DE3109081A1 - "elektronenentladungsanordnung" - Google Patents

Description

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Elektronenentladungsanordnung

Die vorliegende Erfindung betrifft Elektronenentladungsvorrichtungen und insbesondere Elektronenentladungsvorrichtungen, bei denen in einem Volumen eine Entladung durch Elektronenbestrahlung des Volumens erzeugt wird.

Seit einiger Zeit verwendet man Elektronenstrahlgeneratoren, um die Moleküle eines gasförmigen Arbeitsmediums zu erregen; diese Molekülerregung ist nutzbar zur Erzeugung einer Laserwirkung in einem optischen Resonator. Weiterhin kann man diese Erregungsart mit Vorteil dazu einsetzen, um die gewünschte elektrische Leitfähigkeit eines gasförmigen Arbeitsmediums in einer magnetohydrodynamischen Anordnung wie beispielsweise einem Generator und Beschleuniger einzustellen. Schließlich kann man sie auch bei anderen Anordnungen verwenden, die mit elektrisch leitfähigen bzw. ionisierten Gasen arbeiten.

Die US-PS 3 702 97 3 beschreibt einen Elektronenstrahlgenerator, der in einer Form - für die Zwecke der vorliegenden Erfindung sich beschreiben läßt als eine Vakuumkammer, in der eine Kochspannungselektrode einen gerichteten Strom aus Elektronen auf eine geerdete Elektrode richtet. Eine als Elektronenstrahlfenster in der Vakuumkammer an der geerdeten Elektrode dienende Folie stellt eine Barriere dar, mit der sich das Vakuum in der Kammer aufrechterhalten läßt, ist aber für die Elektronen im wesentlichen transparent, so daß der Elektronenstrom aus

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der Vakuumkammer austreten kann. Eine dritte Elektrode ist unmittelbar an der Folie außerhalb der Vakuumkammer, eine vierte Elektrode von der dritten Elektrode beabstandet angeordnet, so daß ein Laserresonatorraum außerhalb der Vakuumkammer entsteht, in dem ein Druck von etwa 0,1 bis ,1 atm und mehr herrschen kann. Eine Hochspannung ist über die dritte und vierte Elektrode gelegt, das gemeinsam mit dem Elektronenstrahl eine Entladung bewirkt, infolge der das zwischen den Elektroden durchfließende Arbeitsgas molekular erregt wird, so daß im Laser eine Populationsinversion und ein Laserstrahl entsteht.

Es hat sich herausgestellt, daß bei den bekannten Anordnungen sich kein gleichmäßiger Elektronenstrahl aufrechterhalten läßt, da die Folie die austretenden Elektronen streut und diese Streuung im wesentlichen unabhängig von der Beschleunigungsspannung ist. Es hat sich weiterhin ergeben, daß das Profil des Elektronenstrahl über den Arbeits- bzw. Wechselwirkungsbereich praktisch unabhängig von den Eigenschaften des Elektronenstrahlgenerators ist (mit Ausnahme des Bereichs unmittelbar an der Folie). In das durch den Reaktionsbereich strömende Gas hinein vorstehende Bauelemente verursachen eine Turbulenz, die bei einem Laser die optische Güte des Laserstrahls beeinträchtigt.

Die Elektronenstreuung durch die Folie in den bekannten Anordnungen bewirkt weiterhin, daß wesentliche Anteile der Energie im Gas in Teilen des Arbeitsbereichs vorliegen, wo sie - wenn überhaupt - von geringem Wert sind.

Die vorliegende Erfindung stellt eine Verbesserung gegenüber Anordnungen der oben beschriebenen Art dar, ist aber nicht nur auf Laser beschränkt, sondern läßt sich auch in Anordnungen zur Erzeugung chemischer Reaktionen in Gasen, zum Ionisieren eines Gases und/oder zum Erzeugen einer kontrollierten Entla-

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dung in einem Gas zum molekularen Erregen desselben anwenden. Ihr Ziel ist, den Winkel zu begrenzen, innerhalb dessen die durch die Folio hindurchtretenden Elektronen von dieser gestreut werden, um die Elektronen innerhalb eines erwünschten Bereiches und somit die Verluste minimal zu halten.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Elektronenentladungsanordnung mit einem Arbeitsbereich, durch den ein Arbeitsgas geführt wird und in den durch eine dünne Folie in einer von zwei gegenüberliegenden Wänden, die den Arbeitsbereich begrenzen, ein breitflächiger Elektronenstrahl eingeführt wird. Ein elektrisches Feld wird über den Arbeitsbereich mittels zweier Elektroden beabstandeter gelegt und ein t- Lektrisch leitfähiges Abschirmelement mit einer Vielzahl von öffnungen ist an der Folie so angeordnet, daß der Elektronenstrom zunächst durch die Folie und dann durch die öffnungen treten muß, um in den Arbeitsbereich zu gelangen. Diese öffnungen sind so tief, groß und beabstandet, daß der Elektronenstrom nur ein vorbestimmtes Volumen im Arbeitsbereich bestrahlt.

Die Erfindung soll nun anhand einer Ausführungsform unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung ausführlich beschrieben werden.

Fig. 1 ist eine schematisierte Darstellung eines Lasers mit der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ist eine teilweise weggebrochene Perspektivdarstellung einer modifizierten Form des Elektronenstrahlfenster-Abschirmelements des in Fig. 1 gezeigten Lasers; und

Fig. 3 zeigt als Graph die Elektronenstrahl-Stromdichte im Arbeitsbereich für eine gegebene Fensterbreite, im Vergleich 7*

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einem Elektronenstrahlfenster nach dem Stand der Technik.

Die Fig. 1 zeigt schaubildlich einen Elektronenstrahl-Dauerstrichlaser ("electron beam sustainertype laser") mit dem Bezugszeichen 10. Während die Erfindung hier anhand dieses Lasers beschrieben werden soll, wird darauf hingewiesen, daß sie gleichermaßen anwendbar ist auf andere Elektronenentladungsanordnungen, wie bereits erwähnt. Der als Beispiel angeführte Laser 10 weist ein Außengehäuse 12 mit einem Arbeitsbereich 14 auf. Dem Gehäuse 12 wird Gas über einen Gaseinlaß 16 zugeführt, das dann durch den Arbeitsbereich 14 zu einem Gasauslaß 18 strömt. Die Fig. 1 scheint eine Gasströmung von rechts nach links vorzuschreiben;vorzugsweise strömt das Gas jedoch rechtwinklig zur Zeichenebene. Das Gas ist das Lasermedium für den Laserstrahl und kann eine Gasmischung aus Kohlendioxid, Stickstoff und Helium oder auch ein anderes Lasergas bzw. eine Lagergasmischung sein. Eine langgestreckte Elektrode 20 ist entlang einer Seite des Gehäuses 12, eine langgestreckte Elektrode 22 (auf geeignete Weise geerdet) der Elektrode 20 gegenüber angeordnet; zwischen sich bilden die Elektroden den Laserarbeitsbereich 14. An die Elektrode 20 ist eine Hochspannung aus einer geeignet geerdeten Spannungsversorgung 24 über eine Leitung 26 gelegt. Das Gas im Arbeitsbereich 14 wird von einem breitflächigen gerichteten Strom Elektronen aus einer Elektronenstrahlanordnung molekular erregt, die in der Kammer 30 angeordnet ist. Die Kammer 30 wird von einer Vakuumpumpe 32 auf einem sehr niedrigen Druck gehalten, die über eine von der Kammer 30 abgehende geeignete Leitung 34 angeschlossen ist. Eine langgestreckte, mit einer Hochspannung beaufschlagte Elektrohenstrahlgeneratorelektrode 36 ist in der Kammer 3 0 angeordnet und wird aus einem geeignet geerdeten Spannungsversorgungs- und Steuersystem 38 über eine

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Leitung 39 mit elektrischer Spannung versorgt. An die Elektrode 36 ist eine so hohe Spannung gelegt,daß sie einen gerichteten Elektronenstrom zur geerdeten Elektrode 42 hin beschleunigt. Die Elektrode 42 kann aus einem maschenfÖrmigen Material ausgebildet sein, so daß ein wesentlicher Anteil der auf sie gerichteten Elektronen durch sie hindurchtritt. Der gerichtete Elektronenstrom tritt auch durch eine in ihrer Bewegungsbahn liegende Folie 40 hindurch. Die Folie 40 wirkt als Elektronenstrahlfenster und besteht aus einem Material, das die Kammer 30 dicht abschließt, das Hindu'rchtreten des gerichteten Elektronenstroms aber bei minimaler Dämpfung zuläßt. Zu diesem Zweck lassen sich zahlreiche Werkstoffe verwenden - beispielsweise Aluminium, Titan usw.

Die Folie 40 deckt dicht abschließend eine Öffnung in der Kammer 30 ab und ist am zweckmäßigsten auf einer netzartigen ("reticulated") Metallplatte (nicht gezeigt) in elektrischer Verbindung mit dem Gehäuse 12 gelagert. Die Folie 40 deckt die öffnung in der Kammer 30 vollständig ab und vorläuft auf allen Seiten weit genug über diese hinaus, daß sie sich mit einem geeigneten Halterungsring oder dergleichen abnehmbar und dicht abschließend auf der Wandung der Kammer 30 festlegen läßt.

Wie ausführlicher anhand der Fig. 2 erläutert, befindet sich über der Folie 40 - diese abdeckend - ein Abschirm- bzw. Einfassungselement 45, das eine Anordnung von Schlitzen 4 6 vorbestimmter Tiefe, Größe und vorbestimmten Abstandes enthält, so daß den durch die Folie 40 hindurchtretenden Elektronen der gewünschte Streuwinkel erteilt wird. Das Einfaßelement 40 schließt vorzugsweise bündig mit der Wandung 4 9 ab, in der es angeordnet ist, um dort die Turbulenz minimal zu halten.

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Soll der Laser 10 in Betrieb genommen werden, wird das gasförmige Arbeitsmedium durch den Arbeitsbereich 14 geführt und von der Spannungsversorgung 24 und der Spannungsversorgung mit Steuerung 38 den Elektroden 20, 22 im Arbeitsbereich bzw. der Elektronenstrahlgeneratorelektrode 36 die Betriebsspannung zugeführt. Für den Impulsbetrieb kann aus der Spannungsversorgung 24 an die Elektroden 20, 22 eine Impulsspannung,aus der Spannungsversorgung und Steuerung 38 an die Elektronenstrahlgeneratorelektrode 36 koinzident mit den Sustainerimpulsen an den Elektroden 20, 22 eine Impulsfolge gelegt werden.

Wird die Spannungsversorgung 38 angeschaltet, bewirken die Elektroden 20, 22 zusammen mit dem gerichteten Elektronenstrom, der über den Arbeitsbereich fließt, eine Inversion im Gas innerhalb des Arbeitsbereiches 14, so daß die Laserwirkung entsteht. Die Spiegel 44, 47 an den gegenüberliegenden Enden der Elektroden 20, 22 bilden zwischen sich einen regenerativen optischen Laserresonator, so daß im Arbeitsbereich 14 ein kohärenter Laserstrahl entsteht. Der Laserspiegel 47 kann teildurchlässig sein, so daß ein Teil des auftreffenden Strahls aus dem Gehäuse in Form eines gerichteten Laserstrahls hinaustritt. Alternativ kanu man, wie bekannt, die Spiegel 44, 47 fortlassen und den Laserstrahl durch den Resonator hindurchschicken, wenn der Laser als Verstärker arbeiten soll.

Die Fig. 2 zeigt eine erfolgreich eingesetzte Form eines Abschirm- bzw. Einfassungselements 45 in Rechteckgestalt mit in seiner Längsrichtung verlaufenden Schlitzen 46. Die Schlitze machen den größten Teil der Querschnittsfläche des Elements 45 aus. Während hier das Abschirmelement 45 als auf der Folie 40 aufliegend und diese abdeckend dargestellt ist, ist einzusehen, daß das Abschirmelement 45 erwünschtenfalls auch von der Folie beabstandet liegen kann. Diese Beabstandung des Ab-

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schirmelements von der Folie 40 reduziert den Wärmeübergang von der Folie 40 zum Element 45 und hat den weiteren Vorteil, das Längen-Breiten-Verhältnis der Schlitze bzw. Öffnungen und so die Elektronenstrahlverluste im Abschirmelement zu verringern.

Allgemein geht die Bestimmung der Abmessungen der Schlitze bzw. öffnungen von dem Gesichtsfeld bzw. dem zu bestrahlenden Volumen aus. Nachdem man das gewünschte Gesichtsfeld festgelegt, hat, bestimmt man die Abmessungen der Schlitze bzw. öffnungen und der Stege 50 auf herkömmliche Weise, wobei man sie vorzugsweise so wählt, daß die Bestrahlung durch den Elektronenstrahl auf den gewünschten und wirkungsvollsten Volumenbereich beschränkt bleibt, für den die Verluste im Abschirmelement minimal sind. Wo erhebliche Ausgangsleistungen vorliegen, kann man in dem Abschirmelement (nicht gezeigte) Kühlmittelkanäle und/oder Leitungen 48 für ein Kühlmittel vorsehen.

Für herkömmliche Anwendungen, in denen ein breitflächiger rechtwinkliger Elektronenstrahl erzeugt werden soll, sind die Schlitze 40 am zweckmäßigsten, wie sie dia Fig. 2 zeigt, da mit Ausnahme der äußersten Enden des Laserarbeitsbereichs die Elektronenstreuung in der Längsrichtung im wesentlichen ohne Belang ist. Verwendet man also einen Arbeitsbereich mit einem anderen als rechteckigen Querschnitt, brauchen die öffnungen im Abschirmelement nicht rechteckig zu sein; ε te können vielmehr eine beliebige Form, Gestalt oder Orientierung annehmen.

Die vorliegende Erfindung ist von größtem Wert für Anordnungen, in denen die Elektronenstrahlenergie ausreicht, um die Elektronen beim Austreten aus der Folie 40 zu streuen. Bei ausreichend hohen Elektronenstrahlenergien treten Elektronen aus der Folie aus und fliegen mehr oder weniger gradlinig weiter, so daß ein

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Abschirmelement entfallen kann. In vielen Anwendungen sind derart hohe Elektronenstrahlenergien jedoch entweder unnötig oder unerwünscht.

Die Fig. 3 zeigt die mit dem Abschirmelement einer Anordnung nach der vorliegenden Erfindung erreichbare Verbesserung. Die äußere Kurve stellt an einem Beispiel die Elektronenstrahlstromdichte in einem typischen Arbeitsbereich für eine offene Folie dar, die innere Kurve die erheblich eingeengte Stromdichte, die im wesentlichen auf den effektiven Arbeitsbereich der abgeschirmten Folie beschränkt ist. In den Elektronenentladungsanordnungen des hier beschriebenen Dauerstrichtyps wird der größte Teil der elektrischen Leistung an das Arbeitsgas von der Sustainerschaltung mit den Elektroden 20, 22 der Fig. 1 abgegeben, aber im wesentlichen nur dort, wo der Elektronenstrahl existiert. Es läßt sich nun einsehen, daß die Verringerung dar Leistunqsverluste stromauf- und -abwärts des wirksamen Laserarbeitsbereichs, d.h. in den Bereichen zwischen den Flanken der beiden Kurven in Fig. 3, die zu einem wirkungsvollen Betrieb nicht wesentlich beitragen, weit größer ist als die eventuell erforderliche Steigerung der Elektronenstrahlleistung zum Ausgleich der Verluste im Abschirmelement.

Wie die Fig. 2 zeigt, ist das Abschirmelement 45 vorzugsweise in die Kanalwandung 4 9 so eingelassen, daß seine Außenfläche bündig mit der offenliegenden Oberfläche der Kanalwandung 49 verläuft. Weiterhin arbeitet das Abschirmelement 45 vorzugsweise als Elektrode der Sustainerschaltung (Elektrode 22 der Fig. 1). Indem man das Abschirmelement 45 als bündig in die Kammerwandung eingesetzte Elektrode der Sustainerschaltung ausnutzt, engt man einerseits den Elektronenstrahl ein, was erwünscht ist, und umgeht zusätzlich die Notwendigkeit von in der Gasströmung liegenden Elektroden, wie sie beispielsweise die

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US-PS 3 860 887 zeigt. Eine Elektrode 20 (Fig. 1) als ebene Metallplatte, die bündig in der Kammerwandung sitzt, ergibt zusammen mit der hier offenbarten Elektrode 22 eine verbesserte Elektronenstrahlverteilung, verringerte elektrische Leistungsverluste und auch bessere optische Eigenschaften des Laserstrahls selbst, da auf diese Weise die Turbulenz im Laserarbeitsbereich minimal bleibt.

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Leerseite

Claims (8)

1. 2 385 Revere Beach Parkway, Everett, Massachusetts, V. St. A.

   Patentansprüche

   Λ J Elektronenentladungsanordnung mit einem Arbeitsbereich, durch ein Arbeitsgas geführt und in den ein breitflöchiger Elektronenstrom durch eine dünne Folie hindurch eingeführt wird, die in einer von zwei gegenüberliegenden Wandungen sich befindet, die den Arbeitsbereich begrenzen, wobei über den Arbeitsbereich mittels zweier beabstandeter Elektroden ein elektrisches Feld gelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisch leitfähiges Abschirmelement (45) mit einer Vielzahl von öffnungen (46) unmittelbar an der Folie (40) so angeordnet ist, daß der Elektronenstrom erst die Folie und dann die öffnungen durchtreten muß, um in den Arbeitsbereich (14) zu gelangen, wöbe L die Tiefe, die Größe und der Abstand der öffnungen so gewählt sind, daß der Elektronenstrom nur ein vorbestimmtes Volumen des Arbeitsbereichs durchströmt.
2. 2. Elektronenentladungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ab schirme leinen t (45) die FoI \e (40) berührt.

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3. 3. Elektronenentladungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschirmelement (45) von der Folie beabstandet liegt.
4. 4. Elektronenentladungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (40) und das Abschirmelement (45) in eine (49) der zwei gegenüberliegenden Wände eingelassen sind und die die Folie nicht berührende Oberfläche des Abschirmelements bündig mit der dem Arbeitsbereich (14) zugewandten Oberfläche der einen Wand (49) verläuft.
5. 5. Elektronenentladungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (40) und das Abschirmelement (45) in die eine (49) der gegenüberliegenden Wandungen eingelassen sind und die von der Folie abgewandte Oberfläche des Abschirmelements bündig mit der dem Arbeitsbereich (14) zugewandten Oberfläche der einen Wand (49) verläuft.
6. 6. Elektronenentladungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschirmelement (45) gleichzeitig eine (22) der beiden Elektroden (20, 22) ist.
7. 7. Elektronenentladungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die andere Elektrode (22) bündig mit der Oberfläche der anderen Wand verläuft.
8. 8. Elektronenentladungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die andere Elektrode (22) eine ebene Metallplatte ist.

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