DE3914923A1 - Entladungsvorrichtung - Google Patents
EntladungsvorrichtungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Entladungsvorrichtung, insbesondere für einen
Gaslaser, mit einem Entladungsraum, der von einem Gas mit hoher Geschwindig
keit durchströmt wird, wobei die Gasentladung als Gleichfeldentladung zwischen
einer Anode und einer der Anode gegenüberliegenden Kathode als Haupt-Elek
troden, die transversal zur Gasströmung ausgedehnt sind, brennt, und mit
mindestens einer wechselfeld-gespeisten, mit dielektrischem Material umhüllten
Vorionisierungs-Elektrode, die eine annähernd der Kathode und Anode ent
sprechende Länge aufweist und in Strömungsrichtung des Gases gesehen vor der
Kathode und/oder der Anode liegt.
Eine solche Entladungsvorrichtung in Form eines Gaslasers ist aus der
US-PS 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
transversal zur Gasströmung verlaufen und jeweils über hochohmige Vorwider
stände 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
Überzug, besitzt. Durch die in der Mitte des Gaskanals angeordnete Vor
ionisierungs-Elektrode werden unerwünschte Turbulenzen erzeugt, die Strömungs
verluste zur Folge haben. Die Vorionisierungs-Elektrode ist mit einer Wechsel
stromversorgung verbunden. Außerdem ist zwischen der Anode und dem Masse
potential 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 dc-Glimm-Entladung bewirkt, die sich
leicht schalten und Pulsen läßt, d. h. ein gutes Startverhalten zeigt; außerdem
sinkt die Entladungsspannung der dc-Entladung. Bei dieser Schaltung brennt die
Vorionisierungs-Entladung ausschließlich zwischen der einen Vorionisierungs-
Elektrode und der Anode, da sich im Kathoden-Kreis hochohmige Vorwiderstände
befinden. Dies hat zur Folge, daß das Gasvolumen im Entladungsraum nur un
gleichmäßig vorionisiert wird und der Leistungsbedarf hierzu relativ hoch ist.
Der Aufwand für die Stromversorgung ist hoch, da die Bereitstellung von hoch
frequenter Wechselstromleistung im Vergleich zur Gleichstromversorgung unver
hältnismäßig teuer ist.
Aus der DE-PS 28 56 328 ist eine weitere Entladungsvorrichtung für ein gas
förmiges Medium angegeben, bei der die Hilfsentladung eine Gleichfeld-Vorioni
sierung ist, 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 Be
deutung, daß die einzelnen Hilfselektroden zur Stabilisierung der Zusatzent
ladung mit hochohmigen Vorwiderständen versehen sind, die zusätzlich einen
beachtlichen Leistungsverlust verursachen. Weiterer Aufwand entsteht, wenn die
Entladung schnell geschaltet werden soll, da entweder zwei unabhängige Ver
sorgungsspannungen verwendet werden müssen oder Haupt- und Hilfsentladungs
gebiet deutlich voneinander zu trennen sind.
Eine Ausführungsform derartiger Vorionisierungs-Einrichtungen ist aus der
WO 82/01 281 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.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Entladungsvor
richtung, insbesondere einen Gaslaser, der eingangs beschriebenen Art derart
auszubilden, daß bei einem geringen Wechselfeld-Leistungsbedarf eine hohe
Ionisationsleistung erhalten wird, wobei das gesamte zwischen Kathode und
Anode vorhandene Volumen des einströmenden Gases vorionisiert wird.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß mindestens zwei Vorionisierungs-Elek
troden vorhanden sind, von denen die eine der Kathode und die andere der Anode
in Strömungsrichtung vorgelagert ist, und daß die Vorionisierungs-Elektroden
phasenverschoben zueinander geschaltet sind. Die Anordnung von zwei Vorioni
sierungs-Elektroden nahe bei den jeweiligen Haupt-Elektroden, d. h. nahe bei
der Kathode und nahe bei der Anode, hat den Vorteil, daß sie außerhalb der
Hauptströmung des Gases liegen, und damit keine nennenswerten Störungen der
Gasströmung verursachen. Die zwischen diesen beiden Vorionisierungs-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 gleichmäßige Vorionisierung des gesamten einströmen
den Gasvolumens erhalten wird. Die Vorionisierungs-Elektroden können sich
dabei durchaus soweit an den Rändern des Gasentladungskanales befinden, daß
sie unmittelbar den Haupt-Elektroden vorgelagert sind bzw. sich außerhalb des
Strömungsbereiches zwischen den Haupt-Elektroden befinden; im letzteren Fall
sind die Vorionisierungs-Elektroden näher an den Wänden des Gasentladungs
kanals als die Haupt-Elektroden. Wesentlich bei der Anordnung der Vorioni
sierungs-Elektroden im Bereich der Haupt-Elektroden ist, daß diese allseitig
vom Gas umströmt werden, um dadurch einen Kühleffekt zu erhalten; diese
Kühlung ist insbesondere im Bereich der Kathode erforderlich. Insofern sollten
die Vorionisierungs-Elektroden, wie bereits vorstehend erwähnt, geringfügig,
in Strömungsrichtung des Gases gesehen, zu den Haupt-Elektroden seitlich
versetzt sein. Die für eine ac-Entladung erforderlichen Potentialunterschiede
an den Vorionisierungs-Elektroden werden durch die unterschiedliche Phasenlage
der an den beiden Vorionisierungs-Elektroden angelegten Versorgungs-Spannung
erzeugt.
Die Hauptentladung findet somit einen zwischen den beiden Haupt-Elektroden
vollständig vorionisierten Entladungspfad vor, so daß zum einen die Hauptent
ladung 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.
Zwischen den mindestens zwei Vorionisierungs-Elektroden können weitere Vor
ionisierungs-Elektroden parallel zueinander verlaufend angeordnet sein, wobei
benachbarte Vorionisierungs-Elektroden phasenverschoben zueinander geschaltet
sind. Hierdurch wird erreicht, daß die einzelnen ac-Entladungsstrecken kürzer
und damit die benötigten Entladungsspannungen kleiner werden. Dies setzt die
Gefahr von elektrischen Überschlägen bzw. parasitären Entladungen an den
Elektrodenzuführungen wesentlich herab. Weiterhin ergibt sich so die Möglich
keit, durch die sich im Strömungskanal befindenden Elektrodenstäbe die
Strömung, beziehungsweise deren Turbulenzgrad, gezielt zu beeinflussen.
Die Verbindung der den Haupt-Elektroden unmittelbar benachbarten jeweiligen
Vorionisierungs-Elektroden über eine Kapazität mit der ihr jeweils gegenüber
liegenden Haupt-Elektrode stellt eine einfache Möglichkeit einer niederohmigen
Verbindung der Vorionisierungs-Elektroden mit den Haupt-Elektroden dar.
Als Kapazitäten werden vorteilhafterweise einstellbare Kapazitäten verwendet,
so daß ein individueller Abgleich erfolgen kann. Die Verbindung mindestens
einer der Haupt-Elektroden mit der ihr schaltungsmäßig zugeordneten, gegen
überliegenden Vorionisierungs-Elektrode über eine Induktivität mit der Gleich
stromquelle bringt den Vorteil mit sich, daß ein möglicherweise auftretender,
parasitärer ac-Stromfluß über die dc-Stromversorgung unterdrückt wird.
In der Realität spielen die Einflüsse der kapazitiven Kopplung von ac- und
dc-System über Elektroden und Zuleitungen, sowie die Induktivitäten von
elektrischen Leitungen, Elektroden und vor allem der dc-Stromversorgung selbst
eine große Rolle. Dies bedeutet, daß durch Einfügen von zusätzlichen
Induktivitäten und Kapazitäten das ganze System so abgestimmt werden sollte,
daß die ac-Entladung, beziehungsweise die kombinierte ac/dc-Hilfsentladung
sowohl die Strecke zwischen den dielektrischen Vorionisierungs-Elektroden als
auch die beiden Einzelstrecken mit annähernd gleicher Intensität erfüllt.
Um den ac-Stromkreis für die Vorionisierungs-Elektroden und den dc-Stromkreis
für die Haupt-Elektroden in eine feste Zuordnung zueinander zu bringen, weist
die Wechselfeld-Versorgung der Vorionisierungs-Elektroden einen Ausgangs-
Transformator auf, dessen Sekundärwicklung zum einen mit den Vorionsierungs-
Elektroden verbunden ist, zum anderen eine Zwischenanzapfung aufweist, die auf
Erdpotential liegt. Dadurch, daß auch die Wandung des Entladungsraumes bzw.
das gesamte Entladungsgefäß auf Erdpotential liegt, und auch, wie vorstehend
ausgeführt, die dc-Stromversorgung eine Verbindung mit dem Erdpotential hat,
wird diese Kopplung bewirkt. Diese Zwischenanzapfung der Sekundärwicklung des
Ausgangs-Transformators ist dann asymmetrisch auszuführen, wenn z. B. unter
schiedliche Flächen von Anode und Kathode zu unterschiedlichen Entladungs
kapazitäten führen, die dann zum Erhalt gleichmäßiger Teilentladungen über
diese asymmetrische Anzapfung ausgeglichen werden.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nach
folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der
Zeichnung zeigt:
Fig. 1 einen Gasentladungsraum mit einer Vorionisierungs-Einrichtung, die
zwei Vorionisierungs-Elektroden aufweist,
Fig. 2 eine im Aufbau der Fig. 1 ähnliche Anordnung, wobei die Vor
ionisierungs-Elektroden gegenüber Fig. 1 in einer abgewandelten Form
geschaltet sind und
Fig. 3 eine den Fig. 1 und 2 entprechende Anordnung mit weiteren Vor
ionisierungs-Elektroden.
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 Hauptent
ladung findet zwischen einer Kathode 5 und einer in Strömungsrichtung ausge
dehnten 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 dc-Stromversorgung 9 verbunden. Die Haupt-Elek
troden 5, 6 in Form der Kathode und Anode sind transversal zur Gasströmung,
d.h. senkrecht zur Zeichnungsebene ausgedehnt. Zwei Vorionisierungs-Elek
troden 10 und 11 sind, in Strömungsrichtung des Gases gesehen, vor der
Kathode 5 und der Anode 6 angeordnet, wobei die der Anode 6 zugeordnete Vor
ionisierungs-Elektrode 11 unmittelbar vor der Vorderkante mit Abstand zu
dieser positioniert ist, während die der Kathode 5 zugeordnete Vorioni
sierungs-Elektrode 10 seitlich zur Seitenwand 2 des Gasentladungskanales hin
versetzt ist. Durch diese seitliche Versetzung wird die hinter der Vorioni
sierungs-Elektrode 10 liegende Kathode 5 ungehindert durch das Gas angeströmt
und bei ungestörter Strömung gekühlt. Die beiden Vorionisierungs-Elektroden
bestehen aus einer elektrisch leitenden Seele 12, die von einer Hülle 13 aus
dielektrischem Material umgeben ist; bei dem dielektrischen Material handelt
es sich um Quarzglas. Die beiden Vorionisierungs-Elektroden 10, 11 sind mit
den Enden der Sekundärwicklung 14 eines Ausgangs-Transformators 15 der
Wechselstromversorgung 16 verbunden. Mit diesem Transformator 15 wird bei
geringer Spannung der Primärseite eine hohe Spannung auf der Sekundärseite als
Stromversorgung für die Vorionisierungs-Elektroden 10, 11 bereitgestellt,
gleichzeitig aber auch eine Phasenverschiebung der Spannung der Vorioni
sierungs Elektroden 10, 11 zueinander erreicht, um einen Potentialunterschied
zwischen diesen Elektroden zu erhalten. Zwischen diesen beiden Vorioni
sierungs-Elektroden 10, 11 brennt eine Hilfsentladung 17, durch die
Positionierung der beiden Vorionisierungs-Elektroden 10, 11 im Gasentladungs
kanal, gleichmäßig über die gesamte Breite des Gasentladungskanales 1 quer zur
Strömungsrichtung 3. Hierdurch wird im Bereich der Hilfsentladung 17 das Gas
eingangsseitig der Haupt-Elektroden 5, 6 vollständig und gleichmäßig vorioni
siert. 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 aufrechterhalten werden.
Im Gegensatz zu der Ausführungsform nach Fig. 1 ist in Fig. 2 die dc-Strom
versorgung der Haupt-Elektroden 5, 6 und die ac-Stromversorgung 16 der Vor
ionisierungs-Elektroden 10, 11 miteinander über einstellbare Kondensatoren 18
gekoppelt, und zwar gegenphasig, d. h. die der Kathode 5 zugeordnete Vorioni
sierungs-Elektrode 10 ist über die einstellbare Kapazität 18 mit der Anode 6
und die der Anode 6 zugeordnete Vorionisierungs-Elektrode 11 über die ein
stellbare Kapazität 18 mit der Anode 5 verbunden. Weiterhin sind die Kapazi
täten 18 und die Anode 6 bzw. die Kathode 5 mit der dc-Stromversorgung der
Haupt-Elektroden 5, 6 über jeweils eine Induktivität 19 verbunden. Zusätzlich
sind in Fig. 2 die zwischen den Vorionisierungs-Elektroden 10 und 11 sowie
die zwischen der Vorionisierungs-Elektrode 10 und der Kathode 5 sowie der
Vorionisierungs-Elektrode 11 und der Anode 6 vorhandenen Entladungskapazitäten
durch angedeutete Kondensator-Schaltsymbole 20 eingezeichnet. Durch das Zu
sammenwirken des Transformators 15, der einstellbaren Kondensatoren 18, der
Induktivitäten 19 und der Entladungskapazitäten 20 zwischen den Vorioni
sierungs-Elektroden 10 und 11 einerseits und den Haupt-Elektroden 5, 6
andererseits entsteht eine über die Kapazitäten 18 abstimmbare gegenphasige
Kompensationsschaltung, die insbesondere eine Feinabstimmung unter Berück
sichtigung der geometrischen Verhältnisse im Entladungs-Raum des Lasers
während seiner Inbetriebnahme ermöglicht. An der Sekundärwicklung 14 des
Transformators 15 ist eine auf Erdpotential liegende Zwischenanzapfung 21
angedeutet, die verhindert, daß sowohl das Potential der Vorionisierungs-
Elektroden 10, 11 als auch das Potential der Haupt-Elektroden 5, 6 in Richtung
einer der Haupt-Elektroden 5,6 sich verschiebt. Die Anzapfung der
Sekundärwicklung 14 ist auf die Gesamtlänge der Wicklung gesehen außermittig,
um die unterschiedliche geometrische Ausdehnung der beiden
Haupt-Elektroden 5, 6 zu kompensieren; im Gegensatz zu der Darstellung nach
Fig. 2 kann auch die Zwischen-Anzapfung 21 zur Kathode 5 hin verschoben sein.
In Fig. 3 ist, im Gegensatz zu den Ausführungsformen in Fig. 1 und 2, zu
sätzlich zu den beiden äußeren Vorionisierungs-Elektroden 10, 11 zwei weitere
Vorionisierungs-Elektroden 22, 23 eingefügt, wobei alle Vorionisierungs-Elek
troden 10, 11, 22, 23 parallel zueinander verlaufen. Diese weiteren Vorioni
sierungs-Elektroden 22, 23 sind überkreuz mit den beiden äußeren Vorioni
sierungs-Elektroden 10, 11 geschaltet, um zu den jeweils benachbarten Vorioni
sierungs-Elektroden eine Phasenverschiebung zu erhalten. Hierdurch werden
kurze Einzelentladungsstrecken zwischen den benachbarten Vorionisierungs-Elek
troden 10, 22, 23, 11 erhalten, für die im Vergleich zu den Ausführungsformen
nach den Fig. 1 und 2 geringere Entladungsspannungen ausreichen. Die Anzahl
dieser weiteren Vorionsierungs-Elektroden sollte gering gehalten werden, um
den freien Strömungsquerschnitt für das Gas nicht unnötig zu stören. Während
eine gerade Anzahl an weiteren Vorionisierungs-Elektroden 22, 23 zwischen den
beiden äußeren Vorionisierungs-Elektroden 10, 11 eine einfache Beschaltung
wechselweise mit den äußeren Elektroden 10, 11 ermöglicht, kann selbstver
ständlich auch eine ungerade Anzahl an weiteren Vorionisierungs-Elektroden
zwischen den beiden äußeren Vorionisierungs-Elektroden 10, 11 realisiert
werden. Beispielsweise ist es möglich, eine einzelne weitere Vorionisierungs-
Elektrode zusätzlich zu den beiden Vorionisierungs-Elektroden 22 und 23 einzu
fügen, oder aber die beiden weiteren Vorionisierungs-Elektroden 22, 23 durch
eine einzelne zu ersetzen. Eine solche die weiteren Vorionisierungs-Elektroden
zu einer ungeraden Anzahl ergänzende Vorionisierungs-Elektrode kann über eine
spezielle Kompensationsschaltung mit den übrigen Vorionisierungs-Elektroden
derart verbunden werden, daß eine gleichmäßige Entladungsintensität zwischen
allen Elektroden erreicht wird.
Claims (7)
1. Entladungsvorrichtung, insbesondere für einen Gaslaser, mit einem Ent
ladungsraum, der von einem Gas mit hoher Geschwindigkeit durchströmt wird,
wobei die Gasentladung als Gleichfeldentladung zwischen einer Anode und
einer der Anode gegenüberliegenden Kathode als Haupt-Elektroden, die
transversal zur Gasströmung ausgedehnt sind, brennt, und mit mindestens
einer wechselfeld-gespeisten, mit dielektrischem Material umhüllten Vor
ionisierungs-Elektrode, die eine annähernd der Kathode und Anode ent
sprechende Länge aufweist und in Strömungsrichtung des Gases gesehen vor
der Kathode und/oder der Anode liegt, dadurch gekennzeichnet, daß
mindestens zwei Vorionisierungs-Elektroden (10, 11) vorhanden sind, von
denen die eine (10) der Kathode (5) und die andere (11) der Anode (6) in
Strömungsrichtung (3) vorgelagert ist, und daß die Vorionisierungs-Elek
troden (10, 11) phasenverschoben zueinander geschaltet sind.
2. Entladungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
eine Vorionisierungs-Elektrode (11) mit der Anode (6) und die andere
Vorionisierungs-Elektrode mit (10) der Kathode (5) niederohmig hinsicht
lich des Vorionisierungs-Wechselstromes verbunden ist.
3. Entladungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen den mindestens zwei Vorionisierungs-Elektroden (10, 11) weitere
Vorionisierungs-Elektroden (22, 23) parallel zueinander verlaufend ange
ordnet sind, wobei benachbarte Vorionisierungs-Elektroden (10, 22, 23, 11)
phasenverschoben zueinander geschaltet sind.
4. Entladungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den
Haupt-Elektroden (5, 6) unmittelbar benachbarte jeweilige Vor
ionisierungs-Elektrode (10, 11) über eine Kapazität (18) mit der ihr
jeweils gegenüberliegenden Haupt-Elektrode (6, 5) verbunden ist.
5. Entladungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kapazitäten (18) einstellbare Kapazitäten sind.
6. Entladungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß mindestens eine der Haupt-Elektroden (5, 6) und die ihr
schaltungsmäßig zugeordnete, gegenüberliegende Vorionisierungs-Elek
trode (11, 10) über eine Induktivität (19) mit der Gleichstromquelle (9)
verbunden ist.
7. Entladungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Wechselfeld-Versorgung (16) der Vorionisierungs-Elek
troden (10, 11, 22, 23) einen Ausgangs-Transformator (15) aufweist, dessen
Sekundärwicklung (14) zum einen mit den Vorionisierungs-Elek
troden (10, 11, 22, 23) verbunden ist und zum anderen eine Zwischenan
zapfung (21) aufweist, die auf Erdpotential liegt.
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8131 | Rejection |