DE3914919C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Entladungsvorrichtung eines Gas­ lasers mit einem Entladungsraum, der von einem Gas mit hoher Geschwindigkeit durchströmt wird, wobei die Gasentladung als Gleichfeldentladung zwischen einer Anode und einer der Anode gegenüberliegenden Kathodenanordnung als Haupt-Elek­ troden, die transversal zur Gasströmung ausgedehnt sind, brennt, und mit einer wechselfeld-gespeisten mit dielektrischem Material umhüllten Vorioni­ sierungs-Elektrode, die eine annähernd der Haupt-Elektroden entsprechende Länge aufweist und in Strömungsrichtung des Gases gesehen vor den Haupt-Elektroden liegt, und wobei die Vorionisierungs-Elektrode mit einer der Haupt-Elektroden niederohmig hinsichtlich des Vorionisierungs-Wechselstromes verbunden ist.

Eine derartige solche Entladungsvorrichtung eines Gaslasers ist im wesentlichen aus der US 44 88 309 bekannt. Dieser Gaslaser besitzt eine in Strömungsrichtung ausgedehnte Anode, die einseitig den Gasentladungskanal für das Gas begrenzt; dieser Anode liegen mehrere stiftförmige Einzel-Kathoden gegenüber, die trans­ versal zur Gasströmung verlaufen und jeweils über hochohmige Vorwiderstände mit der Gleichstromversorgung verbunden sind. Zwischen der Anode und den Einzel-Kathoden ist etwa mittig eine stabförmige Vorionisierungs-Elektrode angeordnet, die einen leitenden Kern, eingehüllt in einen dielektrischen Über­ zug, besitzt. Die Vorionisierungs-Elektrode ist mit einer Wechselstrom­ versorgung verbunden. Außerdem ist zwischen der Anode und dem Massepotential eine Kapazität sowie zwischen dem Ausgang der Stromversorgung und der Anode eine Induktivität vorhanden, die als Energiespeicher zum Pulsen dienen.

Kapazität und Induktivität müssen für eine hohe Puls-Energie ausgelegt sein, um die Dauerleistung der Gleichstromversorgung gering halten zu können. Mit dieser Anordnung wird eine stabile Gleichstrom-Glimmentladung bewirkt, die sich leicht schalten und pulsen läßt, d. h. ein gutes Startverhalten zeigt; außerdem sinkt die Entladungsspannung der Gleichstromentladung. Bei dieser Schaltung brennt die Vor­ ionisierungs-Entladung ausschließlich zwischen der Vorionisierungs-Elektrode und der Anode, da sich im Kathoden-Kreis hochohmige Vorwiderstände befinden. Dies hat zur Folge, daß das Gasvolumen im Entladungsraum nur ungleichmäßig vorionisiert wird und der Leistungsbedarf hierzu relativ hoch ist. Der Aufwand für die Stromversorgung ist hoch, da die Bereitstellung von hochfrequenter Wechselstromleistung im Vergleich zur Gleichstromversorgung unverhältnismäßig teuer ist.

Aus der DE-PS 28 56 328 A1 ist eine weitere Entladungsvorrichtung für ein gas­ förmiges Medium angegeben, bei der die Hilfsentladung eine Gleichfeld-Vorioni­ sierung aufweist, die durch mehrere von der Wand des Entladungsraumes vorstehende, stiftförmige Vorionisierungs-Elektroden bewirkt wird. Für die Hilfsentladung ist eine Leistung in der Größenordnung von 40% der gesamten eingekoppelten Leistung erforderlich. Dieser Gesichtspunkt erhält zusätzlich dadurch Bedeu­ tung, daß die einzelnen Hilfselektroden zur Stabilisierung der Zusatzentladung mit hochohmigen Vorwiderständen versehen sind, die zusätzlich einen beacht­ lichen Leistungsverlust verursachen. Weiterer Aufwand entsteht, wenn die Ent­ ladung schnell geschaltet werden soll, da entweder zwei unabhängige Versor­ gungsspannungen verwendet werden müssen oder Haupt- und Hilfsentladungsgebiet deutlich voneinander zu trennen sind.

Eine Ausführungsform derartiger Vorionisierungs-Einrichtungen ist aus der WO 82/01 281 A1 bekannt. Insbesondere wird dort die Form von Einzel-Zusatz­ elektroden für die Gleichfeld-Vorionisierung beschrieben, wobei als mögliche Formen Scheiben, T-förmige Haken, U-förmige Haken und L-förmige Haken, die in den Entladungsraum hineinragen, angegeben werden. Diese Vorionisierungs-Ein­ richtung erfordert einen hohen Leistungsbedarf.

Die Vorionisierungseinrichtungen, wie sie aus der DE 28 56 328 A1 und der WO 82/01 281 A1 bekannt sind, weisen im Gegensatz zu der erfindungsgemäßen Entladungseinrichtung eine Gleichstrom-Versorgung der Vorionisierungselektroden auf.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Entladungsvor­ richtung eines Gaslasers, wie sie z. B. aus der US 44 88 309 bekannt ist, derart auszubilden, daß bei einem geringen Wechselstrom-Leistungsbedarf eine hohe Ionisationsleistung erhalten wird, wobei das gesamte zwischen Kathode und Anode vorhandene Volumen des einströmenden Gases gleichmäßig vorionisiert wird.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die Vorionisierungs-Elektrode sowohl mit der Anode als auch mit der Kathode niederohmig hinsichtlich des Vorionisierungs-Wechselstromes verbunden ist.

Die Anordnung einer Vorioni­ sierungs-Elektrode zwischen Kathode und Anode, die mit beiden niederohmig verbunden ist, hat den Vorteil, daß sich der Wechselstromkreis sowohl zu den Anoden als auch zu den Kathoden schließen kann. Die zwischen der Vorioni­ sierungs-Elektrode und den Haupt-Elektroden brennende Hilfsentladung füllt den gesamten Raum, quer zur Strömungsrichtung des Gases gesehen, zwischen der Kathode und der Anode aus, so daß im Vorfeld der Haupt-Elektroden eine gleich­ mäßige Vorionisierung des gesamten einströmenden Gasvolumens erhalten wird. Die Hauptentladung findet somit einen zwischen den beiden Haupt-Elektroden vollständig vorionisierten Entladungspfad vor, so daß zum einen die Haupt­ entladung auch bei äußerst geringen Stromstärken betrieben werden kann und zum anderen ein problemloses Schalten und pulsen möglich ist; der erforderliche Energiebedarf wird hierdurch sehr gering gehalten.

Die Anordnung der Vorionisierungs-Elektrode mit gleichem Abstand sowohl zur Anode als auch zur Kathode hat den Vorteil, daß die Wirbelschleppe im Nachlauf der Vorionisierungs-Elektrode weit genug von den Hauptelektroden entfernt bleibt. Somit werden Entladungsinstabilitäten an den Hauptelektroden, insbesondere an der Kathode vermieden.

Als Kapazitäten werden vorteilhafterweise einstellbare Kapazitäten verwendet, so daß ein individueller Abgleich erfolgen kann. Die Verbindung mindestens einer der Haupt-Elektroden und einer der Vorionisierungs-Elektrode zuge­ ordneten Kapazität mit der Gleichstromquelle bringt den Vorteil mit sich, daß ein möglicherweise auftretender, parasitärer Wechselstromfluß über die Gleichstromversorgung unterdrückt wird.

Die Einflüsse der kapazitiven Kopplung von Wechselstrom- und Gleichstrom-System über Elektroden und Zuleitungen, sowie die Induktivitäten von elektrischen Leitungen, Elektroden und vor allem der Gleichstromversorgung selbst spielen eine große Rolle. Dies bedeutet, daß durch Einfügen der beschriebenen Induktivität und der Kapazitäten das ganze System so abgestimmt werden sollte, daß die Wechselstromentladung beziehungsweise die kombinierte Wechselstrom/Gleichstrom-Hilfsentladung die Strecke zwischen der dielektrischen Vorionisierungs-Elektrode und den beiden Hauptelektroden mit annähernd gleicher Intensität erfüllt.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nach­ folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung, die einen Gasentladungsraum mit einer Vorionisierungs-Einrichtung zeigt.

Die Fig. 1 zeigt den Ausschnitt eines Gasentladungskanales 1 eines Lasers mit Seitenwänden 2, die den Gasentladungskanal quer zur Gasströmung, die durch den Pfeil 3 angedeutet ist, im Haupt-Entladungsbereich 4 begrenzen. Die Haupt­ entladung findet zwischen einer Kathode 5 und einer in Strömungsrichtung aus­ gedehnten Anode 6 statt, wobei die Kathode 5 und die Anströmkante 7 der Anode 6 quer zur Strömungsrichtung des Gases in etwa gleicher Höhe liegen. Die optische Achse des Resonators ist durch den Pfeil 8 angedeutet. Kathode 5 und Anode 6 sind mit einer Gleichstromversorgung 9 verbunden. Die Haupt-Elek­ troden 5, 6 in Form der Kathode und Anode sind transversal zur Gasströmung, d.h. senkrecht zur Zeichnungsebene ausgedehnt. Eine Vorionisierungs-Elek­ trode 10 ist, in Strömungsrichtung des Gases gesehen, vor der Kathode 5 und der Anode 6 angeordnet, wobei sie einen gleichen Abstand sowohl zur Anode 6 als auch zur Kathode 5 aufweist. Die Vorionisierungs-Elektrode 10 besteht aus einer elektrisch leitenden Seele 11, die von einer Hülle 12 aus dielektrischem Material umgeben ist; bei dem dielektrischen Material handelt es sich um Quarzglas.

Die Vorionisierungs-Elektrode 10 ist mit einem Ende der Sekundärwicklung 13 eines Ausgangstransformators 14 der Wechselstromversorgung 15 verbunden. Mit diesem Transformator 14 wird bei geringer Spannung der Primärseite eine hohe Spannung auf der Sekundärseite als Stromversorgung für die Vorioni­ sierungs-Elektrode 10 bereitgestellt. Zwischen dieser Vorionisierungs-Elek­ trode 10 und den Haupt-Elektroden 5, 6 brennt eine Hilfsentladung 16 gleich­ mäßig über die gesamte Breite des Gasentladungskanales 1 quer zur Strömungs­ richtung 3. Hierdurch wird im Bereich der Hilfsentladung 16 das Gas eingangs­ seitig der Haupt-Elektroden 5, 6 vollständig und gleichmäßig vorionisiert. Es wird unter Aufwendung eines geringen Energiebedarfes eine sofortige Zündung der Haupt-Entladung 4 zwischen den Haupt-Elektroden 5, 6 erhalten. Bereits bei sehr geringen Stromstärken an den Haupt-Elektroden 5, 6 kann eine stabile Haupt-Entladung 4 aufrechterhalten werden.

Die Gleichstromversorgung der Haupt-Elektroden 5, 6 und die Wechselstromversorgung 15 der Vorionisierungs-Elektrode 10 sind über einstellbare Kondensatoren 17 miteinander gekoppelt. Weiterhin ist eine der Kapazitäten 17 und die Kathode 5 bzw. die Anode 6 mit der Gleichstromversorgung 9 der Haupt-Elektroden 5, 6 über eine Induktivität 18 verbunden, wodurch ein Wechselstrom über die Gleichstrom-Versorgung weitgehend unterdrückt wird. Durch die einstellbaren Kondensatoren 17 besteht die Möglichkeit, die Vorionisierungs-Anordnung unter Berücksichtigung der geometrischen Verhältnisse im Entladungs-Raum des Lasers während seiner Inbetriebnahme derart zu optimieren, daß zur Anode 6 und Kathode 5 die Vorionisierung mit gleicher Intensität brennt. Es werden kurze Einzelentladungsstrecken zwischen der Vorionisierungs-Elektrode 10 und den Haupt-Elektroden 5, 6 erhalten, für die geringere Entladungsspannungen ausreichen.

Claims (5)

1. Entladungsvorrichtung eines Gaslases mit einem Entladungsraum, der von einem Gas mit hoher Geschwindigkeit durchströmt wird, wobei die Gasentladung als Gleichfeldentladung zwischen einer Anode und einer der Anode gegenüberliegenden Kathodenanordnung als Haupt-Elektroden, die transversal zur Gasströmung ausgedehnt sind, brennt, und mit einer wechselfeld-gespeisten, mit dielektrischem Material umhüllten Vorionisierungs-Elektrode, die eine annähernd den Haupt-Elektroden entsprechende Länge aufweist und in Strömungsrichtung des Gases gesehen vor den Haupt-Elektroden liegt, und wobei die Vorionisierungs-Elektrode mit einer der Haupt-Elektroden niederohmig hinsichtlich des Vorionisierungs-Wechselstromes verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorionisierungs-Elektrode (10) sowohl mit der Anode (6) als auch mit der aus der einzelnen Kathode (5) bestehenden Kathodenanordnung niederohmig hinsichtlich des Vorionisierungs-Wechselstromes verbunden ist.

2. Entladungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorionisierung-Elektrode (10) einen gleichen Abstand sowohl zur Anode (6) als auch zur Kathode (5) aufweist.

3. Entladungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorionisierungs-Elektrode (10) über einen Transformator (14) mit den beiden Haupt-Elektroden (5, 6) jeweils über eine Kapazität (17) verbunden ist.

4. Entladungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitäten (17) einstellbare Kapazitäten sind.

5. Entladungsvorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Haupt-Elektroden (5, 6) und eine der Kapazitäten (17) der Vorionisierungs-Elektrode (10) über eine Induktivität (18) mit der Gleichstromquelle (9) verbunden ist.