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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gaslaservorrichtung
und, spezieller, eine durch Hochfrequenzentladung angeregte
Laservorrichtung
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Im Stand der Technik dieser Art von Gaslaser, beispielsweise
bei einer Kohlendioxidgaslaservorrichtung, ist ein Paar von
Metallelektroden an den beiden Seiten einer
Glasentladungsröhre bestimmter Länge angeordnet, und eine hohe
Gleichspannung von beispielsweise 10 kV bis 30 kV wird über einen
vorbestimmten Reihenwiderstand (zur Einstellung des
Arbeitspunktes auf der Entladungskennlinie) zwischen dem Paar von
Metallelektroden angelegt. Auf diese Weise wird das
Kohlendioxidgas (tatsächlich wird eine Mischung von N&sub2;-He-CO&sub2;
verwendet), das in der Entladungsröhre vorhanden ist, einer
vorbestimmten Energie ausgesetzt. Wenn der Übergang des
Energieniveaus der auf diese Weise auf ein bestimmtes
Energieniveau angeregten Gasmoleküle auf ein bestimmtes niedrigeres
Energieniveau auftritt, wird Laserlicht einer bestimmten
Wellenlänge erzeugt. Das auf diese Weise sukzessiv erzeugte
Laserlicht wandert zwischen dem Reflexionsspiegeln, die an den
beiden Enden der Entladungsröhre angeordnet sind, hin und
her, was zu einer bestimmten Laserschwingung führt. Das
erwähnte Gasmedium in der Entladungsröhre wird mittels einer
Umwälzpumpe und eines Kühlwärmetauschers kontinuierlich
umgewälzt. Ein Teil wird dabei abgeführt und durch frisches Gas
ersetzt.
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In einer durch hohe Gleichspannung angeregten
Gaslasererzeugungsvorrichtung, wird die Spaltlänge größer, weil die
Metallelektroden, die in Längsrichtung der Glasentladungsröhre
an deren beiden Enden angeordnet sind, was, wie erwähnt eine
hohe Spannung erfordert und die Sicherung die Isolation der
Stromquellenvorrichtung selbst schwierig macht. Damit
zusammenhängend wird die Stromquellenvorrichtung groß. Weiterhin
wird unter dieser Hochspannung die Steuerungsfähigkeit zur
Steuerung der Entladungsspannung und des Entladungsstroms auf
vorbestimmte Werte, die zur Stabilisierung des Laserausgangs
erforderlich sind, schlecht, und ein Reihenwiderstand hohen
Werts ist zur Einstellung der Entladungskennlinie auf einen
bestimmten Arbeitspunkt erforderlich, wie schon erwähnt,
wodurch der Verlust infolge des Energieverbrauchs zunimmt.
Weiterhin treten ein Verbrauch der Metallelektroden, die in der
Entladungsröhre vorgesehen sind, eine Verschmutzung der
Entladungsröhre infolge Zerstäubung der Elektroden und andere
Probleme auf.
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Zur Lösung dieser Probleme hat man eine
Gaslasererzeugungsvorrichtung auf dem sogenannten
Stillentladungsanregungsverfahren vorgeschlagen, bei der eine Wechselstromquelle mit
einer Frequenz von weniger als einigen hundert Kilohertz
anstelle der oben erwähnten Gleichstromquelle benutzt wird. In
diesem Fall ist ein Paar von Elektroden in einem Abstand von
etwa einigen 10 mm beispielsweise in einem bestimmten Gas bei
Unterdruck angeordnet. Ein Dielektrikum befindet sich
innerhalb jeder der Elektroden, und eine Wechselspannung in dem
erwähnten Frequenzbereich wird zwischen den Elektroden
angelegt. Genauer gesagt, wird eine Keramikröhre für das
Dielektrikum verwendet. Ein Paar von Metallelektroden ist einander
gegenüberliegend an der Außenfläche der Keramikröhre längs
deren Längsrichtung angeordnet. Eine Wechselspannung im oben
erwähnten Frequenzbereich wird zwischen dem Paar von
Metallelektroden angelegt. In gleicher Weise wie bei der oben
erwähnten Gleichstromquellenansteuerung sind Reflexionsspiegel
an den beiden Enden der Keramikröhre (Laserröhre) vorgesehen,
und das Gasmedium in der Laserröhre (in gleicher Weise wie
oben wird von N&sub2;-He-CO&sub2; Gas Gebrauch gemacht) wird umgewälzt.
In diesem Fall bewegen sich Ionen oder Elektronen, die in dem
Gasmedium ionisiert wurden, zur Elektrodenseite der
vorbestimmten Polarität und sammeln sich auf dem Isolator, der
sich an deren Innenseite befindet. Jedesmal wenn sich die
Polarität der Wechselspannung ändert, bewegen sie sich zur
entgegengesetzten
Elektrodenseite. Strom fließt intermittierend
nur dann, wenn solch ein Polaritätswechsel auftritt. Daher
steigt die in das Gasmedium pro Volumeneinheit injizierte
Leistung an, wenn die angelegte Spannung konstant ist, da, je
höher die Frequenz der Wechselspannung, desto größer der
Strom, der zwischen den Elektroden fließt (dieser Punkt mag
sich auf der Tatsache erklären, daß die Keramikröhre als
kapazitive Impedanz in bezug auf die Wechselspannung wirkt,
so daß, je höher die Frequenz, desto niedriger die Impedanz).
Damit verbunden nimmt auch die Ausgangsleistung zu
(umgekehrt, die zur Erzielung einer vorgegebenen Ausgangsleistung
erforderliche Vorrichtung kann kleiner sein). Die obere
Grenze der Frequenz, bei der die oben erwähnte Stillentladung
auftritt beträgt aber maximal einige hundert Kilohertz.
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Die für Gaslasererzeugungsvorrichtungen der
Stillentladungsanregungsart verwendeten Keramikröhren haben außerdem einen
großen dielektrischen Verlustwinkel (tan 8). Je höher die
Frequenz der Wechselstromquelle, desto größer ist deshalb der
dielektrische Verlust und desto höher wird die Temperatur,
die schließlich einen dielektrischen Durchbruch der
Keramikröhre verursacht. Wenn deshalb eine Keramikröhre als
Laserröhre verwendet wird, tritt infolge der begrenzten
Spannungsfestigkeit das Problem auf, daß die Stromquellenfrequenz
nicht sehr weit erhöht werden kann. Natürlich kann als
Gegenmaßnahme die Verwendung einer Quarzröhre oder eines anderen
Dielektrikums mit niedrigem dielektrischem Verlust ins Auge
gefaßt werden, jedoch wird in diesem Fall im besagten
Frequenzbereich die Impedanz des Dielektrikums zu groß, so daß
eine für die Lasererzeugung notwendige injizierte Leistung
nicht erreicht werden kann. Daher ist es im Bereich der
Stillentladung wesentlich, die oben erwähnte Keramikröhre
etc. als Dielektrikum zu verwenden.
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Es wurde weiterhin vorgeschlagen, als Antriebsstromquelle der
Gaslasererzeugungsvorrichtung eine sogenannte Radiofrequenz,
eine Frequenz von beispielsweise 13,56 Megahertz oder 27
Megahertz oder sogar mehr zu verwenden. Wenn eine solch hohe
Frequenz verwendet wird, wird die Periode der oben erwähnten
Polaritätsänderung der Spannung extrem kurz, so daß während
dieser Zeitspanne die ionisierten Ionen oder Elektronen die
vorbestimmte Elektrode nicht erreichen werden, sondern
zwischen den Elektroden kontinuierlich und wiederholt hin und
her wandern. Dieses Schalten der Ladungsbewegung verursacht
einen kontinuierlichen Hochfrequenzstrom (einen
kontinuierlichen Strom, der in der Phase der eingeprägten
Hochfrequenzspannung voreilt) zwischen den Elektroden, und eine Entladung
einer von der obigen intermittierenden Entladung anderen Art
tritt auf. In diesem Fall steigt der Prozentsatz, zu dem das
Gasmedium auf das vorbestimmt Anregungsniveau in bezug auf
eine vorbestimmt injizierte Leistung angehoben werden kann,
an, und der Wirkungsgrad der Laserlichterzeugung kann erhöht
werden. In dem oben erwähnten Frequenzbereich ist es jedoch
schwierig, die für diesen Typ von
Laserlichterzeugungsvorrichtung erforderliche Stromquelle großer Ausgangsleistung
(insbesondere den Hochfrequenzwechselrichterteil) mit
beispielsweise Transistoren und anderen Festkörperelementen
herzustellen. Vakuumröhren müssen hierfür eingesetzt werden. Die
Schlußanalyse ergibt also, daß trotz der Anhebung der
Stromquellenfrequenz und der Verbesserung des Wirkungsgrads ein
gesondertes Problem besteht, daß nämlich die
Stromquellenvorrichtung groß wird.
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Außerdem wird bei Benutzung einer radiofrequenten
Antriebsstromquelle ebenfalls von Quarzröhren mit ihren geringen
dielektrischen Verlusten als Laserröhren Gebrauch gemacht.
Unter solch einer hohen Frequenz wird die Impedanz der
Quarzröhren jedoch zu gering und, wenn die Quarzröhre nicht dick
gemacht wird, wird sich der Entladungsstrom deshalb an
lokalen Stellen konzentrieren, und die Herstellung wird
schwierig. Ferner wird der Strom, der durch die Röhrenwand dieser
Dicke, gesondert vom Entladungsraum, fließt ansteigen,
wodurch der Verlust infolge dieses Stroms zunehmen wird, was
weitere Probleme aufwirft. Ferner treten in solche
Frequenzbereichen
Probleme der Funkstörung auf, so daß Probleme
höherer Kosten infolge der Abschirmung etc., um diesen
Funkstörungen zu begegnen, der zunehmenden Größe der Vorrichtung
etc. auftreten.
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Im Journal of Applied Physics, Band 45, Seiten 3934 bis 3936
ist ein elektrischer Entladungslaser offenbart, der eine
Glasentladungsröhre und eine 7 MHz Stromquelle verwendet.
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Die vorliegende Erfindung wurde zur Lösung der obigen
Probleme gemacht, und ihre Aufgabe besteht darin, die Frequenz
der Antriebsstromquelle über die Frequenz der Stromquelle
anzuheben, die für eine Gaslasererzeugungsvorrichtung der oben
erwähnten Art mit Stillentladungsanregung verwendet wird (so
daß sie in den Bereich der Radiofrequenz kommt), den
Wirkungsgrad der Laserlichterzeugung in bezug auf die injizierte
Leistung zu erhöhen und ferner den Frequenzbereich der
Antriebsstromquelle so auszuwählen, daß ein Aufbau der
Stromquelle dieser Art von Gaslasererzeugungsvorrichtung
(insbesondere des Hochfrequenzwechselrichterteils) durch
Festkörperelemente (zum Beispiel MOSFETs) ermöglicht wird.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die
Verwendung einer Quarzröhre (Quarzglasröhre) mit einem geringen
dielektrischen Verlust als der Laserröhre zur Sicherstellung
der für die Laserlichterzeugung in dem obigen vorbestimmten
Frequenzbereich erforderlichen Entladung, die drastische
Reduzierung des dielektrischen Verlustes im Vergleich zur oben
erwähnten Keramikröhre zum Ausschließen der Begrenzung der
Isolationsspannungsfestigkeit infolge einer Erhöhung der
Frequenz, und das Ausschließen der Notwendigkeit, daß diese
Quarzröhre sehr dick gemacht wird.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Laservorrichtung
mit Hochfrequenzentladungsanregung geschaffen, bei der die
Frequenz einer Antriebsstromquelle einer Laserröhre mit
Elektroden im Bereich von 1 MHz bis 10 MHz liegt, und die dadurch
gekennzeichnet ist, daß sich die Laserröhre aus Quarz mit
einer Wanddicke im Bereich von 1 mm bis 10 mm zusammensetzt.
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Gemäß dem obigen Aufbau steigt der Wirkungsgrad der
Laserlichterzeugung im bezug auf eine vorbestimmt injizierte
Leistung, und es wird möglich, die Größe der
Laserlichterzeugungsvorrichtung, die zum Erhalt einer vorbestimmten
Laserlichtausgabe erforderlich ist, zu verringern. Weiterhin ist
es möglich, die Stromquellenvorrichtung (insbesondere den
Hochfrequenzwechselrichterteil) beispielsweise mit MOS
Transistoren und anderen Festkörperelementen aufzubauen, so daß
eine Verminderung der Größe der Stromquellenvorrichtung
erreicht werden kann. Daher ist es möglich, gleichzeitig eine
Effizienz der Erzeugung von Laserlicht in bezug auf eine
vorbestimmte injizierte Leistung zu erzielen und die Größe der
Vorrichtung insgesamt, einschließlich der
Stromquellenvorrichtung, zu verringern.
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Aufgrund der Verwendung einer Quarzröhre mit einem niedrigen
dielektrischen Verlust als einer Laserröhre, wird eine
ausgezeichnete Entladung in dem Frequenzbereich durch Anlegen der
vorbestimmten Spannung erzielt. Da ferner der dielektrische
Verlust gering ist, sind Beschränkungen bezüglich der
Spannungsfestigkeit der oben erwähnten Keramikröhre selbst in dem
oben erwähnten Frequenzbereich ausgeschaltet, und es besteht
weiterhin keine Notwendigkeit, die Röhre im oben erwähnten
Frequenzbereich so dick zu machen.
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In den Zeichnungen:
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Fig. 1 ist eine Ansicht, die den Gesamtaufbau einer
Gaslaservorrichtung gemäß einer Ausführungsform der
Erfindung zeigt, und
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Fig. 2(a) und Fig. 2(b) sind Ansichten, die die Kennlinien im
Fall der Verwendung einer Quarzröhre verglichen mit
dem Fall der Verwendung einer Keramikröhre als der in
der Vorrichtung von Fig. 1 verwendeten Laserröhre
zeigen.
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Fig. 1 zeigt den Aufbau einer Gaslaservorrichtung gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Dreiphasen-
Wechselspannung wird mittels einer
Doppelweggleichrichterschaltung, die Thyristoren S&sub1; bis S&sub6; aufweist, über eine LC
Schaltung in eine vorbestimmte Gleichspannung umgesetzt. An
die Thyristoren werden Gatesignale vorbestimmter Phasen von
einer vorbestimmten Steuerschaltung geliefert.
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Das Bezugszeichen I ist ein Hochfrequenzwechselrichter, der
MOS Transistoren Q&sub1; bis Q&sub4; in einer Brückenschaltung enthält.
Steuersignale (A Phasensteuersignale) einer vorbestimmten
Frequenz (im Fall der vorliegenden Erfindung 1 MHz bis 10
MHz) werden an die Gates der Transistoren Q&sub1; und Q&sub4; von einer
vorbestimmten Treiberschaltung geliefert. Auf der anderen
Seite werden den Gates der übrigen Transistoren Q&sub2; und Q&sub3;
Steuersignale (B Phasensteuersignale) mit derselben Frequenz
wie oben, aber einem Phasenunterschied von 180º geliefert.
Hierdurch wird eine hochfrequente Spannung des Bereichs der
oben erwähnten Frequenz (Radiofrequenz in einem Bereich von 1
MHz bis 10 MHz) zwischen den Elektroden E&sub1; und E&sub2; der
Laserröhre T angelegt (die aus einer Quarzröhre einer
vorbestimmten Wanddicke, wie oben erwähnt, besteht). Hierdurch tritt in
dem Gasmedium in der Laserröhre eine hochfrequente Entladung
auf, die Gasmoleküle werden angeregt und Laserlicht erzeugt.
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In diesem Fall wird bei der vorliegenden Erfindung die
Frequenz der besagten Antriebsstromquelle auf die Radiofrequenz
in dem oben erwähnten Frequenzbereich angehoben, so daß ein
kontinuierlicher hochfrequenter Strom zwischen den Elektroden
fließt und der Wirkungsgrad der Laserlichterzeugung in bezug
auf eine vorbestimmt injizierte Leistung ansteigt. Ferner
steigt auch die injizierte Leistung pro Volumeneinheit in dem
Fall, wo die aufgeprägte Spannung konstant gehalten wird, und
die Ausgangsleistung nimmt zu. Daher kann die
Laserlichterzeugungsvorrichtung,
die zum Erhalt einer festen
Ausgangsleistung erforderlich ist, kleiner gemacht werden. Es ist klar,
daß, wenn die Frequenz höher wird, es möglich ist, die
induktiven Elemente (Spulen oder Transistoren), die kapazitiven
Elemente (Kondensatoren) und andere Bestandteile zu
verkleinern.
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Ferner ist es bei der vorliegenden Erfindung durch Auswahl
der Frequenz der oben erwähnten Antriebstromquelle im. Bereich
von 1 MHz bis 10 MHz möglich, die Stromquellenvorrichtung,
insbesondere den Hochfrequenzwechselrichterteil I mit
Festkörperelementen (insbesondere den MOSFETs Q&sub1; bis Q&sub4;) auf
zubauen, wodurch es möglich wird, die Stromquellenvorrichtung
weitaus kleiner zu machen im Vergleich mit dem Fall des
Aufbaus des Hochfrequenzwechselrichterteils mit Vakuumröhren.
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Durch Wahl der Frequenz der Antriebsstromquelle in dem oben
erwähnten Bereich ist es ferner möglich, als Laserröhre eine
Quarzröhre zu verwenden und durch Anlegen einer vorbestimmten
Spannung eine ausgezeichnete Entladung zu erhalten sowie die
Beschränkungen hinsichtlich der Spannungsfestigkeit, die mit
einem Anstieg der Frequenz verbunden sind, zu beseitigen.
Außerdem muß die Röhrenwand nicht mehr so dick gemacht
werden. Auf diese Weise ist es möglich, die Abnahme des
Leistungswirkungsgrads zu unterdrücken und die Zuverlässigkeit
erheblich zu verbessern.
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Fig. 2 zeigt die Betriebskennlinien im Fall der Verwendung
einer Keramikröhre und der Verwendung einer Quarzröhre als
der Laserröhre. Fig. 2(a) zeigt die
Frequenz-Temperatur-Kennlinie der Laserröhre, wobei die gestrichelte Linie die
Verwendung einer Keramikröhre und die ausgezogene Linie die
Verwendung einer Quarzröhre wiedergeben. Fig. 2(b) zeigt die
Temperatur-Spannungsfestigkeit-Kennlinie der Laserröhre,
wobei die gestrichelte Linie die Verwendung einer Keramikröhre
und die ausgezogene Linie die Verwendung einer Quarzröhre
wiedergibt.
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Wie in Fig. 2 gezeigt, hat die Keramikröhre einen hohen
dielektrischen Verlust, der mit der Frequenz ansteigt, was
einen Anstieg der Temperatur verursacht (siehe Fig. 2(a)).
Damit verbunden fällt die Spannungsfestigkeit (Stehspannung)
(siehe Fig. 2(b)), so daß Beschränkungen der
Spannungsfestigkeit bestehen und ungeachtet des Frequenzanstiegs eine
ausreichende Ausgangsleistung nicht erzielt werden kann.
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Andererseits hat die bei der vorliegenden Erfindung
verwendete Quarzröhre eine niedrige dielektrische Konstante E (etwa
ein Drittel der oben erwähnten Keramikröhre), so daß bei
niedriger Frequenz die Impendanz hoch ist und die vorbestimmt
Entladung nicht bewirkt werden kann, so lange keine hohe
Spannung angelegt wird, aber im Hochfrequenzbereich, so wie
er bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird, die
Impedanz abfällt und eine vorbestimmte Entladung zuverlässig
durch Anlegen einer vorbestimmten Spannung hervorgerufen
wird. Da ferner der oben erwähnte dielektrische Verlust
ebenfalls gering ist, bleibt der Verlust ungeachtet des
Frequenzanstiegs nahezu gleich, und es tritt kein Temperaturanstieg
auf (siehe Fig. 2(a)). Daher fällt die Spannungsfestigkeit
nicht wesentlich ab (siehe Fig. 2(b)), und es gibt keine
Beschränkung der Spannungsfestigkeit wie bei der oben erwähnten
Keramikröhre.
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Wie in bezug auf den oben erwähnten Stand der Technik
ausgeführt wird, wenn die Stromquellenfrequenz auf 13,56 MHz
oder mehr angehoben wird, die Impedanz der Quarzröhre zu
gering, weshalb die Wanddicke erhöht werden muß oder sonst sich
der Entladungsstrom lokal konzentriert oder der durch die
Röhrenwand fließende Strom ansteigt und damit eine Abnahme
des Leistungswirkungsgrads nach sich zieht. Im
Frequenzbereich wie bei der vorliegenden Erfindung muß die Wanddicke
nicht so groß gemacht werden (beispielsweise kann die
Wanddicke im Fall einer Frequenz von 1 MHz 1 mm sein, oder die
Wanddicke kann im Fall einer Frequenz von 10 MHz 10 mm sein),
so daß das Problem der Wanddicke des oben erwähnten Standes
der Technik gelöst werden kann. Es sei angemerkt, daß, wenn
die Wanddicke der Quarzröhre zu gering ist, die Impedanz zu
niedrig wird, die Stromdichte ansteigt und die Wärmeerzeugung
zunimmt. Ferner ist es notwendig, eine vorbestimmte
mechanische Festigkeit sicherzustellen. Daher ist als Minimum eine
Wanddicke von 1 mm erforderlich.
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Es sei angemerkt, daß die vorliegende Erfindung nicht nur auf
Kohlendioxidgaslaser, sondern auch He-Ne, CO (Kohlenmonoxid),
Excimer und aller anderen Gaslaser anwendbar ist. Es wird
also möglich, den Wirkungsgrad der Erzeugung von Laserlicht
in bezug auf eine vorbestimmte Injizierte Leistung zu erhöhen
und die Größe der Laserlichterzeugungsvorrichtung, die zum
Erhalt einer vorbestimmten Ausgangsleistung erforderlich ist,
zu reduzieren, sowie ferner die Stromquellenvorrichtung
(insbesondere den Hochfrequenzwechselrichterteil) mit
Festkörperelementen aufzubauen und dadurch eine geringere Größe der
Stromquellenvorrichtung selbst zu erzielen. Ferner ist es
möglich, eine Quarzröhre mit ihrem geringen Leistungsverlust
als das Entladungsröhrenmaterial einzusetzen, mit der
besonders vorteilhaften Wirkung einer Erhöhung des Wirkungsgrads
der Vorrichtung, einer Verbesserung der Zuverlässigkeit etc.