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Beschreibung Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Gaslaser
und betrifft insbesondere Gasentladungsröhren für Gasimpulslaser.
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Die Erfindung kann in Gasimpulslasern, insbesondere in Metalldampflasern,
die bei der Bearbeitung von Werkstoffen, zum Beispiel Metallen, in Nachrichtensystemen,
bei der Echolotung der Atmosphäre, in der Holographie und Medizin benutzt werden.
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Bekannt ist eine Gasentladungsröhre eines Gasimpulslasers, der nach
dem Prinzip der Aufheizung der Gasentladungsröhre durch Dissipation der in der Entladung,
die durch Anlegen von Impulsspannung an die in der Gasentladungskammer der wärmeisolierten
Gasentladungsröhre angeordneten Elektroden angeregt wird, eingeführte Energie aroeitet
(siehe beispielsweise P.A.
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Bokhan, W.I. Solomonow, W.N. Nikolajew, Zeitschrift "Kwantowaja Elektronika",
1975, V. 2, Nr. 1, S. 159).
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Die Notwendigkeit der Aufheizung dieser Röhre auf die Betriebstemperatur
durch die in die Entladung ein geführten Energie führt zum Arbeiten mit einem Srregungsimpuls,
der sich wesentlich von dem zur Gewinnung von maximalen inerten der Energieausbeute
und des Wirkungsgrades optimalen Impuls unterscheidet.
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Die Abhängigkeit der Temperatur der Gasentladungsrohre von der in
die Entladung je Zeiteinheit einem brauchten Energie bei konstanter Erregungsimpulsenergie,
deren Wert durch die Bedingungen, bei welchen die Strahlungserzeugung möglich ist,
bestimmt wird, führt zur Abhängigkeit* der gasentladungsröhre von der Folgefrequenz
der Erregungsimpulse. Deshalb wird der Arbeitsfrequenzbereich des Gasimpulslasers
wesentlich durch das schmale Temperaturintervall, in dem die Strahlungserzeugung
mit dem betreffenden aktiven Medium möglich ist, begrenzt.
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All dies ist bei einer Gasentladungsöhre beseitigt, die eine mit
Puffergas und aktivem Mediiiin gefüll-* der Temperatur
te Gasentladungskammer,
welche Austrittsfenster fur die Laserstrahlung und ein elektrisch mit der Speisequelle
verbundenes Heizelement hat, von einem Wärmeisolator umgeben ist und in der leitend
mit einer Impulsspannungsquelle verbundene Elektroden angeordnet sind, enthält (s.
beispielsweise P.A. Bokhan, E.S. Bukowa, G.S. Kijaschkina, W.M. Klimkin, W.I.
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Solomonow, Zeitschrift "Pribory i technika experimenta", 1974, Nr.
1, S. 160).
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Bei der erwähnten Gasentladungsröhre sind in der Gasentladungskammer
zwei Elektroden untergebracht, die ihr Gasentladungsvolumen an zwei Seiten begrenzen,
was zu einer Längsinhomogenität des Plasma an der Vorderflanke des Erregungsimpulses
des Gasentladungsvolumens führt. Die erwähnte Inhomogenität ist durch die Lokalisierung
der Elektronenemission auf der Oberfläche einer der Elektroden, die einen geringfügigen
Teil der Länge der Gasentladungsröhre einnimmt, bedingt, wodurch es unmöglich ist,
eine gleichmäßige Anregung des aktiven mediums in dem gesamten Volumen der Gasentladungskammer
im Verlaufe des gesamten Erregungsimpulses zu erhalten und dies führt zu einer Verminderung
der Energieausbeute im Vergleich zu der höchstmöglichen.
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Die Aufheizung der Gasentladungskammer der obenerwähnten Gasentladungsröhre
auf die Betriebstemperaturen und die Anregung des aktiven Mediums erfolgt unabhängig
aus zwei elektrisch miteinander nicht verbundenen quellen. Die Gasentladungskammer
dieser Röhre und das in einen hermetisch abgeschlossenen Gehäuse untergebrachte
Heizelement sind durch einen Luftspalt getrennt. Dies führt zu einer unsicheren
Arbeit der erwähnten C-asentladungsröhre wegen möglichen elektrischen Durchschlages
des Gasentladungskanals zum Heizelement über den Luft spalt und die Wandungen der
Gasentladungsröhre und zu einer Vergrößerung der Betriebsbereitschaftszeit derselben
sowie des Energie aufwandsfür die Aufheizung der Gasentladungsröhre auf die
Betriebstemperatur
des aktiven Mediums wegen des vorhandenen Luftspaltes. Darüber hinaus führt all
dies zu einer komplizierten Bauart der Gasentladungsröhre, die durch die Unterbringung
des Heizelementes in einem her metisch abgeschlossenen Gehäuse zur Verhinderung
einer Oximierung des Heizelementes bei erhöhten Temperaturen noch komplizierter
wird Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasentladungsröhre für einen
Gasimpulslaser zu schaffen, bei der die Ausführung der Elektroden und des Heizelementes
es gestatten, de Emergieausbeute durch Verbesserung der Plasmahomogenität an der
Vorderflanke. des Erregungsimpulses des Gasentladungsvolumens zu vergröBern, den
Energie aufwand für die Aufheizung der Gasentladungskammer auf die Betriebstemperatur
zu vermindern, die Betriebsbereitschaftszeit der Gasentladungsröhre zu verlängern,
die Betriebssicherheit der Gasentladnngsröhre zu erhöhen und deren 3auart und damit
die Konstruktion des gesamten Lasers zu vereinfachen.
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Dies wird dadurch erreicht, daß bei der Gasentladungsröhre für einem
Gasimpulslaser, die eine mit einem Puffergas und einem aktiven medium gefüllte Gasentladungskammer
enthält, die Austrittsfenster für die Laserstrahlung und ein elektrisch mit einer
Speisequelle verbundenes Heizelement hat, von einem Wärmeisolator umgeben ist und
in der leitend mit einer Impulsspannungsquelle verbundene Elektroden untergebracht
sind, gemaß der Erfindung die Elktroden und das Heizelement als ein Ganzes in Form
einer gemelnsamen Elektrode, die in der Gasentladungskammer auf der gesamten Länge
derselben angeordnet und parallel an die Impulsspannungsquelle und die Speisequelle
angeschlossen ist, ausgeführt sind.
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Es ist erwünscht, daß die gemeinsame Elektrode an der Innenfläche
der Wandungen der Gasentladungskammer angeordnet ist.
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Es ist zweckmäßig, daß die gemeinsame Elektroder In Form eines Fadens
ausgebildet ist
Es ist ferner ratsam, die Elektrode in Form eines
mit der Gasentladungskammer koaxial angeordneten Zylinders anszuführen.
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Es ist durchaus ratsam, in der Röhre zumindest eine senkrecht zur
Innenfläche des Hohlzylinders angeordnete und zusammen mit dem Zylinder als gemeinsame
Elektrode dienende Rie vorsusehen.
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Auch ist es zwechmässig, die gemeinsame Elektrode als zumindest eine
räumliche Spirale auszuführen.
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Die Wandungen der Gasentladungskammer können als gemeinsame Elektrode
dienen.
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Es ist auch zweckmässig, dass in der Rönre zumindest eine Dielektrikumplatte
vorgesehen ist, die mit ihrer Längsseitenfläche senkrecht zur Innenfläche der Wandungen
der Gasentladungskammer angeordnet ist, während die raumliche Spirale die Platte
umfasst und gegenüber diese aerart angeordnet ist, dass die benachbarten Windungen
der Spirale untereinander und mit der Platte in Beruhrung stenen, und zusammen mit
der Platte als gemeinsame Elektroder dient.
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Die lippe und der Hohlzylinder können eine Kapillarstruktur haben.
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Es ist zweckmässig, dass die Rippe, der Hohlzylinder oder die räumliche
Spirale aus einem Material ausgeführt sind, das bei Benetzung durch die Schmelze
des aktiven Mediums nicht mit diesem in chemische Reaktion tritt, wobei die Höhe
der Rippe und der räumlichen Spirale kleiner als der Abstand von der Innenfläche
der Gasentladungskammer bis zur optischen Achse der Gasentladungsröhre oder diesem
gleich ist.
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Solch eine konstruktive Ausführung der Gasentladungs-rdhre für Gasimpulslaser
gestattet es, die Homogenität der Anregung des Gasentladungsvolumens zu verbessern,
die Energieausbeute zu erhöhen, den Aufbau des gesamten Lasers zu vereinfachen,
die Betriebssicherheit desselben zu erhöhen, den Energieaufwand für die Aufheizung
der Gasentladungskammer auf die Betriebstempe-
ratur zu vermindern
und die Betriebsbereitsschaftszeit der Gasentladungsröhre zu verkürzen.
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Nachstehend soll die Erfindung durch die Beschreibung konkreter Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert t werden. Es zeigen:
Fig. 1 - eine Gasentladungsröhre für einen Gasimpulslaser mit einer gemeinsamen
Elektrode in For@ eines Fadens, gemäß der Erfindung (Längsschnitt); Fig. 2 - dasselbe,
wie in Fig. 1, aber mit einer gemeinsamen Elektrode in Form eines Hohlzylinders
(Längsschnitt); Fig. 3 - dasselbe, wie in Fig. 1, aber mit einer gemeinsamen Elektrode
in Form einer Spirale (Längsschnitt); Fig. 4 - dasselbe, wie in Fig. 1, aber als
gemeinsame Elektrode dienen die Wandungen der Gasentladungs-Kammer der Röhre, gemäß
der Erfindung (Längsschnitt); Fig. 5 - dasselbe, wie in Fig. 2, aber mit einer gemeinsamen
Elektrode in Form eines Hohlzylinders mit Rippen (Längsschnitt).
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Fig. 6 - dasselbe, wie in Fig. 5 (Querschnitt in vergrößertem Maßstab);
Fig. 7 - eine weitere Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Röhre gemäß Fig.
3. (Längsschnitt); Fig. b - dasselbe, wie in Fig. 7 (Querschnitt in vergrößertem
@aßstab).
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Die Gasentladungsröhre für Gasimpulslaser enthält gemäß der Erfindung
eine Gasentladungskammer 1 (Fig. 1), die mit einem Puffergas, beispielsweise Neon,
und mit einem ektiven Medium, beispielsweise Kupfer, gefüllt ist. Die Kammer 1 hat
Wandungen 2 aus keramischem Berylliumoxyd und Austrittsfenster 3 und 4 zum Austritt
der Laserstrahlung. Die Kammter 1 ist von einem Wärmeisolator 5, der sich in einem
Gehäuse 6 aus Quarzglas befindet, umgeben.
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Im Innern der rammer 1 ist eine gemeinsame Elek-
trode
7 untergebracht, die parallel an die allgemein bekannte Impulsspannungsquelle 8
und die allgemein bekannte Speisequelle 9 mittels Hochspannungsdurchführungen 10
und 11 angeschlossen ist. Die Elektrode 7 stel eine gemeinsame Elektrode, gebildet
durch eine bekannte in der Gasentladungskammer untergebrachte Elektrode und ein
bekanrtes Heizelement da, und ist aus einem wärmefesten wegen Zerstäubung beständigen
Metall mit hoher Thermoemission und mit Wirk- und Blindwiderstand, bei welchem die
Bedingung T« T1 erfüllt wird, ausgeführt. Hierbei bedeuten: T - Entwicklungszeit
der Gasentladung in der asentladungskammer 1 unte:' der Wirkung der an die Enden
der Elektrode 7 angelegten Impulsspannung, T1 - Entladungszeit der zur Impulsspannungsquelle
gehörenden Hochspannungsenergiespeicher über die Eiektrode 7.
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Die gemeinsame Elektrode 7 ist an der Innenfläche 12 der Wandungen
2 der Gasentladungskammer 1 sngeord net.
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Bei der beschriebenen Ausführungsvariante ist die gemeinsame Elektrode
7 in Form eines Fadens ausgeführt.
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Diese Ausführungsvariante wird am besten in Gasentladungsröhren von
geringem Durchmesser, zum Beispiel weniger als 5 mm benutzt.
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Für Gasentladungsröhren von groberem Durchmesser sind folgende zwei
Varianten zweckmäßig.
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Bei der einen Variante ist die gemeinsame Elektrode 13 (Fig. 2) in
Form eines koaxial mit der Gasentladungskammer 1 angeordneten Hohlzylinders ausgeführt.
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Bei der anderen Ausführungsvariante der Röhre ist die gemeinsame
Elektrode 14 (Fig. 3) als räumliche Spirale ausgeführt.
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Für Lasergasentladungsöhren, die eine Betriebstemperatur von unter
500°C haben, dienen die Wandungen
15 (Fig. 4) der Gasentladungskammer
1 als gemeinsame Elektrode.
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Zur Verminderung der Anregungsinhomogenität des aktiven Mediums des
Lasers über den Querschnitt der Gasentladungskammer 1 (Fig. 5), bedingt durch das
Temperaturgefälle wegen der geringen Wärmeleitung des aktiven Mediums der Gasentladungsröhre,
welche zu einer kleineren Konzentration der Atome des aktiven Mediums und einer
größeren Stromdichte in dem achsennahen Teil der Gasentladungskammer führt, zur
Vergrößerung der Atomkomzentration des aktiven Mediums in der Gasentladungskammer
1 durch Annährerung des aktiven Mediums an den achsennahen Teil, wo die Temperatur
höher ist, zur Vergrößerung der Lebensdauer der Gasentladungsröhre sowie zur Erhöhung
der Grenzimpulsfolgefrequenz der Laserstrahlung durch Vergrößerung der Fläche, auf
welcher eine Entregung der unteren Laserniveaus stattfindet, ist die Röhre nach
Fig. 5 zweckmäßig. Diese Röhre ist ähnlich der Röhre gemäß Fig. 2. ausgeführt.
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Der Unterschied besteht darin, daß als gemeinsame Elektrode 16 (Fig.
6) bei der erfindungsgemäßen Gasentladungsröhre der koaxial mit der Gasentladungskammer
1 an der Innenfläche der Wandungen 2 der Kammer 1 angeordnete Hohlzylinder 17 zusammen
mit den senkrecht zur Innenfläche des Zylinders 17 angeordneten Rippen 18 (Fig.
6) d,ent.
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Die Rippen 18 und der Hohlzylinder 17 haben eine Kapillarstruktur
und sind als ein Ganzes aus einem Material ausgeführt, das bei Benetzung durch das
aktive Medium nicht mit diesem in chemische Reaktion tritt.
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Der Druck der Dämpfe dieses Materials ei Betriebstenperatur des Lasers
soll viel kleiner als der Druck der Dämpfe des aktiven Materials des Lasers bei
Betriebstemperatur sein.
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Die Höhe der Rippe 18 (Fig. 5) ist kleiner als der Abstand von der
Innenfläche 12 der Wandungen 2 der Gasentladungskammer 1 bis zur optische@ Achse
der Gasent-
ladungsröhre. Die Höhe der Rippen kann auch gleich
diesem Abstand sein.
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Bei der beschriebenen Ausführungsform der Röhre ist als Puffergas
Neon (auch Helium) und als aktives Medium Kupfer (auch Blei oder Mangan) benutzt,
während die Rippe 18 aus Molybdän (auch Wolfram) ausgeführt ist.
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Im konkreten Ausfuhrungsbeispiel ist die Röhre mit vier Rippen 18
angeföhrt. 3edoch kann die Röhre nur eine Rippe aufweisen, aber in diesem Falle
wird die Wirkung durch Anwendung von Rippen mit Kapillarstruktur herabgesetzt.
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Die in Fig. 7 wiedergegebene Röhre ist ähnlich der Röhre gemäss Fig.
3.
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Der Unterschied besteht darin, dass bei dieser Platten 19 aus einem
Dielektrikummaterial, , beispielsweise Berylliumoxyd (auch Aluminiumoxyd), vorgesehen
sind. Jede Platte 19 ist mit ihrer Längsseite senkrecht zur Innenfläche 12 der Wandungen
2 der Gasentladungskammer angeordnet. Die räumliche Spirale 20 (Fig. 7) umfasst
die Platte 19 und ist Gegenüber dieser derart angeordnet, dass die Nachbarwindungen
der Spirale 20 untereinander und mit der Platte 19 in Berührung stehen. Die Platten
19 sind an der Innenfläche 12 der Wandungen 2 der Gasentladungskammer 1 mittels
eines Halters 21 befestigt.
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Die Spirale 20 dient zusammen mit der Platte 19 als gemeinsame Elektrode
22. Die Spirale 20 ist aus einem Material ausgeführt, das bei Benetzung durch das
aktive Medium nicht mit diesem in chemische Reaktion tritt.
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Als aktives Medium wird Kupfer (auch Mangen, Blei) benutzt, während
die Spirale aus Molybdän (auch Wolfram) ausgefiihrt ist.
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Die Hohe der räumlichen Spirale 20 ist kleiner als der Abstand von
der Innenfläche 12 der Wandungen 2 der Gasentladungskammer 1 bis zur optischen
Achse
der Gasentladungsröhre. Diese Höhe kann auch diesem Abstand gleich sein.
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Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Gasentladungsröhre besteht
im folgenden.
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Die Gasentladungskammer 1 (Fig. 1.) mit dem in dieser befindlichen
aktiven Medium wird mit Puffergas bis auf den erforderlichen Druck gefüllt. An die
Hochspannungsdurchführungen 10 und 11 legt man Spannung von der Speise quelle 9
an und über die gemeinsame Elektrode 7 beginnt ein Strom zu fliesen, der diese auf
hohe Temperaturen aufheizt.
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Die Aufheizung der Elektrode 7 wird von einer Thermoemission an ihrer
gesamten Oberfläche begleitet, die mit steigender Temperatur der Elektrode 7 zunimmt,
was dazu führt, daß beim Ausbleiben der Entladung in dem gesamten Volumen der Gasentladungskammer
1 Elektronen anwesend sind.
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Nach dem Erreichen der Betriebstemperatur in der Gasentladungskammer
1 legt man an die gleichen Hochspannungsdurchführungen 10 und 11 Impulsspannung
von der Impulsspannungsquelle 8, infolgedessen sich in der Gasentladungskammer 1
eine Impulsgasentladung zwischen den Enden der gemeinsamen Elektrode 7 entwickelt,
wobei sich die Entladung wegen der von der Elektrode 7 in das gesamte Volumen der
Gasentladungskammer 1 vor dem Anlegen des Spannungsimpulses emittierten Elektronen
gleichinäßig über die gesamte Länge der Gasentladungskammer 1 entwickelt. An der
Vorderflanke des durch die Gasentladungskammer 1 fließenden Stromimpulses entsteht
ein Laserstrahlungsimpuls, der über die Fenster 3 und 4 austritt.
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Zur Verminderung der Verluste der von der gemein samen Elektrode
7 entwickelten Wärmeenergie ist die Gasentladungskammer 1 in einem mit einem Wärmeisolator
5 ausgefüllten Gehäuse 6 untergebracht.
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Die Wirkungsweise der Gasentladungsröhre gemäß Fig. 2, 3, 4 ist der
Wirkungsweise der Röhre gemäß
Fig. 1 ähnlich.
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Die Wirkungsweise der Gasentladungsröhre gemaß Fig. 5, 6 ist im allgemeinen
der Wirkungsweise der Röhre gemäß Fig. 1 ähnlich. Der Unterschied besteht darin,
daß das aktive Medium die Kapillarstruktur der gerne in samen Elektrode 16 durchdringt.
Bei Anregung einer Entladung in der Gasentladungskammer 1 wird die höchste Verdampfungsgeschwindigkeit
des aktiven Mediums an den Rippen 18 der gemeinsamen Elektrode 16 in unmittelbarer
Nähe der Längsachse der Gasentladungskammer 1, wo die Gastemperatur höher als an
den Wandungen 2 ist, beobachtet. Das geschmolzene aktive Medium gelangt zur Verdampfungszone
unter der Wirkung des Kapillareffektes.
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Nach der Kondensierung an den Wandungen 2 der Gasentladungskamrner
1, wo die Temperatur niedriger ist als in unmittelbarer Nähe der Längsachse der
Gasentladungskammer 1, gelangt das aktive Medium erneut zur Zone mit höheren Temperaturen.
Es entsteht ein Umlauf des aktiven.
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Mediums zwischen der Verdampfungszone und der Sondensationszone sowohl
in Richtung von den Wandungen der Gasentladungskammer 1 zur Längsachse als auch
in Richtung von den Enden der Gasentladungskammer 1 zur Mitte derselben.
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Die Wirkungsweise der Gasentladungsröhre gemäß Fig. 7, 8 ist der
Wirkungsweise der Gasentladungsröhre nach Fig. 5, 6 ähnlich.
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Die erfindungsgemäße Gasentladungsröhre sichert eine erhöhte Energieausbeute
und einen erhöhten Wirkungsgrad, eine beschleunigte Betriebsbereitschaft der Gasentladungsröhre,
eine Verlängerung der Zeit, während der in der Gasentladungsröhre das aktive Medium
erhalten bleibt, und eine Verlängerung der Lebensdauer der röhre und damit des gesamten
Lasers.