DE3722323C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung geht aus von einem Oszillator zum Speisen
einer Gasentladungsstrecke mit einer Leistungsstufe
nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, wie
er aus der DE 30 48 531 A1 bekannt ist.
Mit einem solchen Oszillator kann durch hochfrequente
Entladungen in einem Lasergas ein Gaslaser angeregt
werden. Dazu werden Elektroden außen auf ein Resonator-
Rohr, z.B. aus Glas, aufgebracht und an den Hochfrequenz-
Oszillator angeschlossen. Die Frequenz kann an sich beliebig
sein; es hat sich jedoch gezeigt, daß höhere
Frequenzen, wie z.B. 13,56 MHz oder 27,12 MHz, optimal
sind, weil die an die Elektroden anzulegenden Spannungen
mit zunehmender Frequenz abnehmen.
Die optimalen Bedingungen für die Gasentladung, z. B.
für einen Laser, hängen u. a. von der Gaszusammen
setzung, vom Druck und von der Temperatur des durch
die Entladung angeregten Plasmas ab. Es ist daher
erforderlich, die zugeführte hochfrequente Leistung
weitgehend konstant zu halten.
Um die erforderliche Ionisation zum Herstellen des
Plasmas in dem Gas sicherzustellen, ist eine Mindest
feldstärke des Wechselfeldes im Entladungsraum zwischen
den Elektroden erforderlich, und zur Aufrechterhaltung
des Plasmas muß die Leistungszufuhr einen
Mindestwert überschreiten. Will man eine kleinere,
mittlere Ausgangsleistung erhalten, so muß die Ent
ladungsstrecke gepulst betrieben werden, d. h., daß
Intervalle mit die erwähnte Mindestleistung über
schreitender Leistung abwechseln mit Intervallen,
in denen die Gasentladungsstrecke nicht angeregt
wird. Dazu kann der Oszillator gepulst betrieben
werden. Nach dem Stand der Technik konnte ein
solcher Oszillator aus einem Hochfrequenz-Leistungs
verstärker mit einem vorgeschalteten Impuls-
Modulator bestehen. Solche Verstärker sind meist
mehrstufig und verhältnismäßig teuer.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
einen Oszillator zum Speisen einer geregelten Gasentladungsstrecke,
wie er z. B. aus der DE 30 48 531 A1 bekannt ist, derart
auszubilden, daß die Strahlungsleistung des die Gasentladungsstrecke
enthaltenden, puls-modulierten Gaslasers durch eine einfache
elektronische Regelungsschaltung indirekt stabil gehalten ist.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung gelöst gemäß
dem Kennzeichen des Anspruchs 1.
Durch den Verzicht auf eine Stabilisierung der Be
triebsspannung und durch die Verwendung eines selbst
schwingenden Oszillators sind erheblich weniger auf
wendige Schaltelemente erforderlich.
Normalerweise sind die Schwingungen eines selbst
erregten Oszillators von der Betriebsspannung stark
abhängig, so daß diese Betriebsspannung konstant
gehalten werden muß, um konstante Betriebsbedingungen
zu schaffen. Das dafür notwendige Regelsystem
erhöht den Gesamtaufwand erheblich.
Bei einem Oszillator nach der Erfindung erfolgt
eine Regelung an der vom Oszillator betriebenen
Gasentladungsstrecke. Diese Regelung umfaßt dann
auch etwaige, durch die Betriebsspannung bedingten
Veränderungen, so daß ohne zusätzlichen Aufwand
insgesamt ein stabiler Betrieb erreicht wird.
In dem gesamten System der Gasentladungsstrecke, ins
besondere einem Lasersystem (Plasma und Wirkungs
bereich) tritt eine gewisse thermische Trägheit mit
einer gegenüber der Puls-Frequenz großen Zeitkon
stante auf; dies führt zu einer Integration der
diskontinuierlichen Leistungszufuhr an die Gasent
ladungsstrecke durch die thermischen Wirkungen.
Auch wenn ein Betrieb mit voller Leistung, wie sie
bei einer kontinuierlichen Schwingungserzeugung
(CW-Betrieb) auftritt, angestrebt wird, ist es
zulässig, daß noch Steuerimpulse mit einer kleinen
Austastlücke auftreten, mit der Änderungen der
Versorgungsspannung ausgeregelt werden können.
Typische Pulszeiten liegen zwischen 30 und 300 µs,
und die Pulszeiten liegen zwischen 10 und 90% einer
Impulsperiode.
Die Regelung kann auf konstante Hochfrequenz-Leistung
erfolgen, indem ein von der Hochfrequenz-Leistung
abgeleiteter Meßwert gegenüber einem Sollwert kon
stant gehalten wird. Es kann auch die Hochfrequenz-
Leistung gemessen und auf konstante Arbeit (Leistung
mal Zeit), vorzugsweise innerhalb jeder Impulsperiode,
geregelt werden.
Nach einer anderen Ausführungsform kann die Hochfre
quenz-Spannung an den Elektroden der Gasentladungs
strecke gemessen und dann durch die Regelung kon
stant gehalten werden. Zweckmäßig kann die Hoch
frequenz-Spannung an den Elektroden gemessen und
die Spannungs-Zeit-Fläche der Pulse konstant gehalten
werden.
Die Leistung im Plasma hängt in der Regel nach einer
bestimmten Funktion, z.B. einer quadratischen Funk
tion, von der Elektrodenspannung bzw. ihrer Änderung
ab, wobei mit der Leistungsänderung außerdem die
betriebsmäßigen Werte des Plasmas beeinflußt werden.
Es ist daher zweckmäßig, bei einer Messung der
Elektrodenspannung die Pulslänge nach einer ent
sprechenden nicht-linearen, z.B. exponentiellen
oder einem Potenzgesetz entsprechenden Funktion zu
beeinflussen. Deren Form, insbesondere der Exponent
einer Potenz, kann entsprechend eingestellt werden,
um die gewünschten Eigenschaften des Plasmas zu
stabilisieren.
Vorzugsweise kann die Regelung integrierend ausge
bildet werden und somit mit einer bestimmten Zeit
konstante einen Mittelwert konstant regeln.
Nach einem anderen Ausführungsbeispiel kann die
Messung im Bereich jedes Impulses durchgeführt und
für die folgenden Impulse korrigierend wirksam
gemacht werden.
Um ein sicheres Anschwingen des Oszillators zu
bewirken, wird nach einer bevorzugten Ausführungs
form dem den Oszillator in Betrieb setzenden Steuer
impuls am Anfang ein zusätzlicher Aufsteuerimpuls
überlagert. Um ein sicheres Abschalten des Oszillators
am Steuerimpuls-Ende zu gewährleisten, kann am Ende
des Steuerimpulses dem Oszillator ein zusätzlicher
Sperrimpuls zugeführt werden.
Nach einer anderen vorteilhaften Ausführungsform
sind der Oszillator und die Gasentladungsstrecken-
Anordnung, z.B. der Laser, im gleichen Gehäuse
untergebracht und durch, vorzugsweise abgestimmte,
Koppelglieder miteinander verbunden. So wird ein
raumsparender Aufbau erreicht, weil dabei die Hoch
frequenzverbindung zwischen dem Oszillator und der
Gasentladungsstrecke besonders kurz ausgebildet
sind und nur platzsparende Koppelglieder die Ver
bindung herstellen.
Da die Hochfrequenz führenden Teile des Oszillators
wie auch die Gasentladungsstrecke selbst Hochfre
quenzstörungen erzeugen können, soll nach einer
zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung das Ge
häuse für die Hochfrequenz-Schwingungen abschirmend
ausgebildet sein, so daß weder vom Oszillator noch
von der Gasentladungsstrecke nennenswerte Störungen
in die Umgebung austreten können.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung
beispielsweise näher erläutert, in der
Fig. 1 einen selbstschwingenden Oszillator mit an
gekoppeltem Laserresonator und den Schaltstufen
zur Ansteuerung zeigt, während
Fig. 2 eine Gittersteuerstufe mit mehr Details
wiedergibt.
In Fig. 1 ist eine Röhren-Triode 1 über eine Anoden
drossel 2 an den positiven Pol + einer Betriebsspan
nungsquelle 3 angeschlossen, die an ihrer anderen
Seite mit Erde verbunden ist. Die Kathode der Röhre 1
liegt ebenfalls an Erde.
Dem Gitter der Röhre 1 werden über eine Gitterdros
sel 4 von einer Steuerklemme 5 steuernde breiten
modulierte Impulse zugeführt. Das von der Röhre 1
abgewandte Ende der Drossel 4 ist über einen Filter
kondensator 6 geerdet.
Eine Schwingkreis-Induktivität 7 ist einerseits über
einen Trennkondensator 8 mit der Anode der Röhre 1
und andererseits mit dem Gitter der Röhre 1 verbunden,
das über einen Rückkopplungskondensator 9 an Erde
angeschaltet ist.
Die Röhre 1 ist so als selbstschwingender Oszillator
geschaltet, wobei gewünschtenfalls in an sich be
kannter Weise noch ein die Frequenz stabilisierendes
Resonanzelement, z.B. ein Schwingquarz, eingeschaltet
sein kann.
Über einen, vorzugsweise einstellbaren, Koppelkon
densator 10 ist der Verbindungspunkt der Induktivität 7
und des Kondensators 8 an eine Elektrode 11 eines
Laserresonators 12 angeschlossen, dessen andere Elek
trode 13 an Erde liegt. In dem Resonator 12 wird bei
anliegender hochfrequenter Wechselspannung ein Gas
plasma angeregt.
Ein Teil der zwischen den Elektroden 11 und 13 auf
tretenden Hochfrequenzspannung wird über einen,
vorzugsweise abgleichbaren, Teilerkondensator 14
einem Demodulator 15 zugeführt. In diesem wird eine
pulsierende Gleichspannung erhalten, die, gegebenen
falls nach Mittelwertbildung über ein integrierendes
Glied vom Ausgang 16 einem Komparator 17 zugeführt,
in dem die erwähnte Gleichspannung mit einem,
vorzugsweise einstellbaren, Festwert verglichen wird,
der vom Abgriff 18 eines mit Gleichspannung gespeisten
Potentiometers 19 dem Eingang 20 des Komparators 17
zugeführt wird.
Am Ausgang 21 des Komparators 17 tritt bei Abweichun
gen des Sollwertes der Hochfrequenzspannung am Laser
12 ein Fehlersignal auf, das dem Steuereingang 22
eines Impulsgenerators 23 zugeführt wird. Der Takt
eingang 24 des Impulsgenerators 23 ist mit einem
Taktgenerator 25 verbunden.
Im Impulsgenerator 23 werden Steuerimpulse gebildet,
deren Breite entsprechend dem Fehlersignal vom
Ausgang 21 des Komparators 17 verändert werden kann.
Diese in der Breite modulierten Steuerimpulse werden
von einem Ausgang 26 dem Eingang 27 einer Gitter
steuerstufe 28 zugeführt, deren Ausgang mit der
Steuerklemme 5 des Oszillators mit der Triode 1
verbunden ist.
Mit dem Koppelkondensator 10 wird die Spannung an
den Elektroden 11, 13 für einen optimalen Betrieb
des Lasers 12 eingestellt. Mit dem Teilerkonden
sator 14 oder durch Schaltungselemente in der Gleich
richterstufe 15 wird die Höhe des durch Gleichrich
tung der Hochfrequenzspannung erhaltenen Gleich
spannungswertes bei der entsprechenden Spannungs
höhe des Steuerimpulses aus dem Generator 23 und
bei dem Nennwert der Betriebsspannung von der Quelle 3
auf einen gewünschten Wert angeglichen.
Sinkt, z. B. wegen Verringerung der Betriebsspannung,
die Amplitude des Hochfrequenz-Spannungspulses ab,
wird über die dargestellte Regelanordnung der Steuer
impuls verlängert, so daß mehr Energie von der Triode 1
an den Laser 12 abgegeben wird und so auch der Mittel
wert der Hochfrequenzspannung an den Elektroden 11,
13 wieder in Richtung auf den Sollwert vergrößert
wird.
Die dem Plasma im Laser 12 zugeführte Leistung hängt
nicht-linear von der zwischen den Elektroden 11 und 13
über den Teilerkondensator 10 entnommenen und durch
Gleichrichtung in der Stufe 15 gemessenen Hochfrequenz
spannung ab, z.B. nach einem quadratischen Gesetz.
Die Gasentladungsstrecke selbst kann zu der nicht-
linearen Abhängigkeit infolge ihrer Entladungscha
rakteristik beitragen. Es kann daher zweckmäßig sein,
das Fehlersignal vom Ausgang 21 dadurch kleiner zu
halten, daß der vom Gleichrichter 15 am Ausgang 16
erhaltene Wert über eine Funktionsstufe 29 geführt
und dort entsprechend den zu berücksichtigenden
nicht-linearen Funktionen verformt wird.
Für die Regelung sind definierte Flanken des von dem
selbstschwingenden Oszillator mit der Röhre 1 ab
gegebenen Hochfrequenz-Pulses erwünscht. Die Impulse
vom Ausgang 26 des Impulsgenerators 23 werden daher
auch einer ersten und einer zweiten Umformungsstufe 30
und 31 zugeführt. Die erste Umformungsstufe 30 liefert
an den Eingang 32 der Gittersteuerstufe 28 einen
überhöhten Kurzimpuls, der dem auftastenden Steuer
impuls am Eingang 27 einen überhöhten Kurzimpuls
überlagert, der das Verstärkerelement, die Triode 1,
bis zur maximal möglichen Leistung auftastet. Um auch
eine möglichst schnelle Sperrung des Oszillators 1
zu erreichen, wird von der Umformungsstufe 31 an den
Eingang 33 der Gittersteuerstufe 28 ein kurzer
steiler Sperrimpuls überlagert, der die Röhre 1 in
kürzester Zeit stromlos macht und so sperrt.
Die hochfrequenzführenden Teile um die Triode 1 und
den Laser 12 sind in einem durch die gestrichelte
Linie 34 angedeuteten Gehäuse hochfrequenzdicht
eingeschlossen, damit nicht störende Felder nach
außen dringen können.
Fig. 2 zeigt mit Einzelheiten eine Schaltung der
Gittersteuerstufe 28.
Zwischen der mit dem Gitter der Triode 1 verbundenen
Klemme 5 und Erde liegt die Reihenschaltung eines
ersten und eines zweiten Gitterwiderstandes 41 bzw.
42. Der Abgriffpunkt zwischen beiden Widerständen
ist über einen dritten Gitterwiderstand 43 mit einer
negativen Vorspannungsquelle 44 verbunden. Dadurch
wird dem zweiten Gitterwiderstand 42 eine negative
Sperrspannung zugeführt, die die Röhre 1 stromlos
hält. Dem zweiten Gitterwiderstand 42 ist die Kollek
tor-Emitter-Strecke eines Transistors 45 parallel
geschaltet. Wenn diesem von der Klemme 27 die nor
malen Impulse zugeführt werden, wird dieser Tran
sistor 45 geöffnet und somit der zweite Gitterwider
stand 42 überbrückt. Dann kann die Triode in an
sich bekannter Weise selbstschwingend arbeiten.
Beim Einschalten der Steuerimpulse wird von der
Klemme 32 weiter ein Transistor 46 stromdurchlässig,
mit dem eine Verbindung zwischen einer positiven
Vorspannungsquelle 47 zur Gitterleitung der Röhre 1
an der Klemme 5 hergestellt wird. Die Röhre 1 wird
dadurch momentan maximal geöffnet, so daß der
Oszillator sofort mit voller Amplitude anschwingt.
Der Eingang 33 ist mit der Basis eines Transistors 48
verbunden, dessen Kollektor-Emitter-Strecke bei An
steuerung durch einen Sperrimpuls eine direkte Ver
bindung zwischen der negativen Spannungsquelle 44
und der Steuerklemme 5 herstellt. Wenn am Eingang 33
der kurze Sperrimpuls auftritt, wird dann die Röhre 1
momentan sofort stromlos gesteuert, so daß die Hoch
frequenzschwingungen unterbrochen werden.
Durch den dritten Gitterwiderstand 43 zwischen der
negativen Speisequelle 44 und Erde wird verhindert,
daß ein unzulässiger Strom von der Quelle 44 nach
Erde auftritt, wenn der Transistor 45 leitend ge
steuert ist.
Außerdem wird dadurch die im Ruhezustand am Wider
stand 42 auftretende negative Spannung eingestellt,
mit der die Triode 1 stromlos gehalten wird, wenn
kein Ansteuerimpuls von der Klemme 27, also in den
Impuls-Pausen auftritt.
Claims (11)
1. Oszillator zum Speisen einer Gasentladungsstrecke
mit einer Leistungsstufe, der Speise-Energie von
einer Betriebsspannungsquelle zugeführt ist und die
impulsförmig hochfrequente elektromagnetische Energie
über Elektroden an die Gasentladungsstrecke abgibt,
wobei die Breite der Impulse geregelt ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß der von einer nicht konstant gehaltenen Betriebs spannung (3) gespeiste Oszillator (1), der Hochfrequenz leistung über anliegende Elektroden (11, 13) an einen Gaslaser (12) abgibt und zwischen den Elektroden (11, 13) ein Gasplasma anregt, selbstschwingend ausgebildet ist und durch Steuerimpulse (5) in Betrieb gesetzt und ge regelt ist,
daß die Steuerimpulse (5) von der an den Elektroden (11, 13) des Gaslasers (12) anliegenden Hoch frequenzspannung oder der Hochfrequenzleistung über eine Regel-Funktion abhängen, und
daß jedem Steuerimpuls (5) am Anfang ein zusätzlicher Aufsteuerimpuls (32) und am Ende ein zusätzlicher Sperrimpuls (33) überlagert ist.
daß der von einer nicht konstant gehaltenen Betriebs spannung (3) gespeiste Oszillator (1), der Hochfrequenz leistung über anliegende Elektroden (11, 13) an einen Gaslaser (12) abgibt und zwischen den Elektroden (11, 13) ein Gasplasma anregt, selbstschwingend ausgebildet ist und durch Steuerimpulse (5) in Betrieb gesetzt und ge regelt ist,
daß die Steuerimpulse (5) von der an den Elektroden (11, 13) des Gaslasers (12) anliegenden Hoch frequenzspannung oder der Hochfrequenzleistung über eine Regel-Funktion abhängen, und
daß jedem Steuerimpuls (5) am Anfang ein zusätzlicher Aufsteuerimpuls (32) und am Ende ein zusätzlicher Sperrimpuls (33) überlagert ist.
2. Oszillator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Hochfrequenz-Leistung des Oszillators (1) konstant
geregelt ist.
3. Oszillator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Hochfrequenz-Leistung des Oszillators (1) gemessen
und die Hochfrequenz-Energie des Oszillators (1)
konstant geregelt ist.
4. Oszillator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Hochfrequenzspannung an den Elektroden (11,
13) der Gasentladungsstrecke (12) gemessen und konstant
gehalten ist.
5. Oszillator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Hochfrequenzspannung an den Elektroden
(11, 13) der Gasentladungsstrecke (12) gemessen und
die Spannungs-Zeit-Fläche der zugeführten Leistungs-
Pulse des Oszillators (1) konstant gehalten ist.
6. Oszillator nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Spannungs-Zeit-Fläche nach einer bestimmten
Regel-Funktion, z. B. nach einer Exponential-,
Potenz- oder Logarithmusfunktion verändert ist.
7. Oszillator nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Regel-Funktion dem Plasmaverhalten angepaßt ist.
8. Oszillator nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Bereich jedes durch einen Steuerimpuls aus
gelösten Hochfrequenz-Leistungsimpulses der Meßwert
gebildet wird und die folgenden Pulse zur Regelung eine
Korrektur erfahren.
9. Oszillator nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Regelbereich der Impulsbreiten derart bemessen
ist, daß bei Betrieb mit voller Leistungszufuhr
an den Gaslaser (12) noch Steuerimpulse
mit einer kleinen Austastlücke auftreten.
10. Oszillator nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der selbstschwingende Oszillator (1) und die
Gasentladungsstrecken-Anordnung (11, 12, 13) im
gleichen Gehäuse (34) untergebracht und durch,
vorzugsweise abgestimmte, Koppelglieder (10) mit
einander verbunden sind.
11. Oszillator nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Gehäuse (34) für die Hochfrequenz-Schwingungen
undurchlässig und abschirmend ausgebildet
ist.
Priority Applications (2)
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DE19873722323 DE3722323A1 (de) | 1987-07-07 | 1987-07-07 | Oszillator zum speisen einer gasentladungsstrecke |
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Applications Claiming Priority (1)
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DE19873722323 DE3722323A1 (de) | 1987-07-07 | 1987-07-07 | Oszillator zum speisen einer gasentladungsstrecke |
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DE3722323C2 true DE3722323C2 (de) | 1993-05-13 |
Family
ID=6331016
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19873722323 Granted DE3722323A1 (de) | 1987-07-07 | 1987-07-07 | Oszillator zum speisen einer gasentladungsstrecke |
Country Status (1)
Country | Link |
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