DE4132148C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Pumpenanordnung für einen Gasentladungslaser entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Es sind Gasentladungslaser unterschiedlichster Art bekannt, z. B. CO₂-Laser, N₂-Laser und Excimerlaser. Bei derartigen Lasern wird das laseraktive Medium (also ein Medium mit einer sogenannten Besetzungsinversion) durch eine Gasentladung erzeugt. Es ist auch bekannt, solche Laser gepulst oder auch im Dauerbetrieb (CW) zu betreiben.

Aus der EP 3 74 287 A1 ist ein Vakuumsystem für einen Gasentladungslaser bekannt, das eine Pumpenanordnung mit zwei Pumpen aufweist, wobei diese aber für eine Reinigung des Lasergases und für eine Reduzierung des Bedarfs an Frischgas dient.

Die Gasentladung wird jeweils mit einer bestimmten Gaszusammensetzung durchgeführt. So enthält bei einem CO₂-Laser die Gasentladungskammer im wesentlichen Kohlendioxid. Im durch die Gasentladung erzeugten Plasma erfolgen chemische Reaktionen, durch welche das Arbeitsgas des Lasers "verbraucht" wird. Auch an den Wänden der Gasentladungskammer kann es zu chemischen Reaktionen kommen. Schließlich können auch Verunreinigungen im Gas (z. B. durch Desorption von den Wänden) chemische Reaktionen mit dem Arbeitsgas des Lasers verursachen, welche das Arbeitsgas verbrauchen und/oder unerwünschte Reaktionsprodukte erzeugen, durch welche die Laserleitung beeinträchtigt werden kann. auch können sich Reaktionsprodukte als Verschmutzung an den optischen Komponenten des Lasers niederschlagen.

Bevor die Arbeitsgase des Lasers (also z. B. CO₂, N₂ oder Edelgase und Halogene) in die Gasentladungskammer des Lasers eingelassen werden, muß diese vor Beginn des Laserbetriebs evakuiert werden. Hierzu ist eine Pumpenanordnung erforderlich. Eine Pumpenanordnung wird aber nicht nur von dem Start des Lasers benötigt, sondern auch kontinuierlich während des Laserbetriebs. Aufgrund des oben beschriebenen "Verbrauchs" des Arbeitsgases des Lasers und auch des Auftretens von unerwünschten Verunreinigungen ist es im Stand der Technik bekannt, das Lasergas während des Laserbetriebs kontinuierlich aufzufrischen, d. h. es wird in der Regel kontinuierlich (oder aber auch schubweise) frisches Arbeitsgas in die Laserkammer geführt. So wird z. B. einem CO₂-Laser typischerweise etwa 100 Liter frisches CO₂ pro Stunde zugeführt. Da gleichzeitig der Gasdruck in der Gasentladungskammer des Lasers im wesentlichen konstant bleiben muß, muß die entsprechende Menge Gas laufend abgepumpt werden.

Eine besonders unerwünschte Verunreinigung im Gas in der Gasentladungskammer des Lasers stellen Kohlenwasserstoffe (Öl) dar. Die Kohlenwasserstoffe reagieren insbesondere in der Gasentladung und Reaktionsprodukte lagern sich an den optischen Bauteilen des Laserresonators, insbesondere den Spiegeln, ab und vermindern somit die Leistung des Lasers.

Als Pumpenanordnung für Gasentladungslaser, insbesondere CO₂-Laser, kennt der Stand der Technik Drehschieberpumpen mit Ölschmierung, bei denen der umlaufende Drehschieber mittels Öl gegen die Pumpenwandung abgedichtet ist, um die Pumpleistung und die Standzeit der Pumpe zu erhöhen. Unter der Standzeit einer Pumpe ist diejenige Zeitspanne zu verstehen, in welcher die Pumpe typischerweise zwischen zwei Wartungsintervallen zu laufen vermag. Mit anderen Worten: die Standzeit ist die typische wartungsfreie Laufzeit einer Pumpe. Bei einer Ölgeschmierten Drehschieberpumpe sind die Standzeit und die Pumpleistung relativ hoch, allerdings kann das Pumpenöl in die Gasentladungskammer des Lasers dringen und dort die oben erwähnten nachteiligen Wirkungen haben. Um ein Eindringen von Kohlenwasserstoffen in die Gasentladungskammer zu vermeiden, können Ölfallen zwischen der Pumpe und der Kammer angeordnet werden, z. B. ein Zeolith-Sieb oder eine Kühlfalle, die z. B. mit flüssigem Stickstoff betrieben werden kann. Diese Maßnahmen sind jedoch aufwendig und erfordern eine intensive Wartung, die bei industriell eingesetzten Lasern unerwünscht ist.

Es ist grundsätzlich auch bekannt, Drehschieberpumpen ohne Öl zu betreiben. Solche Pumpen werden dann als "Trockenläufer" bezeichnet. Drehschieber-Trockenläuferpumpen haben zwar den Vorteil, daß aufgrund ihres ölfreien Betriebes keine Kohlenwassersoffe in die Gasentladungskammer des Lasers dringen können, jedoch den Nachteil, einer relativ kürzeren Standzeit. Die Reduzierung der Saugleistung bei einem Trockenläufer ist im Vergleich zu einer Drehschieberpumpe mit Ölschmierung relativ gering.

Vor dem Start eines Gasentladungslasers muß, wie oben gesagt, die Entladungskammer vollständig von unerwünschten Gasen befreit werden. für diese Evakuierung der Kammer ist eine relativ große Saugleistung erforderlich, wenn unpraktikabel lange Pumpzeiten vermieden werden sollen. Andererseits ist für den stationären Betrieb des Lasers zum Abpumpen von dem zugeführten Frischgas entsprechenden Gasmengen nur eine relativ geringe Saugleistung erforderlich. Für diese geringe Saugleistung reichen ölfreie Membranpumpen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Pumpanordnung für die Gasentladungskammer eines Gasentladungslasers bereitzustellen, die preisgünstig ist, einen geringen Wartungsaufwand erfordert und insgesamt eine lange Standzeit aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Bei einer solchen Pumpenanordnung kann beim Starten des Lasers die Gasentladungskammer mit der ersten Pumpe zunächst evakuiert werden, wozu die hohe Saugleistung der Pumpe förderlich ist. Danach kann die erste Pumpe abgestellt werden, und während des Langzeit-Betriebs des Lasers kann die zweite Pumpe eingesetzt werden, welche eine für das Abpumpen von der zugeführten Frischgasmenge entsprechenden Gasmengen hinreichende Saugleistung aufweist und überdies eine lange Standzeit hat. Die relativ kurze Standzeit der ersten Pumpe schadet nicht, da sie jeweils kurzzeitig in Betrieb ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß als erste Pumpe eine Drehschieber-Trockenläuferpumpe und als zweite Pumpe eine Membranpumpe verwendet wird. Bei einer solchen Anordnung ergibt sich der Vorteil einer weitgehenden Ölfreiheit der Gasentladungskammer.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben.

Die Figur zeigt schematisch eine Pumpenanordnung zum Bepumpen der Gasentladungskammer eines Gasentladungslasers.

In der Figur ist ein Gasentladungslaser 10 schematisch mit Rück- und Auskoppelspiegeln 12, 14 dargestellt. Es kann sich beispielsweise um einen CO₂-Laser handeln.

Die Gasentladungskammer 16 des Lasers ist über eine Leitung 18 an zwei unterschiedliche Pumpen P₁ und P₂ anschließbar.

Die Verbindung der Pumpen P₁ und P₂ mit der Gasentladungskammer 16 kann wahlweise mittels Ventilen V₁ bzw. V₂ hergestellt bzw. unterbrochen werden. Von der Leitung 18 führt eine Verzweigungsleitung 20 über das Ventil V₂ zur zweiten Pumpe P₂. Eine andere Verzweigung 22 führt über das Ventil V₁ zur ersten Pumpe P₁.

Eine Zuleitung 28 ist zum Zuführen von Frischgas in die Gasentladungskammer 16 des Lasers vorgesehen. Das Frischgas strömt in Richtung des Pfeiles 30 ein und ein Ventil V₃ kann wahlweise geöffnet bzw. geschlossen werden.

Vor dem Start des Lasers wird das Ventil V₃ geschlossen und das Ventil V₁ geöffnet. Bei geschlossenem Ventil V₂ wird die erste Pumpe P₁ in Betrieb gesetzt, um die Gasentladungskammer 16 des Lasers zu evakuieren. Als erste Pumpe P₁ ist eine Drehschieber-Trockenläuferpumpe vorgesehen, welche die Gasentladungskammer 16 ölfrei evakuiert. Die hierfür erforderliche Pumpzeit ist aufgrund der relativ hohen Saugleistung der ersten Pumpe P₁ sehr kurz. Danach kann das Ventil V₁ geschlossen und der Betrieb der ersten Pumpe P₁ beendet werden. Sodann wird das Ventil V₃ geöffnet und Lasergas in Richtung des Pfeiles 30 über die Zuleitung 28 in die Gasentladungskammer 16 des Lasers eingeführt. Ist ein hinreichender Gasdruck erreicht, wird das Ventil V₃ so eingestellt, daß eine gewünschte reduzierte Durchlaßrate erreicht ist, z. B. von 100 l/h. Um in der Gasentladungskammer einen konstanten Druck des Arbeitsgases des Lasers zu erreichen, wird (bei geschlossenem Ventil V₁) das Ventil V₂ geöffnet und die zweite Pumpe P₂ in Betrieb gesetzt. Bei der zweiten Pumpe P₂ handelt es sich beim gezeigten Ausführungsbeispiel um eine Membranpumpe mit hinreichender Saugleistung (hier: 100 l/h) und relativ hoher Standzeit.

Die ersten und zweiten Pumpen P₁, P₂, fördern die gepumpten Gase in Richtung der Pfeile 24 bzw. 26. Abhängig von der Art (Preis, Umweltgefährlichkeit etc.) des geförderten Gases kann der Pfeil 26 z. B. zu einem Gas-Reinigungsgerät (nicht gezeigt) führen und in einem geschlossenen Kreislauf mit der Leitung 28 (Pfeil 30) verbunden sein. Es ist aber auch möglich, die Gasförderrichtungen 24 bzw. 26 ins Freie oder in einen gesonderten hierfür vorgesehenen Raum zu führen, ggf. nach einer Filtrierung.

Da die erste Pumpe P₁ nur beim Anlaufen des Lasers in Betrieb gesetzt werden muß, wird sie geschont und ihre relativ geringe Standzeit reicht aus.

Claims (2)

1. Pumpenanordnung mit zwei Pumpen für einen Gasentladungslaser (10), dadurch gekennzeichnet, daß die erste Pumpe (P₁) eine relativ hohe Saugleistung und relativ geringe Standzeit und die zweite Pumpe (P₂) eine relativ geringe Saugleistung und relativ längere Standzeit aufweist, daß die erste und die zweite Pumpe (P₁, P₂) wahlweise an die zu bepumpende Gasentladungskammer (16) des Lasers (10) anschließbar sind, wobei die erste Pumpe (P₁) während des Startens des Lasers (10) zum Auspumpen der Gasentladungskammer (16) und die zweite Pumpe (P₂) während des Langzeitbetriebs zum Abpumpen einer der Frischgasmenge entsprechenden Gasmenge dient.

2. Pumpenanordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Pumpe (P₁) eine Drehschieber-Trockenläuferpumpe und als zweite Pumpe (P₂) eine Membranpumpe verwendet wird.