DE3706981C2

DE3706981C2 - Vorrichtung und Verfahren zum gleichförmigen Ionisieren eines unter hohem Druck stehenden gasförmigen Mediums

Info

Publication number: DE3706981C2
Application number: DE3706981A
Authority: DE
Inventors: Edward J Mclellan
Original assignee: Individual
Current assignee: MCLELLAN, EDWARD J., LOS ALAMOS, N. MEX., US
Priority date: 1986-03-05
Filing date: 1987-03-04
Publication date: 1994-04-14
Anticipated expiration: 2007-03-05
Also published as: DE3706981A1; GB8704819D0; GB2187593A; CA1268242A; GB2187593B; JPS62265779A; US4748635A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum gleichförmigen Ionisieren eines unter hohem Druck stehenden gasförmigen Mediums und zum gleichförmigen Abgeben einer großen Energiemenge an dieses gasförmige Medium nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die vorliegende Erfin dung betrifft ferner ein Verfahren zum Erzeugen einer gleichförmigen Hochenergie-Entladung in einem unter hohem Druck stehenden gasförmigen Medium nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5.

Eine Vorrichtung und ein Verfahren dieser Gattung sind aus der U.S. 4,547,883 bekannt. Bei diesem Stand der Technik besteht die Einrichtung zum Vorionisieren des Gases aus einer Corona-Elektrode, die von der Gitter-Anode durch eine dielektrische Platte getrennt ist. Durch Aktivieren eines Hochspannungsschalters wird ein durch eine Hochspannungs quelle aufgeladener Kondensator entladen, wodurch die Kathode und die Corona-Elektrode gleichzeitig gepulst wer den. Bei der Vorionisierung werden Ultraviolett-Photonen erzeugt, die in den ersten Abschnitt des Gasbereichs ein dringen und Ionen-/Elektronenpaare darin erzeugen. Durch die Hauptentladung des Kondensators wird dann der Bereich zwischen der Kathode und der Anode vollständig ionisiert. Bei der in dieser Druckschrift offenbarten Vorrichtung ist somit ein Hochspannungsschalter erforderlich, der die ge samte Stromentladung aufnehmen muß. Ferner muß trotz der Vorionisierung des gasförmigen Mediums eine vergleichsweise hohe Potentialdifferenz an Kathode und Anode angelegt wer den, um die Durchbruchsgrenze des Gases zu überschreiten und die Hauptentladung herbeizuführen.

In einem Artikel von Albert K. LaFlamme mit dem Titel "Double Discharge Exitation for Atmospheric Pressure CO₂ Lasers" in Rev. Sci Instr. 41, 1578 (1970) wird ein modi fizierter Doppelentladungslaser diskutiert. Eine einzige Triggereinrichtung steuert sowohl die Vorionisierung als auch die Entladung für das Verstärkungsmedium.

In einem Artikel von Martin C. Richardson, A.J. Alcock, Kurt Leopold und Peter Burtyn mit dem Titel "A 300-J Multigigawatt CO₂ Laser", erschienen in der Zeitschrift IEEE J. Quantum Electron. 9 236 (1973) ist ein echter Doppelentladungslaser beschrieben. Durch eine erste Trig gereinrichtung wird die Vorionisierungsentladung gestartet, während eine zweite derartige Einrichtung die Hauptentla dung solange verhindert, bis im Bereich der Anode eine ausreichende Ionisierung eingetreten ist. Hier wie beim obigen ersten Aufsatz trägt eine Triggereinrichtung den ge samten Hauptentladungsstrom. Derartige Triggereinrichtun gen sind teuer, arbeiten wenig zuverlässig und sind bezüg lich der Wiederholfrequenz begrenzt.

Die U.S. 4,412,333 offenbart die Verwendung einer raschen elektrischen Entladungs-Vorionisierung, um die Hauptentla dung in dem gasförmigen Medium einzuleiten und zu steuern. Die dort beschriebene Entladungseinrichtung kommt ohne einen hohe Spannungen schaltenden Schalter aus, der die hochenergetische Entladung solange zurückhalten muß, bis eine ausreichende Ionisierung erfolgt ist, was notwendig ist, damit die Hauptentladung ohne starke Bogenbildung er folgt. Der höchste Druck, bei welchem diese Einrichtung arbeiten kann, ohne daß elektrische Bogen auftreten, be trägt jedoch bei Gasmischungen aus CO₂, M₂ und He etwa 80 Torr. Auf diese Weise ist die am Ausfang einer solchen Einrichtung erhaltbare Energie begrenzt. Bei der Vorrich tung und dem Verfahren nach McLellan beaufschlagt man auch die Hauptentladung mit kleinerer Spannung als bei ähnlichen Vorrichtungen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß den Oberbegriffen der Patentansprü che 1 und 5 so weiterzubilden, daß sie nur eine vergleichs weise geringe Potentialdifferenz für die Hauptentladung be nötigen und ein den gesamten Entladungsstrom aufnehmender Schalter nicht erforderlich ist.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 und bei einem gattungsgemäßen Verfahren durch die kenn zeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 5 gelöst.

Aus der U.S. 4,024,465 ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine erste gleichförmige gepulste Niederenergie-Entladung außerhalb des zwischen den beiden Elektroden liegenden Raums erzeugt wird, die eine Ionisierung hervorruft, welche in den zwischen den Elektroden liegenden Raum eindringt und dort eine gleichförmige Ionisierung herbeiführt, so daß aufgrund der Gleichspannungs-Potentialdifferenz zwischen den beiden beabstandeten Elektroden ein Gaszusammenbruch erfolgen kann.

Bei der Vorrichtung und dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung sind drei getrennte Ionisierungsschritte vorge sehen. Der erste Ionisierungsschritt erfolgt durch die Ionisierung des Raums zwischen den freien Enden der Wider standselemente und der Anode aufgrund der gepulsten Nieder energie-Hochspannungsquelle. Der zweite Ionisierungsschritt wird dadurch ausgelöst, daß ein Impuls der Hochspannungs quelle über den Kondensator an die Kathode angelegt wird. Hierdurch wird eine Niederenergie-Entladung zwischen Katho de und Anode erzeugt, was zu einer zweiten Ionisierung des Bereichs zwischen Kathode und Anode führt. Schließlich wird an die Kathode eine Gleichstrom-Hochspannung angelegt, die dann die Hauptentladung zwischen Kathode und Anode auslöst. Der Bereich zwischen Kathode und Anode wird dann vollstän dig ionisiert.

Aufgrund der beiden ersten Ionisierungsschritte reicht eine vergleichsweise niedrige Spannung aus, um die Hauptentla dung zwischen Kathode und Anode aufrechtzuerhalten. Bei der Vorrichtung und dem Verfahren nach der Erfindung kann daher mit einer vergleichsweise niedrigen Potentialdifferenz und einer entsprechend niedrigen Spannung gearbeitet werden, und auch ein Hochspannungsschalter, der den gesamten Ent ladungsstrom aufnehmen muß, ist nicht erforderlich.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Anhand der einzigen Figur, die eine schematische Darstel lung eines Gaslasers ist, wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

In Fig. 1 ist schematisch ein Gaslaser wiedergegeben. Zu seinen beiden Elektroden gehört eine Kathode 10 und eine Anode 12. Diese beiden Elektroden begrenzen ein Entladungs volumen, in dem sich ein zu ionisierendes gasförmiges Me dium befindet. Die Anode 12 ist ein Gitter oder Drahtnetz, so daß Gase unbehindert durch die Anode hindurchdiffundie ren können. Widerstandselemente 14 haben jeweils einen er sten Anschluß 16, der elektrisch an eine Versorgungsschiene 18 angeschlossen ist. Zweite Anschlüsse 20 der Widerstands elemente sind an keinen elektrischen Leiter angeschlossen und weisen zur Anode 12 hin. Werden die Widerstandselemente von einer mit kleiner Leistung arbeitenden gepulsten Hoch spannungsquelle 24 mit Spannung beaufschlagt, so erzeugen sie in demjenigen Bereich, der zwischen der Anode 12 und der Kathode 10 liegt, eine intensive gleichförmige Ioni sierung, da man durch eine elektrische Entladung zwischen den freien Anschlüssen 20 der Widerstandselemente 14 und der Anode 12 eine gleichförmige Ionisierung in demjenigen Bereich erhält, welcher zwischen den Widerstandselementen 14 und der Anode 12 liegt. Die dort erzeugten Ionen können durch die als offene Struktur ausgebildete Anode 12 in das zwischen der Anode und der Kathode liegende Entladungsvo lumen diffundieren. Ein Kondensator 26 ist mit seinem einen Ende an die Versorgungsschiene 18 angeschlossen. Seine an dere Klemme ist über eine Drossel 28 mit dem Ausgang einer Gleichspannungs-Hochspannungsquelle 22 verbunden. Die Dros sel 28 dient zum Schutz der Hochspannungsquelle 22. Die Kathode 10 wird gleichzeitig durch die Hochspannungsquelle 22 auf eine Spannung aufgeladen, die deutlich unterhalb der Durchbruchsschwelle des gasförmigen Mediums liegt. Eine kleine Energiemenge, die von der gepulsten Hochspannungs quelle 24 bereitgestellt wird, wird über den Kondensator 26 eingekoppelt und hebt die der Kathode 10 aufgeprägte Spannung kurzfristig an. Dieser Spannungsanstieg auf einen über der Durchbruchsschwelle des gasförmigen Mediums lie genden Wert wird durch die Drossel 28 abgeblockt. Dies er folgt im wesentlichen zum gleichen Zeitpunkt, zu dem auch in dem durch die Anode 12 und die Widerstandselemente 14 begrenzten sekundären Entladungsvolumen die gleichförmige Ionisierung erzeugt wird. Man erhält somit eine zusätzli che intensive gleichförmige Ionisierung in dem zwischen der Anode und der Kathode liegenden Entladungsvolumen, und zwar innerhalb einer Zeitspanne, die kurz ist verglichen mit derjenigen Zeitspanne, die notwendig ist, um eine große Energiemenge in das zwischen der Anode und der Kathode liegende Entladungsvolumen zu pumpen, was durch eine zwi schen diesen Elektroden unterhaltene elektrische Hochspan nungsentladung erfolgt. Die vergrößerte gleichförmige große Ionisierung in dem zwischen der Anode und der Kathode lie genden Entladungsvolumen, wie gesagt erzielt in einer kur zen Zeitspanne, sorgt für eine nun ausreichende gleichför mige Ionisierung zwischen den Elektroden, so daß die von der Hochspannungsquelle 22 angelegte Spannung nunmehr grö ßer wird als die Durchbruchsspannung des gleichförmig in nennenswertem Umfange ionisierten gasförmigen Mediums, wo durch eine elektrische Hochspannungs-Hochenergie-Entladung zwischen den Elektroden eingeleitet und gesteuert wird, bei welcher große Energiemengen gleichförmig in das zwi schen den Elektroden liegende gasförmige Medium gepumpt werden. Damit leitet eine rasche, niederenergetische elek trische Entladung das gleichförmige und reproduzierbare Pumpen hoher Energie in ein gasförmiges Medium ein, wie es für Laseraktivität geeignet ist. Die Elektrodenanord nung ist von einer gasdichten Hülle 34 umgeben, die einen Gaseinlaß 38, einen Gasauslaß 40 und zumindest ein Fenster aufweist, durch welches die Laserstrahlung 36 hindurchtre ten kann (letzteres dann, wenn die Vor richtung als Laseroszillator oder Lichtverstärker verwen det werden soll). Beim Einsatz der Vorrichtung zur gleich förmigen Ionisierung unter hohem Druck stehender gasförmi ger Medien bei einem Laser kann man einen vollverspiegel ten Spiegel 30 und einen teilverspiegelten Spiegel 32 als Teile eines optischen Resonators verwenden. Fachleuten auf dem Gebiete der Lasertechnik ist bekannt, daß es viele elektrische Schaltkreis-Auslegungen gibt, um die Gleich spannungs-Hochspannungsquelle und die gepulste Hochspan nungsquelle zu realisieren, die weiter oben angesprochen wurden.

Nach Erläuterung der Grundzüge von Gaslasern, welche eine Vorrichtung zum gleichförmigen Ionisieren unter hohem Druck stehendem gasförmigen Medium enthalten, wird nun ein detail liertes praktisches Ausführungsbeispiel angegeben:

Beispiel

Es wird eine Gasmischung verwendet, welche etwa 65% He, ungefähr 20% CO₂ und etwa 15% N₂ umfaßt. Die Gasmi schung steht unter einem Gesamtdruck von etwa 30 bis etwa 60 Torr. Ein 140 cm langer Entladungsraum hat 8 etwa gleich lange Kathoden, die etwa 4 cm von einer einzigen Anode ent fernt sind. Der Laser erzeugt eine Ausgangsleistung zwi schen etwa 3 und etwa 4 J pro Impuls, wobei der Ausgangs koppler zu 37% reflektiert. Die angelegte Spannung wurde zwischen etwa 2,5 und 4 kV abgeändert. Für jede Kathode war ein Kondensator 26 von 500 pF vorgesehen. Die ebenfalls für jede Kathode vorgesehene Drossel 28 hatte einen Wert von 50 Mikro-Henry. Die Gleichförmigkeit des ausgekoppel ten Lichtstrahles betrug etwa 90% gemessen über 90% des 4×4 cm großen Strahlquerschnittes. Die gleiche Vorrich tung wurde auch zusammen mit einer Gasmischung verwendet, welche aus etwa 80% He, etwa 10% Co₂ und etwa 10% N₂ bestand, wobei der Gesamtgasdruck bis zu zwischen etwa 45 und 85 Torr betrug. Man erhält auf diese Weise ein Produkt aus Gesamtgasdruck und Elektrodenabstand im Bereich von 180 bis 340 Torr-cm, das mit einem Maximum von 240 Torr-cm zu vergleichen ist, welches man bei Verwendung einer Gas mischung mit 95% He mit der Vorrichtung nach der US-PS 4 412 333 erhält. Mit der oben beschriebenen Vorrichtung zum gleichförmigen Ionisieren einer unter hohem Druck ste henden Gasmischung erzeugt man ein im wesentlichen gleich förmiges Plasma über ein Volumen von 1 cm×1 cm×30 cm, wenn man mit Drucken größer als 300 Torr arbeitet und eine Gasmischung verwendet, welche etwa 65% He, etwa 20% Co₂ und etwa 15% N₂ enthält. Die Länge der Elektroden betrug etwa 30 cm, der Elektrodenabstand etwa 1 cm. Man erhält Energien von mehr als 0,1 J/Impuls, wenn man einen Ausgangs koppler verwendet, der zu 67% reflektiert.

Claims

1. Vorrichtung zum gleichförmigen Ionisieren eines unter hohem Druck stehenden gasförmigen Mediums und zum gleichförmigen Abgeben einer großen Energiemenge an dieses gasförmige Medium, mit:

a) zwei Elektroden (10, 12) in Form einer Kathode (10) und einer Drahtnetzanode (12), die unter Abstand zur Katho de (10) angeordnet ist, im wesentlichen die gleiche Gesamt erstreckung hat und parallel zur Kathode (10) ausgerichtet ist, so daß zwischen den beiden Elektroden ein Volumen ge bildet wird, in das das gasförmige Medium sich frei hinein bewegen kann;
b) einer Einrichtung (22) zum Erzeugen einer großen Gleichspannungs-Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden (10, 12);
c) einer dritten Elektrode (14, 16, 18, 20), die unter Abstand zur Anode (12) angeordnet ist, im wesentlichen die gleiche Gesamterstreckung hat und parallel zur Anode (12) auf der von der Kathode (10) abgewandten Seite liegt, so daß zwischen der dritten Elektrode und der Anode (12) ein zweites Volumen gebildet wird, in das sich das gasförmige Medium frei hineinbewegen kann;
d) einer Einrichtung (24) zum Erzeugen einer ersten elektrischen Entladung in dem im zweiten Volumen vorhande nen gasförmigen Medium, wobei die erste elektrische Entla dung eine gleichförmige Ionisierung des gasförmigen Mediums im zweiten Volumen erzeugt, die durch die Drahtnetz-Anode (12) hindurch in das erste Volumen eindringt, um eine gleichförmige Ionisierung des darin befindlichen gasförmi gen Mediums zu erzeugen;
gekennzeichnet durch
e) eine Impulseinrichtung (24), die einen niederener getischen Hochspannungsimpuls zwischen einer Versorgungs schiene (18) und der Anode (12) erzeugt, um die besagte erste elektrische Entladung zu bilden;
f) eine Einrichtung (24, 26, 28) zum Erzeugen eines niederenergetischen Hochspannungsimpulses zwischen der Kathode (10) und der Anode (12), um eine zweite elektrische Entladung in dem im ersten Volumen befindlichen gasförmigen Medium zu bilden, wodurch man in dem im ersten Volumen befindlichen gasförmigen Medium eine zusätzliche starke gleichförmige Ionisierung erhält, wobei die zweite elek tronische Entladung im wesentlichen unmittelbar nach der durch die erste elektrische Entladung erzeugten Ionisierung des gasförmigen Mediums im zweiten Volumen einsetzt, und wobei die zweite elektrische Entladung durch die von der ersten Entladung herbeigeführte Ionisierung des gasförmigen Mediums im zweiten Volumen gestartet und gesteuert wird;
g) wobei die dritte Elektrode (14, 16, 18, 20) aus einer dicht gepackten Anordnung von hohem Widerstand aufweisenden Widerstandselementen (14) in ebener Anordnung besteht, je des der Widerstandselemente (14) einen ersten elektrischen Anschluß (20) und einen zweiten elektrischen Anschluß (16) aufweist, sämtliche ersten elektrischen Anschlüsse (20) un verbunden sind, ungefähr die gleiche Länge haben, zur Anode (12) zeigen und von dieser beabstandet sind, und wobei sämtliche zweiten Anschlüsse (16) der Widerstandselemente zum Bilden der Versorgungsschiene (18) elektrisch mitein ander verbunden sind, welche sich auf der von der Anode (12) abgewandten Seite über die Anordnung der Widerstands elemente (14) erstreckt;
h) wobei die besagte Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden (10, 12) unterhalb der Durchbruchsgrenze des gasförmigen Mediums im ersten Volumen liegt, bevor die zweite elektrische Entladung die besagte gleichförmige Ionisierung bewirkt, wobei die die Potentialdifferenz er zeugende Einrichtung (22) eine große Energiemenge für eine dritte elektrische Entladung abgibt, welche zwischen den beiden Elektroden (10, 12) erfolgt und allein durch die besagte starke Erhöhung der besagten Ionisierung des gas förmigen Mediums in dem ersten Volumen gestartet und ge steuert wird, wobei die dritte elektrische Entladung eine große Energiemenge an das gasförmige Medium abgibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Vorrichtung eine gasundurchlässige Hülle (34), die die beiden Elektroden (10, 12) sowie die dritte Elek trode (14, 16, 18, 20) umgibt und trägt, aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß die Einrichtung (24, 26) zum Erzeugen des nieder energetischen Hochspannungsimpulses zwischen den beiden Elektroden (10, 12) einen Kondensator (26) aufweist, der elektrisch leitend sowohl mit der Versorgungsschiene (18) als auch mit der Kathode (10) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß die Einrichtung (24, 26, 28) zum Erzeugen des nie derenergetischen Hochspannungsimpulses zwischen den beiden Elektroden (10, 12) ferner eine Drossel (28) in die elek trische Verbindung zwischen der Kathode (10) und die Ein richtung (22) zum Erzeugen der besagten Gleichspannungs- Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden (10, 12) eingefügt ist.

5. Verfahren zum Erzeugen einer gleichförmigen Hoch energie-Entladung in einem unter hohem Druck stehenden gasförmigen Medium zwischen zwei unter Abstand voneinander angeordneten, im wesentlichen parallelen Elektroden mit folgenden Verfahrensschritten:

a) der Raum zwischen den beiden beabstandeten Elektro den wird mit einem gasförmigen Medium gefüllt;
b) an die beiden beabstandeten Elektroden wird eine Hochspannungs-Potentialdifferenz angelegt, um an das gas förmige Medium zwischen den beiden beabstandeten Elektroden eine große Energiemenge abzugeben;
c) es wird eine erste gleichförmige gepulste Nieder energie-Entladung außerhalb des zwischen den beiden Elek troden liegenden Raums erzeugt, die eine Ionisierung her vorruft, welche in den zwischen den Elektroden liegenden Raum eindringt und dort eine gleichförmige Ionisierung herbeiführt, so daß aufgrund der Gleichspannungs-Poten tialdifferenz zwischen den beiden beabstandeten Elektroden ein Gaszusammenbruch erfolgen kann,
dadurch gekennzeichnet,
e) daß bei dem Anlegen der besagten hohen Potential differenz an die beabstandeten Elektroden die beiden Elek troden auf eine Gleichstrom-Potentialdifferenz aufgeladen werden, die unter der Durchbruchsgrenze des gasförmigen Mediums liegt, jedoch grob genug ist, um eine gepulste Hochenergieentladung zu erzeugen, wenn eine ausreichende Ionisierung zwischen den beiden beabstandeten Elektroden herbeigeführt wurde;
f) daß zwischen den beiden Elektroden eine zweite gleichförmige Niederenergieentladung erzeugt wird, die durch die erste Niederenergieentladung gesteuert wird, welche außerhalb des zwischen den beiden Elektroden lie genden Raums unterhalten wird und in einer Zeitspanne er folgt, die klein ist verglichen mit der Zeitspanne, die zum Abgeben einer großen Menge elektrischer Energie in das zwi schen den Elektroden befindliche gasförmige Medium notwen dig ist, wodurch eine ausreichende Ionisierung zwischen den beiden beabstandeten Elektroden herbeigeführt wird, um die gepulste Hochenergieentladung zwischen den beiden Elektro den zu erzeugen, wobei die so erzeugte gepulste Hochener gieentladung im wesentlichen gleichförmig ist und eine große Energiemenge in das zwischen den beiden Elektroden befindliche gasförmige Medium abgegeben wird.