähigkeit zu erzeugen, damit ein angemessener Leistungstransfer vom Aufrechterhaltungsfeld möglich ist. Bei einer etwas anderen Lösungsmöglichkeit, die

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gelegentlich als die Elektronensteuer gesteuerte Entladung bezeichnet wird, läßt man die Elektronendichte durch Lawinen-Ionisation von einem Anfangswert aus, bestimmt durch den Elektronenstrahl wachsen. Das Ausmaß der Verbesserung, das gegenüber dem Zustand bei alleiniger Verwendung des Elektronenstrahls erreicht werden kann, ist beschränkt durch das Einsetzen einer Instabilität im Laser-Medium, was zu einem einschränkenden Bogen führt. Die Reduktion der Elektronenstrahlstromdichte durch diese beiden Verfahren reicht nicht aus, um den Betrieb bei hohen Wiederholfrequenzen innerhalb der Grenzen zu gestatten, die durch die Elektronenstrahlfolie auferlegt werden.

Einfache elektrische Entladungen werden oftmals zur Anregung von RGH-Lasern verwendet. Derartige Entladungen können Einzelimpulsenergien in der Größenordnung von einem Joule und Impulslängen von 10-100 nsec erzeugen, wobei sich Gesamtwirkungsgrade in der Größenordnung von 1% ergeben.

Es gibt drei Verfahren zum Aufbau diffuser großgebietiger elektrischer Entladungen zum Zwecke der Laser-Anregung. Das erste Verfahren verwendet zahlreiche individuell angeregte Elektroden, die viele unabhängige kleine Entladungen parallel erzeugen. Dieses Verfahren ist typischerweise nicht effizient bei der Kopplung elektrischer Energie an die Entladung und erzeugt eine deutlich nicht gleichförmige räumliche Entladung. Das zweite Verfahren verwendet eine Vorionisationsquelle, wie beispielsweise einen Funken, der gezündet wird, bevor die Hauptentladungsspannung an das Gas angelegt wird; diese Quelle erzeugt eine kleine Dichte freier Elektronen im Gas. Ein Hauptentladungsspannungsimpuls

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mit einer schnellen Anstiegsgeschwindigkeit wird sodann zwischen zwei großen Elektroden angelegt; wenn die Spannungsimpulsanstiegsrate hinreichend hoch liegt, so kann eine diffuse und hinreichend gleichförmige Entladung aufgebaut und für eine kurze Zeit zwischen den Elektroden aufrechterhalten werden. Es erfolgt jedoch ein unerwünschter Kollaps auf eine eingeschränkte bogenartige Entladung innerhalb von wenigen Mikrosekunden oder weniger, wenn sich die Entladung auf brauchbaren Niveaus befindet. Wenn die Spannungsimpulsanstiegsrate oder Geschwindigkeit zu niedrig ist, so bildet sich eine diffuse Entladung nicht aus und der Ladungsfluß entwickelt sich in eingeschränkten Kanälen von Anfang an. Die Spitze der angelegten Spannung für diese Lösungsmöglichkeit muß die statische Durchbruchsspannung für die Entladung überschreiten.

Ein drittes Entladungsverfahren verwendet eine durch einen Elektronenstrahl unterhaltene elektrische Entladung, wobei die externe Ionisationsquelle (der Elektronenstrahl) während des gesamten Pulses anbleibt. Der Elektronenstrahl steuert die Leistungseingangsgröße zum Laser-Gas. Leistung wird im Gas nur dann abgeschieden, während der Elektronenstrahl angelegt ist, und zwar im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung, wo der Elektronenstrahl lediglich zur Einleitung des Verfahrens verwendet wird. Die durch diese Quelle erzeugte Ionisation unter Verwendung der Aufrechterhaltungsmethode ist wesentlich intensiver als die Vorionisationsintensität, verwendet beim obenerwähnten UV-Vorionisationsverfahren, und ist in der Tat derart intensiv, daß es sich dabei um die Dominante und steuernde Ionisationsquelle während"des gesamten Entladungsimpulses handelt. Die Entladungsspannung braucht nicht hoch sein, um eine hinreichende Ionisation im Gas zur Aufrechterhaltung der Entladung durch

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sich selbst zu erzeugen. Extern aufrechterhaltene Entladungen, wie beispielsweise diese, können typischerweise räumlich gleichförmiger und für längere Zeiten und bei höheren Drücken vorgesehen werden, als die einfacheren selbst aufrechterhaltenen Entladungen. Nur ein bescheidener Anteil der elektrischen Anregung muß durch die sehr hohen Energieelektronen geliefert werden, die durch eine Folie laufen, so daß die maximalen Impulswiederholfrequenzen potentiell höher liegen als für reine Elektronenstrahl gepumpte Vorrichtungen. Wenn jedoch ein RGH-Laser verwendet wird, so muß der Elektronenstrahl noch immer 0,2-0,4 der Anregungsenergie liefern, um die Entladungsstabilität aufrechtzuerhalten, so daß die Vorteile dieses Verfahrens nicht so groß wie für bestimmte andere Laser sind. Für den 10,6 um CO^-Laser beispielsweise kann die erforderliche E-Strahlanregung kleiner als 0,1 der gesamten gelieferten Anregungsenergie sein.

Die Verfahren, die zur Erzeugung von Elektronenstrahlen mit hoher Stromdichte und kurzer Impulsdauer verwendet werden, sind nicht für den Betrieb bei hohen Impulswiederholfrequenzen geeignet. Der Elektronenstrahl wird durch Anlegen einer gepulsten Hochspannung an eine Kathode erzeugt, und die Elektronenemissions-Verfahren haben die Tendenz, die Kathodenoberfläche zu zerstören und die elektrischen Kathodeneigenschaften abzuwandeln. Zudem macht die Erzeugung von Hochspannungsimpulsen Schalter erforderlich, die eine lange Lebensdauer bei Hochspannung und hoher Durchschnittsleistung besitzen. Derartige Schalter sind derzeit nicht verfügbar. Beträchtliche Verbesserungen bei der Systemleistungsfähigkeit könnten dann vorgenommen werden, wenn die Elektronenstrahl-Anforderungen für die Laser-Anregung reduziert würden.

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Es gibt bereits mehrere Verfahren für die Elektronenstrahlerzeugung bei niedrigeren Stromdichten, wobei diese Verfahren auch einen Betrieb bei hoher Impulswiederholfrequenz gestatten. Gitterartig ausgebildete Heißkathodensysteme und Drahtplasma-Elektronenkanonen sind zwei solche Systeme.

Ein Ziel der Erfindung besteht darin, ein elektrisches Entladungsverfahren vorzusehen, und zwar zur Anregung eines optischen Verstärkungsmediums, welches hohe Wiederholfrequenzen gestattet, kleine Einleitstromdichten und erhöhte Lebensdauern für elektrische Schaltvorrichtungen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, den elektrischen Entladungs-Laser-Betrieb zu verbessern, und zwar durch Reduzierung der Spitzenleistung, die durch zugehörige elektrische Schaltungen bei der Anregung des Lasers geliefert werden muß.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, die erforderliche Elektronenstrahlintensität für den Laserbetrieb zu vermindern.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Stabilisierung der elektrischen Ladung bei hohen Spitzenleistungen durch die Verwendung einer eine niedrige Induktivität besitzenden primären Leistungsquelle.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung

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ergeben sich insbesondere aus den Zeichnungen sowie aus den Ansprüchen und der Beschreibung von Ausführungsbeispielen.

Die Erfindung sieht ein Verfahren (im folgenden geschaltetes Entladungsverfahren genannt) und eine Vorrichtung vor, um eine elektrische Entladung für die Laser-Anregung zu erzeugen, und zwar arbeitend in einem Parameterbereich, der sich von den Verfahren des Standes der Technik unterscheidet, und wobei die Ingenieur-Probleme beträchtlich erleichtert werden, die beim Schalten von RGH- und RGE-Lasern auftreten. Das Verfahren sieht folgende Schritte vor: Vorsehen einer Mischung aus Edelgas und Halogengas mit einer zugeordneten Selbstdurchbruchsspannung V^ in einem Entladevolumen mit einem Elektrodenspalt von mindestens 1 cm; Anlegen eines gepulsten elektrischen Feldes an das Entladungsvolumen über ein Zeitintervall L t hinweg, wobei die zugehörige elektrische Feldspannung oberhalb V, aber unterhalb der "Ubergangsimpulsdurchbruchsspannung" V ., liegt, und zwar definiert als die Spannung, welche erforderlich ist, um den Durchbruch beim Anlegen für ein Zeitintervall t, t hervorzurufen (hier einige wenige MikroSekunden; V . , >■ V_A. >- V, wenn ^t₁ -^t-); Vorsehen einer AbschirmeleJctrode,

um energetische Elektronen in das Entladungsvolumen zu lassen; und Vorsehen eines Elektronenstrahlimpulses, der durch das Entladungsvolumen läuft, wobei der Elektronenstrahl eine Intensität besitzt, die ausreicht, um eine elektrische Entladung über das Entladungsvolumen hinweg einzuleiten. Die Spannung wird auf einen Wert V<V. über ein relativ langes Intervall (^t>Usec) erhöht, so daß die Schalterlebensdauer auf etwa 1o Zyklen verlängert wird.

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Dieses Verfahren und diese Vorrichtung erzeugen eine selbstaufrechterhaltene Entladung, wobei aber ein kurzer extern erzeugter Elektronenstrahlimpuls verwendet wird, um das Gas zu ionisieren und zu schalten, und zwar aus einem nichtleitenden in einen leitenden Zustand. Die externe (Ε-Strahl) Ionisationsquelle erzeugt nur ein Einleitereignis; es dominiert oder steuert nicht den darauffolgenden Stromfluß, wie dies der Fall bei einer konventionellen Ε-Strahl aufrechterhaltenen Entladung ist. Nach dem Anlegen des Schaltimpulses gemäß der Erfindung entwickelt sich die Entladung im wesentlichen wie bei einer Vorionisationsentladung. Die Hauptentladungsspannung V^ Va, wird angelegt vor dem Schaltimpuls und u t

ist normalerweise höher als die statische Durchbruchsspannung V, einer konventionellen Entladung.

Es gibt verschiedene unerwartete und signifikante Vorteile auf Grund der Erfindung. Das Verfahren und die Vorrichtung gestatten eine Erhöhung der Schalterlebensdauer

um die zwei- bis dreifache Größenordnung auf 10 Zyklen, und zwar durch Verlängerung der Zeit für den Spannungsaufbau auf Intervalle von 1 Mikrosekunde oder mehr, und zwar durch Verkleinerung der erforderlichen Elektronen-Strahlstromdichte auf Werte bis hinab zu 0,1 Amp/cm . Diese Elektronenstrahlstromdichte ist ungefähr zwei Grössenordnungen niedriger als die für konventionelle E-Strahl aufrechterhaltene Ladungen. Die Erfindung gestattet den Betrieb der gestalteten Entladung in neuen Parameterbereichen unter Verwendung von Daten (wie beispielsweise reinem Argon bei im wesentlichen atmosphärischem Druck), die bei Lösungen gemäß dem Stand der Technik nicht betrieben oder verwendet werden können. Das erfindungsgemäße

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Verfahren verwendet Entladungsspannungsmaxima, die unterhalb der Größe liegen, die erforderlich ist, um die Entladung einzuleiten, und zwar über die zugehörige Zeitperiode (1 Mikrosekunde oder mehr) hinweg bei einer Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik. Die Erfindung gestattet ferner die Verwendung hochzuverlässiger eine hohe Wiederholfrequenz besitzende und niedrige Kosten verursachender Leistungsversorgungen nebst Edelgashalogen-Lasern. Derartige Systeme mit hoher Zuverlässigkeit und Wiederholfrequenzen sowie niedrigen Kosten waren bislang nicht erreichbar.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung seien nunmehr anhand der Zeichnung beschrieben; in der Zeichnung zeigt;

Fig. 1 eine gemäß dem Stand der Technik ausgebildete Energiespeicher/Entladungs-Schaltung;

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines Energiespeicher/ Entladungsnetzwerks gemäß der Erfindung;

Fig. 3 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Parameterbereiche (elektrisches Feld abhängig von der Elektronenstrahlstromdichte), die brauchbar sind bei den verschiedenen Lösungen gemäß dem Stand der Technik und gemäß der Erfindung;

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•/ο*

Pig. 5 eine graphische Darstellung der Vergrößerung des aufgeprägten elektrischen Feldes im Entladungsvolumen als Funktion der Zeit für die Erfindung;

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Elektronenstrahlstromdichte (J, ) und der E-Strahl-geschalteten Entladungsstromdichte (Jj) als Funktion der Zeit für die Erfindung;

Fig. 7 eine graphische Darstellung der freien Elektronendichte als Funktion der Zeit mit verschiedenen rampenartigen elektrischen Feldern (£ _r) für die Erfindung;

Fig. 8 und 9 graphische Darstellungen der Zeitverzögerung (4 t,) für die Impulsentladung als eine Funktion des Betriebsdrucks (P) im Entladungsvolumen für Argon bzw. Heliumpuffergase;

Fig. 10 eine graphische Darstellung der KrF Laser-Energieausgangsgröße (E_T in Millijoules) als Funktion des Betriebsdrucks für unterschiedliche Prozentsätze
argon-gepufferten Medium;

schiedliche Prozentsätze von F„ in einem

Fig. 11 eine graphische Darstellung der Entladungsstromdichte / abhängig von der Zeit für ein konventionelles Elektronenstrahl-gesteuertes Entladungsverfahren der Anregung eines Edelgashalogenid-Lasers;

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Fig. 12 eine graphische Darstellung des Leistungserhöhungsfaktors (Enhancementfaktors = EF), der elektrischen Leistungsdichte (P), der Kleinsignalverstellung (g ) und des Edelgashalogenid-Excimerproduktionswirkungsgrades ( für ein Elektronenstrahl-gesteuertes Entladungsverfahren der Anregung eines Edelgashalogenid-Lasers wie beispielsweise KrF.

Der Edelgashalogenid (RGH = rare gas halide) - Laser hat die Möglichkeit, eine hohe Durchschnittsleistung im Ultraviolettbereich des Spektrums zu liefern. Derzeit verfügbare RGH-Laser arbeiten mit niedrigen Impulswiederholfrequenzen und niedriger durchschnittlicher Leistungsausgangsgröße. Der Betrieb bei hohen Impulswiederholfrequenzen und/oder der Betrieb mit hoher Durchschnittsleistung ist für Anwendungsfälle wie beispielsweise die Isotopentrennung zweckmäßig, wobei aber dieser Betrieb derzeit durch die Schalterfordernisse begrenzt ist.

Wie oben erwähnt, sind drei unterschiedliche Möglichkeiten bekannt, gemäß welchen Elektronenstrahlen und/oder Entladungen zur Anregung von RGH-Lasern verfügbar sind:

(1) Die direkte Elektronenstrahlanregung',

(2) die Elektronenstrahl-gesteuerten elektrischen Entladungen und die Elektronenstrahlaufrechterhaltungsanregung; und

(3) die elektrische Schnellimpulsentladung.

Die Verfahren unterscheiden sich in der Art und Weise wie die primäre und/oder sekundäre Leistung an das Laser-Gasvolumen angelegt wird.

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Die Erfindung, das geschaltete Entladungsverfahren, verwendet eine selbstaufrechterhaltene Entladung, die durch einen kurzen Impuls von einer intensiven externen Ionisationsquelle eingeleitet wird, um das Targetgas aus einem nichtleitenden in einen leitenden Zustand umzuschalten.

Die Brauchbarkeit des geschalteten Entladungsverfahrens ergibt sich aus bestimmten speziellen Eigenschaften der RGH-Laser-Entladungen. Wenn man diese Entladungen gemäß dem Vorionisationsentladungsverfahren betreibt, so erhält man eine optimale Ausgangsgröße dann, wenn die Hauptentladungsspannung an der Vorrichtung schnell auf einen Wert ansteigt, der mehrere Male größer ist als die statische Betriebs- oder Gleichspannungsdurchbruchspannung, und zwar in einer Zeit von 100 nsec oder weniger. Längere Spannungsanstiegszeiten ergeben Entladungen von sehr schlechter Qualität. Zudem halten die optimalen Entladungen eine Qualität aufrecht, die für den Laserbetrieb für sehr kurze Zeiten geeignet ist, und zwar typischerweise nur 20-40 nsec für eine Vorrichtung mit einem 2,5 cm Entladungsspalt. Diese Merkmale rufen beträchtliche Ingenieur-Probleme bei bekannten Vorrichtungen wie beispielsweise der gemäß Fig. 1 hervor, wo eine typische Entladungsschaltung dargestellt ist. Die RGH-Laser machen einen Entladungsstrom von einigen 10 Kiloampere bei einer Betriebsspannung von einigen wenigen Kilovolt erforderlich, und zwar für typische Entladungslängen von 50-100 cm. Die Induktivität oder Induktanz L₁ der Schleife in Fig. 1 muß so klein wie möglich gehalten werden, um große Energien von C. zur Entladung in 20-40 nsec zu übertragen. Der nichtvermeidbare Gebrauch von Schleifen mit hoher Induktivität scheint für die Verfahren gemäß dem Stand der Technik für die Elektronenstrah!-betriebene Laser-

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Mediumanregung naturgemäß erforderlich zu sein; die Verwendung von Schleifen mit niedriger Induktivität ist ein weiteres unterscheidendes Merkmal der Erfindung. Der Schalter und die für diesen vorgesehenen Verbindungen müssen daher eine extrem niedrige Induktivität besitzen, was ein schwieriges Konstruktionsproblem aufwirft, insbesondere für den Betrieb bei hoher Durchschnittsleistung. Typischerweise sind viele parallele Schalter entweder Funkenspalte oder Thyratrone erforderlich, um die Schleifeninduktivität L₁ innerhalb annehmbarer Grenzen zu halten. Der Schleifenstrom kann durch Erhöhen der Spannung an C. vergrößert werden; der Betrieb bei einer hohen Impedanz Z = fHTJcZ reduziert für den Anteil der im Kondensator C₁ gespeicherten Energie, die in die Entladung während der Periode stabilen Betriebs eingekoppelt wird, auf welche Weise der Wirkungsgrad beeinflußt wird und zudem in unerwünschter Weise Überschußenergie in verschiedenen Teilen der Vorrichtung zu späteren Zeiten abgeschieden wird. Ein weiterer Nachteil des Standes der Technik besteht darin, daß der verwendete schnelle Stromimpuls durch einen Schalter laufen muß, wobei die Schalterlebensdauer mit ansteigender Spitzenleistung schnell abfällt.

Fig. 2 zeigt eine gemäß der Erfindung verwendete Lösungsmöglichkeit, welche diese Schwierigkeiten verbessert. Ein Primärspeicherkondensator C₂ ist so lose wie möglich körperlich mit der Laser-Entladung gekoppelt, so daß L₂ so klein als dies praktisch ist. Dieser Zwischenspeicherkondensator C- wird sodann vom sekundären Speicherkondensator Co über einen Schalter aufgeladen, so daß die Spannung an C₂ in einem Zeitintervall ansteigt, das kleiner als die 50 nsec Anstiegszeit ist, die die Laser-Entladung tolerieren wird. Der Schalter braucht eine derart niedrige Induktivität in Fig. 1 nicht manifestieren. Der schnelle Stromimpuls, der

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die Laser-Entladung anregt, läuft durch keinerlei Schalter.

Es sei nunmehr der Kreis gemäß Fig. 2 betrachtet, der als Teil des geschalteten Entladungsverfahrens betätigt wird. Die Induktivität L₂ muß so klein,wie dies praktikabel ist, gehalten werden, um die maximale Energiemenge an die Entladung in 20-40 nsec anzukoppeln. Die übertragung vom primären Energiespeicherkondensator C₃ zum Zwischenspeicherkondensator C₂ wird jedoch über eine wesentlich längere Zeit erstreckt (nominell einige wenige Mikrosekunden), was die Konstruktionsprobleme mit dem Schalter und der Induktivität Lo stark vereinfacht und es beispielsweise möglich macht, ein einziges Thyratron von bescheidener Größe als Schalter zu verwenden. Der Zwischenspeicherkondensator C₂ wird auf eine Spannung aufgeladen, die höher liegt als die statische Durchbruchsspannung der Entladung, aber kleiner ist als die übergangsdurchbruchsspannung für den Mikrosekundenpulser

Der geschaltete Entladungsbetrieb war in der Vergangenheit für C0₂~Laser nicht wichtig; diese Laser können viel längere Entladungsimpulse (in der Größenordnung von Mikrosekunden) tolerieren und bieten keine so ernsten Schalterkonstruktionsprobleme wie RGH-Laser mit Impulsdauern im Bereich von Zehnern von Nanosekunden.

Die Anregung von RGH-Lasern durch die Elektronenstrahl-gesteuerte Entladung wurde von Huber und Krawetz (vergl. die oben angegebene Literaturstelle) demonstriert, hat jedoch ernstliche Einschränkungen. Die externe Ionisationsquelle

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muß einen signifikanten Anteil der pro Einheitsvolumen in der Laser-Entladung abgeschiedenen Energie liefern, um diese speziellen Gasmischungen zu kontrollieren. Diese extern aufrechterhaltenen Entladungen in den RGH-Gasmischungen müssen auch mit einer kleineren Energiedichte arbeiten als selbstaufrechterhaltene Entladungen, um die Stabilität aufrecht zu erhalten. Eine sehr niedrige Energiedichte ist in einem durch Konvektion gekühlten wiederholt gepulsten System unerwünscht, da viel mehr Gas durch das System fließen muß. Extern aufrechterhaltene Entladungen haben jedoch eine gute Entladungsqualität für vielleicht eine halbe Mikrosekunde aufrechterhalten, und zwar im Gegensatz zu dem 20-40 nsec Entladungsimpuls, der mit bekannten Verfahren erreicht wird.

Die vorliegende Erfindung vermeidet die obengenannten Einschränkungen und ermöglicht den Betrieb bei hohen Impulsraten und hoher Durchschnittsleistung durch eine Amalgamation, unter Verwendung von Merkmalen jedes der obengenannten Verfahren, um so den Betrieb innerhalb neuer physikalischer Parameterbereiche zu gestatten, wodurch sich eine erhöhte Leistungsfähigkeit des elektrischen Leistungskonditioniersystems ergibt. Gemäß Fig. 3 ist ein Laser-Gasvolumen 11 zwischen einem Paar von Laser-Entladungselektroden 13a und 13b positioniert, und zwar ähnlich den in konventionellen Entladungs-Lasern verwendeten. Diese Elektroden können je nachdem solid oder porös sein. Das Laser-Gas kann im Volumen 11 stationär sein. Alternativ kann eine Gasströmung 15 vorgesehen sein, vorzugsweise quer zur Längsachse AA der Entladung verlaufen, um so eine Konvektionskühlung des Gases im Volumen 11 und der Elektronenstrahlfolie 21 zu erreichen. Der Primärspeicherkondensator bei 17

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wird einer Spannung oberhalb der Stations-Gleichspannungs-Durchbruchspannung und unterhalb der Übergangsimpuls-Durchbruchsspannung V.. der speziellen verwendeten Gasmischung aufgeladen, und zwar durch eine geschaltete Leistungsversorgung 18 mit einer Transferzeit, die verglichen mit der Entladedauer lang genug ist; ein Thyratron-Schalter oder eine Anordnung solcher Schalter sind für die geschaltete Leistungsversorgung 18 geeignet.

Eine Elektronenstrahlquelle mit einer Kathode 19, einem Zeitsteuergitter 2o und einer Anodenfolie 21 ist wie gezeigt positioniert, so daß ein Elektronenstrahlimpuls an das Gasvolumen 11 durch die Schirmelektrode 13bangelegt werden kann. Die E-Strahl-Zeitsteuerung und die Steuermittelintensität liegen unterhalb der durchschnittlichen Leistungsgrenzen an der Folie 21 (weniger als ungefähr

1 A/cm für 100 nsec Impulse bei 10 KHz), aber etwas oberhalb der Intensität, die für die Vorionisation eines konventionellen Entladungs-Lasers Cd.h. größer als ungefähr 0,05 A/cm ) erforderlich ist. Unter diesen Bedingungen schaltet die Entladung in eine Niederimpedanz-Betriebsart unter dem Einfluß des Elektronenstrahls und die im Kondensator 17 gespeicherte Energie wird über das Entladungsvolumen 11 hinweg verteilt, und zwar in einer Art und Weise, die für die RGH-Laser-Anregung geeignet ist. Der Hauptteil der Leistungseingangsgröße kommt aus der Entladungsschaltung und nicht vom Elektronenstrahl, wobei aber der Elektronenstrahl in der Lage sein muß, bei den gewünschten Impulswiederholfrequenzen (^ 10 KHz) zu arbeiten.

Der Druck des Gasvolumens 11 in einem Ausführungsbeispiel

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beträgt annähernd 700 Torr, hauptsächlich He oder Ar plus 100 Torr Kr plus 3 Torr F₂ , und zwar für einen KrP-Laser. In einem derartigen Gas tritt ein Selbstdurchbruch bei einem statischen Feld bis hinab zu 10 KV/cm auf und V^ ist£20 KV/cm. Für den hier ins Auge gefaßten 2,5 cm Elektronenspalt würde die Spannung unterhalb, beispielsweise 50 KV (20 KV/cm) gehalten werden. Der Elektrodenspaltabstand beträgt 2,25 cm und die Spannung erreicht 40 KV zu der Zeit, wo der Elektronenstrahl angelegt wird. Repräsentative Parameter für den Elektronenstrahl sind die folgenden: die E-Strahlenergie bzw. die Impulsbreite betragen 250 KeV bzw. 100 nsec; der Ε-Strahl tritt durch eine !tausendstel Zoll Dicke aluminisierte Mylar-Folie aus, und zwar mit einer

2 resultierenden Stromdichte von 0,25 A/cm ; die Elektronenstrahlstromanstiegszeit betrug 50 nsec. Der Laser-Hohlraum wies einen 100%-Reflektor und einen 70%-Ausgangskoppler auf, jeweils mit einem 5M-Krümmungsradius, wobei der Spiegelabstand 0,8 M betrug. Die Laser-Zelle war mit Brewster-Fenstem aus CaFj verschlossen, was eine resultierende Pfadlänge von 0,6 M ergab. Die maximale Ausgangsgröße des λ = 2490 8. Licht betrug 150 Millijoules, die Laserimpulsbreite betrug 20-25 nsec, obwohl kürzliche Verbesserungen diesen Wert auf 600 Millijoule Ausgangsgröße erhöht haben.

Fig. 4 zeigt schematisch die unterschiedlichen Betriebsbereiche von einigen der bekannten elektrischen Anregungsverfahren für Laser-Gas. Das UV-Vorionisierung verwendende Entladungsverfahren macht die Anlage eines großen elektrischen Feldes im allgemeinen von 20-40 KV/cm an ein Medium erforderlich, das bereits vorionisiert oder vorkonditioniert ist durch einen schwachen externen Strahlungsimpuls, wie er beispielsweise von einer UV-Quelle oder

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einer Niederintensitäts-Elektronenstrahlquelle (J_b = 0,1-1,0 Milliampdre/cm²) geliefert wird. Bei dieser Lösungsmöglichkeit ist das Zeitintervall "f für die Vorionisierung des Gases relativ lang (T* -*-ioZisec) und die Periode T _B, die für das Schalten des hohen elektrisehen Feldes verfügbar ist, ist relativ kurz (f ^, 100 nsec) Dies beansprucht den Schalter und erzeugt normalerweise eine damit in Verbindung stehende kurze Schalterlebensdauer (£10 Impulse).

Am anderen Ende des Spektrums findet man die Ε-Strahl- oder E-Strahl-Impuls-Aufrechterhaltungs-Lösung, welche die Verwendung einer bescheidenen elektrischen Feldstärke von beispielsweise £.^2 KV/cm gestattet, aber große Stromdichten (J_b £ 10 A/cm²) benötigt.

Die Fig. 5 und 6 zeigen zu Vergleichszwecken das zeitliche Verhalten der angelegten Spannung, der Anregungsintensität (Vorionisation/Elektronenstrahl) und den sich ergebenden Entladungsstrom für das UV-Vorionisationsverfahren, und zwar jeweils gegenüber dem beanspruchten Elektronenstrahlgeschalteten Entladungsverfahren. Bei der UV-Vorionisationsentladungslösung des Standes der Technik (Fig. 5) wird (1) eine Vorionisationsquelle vorgesehen, wobei mit einer Zeit 4 t.. > 100 nsec später (2) das Anlegen eines elektrischen Feldes folgt, und zwar (3) gefolgt durch die Entladestromeinleitung zur Zeit4 t, ΌΟΟ nsec später, worauf dann (4) die Stromspitze folgt, nach einer zusätzlichen Zeitü t.,^ 50 nsec. Beim geschalteten Entladungsverfahren ist die Verfahrensweise wie folgt: Man beginnt (1) mit dem Anlegen eines elektrischen Feldes, wobei nach einer Zeit

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-'= 1-10 psec später (2) ein Elektronenstrahl angelegt wird, und zwar gefolgt von (3), dem Entladungsstromfluß beginnend zur Zeit/It, -<5O nsec später und dann gefolgt von (4) einem Spitzenstrom nach einer zusätzlichen Zeit t <50 nsec. Das geschaltete Entladungsverfahren gestat

tet den Betrieb bei bescheidenen Elektronenstrahlstrom-

2
dichten (J_b^0,1 A/cm ), und zwar angelegt darauffolgend auf die Anlegung eines elektrischen Feldes mit einer Stärke £ = 10-20 KV/cm. Unter Verwendung relativ langer elektrischer Feldaufbauzeiten von 1-10jJsec (Fig. 6) wird die Lebensdaμer des Schalters S1 der Fig. 2 auf geschätzte 10 -Zyklen oder mehr verlängert. In Fig. 6 wird die Leitfähigkeit anfangs durch die freie Elektronendichte η , erzeugt durch den Elektronenstrahl, bestimmt, darauffolgend aber wird die Entladung nicht durch die darauffolgende Elektronenstrahlintensität gesteuert.

Fig. 7 zeigt das theoretische Wachstum von η mit der Zeit, und zwar unter Verwendung der geschalteten Entladung für unterschiedliche Bereiche maximaler Werte des anfangs rampenförmigen elektrischen Feldes £ . Das statische elektrische Durchbruchs feld £., (J, ) für das Laser-Gas beträgt 10-20 KV/cm für ein Edelgas/Halogenid-Gas bei einem Gesamtdruck von ungefähr einer Atmosphäre (68oo Pascal) mit

J, = 0,25 A/cm . Die Kurve ε = 0 entspricht dem Aufrechterhaltungsverfahren und die Kurve 0 < £. <£, einer rekombinationsbegrenzten Kurve; diese beiden Kurven zeigen eine frühe Sättigung. Wenn das statische Anfangsfeld έ _r = £-b^^Jb^ ist, so befinden sich die Rekombinationsverluste und die Lawineneffekte in angenähertem Gleichgewicht, so daß'Log (n_e) linear mit t wächst. Für f_r>i_b(J_d) können die Lawineneffekte von Anfang an bestimmend sein, in

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welchem Fall Log (n_e) schneller als linear wächst und eine Kurve £ 'folgt; wenn jedoch die Rekombination anfangsbestimmend ist (für kleine Werte von n₃), so kann Log (n_e) anfangs unterhalb der linearen Wachstumskurve (£ -£_b(J_d)) liegen und schneller als linear (Kurve £ *') wachsen, nur nachdem n_e einen gewissen Schwellenwert erreicht hat. Bislang ist es schwer festzustellen, ob die Größe Log (n ) einer Kurve tj/oder einer Kurv
bruchsfeldes fc_b =fc_b(J_d) folgt.

einer Kurve tj/oder einer Kurve t"' oberhalb des DurchIn Fig. 8 ist die gemessene Abhängigkeit der Entladungszeitverzögerung ^t, beim Gesamtdruck ρ des Laser-Gases (hauptsächlich Ar) gemessen, und zwar für unterschiedliche Gaszusammensetzungen des Gases mit einem Ar-Puffer und Laser-Komponenten Kr + F. Man stellt fest, daß für J. =

2
0,37 A/cm die Entladungszeitverzögerung am längsten für eine Mischung von 86,5 % Ar +12,5 % Kr + 1 % F- ist, und am kürzesten (für ρ ^ 950 Torr) für eine Mischung von 87,17 % Ar, 12,5 % Kr und 0,33 % F₃. Die Veränderung von 4t, bei einem vorhandenen Prozentsatz von F- ist wesentlich kleiner, wenn ein He-Puffer verwendet wird, wie dies durch Fig. 9 angegeben wird, wobei aber irgendein Puffer bei dem geschalteten Entladungsverfahren verwendet werden kann.

Die gemessene Laser-Ausgangsgröße E_T ändert sich abhängig vom Gesamtgasdruck ρ und mit der Gaszusammensetzung, wie

2 dies in Fig. 10 mit J, = 0,37 A/cm angegeben ist, wobei eine Änderung auch abhängig von vielen anderen Parametern wie beispielsweise den Spiegelreflektionseigenschaften erfolgt. Die gesamte Laser-Ausgangsgröße ist scheinbar nur

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geringfügig empfindlich gegenüber der Gaszusammensetzung, aber manifestiert eine wohldefinierte Druckabhängigkeit. Das Auftreten des breiteren Maximums für ein 0,33 % F₂ enthaltendes Gas, verglichen mit einem 1 % F₂ enthaltenden Gas, ist ebenfalls charakteristisch für die Laser-Ausgangsgröße für das UV-Vorionisationsverfahren; das UV-Vorionisationsverfahren ist aber mit einem Ar-Puffer nicht betriebsfähig. Demgemäß ist das geschaltete Entladungsverfahren mit mindestens einer Gasmischung (Kr/F/Ar) betreibbar, für welche das UV-Vorionisationsverfahren nicht betreibbar ist. Das Vorhandensein dieses breiteren Maximums ist dann brauchbar, wenn der Gesamtsystemdruck stochastisch ist und innerhalb eines engen Druckbereichs nicht steuerbar ist; der optimale 1 % F₂ entsprechende Druck tritt bei einem kleineren Systemdruck (ρ λ, 500 Torr) auf und dieses System macht weniger Energie erforderlich, um das (weniger massive) Laser-Gas zu rezirkulieren, als dies beim System mit 0,33 % F₂ der Fall ist. Innerhalb eines vernünftigen Bereichs der F^-Fraktion im Gas ist somit ein höherer Prozentsatz an F₂ vorzuziehen, wenn man in erster Linie an der aufgewandten Gasrezirkulationsenergie interessiert ist.

Dia Arbeitsweise des geschalteten Entladungskonzepts wurde demonstriert und die Fig. 5, 6, 8, 9 und 1o basieren auf experimentellen Daten. Die Arbeitsweise entspricht den allgemeinen hier beschriebenen Konzepten.

Das geschaltete Entladungsverfahren kann mit He, Ne oder Ar-Puffern betrieben werden, wobei, wie oben erwähnt, das UV-Vorionisationsverfahren anscheinen nur mit He betreibbar ist.

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Sze berichtet in Jour, of Appl. Phys. 50, 4596 (1979) über eine Laser-Wirkung in XeCl mit He, Ne oder Ar als Puffer, und zwar unter Verwendung einer elektrischen Lawinenentladung. Sze arbeitet nur mit Gesamtgasdrücken von 10O0-250O Torr, was 2-5 mal so hoch ist wie die optimalen Drücke für das geschaltete Entladungsverfahren. Ferner erhöht sich bei der Verwendung der Sze'sehen Lösung mit einem Neon-Puffer anscheinend die Laser-Energieausgangsgröße mit ansteigendem Druck, was anzeigt, daß ein optimaler Druck, wenn dieser überhaupt existiert, nur bei sehr hohen Gesamtdrücken auftritt. Der optimale Druck für die He-Pufferung scheint bei ungefähr 2300 Torr für die Sze"sehe Lösung zu liegen. Für das geschaltete Entladungsverfahren tritt der optimale Druck bei wesentlich niedrigeren Drücken auf, beispielsweise bei ρ = 500 Torr für eine Ar-Pufferung, wie dies in Fig. 1o gezeigt ist. Ferner macht die Sze'sehe Laser-Vorrichtung Stromdichten von ungefähr 625 A/cm erforderlich, die über ein Zeitintervall von ungefähr 30 nsec geliefert werden, wie man dies aus seinem früheren Bericht in Rev. Sei. Instrum. 49, 772 (1978) entnehmen kann. In einem dritten Bericht diskutieren Sze und Scott in 33 Appl. Phys. Lett. 419 (1978) die Schwierigkeiten beim Erhalt einer Laser-Wirkung in einem RGH-Medium, wie beispielsweise XeCl und KrCl, und ziehen den Schluß, daß "high energy laser response is favored in electric discharge approaches over electron beam excitation of the laser medium."

Das verwendete System bestand aus den allgemeinen in Fig.3 gezeigten Komponenten mit der Ausnahme, daß keine Gasströmung vorgesehen war. Die Laser-Gasmischung war in einer Teflon-Zelle enthalten und Metallelektrodenhalteplatten bildeten zwei der Zellenoberflächen. Die Elektroden waren

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30 cm lang und annähernd 2 cm breit. Eine Elektrode war mit einem 1 cm χ 3o cm Schlitz aufgebaut, durch welchen der Elektronenstrahl in das aktive Entladungsvolumen eintrat, wobei diese Elektrode mit einem feinmaschigen Schirm bedeckt war. Die Elektrodentrennung betrug nominell 2,5 cm. Der Elektronenstrahl wurde aus einer kommerziellen Quelle erhalten, und seine nominellen Eigenschaften waren ein

2
Strahlstrom von 10 A/cm bei 250 KV und einer Zeitdauer von 100 nsec. Die Strahlstromdichte wurde vor dem Eintritt in das aktive Entladungsvolumen gedämpft, und zwar durch Anordnung einer Reihe von feinmaschigen Schirmen hinter der mit Schirm versehenen Elektrode. Die Strahlstromdichten von 250 mA/cm wurden bei diesem Verfahren in zuverlässiger Weise erhalten. Der Zwischenenergiekondensator C₂ bestand aus 30 Keramikkondensatoren, angeordnet entlang der Länge der Elektrode, wobei die nominelle Kapazität 500 Ii f/Kondensator bei 40 KV betrug. Das Impulsladenetzwerk bestand aus einem 0,1 jtlf/Kondensator (C, in Fig. 3), geschaltet durch einen getriggerten Funkenspalt (S₁). Eine hinreichende Induktivität wurde dieser Schaltung hinzugefügt, um Entladungszeiten für C₂ von nominell 5 U see zu erhalten, und der Primärkondensator C₃ wurde mit einer Gleichspannungsleistungsversorgung geladen. Die Laser-Ausgangsgröße wurde als ein Maß für die Leistungsfähigkeit verwendet. Der optische Hohlraum wurde durch ein Brewster Fenster gebildet und ein Paar von Spiegeln mit nominellen Reflektivitäten von 9 8% und 70% war vorgesehen. Die Gasmischung bestand aus AR : Kr : F₂ in den Verhältnissen von 9 45 : 50 : 5. Zusätzlich zu Tests unter diesen Nominalbedingungen wurden Veränderungen der Bedingungen und Komponenten vorgenommen, um so einen Bereich potentiellen Betriebs festzulegen und Empfindlichkeiten gegenüber Parametern und optimalen Betriebsbedingungen bei dieser speziellen Konfiguration zu ermitteln. Diese Variationen

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sind in Tabelle 1 angegeben.

Wie oben erwähnt, gestattet das geschaltete Entladungsverfahren, den Laser-Betrieb in einem Gas gepuffert durch He, Ar oder Ne oder eines der ein höheres Atomgewicht aufweisenden Edelgase. Auf diese Weise ist der Betrieb eines RGE-Lasers unter Verwendung von Ar oder Kr oder Xe möglich, obwohl dies bislang noch nicht experimentell bewiesen wurde,

Nighan in seiner obenerwähnten Übersicht über die Elektronenstrahl-gesteuerten Entladungsanregungen von RGH-Lasern bemerkt, daß die E-Strahl-gesteuerte Entladung (e beamcontrolled discharge = ebcd) anscheinend die Möglichkeit einer höheren Durchschnittsleistung gestattet, als dies für den reinen Elektronenstrahlweg möglich ist. Ein Problem beim konventionellen ebcd-Weg besteht darin, daß das elektrische PeId/Gasdichten-Verhältnis E/n auf Werte unterhalb

— 16 2
1,2 χ 10 Volt/cm begrenzt ist, wenn man eine stabile Entladung für Perioden in der Grössenordnung von 0,5.1/sec oder länger aufrechterhalten wollte. Dies ist graphisch in Fig. 11 gezeigt, wo die Fig. 19 der Nighan'schen Übersicht dargestellt ist. Dies bedeutet eine Beschränkung auf die Verwendung elektrischer Felder mit ziemlich niedriger Größe oder hohen Dichten, oder aber Instabilitäten wie die Bogen- und Strom-Bildung tritt auf, bevor sämtliche brauchbare Energie im Gas-Laser abgeschieden werden kann. Im Gegensatz dazu arbeitet das geschaltete Entladungsverfahren

mit elektrischen Feldern von ungefähr 30 KV/cm und Gasig _o — 15 dichten von ungefähr 2 χ 10 cm , so daß E/n =^ 1,510 ist, d.h. eine Größenordnung größer als die maximal praktikablen Werte für die konventionelle ebcd-Lösung.

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—2% —

3046887 33·

Ein zweites Problem bei der ebcd-Lösung mit RGH-Lasern wird von Nighan in der obenerwähnten Literaturstelle genannt, und zwar handelt es sich hier um den relativ kleinen Leistungsverstärkungsfaktor EF (= Entladeleistung - gelieferte E-Strahlleistung). Wie in Fig. 12 gezeigt, die eine Wiedergabe der Fig. 9 aus der Nighan Literaturstelle ist, ist für die ebcd-Lösung EF 2-4 im Bereich des stabilen Ladungsbetriebs. Dies ist enttäuschend wenig, verglichen mit dem EF verfügbar für Infrarotmolekular-Laser (EF>1OOO) und ist eine direkte Folge der erforderlichen hohen E-Strahl-Leistung, die erforderlich ist, um die Elektronendichte auf einem hinreichenden Niveau zu halten, in Gegenwart des enormen Verlusts an Elektronen infolge der Halogen-Dimer (beispielsweise F₂)- dissoziativen Bindung. Für das geschaltete Entladungsverfahren mit V = 30 KV, Z (Gasimpedanz bei Entladung) = 0,5-Sl., E = 10 KV/cm und J, = 0,1 A/cm kann man verifizieren, daß EF = (V /Z_Q)/J_b(- ^)Sr40 zu dieser Zeit der Entladung oder Spitzenstromfluß.

Das geschaltete Entladungsverfahren erreicht dieses Leistungsfähigkeitsniveau durch rampenartige Ausbildung des aufgeprägten elektrischen Feldes relativ kurz (über eine Periode /\t ^& 1 ;L/sec) auf eine Spannung nahe aber unterhalb der Übergangsdurchbruchsspannung V,. , die mit dem speziellen Laser-Gas bei diesem Druck verbunden ist. Nach einer Zeit t

2 wird ein kleiner E-Strahlstrom (J, = 0,1-1,0 A/cm ) an das Entladungsvolumen angelegt und die Entladung tritt auf. Eine potentielle Instabilität durch Bogen- und Strömungs-Bildung im Gas ist noch immer vorhanden, aber tritt lange nach der Spitze in der Stromdichte auf ( 4t ^ 50 nsec nach der E-Strahlstromanlegung). Man erreicht somit enorme Werte für EF ( ^ 40 000) mit der geschalteten Entladungsmethode

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durch Verzögerung des Einsetzens der Instabilität.

Obwohl bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, so sind doch Abwandlungen und Änderungen möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

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Tabelle 1

Parameter

Variationsbereich Ergebnisse und Kommentare

1. Entladungsspannung

0-40 KV Beste Leistungsfähigkeit bei der höchsten Spannung

2. Strahlstromdichte

0.1-10 A/cm"ⁱ Laser-Ausgangsgröße bei sämtlichen Bedingungen

3. Ladezeit

0.1-10 usec Keine signifikante Variation hinsichtlich Leis tungs fahigkeit

4. Gasmischung

F₂ 0-25 Torr

Kr 0-200 Torr

Ar 0-1500 Torr

He 0-1500 Torr

Xe 0-10
HCl 0-5

Torr Torr Verwendet in verschiedenen Kombinationen für Tests von KrF, ArF, XeF, XeCl-Lasern.

Optimal für KrF mit Ar-Puffer, gezeigt in Fig.1o. Ähnliche Optima wurden für andere Gas-Laser gefunden.

5. Strahlstromrückstellzeit

10-90%, 50 nsec 100 nsec Keine signifikante Variation

6. Elektrodenkontur

Offenes Maschengitter, 0,5 cm Spalt der "Grätenart "

Keine signifikante Variation

7. Elektrodenpolarität

Schirm-Anode Kathode

Keine signifikante Variation

8. Optischer Hohl-Ausgangsreflektor Leistungsfähigkeit

raum 30-70%, wie für optischen Hohl-

Interne Spiegel, raum erwartet injektionsverriegelt

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-52-

Parameter Variationsbereich Ergebnisse und Kommentare

9. Schnelle Trans- Bariumtitanat- J optimal, ferschleife Kondensator Cu: Streifenleitungsleistungs-

Glasstreifenlei- fähigkeit gut, tung, Glimmer hohe Induktivität, hoher Induktivität hohe Kapazität neigt

zur Bogenbildung.

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Claims (8)

1. Patentansprüche

   ii Verfahren zur Laser-Anregung zur Erzeugung wiederholter schneller elektrischer Entladungsschaltungen eines Edelgas-Halogenid-Lasergases, wobei ein elektrisches Feld über ein Zeitintervall 4t- an die Edelgas- und Halogengasmischung angelegt wird, die eine damit verbundene statische Selbstdurchbruchsspannung V-, in einem Entladungsvolumen aufweist, welches einen Elektrodenspalt von mindestens 1 cm besitzt,

   dadurch gekennzeichnet , daß das elektrische' Feld ein im wesentlichen räumlich gleichförmiges gepulstes elektrisches Feld mit ansteigender Größe ist, und zwar angelegt über das Zeitintervall At» hinweg, welches zwischen 1 Mikrosekunde und 1 Millisekunde beträgt, und daß die zugehörige elektrische Feldspannung oberhalb V^ , aber unterhalb der Ubergangsspannung Vj_t ist, die erforderlich ist, um den Durchbruch des Laser-Gases hervorzurufen, und zwar beim Anlegen der Spannung für das Zeitintervall*. , wobei nach dem Anlegen des gepulsten elektrischen Feldes und dem darauffolgenden Erreichen seines Maximalwertes ein kurzer extern erzeugter Elektronenstrahlimpuls durch das Entladungsvolumen geleitet wird, und zwar mit einer Stromdichte im wesentlichen

   2
   gleich 0,1-1,0 A/cm und einer Impulsdauer/^. £* 10 Nanosekunden ausreichend, um eine elektrische Entladung am Entladungsvolumen einzuleiten und die Laser-Anregung zu bewirken.

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   ORiGiNAL INSPECTED
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Schritt des Fließenlassens von Gas über das Entladungsvolumen hinweg in einer Richtung im wesentlichen quer zur vorbestimmten Richtung der Richtung des im wesentlichen gleichförmigen elektrischen Feldes.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennz eichn e t durch den Schritt des Fließenlassens von Gas über das Entladungsvolumen in einer Richtung im wesentlichen quer zur Richtung des Laufs des Elektronenstrahlimpulses.
4. 4. Vorrichtung zur wiederholten schnellen elektrischen Entladungsschaltung eines Edelgas-Halogenid-Laser-Gases, gekennzeichnet durch: ein Gasentladungsvolumen mit einer geeigneten Edelgas- und Halogengasmischung darinnen,

   ein eine niedrige Induktanz aufweisendes elektrisches Energiespeicher- und Entladungs-Netzwerk mit einer elektrischen Energiespeicher-Schaltung, welche Spannungsanstiege bis zu 40 Kilovolt in einem Zeitintervall t₁ zwischen einer Mikrosekunde und 1 Millisekunde gestattet, und mit einer elektrischen Entladungsschaltung mit einem elektrischen Entladespalt,positioniert in dem Gasentladungsvolumen und betriebsmäßig assoziiert mit der elektrischen Energiespeicherschaltung, die die Entladung der in der Speicherschaltung gespeicherten Energie am elektrischen Entladungsspalt in einem Zeitintervall At₂ *- 40 Nanosekunden gestattet,

   ein Paar von Elektroden, die an entgegengesetzten Seiten von und sich hinein erstreckend in dem Gasentladungsvolumen angeordnet sind und einen Elektrodenspalt von min-

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   destens 1 cm aufweisen,

   eine zeitveränderliche Spannungsquelle, die elektrisch mit dem Elektrodenpaar verbunden ist und gestattet, daß ein im wesentlichen gleichförmiges elektrisches Feld von mindestens 2o Kilovolt/cm an den Elektrodenspalt in einem Zeitintervall von der Größenordnung Δt^ angelegt wird und

   Elektronenstrahlmittel zum Hindurchleiten eines Elektronenstrahls mit einer Stromdichte J. im wesentlichen 0,1-1,0 A/cm und einer Impulsdauer At ? 10 Nanosekunden von einer Elektrode zur anderen Elektrode.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Gasströmungsmittel zum Aufprägen einer subsonischen Strömung von Laser-Gas über das Entladungsvolumen hinweg.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Laser-Gas ein Hochdruck (ρ'*·500 Torr)-Puffergas aufweist, welches der Gruppe aus Helium, Neon, Argon, Krypton und Xenon entnommen ist.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Laser-Gas 0,33-1,0% F, aufweist.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß das eine niedrige Induktivität aufweisende elektrische Energiespeicher- und Entladungs-Netz-

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   ./,. 30A6687

   werk eine erste Schaltung aufweist, die einen ersten Kondensator und einen zweiten Kondensator in Serie mit dem Schalter besitzt, und daß eine zweite benachbarte Schaltung den ersten Kondensator in Serie mit dem Paar der Entladungsvolumenelektroden aufweist.

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