DE3225328C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Gasent­ ladungsröhre nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine sol­ che Gasentladungsröhre ist aus der DE-OS 21 50 756 bekannt.

Bei dieser bekannten Ausbildung ist das Heizelement gebil­ det von zwei Verdampfungsquellen mit kapillarer Struktur, die durch die Heizspannungsquelle so angesteuert werden können, daß das in ihnen flüssig vorhandene Material an den zur Mitte der Röhre hin gelegenen Enden verdampft und gleichzeitig eine elektrische Entladung in der Kammer eingeleitet und aufrechterhalten wird.

Zusätzlich ist eine die Gasentladungskammer umgebende Heizvorrichtung vorgesehen, die als Wärmetauscher oder auch als elektrische Heizvorrichtung ausgebildet ist.

Bei dieser bekannten Ausbildung ist das Gasentladungsvo­ lumen auf beiden Seiten begrenzt, was zu einer Längsinhomo­ genität des Plasmas an der Vorderflanke des Erregungsim­ pulses des Gasentladungsvolumens führt. Diese Inhomogeni­ tät ist durch die Lokalisierung der Elektronenemission auf der Oberfläche einer der Elektroden, die einen geringen Teil der Länge der Gasentladungsröhre einnimmt, bedingt, wodurch es unmöglich ist, eine gleichmäßige Anregung des aktiven Mediums in dem gesamten Volumen der Gasentladungs­ kammer im Verlaufe des gesamten Erregungsimpulses zu erhal­ ten. Dies führt zu einer Verminderung der Energieausbaute im Vergleich zu der höchstmöglichen.

Ähnliches gilt für eine Gasentladungsröhre eines Gasim­ pulslasers, die aus einem Aufsatz "Technik der Untersu­ chungen der positiven Gasentladungssäule in Metalldämpfen bei hohen Temperaturen" von P. A. Bochan u. a. in "Pri­ bory i technika experimenta", 1974, Nr. 1, Seite 160- 161 bekannt ist. Diese hat ein die Röhre umgebendes elek­ trisches Heizelement und leitend mit einer Impulsspannungs­ quelle verbundene Elektroden.

Bei dieser Gasentladungsröhre geschieht die Aufheizung der Gasentladungskammer auf die Betriebstemperaturen und die Anregung des aktiven Mediums unabhängig aus zwei elektrisch miteinander nicht verbundenen Quellen. Die Gasentladungskammer dieser Röhre und das in einem herme­ tisch abgeschlossenen Gehäuse untergebrachte Heizelement sind durch einen Luftspalt getrennt. Dies macht den Be­ trieb wegen möglicher elektrischer Durchschläge des Gas­ entladungskanals zum Heizelement über den Luftspalt und die Wandungen der Gasentladungsröhre unsicher und führt zu einer Verlängerung der Wartezeit bis zum Erreichen der Betriebsbereitschaft sowie zu einer Erhöhung des Energieaufwands für die Aufheizung der Gasentladungs­ röhre auf die Betriebstemperatur des aktiven Mediums we­ gen des vorhandenen Luftspaltes. Darüber hinaus ist die Bauart der Gasentladungsröhre wegen der Unterbringung des Heizelementes in einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse zur Verhinderung des Oxidierens des Heizelementes bei er­ höhten Temperaturen kompliziert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasentla­ dungsröhre der eingangs genannten Bauart so weiterzubilden, daß der Energieaufwand für die Aufheizung der Gasentladungs­ kammer auf die Betriebstemperatur vermindert und die Energieausbeute durch Verbesserung der Plasmahomogenität an der Vorderflanke des Erregungsimpulses verbessert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Zweckmäßigerweise ist die gemeinsame Elektrode an einer Innenfläche der Gasentladungskammer angeordnet, wie dies an sich aus der DE-AS 15 14 713 bekannt ist.

Es kann dabei zweckmäßig sein, die gemeinsame Elektrode fadenförmig auszubilden, wie es aus der DE-AS 29 34 048 für die Kathode eines CO₂-Hochleistungslasers bekannt ist.

Es kann aber auch zweckmäßig sein, die gemeinsame Elek­ trode in Form eines koaxial zur Gasentladungskammer ange­ ordneten Hohlzylinders auszubilden, wie es aus der US- Zeitschrift Rev. Sci. Instr., Band 38, Heft 10, 1967, S. 1538-1540 an sich bekannt ist. Bei dieser Ausbildung kann es zusätzlich zweckmäßig sein, wenn der Hohlzylinder auf seiner Innenseite mindestens eine senkrecht zur In­ nenfläche des Hohlzylinders angeordnete Rippe enthält.

Auch eine Ausbildung der gemeinsamen Elektrode in Form zu­ mindest einer Schraubenwendel kann in Frage kommen. Eine solche Ausbildung ist an sich aus der US-PS 42 95 103 be­ kannt.

Es ist schließlich auch möglich, daß die Wandungen der Gasentladungskammer als gemeinsame Elektrode dienen, was an sich aus der FR-OS 20 54 707 bekannt ist.

Wenn die gemeinsame Elektrode als Schraubenwendel ausge­ bildet ist, kann eine Platte aus dielektrischem Material zweckmäßig sein, die mit ihrer Längsseitenfläche senk­ recht zur Innenfläche der Gasentladungskammer verläuft, wobei die Schraubenwendel die Platte umgibt und relativ zu dieser derart angeordnet ist, daß benachbarte Win­ dungen der Wendel untereinander und mit der Platte in Berührung stehen und zusammen mit der Platte als gemein­ same Elektrode dienen.

Wenn die gemeinsame Elektrode ein Hohlzylinder mit nach innen ragenden Rippen ist, so haben diese vorteilhafter Weise eine Kapillarstruktur. Dies verbessert die Benetz­ barkeit der in dieser Form ausgeführten gemeinsamen Elek­ trode mit dem aktiven Medium, was unmittelbar sowohl zu einer weiteren Verringerung der zur Aufheizung der Gas­ entladungskammer auf die Arbeitstemperatur notwendigen Energie beiträgt, als auch eine weitere Erhöhung der Strah­ lungsenergie aufgrund einer Verbesserung der Homogenität des Plasmas an der Vorderflanke des Erregungsimpulses be­ wirkt. Darüber hinaus erhöht die Kapillarstruktur der ge­ meinsamen Elektrode und ihre hierdurch verbesserte Benetz­ barkeit die Lebensdauer der Gasentladungsröhre aufgrund einer Verbesserung der Rezirkulation des aktiven Mediums durch Verdampfung und Kondensation sowohl in Längs- als auch in Querrichtung. Diese Vorgänge sind ähnlich wie die im Betrieb eines Wärmerohres auftretenden Verdampfungs- und Kondensationsvorgänge. Dabei wird ein Austragen des aktiven Mediums in die kälteren Abschnitte der Röhre ver­ hindert und das Zurückkehren desselben in den Arbeits­ abschnitt begünstigt, was ebenfalls die Lebensdauer der Röhre und damit des Lasers insgesamt erhöht.

Die vorgeschlagene Ausführung der Gasentladungsröhre für Gasimpulslaser gestattet es, die Homogenität der Anregung des Gasentladungsvolumens zu verbessern und die Energieausbaute zu erhöhen. Dabei ist der gesamte Laser von einfachem Aufbau und hoher Betriebssicherheit; der Energieaufwand für die Aufheizung der Gasentladungskam­ mer auf die Betriebstemperatur bleibt gering und die Wartezeit bis zum Erreichen der Be­ triebsbereitschaft der Gasentladungsröhre verkürzt sich.

Nachstehend wird die Erfindung durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeich­ nungen weiter erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Gasentladungsröhre für einen Gasimpulslaser mit einer gemeinsamen Elektrode in Form eines Fa­ dens im Längsschnitt;

Fig. 2 eine Gasentladungsröhre wie in Fig. 1, aber mit einer gemeinsamen Elektrode in Form eines Hohl­ zylinders;

Fig. 3 eine Gasentladungsröhre wie in Fig. 1, aber mit einer gemeinsamen Elektrode in Form einer Schrau­ benwendel;

Fig. 4 eine Gasentladungsröhre wie in Fig. 1, bei der als gemeinsame Elektrode die Wandungen der Gasentladungs­ kammer der Röhre dienen;

Fig. 5 eine Gasentladungsröhre wie in Fig. 2, bei der der Hohlzylinder Rippen aufweist;

Fig. 6 den Querschnitt der Gasentladungsröhre gemäß Fig. 5;

Fig. 7 eine weitere Ausführungsvariante der Gasentladungs­ röhre im Längsschnitt;

Fig. 8 den Querschnitt der Gasentladungsröhre gemäß Fig. 7.

Die Gasentladungsröhre für Gasimpulslaser hat eine Gas­ entladungskammer 1, die mit einem Puffergas, beispiels­ weise Neon, und mit einem aktiven Medium, beispielsweise Kupfer, gefüllt ist. Die Kammer 1 hat Wandungen 2 aus kera­ mischem Berylliumoxid und Austrittsfenster 3 und 4 zum Austritt der Laserstrahlung. Die Kammer 1 ist von einem Wärmeisolator 5, der sich in einem Gehäuse 6 aus Quarz­ glas befindet, umgeben.

Im Inneren der Kammer 1 ist eine gemeinsame Elektrode 7 untergebracht, die über Hochspannungsdurchführungen 10 und 11 parallel an eine Impulsspannungsquelle 8 und eine Heizspannungsquelle 9 angeschlossen ist.

Die Elektrode 7 wirkt als gemeinsame Elektrode sowohl wie bekannte, in der Gasentladungskammer untergebrachte Elektroden, als auch als bekanntes Heizelement. Sie be­ steht aus einem wärmefesten, gegen Zerstäubung beständigen Metall mit hoher Thermoemission und mit einem Wirk- und Blindwiderstand, bei welchem die Bedingung

T « T ₁

erfüllt ist. Hierbei bedeuten:

• T - Entwicklungszeit der Gasentladung in der Gasentla­ dungskammer 1 unter der Wirkung der an die Enden der Elektrode 7 angelegten Impulsspannung,
• T ₁ - Entladungszeit der zur Impulsspannungsquelle gehören­ den Hochspannungsenergiespeicher über die Elektrode 7.

Die gemeinsame Elektrode 7 ist an der Innenfläche 12 der Wandungen 2 der Gasentladungskammer 1 angeordnet.

Bei der Ausführungsvariante gemäß Fig. 1 ist die gemeinsame Elektrode 7 in Form eines Fadens ausgeführt. Diese Ausfüh­ rungsvariante ist am geeignetsten für Gasentladungsröhren von geringem Durchmesser, zum Beispiel weniger als 5 mm.

Für Gasentladungsröhren von größerem Durchmesser sind die in Fig. 2 oder 3 gezeigten Varianten zweckmäßig.

Bei der ersten Variante gemäß Fig. 2 ist die gemeinsame Elektrode in Form eines koaxial mit der Gasentladungs­ kammer 1 angeordneten Hohlzylinders 17 ausgeführt.

Bei der anderen Ausführungsvariante gemäß Fig. 3 ist die gemeinsame Elektrode als Schraubenwendel 14 ausgeführt.

Für Lasergasentladungsröhren, die eine Betriebstemperatur von weniger als 500°C haben, können die Wandungen 15 der Gasentladungskammer 1 als gemeinsame Elektrode dienen, wie dies Fig. 4 zeigt.

Fig. 5 und 6 zeigen eine Ausbildungsform, die zweckmäßig ist zur Verminderung der Anregungsinhomogenität des akti­ ven Mediums des Lasers über den Querschnitt der Gasentla­ dungskammer 1, die bedingt ist durch den hohen Temperatur­ gradienten auf Grund der geringen Wärmeleitung des aktiven Mediums der Gasentladungsröhre, welche zu einer geringeren Konzentration der Atome des aktiven Mediums und einer grö­ ßeren Stromdichte in dem achsennahen Teil der Gasentladungs­ kammer führt. Diese Ausbildung begünstigt eine Vergrößerung der Atomkonzentration des aktiven Mediums in der Gasentla­ dungskammer 1 durch Annäherung des aktiven Mediums an den achsennahen Teil, wo die Temperatur höher ist, und führt zu einer höheren Lebensdauer der Gasentladungsröhre sowie einer Erhöhung der Grenzimpulsfolgefrequenz der Laserstrahlung durch Vergrößerung der Fläche, auf welcher eine Entregung des unteren Laserniveaus stattfindet.

Diese Röhre ist ähnlich der Röhre gemäß Fig. 2 ausgeführt, jedoch ist hier die gemeinsame Elektrode der koaxial mit der Gasentladungskammer 1 an der Innenfläche der Wandungen 2 der Kammer 1 angeordnete Hohlzylinder 17 zusammen mit senk­ recht zur Innenfläche des Zylinders 17 angeordneten Rippen 18. Die Rippen 18 und der Hohlzylinder 17 haben eine Kapillar­ struktur und sind einstückig aus einem Material ausgeführt, das bei Benetzung durch das aktive Medium nicht mit diesem chemisch reagiert. Der Dampfdruck dieses Materials soll bei der Betriebstemperatur des Lasers viel kleiner als der Dampfdruck des aktiven Materials des Lasers bei der Betriebs­ temperatur sein.

Die Höhe der Rippen 18 ist kleiner als der Abstand von der Innenfläche 12 der Wandungen 2 der Gasentladungskammer 1 bis zur optischen Achse der Gasentladungsröhre. Die Höhe der Rippen kann auch gleich diesem Abstand sein.

Bei der betrachteten Ausführungsform der Röhre dient als Puffergas Neon (auch Helium) und als aktives Medium Kupfer (auch Blei oder Mangan), während die Rippen 18 aus Molybdän (auch Wolfram) ausgeführt sind.

Im konkreten Ausführungsbeispiel hat die Röhre vier Rippen 18. Die Röhre könnte auch mit nur einer Rippe ausgeführt sein, was jedoch die Wirkung der Anwendung von Rippen mit Kapillarstruktur herabsetzt.

Die in Fig. 7 gezeigte Röhre ist verwandt mit der Röhre gemäß Fig. 3. Der Unterschied besteht darin, daß diese Platten 19 aus einem Dielektrikum, beispielsweise Beryllium­ oxid (auch Aluminiumoxid) aufweist. Jede Platte 19 ist mit ihrer Längsseite senkrecht zur Innenfläche 12 der Wan­ dungen 2 der Gasentladungskammer angeordnet. Je eine Schraubenwendel 14 umfaßt eine Platte 19 und ist gegen­ über dieser derart angeordnet, daß die Nachbarwindungen der Schraubenwendel 14 untereinander und mit der Platte 19 in Be­ rührung stehen. Die Platten 19 sind an der Innenfläche 12 der Wandungen 2 der Gasentladungskammer 1 mittels eines Halters 21 befestigt.

Die Wendel 14 dient zusammen mit der Platte 19 als ge­ meinsame Elektrode 7. Die Wendel 14 ist aus einem Material ausgeführt, das bei Benetzung durch das aktive Medium nicht mit diesem chemisch reagiert.

Als aktives Medium dient Kupfer (auch Mangan, Blei), während die Spirale aus Molybdän (auch Wolfram) ausgeführt ist.

Die Höhe der Schraubenwendel 14 ist kleiner als der Ab­ stand von der Innenfläche 12 der Wandungen 2 der Gasent­ ladungskammer 1 bis zur optischen Achse der Gasentladungs­ röhre oder erreicht diesen Abstand.

Die Wirkungsweise der beschriebenen Gasentladungsröhren be­ steht im folgenden:

Die Gasentladungskammer 1 mit dem in dieser befindlichen aktiven Medium wird mit Puffergas bis auf den erforder­ lichen Druck gefüllt. An die Hochspannungsdurchführungen 10 und 11 legt man die Spannung der Heizspannungsquelle 9 und über die gemeinsame Elektrode 7 beginnt ein Strom zu fließen, der diese auf hohe Temperaturen aufheizt.

Die Aufheizung der Elektrode 7 wird von einer Thermo­ emission auf ihrer gesamten Oberfläche begleitet, die mit steigender Temperatur der Elektrode 7 zunimmt, was dazu führt, daß ohne Entladung in dem gesamten Volumen der Gasentladungskammer 1 Elektronen anwesend sind.

Nach dem Erreichen der Betriebstemperatur in der Gasent­ ladungskammer 1 legt man an die gleichen Hochspannungs­ durchführungen 10 und 11 eine Impulsspannung von der Impulsspannungsquelle 8, was in der Gasentladungskammer 1 zu einer Impulsgasentladung zwischen den Enden 7 a und 7 b der gemeinsamen Elektrode 7 führt. Wegen der von der Elektrode 7 in das gesamte Volumen der Gasentladungskam­ mer 1 vor dem Anlegen des Spannungsimpulses emittierten Elektronen verläuft die Entladung gleichmäßig über die gesamte Länge der Gasentladungskammer 1. An der Vorder­ flanke des durch die Gasentladungskammer 1 fließenden Stromimpulses entsteht ein Laserstrahlungsimpuls, der über die Fenster 3 und 4 austritt.

Zur Verminderung der Verluste der von der gemeinsamen Elektrode 7 entwickelten Wärmeenergie ist die Gasentla­ dungskammer 1 in einem mit einem Wärmeisolator 5 gefüll­ ten Gehäuse 6 untergebracht.

Die Wirkungsweise der Gasentladungsröhre gemäß Fig. 2, 3, 4 ist der Wirkungsweise der Röhre gemäß Fig. 1 ähn­ lich.

Die Wirkungweise der Gasentladungsröhre gemäß Fig. 5, 6 entspricht ebenfalls grundsätzlich der Wirkungsweise der Röhre gemäß Fig. 1. Der Unterschied besteht darin, daß das aktive Medium die Kapillarstruktur der gemeinsamen Elektrode 7 durchdringt. Bei Anregung einer Entladung in der Gasentladungskammer 1 wird die höchste Verdampfungs­ geschwindigkeit des aktiven Mediums an den Rippen 18 der gemeinsamen Elektrode 7 in unmittelbarer Nähe der Längs­ achse der Gasentladungskammer 1 beobachtet, wo die Gas­ temperatur höher als an den Wandungen 2 ist. Das geschmol­ zene aktive Medium gelangt unter der Wirkung des Kapillar­ effektes zur Verdampfungszone. Nach der Kondensierung an den Wandungen 2 der Gasentladungskammer 1, wo die Tempe­ ratur niedriger ist als in unmittelbarer Nähe der Längs­ achse der Gasentladungskammer 1, gelangt das aktive Me­ dium erneut zur Zone mit höheren Temperaturen. Es kommt zu einer Zirkulation des aktiven Mediums zwischen der Verdampfungszone und der Kondensationszone sowohl in Rich­ tung von den Wandungen der Gasentladungskammer 1 zur Längs­ achse als auch in Richtung von den Enden der Gasentladungs­ kammer 1 zur Mitte derselben.

Die Wirkungsweise der Gasentladungsröhre gemäß Fig. 7, 8 ist der Wirkungsweise der Gasentladungsröhre nach Fig. 5, 6 ähnlich.

Die beschriebenen Gasentladungsröhren liefern eine er­ höhte Energieausbeute und haben einen erhöhten Wirkungs­ grad. Die Betriebsbereitschaft der Gasentladungsröhre wird schnell erreicht. Es ergibt sich 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.

Claims (10)

1. Gasentladungsröhre eines Gasimpulslasers, enthaltend:

• a) eine mit einem Puffergas und einem laseraktiven Medium gefüllte Gasentladungskammer (1),
• b) Austrittsfenster (3, 4) zum Austritt einer in der Gas­ entladungskammer (1) erzeugten Laserstrahlung,
• c) ein innerhalb der Gasentladungskammer (1) angeordnetes Heizelement, das mit einer zum Heizen des Heizelement ge­ eigneten Heizspannungsquelle (9) elektrisch leitend verbun­ den ist,
• d) einen die Gasentladungskammer (1) umgebenden Wärmeiso­ lator (5),
• e) in der Gasentladungskammer (1) angeordnete Elektroden, die elektrisch leitend mit einer Impulsspannungsquelle (8) verbunden sind,

dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden und das Heiz­ element als ein Ganzes in Form einer einzigen gemeinsamen Elektrode (7) ausgebildet sind, wobei sich die gemeinsame Elektrode (7) von einem ersten Ende (7 a) entlang der gesamten Länge der Gasentladungskammer (1) bis zu einem zweiten Ende (7 b) erstreckt und wobei zwischen die beiden Enden (7 a, 7 b) der gemeinsamen Elektrode (7) sowohl die Heizspannungsquelle (9) als auch die Impulsspannungsquelle (8) geschaltet ist.

2. Gasentladungsröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Elektrode (7) an einer Innenfläche (12) der Gasentladungskammer (1) angeordnet ist.

3. Gasentladungsröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Elektrode (7) fadenförmig ausgebildet ist.

4. Gasentladungsröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Elektrode (7) in Form eines koaxial zur Gasentladungskammer (1) angeord­ neten Hohlzylinders (17) ausgebildet ist (Fig. 2).

5. Gasentladungsröhre nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlzylinder (17) auf seiner Innenseite mindestens eine senkrecht zur Innen­ fläche des Hohlzylinders (17) angeordnete Rippe (18) ent­ hält (Fig. 5 und 6).

6. Gasentladungsröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Elektrode (7) in Form zumindest einer Schraubenwendel (14) ausgebildet ist (Fig. 3).

7. Gasentladungsröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Wandungen (15) der Gasentla­ dungskammer (1) als gemeinsame Elektrode (7) dienen (Fig. 4).

8. Gasentladungsröhre nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Platte (19) aus dielektrischem Material vorgesehen ist, die mit ihrer Längsseitenfläche senkrecht zur Innenfläche (12) der Gas­ entladungskammer (1) verläuft, und daß die Schraubenwendel (14) die Platte (19) umgibt und relativ zu dieser derart angeordnet ist, daß benachbarte Windungen der Schraubenwendel (14) untereinander und mit der Platte (19) in Berührung stehen und zusammen mit der Platte (19) als gemeinsame Elektrode (7) dienen.

9. Gasentladungsröhre nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippe (18) und der Hohl­ zylinder (17) eine Kapillarstruktur haben.