DE3714539A1 - Schaltung fuer die elektrische versorgung eines gepulsten gaslasers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung für die elektrische Ver­ sorgung eines gepulsten Gaslasers mit den Merkmalen des Oberbe­ griffs des Patentanspruchs 1. Eine derartige Schaltung wird in der nicht vorveröffentlichten älteren deutschen Anmeldung P 36 21 005.6 vorgeschlagen, zu der die vorliegende Anmeldung im Zusatzverhältnis steht.

Gepulste Gaslaser, wie zum Beispiel Excimer-Laser, N₂-Laser oder CO₂-Laser, werden oftmals transversal durch eine Plasma­ entladung angeregt (TE-Gaslaser). Die Plasmaentladung (auch Hauptentladung genannt) erfolgt senkrecht zur optischen Achse des Lasers. Die für die Plasmaentladung erforderliche Energie wird in einem Kondensator gespeichert und bei der Entladung in das Plasma transferiert. Die Plasmaentladung erfolgt zwischen in der Laser-Kammer parallel zur optischen Achse angeordneten Hauptelektroden.

Die Leistung und auch andere Qualitäten des Lasers hängen u.a. wesentlich von der Homogenität der Plasmaentladung ab. Um die erforderliche Homogenität der Plasmaentladung bei unterschied­ lichen Drucken des Arbeitsgases je nach Gasgemisch zu gewähr­ leisten, ist eine sogenannte Vorionisierung vor der Plasmaent­ ladung (Hauptentladung) erforderlich. Einzelheiten über die Vorionisierung finden sich beispielsweise bei: A.J. Palmer: "A physical model on the initiation of atmospheric pressure glow", Appl. Phys. Lett. 25 (1974), 136; J.I. Levatter und S.C. Lin: "Necessary conditions for the homogeneous formation of pulsed avalanche discharges at high gas pressure", J. Appl. Phys. 51 (1980), 210; und G. Herziger et al.: "On the homogenisation of transverse gas discharges by preionization", Appl. Phys. 24 (1981), 267.

Die Vorionisierung des Arbeitsgases wird unter anderem mit Funken durchgeführt. Funken sind Quellen intensiver Strahlung, die ausreichend kurzwellig ist, um in einem im wesentlichen einstufigen Prozeß mindestens eine im Arbeitsgas befindliche Atom- oder Molekülsorte zu photoionisieren und somit freie Elektronen in hinreichender Konzentration im Raum zwischen den Hauptelektroden zu erzeugen. Das von den Funken abgestrahlte UV-Licht muß deshalb in den Raum zwischen den Hauptelektroden gelangen, so daß bei ausreichender Konzentration der freien Vorionisierungs-Elektronen die Plasmaentladung homogen ein­ setzt. Die Funken werden zwischen den Funkenelektroden erzeugt, die zusätzlich zu den Hauptelektroden vorgesehen sind. Die Funkenelektroden sind üblicherweise in der Nähe der Hauptelek­ troden angeordnet (K. Miyazaki et al.: "Efficient and compact discharge XeC1 laser with automatic uv preionisation", Rev. Sci. Instr. 52 (1985), 201). Es ist auch möglich, die Haupt­ elektroden aus optisch weitgehend durchlässigen metallischen Sieben herzustellen, so daß die Funkenelektroden hinter den Hauptelektroden angeordnet werden können (C.R. Tallman: "A study of excimer laser preionization techniques", Topical Meeting on Excimer Lasers 1979, Paper WB4-1; R.S. Taylor et al.: "Time­ dependent gain and absorption in a 5 J uv-preionized XeC1 laser", IEEE QE 19 (1983), 416; Levatter: EP 00 33 424; A.J. Kearsley et al.: "A novel pre-ionisation technique for discharge excited rare gas halide lasers", Opt. Comm. 31 (1979), 181; S. Watanabe and A. Endoh: "Wide aperture self­ sustained discharge KrF and XeC1 lasers", Appl. Phys. Lett. 41 (1982), 799). Eine Anordnung der Funkenelektroden seitlich neben den beiden Hauptelektroden ist den Arbeiten von C.R. Tallman: "A study of excimer laser preionization techniques", Topical Meeting on Excimer Lasers 1979, Paper WB4-1; C.E. Webb: "Quantum Electronics and Electro-Optics", Ed. by P.L. Knight, 1983, John Wiley & Sons Ltd., S. 3; und A.J. Kearsley et al.: "A novel pre-ionisation technique for discharge excited rare gas halide lasers", Opt. Comm. 31 (1979), 181, zu entnehmen.

Im Hinblick auf die elektrische Versorgung können bei den be­ kannten Vorionisierungssystemen mittels Funken zwei Gruppen unterschieden werden: Bei den sogenannten autonomen Vorionisie­ rungsschaltungen erfolgt die Stromversorgung der Funkenelektro­ den unabhängig von der Speisung der Plasmaentladung (R.S. Taylor et al.: "Glow discharge characteristics of a 0,8 Joule multi-atmosphere rare gas halide lase", Opt. Comm. 25 (1978), 231 oder R.S. Taylor et al.: "Time-dependent gain and absorp­ tion in a 5 J uv-preionized XeC1 laser", IEEE QE 19 (1983), 416), während bei der sogenannten automatischen ("integrier­ ten") Funken-Vorionisierung die elektrische Versorgung der Funkenelektroden in die der Plasmaentladung integriert ist (K. Miyazaki et al.: "Efficient and compact discharge XeC1 laser with automatic uv preionisation", Rev. Sci. Instr. 52 (1985), 201; J.I. Levatter: EP 00 33 424; A.J. Kearsley et al.: "A novel pre-ionisation technique for discharge excited rare gas halide lasers", Opt. Comm. 31 (1979), 181).

Andererseits werden bei einer Art der Funken-Vorionisierung mehrere Funken in Reihe (Travelling Wave) aus einem Strompfad gespeist (R.S. Taylor et al.: "Time-dependent gain and absorption in a 5 J uv-preionized XeC1 laser", IEEE QE 19 (1983), 416; S. Watanabe and A. Endoh: "Wide aperture self­ sustained discharge KrF and XeC1 lasers", Appl. Phys. Lett. 41 (1982), 799), während bei einer anderen Art der Funken-Vorioni­ sierung die Funken voneinander unabhängig (parallel) gespeist werden. Bei der letztgenannten Vorionisierung ist bei der Spei­ sung einer bestimmten Funkenentladung zwischen zugeordneten Funkenelektroden nicht notwendig, auch die benachbarten Fun­ kenentladungen zu speisen (A.J. Kearsley et al.: "A novel pre-ionisation technique for discharge excited rare gas halide lasers", Opt. Comm. 31 (1979), 181; C.E. Webb: "Quantum Elec­ tronics and Electro-Optics", Ed. by P.L. Knight - 1983, John Wiley & Sons Ltd., S. 3; K. Miyazaki et al.: "Efficient and compact discharge XeC1 laser with automatic uv preionisation", Rev. Sci. Instr. 52 (1985), 201).

Bei allen bisher zitierten Schaltungen für die Funken-Vorioni­ sierung werden die Funken aus hochinduktiven Leistungskreisen gespeist. Diese Hochinduktivität der die Funken-Entladung spei­ senden Leistungskreise ergibt sich daraus, daß der Funkenstrom während der Vorionisierung in Reihe mit einem punktuellen Schalter, wie einer Funkenstrecke ("Spark Gap") oder Thyratron (s. z.B. Optics Communications, 31, (1979), S. 181, Fig. 1) fließt. Der maximale Funken-Strom wird durch die Leistungs­ fähigkeit des Schalters begrenzt. Überdies ist die Impedanz der Funkenentladung sehr klein und somit die Anpassung des hochin­ duktiven Funken-Speisekreises an die Funkenentladungen sehr schlecht. Die Induktivität der aus den zitierten Druckschriften bekannten Funken-Speisekreise erreicht schnell Werte über 100 nH, so daß innerhalb einer Schwingungsperiode nur ein geringer Teil der gespeicherten Energie in die Funkenbildung und damit die Vorionisierung umgesetzt wird.

Aus der europäischen Patentanmeldung 33 414 ist eine Schaltung der oben erwähnten "automatischen" Art zur Funkenerzeugung be­ kannt, bei der der Schalter seinerseits eine niederinduktive lineare Funkenstrecke (Rail Gap) ist. Diese Schaltung weist einen niederinduktiven Leistungskreis für die Speisung der Funken auf. Die Funken werden unabhängig (parallel) gespeist.

Bei allen bekannten Funken-Vorionisierungssystemen wird immer ein Schalter verwendet, der mit den Funkenentladungen in Reihe liegt und die Funkenentladungen erfolgen nur "auf Kommando" dieses Schalters. Bei den bekannten Vorionisierungssystemen erfüllt deshalb die Vorionisierungs-Funkenentladung keine eigenständige Schaltfunktion.

Die bereits erwähnte Hochinduktivität des die Funkenentladung speisenden Leistungskreises, also die geringe Anpassung des Leistungskreises an die niederinduktive Funkenentladung, stört bei den bekannten Schaltungen vom erwähnten "automatischen" Typ nicht, da die kapazitiv gespeicherte Energie zum größten Teil in die Plasmaentladung (Hauptentladung) überführt werden soll.

Bei den erwähnten autonomen Systemen, bei denen die Funken aus einem vom Hauptentladungskreis getrennten Kreis gespeist wer­ den, ergeben sich erhebliche Nachteile: Zunächst ist der Wir­ kungsgrad der Umsetzung der kapazitiv gespeicherten Energie in die Vorionisierung gering. Auch erfolgt die Strahlungsemission der Funken über einen relativ langen Zeitraum, was bei elektro­ negativen Gasen, wie HCl oder F₂, zur Folge hat, daß die zu­ nächst durch Photoionisierung erzeugten freien Elektronen wieder eingefangen werden (Elektronen Attachment). Durch die lange Zeitspanne der Funken-Vorionisierung wird also die Kon­ zentration der freien Elektronen im Raum zwischen den Haupt­ elektroden unerwünscht gesenkt. Auch wird unnötig viel elektri­ sche Ladung durch die Funkenentladungen geleitet, was die Le­ bensdauer und Funktionstüchtigkeit der Funkenelektroden beein­ trächtigen kann und der Forderung nach einer langen Lebensdauer des Lasers von mindestens einigen 100.000.000 Schuß zuwider­ läuft. Überdies kann es durch den großen Ladungstransport zur Gasverschmutzung kommen.

Darüberhinaus ist zu beachten, daß die Ionisierungseffektivität der Funken eine sehr schnell wachsende Funktion des Funkenstro­ mes ist. Es ist deshalb wünschenswert, die zur autonomen Vorio­ nisierung eingesetzte Energie in einem möglichst intensiven und kurzen Stromimpuls in die Funkenentladung zu transferieren.

In der Hauptanmeldung P 36 21 005.6 wird bei allen erwähnten Nachteilen Abhilfe geschaffen. Es wird eine autonome Schaltung für die elektrische Versorgung eines gepulsten TE-Gaslasers vorgeschlagen, die wahlweise eine hochwertige Vorionisierung und/oder die Erzeugung eines komprimierten Hochspannungsimpul­ ses ermöglicht. Wird die Schaltung gemäß der Hauptanmeldung zur Vorionisierung verwendet, so soll diese möglichst intensiv sein, die kapazitiv gespeicherte Energie mit hohem Wirkungsgrad umsetzen, kürzer als 200 nsek sein, den in der Impulshochspan­ nungsquelle üblicherweise vorgesehenen Schalter (z.B. ein Thyratron) wenig belasten und eine lange Lebensdauer des Vor­ ionisierungssystems, insbesondere der Funkenelektroden gewähr­ leisten. Darüberhinaus sorgt die in der Hauptanmeldung be­ schriebene Schaltung auch für einen begrenzten Ladungstransfer durch die Funken, so daß Gasverschmutzungen, insbesondere durch die Elektroden, vermieden sind.

Bei der in der Hauptanmeldung vorgeschlagenen Schaltung können die Funken spontan oder extern ausgelöst werden.

Die vorliegende Weiterentwicklung der Schaltung gemäß der Hauptanmeldung betrifft die externe Auslösung der Funken zwi­ schen den Funkenelektroden.

Bei der externen Auslösung eines Funkens werden im Gas zwischen den Funkenelektroden hinreichend viele freie Ladungsträger (Io­ nen, Elektronen) erzeugt, so daß ein elektrischer Strom zwi­ schen den Elektroden initiiert wird, der sich in einem bekann­ ten Elektronenvervielfachungsprozeß zum Funken ausbildet. Die Ladungsträger müssen im Gas zwischen den Funkenelektroden in­ nerhalb sehr kurzer Zeit, typischerweise 20 nsek, erzeugt werden.

Für die Erzeugung von Ladungsträgern zum Zünden von Funken sind im Stand der Technik im wesentlichen drei Verfahren bekannt.

Bei der UV-Ionisierung werden, ähnlich wie bei der in der äl­ teren Anmeldung P 36 21 005.6 beschriebenen Vorionisierung des Lasergases, durch einen kurzen, sehr kurzwelligen UV-Lichtpuls innerhalb von 10 bis 20 nsek hinreichend viele freie Elektronen erzeugt, so daß sich der Funken ausbilden kann. Der UV-Licht­ puls kann selbst durch einen kleineren Funken (sog. Triggerfun­ ken) erzeugt werden. Ein gepulster Gaslaser mit transversaler Anregung des Arbeitsgases weist somit bei einer derartigen ex­ ternen Auslösung des Funkens mittels eines Triggerfunkens ins­ gesamt drei Gas-Entladungsstrecken im weitesten Sinne auf: Die Plasmaentladung zwischen den in der Laserkammer angeordneten Hauptelektroden (also die eigentliche Anregung des Arbeitsgases des Lasers), den Entladungsfunken zwischen den Funkenelektroden (mit dem das Arbeitsgas des Laser vorionisiert wird) und den sog. Triggerfunken (mit dem der vorstehend genannte Funken ex­ tern ausgelöst wird).

Der UV-Lichtpuls zur externen Auslösung des Funkens zwischen den Funkenelektroden kann auch mittels einer sogenannten Koro­ na-Entladung erzeugt werden (siehe z. B.: B. Walter: "Dielec­ trics for corona preionisation of a TEA laser", J.Phys.E., Vol. 18, S. 279 (1985); oder auch R. Marchetti, E. Penco, G. Salvetti: "A new type of corona-discharge photoionization source for gas lasers", J.Appl. Phys., 56, S. 3163 (1984)). Es ist auch bekannt, mittels kurzer Röntgen-Pulse Ladungsträger im Gas zwischen den Funkenelektroden zur externen Auslösung des Funkens zu erzeugen.

Schließlich ist es auch bekannt, die Ladungsträger durch einen hochenergetischen Elektronenstrahl (mit einigen hundert keV Energie) zu erzeugen. Ein derartiger Strahl wird im Vakuum in bekannter Weise erzeugt und durch eine dünne Metallfolie in die Laserkammer eingeschossen, wo er das Gas zwischen den Funken­ elektroden ionisiert, um die Funken auszulösen (zur Technik der Elektronenstrahlen sh. z.B.: D.E.Rothe, J.B. West, M.L.Bhaumik: "Efficient e-beam excitation of XeC1", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-15, S. 314, (1979)).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die in der Hauptan­ meldung P 36 21 005.6 vorgeschlagene Schaltung für die elektri­ sche Versorgung eines gepulsten TE-Gaslasers derart weiterzu­ bilden, daß eine genaue zeitliche Steuerung der Vorionisie­ rungsfunken möglich ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Schaltung der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Art derart ge­ löst, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, mit der zwischen zu­ mindest einem Funkenelektrodenpaar Ladungsträger zu einem Zeit­ punkt erzeugt werden, zu dem der kapazitive Energiespeicher durch die Impulshochspannungsquelle bis auf eine Soll-Spannung aufgeladen ist.

Erfindungsgemäß wird also gewährleistet, daß der Funken zwi­ schen den Funkenelektroden (welcher das Arbeitsgas des Lasers vor der Plasmaentladung vorionisiert) zum richtigen Zeitpunkt ausgelöst wird. Dabei ist sichergestellt, daß der die Funken­ strecke zwischen den Funkenelektroden versorgende kapazitive Energiespeicher, welcher durch eine Impulshochspannungsquelle aufgeladen wird, einen gewünschten maximalen Soll-Spannungswert aufweist, und gleichzeitig ist auch sichergestellt, daß ein spontanes Zünden der Funken zwischen den Funkenelektroden ver­ mieden wird. Um ein derartiges spontanes Zünden der Funken zu vermeiden, soll die Aufladezeit möglichst kurz, vorzugsweise im Bereich von 100 bis 200 nsek liegen. Dies bedeutet, daß der er­ findungsgemäß vorgesehene Triggerfunken etwa 100 bis 200 nsek nach Beginn der Aufladung des kapazitiven Energiespeichers für die Funkenentladung ausgelöst wird.

Die Erfindung gewährleistet also eine von Laserpuls zu Laser­ puls genau reproduzierbare zeitliche Koordinierung zwischen dem Triggerfunken, dem Vorionisierungsfunken und der Plasma-Haupt­ entladung.

Die Erfindung ist nicht auf den Einsatz mit UV-Licht erzeugen­ den Triggerfunken beschränkt. Auch die oben beschriebenen an­ deren Ionisierungsverfahren, also die Verwendung von Röntgen­ strahlen oder eines Elektronenstrahles können vorgesehen werden, um zwischen den Funkenelektroden Ladungsträger zu einem Zeitpunkt zu erzeugen, zu dem der kapazitive Energiespeicher bis auf eine gewünschte Soll-Spannung aufgeladen ist.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 bis 4b eine Schaltung für die elektrische Versorgung ei­ nes gepulsten Gaslasers mit TE-Anregungen gemäß der Hauptanmeldung P 36 21 005.6 einschließlich typischer Verläufe des Ladestromes des kapazitiven Energiespei­ chers bzw. des Funkenstromes über der Zeit;

Fig. 5 eine erfindungsgemäße Schaltung mit einer Einrichtung zum externen Auslösen eines Funkens zwischen den Funken­ elektroden.

Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild einer Schaltung zur Vorioni­ sierung des Arbeitsgases eines TE-Gaslasers und/oder zur Erzeu­ gung eines komprimierten Hochspannungsimpulses. Zwei Funken­ elektroden 1, 1′ sind etwa halbkugelförmig ausgebildet und weisen zueinander einen Abstand von 25 bis 30 mm auf. Es kann auch eine stumpfe Elektrode oder mehrere stumpfe Elektroden einer gemeinsamen, plattenförmigen Gegenelektrode gegenüber angeordnet werden. Eine Impulshochspannungsquelle 2 in üblicher Bauweise, also z.B. aus parallel geschalteten Kondensatoren und einem Thyratron als Schalter, speist den als kapazitiven Ener­ giespeicher dienenden Kondensator C ₁ sukzessive bis auf Span­ nungen von mehreren statischen Durchbruchsspannungen. Die Span­ nung des Kondensators C ₁ liegt an den Funkenelektroden 1, 1′ an. Danach erfolgt eine Funkenentladung zwischen den Funken­ elektroden 1, 1′, welche die Vorionisierung des Arbeitsgases des Lasers bewirkt. Da der Kondensator C ₁ niederinduktiv an die Funkenentladungsstrecke angeschlossen ist, ist eine gute Anpas­ sung des Funken-Speisekreises an die Induktivität des Funkens gegeben. Die im Kondensator C ₁ gespeicherte elektrische Energie (aus der Impulshochspannungsquelle 2) wird deshalb mit gutem Wirkungsgrad in die Funkenbildung umgesetzt, so daß auch die Vorionisierung mit entsprechend gutem Wirkungsgrad erfolgt. Die Vorionisierung dauert nur einige zig Nanosekunden.

Wie den Figuren zu entnehmen ist, erfordert der Speisekreis für die Funkenentladung keinen eigenen Schalter. Der Schalter in der Impulshochspannungsquelle 2 (z.B. ein Thyratron) wird nicht besonders belastet. Der Funken wirkt somit als "Schalter".

Die Aufladung des Kondensators C ₁ dauert typischerweise etwa 50 bis einige hundert ns.

Die Fig. 4a zeigt den Verlauf des Ladestromes des Kondensators C ₁ über der Zeit. Die im Kondensator C ₁ gespeicherte Ladungs­ menge ist mit Q ₁ bezeichnet und entspricht der Fläche unter der Kurve gemäß Fig. 4a.

Die Fig. 4b zeigt den Verlauf des Funkenstromes über der Zeit, wobei die beiden Zeit-Maßstäbe der Fig. 4a und 4b gleich sind.

Zum Zeitpunkt T ₁ wird die Funkenentladung zwischen den Funken­ elektroden 1, 1′ initiiert. Die im Kondensator C ₁ gespeicherte Energie wird in hauptsächlich einem Strompuls in die Funkenent­ ladung transferiert. Die im Funkenstrom fließende Ladung Q ₂ ist im Wesentlichen gleich der Ladung Q ₁ des Kondensators C _1. Der Start-Zeitpunkt T ₁ des Funkenstromes entspricht etwa dem Zeit­ punkt T ₁ (z.B. 400 ns) der Aufladung des Kondensators C ₁ gemäß Fig. 4a.

Fig. 4b ist auch zu entnehmen, daß der durch die Funkenentla­ dung gebildete Hochspannungsimpuls zeitlich gegenüber der Lade- Zeitspanne erheblich komprimiert ist, typischerweise um einen Faktor 10, d.h. die Zeitspanne T ₁-T ₂ gemäß Fig. 4b ist etwa 10-mal kürzer als die Zeitspanne 0- T ₁ gemäß Fig. 4a.

Die gute Anpassung des Speisekreises an die Funken-Impedanz äußert sich auch im in Fig. 4b dargestellten schnellen Ab­ klingen der Schwingungen des Funkenstromes (der in Fig. 4b ge­ zeigte negative Ausschlag des Funkenstromes ist ein sogenannter "Überschwinger").

In den Figuren ist mit L₁ der Strompfad bezeichnet, auf welchem der Strom bei der Vorionisierung des Arbeitsgases des Lasers fließt. Mit L ₂ ist der Strompfad bezeichnet, in dem der Strom bei der Erzeugung eines komprimierten Hochspannungsimpulses fließt.

Mit C ₁ ist der kapazitive Energiespeicher (Kondensator) be­ zeichnet, dessen Energie für die Erzeugung der Funkenentladung herangezogen wird, während mit C ₂ derjenige kapazitive Energie­ speicher (Kondensator) bezeichnet ist, dessen Energie für die Erzeugung eines komprimierten Hochspannungsimpulses verwendet wird.

Fig. 2a zeigt eine Schaltung, mit der eine Vorionisierung und/ oder die Erzeugung eines komprimierten Hochspannungsimpulses durchgeführt werden kann. Falls nur ein komprimierter Hochspan­ nungsimpuls erzeugt werden soll, der in ein anderes Element des Lasers eingegeben werden soll, so dient der zwischen den Fun­ kenelektroden 1, 1′ fließende Funkenstrom ausschließlich der Erzeugung des kurzen Hochspannungsimpulses gemäß Fig. 4b. Gleichzeitig kann aber die Funkenentladung zwischen den Funken­ elektroden 1, 1′ gemäß Fig. 2a auch wahlweise zur Vorionisie­ rung des Arbeitsgases des Lasers herangezogen werden.

Fig. 2b zeigt eine Variante der Schaltung gemäß Fig. 2a, die keiner weiteren Erläuterung bedarf.

Die Fig. 3a und 3b zeigen weitere Schaltungen, bei denen unmit­ telbar deutlich wird, daß gleichzeitig sowohl die Vorionisie­ rung mittels des Kondensators C ₁ über den Strompfad L ₁ und die Erzeugung eines komprimierten Hochspannungsimpulses mittels der im Kondensator C ₂ gespeicherten Energie über den Strompfad L ₂ möglich ist. Die beiden Kondensatoren C ₁ und C ₂ werden gleich­ zeitig durch die Impulshochspannungsquelle 2 aufgeladen.

Das in den Zeichnungen mit "ein anderes Element des Lasers" angegebene Bauteil kann z.B. die Primärwicklung eines Impuls- Transformators oder der Speisekreis der Plasmaentladung (Haupt­ entladung) sein.

Die angegebene Gestalt der Funkenelektroden sowie der angege­ bene Abstand bewirken, daß die Funkenentladungen bei mehreren in der Laser-Kammer angeordneten Funkenelektroden-Paaren prak­ tisch gleichzeitig erfolgen. Durch die Anpassung des nieder­ induktiven Funken-Speisekreises an die Impedanz des Funkens ist die Funkenentladung bereits nach einigenzig Nanosekunden abge­ schlossen.

Da der Funkenkreis niederinduktiv ist (seine Induktivität ist typischerweise mehr als 30-mal kleiner als die Induktivität der Impulshochspannungsquelle 2), liegt der Spitzen-Funkenstrom erheblich höher als der Spitzenstrom der Impulshochspannungs­ quelle 2. Da die Helligkeit des Funkens unproportional stark mit dem Funkenstrom steigt, erfolgt eine intensive Vorionisie­ rung.

Damit ist die für die Vorionisierung notwendige Energie nicht größer als einige Joule. Der Wirkungsgrad bei der Umwandlung der im Kondensator C ₁ gespeicherten Energie in UV-Licht ist größer als bei den bekannten Vorionisierungssystemen.

Die Lebensdauer des Vorionisierungssystems ist wesentlich größer als bei herkömmlichen Systemen, bei denen bei der Fun­ kenentladung bis etwa 10-fach größere Ladungsmengen transpor­ tiert werden.

Auch die Erzeugung des komprimierten Hochspannungsimpulses be­ lastet die Funkenelektroden wenig. Da überdies die Energien der komprimierten Hochspannungsimpulse relativ gering sind und nur einen kleinen Teil der Energie der Plasmaentladung ausmachen und diese Energie durch mehrere Funken (typisch mehr als 20) transferiert wird, bleibt die Belastung der Funkenelektroden gering, so daß die für Funkenstrecken typischen Erosionspro­ zesse nicht auftreten. Da sich die Funken zusammen mit den anderen Elementen des Lasers, welche die Leistung aufnehmen, in der Laser-Kammer befinden, bleibt die Induktivität im Abnehmer­ kreis ("anderes Element des Lasers") vergleichbar mit der In­ duktivität des Funkenentladungskreises für die Vorionisierung. Obwohl der komprimierte Hochspannungspuls nur eine in bezug auf die Energie der Plasmaentladung geringe Energie enthält, bleibt trotzdem seine Leistung so hoch, daß sie nicht durch sogenannte "punktuelle Schalter", wie ein Thyratron, geschaltet werden kann. Die Verwendung des Funkens als Schalter erübrigt einen punktuellen Schalter in der Laser-Kammer.

In allen möglichen Beschaltungen muß gewährleistet werden, daß die kapazitiven Energiespeicher C ₁ und C ₂ vor der Initiierung der Funkenentladung aus der Impulsspannungsquelle aufgeladen werden können. Dies muß das auf den Zeichnungen 2, 3, 3a als "ein anderes Element des Lasers" gekennzeichnete Bauelement durch seine Konstruktion ermöglichen.

Fig. 5 zeigt die Weiterbildung der vorstehend beschriebenen Schaltung für die elektrische Versorgung eines gepulsten Gas­ lasers derart, daß der Funken zwischen den Funkenelektroden 1, 1′ extern ausgelöst wird. Beim in Fig. 5 gezeigten Ausführungs­ beispiel wird der Funken mittels eines UV-Licht erzeugenden, kurzen Triggerfunkens von ca. 10 bis 20 nsek Dauer extern aus­ gelöst. Statt des Triggerfunkens können auch die in der Be­ schreibungseinleitung angegebenen anderen Ionisierungsverfah­ ren, also insbesondere die Röntgenionisierung oder die Ionisie­ rung mittels Elektronenstrahl, verwendet werden.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 sind diejenigen Schal­ tungsteile, welche den Schaltungen gemäß den Fig. 1 bis 3 ent­ sprechen, mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Impulshoch­ spannungsquelle 2 lädt also den kapazitiven Energiespeicher (Kondensator) C ₂ auf und die Funkenentladung erfolgt zwischen den Funkenelektroden 1, 1′. Mit dem Beginn der Aufladung des Kondensators C ₂ durch die Impulshochspannungsquelle 2 wird über die Leitungen 4 und 5 auch eine Verzögerungsschaltung angesteu­ ert, die eine oder mehrere Funkenstrecken 6 steuert. Die Funkenstrecken 6 sind nahe den Funkenelektroden 1, 1′ angeord­ net und erzeugen die genannten Triggerfunken, mit denen die Funkenentladungen zwischen den Funkenelektroden 1, 1′ extern ausgelöst werden. Typischerweise 100 bis 200 nsek nach Beginn der Aufladung werden die Triggerfunken auf den Funkenstrecken 6 für etwa 10 bis 20 nsek durch die Verzögerungsschaltung 3 ausgelöst. Die auf den Funkenstrecken 6 erzeugten Triggerfunken erzeugen zwischen den Funkenelektroden 1, 1′ hinreichend freie Elektronen, so daß sich ein Vorionisierung-Funken zwischen den Funkenelektroden 1, 1′ ausbilden kann. Beim in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Kondensator C ₁ analog den Fig. 3a und 3b, welcher die Induktivität L ₁ bestimmt, parallel zur Fun­ kenstrecke 1, 1′ geschaltet.

Die Triggerfunken auf den Funkenstrecken 6 werden somit zeit­ lich in Bezug auf die Vorionisierungsfunken zwischen den Fun­ kenelektroden 1, 1′ so koordiniert, daß die Kondensatoren C ₂ eine maximale Soll-Spannung erreicht haben, wenn die Funken zwischen den Funkenelektroden 1, 1′ extern durch die Trigger­ funken auf den Funkenstrecken 6 gezündet werden. Die Verzöge­ rungszeit ab dem Beginn des Aufladens der Kondensatoren C ₂ be­ trägt vorzugsweise 100 bis 200 nsek. Bei einer derart kurzen Ladezeit ist gewährleistet, daß die Auslösung von spontanen Funkenentladungen zwischen den Funkenelektroden 1, 1′ ausge­ schlossen ist.

Die Funkenstrecken 6 sind möglichst dicht an den Funkenelek­ troden 1, 1′ angeordnet, um eine gute Ausbeute des kurzwelligen UV-Lichtes zu erreichen.

Es genügt, wenn nur ein Funkenelektrodenpaar 1, 1′ mit einer Triggerfunkenstrecke 6 versehen ist, da die anderen Funkenelek­ trodenpaare bei Zündung eines Funkens zwischen den Funkenelek­ troden 1, 1′ in vernachlässigbar kurzen Zeitabständen ebenfalls zünden. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist aber vorgesehen, daß jedes Funkenelektrodenpaar 1, 1′ mit einer Trigger-Funken­ strecke 6 versehen ist.

Claims (5)

1. Schaltung für die elektrische Versorgung eines gepulsten Gaslasers mit

• - transversaler Anregung des Arbeitsgases durch eine Plasmaent­ ladung zwischen in der Laser-Kammer angeordneten Hauptelek­ troden,
• - zumindest einem Funkenelektrodenpaar (1, 1′) in der Kammer zur Vorionisierung des Arbeitsgases vor der Plasmaentladung,
• - einer Impulshochspannungsquelle (2) zur Spannungsversorgung der Funkenelektroden (1, 1′) über einen kapazitiven Energie­ speicher, wie ein Kondensator (C ₂),

wobei

• - der kapazitive Energiespeicher (Kondensator C ₂) niederin­ duktiv an die zwischen den Funkenelektroden (1, 1′) erfol­ gende Funkenentladung angeschlossen ist, und
• - der bei der Funkenentladung fließende Strom wahlweise zur Vorionisierung mittels des Funkens und/oder zur Erzeugung eines komprimierten Hochspannungsimpulses, der als Arbeits-, Schalt- oder Steuerimpuls in einen anderen Schaltkreis des Lasers als der Spannungsversorgung der Funkenelektroden, wie zum Beispiel den Versorgungsschaltkreis der Plasmaentladung, eingegeben wird, dient, nach Patentanmeldung P 36 21 005.6,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (3, 4, 5, 6) vorgesehen ist, mit der zwischen zumindest einem Funkenelektrodenpaar (1, 1′) Ladungsträger zu einem Zeitpunkt erzeugt werden, zu dem der kapazitive Energie­ speicher (C ₂) durch die Impulshochspannungsquelle (2) bis auf eine Soll-Spannung aufgeladen ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitpunkt der Ladungsträgererzeugung innerhalb 500, vorzugsweise 100 bis 200 nsek nach dem Beginn des Aufladens des kapazitiven Energiespeichers (C ₂) liegt.

3. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (3, 4, 5, 6) zum Erzeugen von Ladungsträ­ gern eine UV-Licht erzeugende Funkenstrecke (6) aufweist.