DE3923277C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasentladungsanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Eine derartige Anordnung in Gestalt eines Gaslasers ist aus der EP 02 84 719 A1 bekannt. Die bekannte Gasentladungs­ strecke wird von einem lasergasdurchströmten Entladungsmodul gebildet, der T-förmig ausgestaltet ist. Das Lasergas wird durch den Fußschenkel des T zugeführt und im Bereich der Ver­ zweigung des Lasergasstromes werden senkrecht dazu die Mikro­ wellen mit einem Hohlleiter zugeführt. In diesem Bereich er­ folgt eine Zündung mittels Zündstiftes und damit die Ausbildung eines Plasmas, welches von der Gasströmung in die Gasentla­ dungsstrecke transportiert wird. Dieses absorbiert dort Mikro­ wellenenergie, was zur Ausbildung einer homogenen Entladung über den Querschnitt der Gasentladungsstrecke bzw. des Laser­ strahls führt, der sich in der Gasentladungsstrecke ausbildet, die an ihren Enden jeweils Resonatorendspiegel aufweist. Die bekannte Gasentladungsanordnung ermöglicht zwar die Verwendung preiswerter Mikrowellensender zur elektrischen Anregung des La­ sergases, bedarf jedoch für seine Funktion einer Gasströmung bzw. einer Gasumwälzung. Für diese Gasströmung bzw. für diesen Gaskreislauf sind gesteuerte Gasumwälzpumpen und Rohrleitungen erforderlich, was die Gestehungskosten der Anordnung verteuert. Außerdem verwendet die bekannte Anordnung eine Drallströmung, um zu der gewünschten homogenen Entladung zu kommen. Das beein­ flußt die Qualität der Laserstrahlung.

Aus der DE 35 36 770 A1 ist ein Gaslaser bekannt, mit einer für den Laserprozeß geeignetes Gas enthaltenden Gasentladungsstrecke in einem zylindrischen Hohlraum, und mit einem den zylindrischen Hohlraum mit Abstand umgebenden rohrförmigen Gehäuse. Die Gasentladungsstrecke befindet sich zwischen zwei koaxialen zylindrischen Elektroden, deren äußere von dem zylindrischen Hohlraum umgeben ist. Dieser zylindrische Hohlraum dient der Kühlung. Ein Betrieb dieses Lasers mit Mikrowellen ist nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasentladungsanordnung mit den eingangs genannten Merkmalen so zu verbessern, daß eine homogene Plasmabildung auch dann erfolgt, wenn eine Gasströmung nicht gegeben oder nur laminar ausgebildet ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zwischen der Innen­ wand des Gehäuses und dem die Gasentladungsstrecke bildenden Hohlraum ein die Gasentladung stabilisierender Abstand vorhan­ den und bei Luft in Richtung der stärksten Feldkomponenten der Mikrowellen größer ist, als der größte freie Durchmesser des von den Mikrowellen durchsetzten Hohlraums.

Für die erfindungsgemäße Gasentladungsanordnung ist von Bedeutung, daß die Plasmaausbildung bzw. Gasentladung hinrei­ chend stabilisiert wird. Das erfolgt durch den Abstand zwischen der Gehäuseinnenwand und der Gasentladungsstrecke. Dieser Ab­ stand kann hinreichend groß ausgebildet werden, um die ge­ wünschte Stabilisierung der Gasentladung zu erreichen. Stabi­ lisierung tritt üblicherweise ein, wenn der vorgenannte Abstand größer ist, als der größte freie Durchmesser des Hohlraums.

In Verbindung mit der Stabilisierung der Gasentladung ist es von Bedeutung, daß eine gleichmäßige elektrische Anregung durch die Mikrowellenfelder erreicht wird. Hierzu ist die Gas­ entladungsanordnung im Querschnitt so ausgebildet, daß der die Gasentladungsstrecke bildende Hohlraum unter Wahrung des Ab­ stands zu der Gehäuseinnenwand in unmittelbarer Nachbarschaft zu einem anderen Wandabschnitt der Innenwand des Gehäuses oder zu einem feldformenden Gehäuseeinbauteil angeordnet ist. Die unmittelbare Nachbarschaft des Hohlraums zum Gehäuse oder einem feldformenden Gehäuseeinbauteil bewirkt, daß der Hohlraum in einem Bereich angeordnet ist, in dem die Feldlinien senkrecht zum metallischen Gehäuse oder zum metallischen Gehäuseeinbau­ teil verlaufen. Infolgedessen ergibt sich innerhalb des Hohl­ raums ein entsprechend gleichmäßiger Feldaufbau. Für diesen vorgenannten gleichmäßigen Feldaufbau kann das rohrförmige Ge­ häuse unterschiedlich bemessen werden, also insbesondere hin­ sichtlich Durchmesser und Länge. Das Gehäuse ist ein Mikrowel­ lenhohlleiter bzw. bei geeigneter Ausbildung seiner Länge ein Mikrowellenresonator. Die Einkopplung der Mikrowellen erfolgt mittels kapazitiver oder induktiver Antenne, oder mittels Hohl­ leiterankopplung, deren Ausgestaltung ebenfalls im Hinblick auf die oben beschriebene gewünschte Feldausbildung erfolgt.

Das Plasma der Gasentladungsanordnung kann zur Lichterzeu­ gung benutzt werden, beispielsweise in Argon-Lampen. Bei der Verwendung von Lasergas ist es möglich, die Gasentladungsanord­ nung zur Erzeugung von Laserlicht in einem Laserresonator zu benutzen, beispielsweise als Pumplichtquelle für Festkörperla­ ser, oder zur Verstärkung von Laserlicht. Die mit der erfin­ dungsgemäßen Gasentladungsanordnung erzeugten Gasentladungen dienen vorzugsweise zur Anregung von Gaslasern.

In vorteilhafter Weise ist in dem metallischen rohrförmi­ gen Gehäuse ein damit koaxiales Metallrohr angeordnet. Dieses ist ein feldformendes Gehäuseeinbauteil. Dieser metallische In­ nenleiter bildet mit dem rohrförmigen metallischen Gehäuse ei­ nen koaxialen Hohlleiter, in dem eine besonders gleichmäßige Ausbildung des elektrischen Feldes in radialer Richtung er­ folgt. Außerdem kann das Metallrohr vorteilhafterweise zugleich für die mechanische Abstützung in der Gasentladungsanordnung herangezogen werden. Das Metallrohr ist leicht zu fertigen und umschließt einen feldfreien Raum, der zur Wasserkühlung benutzt werden kann, also zur Abführung der Prozeßwärme der Gasentla­ dungsstrecke.

Um die Querschnittsgestaltung der Gasladungsstrecke opti­ mal einerseits an die Gasentladungsanordnung und andererseits zugleich an Laserstrahlquerschnitte anpassen zu können, ist der die Gasentladungsstrecke bildende zylindrische Hohlraum kreis­ förmig oder ringförmig ausgebildet. Der kreisförmig zylindri­ sche Hohlraum bietet die optimale Querschnittsgestaltung für einen entsprechend kreisförmigen Laserstrahl. In einem ring­ förmig zylindrischen Hohlraum können mehrere Laserstrahlen oder Strahlengänge angeordnet werden, die sich um einen Kern herum gruppieren, beispielsweise um ein koaxiales Metallrohr.

Vorteilhafterweise ist die Anordnung so ausgebildet, daß der kreisförmige und der ringförmige zylindrische Hohlraum auß­ en von einem dielektrischen Rohr und der ringförmige zylin­ drische Hohlraum innen von dem koaxialen Metallrohr begrenzt sind. Die Begrenzung des zylindrischen Hohlraums bzw. der Gas­ entladungsstrecke durch dielektrische Rohre ermöglicht eine konstruktiv freizügige Ausgestaltung der Gasentladungsanordnung im Bereich eines koaxialen Hohlwellenleiters.

Die Anordnung kann auch so ausgebildet werden, daß das Ge­ häuse einen rechteckigen Querschnitt aufweist, in dem ein die Gasentladungsstrecke bildender Hohlraum mit Abstand zu minde­ stens einer Breitseite des Gehäuses vorhanden ist. Das Gehäuse ist ein rechteckiger Hohlleiter, in dem unter Verwendung des Mikrowellensenders Hohlwellentypen ausgebildet werden können, deren stärkste elektrische Feldkomponenten senkrecht zur größ­ ten Querschnittsbreite und also senkrecht zum Außenumfang des die Gasentladungsstrecke bildenden Hohlraums angeordnet sind und damit eine Vorbedingung für eine homogene großvolumige Gas­ entladung erfüllen.

In weiterer Ausgestaltung des Gehäuses mit rechteckigem Querschnitt ist innerhalb des rechteckigen metallischen Gehäu­ ses mindestens ein dielektrisches Rohr an einer eine der Breitseiten des Gehäuses bildenden Wand angeordnet und damit wärmeleitend verbunden. Das Rohr bzw. mehrere Rohre sind in einem Bereich des Gehäuses angeordnet, wo die elektrischen Feldlinien der stärksten Feldkomponenten senkrecht zu der Ge­ häusewand verlaufen, dementsprechend gleichmäßig auch in der Gasentladungsstrecke, die infolgedessen gleichmäßig angeregt wird. Zugleich ergibt sich der Vorteil, die Prozeßwärme der Gasentladungsstrecke von einem gut wärmeleitenden dielektri­ schen Gasrohr problemlos in die Wand des metallischen Gehäuses ab­ leiten zu können, so daß die Gasentladungsstrecke entsprechend gut gekühlt wird.

Innerhalb des rechteckigen metallischen Gehäuses ist min­ destens ein dielektrisches Gasrohr an einer eine der Breitseiten des Gehäuses bildenden Wand angeordnet und damit wärmeleitend verbunden. Die Anordnung kann äußerst einfach aufgebaut sein, indem das Gasrohr lediglich auf die eine Längswand gelegt und dort befestigt wird. Die unmittelbare Nachbarschaft zwischen dem me­ tallischen Gehäuse und dem Gasrohr gewährleistet ohne weiteres, daß die Gasentladungsstrecke von den stärksten Feldkomponenten im Sinne einer gleichmäßigen elektrischen Anregung durch die Mikrowellenfelder durchsetzt wird.

Im Sinne eines einfachen Aufbaus, verbunden mit einer problemlosen Abführung der Wärme aus der Gasentladungsstrecke ist das rechteckige Gehäuse querschnittsmäßig bis auf einen den sich in Richtung der größten Querschnittsbreite erstreckenden Hohlraum bildenden Spalt von einem dielektrischen Abstandsstück ausgefüllt.

Es kann vorteilhaft sein, wenn innerhalb des metallischen Gehäuses mehrere jeweils Gasentladungsstrecken bildende kreis­ förmige zylindrische Hohlräume angeordnet sind. Alle Gasentla­ dungsstrecken sind unabhängig voneinander, können also mit un­ terschiedlichen Gasdrücken betrieben werden, wie auch mit un­ terschiedlichen Abmessungen, beispielsweise für Laserstrahlen mit unterschiedlichen Querschnitten und Intensitäten.

Die eingangs genannte Aufgabe kann auch mit einer Gasentladungsanordnung gelöst werden, mit einem die Gasentladungsstrecke umschließenden dielektrischen Rohr, das außen von einem Metallrohr umgebenist, dessen eines Ende mit einer Stirnwand des Gehäuses einen Bereich für hohe elektrische Feldstärke bildet.

Eine derartige Anordnung ist unter dem Namen Surfatron bekannt. Die Einspeisung von Mikrowellen führt zu einer Zündung einer Gasentladung in dem Bereich hoher elektrischer Feldstärke sowie zur Ausbildung einer Oberflächenwelle auf der Innenwand des Gasrohrs durch eine Plasma-Feld-Wechselwirkung. Die Oberflächenwelle breitet sich über die Innenwand des Gasrohrs in Richtung außerhalb des gehäuses aus und stabilisiert sich dort. Die Gasentladung hat jedoch nur eine geringe radiale Erstreckung. Dem wird im Sinne der eingangs genannten Aufgabenstellung dadurch abgeholfen, daß innerhalb des Rohrs ein die Gasentladungsstrecke innen begrenzendes weiteres dielektrisches Rohr vorhanden ist. Das innere Rohr führt zur Ausbildung einer zweiten Oberflächenwelle auf der Außenwand dieses zusätzlichen Rohrs, die in Wechselwirkung mit der ersten Oberflächenwelle zu einer Homogenisierung der Gasentladung über den Querschnitt der Gasentladungsstrecke führt.

Bei einer Gasentladungsanordnung mit einem die Gasentladungsstrecke umschließenden dielektrischen Rohr, das außen von einem Metallrohr umgeben ist, dessen eines Ende mit einer Stirnwand des Gehäuses einen Bereich für hohe elektrische Feldstärke bildet, wird eine Gasentladung im Sinne der obengenannten Aufgabenstellung auch am anderen Ende des Gehäuses dadurch erreicht, daß das Metallrohr an seinen beiden Enden mit je einer Stirnwand des Gehäuses einen Bereich für hohe elektrische Feldstärke bildet. Überraschenderweise hat sich jedoch darüber hinaus ergeben, daß eine Gasentladung auch zwischen den beiden Enden des Metallrohrs ausgebildet werden kann, also in einem Bereich, der bei der bekannten Anordnung entladungsfrei ist. Die Gesamtlänge der Gasentladungsstrecke kann dadurch ohne Erhöhung des baulichen Aufwands vergrößert werden.

Die Anordnung kann auch so ausgebildet sein, daß ein das dielektrische Rohr mit Abstand umgebendes dielektrisches Kühlrohr mit einem Kühlmittel gefüllt ist, das einen niedrigen Absorptionskoeffizienten für die Mikrowellen aufweist, wenn es im Mikrowellenfeld angeordnet ist. Das Kühlmittel gestattet es, die Verlustleistung der Gasentladung in Form von Wärme abzu­ transportieren, ohne übermäßige Anteile der Energie der Mikro­ wellen zu absorbieren und infolgedessen der elektrischen Anre­ gung des Gases zu entziehen.

Als einen niedrigen Absorptionskoeffizienten aufweisendes Kühlmittel kommt beispielsweise Silikonöl in Frage. Dieses ist unter Umständen nur schwer zu handhaben bzw. insbesondere bei Querschnitten mit geringer Spaltweite infolge großer Haftung an den Wänden mit hoher Pumpleistung durch das Kühlsystem zu pum­ pen. Die Anordnung wird daher in Ausgestaltung der Erfindung so ausgebildet, daß der zwischen der Gehäuseinnenwand und dem die Gasentladungsstrecke bildenden Hohlraum vorhandene Abstand mit einem festen Dielektrikum hoher Wärmeleitfähigkeit gefüllt ist. Dabei versteht es sich, daß der Abstand infolge der höheren Di­ elektrizitätskonstante entsprechend kürzer ist, gegebenenfalls kleiner als der freie Durchmesser des Hohlraums. Das feste Di­ elektrikum dient in erster Linie der Abführung der Verlustwärme aus der Gasentladungsstrecke. Es kann jedoch auch herangezogen werden, um den die Gasentladungsstrecke bildenden Hohlraum zu definieren, so daß also beispielsweise das äußere dielektrische Gasrohr entfallen kann.

Das Dielektrikum ist beispielsweise eine Aluminiumoxidke­ ramik, wie sie für Sanitärkeramik eingesetzt wird. Dieses feste Dielektrikum hat geringe Materialkosten.

Bedarfsweise ist das Gehäuse außen von einem Kühlwasser­ mantel umgeben und/oder das Metallrohr (16) ist mit Kühlwasser ge­ füllt. Mit dem Kühlwasser kann die anfallende Verlustwärme der Gasentladungsstrecke problemlos mit geringen Pumpleistungen ab­ geführt werden. Es braucht keine Rücksicht auf eine etwaige Ab­ sorption von Mikrowellenleistung genommen zu werden, da die be­ treffenden Räume feldfrei sind.

Die Anordnung ist ferner so ausgestaltet, daß zwischen dem den Hohlraum außen begrenzenden Rohr und dem metallischen Ge­ häuse dort Verbindungsstege aus Metall vorhanden sind, wo der verwendete Mode der Mikrowellen eine minimale tangentiale elek­ trische Feldstärken-Komponente hat. Mit Hilfe der Verbindungs­ stege kann in der Entladungsstrecke entstehende Prozeßwärme zum metallischen Gehäuse und von dort mittels Kühlung entfernt wer­ den. Die metallischen Verbindungsstege behindern die Längsaus­ breitung der Mikrowellenfelder in Längsrichtung des Gehäuses nicht, da sie in Bereichen minimaler tangentialer Feldkomponen­ ten angeordnet sind. Die Verbindungsstege sind besonders dann vorteilhaft, wenn die Grenzfrequenz des Gehäuses im Bereich der Anregungsfrequenz der Mikrowellen liegt, weil sie dann einen bestimmten Mode der Mikrowelle erzwingen.

Bei allen vorgenannten Anordnungen ist die Maximallänge auf Werte im Bereich von einigen zehn Zentimetern begrenzt. Das ergibt sich durch die erforderlichen Dimensionierungen der An­ ordnung, deren Verluste an elektrischer Anregungsenergie, durch den erforderlichen Druck in der Gasentladungsstrecke und die beschränkte Sendeleistung des Mikrowellensenders. Um trotzdem Plasmen größerer Länge anregen zu können, ist die Anordnung so ausgebildet, daß die dielektrischen Gasrohre und/oder Metallrohre und/oder Kühlrohre mehrerer Gasentladungsanordnungen im Sinne jeweils freien Durchgangs hintereinander angeordnet sind, und daß entsprechend viele, die dadurch gebildete Rohrstruktur um­ gebende rohrförmige Gehäuse vorhanden sind, in die jeweils Mi­ krowellen einkoppelbar sind. Die Gasentladungsstrecken mehrerer Gasentladungsanordnungen stehen also miteinander in Verbindung und können über die Stirnseiten der rohrförmigen Gehäuse hin­ ausragende Gasentladungen produzieren, die miteinander in Ver­ bindung stehen, bzw. ineinander übergehen, so daß die ge­ wünschte größere Entladungsstreckenlänge erreicht wird. Ferner kann eine derartige Gasentladungsanordnung so ausgebildet wer­ den, daß sie mit mehreren Mikrowellensendern arbeitet, die eine vergleichsweise geringe Leistung haben, aufgrund ihrer großen Verbreitung z.B. bei Mikrowellenherden jedoch preiswert sind.

Um möglichst lange Strukturen zu erhalten, hat das metal­ lische Gehäuse einen Durchmesser, bei dem seine Grenz- bzw. Re­ sonanzfrequenz im Bereich der Anregungsfrequenz der Mikrowellen liegt.

Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestell­ ten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einer koaxia­ len Ausführung einer Mikrowellenstruktur,

Fig. 1a den Querschnitt I-I der Fig. 1,

Fig. 1b einen der Fig. 1a ähnlichen Querschnitt,

Fig. 2 eine der Fig. 1 ähnliche metallische Mikrowellen­ struktur mit mehreren einander parallelen Gasentla­ dungsstrecken,

Fig. 3, 3a Mikrowellenstrukturen mit rechteckigen Quer­ schnitten,

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 5 eine Hintereinanderschaltung mehrerer Gasentla­ dungsstrecken.

Die in Fig. 1 dargestellte Gasentladungsanordnung besteht im wesentlichen aus einem rohrförmigen Gehäuse 13, in dem ko­ axial ein Metallrohr 16 angeordnet ist. Das Metallrohr 16 wird von einem dielektrischen Rohr 17 umgeben, so daß zwischen diesem Rohr 17 und dem Metallrohr 16 ein zylindrischer Hohlraum 11 vorhanden ist. Dieser Hohlraum 11 ist mit Gas, beispielswei­ se Argon, gefüllt und bildet die Gasentladungsstrecke 10.

Das äußere dielektrische Rohr 17 wird konzentrisch von einem dielektrischen Kühlrohr 15 mit Abstand 24 umgeben. Dieser Abstand 24 ist mit einem Kühlmittel 19 gefüllt, das einen nie­ drigen Absorptionskoeffizienten für die Mikrowellen aufweist. Auch das Metallrohr 16 ist entsprechend gefüllt bzw. gekühlt. Da es einen feldfreien Raum einschließt, kann Wasser zur Küh­ lung verwendet werden.

Die Pfeile an der rechten Seite der Anordnung deuten an, daß das Kühlmittel 19 und/oder das Gas umzuwälzen sind. Das Um­ wälzen bzw. Umpumpen der Kühlflüssigkeit 19 ist erforderlich, um die anfallende Prozeßwärme abzutransportieren. Ein Umwälzen des Lasergases ist für die Funktion der Gasentladung nicht er­ forderlich. Das gewünschte stabile homogene Plasma ergibt sich auch ohne ein solches Umwälzen.

Zwischen dem Gehäuse 13 und dem Hohlraum 11 ist ein Ab­ stand 12 vorhanden, in den durch eine Antenne 25 eines nicht dargestellten Mikrowellensenders die Mikrowellen eingespeist werden. Als Mikrowellensender wird beispielsweise ein 2,45 GHz- Magnetron verwendet.

Das Gehäuse 13 bildet mit dem Metallrohr 16 einen koaxia­ len Metallhohlleiter, in dem sich das elektrische Mikrowellen­ feld mit seinen stärksten Feldkomponenten radial zur Gehäusein­ nenwand 14 und vor allem senkrecht zum Außenumfang 11′ des die Gasentladungsstrecke 10 bildenden Hohlraums 11 und damit ent­ sprechend senkrecht in der Gasentladungsstrecke 10 selbst aus­ breitet. Diese Radialausbreitung bzw. Radialausbildung des elektrischen Mikrowellenfeldes bewirkt eine entsprechend gleichmäßige elektrische Anregung des Gases der Gasentladungs­ strecke, verbunden mit einer über deren Querschnitt homogenen Entladungsverteilung. Der Stabilisation der Entladung dient der Abstand 12 zwischen der Gasentladungsstrecke 10 und der Innen­ wand 14 des Gehäuses 13, der keine die Ausbreitung der Mikro­ wellen behindernden metallischen Einbauten aufweist und einen kapazitiven Vorwiderstand bildet, welcher sich stabilisierend auf die Entladung auswirkt.

Das Gehäuse 13 der Fig. 1 ist im Prinzip ein koaxialer Mi­ krowellenhohlleiter. Dessen Durchmesser kann so bemessen sein, daß seine Grenzfrequenz im Bereich der Anregungsfrequenz der Mikrowellen liegt. Darüber hinaus ist die Länge des Gehäuses 13 auf die gewünschte Feldverteilung abzustimmen, wie auch die Einkopplung der Mikrowellen über die Antenne 25. Letztlich kann aus dem Mikrowellenhohlleiter der Fig. 1 auch ein Mikrowellenre­ sonator geschaffen werden, indem die Länge des Gehäuses 13 ent­ sprechend gewählt wird. Außerdem ist es möglich, das Gehäuse 13 an seinen Stirnseiten mit Stirnwänden 13′ soweit wie möglich zu verschließen, im Falle der Anordnung der Fig. 1 bis auf das di­ elektrische Kühlrohr 15. Damit kann das Gehäuse 13 zum Tragen dieses Kühlrohrs 15 herangezogen werden.

Die querschnittsmäßige Dimensionierung der Gasentladungs­ strecke 10 der Fig. 1 und aller ähnlichen Konfigurationen hängt unter anderem von dem Gasdruck ab. Letzterer wird möglichst hoch gewählt, um eine möglichst große Laserleistung oder eine möglichst große Verstärkungsleistung zu erreichen. Von weiterem Einfluß ist die Leistung des Mikrowellensenders auf das anzure­ gende Volumen der Gasentladungsstrecke 10. Da preiswerte Mikro­ wellensender wegen ihrer großen Verbreitung in Mikrowellenher­ den eine Leistung von lediglich 1 KW aufweisen, ergibt sich bei deren Verwendung eine entsprechende Beschränkung der Länge bzw. des Außendurchmessers der Gasentladungsstrecke 10.

Fig. 1b betrifft eine der Fig. 1, 1a ähnliche Ausführungs­ form, bei der jedoch zwischen dem die Gasentladungsstrecke 10 einschließenden Rohr 17 und dem äußeren Metallgehäuse 13 Verbindungsstege 28 aus Metall vorhanden sind. Als Metall wird beispielsweise Kupfer verwendet, das sehr gut Wärme leitet. Mit diesen Stegen ist es möglich, Prozeßwärme der Gasstrecke 10 ab­ zuleiten. Hierzu ist das Rohr 17 vergleichsweise starkwandig ausgebildet, um die zwischen zwei Verbindungsstegen 28 anfal­ lende Prozeßwärme diesen Stegen zuleiten zu können. Ein etwas dickeres Rohr 17 hat außerdem den Vorteil, die Verbindungs­ stege 28, wie dargestellt, im Sinne eines geringen Wärmeüber­ gangswiderstandes mit dem Rohr 17 zusammenbauen zu können, z.B. durch Verkleben. Mit Hilfe der Verbindungsstege 28 ist es möglich, das Kühlrohr 15 gemäß Fig. 1 entfallen zu lassen und die in das Gehäuse 13 abgeleitete Prozeßwärme mit einem dieses Gehäuse umgebenden Kühlwassermantel 21 abzuleiten.

Bezüglich der Anordnung der Verbindungsstege 28 innerhalb des Gehäuses 13 ist noch hervorzuheben, daß die Verbindungsste­ ge 28 dort angeordnet sind, wo der verwendete Mode der Mikro­ wellen keine tangentiale Komponente hat. Die längsangeordneten Verbindungsstege 28 behindern also die Ausbreitung der Mikro­ wellen nicht. Sie sind außerdem in dem Fall vorteilhaft, daß die Grenzfrequenz des Gehäuses 13 im Bereich der Anregungsfre­ quenz der Mikrowellen liegt, da sie dann den gewünschten Mode erzwingen bzw. das zufällige Einschwingen des Mikrowellenfeldes in einem unerwünschten Mode verhindern. Im Fall der Fig. 1b ist der Mikrowellenmode ein H₂₁-Mode.

Fig. 2 zeigt eine Gasentladungsanordnung lediglich im Quer­ schnitt, deren Längserstreckung ähnlich Fig. 1 sein kann. Im In­ neren des Gehäuses 13 ist koaxial ein Metallrohr 16 angeordnet, welches die gewünschte Ausbildung des elektrischen Mikrowellen­ feldes zu erzielen vermag, nämlich mit den stärksten Feldkompo­ nenten radial, insbesondere zum Metallrohr 16 selbst. Zwischen dem Gehäuse 13 und dem Metallrohr 16 sind in der Nähe des letz­ teren zwei Gasentladungsstrecken 10 angeordnet, die einander und dem Metallrohr 16 parallel verlaufen. Es wäre auch möglich, drei, vier oder mehrere solcher Gasentladungsstrecken 10 anzu­ ordnen. Jede Gasentladungsstrecke 10 wird außen durch ein di­ elektrisches Rohr 17 begrenzt, daß seinerseits mit Abstand 24 von einem dielektrischen Kühlrohr 15 umgeben ist, wobei der Zwischenraum zwischen beiden Rohren 15, 17 von einem umwälzba­ ren Kühlmittel 19 ausgefüllt ist. Die Gasentladungsstrecken 10 haben einen die Gasentladung stabilisierenden Abstand 12 zur Gehäuseinnenwand 14.

Die Querschnittsgestaltung nach Fig. 2 kann auch den Be­ dürfnissen entsprechend abgewandelt werden, beispielsweise kön­ nen mehrere Gasentladungsstrecken 10 bzw. deren dielektrische Rohre 17 in einem einzigen, alle Rohre 17 umschließenden Kühlrohr untergebracht sein. Die Gasentladungsstrecken 10 könn­ ten auch der Innenwand des Gehäuses 13 benachbart angeordnet werden, wo aufgrund der radialen Feldausbildung ebenfalls eine gleichmäßige Anregung des Gases in der Gasentladungsstrecke 10 erreicht wird.

Fig. 3 zeigt dem Vorbeschriebenen gegenüber eine weitere Ausgestaltung der Erfindung in zweierlei Hinsicht. Zum einen ist das Gehäuse 13 als rechteckiges metallisches Rohr ausgebil­ det, also als Mikrowellenhohlleiter, in dem sich gewisse Wel­ lentypen mit ihren stärksten Feldkomponenten senkrecht zu den breiten Gehäuseinnenwänden 14, vor allem aber senkrecht zur Außenumfangsfläche 11′ des Hohlraums 11 in senkrechter Richtung zur Darstellungsebene weiterleiten lassen. Der Hohlraum 11 bzw. die Gasentladungsstrecke 10 erstrecken sich über den größten Teil der Querschnittsbreite B dieses rechteckigen Querschnitts des Gehäuses 13 und ist in der Nähe einer Breitseite 13′′ des Gehäuses 13 angeordnet. Der Abstand 12 zwischen dem Hohlraum 11 und der anderen Innenwand des Gehäuses ist vollständig durch ein dielektrisches Abstandsstück 22 ausgefüllt, welches also den Spalt bzw. den Hohlraum 11 begrenzt, so daß besondere be­ grenzende dielektrische Platten bzw. -rohre nicht erforder­ lich sind. Die Wärmeabfuhr aus der Gasentladungsstrecke 10 er­ folgt problemlos über das metallische Gehäuse 13.

Als Mikrowellen sind insbesondere Wellen des Typs H₁₀ ge­ eignet. Mit ihnen ergibt sich eine Feldstärkeverteilung, die zwischen den Schmalseiten 13′′′ des Gehäuses 13 entsprechend einer Kreisfunktion mit mittigem Maximum ausgebildet ist. Da die Feldstärke also nahe den Schmalseiten 13′′′ des Gehäuses null bzw. minimal ist, kann das dielektrische Abstandsstück 22 in diesem Bereich Vorsprünge bzw. Leisten 22′ aufweisen, die eine Abstützung des U-förmigen Abstandsstücks 22 gewährleisten, einen Kontakt des Gases der Entladungsstrecke 10 mit dem Metall des Gehäuses 13 außer mit einem Teilabschnitt der einen Innen­ wand 14 verhindern und zugleich der Wärmeableitung aus der Gas­ entladungsstrecke 10 dienen.

In eine solche Gasentladungsanordnung wird die Mikrowel­ lenenergie mit einer nicht dargestellten Antenne eingestrahlt, die eine an den Querschnitt der Anordnung angepaßte Ausbildung hat, beispielsweise gemäß Fig. 1.

Die sich in der Gasentladungsstrecke 10 entwickelnde Ver­ lustwärme wird von dem Abstandsstück 22 abtransportiert, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat und zugleich als festes Di­ elektrikum 20 ausgebildet ist. Hierfür wird beispielsweise eine Aluminiumoxidkeramik verwendet, die handelsüblich ist.

Die direkt aus der Gasentladungsstrecke 10 oder über das feste Dielektrikum 20 zum Gehäuse 13 nach außen transportierte Wärme wird von einem Kühlwassermantel 21 aufgenommen und mit einem nicht dargestellten üblichen Kühlwasserkreislauf abgege­ ben. Auf diese Weise kann Kühlwasser ohne Beeinträchtigung der elektrischen Eigenschaften der Gasentladungsanordnung verwendet werden. Die Verwendung eines festen Dielektrikums 20 ist auch in anderen Querschnittsausbildungen möglich, beispielsweise bei Ausführungsformen gemäß Fig. 1, in der der gesamte Abstand 12 von einem entsprechend bemessenen Rohr ausgefüllt werden müßte.

Fig. 3a zeigt ebenfalls ein als rechteckiges metallisches Rohr ausgebildetes Gehäuse 13, in dem sich die Mikrowellen wie zu Fig. 3 beschrieben ausbreiten. Die Besonderheit besteht da­ rin, daß im Gehäuse 13 mehrere dielektrische Rohre 17 nahe einer Innenwand 14 einer Breitseite 13′′ des Gehäuses 13 ange­ ordnet sind, und zwar mit Abstand zu den Schmalseiten 13′′′ dieses Gehäuses 13, also im Bereich des Maximums der Feldstärke mit senkrecht zur Breitseite 13′′ angeordneten Feldlinien. Je­ des Rohr 17 umschließt einen kreisförmigen Hohlraum 11, der die Gasentladungsstrecke 10 bildet. Jedes Rohr 17 ist mit der Innenwand 14 wärmeleitend verbunden, nämlich beispielsweise über einen Kleber 28, so daß durch die Gasentladung entstehende Prozeßwärme der Gasentladungsstrecke 10 über das vergleichswei­ se gut wärmeleitende Rohr 17 und den ebenfalls gut wärmelei­ tenden Kleber 28 leicht an das metallische Gehäuse 13 zur wei­ teren Wärmeabfuhr in den Kühlwassermantel 21 abgeleitet werden kann.

In Fig. 3a ist gestrichelt eine Feldlinie der stärksten Feldkomponenten der Mikrowellen mit 29 schematisch gestrichelt dargestellt. Es ist deutlich ersichtlich, daß die Feldlinie 29 innerhalb des Abstandes 12 des Hohlraums 11 der oberen Innen­ wand 14 wesentlich länger ist, als innerhalb des Hohlraums 11. Dementsprechend ist auch der Abstand 12 in Richtung der stärk­ sten Feldkomponente größer, als der größte freie Durchmesser D des Hohlraums 11. Das gilt grundsätzlich auch für alle anderen Ausführungsformen, vgl. z. B. Fig. 1a.

In Fig. 4 ist eine Gasentladungsanordnung dargestellt, die ebenfalls mit einem rohrförmigen metallischen Gehäuse 13 und einem darin koaxial angeordneten Metallrohr 16 arbeitet. Das Metallrohr 16 ist jedoch außerhalb des Hohlraums 11 und beid­ seitig mit Abstand 26 zu Stirnwänden 13′ des Gehäuses 13 ange­ ordnet. Es kann infolgedessen nicht zur Umschließung des Gases der Gasentladungsstrecke 10 dienen. Dies wird vielmehr von ei­ nem dielektrischem Rohr 17 besorgt, daß sich über die ge­ samte erforderliche Länge der Gasentladungsanordnung und darü­ ber hinaus erstreckt.

Im Inneren des Rohrs 17 ist ein die Gasentladungs­ strecke 10 innenbegrenztes Rohr 18 vorhanden, welches sei­ nerseits mit Kühlflüssigkeit 19 gefüllt ist. Auch bei dieser Ausführungsform könnte der Abstand 12 zwischen der Gehäusein­ nenwand 14 und dem Hohlraum 11 bzw. dem Metallrohr 16 bzw. dem Rohr 17 mit einem festen Dielektrikum gefüllt sein.

Der Abstand 26 der beiden Enden 16 des Metallrohrs 16 von den Stirnwänden 13′ ist so ausgebildet, daß sich im Rohr 17 je ein Bereich 23 für hohe elektrische Feldstärke ergibt, in dem bei Einspeisung von Mikrowellenenergie durch die Antenne 25 eine Plasmaentladung zündet. Infolgedessen bilden sich auf der Innenwand des dielektrischen Rohrs 17 nach außen gerichtete Oberflächenwellen aus, die sich durch den Wandkontakt stabilisieren. Die Schaffung eines ringförmigen zylindrischen Hohlraums 11 innerhalb des Metallrohrs 16 hat die Wirkung, daß sich nicht nur an der Innenwand des Rohrs 17, sondern auch an der Außenwand des Rohrs 18 nahe den Bereichen 23 je eine Oberflächenwelle entwickelt, die aus dem Gehäuse 13 herausgerichtet ist. Wird der Außendurchmesser des Rohrs 18 in geeigneter Weise dimensioniert, wobei die Dimensionierung beispielsweise von dem innerhalb des Metallrohrs 16 gegebenen Feldstärkeverlauf abhängt, so wird die durch die Oberflächen­ welle ausgebildete Gasentladung nicht auf die nahen Wandberei­ che der Rohre 17,18 konzentriert, sondern es ergibt sich eine homogene Entladung über den gesamten Querschnitt des Hohlraums 11. Darüber hinaus hat eine derartige Anordnung mit zwei Bereichen 23 die Wirkung, daß sich die homogene Gasentladung auch im Hohlraum 11 zwischen den Bereichen 23 erstreckt.

Die Maximallänge der Gasentladungsanordnungen ist durch die verschiedensten Parameter auf einige zehn Zentimeter be­ grenzt. Es ist jedoch erwünscht, Plasmen größerer Länge anzure­ gen. Das wird durch eine Anordnung gemäß Fig. 5 erreicht. Es sind mehrere Gasentladungsanordnungen strömungsmäßig hinterein­ ander angeordnet, indem die dielektrischen Rohre 17 und die Metallrohre 16 zusammengeschaltet bzw. einstückig sind. Fig. 5 zeigt ein einziges durchgehendes Metallrohr 16, das innen von einem Kühlmittel 19 durchströmt ist und außen von einem dielek­ trischen Rohr 17 umgeben ist, welches mit dem Metallrohr 16 die Gasentladungsstrecke 10 bildet. Es sind mehrere Gehäuse 13 vorhanden, die von der Gasentladungsstrecke 10 den erforderli­ chen radialen Abstand 12 aufweisen und die über jeweils eine Antenne 25 eingestrahlte Mikrowellenenergie aufnehmen. Bei der Anordnung der Fig. 5 werden die Mikrowellen in einem metalli­ schen Hohlleiter 27 in Pfeilrichtung zugeführt, wobei aus dem Hohlleiter jeweils durch die Antennen 25 Mikrowellenleistung entnommen und in die Gehäuse 13 eingespeist wird. Es ist aber auch möglich, in jedes einzelne Gehäuse 13 jeweils mit einem separaten Mikrowellensender einzuspeisen.

Die Ausbildung der Gasentladungsanordnung gemäß Fig. 5 ist nur beispielsweise. Sämtliche für die vorbeschriebenen Anord­ nungen gegebenen Ausgestaltungsmöglichkeiten sind auch bei Hin­ tereinanderschaltungen gemäß Fig. 5 möglich. Sie sind insbeson­ dere vorteilhaft bei Anordnungen gemäß Fig. 4, weil sich dort die Gasentladung in beiden Richtungen besonders weit über die Stirnwände 13′ des Gehäuses 13 erstreckt.

Claims (18)

1. Gasentladungsanordnung, mit einer insbesondere für einen Laserprozeß geeignetes Gas enthaltenden Gasentladungsstrecke in einem zylindrischen Hohlraum, mit einem den zylindrischen Hohlraum mit Abstand umgebenden rohrförmigen, metallischen Gehäuse, und mit einem Mikrowellensender, dessen Mikrowellen zur elektrischen Anregung des Gases in das metallische Gehäuse einkoppelbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Innenwand (14) des Gehäuses (13) und dem die Gasentla­ dungsstrecke (10) bildenden Hohlraum (11) ein die Gasent­ ladung stabilisierender Abstand (12) vorhanden und bei Luft in Richtung der stärksten Feldkomponenten der Mikrowellen größer ist, als der größte freie Durchmesser (D) des von den Mikrowellen durchsetzten Hohlraums (11).

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der die Gasentladungsstrecke (10) bildende Hohlraum (11) unter Wahrung des Abstands (12) zu der Gehäuseinnenwand (14) in unmittelbarer Nachbarschaft zu einem anderen Wandabschnitt (29) der Innenwand (14) des Ge­ häuses (13) oder zu einem feldformenden Gehäuseeinbauteil angeordnet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in dem metallischen rohrförmigen Ge­ häuse (13) ein damit koaxiales Metallrohr (16) angeordnet ist.

4. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der die Gasentladungsstrecke (10) bildende zylindrische Hohlraum (11) kreisförmig oder ringförmig ausgebildet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der kreisförmige und der ringförmige zylindrische Hohlraum (11) außen von einem dielektrischen Rohr (17) und der ringförmige zylindrische Hohlraum (11) innen von dem koaxialen Metallrohr (16) begrenzt sind.

6. Anordnung nach Anspruch 1, 2, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (13) einen rechteckigen Querschnitt aufweist, in dem ein die Gasent­ ladungsstrecke (10) bildender Hohlraum (11) mit Abstand (12) zu mindestens einer Breitseite (13′′) des Gehäuses (13) vorhanden ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß innerhalb des rechteckigen metalli­ schen Gehäuses (13) mindestens ein dielektrisches Rohr (17) an einer eine der Breitseiten (13′′) des Gehäuses (13) bildenden Wand (14) angeordnet und damit wärmeleitend verbunden ist.

8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das rechteckige Gehäuse (13) quer­ schnittsmäßig bis auf einen den sich in Richtung der größ­ ten Querschnittsbreite (B) erstreckenden Hohlraum (11) bildenden Spalt von einem dielektrischen Abstandsstück (22) ausgefüllt ist.

9. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des metallischen Gehäuses (13) mehrere jeweils Gasentla­ dungsstrecken (10) bildende kreisförmige zylindrische Hohlräume (11) angeordnet sind.

10. Anordnung nach Anspruch 1 mit einem die Gasentladungsstrecke umschließenden dielektrischen Rohr, das außen von einem Metallrohr umgeben ist, dessen eines Ende mit einer Stirn­ wand des Gehäuses einen Bereich für hohe elektrische Feld­ stärke bildet, dadurch gekennzeich­ net, daß innerhalb des Rohrs (17) ein die Gasentla­ dungsstrecke (10) innen begrenzendes weiteres dielektrisches Rohr (18) vorhanden ist.

11. Anordnung nach Anspruch 1 mit einem die Gasentladungsstrecke umschließenden dielektrischen Rohr, das außen von einem Metallrohr umgeben ist, dessen eines Ende mit einer Stirn­ wand des Gehäuses einen Bereich für hohe elektrische Feld­ stärke bildet, dadurch gekennzeich­ net, daß das Metallrohr (16) an seinen beiden Enden (16′) mit je einer Stirnwand (13′) des Gehäuses (13) einen Bereich (23) für hohe elektrische Feldstärke bildet.

12. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, 10 und 11, dadurch gekennzeich­ net, daß ein das dielektrische Gasrohr (17) mit Abstand (24) umgebendes dielektrisches Kühlrohr (15) mit einem Kühlmittel (19) gefüllt ist, das einen niedrigen Absorp­ tionskoeffizienten für die Mikrowellen aufweist, wenn es im Mikrowellenfeld angeordnet ist.

13. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeich­ net, daß der zwischen der Gehäuseinnenwand (14) und dem die Gasentladungsstrecke (10) bildenden Hohlraum (11) vor­ handene Abstand (12) mit einem festen Dielektrikum (20) hoher Wärmeleitfähigkeit gefüllt ist.

14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Dielektrikum (20) eine Aluminium­ oxidkeramik ist.

15. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (13) außen von einem Kühlwassermantel (21) um­ geben ist und/oder daß das Metallrohr (16) mit Kühlwasser gefüllt ist.

16. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem den Hohlraum (11) außen begrenzenden Rohr (17) und dem metallischen Gehäuse (13) dort Verbindungsstege (28) aus Metall vorhanden sind, wo der verwendete Mode der Mi­ krowellen eine minimale tangentiale elektrische Feldstär­ ken-Komponente hat.

17. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die di­ elektrischen Rohre (17,18) und/oder Metallrohre (16) und/oder Kühlrohre (15) mehrerer Gasentladungsanordnungen im Sinne jeweils freien Durchgangs hintereinander angeord­ net sind, und daß entsprechend viele, die dadurch gebil­ dete Rohrstruktur umgebende rohrförmige Gehäuse (13) vor­ handen sind, in die jeweils Mikrowellen einkoppelbar sind.

18. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das me­ tallische Gehäuse (13) einen Durchmesser hat, bei dem sei­ ne Grenz- bzw. Resonanzfrequenz im Bereich der Anregungs­ frequenz der Mikrowellen liegt.