DE3836000A1 - Pulserzeugendes netzwerk fuer den anregungskreis von gaslasern, insbesondere excimer-lasern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein pulserzeugendes Netzwerk für den Anregungskreis von Gaslasern, insbesondere Excimer-Lasern, die nach dem TE-Prinzip arbeiten, zur Erzeugung einer homogenen Glimmentladung im Gasraum einer Laserkammer zwischen den Laser-Elektroden, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein solches pulserzeugendes Netzwerk ist durch die DE-OS 32 40 372 bekannt. Der Betrieb von Hochleistungs-Excimer-Lasern, für welche derartige pulserzeugende Netzwerke benötigt werden, stellt sehr hohe Anforderungen an die Belastbarkeit der elektrischen Komponenten im Anregungskreis. Vor allen Dingen werden die verwendeten Pulskondensatoren und Schaltelemente bis an die Grenze ihrer Leistungsfähigkeit beansprucht.

Aus diesem Grunde werden bei dem bekannten Anregungssystem nach der genannten DE-OS sättigbare magnetische Induktoren als Schaltelemente eingesetzt, vgl. auch US-PS 45 49 091. Es ist in diesem Zusammenhange weiter bekannt, Pulskondensatoren mit selbstheilendem, flüssigem Dielektrikum zu verwenden, siehe DE-PS 29 32 781 und US-PS 42 23 279.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße pulserzeugende Netzwerk für den Anregungskreis von Gaslasern in seiner elektrischen Schaltung und in seiner räumlichen Anordnung so auszugestalten, daß die Belastung der elektrischen Komponenten des Anregungskreises bei den Schaltvorgängen in toleriebaren Grenzen gehalten werden und gleichzeitig eine effiziente Impulsspannungsvergrößerung und Stromkompression erreicht werden kann; das neue pulserzeugende Netzwerk soll außerdem die Möglichkeit bieten, ohne großen Mehraufwand eine Einrichtung zur Erzeugung von Vorionisierungs-Impulsen, insbesondere für eine Röntgenblitzröhre, in das pulserzeugen­ de Netzwerk zu integrieren und letzteres in seinem räumlichen Aufbau kompakt zu gestalten.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe bei einem gattungs­ gemäßen pulserzeugenden Netzwerk durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Ansprüchen 2 bis 7 angegeben. Im folgenden werden anhand der Zeichnung zwei Ausführungsbeispiele für ein pulserzeugendes Netzwerk nach der Erfindung und diese selbst noch näher erläutert. Darin zeigt in vereinfachter, schematischer Darstellung

Fig. 1 ein grundsätzliches Schaltbild für das pulserzeugende Netzwerk in ICT-Schaltung mit hinzugefügtem Magnetschalter;

Fig. 2 die Draufsicht auf eine Kondensatoranordnung, die durch eine Transformation der Schaltung nach Fig. 1 in ein räumliches Gebilde entstanden ist;

Fig. 3 den Gegenstand nach Fig. 2 in perspektivischer Darstel­ lung;

Fig. 4 den Schnitt längs der Schnittebene IV-IV aus Fig. 3 durch die Kern- und Wicklungsanordnung der sättigbaren Induktivität und

Fig. 5 eine Variante zur Schaltung nach Fig. 1, bei welcher die sättigbare Induktivität in Form eines sättigbaren Hoch­ spannungs-Impulstransformators ausgebildet ist, von dessen Sekundärwicklung Beschleunigungsspannungs-Impulse für eine Röntgen-Vorionisierung abgegriffen werden können.

Fig. 1 zeigt ein pulserzeugendes Netzwerk PEN 1 für den Anregungskreis einer Laserkammer LK, welchem das Schalt­ prinzip einer ICT-Schaltung zugrundeliegt, wie sie bereits in der DE-OS 35 29 915 bzw. der EP-PS 01 30 443 prinzipiell in Fig. 4 und Fig. 5, Beispiel C, dargestellt ist, allerdings dort ohne sättigbare magnetische Induktivitäten. Das pulserzeugende Netzwerk PEN 1 dient zur Erzeugung einer homogenen Glimmentla­ dung im Gasraum der Laserkammer LK zwischen den Laser-Elektroden E ₁, E ₂. Die Laser-Elektroden E ₁, E ₂ stehen einander mit Abstand gegenüber, vgl. Fig. 2, es handelt sich bevorzugt um einen Excimer-Laser der TE-Bauart (TE = Transvers­ ally Excited). Die Flächen der Elektroden E ₁, E ₂ erstrecken sich parallel zur optischen Achse O-O der Laserkammer LK und weisen bevorzugt einen in dieser Richtung ausgedehnten Voll­ querschnitt auf (abgesehen von Stellen, wo Röntgenlicht durch einen dünnwandigen Elektrodenbereich in die Laserkammer einge­ strahlt werden soll - nicht näher dargestellt -). Durch die Aktivierung bzw. Zündung des schnellen Hochspannungsschalters S mit seinen beiden Elektroden F ₁, F ₂, siehe Fig. 1, sind über das pulserzeugende Netzwerk PEN 1 Hochspannungsimpulse an den Laser-Elektroden E ₁, E ₂ erzeugbar. Der Hochspannungsschalter liegt in Reihe mit einer Induktivität L ₁ an der Hochspannungs­ versorgung HV, parallel zu ihm ist ein erster Bandleiter-Kon­ densator C ₁ mit seinen Belägen 1 und 2 geschaltet, welcher als Feststoff- und/oder Bandleiter-Kondensator ausgebildet sein kann, z. B. als Keramik-Kondensator oder als Bandleiter-Konden­ sator mit festem oder flüssigem Dielektrikum. Das gleiche gilt bezüglich des zweiten Kondensators C ₂. An die Schiene mit dem hochliegenden Potential HS ist in einem Längszweig der zweite Bandleiter-Kondensator mit seinen beiden Belägen 3 und 4 und in Reihe dazu eine sättigbare Induktivität L _s angeschlossen. An den Ausgang letzterer schließen sich drei Querzweige an, der erste mit dem dritten Kondensator C ₃ in Form eines Bandleiter- Kondensators und seinen Belägen 5, 6, der zweite mit der Laser­ kammer LK und einer in diesen Querzweig eingezeichneten Ersatz­ induktivität L ₂ und der dritte mit einer Impedanz L ₃, welche hochohmig im Vergleich zum Widerstandswert der Laserkammer LK bei gezündeter Glimmentladung ist und den zweiten Kondensator C ₂ über die sättigbare Induktivität L _s mit der Masseschiene B ver­ bindet. L ₁, L ₂ sind Ersatzinduktivitäten, die sich insbesondere aus der Eigeninduktivität von Hochspannungsschalter S, Laser­ kammer LK, Zuleitungen und den Kondensatoren C ₁, C ₂, C ₃ ergeben. Sie können mit diskreten Induktivitäten vereinigt sein.

In Fig. 1 sind schematisch Längenbereiche A für den ersten und zweiten Kondensator C ₁, C ₂, B; für die sättigbare Induktivität L _s und C für den Rest der Schaltung mit den drei vorgenannten Querzweigen angedeutet.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind der erste bis dritte Kondensator C ₁, C ₂, C ₃ als Bandleiter-Kondensatoren ausgebildet; dies ist - wie erwähnt - für den ersten und zweiten Kondensator C ₁, C ₂ keine notwendige Bedingung. Anstelle der Bandleiter- Kondensator-Anordnung C ₁/C ₂* könnte auch eine größere Anzahl parallel geschalteter Feststoffkondensatoren treten (nicht dar­ gestellt). Man erkennt aus Fig. 2, daß der erste bis dritte Bandleiter-Kondensator C ₁, C ₂, C ₃ mit ihren Belägen und ihren dazwischenliegenden dielektrischen Schichten im wesentlichen normal zur optischen Achse der Laserkammer LK verlaufen und im wesentlichen parallel zu dieser optischen Achse O-O in Form einer dreidimensionalen Anordnung (die dritte Dimension ist in die Papierebene hineingerichtet zu denken) zu einem insgesamt mit K ₀ bezeichneten Kondensatorpaket gestapelt und innerhalb des pulserzeugenden Netzwerkes PEN 1 angeschlossen sind.

Erfindungsgemäß ist nun das pulserzeugende Netzwerk PEN 1 nach dem Prinzip einer ICT-Schaltung aufgebaut und ist als sättig­ barer Induktivität wenigstens ein sättigbarer magnetischer Induktor L _s in einem Längszweig zwischen dem zweiten Kondensator C ₂ und dem dritten Kondensator in Form eines Bandleiter-Konden­ sators C ₃ in Reihe zu diesen Kondensatoren geschaltet, wobei der Kondensator C ₃ parallel zur Laserkammer LK und deren Parallelimpedanz L ₃ liegt. Der in die dreidimensionale Kondensa­ toranordnung K ₀ integrierte sättigbare magnetische Induktor ist - in Plattenrichtung des Bandleiter-Kondensators C ₃ gesehen - zwischen einem ersten Plattenstapel C ₁/C ₂* der Ausdehnung A, (vgl. Fig. 1 mit Fig. 2) für den ersten und den zweiten Band­ leiter-Kondensator C ₁, C ₂ und einem zweiten Plattenstapel C ₃* der Ausdehnung C für den dritten Bandleiter-Kondensator C ₃ mechanisch und elektrisch mit seiner Ausdehnung B eingefügt. An der Außenseite des zweiten Plattenstapels C ₃* schließt sich die Laserkammer LK an. Der Hochspannungsschalter S an der gegenüberliegenden Längssei­ te ist schematisch als Funkenstrecke angedeutet, mit seinen beiden Elektroden F ₁ und F ₂. Die Gesamtanordnung K ₀ nach Fig. 2 muß man sich in eine Tankanordnung eingetaucht denken, in welcher flüssiges Dielektrikum, insbesondere chemisch reines Wasser oder Äthylenglykol enthalten sind. Dies gilt auch für die in Fig. 3 perspektivisch dargestellte dreidimensionale Kon­ densatoranordnung K ₀, welche derjenigen nach Fig. 2 entspricht. Die Kondensator-Teilbeläge 1/1, 2/3, 4/4, 5/5 und 6/6 nach Fig. 2 korrespondieren zu den Kondensator-Belägen 1, 2 - 3, 4, 5 und 6 nach Fig. 1.

Im Falle der Ausführung der bei den Kondensatoren C ₁, C ₂ als Feststoffkondensatoren werden die Bauelemente der Abschnitte A und B vorzugsweise in einem Tank mit Isolierflüssigkeit (z. B. Transformatorenöl) untergebracht, an den mit einer dichten Durchführung sich ein zweiter Tank mit Wasser oder Ethylenglykol zur Aufnahme des Bandleiter-Kondensators C ₃ anschließt.

Der Abschnitt A der Fig. 2 entspricht der in Fig. 11 der DE-PS 29 32 781 skizzierten Anordnung mit dem Unterschied, daß anstelle der Laserkammer LK hier ein sättigbarer, magnetischer Induktor L _s (Abschnitt B) und nach rechts folgend ein Abschnitt C angeschlossen ist.

Der Abschnitt C besteht aus dem mit flüssigem Dielektrikum gefüllten Kondensator C ₃ und der daran niederinduktiv angeschlossenen Laserkammer LK.

Die Form des sättigbaren Induktors L _S ist in Fig. 4 skizziert. Das Maß 1 entspricht etwa der Länge der Laserelektroden.

Als Magnetmaterial wird ein hochpermeabler Werkstoff mit möglichst hohem Induktionshub und geringen Ummagnetisierver­ lusten benötigt. Materialien mit diesen Eigenschaften sind bekannt unter dem Markenzeichen Metglas oder Vitrovac. Die Kerne werden vorzugsweise aus möglichst dünnen Folien aus Ma­ gnetwerkstoff mit interlaminarer Isolation gewickelt.

Bei den hohen Magnetisierungsgeschwindigkeiten haben sich auch Ferritkerne trotz ihrer vergleichsweise niedrigen Sättigungs­ induktion bewährt.

Bei der Auslegung des sättigbaren Induktors auf möglichst geringe Induktivität im gesättigten Zustand und einen hinreichend großen magnetischen Fluß bei Anlegen der Spannung durch die LC-Inversionsschaltung (Abschnitt A, Fig. 2) ergibt sich je nach Energie, die pro Laserlänge geschaltet werden soll, eine bestimmte Eisenfläche und eine dazugehörige Windungszahl. Die Ausführung der Windungen sollte zweckmäßiger­ weise vorgenommen werden, wie es in der DE-OS 35 29 915.0 bei dem dort beschriebenen Pulsübertrager geschieht.

Durch Überziehen der Magnetkerne mit einem wasser- bzw. ethy­ lenglykolbeständigen Überzug und durch korrosionsbeständige Ausführung der Windungen kann so der Induktor L _S mit dem pulserzeugenden Netzwerk, besehend aus C ₁, C ₂ und C ₃ in einem gemeinsamen Flüssigkeitstank untergebracht werden (s. Ausfüh­ rungsbeispiel Fig. 3). Auf diese Weise wird der sättigbare Induktor optimal gekühlt, und man kann so die geringste Induktivität im gesättigten Zustand realisieren. Getrennte Tanks mit Isolierflüssigkeit für C ₁/C ₂, L _S und C ₃ sind ebenfalls möglich. Der sättigbare Induktor kann auch durch eine Verguß­ technik oder eine andere in der Hochspannungstechnik übliche Methode isoliert werden.

In Fig. 5 wird bei dem pulserzeugenden Netzwerk PEN 2 die sättig­ bare Induktivität L _S durch eine Sekundärwicklung L _{S 2} zu einem sättigbaren Transformator erweitert. An die Sekundärwicklung L _{S 2} ist eine Röntgenröhre Rö zur Vorionisierung des Laserelektroden­ zwischenraums angeschlossen. In ähnlicher Weise wie schon in der älteren Patentanmeldung P 38 13 715.1 beschrieben, wird hier von dem Magnetschalter L _S ein Hochspannungsimpuls als Beschleunigungsspannung für die Röntgenblitzröhre Rö erzeugt. Solange der Kern noch nicht gesättigt ist, sind die Wicklungen L _{S 1} und L _{S 2} durch den magnetischen Fluß eng gekoppelt, so daß entsprechend dem Übersetzungsverhältnis n ₂/n ₁ in L _{S 2} eine Hochspannung induziert wird, die einen Anodenstromimpuls in der Röntgenröhre Rö erzeugt. Nach Sättigung des Kerns wird die enge Kopplung zwischen L _{S 1} und L _{S 2} aufgehoben, so daß jetzt über den gesättigten Induktor L _S der Kondensator C ₃ bis zum Erreichen der Laserdurchbruchspannung aufgeladen werden kann.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind vor allem darin zu sehen, daß durch die kompakte Bauform und Zuordnung des sättigbaren magnetischen Induktors und des Bandleiter-Kondensa­ tors C ₃ in Gestalt einer dreidimensionalen Anordnung C ₃* mit flüssigem Dielektrikum sich höhere Spannungswerte und eine in­ tensivere Kühlung erzielen lassen. Die Unterteilung der räum­ lichen Anordnung des pulserzeugenden Netzwerkes in drei Ab­ schnitte A, B und C läßt eine Anpassung an Pulsdauer, Wieder­ holrate, Stromanstiegsgeschwindigkeit und Leistung des anzu­ regenden Lasers nach dem Bausteinprinzip zu. Wird der Abschnitt A als Feststoffkondensator ausgeführt, so kann z. B. bei einer Wiederholrate des Lasers von ca. 100 Hz mit relativ langen Ladezeiten von 10 ms gearbeitet werden. Es können auf diese Weise gesonderte Pulsaufladeeinrichtungen entfallen. Als Feststoffkondensatoren kommen insbesondere Keramik-Kondensatoren in Betracht, welche auch eine relativ hohe Energiedichte auf­ weisen und mit denen sich relativ niederinduktive Netzwerke aus vielen diskreten Knopfkondensatoren aufbauen lassen.

Beim vorerwähnten Wasserkondensator ist eine besonders kleine Streuinduktivität zu verzeichnen, mit der sich in dem LC-Inver­ sionskreis Abschnitt A gegenüber Keramikkondensatoren die zu übertragende Energie erhöhen läßt. Bei gleichem Spannungs-Zeit- Integral über dem Induktor L _S läßt sich die Kapazität im glei­ chen Maße erhöhen, wie sich die Induktivität L ₁ reduzieren läßt.

Claims (8)

1. Pulserzeugendes Netzwerk für den Anregungskreis von Gaslasern, insbesondere Excimer-Lasern, die nach dem TE-Prinzip arbeiten, zur Erzeugung einer homogenen Glimmentladung im Gasraum einer Laserkammer zwischen den Laser-Elektroden; dabei weist der Anregungskreis die folgenden Systemkomponenten auf:

• A) Die genannte Laserkammer, innerhalb welcher wenigstens zwei Laser-Elektroden mit Abstand einander gegenüberstehen, sich mit ihren Elektrodenflächen parallel zur optischen Achse der Laserkammer erstrecken und bevorzugt einen in dieser Richtung ausgedehnten Vollquerschnitt aufweisen;
• B) mindestens einen schnellen Hochspannungsschalter, durch dessen Aktivierung bzw. Zündung über das pulserzeugende Netzwerk Hochspannungsimpulse an den Laser-Elektroden erzeugbar sind;
• C) wobei das pulserzeugende Netzwerk wenigstens erste und zweite Kondensatoren (C ₁, C ₂) umfaßt und ferner zugehörige Ersatzinduktivitäten (L ₁, L ₂) des Anregungskreises, die sich insbesondere aus der Eigeninduktivität ergeben, die Hochspannungsschalter, Laserkammer, die Zuleitungen und die Kondensatoren aufweisen, und wobei in das pulserzeugende Netzwerk wenigstens ein sättigbarer magnetischer Induktor als zusätzliches Schaltelement eingefügt ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - das pulserzeugende Netzwerk (PEN 1, PEN 2) nach dem Prinzip einer Inversions-Charge-Transfer-Schaltung (ICT-Schaltung) aufgebaut und als sättigbare Induktivität wenigstens ein sättigbarer magne­ tischer Induktor (L _S ) in einem Längszweig zwischen dem zweiten Kondensator (C ₂) und einem dritten Kondensator in Form eines Bandleiter-Kondensators (C ₃) in Reihe zu diesen Kondensatoren geschaltet ist, wobei der Kondensator (C ₃) parallel zur Laser­ kammer (LK) und deren Parallelimpedanz (L ₃) liegt,
• - daß der Bandleiter-Kondensator (C ₃) mit seinen Belägen und seinen dazwischenliegenden dielektrischen Schichten im wesentlichen normal zur optischen Achse (O-O) der Laserkammer (LK) verläuft und im wesentlichen parallel zur optischen Achse der Laserkammer (LK) in Gestalt einer dreidimensionalen Anordnung zu einem Kondensatorpaket (C ₃*) gestapelt und inner­ halb des pulserzeugenden Netzwerkes angeschlossen ist, und
• - und daß der mit der dreidimensionalen Kondensatoranordnung (C ₃*) vereinigte sättigbare magnetische Induktor (L _S ) in Plattenrich­ tung des Bandleiter-Kondensators (C ₃) gesehen zwischen der Kon­ densator-Anordnung (C ₁/C ₂*) des Ausdehnungsbereiches (A) für den ersten und den zweiten Kondensator (C ₁, C ₂) und dem Platten­ stapel des Kondensatorpaketes (C ₃*) der Ausdehnung (C) für den Bandleiter-Kondensator (C ₃) mechanisch und elektrisch mit seiner Ausdehnung (B) eingefügt ist, wobei an der Außenseite des Plattenstapels (C ₃*) sich die Laserkammer (LK) anschließt.

2. Pulserzeugendes Netzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die rsten und zweiten Kondensatoren (C ₁, C ₂) Feststoff-, insbesondere Keramikkondensatoren sind.

3. Pulserzeugendes Netzwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auch die ersten und zweiten Kondensatoren (C ₁, C ₂) Banleiter-Kondensato­ ren sind.

4. Pulserzeugendes Netzwerk nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet,
daß auch die mindestens ersten und zweiten Bandleiter-Kondensatoren (C ₁, C ₂) mit ihren Belägen (1/1, 2/3, 4/4) und ihren dazwischenliegenden dielektrischen Schichten im wesentlichen normal zur optischen Achse (O-O) der Laserkammer (LK) verlaufen und im wesentlichen parallel zur optischen Achse der Laserkammer in Form einer dreidimensionalen Kondensator-Anordnung (C ₁/C ₂*) paketartig gestapelt und innerhalb des pulserzeugenden Netzwerkes ange­ schlossen sind und
daß der sättigbare magnetische Induktor (L _S ) in Plattenrich­ tung der als Bandleiterkondensatoren ausgebildeten Kondensatoren (C ₁, C ₂, C ₃) gesehen zwischen einem ersten Plattenstapel der Kondensator-Anordnung (C ₁/C ₂*) der Ausdehnung (A) und dem Plattenstapel (C ₃*) der Ausdehnung (C) des dritten Bandleiter­ kondensators (C ₃) eingefügt ist.

5. Pulserzeugendes Netzwerk nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Kondensator (C ₁, C ₂) und der sättigbare magnetische Induktor (L _S ) mit ihren aneinandergrenzenden Ausdehnungs­ bereichen (A, B) in einer ersten gemeinsamen Tankanordnung unter­ gebracht sind, welche mit einer ersten Isolierflüssigkeit, ins­ besondere Transformatoröl, gefüllt ist, und daß sich an die gemeinsame Tankanordnung für die Ausdehnungsbereiche (A, B) unter gegenseitiger gas- und flüssigkeitsdichter Kapselung und Durchführung der Kondensatorbeläge und sonstiger elektrischer Schaltverbindungen eine zweite Tankanordnung für die dreidimen­ sionale Kondensator-Anordnung (C ₃*) des Bandleiter-Kondensators (C ₃) anschließt, welche mit einer zweiten Isolierflüssigkeit, insbesondere Wasser oder Ethylenglykol, als flüssiges Dielektri­ kum gefüllt ist.

6. Pulserzeugendes Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die sättig­ bare Induktivität als ein sättigbarer Hochspannungs-Impuls­ transformator ausgebildet ist, mit wenigstens einer Sekundär­ wicklung (L _{2 s} ), an welcher die Beschleunigungsspannungs-Impul­ se erzeugbar sind und an welche wenigstens eine Röntgenröhre zur Erzeugung von eine Laserelektrode durchstrahlenden Vorionisie­ rungs-Röntgenlicht-Impulsen angeschlossen ist.

7. Pulserzeugendes Netzwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die sättig­ bare Induktivität (L _S ) zusammen mit den Bandleiter-Kondensatoren (C ₁, C ₂, C ₃) bzw. deren Stapel (C ₁/C ₂*, C ₃*) in einer Flüssig­ keitstankanordnung angebracht ist, durch welche eine erste und eine zweite Tankanordnung für die Ausdehnungsbereiche (A, B) und (C) mit einander baulich vereinigt sind, und daß die vereinigte Tankanordnung als flüssiges Dielektrium die zweite Isolier­ flüssigkeit, insbesondere chemisch reines Wasser oder Ethylen­ glykol, enthält, und daß der Magnetkern der sättigbaren Induk­ tivität mit einem insbesondere Wasser- bzw. Ethylenglykol- beständigen Überzug versehen ist und dessen Windungen korrosionsbeständig ausgeführt sind.