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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verdampfen von
Substanzen zum Erzeugen eines Dampfes von einer Substanz, die als
ionisierendes oder als anregendes Medium verwendet werden soll,
insbesondere betrifft sie einen Aufbau, der zum Verdampfen einer
Substanz geeignet ist.
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Metalldampf- und Dampfionen-Lasergeräte enthalten solche Vorrichtungen
zum Verdampfen einer Substanz. In Figur 1 ist ein konventionelles
Metalldampf-Lasergerät dargestellt, wie es beispielsweise im 6. Nenji
Taikai Koen Yoko-shu, 21aIIB3, Seiten 60 - 63 (1986), veröffentlicht
wurde. Wie aus der Figur 1 hervorgeht, enthält das
Metalldampf-Lasergerät Entladungselektroden 1a und 1b, eine zylindrische
Entladungsröhre 2, die einen Entladungsraum 3 bildet, in dem ein durch
Verdampfen von Metallstücken 4, z.B. von Kupferstücken, erzeugter
Metalldampf 5 angeregt wird; weiter enthält das Metalldampf-Lasergerät einen
Hitzeschild 6 aus gegen Wärme isolierendem Material wie beispielsweise
Wolle, Resonanzspiegel 7a und 7b zur Laseroszillation, Flansche 8a und
8b, die einen abgedichteten Raum einschließlich einer Vakuumkammer 9
definieren, ein isolierendes Rohr 10, ein Abdichtungsrohr 11, eine
Gaseinlaßöffnung 12a und eine Gasauslaßöffnung 12b.
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Im Betrieb wird über die Elektroden 1a und 1b eine Stoßspannung
angelegt, um im Entladungsraum 3 eine Entladung zu erzeugen, dann wird
ein den Entladungsraum 3 ausfüllendes Puffergas durch die Energie
beschleunigter Ionen und Elektronen erhitzt, um die Metallstücke 4 zu
verdampfen. Die Ionen und Elektronen, die von einer Stoßentladung
beschleunigt wurden und eine hohe Energie haben sowie Atome des
erhitzten Puffergases hoher Temperatur kollidieren mit Atomen des
verdampften Metalls und übertragen ihre Energie, so daß die Atome des
verdampften Metalls so angeregt werden, daß sie ein höheres
Energieniveau erreichen. Der Hitzeschild 6 dient dazu, das Gas auf einer
erwünschten Temperatur zu halten, um im Entladungsraum 3 eine
vorbestimmte Dampfdichte aufrechtzuerhalten. Die Vakuumkammer 9 hat eine
ähnliche Funktion wie der Hitzeschild; sie unterdrückt im wesentlichen
Wärmeverluste durch Konvektion. Licht wird emittiert, wenn das
Energieniveau der Atome des verdampften Metalls auf ein niedrigeres Niveau
oder das Basisenergieniveau absinkt.
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Das emittierte Licht wird optisch von den Resonanzspiegeln 7a und 7b
verstärkt, um einen Laserstrahl zum industriellen Einsatz,
beispielsweise für eine maschinelle Bearbeitung, nach außen abzugeben.
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In Figur 2 sind die Verteilung der Puffergastemperatur und der
Dampfdichte in diametraler und in axialer Richtung des Entladungsraumes 3
eines wie oben aufgebauten Metalldampf-Lasergerätes dargestellt. In
Figur 2 koinzidieren die X-Achse und die Y-Achse mit der diametralen
bzw. axialen Richtung des Entladungsraumes 3. Die Temperatur wird auf
einer T-Achse aufwärts gemessen. Die Mittelachse des Entladungsraumes
3 ist mit 3a bezeichnet, und mit 3b sind diametral entgegengesetzte
Enden des Entladungsraumes bezeichnet. Eine gestrichelte Kurve 1 zeigt
die Temperaturverteilung in axialer Richtung; strichpunktierte Kurven
n&sub1;, n&sub2; und n&sub3; zeigen die Dampfverteilung in diametraler Richtung an,
und durchgezogen gezeichnete Kurven m&sub1;, m&sub2; und m&sub3; geben die
Temperaturverteilung in diametraler Richtung an. Aus der Figur 2 geht hervor,
daß die Temperatur des Puffergases vom mittleren Abschnitt des
Entladungsraumes 3 um die Mittelachse 3a herum in Richtung auf die
Peripherie des Entladungsraumes 3 - dargestellt durch die einander diametral
gegenüberliegenden Enden 3b - abnimmt. Die Temperatur des Puffergases
in der Umgebung der axialen Enden des Entladungsraumes 3 ist niedriger
als in seinem mittleren Abschnitt. Die Sättigungsdampfdichte n&sub0;, die
eine Funktion der Puffergastemperatur ist, ist eine Annäherung an die
Dampfdichteverteilung in der Entladungsröhre 2; die Beziehung zwischen
den die Verteilung der Dampfdichte darstellenden Kurven n&sub1;, n&sub2;, n&sub3;
wird also ausgedrückt durch:
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n&sub1; > n&sub2; = n&sub3;
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Wenn andererseits die Dampfdichte gegenüber der Puffergasdichte
(Puffergasdruck) zunimmt, nimmt die mittlere freie Weglänge der
Elektronen und der Ionen und der neutralen Atome des Puffergases ab,
damit nimmt die kinetische Energie, die die Elektronen und Ionen durch
das von einer Stoßentladung erzeugte elektrische Feld vor der
Kollision mit den Dampfatomen erlangt haben, ab, und wenn die Temperatur
der Dampfatome zu stark zunimmt, nehmen die Dampfatome niedrigeren
Energieniveaus zu, so daß die Besetzungsinversion zwischen der Anzahl
von Dampfatomen höheren Energieniveaus und den Dampfatomen mit
niedrigerem Energieniveau nicht stattfindet. Folglich sind die Elektronen
und Ionen nicht in der Lage, die Dampfatome auf ein Energieniveau
anzuregen, das hoch genug für eine ausreichende Laserverstärkung ist.
Bei diesem konventionellen Metalldampf-Lasergerät tritt der Nachteil
auf, daß die Dampfdichte im mittleren Abschnitt des Entladungsraumes 3
hoch und damit die Laser-Leistungsdichte im mittleren Abschnitt des
Entladungsraumes 3 gering ist.
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Aus DE-A-28 24 761 ist eine Vorrichtung zum Verdampfen einer Substanz
bekannt, die einen Dampf von einer Substanz zur Verwendung als
angeregtes oder ionisiertes Medium in einem Dampfionen-Lasergerät erzeugt;
der Dampf wird durch Erhitzen der Substanz in einem mit Öffnungen
versehenen Behälter in einer gasgefüllten Entladungsröhre erzeugt.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum
Verdampfen einer Substanz vorzuschlagen, die die
Beschleunigungsenergie eines Laser- oder eines Ionenstrahls durch die Verstärkung der
Laserleistung verstärkt, indem die Dampfdichte einer Substanz auf
einem für die Laseroszillation optimalen Wert gehalten wird, das
bedeutet eine verhältnismäßig niedrige Dampfdichte im Vergleich zur
Dichte eines einen Entladungsraum füllenden Puffergases, indem die
Verdampfung der Substanz im Entladungsraum so begrenzt wird, daß die
mittlere freie Weglänge der Atome der verdampften Substanz vergrößert
wird, wodurch die Anzahl der auf ein höheres Energieniveau angeregten
Atome der verdampften Substanz erhöht wird. Die Vorrichtung zum
Verdampfen einer Substanz nach der Erfindung ist im unabhängigen
Anspruch 1 definiert. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den
Unteransprüchen definiert.
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Das Lesen der folgenden Beschreibung, die sich auf die beigefügten
Zeichnungen bezieht, verdeutlicht die vorliegende Erfindung. Die
Ausführungsbeispiele haben den Zweck, die Erfindung zu illustrieren;
sie sollen nicht so ausgelegt werden, daß sie den Umfang der
vorliegenden Erfindung beschränken.
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Figur 1 ist eine schematisierte Schnittzeichnung eines
konventionellen Metalldampf-Lasergerätes,
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Figur 2 ist eine grafische Darstellung, die die
Temperaturverteilung und Dampfdichteverteilung in der Entladungsröhre
einer konventionellen Vorrichtung zum Verdampfen einer
Substanz in diametraler Richtung darstellt,
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Figuren
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3 (a) und
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3 (b) sind Schnittansichten eines wesentlichen Abschnitts einer
Vorrichtung zum Verdampfen einer Substanz in einer ersten
Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung,
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Figuren
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4 (a) und
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4 (b) zeigen perspektivische Ansichten von Modifikationen der
Vorrichtung zum Verdampfen einer Substanz in der ersten
Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung;
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Figur 5 zeigt eine Schnittansicht eines wesentlichen Abschnittes
einer Vorrichtung zum Verdampfen einer Substanz in einer
zweiten Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung,
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Figur 6 zeigt eine perspektivische Ansicht eines in der
Vorrichtung zum Verdampfen einer Substanz verwendeten porösen
Teils nach der zweiten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung,
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Figur 7 zeigt eine geschnittene Ansicht eines wesentlichen
Abschnitts einer Vorrichtung zum Verdampfen einer Substanz
in einer dritten Ausführungsform nach der vorliegenden
Erfindung,
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Figur 8 zeigt eine geschnittene Ansicht eines wesentlichen
Abschnitts einer Vorrichtung zum Verdampfen einer Substanz
in einer vierten Ausführungsform nach der vorliegenden
Erfindung und
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Figur 9 zeigt eine perspektivische Ansicht eines in der
Vorrichtung zum Verdampfen einer Substanz verwendeten Ringes in
der vierten Ausführungsform nach der vorliegenden
Erfindung.
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In den Figuren 3 (a) und 3 (b) ist eine Vorrichtung zum Verdampfen
einer Substanz in einer ersten Ausführungsform nach der vorliegenden
Erfindung dargestellt.
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Bei dem in Figur 3 (a) dargestellten Aufbau ist die Vorrichtung zum
Verdampfen einer Substanz mit einem Behälter 22 ausgerüstet, der eine
Mehrzahl von durchgehenden Öffnungen 24 aufweist. Der Durchmesser der
durchgehenden Öffnungen 24, die näher an den einander
entgegengesetzten Enden einer Entladungsröhre 2 angeordnet sind, ist größer als der
Durchmesser der durchgehenden Öffnungen 24, die näher zur Mitte der
Entladungsröhre 2 hin angeordnet sind. So ist z.B. der Durchmesser der
durchgehenden Öffnung 24 in der Mitte des Behälters 22 in einer
Größenordnung von 0,5 mm und der Durchmesser der durchgehenden
Öffnungen 24 in der Umgebung des äußeren Endes des Behälters 22 in der
Größenordnung von 2 mm. Die Dampfemissionsrate pro Längeneinheit des
Behälters 22 ist darum im mittleren Abschnitt des Entladungsraumes 3
niedriger als in den Endabschnitten des Entladungsraumes 3, wo die
Gastemperatur Tg Gas niedriger ist als im mittleren Abschnitt. Auf die
Weise wird die Dampfdichte in axialer Richtung des Entladungsraumes 3
gleichförmig verteilt, so daß die Effizienz der Laseroszillation pro
Längeneinheit verbessert wird. Die erste Ausführungsform basiert auf
der Annahme, daß die Gastemperatur Tg im mittleren Abschnitt des
Entladungsraumes 3 am höchsten ist; ein Abschnitt mit der höchsten
Gastemperatur Tg ist jedoch nicht notwendigerweise der mittlere
Abschnitt, sondern hängt von der Konstruktion der Vorrichtung zum
Verdampfen einer Substanz und der Art der Stoßentladung ab. Die
Verteilung der Emissionsrate des Metalldampfes kann pro Längeneinheit
entsprechend der axialen Verteilung der Gastemperatur Tg in der
Entladungsröhre 2 verändert werden.
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Bei dem Aufbau nach Figur 3 (b) ist die Vorrichtung zum Verdampfen
einer Substanz mit einer Mehrzahl von kugelförmigen Behältern 22
ausgerüstet, die jeweils durchgehende Öffnungen 24 unterschiedlichen
Durchmessers haben. Diese kugelförmigen Behälter 22 sind so
angeordnet, daß der Metalldampf in die Endabschnitte des Entladungsraumes 3
mit höherer Emssionsrate pro Längeneinheit abgegeben wird als in den
mittleren Abschnitt des Entladungsraumes 3. Es ist auch möglich,
kugelförmige Behälter 22 mit jeweils durchgehenden Öffnungen 24
desselben Durchmessers so anzuordnen, daß die Dichte der durchgehenden
Öffnungen 24 zu den entgegengesetzten Endes des Entladungsraumes 3
zunimmt. Anstelle der kugelförmigen Behälter 22 können auch
ringförmige Behälter verwendet werden. Die ringförmigen Behälter geben den
Metalldampf in den Umfang des Entladungsraumes 3 ab.
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In den Figuren 4 (a) und 4 (b) sind gegenüber der ersten
Ausführungsform abgeänderte Behälter der Vorrichtung zum Verdampfen einer
Substanz dargestellt. Ein in Figur 4 (a) dargestellter Behälter 221 hat
die Form eines Kastens und ist mit einer Mehrzahl von durchgehenden
Öffnungen 24 versehen, deren Durchmesser unterschiedlich sind. Die
Durchmesser der durchgehenden Öffnungen 24 in der Nähe der einander
entgegengesetzten Enden des Behälters 221 sind größer als die der
näher zur Mitte des Behälters 221 angeordneten durchgehenden Öffnungen
24. Ein in Figur 4 (b) dargestellter Behälter 221 ist mit einer
Mehrzahl von durchgehenden Öffnungen 24 mit demselben Durchmesser
versehen. Die Dichte der durchgehenden Öffnungen 24 nimmt mit dem
axialen Abstand von einer vorbestimmten axialen Position in der
Entladungsröhre 2 zu. Diese Modifikationen ergeben die gleiche Wirkung
wie der in der zweiten Ausführungsform verwendete Behälter 22 der
Vorrichtung zum Verdampfen einer Substanz. Die erste Ausführungsform
und ihre Modifikationen bewirken eine verbesserte Effizienz der
Raumnutzung und erlauben die Ausbildung der Vorrichtung zum Verdampfen
einer Substanz in einem kompakten Aufbau; es wird auch die Wirkung der
Vorrichtung zum Verdampfen einer Substanz verbessert.
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Eine in den Figuren 5 und 6 dargestellte zweite Ausführungsform einer
Vorrichtung zum Verdampfen einer Substanz nach der vorliegenden
Erfindung umfaßt eine gasgefüllte Entladungsröhre 2 mit einem
Entladungsraum 3 und einen Behälter 222 aus einem porösen Material,
beispielsweise aus einem porösen Keramikmaterial, der in der
Entladungsröhre 2 angeordnet ist. Ein im Behälter 222 erzeugter Dampf wird durch
Poren aus dem Behälter 222 in den Entladungsraum 3 abgegeben. Die
Emissionsrate des Metalldampfes wird durch Verwendung eines porösen
Keramikmaterials mit der geeigneten Porendichte begrenzt. Der Dampf
wird auf diese Weise mit einer gleichmäßigen Dichteverteilung in den
Entladungsraum 3 abgegeben, so daß die Laserleistung verbessert wird.
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In Figur 6 ist ein schichtförmiges poröses Laminat 223 dargestellt,
das aus einer gitterförmigen oder porösen Schicht 30, einer
Metallschicht 4 und einem Substrat 31 in der genannten Reihenfolge aufgebaut
ist; die Schicht 30 und die Metallschicht 4 sind an dem Substrat mit
Stiften 31 befestigt. Das schichtförmige poröse Laminat 223 ist zu
einer Röhrenform gewickelt, wobei die poröse Schicht 30 innen liegt
und den Entladungsraum 3 umgibt. Der Dampf 5 der Metallschicht 4 wird
durch die poröse Schicht 30 in den Entladungsraum 3 abgegeben. Die
poröse Schicht 223 weist eingeformte Poren geringer Dichte auf, um die
Emissionsrate des Dampfes zu begrenzen. Das Substrat 31 kann so
ausgebildet sein, daß es sowohl als Entladungsröhre 2 wie auch als
eigentliches Substrat wirkt. Der Behälter nach der zweiten
Ausführungsform wirkt wie die erste Ausführungsform.
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In Figur 7 ist eine dritte Ausführungsform einer Vorrichtung zum
Verdampfen einer Substanz nach der vorliegenden Erfindung dargestellt.
Wie aus der Figur 7 hervorgeht, enthält die Vorrichtung zum Verdampfen
einer Substanz eine Entladungsröhre 2 mit einem Entladungsraum 3 und
eine Mehrzahl röhrenförmiger, im Umfang des Entladungsraumes 3
angeordneter Behälter 224 und 225, die durchgehende Öffnungen 24
aufweisen. In den Behältern 224 und 225 erzeugter Metalldampf 5 wird
durch die durchgehenden Öffnungen 24 in radialer Richtung nach innen
in den Entladungsraum 3 abgegeben. Die Dampfdichte im Entladungsraum
wird dem gewünschten Wert angepaßt, und der Dampf wird in den
Entladungsraum 3 mit gleichmäßiger Verteilung der Dampfdichte abgegeben,
indem der jeweilige Durchmesser der durchgehenden Öffnungen 24
wahlweise bestimmt wird. Die Behälter 224 und 225 können durch das
schichtförmige poröse Laminat der dritten Ausführungsform ersetzt
werden. Der Metalldampf wird vom Umfang des Entladungsraumes 3
zugeführt, so daß der Metalldampf im mittleren Bereich des
Entladungsraumes 3 gleichmäßig verteilt werden kann. Die Emissionsrate für den
Dampf kann den Erfordernissen angepaßt werden, indem der jeweilige
Durchmesser der durchgehenden Öffnungen 24 wahlweise bestimmt wird;
die Funktionswirksamkeit kann so verbessert und die Vorrichtung zum
Verdampfen einer Substanz kann als kompakter Aufbau ausgebildet
werden.
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In Figur 8 ist eine Vorrichtung zum Verdampfen einer Substanz in einer
vierten Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung dargestellt.
Diese Vorrichtung zum Verdampfen einer Substanz umfaßt eine
Entladungsröhre 2 mit einem Entladungsraum 3, eine Mehrzahl von Behältern
224 und 225 sowie einen Halterungsring 33 zum Haltern der Behälter 224
und 225 im Entladungsraum 3. Wie aus Figur 8 hervorgeht, besteht der
Halterungsring 33 aus einem hitzebeständigen Material, beispielsweise
aus einem Keramikmaterial, aus Molybdän oder Wolfram, und ist in ein
Ende der Entladungsröhre 2 eingepaßt. In Figur 9 ist dargestellt, daß
der Halterungsring 33 beispielsweise vier Öffnungen 33a aufweist, in
die die Mehrzahl von Behältern 224 und 225 eingepaßt sind. Der die
Behälter 224 und 225 in fester Stellung halternde Halterungsring 33 im
Ende der Entladungsröhre 2 ordnet die Behälter 224 und 225 in einer
gewünschten Position im Entladungsraum 3 an, so daß die
Funktionswirksamkeit verbessert wird. Die Vorrichtung zum Verdampfen einer
Substanz arbeitet dadurch mit verbesserter Wirksamkeit.