DE4440130A1 - Anordnung und Verfahren zum Zünden bzw. Löschen von Gasentladungen, insbesondere bei Gaslasern - Google Patents
Anordnung und Verfahren zum Zünden bzw. Löschen von Gasentladungen, insbesondere bei GaslasernInfo
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Description
Die Erfindung betrifft Anordnungen und Verfahren zum Zünden bzw. Lö
schen von Gasentladungen, insbesondere bei Gaslasern.
Gepulste Gasentladungen mit hohen Pulsenergien werden heute in einer
Vielzahl von Anwendungen, insbesondere im Bereich der Hochleistungs-Gas
laser, eingesetzt. Bei den bislang bekannten Verfahren erfolgt die ge
pulste Anregung der Gasentladung durch das Entladen eines Energiespei
chers, im allgemeinen eines Kondensators, auf die Gasentladung, wozu ein
Schalter benötigt wird, der in der Lage ist, im gesperrten Zustand hohe
Spannungen zu halten und die beim Einschalten auftretenden extrem hohen
Stromspitzen zu verkraften. Zu diesem Zweck werden nach dem Stand der
Technik überwiegend Thyratrons eingesetzt. Die Nachteile, die sich daraus
ergeben, sind zum einen die begrenzte Lebensdauer der Thyratrons und
die dadurch für den Anwender bedingten hohen Betriebskosten. Weiterin
sind Thyratrons und die damit verwandten Schalter räumlich konzentrierte
Bauelemente im Vergleich zu den ausgedehnten Entladungsstrukturen übli
cher Laser, was einen niederinduktiven Aufbau und damit die Erzielung
hoher Stromsteilheiten erschwert. Zum Teil werden daher mehrere dieser
Schalter parallel eingesetzt.
Neben Thyratrons werden nach dem Stand der Technik auch Funkenstrec
ken als Hochstromschalter verwendet. Die Triggerung der Funkenstrecken
erfolgt im allgemeinen über einen Hochspannungsimpuls. Nach dem Stand
der Technik ist es aber bekannt, Funkenstrecken durch Einwirkung ioni
sierender Strahlung auf den Raum zwischen den Elektroden zu zünden,
ebenso durch Bestrahlung der Elektroden mit starken UV- oder Laserim
pulsen, so daß Elektronen aus der Elektrodenoberfläche ausgelöst werden.
All diese Zündverfahren sind unverhältnismäßig aufwendig und konnten
sich daher in der Praxis nicht durchsetzen.
Beispiele für bekannte Anordnungen der gattungsgemäßen Art finden sich
in der DE 37 43 756 C2, der EP 0 297 343 A1 und der DE 37 44 673 A1.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe, eine Anordnung und
ein Verfahren zum Schalten von Gasentladungen zu schaffen, die es er
möglichen, Gasentladungen mit vertretbarem Aufwand zu schalten und da
bei sowohl den Einschaltzeitpunkt auch die Einschaltdauer vorgeben zu
können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Anordnung gelöst, welche
eine Einrichtung zur Erzeugung von Hochfrequenz aufweist, wobei die
Hochfrequenz zur Auslösung der Gasentladung in den Gasentladungsraum
einkoppelbar ist. Die Kernidee besteht also darin, die zu betreibende
Gasentladung selbst als Schalter zu verwenden, indem Hochfrequenzenergie
vorzugsweise gepulst in den Raum zwischen den Elektroden eingekoppelt
wird. Durch eine geeignete Wahl der Parameter, also des Elektrodenab
standes, des Gasdrucks, der Leistung der zugeführten Hochfrequenz usw.
ist es möglich, mit dem Ende des hochfrequenten Impulses auch ein Lö
schen der Entladung zu steuern, so daß erfindungsgemäß neue Möglichkei
ten zur Steuerung der Pulsdauer speziell bei gepulsten Lasern realisier
bar sind. Ein solches gesteuertes Abschalten konnte mit den nach dem
Stand der Technik verwendeten Hochleistungsschaltern nicht realisiert
werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Anord
nung zur Erzeugung der Hochfrequenz durch ein Mikrowellen-Magnetron
gebildet ist. Derartige Magnetrons liegen mit einem ausgereiften tech
nischen Standard vor, weil sie im Zusammenhang mit der Entwicklung der
Mikrowellenkochtechnik in jüngerer Zeit intensiv entwickelt wurden.
Die Zuführung der Hochfrequenzenergie kann vorteilhafterweise über eine
Hohlleiter- oder über eine Koaxialleitung, über einen dielektrischen Wel
lenleiter oder eine Strahlenwellenleitung dem Gasentladungsraum vorgenom
men werden.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren,
wonach vorgesehen ist, daß zwischen den Elektroden eine Gleich- oder
Wechselspannung solcher Amplitude eingestellt wird, daß diese für sich
genommen gerade noch nicht zum Zünden der Gasentladung ausreicht, und
daß zum Zünden Hochfrequenzenergie zugeführt wird und die Energiezufuhr
während der gewünschten Entladungsdauer aufrecht erhalten wird, wohin
gegen zum Löschen die Zufuhr von Hochfrequenzenergie eingestellt wird.
Es ist dementsprechend durch dieses Verfahren möglich, die Gasentladung
zu steuern bzw. zu schalten.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen
Fig. 1 eine schematische, schaltbildartige Darstellung einer ersten Aus
führungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung,
Fig. 2 und 3 Fig. 1 entsprechende Darstellungen mit Maßnahmen zur Er
höhung der in dem Kondensator nach Fig. 1 gespeicherten
Energie,
Fig. 4 eine schematische, perspektivische Darstellung der Elektroden als
Teil einer Streifenleitung und
Fig. 5 und 6 eine schematische, perspektivische Darstellung, wobei das
Entladungsgefäß durch ein dielektrisches Rohr gebildet ist.
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gasent
ladungsanordnung. In einem metallischen Hohlleiter 2 ist ein metallischer
Steg 4 eingebracht, der zusammen mit den dielektrischen Wänden 6a und
6b einen Gasentladungsraum 3 bildet. Der Steg 4 ist durch Dielektrikum 5
vom Hohlleiter 2 elektrisch isoliert, so daß ein Plattenkondensator ent
steht, in dem bei Anlegen einer elektrischen Gleichspannung Energie ge
speichert werden kann. Der Kondensator wird auf die Hochspannung UHV
geladen. Als Spannungsquelle dient entweder eine Hochspannungs-Kon
stantstromquelle oder eine Hochspannungsquelle, wobei im letzteren Fall
eine Ladestrombegrenzung 1 erforderlich ist.
Die Zuführung der Hochspannung erfolgt vorteilhaft über ein Tiefpaß-Fil
ter, das die Ausbreitung der Mikrowelle sperrt, oder wie in Fig. 1 ge
zeigt über abstrahlungsfreie Symmetrieebenen im Hohlleiter 2.
Die Einspeisung der Mikrowelle in den Hohlleiter kann an beliebiger Stelle
erfolgen, so beispielsweise von den Enden des Hohlleiters 2 her oder zen
tral in Form einer T-Verzweigung oder über Koppelöffnungen an der Hohl
leiterbreit- bzw. Schmalseite oder über elektrische bzw. magnetische Kop
pelelemente. Durch Abstimmung des Hohlleitersystems auf Resonanz bei der
gewählten Mikrowellenfrequenz kann die zur Zündung erforderliche Mikro
wellenleistung erheblich reduziert werden.
Die Höhe 7 des Entladungskanals, der Gasdruck in dem Gasentladungsraum
3 und die Hochspannung UHV werden so gewählt, daß ohne Mikrowellenfeld
kein Zünden der Gasentladung erfolgt. Durch das Anlegen eines kurzen
Mikrowellenimpulses genügend hoher Leistung wird die Entladung gezün
det. Als besonders vorteilhaft erweist sich dabei, daß aufgrund der
extrem geringen Induktivität der Anordnung die im Kondensator gespei
cherte Energie in kürzester Zeit der Gasentladung zugeführt wird, wo
durch extrem hohe Stromanstiegsgeschwindigkeiten und Spitzenströme er
reicht werden. Anders als bei konzentrierten Schaltelementen treten auch
bei großen Längen des Entladungskanals keine Probleme durch zu hohe
Zuleitungsinduktivitäten auf.
Vorteilhaft ist weiterhin, daß die hohen Pulsströme ausschließlich im In
neren des Hohlleiters 2 fließen, so daß im Gegensatz zu den bislang ver
wendeten Anordnungen keinerlei Abstrahlung elektromagnetischer Störungen
erfolgt und deshalb keine weiteren Abschirmmaßnahmen erforderlich sind
(EMV-Problem).
Zur Erhöhung der im Kondensator gespeicherten Energie kann, wie in
Fig. 2 und 3 gezeigt, auch der Außenraum des Hohlleiters 2 genutzt wer
den. In Fig. 3 bilden der Hohlleiter 2, der Steg 4 und das Dielektrikum
5 einen Mehrschicht-Kondensator.
Die Fig. 4 und 5 zeigen weitere erfindungsgemäße Ausführungsformen. Die
Zuführung der Hochfrequenzenergie 9 erfolgt bei diesen Anordnungen über
Streifenleitungsstrukturen. In Fig. 4 sind die Elektroden 2 und 4 Teil
einer Streifenleitung und zugleich die Elektroden für die Gasentladung.
Die Speicherung des Hauptteils der Energie erfolgt in dem aus den Elek
troden 2 und 4 sowie dem Dielektrikum 5 gebildeten Kondensator 8, der
über die Ladestrombegrenzung 1 auf die Hochspannung UHV geladen wird.
Der Kondensator 8 dient zur Abtrennung der Hochspannung von der Mikro
wellen-Zuführung. Auch diese Anordnung zeichnet sich durch eine extrem
niedrige Induktivität zwischen Energiespeicher und Gasentladungsraum
aus.
Besonders vorteilhaft läßt sich das erfindungsgemaße Verfahren zum
Schalten längsangeregter Entladungen einsetzen, wie sie beispielsweise in
Metalldampf- oder CO₂-Lasern Verwendung finden.
In den Fig. 5 und 6 wird das Entladungsgefäß durch ein dielektrisches
Rohr 5 gebildet; die Querschnittgeometrie des Entladungskanals ist belie
big. An den beiden Enden befinden sich Elektroden 15a/15b zwischen de
nen die Hochspannung UHV anliegt. Parallel zu den Elektroden 15 kann
wahlweise eine Kapazität 16 zur Erhöhung der Pulsenergie geschaltet wer
den. Die Zuführung der Mikrowellen erfolgt in Fig. 5 über eine Streifen
leitungsstruktur und in Fig. 6 durch einen Hohlleiter 2. Beide Anordnun
gen zeichnen sich dadurch aus, daß aufgrund geringerer Querabmessungen
vergleichsweise niedrige Mikrowellenleistungen ausreichen, um die zum
Zünden erforderlichen Feldstärken zu erzeugen.
Im Fall eines für den H₁₀-Grundwellentyp ausgelegten Rechteck-Hohlleiters
nach Fig. 6 kann die Mikrowellen-Feldstärke durch Betrieb des Hohlleiters
2 nahe der Grenzfrequenz erheblich gesteigert werden, ebenso durch das
Einbringen eines Steges 14. Die Abstrahlung von Mikrowellen an der
Durchführung des Entladungsrohres kann durch cut-off-Kamine 11 verhin
dert werden. Besonders vorteilhaft ist, wenn eine Hochspannungselektrode
15b niederinduktiv mit dem Hohlleiter 2 verbunden wird. In diesem Fall
bildet das Plasma mit dem Hohlleiter 2 eine koaxiale Struktur, die trotz
der großen Länge der Anordnung ein hohes di/dt des Entladungsstromes
ermöglicht. Der Abschluß 17 des Hohlleiters 2 wird vorteilhaft als Kurz
schlußschieber ausgebildet, was ein Abstimmen des Hohlleiters 2 auf Re
sonanz bei der Mikrowellenfrequenz ermöglicht.
Claims (5)
1. Anordnung zum Zünden bzw. Löschen von elektrischen Gasentladungen,
insbesondere zum Betreiben von Gaslasern, wobei die Gasentladung zwi
schen zwei in einem Gasentladungsraum angeordneten Elektroden ausgelöst
wird, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erzeugung von Hochfre
quenz, wobei die Hochfrequenz zur Auslösung der Gasentladung in den
Gasentladungsraum (3) einkoppelbar ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anord
nung zur Erzeugung einer Hochfrequenz durch ein Mikrowellen-Magnetron
gebildet ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfre
quenz-Energie (9) über eine Hohlleiter (2) oder über eine Koaxialleitung,
über einen dielektrischen Wellenleiter oder eine Strahlenwellenleitung dem
Gasentladungsraum (3) zugeführt wird.
4. Verfahren zum Zünden bzw. Löschen von elektrischen Gasentladungen,
insbesondere zum Betreiben von Gaslasern, mittels einer Anordnung nach
einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den
Elektroden (15) eine Gleich- oder Wechselspannung solcher Amplitude ein
gestellt wird, daß diese für sich genommen gerade noch nicht zum Zünden
der Gasentladung ausreicht, und daß zum Zünden Hochfrequenzenergie (9)
zugeführt und die Energiezufuhr während der gewünschten Entladungs
dauer aufrecht erhalten wird, wohingegen zum Löschen die Zufuhr von
Hochfrequenzenergie (9) eingestellt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfre
quenzenergie (9) in Form von Mikrowellenstrahlung eines Magnetrons zu
geführt wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19944440130 DE4440130A1 (de) | 1994-11-10 | 1994-11-10 | Anordnung und Verfahren zum Zünden bzw. Löschen von Gasentladungen, insbesondere bei Gaslasern |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19944440130 DE4440130A1 (de) | 1994-11-10 | 1994-11-10 | Anordnung und Verfahren zum Zünden bzw. Löschen von Gasentladungen, insbesondere bei Gaslasern |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4440130A1 true DE4440130A1 (de) | 1996-05-15 |
Family
ID=6532947
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19944440130 Withdrawn DE4440130A1 (de) | 1994-11-10 | 1994-11-10 | Anordnung und Verfahren zum Zünden bzw. Löschen von Gasentladungen, insbesondere bei Gaslasern |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4440130A1 (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19851628B4 (de) * | 1998-11-10 | 2004-04-15 | Attila M. Dipl.-Phys. Bilgic | Streifenleitungsanordnung mit integrierten Gaszuführungen für mikrowelleninduzierte Plasmaquellen zur Anwendung in der analytischen Atomspektrometrie |
DE102008018589A1 (de) * | 2008-04-08 | 2009-11-05 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Verfahren und Vorrichtung zum Zünden eines Lichtbogens |
-
1994
- 1994-11-10 DE DE19944440130 patent/DE4440130A1/de not_active Withdrawn
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19851628B4 (de) * | 1998-11-10 | 2004-04-15 | Attila M. Dipl.-Phys. Bilgic | Streifenleitungsanordnung mit integrierten Gaszuführungen für mikrowelleninduzierte Plasmaquellen zur Anwendung in der analytischen Atomspektrometrie |
DE102008018589A1 (de) * | 2008-04-08 | 2009-11-05 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Verfahren und Vorrichtung zum Zünden eines Lichtbogens |
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Legal Events
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---|---|---|---|
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