DE4108472C2 - Vorrichtung zum Vorionisieren von Gas in einem gepulsten Gaslaser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Vorionisieren von Gas in einem gepulsten Gaslaser mittels Röntgenstrahlung.

Gepulste Gaslaser sind in unterschiedlichsten Ausgestaltungen bekannt, insbesondere als CO₂-Laser, Excimer-Laser oder N₂-La­ ser etc. Weit verbreitet ist bei gepulsten Gaslasern eine soge­ nannte transversale Anregung des Lasergases in Form einer Gas­ entladung (auch Haupt- oder Plasmaentladung genannt).

Ebenfalls bekannt ist es, das Lasergas vor der Hauptentladung einer sogenannten Vorionisierung zu unterziehen, bei der vor der eigentlichen Hauptentladung eine möglichst homogene Vertei­ lung von freien Elektronen (ca. 10⁷ Elektronen/cm³) im Entla­ dungsraum erzeugt wird. Eine solche Vorionisierung des Gases dient insbesondere dazu, zu vermeiden, daß die Hauptentladung als Bogenentladung erfolgt. Nach der Vorionisierung setzt dann zwischen den Hauptelektroden des Lasers die genannte Hauptent­ ladung ein, bei der sich die Elektronenkonzentration in der so­ genannten Avalanche-Phase um mehrere Größenordnungen verviel­ facht, z. B. auch 10¹⁴ bis 10¹⁵ Elektronen/cm³.

Für die Vorionisierung werden im Stand der Technik in der Regel externe, d. h. von der eigentlichen Hauptentladung gesonderte, Energiequellen verwendet, z. B. UV-Licht. Solche UV-Strahlung kann z. B. von Funkenstrecken oder auch von Koronaentladungen emittiert werden.

Funkenstrecken sind zwar höchst wirksam, weisen jedoch den Nachteil auf, daß sie eine Verunreinigungsquelle für das Laser­ gas und auch für die optischen Komponenten des Laser-Resonators bilden. Der Wirkungsgrad einer Vorionisierung mittels uv-Strah­ lung ist insbesondere dadurch eingeschränkt, daß die Reichweite der ionisierenden UV-Strahlung auf wenige Zentimeter beschränkt ist (vgl. MIDORIKAWA, K., OBARA, M., FUJIOKAM, T.: X-Ray Pre­ ionization of Rare-Gas-Halide Lasers, in US-Z.: IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, Vol. Qe-20, No. 3, March 1984, S. 198-205).

Die vorliegende Erfindung geht aus von der Erkenntnis, daß eine Vorionisierung mit weicher Röntgenstrahlung besonders vorteil­ haft ist und die oben genannten Nachteile überwindet. Obwohl schon seit längerem bekannt (SUMIDA, S., OBARA, M., FUJIOKA, T. in: APPL. PHYS. LETT. Vol. 33, 1978, S. 913), hat die weiche Röntgenstrahlung bis heute keine nennenswerte Anwendung bei Gasentladungslasern gefunden. Dies könnte daran liegen, daß angenommen worden ist, weiche Röntgenstrahlung erfordere einen beträchtlichen Zusatzaufwand, insbesondere hinsichtlich der Röntgenquelle des Hochspannungs-Impulsgenerators mit 80 bis 100 KV Spitzenspannung, der Zeit-Synchronisationselektronik sowie der Abschirmung. Es besteht deshalb seit längerem ein Bedarf an einer zuverlässigen, kostengünstig herstellbaren und einfach zu betreibenden Röntgenröhre, welche die erforderliche Dosislei­ stung für die Vorionisierung in einem gepulsten Gaslaser erbringen kann und welche auch eine lange Lebensdauer aufweist.

Für die Vorionisierung von Excimer-Gasgemischen ist darüber hinaus auch zu beachten, daß in diesen Gasgemischen auch elektronegative Gase, wie HCl oder F₂, vorhanden sind, welche die Lebensdauer der freien Elektronen stark reduzieren, z. B. auf wenige Nanosekunden (die freien Elektronen werden von den elektronegativen Gasen "eingefangen"). Deshalb muß hier die Vorionisierung ebenfalls in einem sehr kurzen Zeitpuls von we­ nigen Nanosekunden erfolgen. Um in dieser kurzen Zeitspanne die für eine gute Vorionisierung benötigte Elektronenkonzentration von z. B. 10 cm^-3 zu erreichen, muß die Röntgenstrahlungsquelle eine sehr hohe Spitzenintensität in dieser kurzen Zeitspanne besitzen. Umgerechnet auf den Anodenstrom einer Röntgenröhre bedingt dieses Erfordernis Anodenströme von 500 bis 1000 A. Herkömmliche Röntgenröhren besitzen hingegen Emissionsströme von maximal einigen Ampere.

In der EP 0 336 282 A1 wird eine Plasmakathode beschrieben, die jedoch zu ihrem Betrieb einen exakt einzuhaltenden Gasdruck und zusätzliche Spannungsimpulse für diverse Steuergitter und Steuerelektroden benötigt.

Die JP 63-217 678 (A) beschreibt eine Röntgenstrahlenquelle zum Vorionisieren in einem gepulsten Gaslaser, bei der ein Heiz­ draht in bezug auf eine Anode auf Hochspannung gelegt wird, so daß aus dem Draht emittierte Elektronen zur Anode beschleunigt werden. Die Anode ist winkelförmig und hinter einer Hauptent­ ladungselektrode des Lasers angeordnet. Erzeugte Röntgenstrah­ lung tritt von hinten durch eine der Hauptelektroden des Lasers hindurch. Die Anordnung aus geheizter Kathode und Anode ist in einem Gehäuse untergebracht, das fest mit einer der Hauptelek­ troden des Lasers verbunden ist.

In der JP 63-217 677 (A) ist eine Röntgenstrahlquelle zum Vor­ ionisieren in einem gepulsten Gaslaser beschrieben, bei der eine heiße Kathode und eine kalte Kathode hinter einer der Hauptelektroden des Lasers angeordnet sind. Diese Hauptelektro­ de bildet zugleich auch die Anode für die Röntgenerzeugung, wo­ bei von den Kathoden emittierte Elektronen in bezug auf die Hauptelektrode beschleunigt werden, um Röntgenstrahlung zu erzeugen, welche zwischen die beiden Hauptelektroden des Lasers gelangt.

In CRONIN, J.L.: Modern Dispenser Cathodes, in GB-Z.: IEE PROC., Vol. 128, Pt. 1, Mo.l, February 1981, S. 19-32 sind allgemeine Grundsätze für Kathodenmaterialien bei Dispenser­ kathoden beschrieben.

In der JP 1-128 482 (A) wird eine Heizwendel als Glühkathode beschrieben, d. h. die Heizwendel emittiert direkt Elektronen, die gegen einen Körper beschleunigt werden und beim Auftreffen auf den Körper Röntgenstrahlung erzeugen. Die Bauteile zum Er­ zeugen der Röntgenstrahlung sind in eine der Hauptelektroden des Lasers integriert.

Die US-Patentschrift 4 592 065 beschreibt ebenfalls eine Vor­ richtung zum Erzeugen von Röntgenstrahlen für einen gepulsten Gaslaser, bei der die Röntgenstrahlerzeugungseinrichtung in eine der Hauptelektroden des Lasers integriert ist. Von einer Elektrode emittierte Elektronen werden direkt auf die Haupt­ elektrode des Lasers beschleunigt, um Röntgenstrahlung für die Vorionisierung zu erzeugen.

Im Aufsatz SCOTT, S.J.: Experimental investigations on an x-ray preoinizer test bed, in US-Z: J. APPL. PHYS., Vol. 64, No. 2, 15 July 1988, S. 537-543 ist eine Vorrichtung zum Vorionisieren von Gas in einem Gaslaser mittels Röntgenstrahlung beschrieben, die eine langgestreckte Kathode und eine Anode aufweist, wobei die Kathode als wendelförmig aufgewickelter Draht in einer röhrenförmigen geerdeten Abschirmung zur Elektronenfokussierung angeordnet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Vorionisieren von Lasergas in einem gepulsten Gaslaser mittels Röntgenstrahlung, insbesonderer weicher Röntgenstrahlung, zu schaffen, die kostengünstig herstellbar ist, zuverlässig funk­ tioniert, eine lange Lebensdauer aufweist, einfach zu betreiben ist und welche die für eine gute und homogene Vorionisierung in einem relativ großen Entladungsquerschnitt erforderliche Dosis­ leistung erbringt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Vorrich­ tung zum Vorionisieren von Gas in einem gepulsten Gaslaser mittels Röntgenstrahlung, mit einer langgestreckten Kathode, die durch Heizstrahlung oder Elektronenbeschuß auf eine Tempe­ ratur geheizt wird, bei der sie Elektronen emittiert, und mit zumindest einer langgestreckten, parallel zur Kathode angeord­ neten Anode, wobei die Kathode und die Anode in einem evakuier­ ten Gehäuse untergebracht sind, das zumindest in einem Ab­ schnitt für die Röntgenstrahlung durchlässig ist, und die Kathode rohrförmig mit einem inneren Hohlraum ausgebildet ist, in dem eine Heizwendel oder ein Heizdraht angeordnet sind.

Bevorzugt ist die Kathode rohrförmig und besteht im wesentli­ chen aus Wolfram. Besonders bevorzugt wird poröses, imprägnier­ tes Wolfram, das als solches bekannt ist (IEE Proc. Vol. 128, Pt. I, Nr. 1, 5.19), welches sich durch relativ niedrige Ar­ beitstemperaturen von 1000 bis 1100°C auszeichnet und hohe Emissionsströme erreicht (sogenannte Dispenserkathoden).

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Kathode mittels einer Heizwendel geheizt wird, die in einem Hohlraum in der Kathode angeordnet ist.

Alternativ kann die Kathode auch durch als solches bekanntes Elektronenbombardement aufgeheizt werden.

Bevorzugt werden die langgestreckt, parallel zueinander ausge­ richteten Kathoden und Anoden axial beidseitig abgestützt, um möglichst lange Isolationsstrecken in der Röhre zu erhalten und damit Überschläge zu vermeiden. Die erfindungsgemäße Röntgen­ röhre kann aufgrund ihrer kompakten Bauweise in unmittelbarer Nähe der Hauptelektroden positioniert werden, so daß die Strahlung mit hohem Wirkungsgrad in das einer Vorionisierung zu unterziehende Medium eingekoppelt werden kann.

Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Anode innen hohl ist und daß ihr Hohlraum über einen Durchlaß mit einem Flüssigkeitsreservoir außerhalb des Gehäuses kommuniziert.

Mit dem erfindungsgemäßen Aufbau der Vorrichtung zum Vorioni­ sieren wird die Röntgenstrahlung nicht durch die Hauptelektro­ den des Lasers in den Raum, in dem das Gas vorionisiert werden soll, eingestrahlt (wie großteils beim vorstehend diskutierten Stand der Technik), sondern die erfindungsgemäße Vorrichtung ist aufgrund ihres Aufbaus nicht in die Entladungselektroden des Lasers integriert oder mit diesem verbunden, sondern entfernt von diesen positionierbar. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann sogar außerhalb der Laserkammer angeordnet werden, was die Verwendung beliebiger Elektrodenwerkstoffe ermöglicht. Dies wiederum wirkt sich positiv auf die Elektro­ denlebensdauer des Lasers aus.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine Röntgenröhre;

Fig. 2 einen Axialschnitt durch ein gegenüber Fig. 1 abge­ wandeltes Ausführungsbeispiel einer Röntgenröhre;

Fig. 3 einen Radialschnitt durch eine Röntgenröhre gemäß Fig. 1; und

Fig. 4 einen Radialschnitt durch ein abgewandeltes Ausfüh­ rungsbeispiel einer Röntgenröhre.

Die erfindungsgemäße, nachfolgend näher beschriebene Röntgen­ quelle ist eine Vakuumröhre im ursprünglichen Sinn dieses Wortes. Um sie zu betreiben, sind also keine Vakuumpumpen er­ forderlich und auch keine Gasdosiereinrichtungen. Auch sind keine zusätzlichen Spannungsimpulse für Steuergitter und Steuerelektroden erforderlich. An Betriebsspannungen werden lediglich eine Heizspannung zum Aufheizen der Kathode und eine pulsförmige Beschleunigungsspannung an der Anode benötigt.

Gemäß Fig. 1 und dem entsprechenden Radialschnitt gemäß Fig. 3 weist die Röntgenröhre 10 eine Grundplatte 12 auf, die auch als Montageflansch dient und ein Gehäuse 14 trägt. Beim dargestell­ ten Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse 14 ein Glasrohr, wel­ ches für die erzeugte weiche Röntgenstrahlung durchlässig ist.

Auf der Grundplatte 12 ist ein Anodenhalter 16 befestigt, der die langgestreckte, rohr- oder stabförmige Anode 18 abstützt. Auf der der Grundplatte 12 gegenüberliegenden Seite des lang­ gestreckten, rohrförmigen Gehäuses 14 aus elektrisch isolieren­ dem Material ist eine Gegenplatte 20 befestigt, so daß das Innere des Gehäuses 14 vakuumdicht abgeschlossen ist.

Bei der Herstellung der Röntgenröhre 10 wird diese, ggf. bei entsprechendem Ausheizen im Betriebszustand, evakuiert und an einem Glasstutzen 22 abgeschmolzen. Danach ist die Röntgenröhre ohne weitere Evakuierungsmaßnahmen betriebsfertig.

Die Grundplatte 12 trägt eine elektrische Durchführung 24, über welche der Heizstrom in das Innere der Röntgenröhre übertragbar ist.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Kathode 26 vor­ gesehen, die rohrförmig ausgebildet ist. Die Länge der Kathode und entsprechend die Länge der Anode sind so gewählt, daß diese Abmessungen dem Lasergas-Entladungsvolumen angepaßt sind.

Die rohrförmige Kathode 26 besteht zur Erzielung hoher Emis­ sionsströme aus porösem Wolfram (sog. Dispenserkathode). Dieses Material zeichnet sich durch eine sehr niedrige Arbeitstempe­ ratur von 1000 bis 1100°C aus und ist als solches bekannt (s. o.).

Eine besonders einfache, betriebssichere und eine lange Lebens­ dauer aufweisende Ausführungsform ergibt sich dann, wenn die Rohrkathode mit Hilfe einer Heizwendel 30 (elektrische Wider­ standsheizung) auf die erforderlichen Temperaturen erhitzt wird. Die Kathode 26 ist innen hohl und ein Keramikröhrchen 28 trennt die Kathode 26 von der Heizwendel 30.

Entsprechend der Anode 18 ist auch die Kathode 26 beidseitig axial abgestützt, und zwar durch isolierende Kathodenhalter 32, 34.

Auf die aus Keramik geformten Kathodenhalter 32, 34 sind Metallhülsen 36, 38 aufgeschrumpft, so daß die Kathode 26 elek­ trisch und thermisch isoliert abgestützt ist.

Über einen elektrischen Leiter 40 liegt die Kathode 26 auf Massepotential (ebenso wie die Grundplatte 12). Es ist also eine elektrische Isolation zur Anode 18 hin erforderlich. An die Anode 18 wird eine gepulste Hochspannung (nicht im ein­ zelnen dargestellt) angelegt.

Es hat sich gezeigt, daß zur Erzielung bester Vorionisierungs­ ergebnisse und einer langen Lebensdauer der Kathode besondere Abmessungen vorteilhaft sind. Günstige Werte ergaben sich bei einem Kathodeninnendurchmesser von 6 mm, einem Kathodenaußen­ durchmesser von 8 mm, einem Außendurchmesser der Heizwendel von 4,5 mm und einer Steigung der Heizwendel von 1,5 mm pro Windung sowie einem Drahtdurchmesser der Heizwendel von 0,7 mm. Abwei­ chungen von diesen Werten von bis zu 30% liefern ebenfalls noch gute Ergebnisse.

Die Rückführung des Heizstromes kann über die Kathode selbst erfolgen, vgl. den Leiter 48 gemäß Fig. 1.

Wichtig ist eine gleichmäßige Wendelsteigung der Heizwendel 30, um eine für den Betrieb der Röntgenröhre wichtige Voraussetzung zu erzielen, nämlich eine homogene Temperaturverteilung über die gesamte Kathodenlänge. Die benötigte Heizleistung liegt bei den oben angegebenen Werten bei ca. 25 W pro cm Kathodenlänge und der Heizstrom beträgt etwa 12 A.

In Abwandlung des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispie­ les kann die Kathodenheizung auch durch Elektronenbombardement erfolgen. Ein zum Kathodenrohr konzentrisch aufgespannter Heiz­ draht müßte in diesem Fall mit einigen KV negativ bezüglich der Kathode betrieben werden.

Die Anode 18 in ihrer einfachsten Ausgestaltung gemäß Fig. 1 besteht aus einem Metallstab mit einem Durchmesser von 6 mm (mit Abweichungen von 30%) und ist in etwa 13 mm Entfernung von der Kathode 26 aufgespannt. Der Anodenhalter 16 ist aus einem elektrisch isolierenden Material, z. B. Keramik. Für eine hohe Röntgenausbeute ist ein möglichst schweres Anodenmaterial zu wählen. Bewährt haben sich Wolfram und Tantal. Bewährt hat sich ein Betrieb der Röntgenröhre 10 mit 70 KV Anodenspitzen­ spannung, einer Pulsbreite von 30 ns und einer Wiederholrate von bis zu 500 Hz.

Werden noch höhere Pulswiederholraten gewünscht, so kann die Anode zur Vermeidung zu hoher Betriebstemperaturen gekühlt werden. Eine solche Kühlung ist in der Abwandlung des Ausfüh­ rungsbeispiels von Fig. 1 in Fig. 2 dargestellt. Fig. 2 zeigt entsprechend Fig. 1 ebenfalls einen Axialschnitt durch eine Röntgenröhre 10, wobei die Kathode und die ihr zugeordneten Bauteile entsprechend Fig. 1 ausgebildet und deshalb nicht noch einmal dargestellt sind. Die Abwandlung betrifft die Anode 18′, welche beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 innen hohl ausge­ bildet ist. Der Hohlraum 46 der Anode 18′ ist über einen Durchlaß 42 mit einem Reservoir für Kühlflüssigkeit verbindbar, das außerhalb des Gehäuses 14 angeordnet ist. Die Kühlung kann z. B. mit Öl erfolgen. Das elektrische Potential der Anode ist durch das Potential der Gegenplatten 20 bzw. 20′ gegeben, mit denen die Anode leitend verbunden ist.

Die elektrische Aussteuerung der Anode erfolgt über die Gegen­ platte 20 bzw. 20′, mit der sie leitend verbunden ist.

Mit den obigen Abmessungen kann die Röntgenröhre bei 70 KV Anodenspitzenspannung nahe an der Raumladungsgrenze von ca. 20 A pro cm Diodenlänge betrieben werden. Der Betrieb im Bereich dieses Sättigungswertes hat den Vorteil, daß der Röntgen-Emis­ sionsstrom nicht mehr sehr empfindlich abhängt von der Katho­ dentemperatur, so daß stabile Betriebsbedingungen ohne eine empfindliche Einstellung der Parameter erreichbar sind.

Fig. 4 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispieles, wobei einer Kathode 26 zwei Anoden 18a, 18b dreieckförmig gegenüber­ liegend angeordnet sind. Diese Anordnung empfiehlt sich z. B. dann, wenn die Röntgenröhre 10 vor allem nach oben (in Richtung der Figuren gesehen) abstrahlen soll. Der Emissionsstrom ist bei dieser Anordnung nicht mehr raumladungsbegrenzt, sondern ergibt sich vielmehr aus dem Emissionsvermögen der Kathode bei der eingestellten Betriebstemperatur oder aus der Impedanz des Hochspannungs-Impulsgenerators.

Es ist möglich, die Beständigkeit des Vakuums durch ein soge­ nanntes Gettermaterial zu verbessern.

Nach der Montage der vorstehend beschriebenen Bauteile wird die Röntgenröhre 10 zunächst evakuiert, ausgeheizt und dann ent­ sprechend den Empfehlungen des Kathodenherstellers aktiviert, wobei die Kathode für kurze Zeit über ihre normale Betriebstem­ peratur aufgeheizt wird. Danach wird das Gehäuse 14 vakuumdicht abgeschlossen, beispielsweise durch Abschmelzen des Glas-Stut­ zens 22, an dem zuvor die Vakuumpumpe angeschlossen war.

Anschließend ist ein jahrelanger Betrieb der Röntgenröhre ohne zusätzliche Evakuierungsmaßnahmen möglich. Der beschriebene Aufbau der Röntgenröhre hat sich als robust und langlebig erwiesen. Die kompakte Ausgestaltung mit den gegebenen Dimen­ sionierungen macht eine Positionierung der Röntgenquelle in un­ mittelbarer Nähe des vorzuionisierenden Entladungsraumes möglich.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Vorionisieren von Gas in einem gepulsten Gaslaser mittels Röntgenstrahlung, mit einer langgestreckten Kathode (26), die durch Heizstrahlung oder Elektronenbeschuß auf eine Temperatur geheizt wird, bei der sie Elektronen emittiert, und mit zumindest einer langgestreckten, parallel zur Kathode (26) angeordneten Anode (18; 18′; 18a, 18b), wobei die Kathode und die Anode in einem evakuierten Gehäuse (14) untergebracht sind, das zumindest in einem Abschnitt für die Röntgenstrahlung durchlässig ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (26) rohrförmig mit einem inneren Hohlraum ausgebildet ist, in dem eine Heizwendel (30) angeordnet ist.

2. Vorrichtung zum Vorionisieren von Gas in einem gepulsten Gaslaser mittels Röntgenstrahlung, mit einer langgestreckten Kathode (26), die durch Heizstrahlung oder Elektronenbeschuß auf eine Temperatur geheizt wird, bei der sie Elektronen emittiert, und mit zumindest einer langgestreckten, parallel zur Kathode (26) angeordneten Anode (18; 18′; 18a, 18b), wobei die Kathode und die Anode in einem evakuierten Gehäuse (14) untergebracht sind, das zumindest in einem Abschnitt für die Röntgenstrahlung durchlässig ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (26) rohrförmig mit einem inneren Hohlraum ausgebildet ist, in dem ein langgestreckter Heizdraht angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Heizwendel (30) und der Kathode (26) ein mit der rohrförmigen Kathode (26) konzentrisches Keramikröhrchen (28) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (26) aus Wolfram, insbesondere porösem imprägnierten Wolfram, be­ steht.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (26) und/oder die Anode (18; 18′; 18a, 18b) im Gehäuse (14) axial beidseitig abgestützt ist bzw. sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (18′) innen hohl ist und daß ihr Hohlraum (46) über einen Durchlaß (42) mit einem Flüssigkeitsreservoir außerhalb des Gehäuses (14) kommuniziert.