DE4311035A1 - Verfahren zur Zündung oder Anregung eines Gases mittels eingekoppelter Mikrowellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zündung oder Anregung eines Gases mittels eingekoppelter Mikrowellen sowie eine Vorrichtung zur Zündung oder Anregung eines Gases mittels von einem Mikrowellensender ausgestrahlten Mikrowellen, bei der sich das Gas in einem von einem Mikrowellenhohlleiter umschlossenen aus dielektrischem Material bestehenden Gefäß befindet.

Es ist bekannt, in einem Gefäß befindliches Gas mittels Mikrowellen im GHz-Bereich, die in das Gas eingekoppelt werden, zu zünden oder anzuregen. Dabei kann eine Plasma­ zone entstehen, dessen Elektronendichte bei Überschreiten eines kritischen Wertes, der sogenannten "cut-off- Dichte", ein Reflektieren der Mikrowellen bewirkt. Aufgrund derartiger Reflexionen erhöht sich die elek­ trische Feldstärke zwischen Plasma und Sender und das Plasma dehnt sich weiter in Richtung der einfallenden Mikrowelle aus, bis die Einkoppelstelle, also eine entsprechende Gefäßwand oder ein Mikrowelleneintritts­ fenster erreicht ist. Beim Überschreiten der kritischen Elektronendichte in Nähe der Einkoppelstelle wird die Mikrowelle vorzeitig reflektiert bzw. absorbiert und gelangt nicht mehr bestimmungsgemäß in den eigentlichen Gasraum.

Außerdem heizt sich die Plasmaschicht nahe der Ein­ koppelstelle immer mehr so auf, so daß Beschädigungen der Gefäßwand bzw. des Mikrowelleneintrittsfenster drohen.

Aufgrund dieser Schwierigkeiten ist beispielsweise der Betrieb eines CO₂-Gaslagers mittels Mikrowellenanregung uneffektiv (Schock, W., Lasser Kolloquium 85, 13 DFVLR- Institut für Technische Physik).

Um die sich aufheizende Plasmaschicht an der Einkoppel­ stelle zu vermeiden, hat man bei der DFVLR (Institut für Technische Physik) Mikrowellen in eine Düsenströmung mit hohem Druckgefälle eingekoppelt. Durch den Aufbau eines hohen Druckes hinter der Einkoppelstelle in Form eines dielektrischen Fensters wird eine Zündung in diesem Bereich verhindert. Die Zündung findet nur im Nieder­ druckbereich fern von der Düse und somit fern von der Einkoppelstelle statt.

Das Prinzip ist auf gasdynamische CO-Laser übertragen worden (P. Hoffmann, H. Hügel, W. Schall, W. Schock, J. Appl. Phys. Let. 37 (8), 1980, S. 673-674). Es ist jedoch wegen der erforderlichen hohen Druckdifferenz bei hohem Massendurchsatz aufwendig und kostspielig.

Gemäß OS-DE 374 325 8 A1 ist ein Verfahren zur elek­ trischen Anregung eines Gases mittels eingekoppelter Mikrowellen bei einem Laser bekannt, bei dem das Gas­ entladungsrohr des Lasers in einem Mikrowellenhohlleiter angebracht ist. Die Ausbildung heißer Plasmaschichten an der Wand, durch die die Mikrowelle in das Gasent­ ladungsrohr einkoppelt, wird dadurch vermieden, daß das Gas im Einkoppelbereich der Mikrowelle nach Passieren eines Strömungsformers an Zündstiften gezündet wird und sich im Gasentladungsrohr strömungsbedingt ausbreitet. Zonen mit kritischer Elektronendichte werden durch die Strömung abtransportiert und können sich daher nicht in Richtung der Einkoppelstellen ausdehnen.

Bei diesem Verfahren gelingt jedoch die Vermeidung heißer Plasmaschichten in Wandnähe nur, wenn der Durchmesser des Gasentladungsrohres klein ist gegenüber den Abmessungen des umschließenden Mikrowellenhohlleiters.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein einfacheres Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Vermeidung heißer Plasmaschichten in Einkoppelbereichen zu schaffen.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein stehendes Mikro­ wellenfeld so in das Gas eingekoppelt wird, daß die Einkopplung im Bereich von Wellenknoten des Feldes statt­ findet. Ein im Gas entstehendes Plasma wird sich dadurch nicht mehr bis zur Einkoppelstelle der Mikrowelle in das Gas ausdehnen, da die elektrische Feldstärke nahe der Einkoppelstelle für eine Zündung oder Anregung nicht mehr ausreicht. Die vorzeitige Reflektion der Mikrowelle wird so vermieden und diese dringt zuverlässig in das Innere des Gases ein. Außerdem wird eine Überhitzung nahe der Einkoppelstelle vermieden, so daß dort befindliche Wände oder Mikrowelleneintrittsfenster nicht beschädigt werden. Es hat sich gezeigt, daß dieses Verfahren, eingesetzt bei einem Gaslaser, einen effektiven Laserbetrieb ermöglicht.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens liegen Wellenknoten gerade innerhalb des Gases. Vom Inneren des Gases aus gesehen ist damit die elektrische Feldstärke unmittelbar vor Einkoppelstellen praktisch verschwunden. Spätestens im Bereich dieser Wellenknoten erfolgt keine Gaszündung oder -anregung mehr. Außerdem wird so erreicht, daß die höchsten elektrischen Feld­ stärken und somit die Zündungs- oder Anregungsorte weit im Gasinnern liegen. Das ausgestaltete Verfahren ist daher effektiver.

Bei einer weiteren Verbesserung des Verfahrens werden im stehenden Mikrowellenfeld Mikrowellenpulse überlagert. Die Mikrowellenpulse unterstützen die Zündung oder An­ regung des Gases. Da es sich um Pulse handelt, wird eine kontinuierliche Energiezufuhr und damit eine kontinuier­ liche Plasmaausdehnung in Richtung Einkoppelstellen vermieden. Dies erlaubt eine Gaszündung oder -anregung bei erhöhtem Gasdruck.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiter gelöst durch eine Vorrichtung, bei der die Maße des Hohlleiters so sind, daß sich ein stehendes Mikrowellenfeld ausbildet und bei dem das Gefäß so angeordnet ist, daß die elektrische Feldstärke der Mikrowellen an den Ein­ koppelstellen in das Gefaß minimal ist.

Die Vorrichtung ermöglicht die Durchführung des Ver­ fahrens. Aufgrund der geringen elektrischen Feldstärke an den Einkoppelstellen bildet sich hier keine Plasmaschicht mit hoher Elektronendichte aus.

Vorteilhaft ist die Vorrichtung mit einer Einrichtung zur Überlagerung der Mikrowellen mit Mikrowellenpulsen aus­ gestattet. Mit einer solchen Vorrichtung ist eine Gas­ zündung oder -anregung bei erhöhtem Gasdruck möglich.

Bei einer weiteren verbesserten Ausführungsform ist der Mikrowellenhohlleiter T-förmig und mit Sender am Fuß des T ausgestaltet, ist der Mikrowellenhohlleiter so bemessen, daß im oberen T-Querbalken das stehende Wellenfeld eine Wellenlänge lang ist und ist das rohr­ förmig mit 1/2 Wellenlänge Durchmesser ausgestaltete Gefäß an der Hohlleiterwand entlang geführt, die maximal vom Sender entfernt liegt. Diese Ausführungsform kann erfolgreich bei einem Gaslager eingesetzt werden. Ein sehr effektiver Betrieb eines CO-Lasers ist damit möglich.

Im folgenden wird eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens näher erläutert. Sie ist in der Zeichnung schematisch dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Fig. 2 graphische Darstellung der Verteilung der elektrischen Feldstärke im Mikrowellenhohlleiter.

Fig. 3 Längsschnitt durch den MW-Hohlleiter aus Fig. 1 mit Entladungsrohr, das für den Betrieb eines mikrowellenangeregten Gaslasers, mit einem Einlauf für die Gasströmung, einem Mikrowellen­ abschluß und einem Strömungsformer ausgestattet ist.

Fig. 4 Gesamtübersicht über eine Anordnung zum Betreiben eines Gaslasers mit Mikrowellenanregung.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des Ver­ fahrens. Über eine nicht näher dargestellte Antenne des Mikrowellensenders 1 werden die Mikrowellen konti­ nuierlich bzw. gepulst abgestrahlt. Durch den mittels zwei Schrauben 2 und 3 impedanzangepaßten, rechteckigen Mikrowellenzuleiter 4 werden die Mikrowellen T-förmig in den Mikrowellenhohlleiter 5 eingespeist. Der das Gasent­ ladungsrohr 6 umschließende Mikrowellenhohlleiter 5 weist einen rechteckigen Querschnitt auf.

Durch geeignete Dimensionierung des Mikrowellenhohl­ leiters 5 werden stehende Mikrowellen mit einer Ver­ teilung der elektrischen Feldstärke E_xy (7) über der Breite des Mikrowellenhohlleiters erzielt, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist. Die Knotenlinien des elektrischen Feldes bilden eine Knotenebene 9, die den Mikrowellen­ hohlleiter 5 in zwei Bereiche 10 und 11 teilt.

In dem vom Mikrowellenzuleiter 4 weiter entfernten Bereich 11 ist das Gasentladungsrohr 6 so installiert, daß es einen geringfügigen Abstand sowohl zur Knotenebene 9 als auch zu den Wänden des Mikrowellenhohlleiters 5 hat.

Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch Mikrowellenhohl­ leiter und Gasentladepulse. An den Stirnflächen 12 und 13 des Mikrowellenhohleiters wird das elektrische Feld abgeschlossen, so daß sich eine Verteilung des in Fig. 2 gezeigten elektrischen Feldes E_zy (8) über der Länge des Mikrowellenhohlleiters einstellt, die im Einspeisungs­ bereich 14 ein Maximum aufweist. Die maximale elektrische Feldstärke im Gasentladungsrohr 6 stellt sich demnach in einer Ebene ein, die die Achse 15 des Gasentladungs­ rohres 6 enthält und parallel zur Knotenebene 9 und zusätzlich im Einspeisungsbereich 14 der Mikrowellen liegt.

Das Gas kann damit auf der gesamten Länge des Gasent­ ladungsrohres 6, begrenzt durch die elektrischen Abschlüsse 12 und 13 gezündet werden, so daß eine großvolumige, gleichmäßige Gasentladung erzeugt werden kann.

Das Gasentladungsrohr 6 ist so angelegt, daß seine Achse 15 mit der optischen Achse des Resonators zusammenfällt, der durch die Spiegel 16 und 17 gebildet wird, von denen der Spiegel 16 vollständig und der Spiegel 17 teilweise reflektiert.

Das anzuregende Gas strömt senkrecht zur Mikrowellen­ einspeisung durch die Gaszuführung 18 und das Gasent­ ladungsrohr 6 ein. Gaszuführung 18 und Gasentladungsrohr bilden die T-Verzweigung 19. Sie ist durch den Mikro­ wellenabschluß 20 elektrisch abgeschlossen und nimmt die keramische Scheibe 21 auf, die als Strömungsformer ausgebildet ist.

Durch den Strömungsformer 21 wird eine weitere Homo­ genisierung der Gasentladung längs des Gasentladungs­ rohres 6 erzielt. Das Gas strömt dann axial durch das Gasentladungsrohr und tritt an den beiden Stirnseiten 22 und 23 aus. Ein zügiger Gasaustausch fördert eine homo­ gene, großvolumige Gasanregung.

Fig. 4 zeigt beispielhaft eine Gesamtübersicht einer Anordnung zum Betreiben eines CO-Lasers mit Mikro­ wellenanregung, wobei der Gastransport als in sich geschlossener Kreislauf ausgebildet ist. Das Gas setzt sich aus He, CO, N₂, Xe und O₂ zusammen.

Über den Gasregler 24 wird das Gas dem Kreislauf zuge­ führt. Der Walzkolbenverdichter 24 wälzt das Lasergas im geschlossenen System um, wobei die Kühlaggregate 25 und 26 im Gas für eine konstante Temperatur sorgen. Die Gas­ anregung erfolgt im Entladungsmodul, der aus dem Mikro­ wellenhohlleiter und dem Gasentladungsrohr besteht. Die von dem Mikrowellensender 1 abgestrahlten Mikrowellen werden durch die Mikrowellenzuleitung 4 in das Entla­ dungsmodul eingespeist.

Während des Betriebes der Entladung wird zu Lasten von CO merklich CO₂ gebildet, wobei das parallel zum Ent­ ladungsmodul angeschlossene Molekularsieb 27 dafür sorgt, daß das für den Laserbetrieb schädliche CO₂ absorbiert wird. Der Gasregler 28 hält den Gehalt von CO und O₂ im System konstant.

Im Ausführungsbeispiel hat das Gasentladungsrohr 6 eine Länge von 0,3 m. Der Resonator ist durch zwei im Abstand von 1,5 m voneinander entfernte Spiegel 16 und 17 mit dem Durchmesser von 2′′ ausgebildet: einem Endspiegel 16 mit 99% Reflexion und 20 m Krümmungsradius und einem ebenen Auskoppelspiegel 17 mit 90% Reflexion.

Bei einer Zusammensetzung des CO-Lasergases von He: CO: N₂: Xe: O₂ = 81,6 : 6: 6 : 6: 0,4, einem Arbeitsdruck von 40 mbar, einer Gastemperatur von 300 K und mit einem 2,7 KW Mikrowellenherdsender, der Mikrowellen mit der Frequenz 2,45 GHz aussendet, ist eine maximale Laser­ ausgangsleistung von 240 W - was 800 W/m entspricht - bei einer Wellenlänge von 5 µm über Stunden erzielt worden.

Der maximale Wirkungsgrad liegt bei 8%. Der Verbrauch von CO und O₂ beträgt ca. 0,02 l/min.

Die Laserausgangsleistung wächst linear mit der Mikro­ welleneingangsleistung in dem getesteten Bereich von 1-3 KW Mikrowelleneingangsleistung an.

Bei einer eingekoppelten Mikrowellenleistung von 5,4 KW konnte mit der gleichen Anlage eine maximale Laseraus­ gangsleistung von 440 W erzielt werden.

Eine Kühlung des Lasers ist nicht erforderlich, wenn der Quotient aus Feldstärke und Entladungsdruck 2-4 Volt/Meter Pascal beträgt. Pulse, die der kontinuier­ lichen Mikrowelle überlagert werden, hatten eine zeit­ liche Länge unter 1 µsec bei Repititionsfrequenzen bis zu mehreren hundert Kilohertz. Die Spitzenleistung der Pulse überstieg die Leistung der kontinuierlichen Wellen um ein Mehrfaches.

Dieser Laser stellt somit einen Hochleistungs-CO-Laser dar, der bevorzugt zur Materialbearbeitung, insbesondere zum Schweißen, Schneiden, Bohren, Oberflächenveredeln, Zuschneiden, Kristallzüchten und Abschneiden von Ober­ flächenschichten aus der Gas- oder Flüssigphase einge­ setzt werden kann.

Aufgrund seiner Wellenlänge von 5 µm eignet sich der CO- Laser auch zur Isotopentrennung.

Der CO-Laserstrahl kann im Gegensatz zu einem CO₂- Laserstrahl ohne große Verluste durch flexible Licht­ leiter übertragen werden.

Claims (6)

1. Verfahren zur Zündung oder Anregung eines Gases mittels eingekoppelter Mikrowellen dadurch gekennzeichnet, daß ein stehendes Mikrowellenfeld (7) so in das Gas eingekoppelt wird, daß die Einkopplung im Bereich von Wellenknoten des Feldes stattfindet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenknoten im Einkoppelbereich gerade innerhalb des Gases liegen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem stehenden Mikrowellenfeld Mikrowellenpulse überlagert werden.

4. Vorrichtung zur Zündung oder Anregung eines Gases mittels von einem Mikrowellensender (1) ausgestrahlten Mikrowellen, bei der sich das Gas in einem von einem Mikrowellenhohlleiter (5) umschlossenen, aus di­ elektrischem Material bestehenden Gefäß (6) befindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Maße des Hohlleiters (5) so sind, daß sich ein stehendes Mikrowellenfeld (7) ausbildet, daß das Gefäß so angeordnet ist, daß die elektrische Feldstärke der Mikrowellen an den Einkoppelstellen in das Gefäß (6) minimal ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Überlagerung der Mikrowellen mit Mikrowellenpulsen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrowellenhohlleiter T-förmig (4, 5) und mit Sender (1) am Fuß des T ausgestaltet ist, daß der Mikrowellenhohlleiter so bemessen ist, daß im oberen T-Querbalken (5) das stehende Wellenfeld (7) eine Wellenlänge lang ist, daß das rohrförmig mit 1/2 Wellenlänge Durchmesser ausgestaltete Gefäß (5) an der vom Sender (1) abgewandten Hohlleiterwand entlang geführt ist.