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Die
Erfindung betrifft einen Gaslaser.
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Gaslaser
sind auf dem Fachgebiet im allgemeinen bekannt, wobei ein Lasergas
durch eine elektrische Leistungsquelle angeregt wird, um eine Längsentladung
von Licht zu erzeugen. In einer typischen Struktur ist das Lasergas
innerhalb einer Röhre
mit einer Laserentladungszone, die in dieser zwischen einem Paar
von Laserelektroden festgelegt ist, enthalten. Das Lasergas wird
durch Anlegen einer relativ hohen Spannung angeregt, was zur Erzeugung von
Licht führt,
das durch geeignete optische Elemente gerichtet werden kann, um
einen Laserstrahl bereitzustellen. Der Laser wird normalerweise
in einer gepulsten Weise betrieben oder gezündet, indem eine Hauptelektrodenschaltung
mit der elektrischen Leistungsquelle mit einer ausgewählten Betriebsfrequenz
verbunden wird. Ein Zirkulationsgebläse ist üblicherweise innerhalb der
Laserröhre
zur Zirkulation des Gasgemisches durch die Laserentladungszone vorgesehen.
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Während des
Laserbetriebs werden Staubteilchen innerhalb der Röhre erzeugt,
insbesondere in einem Excimerlaser. Diese Staubteilchen werden durch
eine Kombination aus Erosion von Metall- und Isolatormaterialkomponenten
wie z.B. den Elektroden in der Laserentladungszone und chemischer Korrosion
der Komponenten durch das aggressive Lasergas erzeugt. Staub innerhalb
des Gases muß vermieden
werden, da es das im Gasentladungsspalt zwischen den Elektroden
in Resonanz tretende Licht streut, wodurch die Laserlicht-Ausgangsleistung
signifikant gesenkt wird. Überdies
können
sich die Staubteilchen auf den optischen Elementen ansammeln, was
zu einer potentiell signifikanten Verringerung der Leistung des
aus der Röhre
ausgelassenen Lichtstrahls führt.
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Eine
Vielfalt von Staubteilchen-Filtersystemen wurden bei einem Versuch,
die Auswirkung der Staubteilchenerzeugung auf den Laserbetrieb zu
verringern, vorgeschlagen. Aus DE-C-32 12 928 ist ein Gaslaser bekannt,
bei dem eine externe elektrische Entstaubungsvorrichtung montiert
ist, um Staubteilchen aus dem Lasergas zu entfernen. Solche Systeme
sind jedoch bezüglich
der Anordnung der strukturellen Komponenten und einer zugehörigen Zirkulation
des Lasergases zu und von dem Lasergehäuse relativ komplex. Das US-Patent
5 319 663 beschreibt einen Gaslaser mit einer elektrostatischen
Entstaubungsvorrichtung, die direkt innerhalb des Lasergehäuses montiert
ist, für
eine Durchfluß-Gaszirkulation während des
Laserbetriebs. Diese Vorrichtungen waren jedoch im Betrieb nicht
sehr effizient, wobei sie typischerweise nur einen kleinen Anteil
des erzeugten Staubs, der innerhalb des Gasdurchflussstroms mitgerissen
wird, während
jeder Durchströmung
durch diese sammelten. Da der ganze Gasstrom, der innerhalb der
Röhre zirkuliert,
durch diese elektrostatische Entstaubungseinheit strömen muß, werden überdies innerhalb
des Gasstroms unerwünschte
Turbulenzen erzeugt. Ferner offenbart das US-Patent 5 729 564 einen
Gasentladungslaser innerhalb eines Gehäuses, das einen elektrostatischen
Abscheider für
den Durchflußdurchgang
des durch ein Gebläse
zirkulierten Lasergases aufnimmt. Da jedoch der gesamte Strom durch
den Abscheider strömt,
werden innerhalb des Gasstroms während
des Laserbetriebs Turbulenzen erzeugt. Außerdem weist der Abscheider eine
Struktur mit großer
Größe auf und
erfordert daher zu viel Raum innerhalb des Gehäuses.
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Entladungseinheiten
für einen
Gaslaser wurden auch in den US-Patenten 5 319 663 und
US 5 729 564 beschrieben.
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Beide
Dokumente zeigen eine Entstaubungseinheit, die innerhalb der Laserröhre in der Nähe zu einer
Zirkulationseinrichtung und auf der Innenseite eines Handwerksteils
der Röhre,
der das Lasergas des Gaslasers enthält, angeordnet ist. Diese Entstaubungseinheiten
wurden aus elektrisch geladenen Teilen zusammengesetzt, die im Gasstrom, der
innerhalb der Röhre
des Gaslasers zirkuliert, angeordnet waren. Beide Entstaubungseinheiten
wurden im Gasstrom angeordnet, ohne daß irgendeine Führungseinrichtung
sicherstellte, daß der
Gasstrom, der die Entstaubungseinrichtung umging, nicht durch das
elektrische Feld der Entstaubungseinheit und die Störungen,
die durch die Entstaubungseinheit selbst im Gasstrom eingeführt wurden, beeinflußt wurde.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines
Gaslasers und einer Entstaubungseinheit für denselben, wobei eine kontinuierliche
Zirkulation des Gasstroms innerhalb des Gaslasers erzielt wird,
während
der Gaslaser eine verringerte, sehr kompakte Größe aufweist.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung, die in Anspruch 1 definiert ist, umfaßt der Gaslaser eine Röhre, die
ein Gasgemisch, einschließlich
eines Lasergases und möglicherweise
eines Puffergases, enthält.
Die Röhre
umfaßt
vorzugsweise eine zylindrische Innenwand. Eine langgestreckte Hochspannungselektrode
ist innerhalb der Röhre
angeordnet und erstreckt sich parallel zur Längsachse der Röhre. Eine
langgestreckte Erdelektrode ist auch innerhalb der Röhre angeordnet
und erstreckt sich parallel zur Hochspannungselektrode. Die Erdelektrode
ist von der Hochspannungselektrode beabstandet, um dadurch einen
Gasentladungsspalt dazwischen festzulegen. Eine Zirkulationseinrichtung
wie z.B. ein Gebläse
ist innerhalb der Röhre
zum Erzeugen einer Gasströmung
innerhalb der Röhre,
die zwischen den Elektroden strömt,
angeordnet. Und eine Entstaubungseinheit ist entlang der zylindrischen
Innenwand der Röhre
derart montiert, daß eine
Abzweigströmung,
die ein Teil der Gasströmung
innerhalb der Röhre
ist, durch die Entstaubungseinheit strömt. Die zylindrische Innenwand
der Röhre
weist einen kreisförmigen
Querschnitt auf. Dies ermöglicht,
daß die Gasströmung effizient
innerhalb der Röhre
während des
Laserbetriebs mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit
der Gasströmung
strömt.
Die Entstaubungseinheit umfaßt
eine Trennwand, die einen im wesentlichen kreisförmigen Mittelabschnitt aufweist, der
sich im wesentlichen parallel zur zylindrischen Innenwand erstreckt.
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Die
Anordnung und Konstruktion der Trennwand ermöglicht, daß die Gasströmung die
Abzweigströmung
zwischen der Trennwand und der zylindrischen Innenwand zum Entstauben
der Abzweigströmung
genau steuert.
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Für eine wirksame
Entstaubung reicht es aus, wenn nur ein geringer Teil der ganzen
Gasströmung
durch die Entstaubungseinheit geleitet wird.
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Die
langgestreckte Hochspannungselektrode und Erdelektrode sind vorzugsweise
an derselben Elektrodenplatte montiert, um dadurch eine modulare Entladungseinheit
zu bilden. Die Entladungseinheit kann dann entnehmbar in die Röhre eingesetzt
werden.
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Durch
Leiten nur eines Teils der Gasströmung innerhalb der Laserröhre durch
die Entstaubungseinheit werden Turbulenzen innerhalb des zirkulierenden
Gases vermieden, was zu einer kontinuierlichen Gaszirkulation innerhalb
der Röhre
während des
Laserbetriebs führt.
Daher wird der elektrische Gasentladungsspalt zwischen den zwei
Elektroden mit einer kontinuierlichen Gasströmung versehen, um eine wirksame
Ionisation des Lasergases zu erreichen.
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Da
die Entstaubungseinheit entlang der zylindrischen Innenwand der
Röhre montiert
ist, kann außerdem
die strukturelle Größe des Gaslasers
gegenüber
Konstruktionen des Standes der Technik verringert werden. In einem
besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist die Entstaubungseinheit direkt an
der Röhre
montiert und in diese integriert, um einen kompakten und betriebseffizienten
Gaslaser bereitzustellen. Die Zentrifugalkraft der Abzweiggasströmung in
Richtung der zylindrischen Röhreninnenwand
benachbart zur Entstaubungseinheit hilft, die Staubteilchen an diesem zylindrischen
Wandteil effektiv anzuordnen, ohne diese Strömung in einer unerwünschten
Richtung abzulenken. Da die Entstaubungseinheit die Staubteilchen
elektrostatisch auflädt,
bleiben sie an dem zylindrischen Wandteil der Röhre haften.
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Die
Abzweigströmung
wird durch einen Mündungsteil
mit einem im wesentlichen konstanten Querschnitt und einer festgelegten
Orientierung bezüglich
der Trennwand und der zylindrischen Innenwand gerichtet, so daß eine effiziente
und gleichmäßige Entstaubung
der Abzweigströmung
sichergestellt wird. Die restliche oder Hauptgasströmung wird entlang
der Seite der Trennwand, die von der zylindrischen Innenwand abgewandt
ist, geführt.
Diese Hauptgasströmung
wird kontinuierlich zusammen mit der sich anschließenden entstaubten
Abzweigströmung
zur Zirkulationseinrichtung geliefert. Die Zirkulationseinrichtung
zirkuliert das Gas wieder durch den Entladungsspalt und dann durch
die Entstaubungseinheit, wo es wiederum in eine Hauptströmung und
eine Abzweigströmung
zum Entstauben derselben aufgeteilt wird.
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Die
Entstaubungseinheit umfaßt
vorzugsweise einen U-förmigen
Kanal, der sich parallel zu den Elektroden erstreckt und durchlöcherte Wände aufweist,
die ermöglichen,
daß die
Abzweigströmung
die Wand des U-förmigen
Kanals durchdringt. Der U-förmige
Kanal kann kompakt ausgebildet sein und kann leicht an der Entstaubungseinheit
montiert werden. Die durchlöcherten
Wände des
U-förmigen Kanals verbessern
die elektrostatische Aufladung der Staubteilchen durch ein elektrostatisches
Feld zum Anhaften an der Röhreninnenwand.
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Um
innerhalb der Entstaubungseinheit ein inhomogenes elektrisches Feld
zum elektrostatischen Aufladen der Staubteilchen zu erzeugen, kann sich
ein Hochspannungsdraht der Länge
nach zwischen den zwei benachbarten Wänden des U-förmigen Kanals
erstrecken und mit einer positiven Hochspannung versorgt werden.
Daher werden die Staubteilchen der Abzweigströmung elektrostatisch aufgeladen
und von der geerdeten zylindrischen Innenwand der Röhre angezogen,
so daß die
Abzweigströmung
innerhalb der Entstaubungseinheit zuverlässig gefiltert wird.
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Für eine verbesserte
Effizienz der Entstaubung der Abzweigströmung können sich eine Vielzahl von
U-förmigen
Kanälen
entlang der Länge
der Röhre
in einer parallelen, beabstandeten Beziehung miteinander erstrecken.
Ferner kann ein Hochspannungsdraht zwischen den Wänden von
einem oder mehreren der U-förmigen Kanäle angeordnet
sein. Daher werden die Staubteilchen an mehreren Stellen innerhalb
der Entstaubungseinheit elektrostatisch aufgeladen und entlang der
ganzen zylindrischen Innenwand im Bereich der Entstaubungseinheit
eingefangen. Dies führt
zu einer verbesserten Effizienz der Entstaubungseinheit.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
Erfindung erstreckt sich die elektrische Gasentladungseinheit entlang
einer Seite der zylindrischen Wand, während sich die Entstaubungseinheit
entlang der entgegengesetzten Seite der zylindrischen Innenwand
erstreckt. Durch diese Anordnung der Gasentladungseinheit in bezug
auf die Entstaubungseinheit wird eine geeignete Entstaubungswirkung
erzielt, da die Zeitsteuerung und die Druckanteile der Gasströmung während des
Laserbetriebs derart gesteuert werden, daß eine ausreichend klare Gasströmung zur
Entladungseinheit geliefert wird. Außerdem wird der Raum innerhalb
der Röhre
des Gaslasers zum Montieren der Komponenten des Lasers funktional
genutzt.
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Vorzugsweise
ist die Zirkulationseinrichtung ein radiales Gebläse, das
sich entlang des Teils der zylindrischen Wand erstreckt, der sich
zwischen der Entladungseinheit und der Entstaubungseinheit erstreckt.
Daher wird die Zirkulation der Gasströmung optimiert und der Gaslaser
kann derart konstruiert werden, daß seine Größe verringert wird.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
Erfindung weist die äußere Kontur
der Entladungseinheit einen kreisförmigen Abschnitt auf, der einen
Abschnitt des radialen Gebläses
derart aufnimmt, daß die
Auslaßseite
des radialen Gebläses nahe
dem elektrischen Entladungsspalt angeordnet ist. Dies ermöglicht,
daß eine
ausreichende Menge an Gasströmung
zum elektrischen Entladungsspalt zwischen den Elektroden der Entladungseinheit
geliefert wird, wobei die Gasströmung
in der Entstaubungseinheit effizient von Staubteilchen gereinigt wurde.
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Es
ist bevorzugt, wenn der Gaslaser ein Excimerlaser ist. Excimerlaser
stellen Laserstrahlung mit hoher Intensität im ultravioletten Spektralbereich bereit.
Dies macht sie zu wichtigen Werkzeugen insbesondere für medizinische
und chirurgische Anwendungen sowie für die Lithographie mit hoher
Auflösung.
Excimerlaser sind Gasentladungslaser, die ein seltenes Gas wie z.B.
Argon und ein Halogenidgas wie z.B. Fluor (beispielsweise ArF-Excimerlaser) oder
ein Gas, das ein Halogenid (beispielsweise F2) enthält, als
Lasergas verwenden. Um die Homogenität der Gasentladung zu erhöhen, wird
in Excimerlasern eine Vorionisation des Lasergases durch Vorionisationseinrichtungen
verwendet. Da sich das verwendete Lasergas regenerieren muß, bevor
es wiederverwendet werden kann, werden Excimerlaser im allgemeinen
in einer gepulsten Betriebsart betrieben, in der das Lasergas im
Entladungsspalt stetig durch das Zirkulationsmittel ausgetauscht
wird.
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Die
obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in
Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen
ersichtlich, in denen gleiche Teile oder Elemente mit gleichen Bezugszeichen
gekennzeichnet sind.
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1 ist
eine teilweise aufgeschnittene Seitenansicht eines Excimerlasers
gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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2 ist
eine Querschnittsansicht des Excimerlasers in 1 entlang
der Linie 2-2;
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3a zeigt
eine Seitenansicht einer Entladungseinheit gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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3b zeigt
eine Vorderansicht der Entladungseinheit von 3a;
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3c zeigt
eine Draufsicht auf die Entladungseinheit von 3a;
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4 zeigt
einen detaillierten Querschnitt der Entladungseinheit gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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5a zeigt
eine perspektivische Ansicht eines U-förmigen Kanals der in 2 dargestellten Entstaubungseinheit;
und
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5b zeigt
eine Stirnansicht eines U-förmigen
Kanals der in 2 dargestellten Entstaubungseinheit.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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Wie
in 1 bis 2 gezeigt, umfaßt ein Gaslaser 100 gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung eine Röhre 101,
eine Entladungseinheit 102, die in die Röhre 101 eingesetzt
ist, eine Zirkulationseinrichtung 201 wie z.B. ein radiales Gebläse zum Erzeugen
einer Gasströmung
innerhalb der Röhre 101 und
eine Entstaubungseinheit 202 zum Entstauben der Gasströmung. Die
Röhre 101 enthält ein Gasgemisch
mit einem Lasergas und vorzugsweise einem Puffergas. Während des
Betriebs wird das Gasgemisch durch das radiale Gebläse 201 innerhalb
der Röhre 101 zirkuliert.
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Die
Zirkulationseinrichtung 201 ist vorzugsweise ein radiales
Gebläse,
aber eine andere bekannte Einrichtung zum Zirkulieren von Lasergasen in
Gaslasern kann auch in Verbindung mit der Erfindung verwendet werden.
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Die
Entladungseinheit 102 ist vorzugsweise als modulare Einheit
in der Röhre 101 montiert
und umfaßt
eine Hochspannungselektrode 104 und die Erdelektrode 105.
Die Hochspannungselektrode 104 und die Erdelektrode 105 sind
voneinander beabstandet, wodurch ein Gasentladungsspalt 106 festgelegt
wird. Eine Hochspannung wird über
eine Vielzahl von Hochspannungskanälen 107, die die Hochspannungselektrode 104 tragen,
an die Hochspannungselektrode 104 angelegt. Jeder Hochspannungskanal 107 umfaßt einen
leitenden Kern 108 und ein Isolatorelement 110,
das um den leitenden Kern 108 angeordnet ist. Jeder Hochspannungskanal 107 ist
an der Hochspannungselektrode 104 befestigt. Die Hochspannungskanäle können an
der Hochspannungselektrode unter Verwendung einer beliebigen geeigneten
Befestigungseinrichtung befestigt sein. Ein Zapfen 112 mit
Doppelgewinde kann beispielsweise verwendet werden, um die Elektrode 104 an
jedem leitenden Kern 108 jedes Kanals 107 zu befestigen.
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Ferner
ist die Entladungseinheit 102 mit einer langgestreckten
Elektrodenplatte 111 versehen. Die Elektrodenplatte 111 umfaßt Löcher, durch
die sich die Hochspannungskanäle 107 so
erstrecken, daß sie
mit der Hochspannungselektrode 104 verbunden werden. Jeder
Hochspannungskanal 107 ist an der Elektrodenplatte 111 durch
eine geeignete Befestigungseinrichtung wie z.B. Schrauben 113 befestigt.
Fachleute werden jedoch erkennen, daß eine beliebige geeignete
Befestigungseinrichtung verwendet werden kann, um die Kanäle 107 an
der Elektrodenplatte 111 zu befestigen.
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Die
Erdelektrode 105 wird über
eine Vielzahl von Strömungsführungen 209,
auf die später
wieder Bezug genommen wird, von der Elektrodenplatte 111 getragen
oder ist an dieser montiert.
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Die
Isolatorelemente 110 bestehen vorzugsweise aus einem Keramikmaterial.
Wahlweise können
sie jedoch aus anderen Isolationsmaterialien bestehen, einschließlich beispielsweise
einem Fluoridmaterial. Sie weisen eine Form auf, die sich konisch in
Richtung der Hochspannungselektrode 104 aufweitet, und
umfassen eine gerippte Oberfläche,
um einen Kriechweg zu vergrößern, der
sich entlang der Oberfläche
erstreckt. Dies hilft, einen Oberflächenüberschlag zwischen der Hochspannungselektrode 104 und
der geerdeten Elektrodenplatte 111 zu verhindern.
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Wie
in 2 dargestellt, umfaßt die Entladungseinheit 102 vorzugsweise
auch eine Schattenplatte 210, die zwischen dem Gasentladungsspalt 106 und
dem Isolatorelement 110 angeordnet ist, zum Schützen des
Isolatorelements 110 vor der Korrosionswirkung des Lasergases
und der Laserstrahlung. Die Schattenplatte 210 besteht
vorzugsweise aus einem Metall wie z.B. Aluminium.
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Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist die Schattenplatte 210 zwischen die Hochspannungselektrode 104 und
das Isolatorelement 110 der Kanäle 107 eingefügt. Vorzugsweise
erstreckt sich die Schattenplatte 210 entlang des gesamten
Gasentladungsspalts 106 und ist in einer solchen Weise
montiert, daß sie
das Isolatorelement zumindest teilweise vor der aus dem Gasentladungsspalt 106 ausgestrahlten
Laserstrahlung abschirmt.
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Mit
Bezug auf die 2 und 3a weist
die Schattenplatte 210 vorzugsweise eine langgestreckte
plattenartige Form auf und umfaßt
einen mittleren Teil 209, einen ersten Kantenteil 211 und
einen zweiten Kantenteil 212. Der mittlere Teil 209 erstreckt
sich der Länge
nach in einer Richtung parallel zum Gasentladungsspalt 106 und
senkrecht zu den Kernen 108 der Hochspannungskanäle 107.
Die Kantenteile 211 und 212 sind an den Längskanten
der Schattenplatte 210 angeordnet und sind bezüglich des
mittleren Teils 209 um einen kleinen Winkel von etwa 20 Grad
vorzugsweise in Richtung der Isolatorelemente 110 gebogen.
Obwohl die Schattenplatte 210 vorzugsweise langgestreckt
ist, wie vorstehend beschrieben, kann sie ebenso eine Vielfalt anderer
Formen aufweisen. Eine Vielzahl von Schattenplatten 210 könnten beispielsweise
anstelle einer langgestreckten Schattenplatte verwendet werden,
die sich entlang des Entladungsspalts erstreckt. In einem solchen
Fall wären
die Schattenplatten vorzugsweise kreisförmig und hätten ein Querschnittsaussehen, das
mit dem in 2 gezeigten konsistent ist.
Folglich könnte
eine kreisförmige
Schattenplatte 210 zwischen die Elektrode 104 und
jedes Isolatorelement 110 der Hochspannungskanäle 107 eingefügt werden.
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Wie
am besten in 2 zu sehen ist, kann die Schattenplatte 209 zwischen
die Hochspannungselektrode 104 und die inneren Enden 404 der Kerne 108 der
Hochspannungskanäle 107 eingefügt werden,
so daß die
Längsachse
des mittleren Teils 209 (oder der Mitte im Fall einer kreisförmigen Schattenplatte)
mit der Mittelachse der Hochspannungselektrode 104 zusammenfällt.
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Obwohl
die Schattenplatte 210 vorzugsweise zwischen die Hochspannungselektrode 104 und die
inneren Enden 404 der Kerne 108 eingefügt ist, wie
in 2 dargestellt, dient die Schattenplatte 210, wie
Fachleute erkennen werden, ihrer gewünschten Funktion, solange sie
zwischen den Entladungsspalt 106 und die Isolatorelemente 110 eingefügt ist.
Somit ist die Positionierung der Schattenplatte 210 nicht
auf die in 2 dargestellte Position begrenzt.
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Die
Schattenplatte 210 kann zwischen die Elektrode 104 und
die Kerne 108 eingefügt
werden, indem der mittlere Teil 209 mit einer Vielzahl
von Löchern 213,
vorzugsweise entlang der Längsachse des
mittleren Teils 209, versehen wird und dann die Hochspannungselektrode 104 an
den Kernen 108 durch die Löcher 213 hindurch
unter Verwendung einer geeigneten Befestigungseinrichtung befestigt wird.
Somit entsprechen der Abstand und die Anzahl der Löcher 213 dem
Abstand und der Anzahl von Hochspannungskanälen 107. Im vorliegenden
Ausführungsbeispiel
werden Stiftbolzen 112 mit Gewinden an beiden Enden verwendet,
um die Elektrode 104 an den Kernen 108 zu befestigen.
Ein Ende des Stiftbolzens 112 wird in ein Gewindeloch 124 eingesetzt,
das im jeweiligen Kern 108 vorgesehen ist. Das zweite Ende
des Stiftbolzens 112 wird in ein weiteres Gewindeloch 126 eingesetzt,
das in der Gegenfläche 128 der
Hochspannungselektrode 104 vorgesehen ist, die dem inneren
Ende 404 des Kerns 108 und der Schattenplatte 210 zugewandt
ist. Wenn eine kreisförmige
Schattenplatte verwendet wird, wird jede Schattenplatte mit einem
einzelnen Loch 213 in der Mitte der Schattenplatte versehen
und eine Schattenplatte wird für
jeden im Laser verwendeten Hochspannungskanal verwendet.
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Die
Schattenplatte 210 weist vorzugsweise eine Strömungsführungsform
auf, um zu helfen, das Lasergasgemisch in den Gasentladungsspalt 106 zu führen.
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Eine
bevorzugte Art und Weise zum Zusammenfügen der Elektrodenanordnung
der vorliegenden Erfindung mit der Schattenplatte wird nun beschrieben.
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Zuerst
wird ein Ende eines Stiftbolzens 112 in jedes der Gewindelöcher geschraubt,
die an der Gegenfläche 128 der
Hochspannungselektrode 104 vorgesehen sind, so daß das andere
Ende jedes Stiftbolzens 112 aus der Gegenfläche 128 heraussteht.
Dann wird die Schattenplatte 210 an der Gegenfläche 128 der
Hochspannungselektrode 104 so angeordnet, daß die Stiftbolzen 112 in
die Löcher 213 in
der Schattenplatte 210 eingesetzt werden. Wenn eine kreisförmige Schattenplatte
verwendet wird, dann wird alternativ eine Schattenplatte 210 über jeden
der Stiftbolzen 112 aufgesetzt. Nachdem sich die Schattenplatte 210 an
der Stelle befindet, wird ein Kern 108 der Hochspannungskanäle 107 auf
die Schattenplatte 210 abgesenkt, so daß das Ende von einem der Stiftbolzen,
das von der Elektrode hervorragt, teilweise in das Gewindeloch 124 eintritt,
das im inneren Ende 404 des Kerns 108 des Hochspannungskanals 107 vorgesehen
ist. Anschließend
wird der Kern 108 um seine Längsachse, d.h. um die Längsachse
des Stiftbolzens 112, gedreht, um den Kern 108 auf
den Stiftbolzen 112 zu schrauben. Folglich wird der Kern 108 auf
die Schattenplatte 210 abgesenkt und die Schattenplatte 210 wird
schließlich zwischen
der Oberseite 128 der Hochspannungselektrode 104 und
dem inneren Ende 404 des Kerns 108 gehalten. Zusätzliche
Hochspannungskanäle 107 mit
Kernen 108 werden an den restlichen Stiftbolzen 112 in
derselben Weise wie vorstehend beschrieben befestigt.
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Im
Fall einer langgestreckten Schattenplatte werden, bevor die Kerne 108 fest
auf die Stiftbolzen 112 geschraubt werden, mindestens zwei
der Kerne 108 locker auf ihre entsprechenden Stiftbolzen 112 geschraubt.
Nachdem die Schattenplatte 210 korrekt angeordnet ist,
werden dann alle Kerne 108 fest hinabgeschraubt, um die
Schattenplatte 210 an der Stelle zu verriegeln.
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Benachbart
zur Hochspannungselektrode 104 sind zwei Vorionisationseinrichtungen 206 vorgesehen,
die zum Vorionisieren des Lasergases dienen, um eine größere Homogenität der Gasentladung
im Entladungsspalt 106 sicherzustellen.
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Die
Vorionisationseinrichtungen 206 sind vorzugsweise Vorionisationseinrichtungen
vom Koronatyp und erstrecken sich im wesentlichen parallel zur Hochspannungselektrode.
Die Vorionisationseinrichtungen 206 weisen eine koaxiale
Form mit einem leitenden Kern, der von einem röhrenförmigen Isolator umgeben ist,
auf.
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Die
Vorionisationseinrichtungen vom Koronatyp können unmittelbar benachbart
zur Hochspannungselektrode montiert werden. Insbesondere, wie in 2 gezeigt,
sollten die Vorionisationseinrichtungen vom Koronatyp an den entgegengesetzten
Kanten der Hochspannungselektrode montiert werden, so daß sie benachbart
zur Elektrodenfläche
der Hochspannungselektrode, die der Erdelektrode zugewandt ist,
angeordnet werden.
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Obwohl
Vorionisationseinrichtungen vom Koronatyp zur Verwendung als Vorionisationseinrichtungen 206 in
Verbindung mit der vorliegenden Erfindung bevorzugt sind, werden
Fachleute erkennen, daß beliebige
der auf dem Fachgebiet bekannten Vorionisationseinrichtungen verwendet
werden können. Ferner
kann der Isolator der Vorionisationseinrichtungen Teflon® oder
ein beliebiger geeigneter Isolator sein, aber er ist vorzugsweise
ein Keramikmaterial. Er kann auch ein Fluoridmaterial sein. Alternativ
kann eine beliebige andere Art von bekannter Vorionisationseinrichtung
verwendet werden. Die Vorionisationseinrichtungen sind nicht notwendig,
damit die Entladungseinheit arbeitet. Tatsächlich waren Excimerlaser vor
der Erfindung von Vorionisationseinrichtungen bekannt. Die Vorionisation
macht jedoch die Gasentladung zwischen der Hochspannungselektrode
und der Erdelektrode homogener und somit zuverlässiger.
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Die
Hochspannungselektrode 104 und die Erdelektrode 105 sind
vorzugsweise an einer Elektrodenplatte montiert, um eine modulare
Entladungseinheit zu bilden. Die vorliegende Erfindung ist nicht so
begrenzt. Wie Fachleute erkennen werden, wurden eine Vielzahl von
Verfahren zum Montieren einer langgestreckten Hochspannungselektrode
und einer langgestreckten Erdelektrode in einer parallelen, beabstandeten
Beziehung in einer Gaslaserröhre
verwendet, um einen Gasentladungsspalt dazwischen festzulegen. Fachleute
werden erkennen, daß diese anderen
Verfahren auch in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet
werden können.
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Während des
Betriebs tritt innerhalb des Gasentladungsspalts 106 zwischen
den Elektroden 104, 105 eine elektrische Gasentladung
auf, die wiederum Laserlicht erzeugt. Die durch das radiale Gebläse 201 erzeugte
Gasströmung
strömt
zwischen den zwei Elektroden 104, 105 durch, wodurch
kontinuierlich frisches Lasergas zum Gasentladungsspalt 106 geliefert
wird.
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Mit
Bezug auf 2 erstrecken sich die Entladungseinheit 102 und
die Entstaubungseinheit 202 vorzugsweise entlang entgegengesetzter
Seiten einer Innenwand 140 der Röhre 101. Die Innenwand 140 ist
vorzugsweise zylindrisch, so daß sie über die gesamte
Länge der
Röhre 101 einen
kreisförmigen Querschnitt
aufweist. Das radiale Gebläse 201 ist entlang
eines Teils der zylindrischen Innenwand 140 montiert, der
sich zwischen der Entladungseinheit 102 und der Entstaubungseinheit 202 erstreckt.
Um zu helfen, die Größe der Lasereinheit 100 zu
verringern, ist die Entladungseinheit 102 vorzugsweise
bemessen, um einen Abschnitt des radialen Gebläses 201 derart aufzunehmen,
daß die
Auslaßseite
des radialen Gebläses 201 in
unmittelbarer Nähe
zum Gasentladungsspalt 106 angeordnet werden kann. Im vorliegenden
Ausführungsbeispiel
sind beispielsweise Strömungsführungen 209 mit
einem konkav ausgebildeten bogenförmigen Abschnitt 220 versehen, so
daß die
Auslaßseite
des radialen Gebläses 201 in unmittelbarer
Nähe zum
Entladungsspalt 106 angeordnet werden kann.
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Die
Lasereinheit 100 ist auch vorzugsweise mit zwei gekrümmten, langgestreckten
Führungsplatte 205 versehen.
Die gekrümmten
Führungsplatten 205 sind
symmetrisch an der Röhreninnenwand 140 auf
entgegengesetzten Seiten der Röhre 101 befestigt.
Die Führungsplatten 205 sind
in der Längsrichtung
der Röhre 101 langgestreckt.
Wie in 2 dargestellt, sind die Führungsplatten 205 ferner
gekrümmt,
um das von der Auslaßseite
des Gebläses 201 austretende
Gas durch den Gasentladungsspalt 106 zu führen und
dann das Gas zur Einlaßseite
des Gebläses 201 zurückzuführen.
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Die
Entstaubungseinheit 202 umfaßt eine langgestreckte Trennwand 230,
die einen im wesentlichen kreisförmigen
Mittelabschnitt 232 aufweist, der sich im wesentlichen
parallel zur zylindrischen Innenwand 140 erstreckt. Das
Ende 234 der Trennwand 230, das sich zur Auslaßseite der
Entstaubungseinheit 202 erstreckt, ist in Richtung der
zylindrischen Innenwand 140 der Röhre 101 gebogen. Eine
Vielzahl von langgestreckten, U-förmigen Kanälen 204 sind in einer
parallelen, beabstandeten Beziehung zueinander auf der konvexen
Seite 238 des Mittelabschnitts 232 der Trennwand 230 montiert.
Folglich erstrecken sich die Schenkel 236 der U-förmigen Kanäle 204 in einer
zu den Elektroden 104, 105 der Entladungseinheit 102 parallelen
Richtung. Wie am besten in 5a zu
sehen, umfassen die Schenkel 236 der U-förmigen Kanäle 204 eine
durchlöcherte
Wand. Ein Hochspannungsdraht 203 erstreckt sich vorzugsweise
zwischen den zwei durchlöcherten
Wänden 236 jedes
U-förmigen
Kanals 204 und zwischen den perforierten Wänden 236 von
benachbarten U-förmigen Kanälen 204.
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Beim
Betrieb des Gaslasers gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung erzeugt das radiale Gebläse 201 eine
Gasströmung,
die sich entlang der Führungsplatte 205 erstreckt
und durch den Gasentladungsspalt 106 zwischen der Hochspannungselektrode 104 und
der Erdelektrode 105 hindurchtritt, um das Lasergas zu
ionisieren und eine elektrische Gasentladung zum Erzeugen von Laserlicht
zu erzeugen. Die Gasströmung
strömt
dann weiter vom Gasentladungsspalt 106 entlang der zweiten
Führungsplatte 205 und dann
entlang der zylindrischen Innenwand 140 der Röhre 101 in
Richtung der Entstaubungseinheit 202, die auf der entgegengesetzten
Seite der Röhre 101 von
der Entladungseinheit 102 angeordnet ist. Eine Abzweigströmung, die
ein Teil der Gasströmung
innerhalb der Röhre 101 ist,
strömt
durch den Einlaßteil 240 der
Entstaubungseinheit 202, der zwischen der Trennwand 230 und
der zylindrischen Innenwand 140 festgelegt ist. Das Ende 242 der
Trennwand 230, das sich zur Einlaßseite der Entstaubungseinheit 202 erstreckt,
ist geringfügig
in Richtung der zylindrischen Innenwand 140 der Röhre 101 geneigt.
Die Abzweigströmung
trifft auf die durchlöcherten
Wände 236 der
langgestreckten U-förmigen
Kanäle 204 auf und
dringt in diese ein. Folglich werden die in der Abzweigströmung enthaltenen
Staubteilchen durch die Hochspannungsdrähte 203 elektrostatisch
aufgeladen, die dadurch verursachen, daß die Staubteilchen in Richtung
der zylindrischen Innenwand 140 abgelenkt werden. Das Biegen
des Auslassendes 234 der Trennwand 230 in Richtung
der zylindrischen Wand 140 ist vorteilhaft, da es auch
hilft, die Strömung
der aufgeladenen Staubteilchen in Richtung der zylindrischen Wand 140 zu
richten, wo sie haften bleiben.
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Die
gereinigte Abzweigströmung
wird am gebogenen Ende 234 der Trennwand 230 ausgelassen und
dann wieder mit der Hauptgasströmung
vereinigt, die entlang der Seite der Trennwand 230, die von
der zylindrischen Innenwand 140 abgewandt ist, geführt wird.
Die Hauptgasströmung
und die Abzweiggasströmung
werden an der Auslaßseite
der Entstaubungseinrichtung 202 wieder vereinigt, wo die
vereinigten Strömungen
dann dem radialen Gebläse 201 zugeführt werden.
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Durch
Leiten nur eines geringen Teils der Gasströmung innerhalb der Röhre 101 durch
die Entstaubungseinheit 202 wird die Zirkulation des Gases innerhalb
der Laserröhre 101 und
insbesondere innerhalb des Gasentladungsspalts 106 keinen
Turbulenzen unterzogen. Folglich kann eine kontinuierliche Gaszirkulation,
die wenig oder keine Turbulenz aufweist, innerhalb der Röhre 101 während des
Laserbetriebs bereitgestellt werden. Folglich wird der elektrische
Gasentladungsspalt 106 zwischen den zwei Elektroden 104, 105 mit
einer kontinuierlichen Gasströmung
versehen, um eine effektive Ionisation des Gasgemisches zu erzielen.
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Da
die Gasströmung
während
des Betriebs kontinuierlich ist, hat es sich als ausreichend erwiesen,
nur eine geringe Abzweigströmung
durch die Entstaubungseinheit zu leiten, um eine ausreichende Entstaubung
des ganzen Gasgehalts innerhalb der Röhre zu erzielen.
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Mit
Bezug auf die 3a und 3c umfaßt die Entladungseinheit 102 drei
koaxiale wellenleiterartige Hochspannungskanäle 107, die sich durch
Löcher
in der Elektrodenplatte 111 erstrecken. Die Kanäle 107 sind
voneinander beabstandet angeordnet. Die Löcher und die Kanäle 107 weisen
einen kreisförmigen
Querschnitt auf, wie aus 3c zu
sehen ist. Jeder der drei Kanäle 107 ist
in das jeweilige Loch in der Elektrodenplatte 111 mit einer
definierten Toleranz zwischen dem Isolatorelement und dem Loch eingesetzt.
Wie Fachleute erkennen werden, hängt die
Anzahl von in einem speziellen Gaslaser 100 verwendeten
Kanälen
von der Gesamtlänge
des Lasers ab.
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Die
Erdelektrode 105 wird vorzugsweise durch die Elektrodenplatte 111 getragen
oder ist an dieser montiert. Wie in 2 und 3a am
besten zu sehen ist, werden eine Vielzahl von Strömungsführungen 209 für diesen
Zweck verwendet.
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Die
Strömungsführungen 209 bestehen
vorzugsweise aus Metallblechen, die sich zwischen der Elektrodenplatte
und der Erdelektrode in einer zur Längsachse der Elektroden 104, 105 senkrechten Ebene
erstrecken. Die Strömungsführungsplatten 209 umfassen
jeweils einen oberen Flansch 301, einen unteren Flansch 303 und
einen zentralen Strömungsführungsteil 302,
der den oberen Flansch 301 einteilig mit dem unteren Flansch 303 verbindet.
Der obere und der untere Flansch 301, 303 erstrecken sich
senkrecht zueinander und zum zentralen Strömungsführungsteil 302. Der
obere Flansch 301 ist an einer Seitenfläche 304 der Elektrodenplatte 111 befestigt
und der untere Flansch 303 ist an einer Unterseite 305 der
Erdelektrode 105 befestigt. Der zentrale Strömungsführungsteil 302 ist
vorzugsweise aerodynamisch profiliert, um den Strömungswiderstand
und Turbulenzen zu minieren, um eine im wesentlichen laminare Gasströmung zwischen
den Strömungsführungen
aufrechtzuerhalten.
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Der
untere Flansch 303 umfaßt vorzugsweise ein längliches
Loch 306 (nur am Teil der Strömungsführungsplatten 209 gezeigt).
Das Loch 306 ist in einer zur Längsachse der langgestreckten
Erdelektrode 105 senkrechten Richtung länglich. Eine Schraube oder
eine andere Befestigungseinrichtung 307 ist durch das Loch 306 in
ein Gewindeeingriffsloch 308, das in der Erdelektrode 105 vorgesehen
ist, eingesetzt. Das längliche
Loch 306 ermöglicht
Einstellungen der Erdelektrode 105 bezüglich der Hochspannungselektrode 104 im
wesentlichen in der durch den Doppelkopfpfeil 320 in 3c angegebenen
Richtung.
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Der
obere Flansch 301 umfaßt
vorzugsweise ein längliches
Loch 309. Das Loch 309 ist in einer zur Längsachse
der Elektrodenplatte 111 senkrechten Richtung länglich.
Eine Schraube oder eine andere Befestigungseinrichtung 310 ist
durch das Loch 309 in ein Gewindeeingriffsloch 311 eingesetzt,
das in der Hochspannungselektrode 104 vorgesehen ist. Das längliche
Loch 309 ermöglicht
eine Einstellung der Erdelektrode 105 bezüglich der
Hochspannungselektrode 104 im wesentlichen in der durch
den Doppelkopfpfeil 322 in 3a angegebenen
Richtung.
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4 zeigt
einen Querschnitt der Entladungseinheit 102 gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Insbesondere zeigt 4 eine vergrößerte Querschnittsansicht
der in 2 gezeigten Entladungseinheit. Der Blickwinkel ist.
derselbe wie in 3b.
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Jeder
Hochspannungskanal 107 der Laserentladungseinheit 102 umfaßt vorzugsweise
ferner eine Hülse 401,
die den Kern 108 und den Isolator 110 umschließt. Die
Hülse 401 weist
ein inneres Ende 402, das von der Elektrodenplatte 111 abgestützt wird,
und ein äußeres freies
Ende 403 auf. Der Kern 108 weist ein inneres Ende 404,
das mit der Hochspannungselektrode 104 verbunden ist, und
ein äußeres freies
Gewindeende 405, das sich über das freie Ende 403 der
Hülse 401 hinauserstreckt,
auf. Eine Mutter 406 kann auf das Gewindeende 405 geschraubt
werden, wie in 3c und 4 gezeigt, wodurch
die Hülse 401 gegen
die Elektrodenplatte 111 gedrückt wird und der Kern 108 durch
Ziehen desselben gespannt wird. Vorzugsweise wird eine Zwischenlagscheibe 450 zwischen
die Mutter 406 und den Isolator 110 eingefügt, um die
durch die Mutter 406 auf den Isolator 110 aufgebrachten
Spannungen gleichmäßig zu verteilen.
Ein Gewindestiftbolzen 112 wird verwendet, um das innere
Ende 404 des Kerns 108 mit der Hochspannungselektrode 104 zu verbinden.
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Das
innere Ende 404 des Kerns 108 ist mit einem Kernringabsatz 408 versehen,
der gegen das keramische Isolatorelement 110 gedrückt wird,
wenn der Kern 108 unter Spannung gesetzt wird. Eine Dichtung 409 ist
vorzugsweise zwischen dem Ringabsatz 408 und dem keramischen
Isolatorelement 110 vorgesehen.
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Es
wird auch veranlaßt,
daß das
keramische Isolatorelement 110 durch den gespannten Kern 108 über den
Kernringabsatz 408 am inneren Ende 404 des Kerns 108 gegen
die Elektrodenplatte 111 gedrückt wird. Vorzugsweise ist
ein Ringabsatz 410 am Isolatorelement 110 vorgesehen
und eine weitere Dichtung 411 ist zwischen dem keramischen
Isolatorringabsatz 410 und der Elektrodenplatte 11 vorgesehen.
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Um
eine zusätzliche
Abdichtung bereitzustellen, umgibt ein Dichtungsring 412 (siehe
auch 2 und 3c) vorzugsweise jede Hülse 401. Der
Dichtungsring 412 kann so konstruiert sein, daß er einen
Flansch 413 an seinem äußeren Umfang aufweist.
Der Flansch 413 ist so bemessen, daß er durch einen äußeren Rand 414 der
Löcher 150 in
der Röhre 101 abgestützt wird,
durch welche die jeweiligen Kanäle 107 eingesetzt
sind. Die Elektrodenplatte 111 ist dann vorzugsweise mit
einem Ringabsatz 417 versehen, der einem inneren Rand 415 der
Röhre 101 zugewandt
ist. Eine Metalldichtung 416 ist vorzugsweise zwischen
den Absatz 417 und den Rand 415 eingefügt. Wenn
der Ring 412 und die Elektrodenplatte 111 durch
Schrauben 113 verbunden werden, wird folglich eine gasdichte
Abdichtung zwischen dem Absatz 417 und dem inneren Rand 415 der
Röhre 101 vorgesehen.
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Alle
Dichtungen 409, 411 und 416 sind im vorliegenden
Ausführungsbeispiel
ringförmige
Metalldichtungen. Fachleute werden jedoch erkennen, daß die Erfindung
nicht auf die Verwendung von ringförmigen Dichtungen begrenzt
ist.
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Wie
in 1 gezeigt, umfaßt der Laser 100 typischerweise
ferner ein vorderes optisches Element 116, durch das der
Laserstrahl emittiert. Das optische Element 116 kann beispielsweise
in einem optischen System 103 vorgesehen sein, das eine
einstellbare Halterungseinrichtung 117 zum Einstellen der
Position des optischen Elements 116 in bezug auf die Röhre 101 umfaßt. Das
hintere laseroptische System 120 umfaßt ebenso ein optisches Element 116 (nicht
dargestellt) und eine Einstelleinrichtung 117. Das optische
Element 116 des hinteren laseroptischen Systems 120 umfaßt jedoch
vielmehr einen vollständig
reflektierenden Spiegel als einen teilweise reflektierenden Spiegel.
Wie Fachleute erkennen werden, können
das vordere und das hintere optische Element 116 auch direkt
in den Stirnwänden
der Laserröhre 101 montiert
sein. Alternativ können
sie an einstellbaren Halterungsstützen montiert sein, die von
der Laserröhre 101 separat
sind, wie auf dem Fachgebiet bekannt ist.