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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Aktivgaslaser-Vorrichtung mit integrierten Einrichtungen zur Reinigung
des aktiven Gases.
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Man unterscheidet mehrere Kategorien
von Gaslasern in Abhängigkeit
von ihrer Empfindlichkeit für
die Betriebsbedingungen und in Abhängigkeit von der mehr oder
weniger schnellen Verschlechterung ihres aktiven Mediums (Gas).
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Eine erste Kategorie umfasst die
versiegelten Gaslaser, bei denen der Betrieb und die Betriebsbedingungen
nur sehr wenig die Charakteristika des aktiven Gases oder der aktiven
Gase modifizieren.
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Die Leistungen dieses Lasertyps sind
zeitlich sehr stabil, und das aktive Medium erfordert keinen Eingriff.
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In dieser ersten Kategorie kann man
zum Beispiel die HeNe-Laser, die CO2-Wellenleiterlaser
sowie die Argon- oder Kryptonlaser mit schwachen Leistungen nennen.
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Eine zweite Kategorie umfasst die
versiegelten Gaslaser, bei denen der Betrieb und die Betriebsbedingungen
die Charakteristika des aktiven Gases oder der aktiven Gase modifizieren
langsam modifizieren.
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In der zweiten Kategorie kann man
zum Beispiel die Argon- oder Kryptonlaser mit einer Ausgangsleistung
der Größenordnung
1 Watt nennen. Bei diesen Lasern ist ein Eingriff bzw. eine Wartung
nach 1000 bis 2000 Betriebsstunden nötig. Generell wird der versiegelte
Kopf dieser Laser ersetzt.
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Schließlich unterscheidet man eine
dritte Laserkategorie, bei denen der Betrieb und die Betriebsbedingungen
die Aktivgasmischung schnell verändern.
Das Verstärkermedium
dieser Laser muss also oft regeneriert werden.
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In der dritten Kategorie kann man
die CO2-Hochleistungslaser (Größenordnung
1 Kilowatt) sowie die Excimer-Laser nennen.
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Die Excimer-Laser erfordern ungefähr einen
Eingriff pro Woche und die Leistungen dieser Laser verschlechtern
sich kontinuierlich zwischen zwei Eingriffen.
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Bei den Lasern der dritten Kategorie
kann man mit Abgas arbeiten oder nach Bedarf die ganze Gasmischung
oder einen Teil erneuern. Einige aktive Medien können auch gereinigt und regeneriert
werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung betrifft also
vor allem die Laser, deren aktives Medium regeneriert werden kann,
insbesondere durch kontinuierliches Reinigen der Gase in dem Laserbehälter.
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Stand der
Technik
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In der Folge wird der Stand der Technik
in Bezug auf die Excimer-Laser beschrieben, die zu der oben erwähnten dritten
Kategorie gehören.
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Ein Excimer-Laser ist ein Gaslaser,
der fähig
ist, im UV-Spektralbereich ein Licht in einem gepulsten Betrieb
zu emittieren.
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Ein Resonator eines solchen Lasers
enthält
eine Gasmischung, die ein Verstärkermedium
bildet und die den Lasereffekt erzeugt. Diese Mischung umfasst im
Wesentlichen eine Halogenverbindung (Fluo/Chlor) in molekularer
Form, ein Edelgas wie Krypton, Xenon oder Argon, sowie ein Puffergas
wie zum Beispiel Neon oder Helium.
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Die Energieleistung des Lasers und
die Qualität
des emittierten Laserstrahls hängen
von einer bestimmten Anzahl Parameter ab und von Betriebsbedingungen,
von denen man die Partialdrücke
der verschiedenen Gase der Gasmischung und die Anregung des Verstärkermediums
(Gasmischung) nennen kann.
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Eine Vorionisierung, zum Beispiel
bewirkt durch eine Röntgen-
oder UV-Strahlung oder zum Beispiel durch eine Corona-Effekt-Vorentladung,
trägt bei
zur Steuerung der elektrischen Pumpentladung, das heißt zur Steuerung
der Anregung des Verstärkermediums.
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Ein anderer wichtiger Parameter zur
Erlangung einer guten Energieleistung und eines Strahls von guter
Qualität
ist die Reinheit der Gase des Verstärkermediums.
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Die Reinheit der in einem Behälter enthaltenen
Gase des Verstärkermediums
kann man durch chemische Reaktionen bewirken. Diese Reaktionen finden
zum Beispiel zwischen den angeregten Halogenverbindungen und den
Wänden
des Behälters
statt.
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Zudem scheint es bzw. zeigt sich,
dass auch die Abdichtungselemente des Laserresonators Verunreinigungsquellen
des Verstärkermediums
sein können.
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Die Qualität der Gase des Verstärkermediums
kann schließlich
durch parasitäre
chemische Kombinationen verändert
werden. Neue Moleküle,
gebildet durch chemische Kombination von verschiedenen Molekülen der
Mischung, können
die Strahlung absorbieren und folglich die Leistungen des Lasers
einschränken.
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Um ein Absinken der Qualität des Laserstrahls
(Amplitudenstabilität,
Gleichmäßigkeit
des Strahls, Energie) und der Leistung des Laserresonators zu verhindern,
ist es möglich,
entweder die Gase des aktiven Mediums zu erneuern, insbesondere
durch das Zuführen
von neuen Halogenverbindungen, oder in der Gasmischung die unerwünschten
Gase zu eliminieren.
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Insbesondere kann eine bestimmte
Anzahl in der Mischung vorhandener unerwünschter Halogenmoleküle durch
Tiefsttemperatur- bzw. Kryotrapping-Effekt außerhalb des Lasers eingefangen
werden. Von diesen Molekülen
kann man zum Beispiel CCl4, CF4,
HF nennen.
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Die Eliminierung der unerwünschten
Moleküle
erfordert eine genaue Kontrolle der Temperatur einer kryogenen Falle
bzw. Tiefsttemperaturtalle. Diese Temperatur variiert in Abhängigkeit
von den zu eliminierenden Verbindungen und folglich in Abhängigkeit
von den anfänglich
in der Mischung des aktiven Mediums vorhandenen Molekülen.
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Die folgende Tabelle I gibt zum Beispiel
für eine
bestimmte Anzahl aktiver Moleküle
die Reingase, die der Mischung zugeführt werden können, um
sie zu regenerieren, sowie die Temperatur eines Kryostaten an, die
ermöglicht,
die unerwünschten
Moleküle
zu fangen.
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Die beigefügte 1 zeigt ein besonderes Ausführungsbeispiel
einer Gasreinigungsvorrichtung bekannten Typs, verbunden mit einem
Gaslaser.
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Das Bezugszeichen 10 der 1 bezeichnet einen Behälter des
Lasers, der ein aktives Verstärkermedium
in Form einer Gasmischung enthält.
Das Bezugszeichen 12 bezeichnet eine Reinigungsvorrichtung mit
kryogener Falle bzw. eine Kryotrapping-Reinigungsvorrichtung, verbunden mit
dem Behälter 10,
um dessen Gasmischung zu regenerieren.
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Ein Ausgang 14 des Behälters 10 ist
mit der Reinigungsvorrichtung 12 durch eine Leitung 16 verbunden.
Dem Behälter 10 entnommenes
Gas durchquert die Reinigungsvorrichtung 12 und wird, wenn
sie gereinigt ist, das heißt
von ihren unerwünschten
Bestandteilen befreit ist, wieder in den Behälter 10 eingespeist, durch
eine Leitung 18. Die Leistung 18 verbindet die
Reinigungsvorrichtung 12 mit einem Gaseingang 20 des Behälters 10.
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Die Reinigungsvorrichtung 12 umfasst,
beginnend bei ihrem Eingang, einen Staubfilter 22, eine
Zirkulationspumpe 24 und einen Kryostaten 26.
Diese Elemente sind durch eine Rohrleitung 27 verbunden.
Zudem sind Trennventile 28 und 30 jeweils am Eingang
und Ausgang der Reinigungsvorrichtung vorgesehen.
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Die Zirkulationspumpe 24 ermöglicht,
die aus dem Behälter 10 kommende
Gasmischung durch einen Wärmetauscher 32 des
Kryostaten zu befördern,
wo das Gas gekühlt
wird. Das Gas wird mittels eines wärmeleitenden Kerns 34 gekühlt, von
dem ein erstes Ende in einen Behälter
mit flüssigem
Stickstoff 36 hineinragt. Ein zweites Ende des Kems 34 ist
mit einem elektrischen Heizwiderstand 35 versehen, der
ermöglicht,
ein genaues thermisches Gleichgewicht des Kems herzustellen und
folglich die Temperatur der den Wärmetauscher 32 durchquerenden
Gase einzustellen.
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Der Kryostat bewirkt das Einfangen
der Verunreinigungen der Gasmischung durch Kondensation und partielle
Kristallisation der Verunreinigungen in dem unteren Teil der Rohrleitung 27.
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Ein Gegenstrom-Wärmetauscher 38 ist
ebenfalls vorgesehen zwischen dem Gasausgang und dem Gaseingang
der Reinigungsvorrichtung 12. Dieser Tauscher ermöglicht eine
Vorkühlung
des zu reinigenden Gases, indem wenigstens ein Teil der Enthalpie
des gereinigten kalten Gases zurückgewonnen
wird.
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Schließlich sind ein Ablassventil 40 und
eine Vakuumpumpe 42 zum Entleeren der Reinigungsvorrichtung 12 vorgesehen.
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Die Trennventile 28, 30 der
Reinigungsvorrichtung 12 werden periodisch geschlossen,
um die Reinigungsvorrichtung von dem Laserbehälter 10 zu trennen.
Der Teil der Rohrleitung zwischen den Ventilen wird dann wieder
erwärmt,
um die Verdampfung und die Extraktion der angesammelten Verunreinigungsrückstände mit
Hilfe der Vakuumpumpe zu ermöglichen.
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Ein zweiter Eingang 21 des
Laserbehälters 10 ist
mit Flaschen 44, 46 und 48 verbunden,
die jeweils Edelgas, Gase von Halogenverbindungen und Puffergase
enthalten. Diese Flaschen ermöglichen,
in den Behälter 10 neues
Gasgemisch einzuspeisen.
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Eine Vorrichtung dieses Typs ist
bekannt und im Handel erhältlich.
Man kann zu diesem Zweck die Dokumente [1] und [2] und [3] konsultieren,
deren Referenzangaben am Ende der vorliegenden Beschreibung zu finden
sind.
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Zu präzisieren ist, dass die Anlagen
des oben beschriebenen Typs nicht in die Laservorrichtung integriert
sind, sondern eine Zusatzausrüstung
darstellen.
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Wegen einer gewissen Anzahl von Hindernissen
ist es nämlich
nicht ratsam, diese Kryotrapping-Reinigungsvorrichtungen direkt
in die Laservorrichtung zu integrieren.
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Ein erstes Hindernis ist verbunden
mit den durch die Entleerungs- und Zirkulationspumpen erzeugten Vibrationen.
Diese Vibrationen können
nämlich
die Stabilität
des Laserstrahls stören.
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Zudem erweist sich ein komplettes
System, das den Laser und eine Reinigungsausrüstung einschließt, als
sehr sperrig und wenig transportabel.
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Schließlich sind auch noch die Kosten
eines solchen kompletten Systems sehr hoch, insbesondere wegen der
Komplexität
der Reinigungsvorrichtung.
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Außerdem weisen die Reinigungsvorrichtungen
nach 1 eine gewisse
Anzahl von Schwierigkeiten auf, die verbunden sind mit der Zirkulation
der Gase, die aus dem Laserbehälter
kommen. Die Rohrleitungen der Reinigungsvorrichtung müssen nämlich mit
mechanischen und elektromechanischen Kontrolleinrichtungen der Drücke und
der Gasdurchsatzmengen ausgerüstet
sein.
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Zudem müssen die Zirkulationspumpen
so gebaut sein, dass sie die korrosiven Gase der aktiven Gasmischung
aushalten, und müssen
fähig sein,
in einem Druckbereich zu arbeiten, der vom Vakuum bis ungefähr 10 Bar
reicht.
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Diese Zwänge tragen auch zu einer Kostenerhöhung der
Reinigungsvorrichtung bei.
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Das Dokument [4], dessen Referenzangaben
ebenfalls am Ende der vorliegenden Beschreibung zu finden sind,
beschreibt einen anderen Typ einer Gasreinigungsvorrichtung für Laser,
bei der die Verunreinigungen durch Druckreduktion der Gasmischung
verflüssigt
werden. Die Druckreduktion erfolgt in mehreren Schritten. Der Durchgang
des Gases durch die Reinigungsvorrichtung wird während der Druckreduktionsschritte durch
eine abwechselnde Anordnung von Pumpen und Ventilen bewirkt.
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Mit der in dem Dokument [4] beschriebenen
Vorrichtung treten also Schwierigkeiten auf, die den schon erwähnten ähnlich sind.
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Darstellung
der Erfindung
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, eine Gaslaservorrichtung vorzuschlagen, bei der Reinigungseinrichtungen
des Gases oder der Gase der aktiven Mischung des Lasers integriert
sind und nicht die oben erwähnten
Schwierigkeiten verursachen.
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Eine besondere Aufgabe besteht darin,
eine Vorrichtung vorzuschlagen, die komplett und autonom ist und
reduzierte Abmessungen aufweist.
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Eine weitere Aufgabe ist es, eine
Vorrichtung vorzuschlagen, bei der die Vibrationen und Störgeräusche, verursacht
durch Gaspumpen, eliminiert sind.
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Noch eine Aufgabe besteht dann, bei
der Verbindung des Gasbehälters
des Lasers mit den Reinigungseinrichtungen sperrige Leitungen zu
vermeiden.
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Eine weitere Aufgabe ist es, eine
Vorrichtung vorzuschlagen, die ermöglicht, das Zeitintervall zwischen den
Wartungseingriffen deutlich zu vergrößern.
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Schließlich besteht eine Aufgabe
noch darin, eine einfache, zuverlässige und kostengünstige Vorrichtung
vorzuschlagen.
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Um diese Aufgaben zu erfüllen, hat
die Erfindung genau eine Gaslaservorrichtung nach Anspruch 1 zum
Gegenstand.
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Unter einem Kommunizieren mit freiem
Gasaustausch versteht man ein Kommunizieren, bei dem es keine erzwungene
Zirkulation der Gase gibt.
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Noch genauer findet im Falle der
Erfindung der Austausch der Gase auf natürliche Weise statt, durch physikalische
Phänomene
wie die Schwerkraft, die Diffusion und die Brownsche Molekularbewegung,
ohne dass äußere Kräfte auf
die Gase ausgeübt
werden.
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Gemäß speziellen Aspekten der Erfindung
können
die Gasreinigungseinrichtungen einen Kryostaten und/oder eine katalytische
Falle umfassen, die ermöglichen,
die Verunreinigungen und die unerwünschten Bestandteile des Gases
oder der Gasmischung des Lasers zurückzuhalten.
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Außerdem, nach einer speziellen
Ausführung
der efindungsgemäßen Vorrichtung,
kann der Laserbehälter
einen oder zwei Ansätze
aufweisen, abnehmbar oder nicht, die mit dem Behälter durch Trennventile verbunden
sind. Diese Ansätze
enthalten jeder eine oder mehrere Gasreinigungseinrichtungen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann außerdem eine
oder mehrere Quellen für
aktives Reingas umfassen, die mit dem Laserbehälter verbunden sind. Vorzugsweise
ist die genannte Quelle im freien Austausch mit dem Behälter verbunden.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren
zur Reinigung eines Gaslaserbehälters
nach Anspruch 11.
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Weitere Charakteristika und Vorteile
der Erfindung gehen besser aus der nachfolgenden Beschreibung hervor,
bezogen auf die beigefügten
Zeichnungen.
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Diese Beschreibung ist rein beispielhaft
und keinesfalls einschränkend.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Die 1,
schon beschrieben, ist eine vereinfachte schematische Ansicht eines
Gaslasers, der mit einer Gasreinigungsvorrichtung bekannten Typs
ausgerüstet
ist.
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Die 2 zeigt
eine schematische Ansicht einer Laservorrichtung, die einer speziellen
Ausführung
der Erfindung entspricht.
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Die 3 und 4 sind Teilansichten im vergrößerten Maßstab, die
Ansätze
des Laserbehälters
der 2 zeigen, wobei
diese Ansätze
Kryotrapping-Einrichtungen zur Reinigung der Gase umfassen.
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Die 5 ist
eine Teilansicht im vergrößerten Maßstab, die
einen Ansatz des Laserbehälters
der Vorrichtung der 2 zeigt,
wobei der Ansatz eine katalytische Falle umfasst.
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Die 6 und 7 sind Teilansichten im vergrößerten Maßstab, die
die Ausführung
eines Gaszuführungsansatzes
der Vorrichtung der 2 zeigen.
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Detaillierte Beschreibung
von Ausführungsarten
der Erfindung
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Die 2 ist
eine Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung.
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Die Laservorrichtung umfasst einen
Laserbehälter 100,
der eine Gasmischung enthält,
die das aktive Verstärkermedium
des Lasers bildet. Die Art der Mischung hängt vom Lasertyp ab und man
kann sich zu diesem Thema auf die vorangehende Beschreibung des
Stands der Technik beziehen.
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Der Laserbehälter 100 wird durch
ein Hauptgehäuse 102 gebildet,
an das ein erster, ein zweiter und ein dritter Ansatz 104, 106 und 108 angeschlossen
sind. Jeder Ansatz ist mit dem Hauptgehäuse auf entfernbare oder nicht
entfernbare Weise verbunden durch einen Anschluss 104a, 106a, 108a und
mittels eines Trennventils 104b, 106b, 108b.
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In dem Ausführungsbeispiel der 2 umfassen der erste und
der zweite Ansatz 104 und 106 jeweils eine kryogene
Falle und eine thermisch-katalytische Falle.
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Diese Fallen, von denen in der Folge
des Textes eine detailliertere Beschreibung gegeben wird, bilden Gasreinigungseinrichtungen.
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Der dritte Ansatz 108 bildet
eine Gasquelle, die ermöglicht,
dem Laserbehälter 100 neues
Gas zuzuführen.
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Ein Entleerungssystem 110 umfasst
eine Vakuumpumpe 112 und ist mit dem ersten und dem zweiten Ansatz
und mit dem Hauptgehäuse
des Behälters
verbunden. Dieses System ist vorgesehen, um die Laservorrichtung
bei einem Wartungseingriff zu reinigen bzw. zu entleeren.
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Festzustellen ist, dass das Entleerungssystem 110 Leitungen
umfasst, die durch Extraktionsventile 104c und 106c mit
dem ersten und dem zweiten Ansatz verbunden sind, und dass es durch
ein Extraktionsventil 111 mit dem Gehäuse 102 verbunden
ist.
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Im Normalbetrieb sind die Extraktionsventile 104c, 106c und 111 geschlossen
und die Vakuumpumpe 112 steht still.
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Die 3 zeigt
schematisch eine spezielle Ausführung
des ersten Ansatzes 104 der kryogenen Falle.
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In der 3 entsprechen
die Bezugszeichen 104a, 104b, 104c jeweils
dem Anschluss, der den Ansatz 104 mit dem Gehäuse 102 des
Laserbehälters,
mit dem Trennventil und mit dem Extraktionsventil des Ansatzes verbindet.
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Der Kryotrapping-Ansatz 104 umfasst
eine Kammer 120, abgegrenzt durch eine Wand 122 aus
einem Wärmeisolationsmaterial,
in die ein erstes Ende eines Fingers 124 hineinragt, der
aus einem wärmeleitenden Material
wir zum Beispiel Kupfer oder Aluminium ist.
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Die kalte Kammer 120 bildet
zusammen mit dem Finger 124 eine kryogene Falle. Ein anderes
Ende des Fingers 124 ist in ein Bad aus flüssigem Stickstoff 126 getaucht,
das eine kalte Quelle bildet. Der Stickstoff ist in einem Speicher 128 enthalten,
ebenfalls aus einem Wärmeisolationsmaterial.
Der Speicher 128 ist vorzugsweise geschlossen, um eine
Kondensation von Feuchtigkeit zu vermeiden. Es ist jedoch ein Ventil
S vorgesehen, um den Druck in dem Behälter zu begrenzen, und eine Öffnung P,
die ermöglicht,
den Speicher mit einem kryogenen Fluid zu füllen.
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Ein elektrischer Heizwiderstand 130 in
thermischem Kontakt mit dem Kern 124 wird von einem Strom durchflossen,
den eine externe elektronische Vorrichtung 132 steuert.
Der elektrische Heizwiderstand 130 ermöglicht, die Temperatur des
Fingers 124 in Abhängigkeit
von den zu fangenden Bestandteilen der Gasmischung mit Genauigkeit
anzupassen.
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Wenn das Trennventil 104b offen
ist, kann das in dem Hauptgehäuse 102 des
Laserbehälters
enthaltene Gas durch freie Bewegung der Gasmoleküle in die Kammer 120 des
Kryotrapping-Ansatzes diffundieren. Die Gesamtheit des Gehäuses 102 des
Behälters
und des Ansatzes stehen dann unter demselben Druck.
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In der Kammer 120, im Kontakt
mit dem kalten Finger 124, werden die Halogenide oder andere
Verunreinigungen der Gasmischung verflüssigt und/oder kristallisiert.
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Aufgrund des zwischen dem Gehäuse des
Behälters
und der Kammer 120 existierenden Wärmegradienten bleiben die Halogenide
in der Nähe
des kalten Punktes, den der Finger 124 im unteren Teil
bzw. am Boden der Falle bildet.
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Die Verunreinigungen werden je nach
ihrem physikalischen Zustand durch die Wirkung der Schwerkraft und/oder
mittels Dichteeffekt am Boden der Falle (Kammer 120) gehalten.
Die Falle ist vorzugsweise nach unten gerichtet, um jegliche Konvektion
zu vermeiden, die eine exzessive thermische Aufladung erzeugen könnte.
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Außerdem erzeugt der kalte Finger 124 der
kryogenen Falle einen Effekt thermischer Stratifikation, der außerdem eine
große
Energieeinsparung ermöglicht,
denn bei Fehlen von Konvektion müssen
nur die thermischen Verluste durch Leitung berücksichtigt werden.
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Der Kryotrapping-Ansatz 104 wird
periodisch gereinigt, um die unerwünschten Halogenide und Verunreinigungen
zu entleeren, die sich dort angesammelt haben.
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Für
die Reinigung wird das Trennventil 104b geschlossen, um
die Kammer 120 des Ansatzes 104 des Gehäuses 102 des
Laserbehälters
zu isolieren, und das Entleerungsventil 104c wird geöffnet. Eine
Wiedererwärmung,
auf natürliche
Weise durch Elimination der kalten Quelle (Stickstoff), und/oder
zwangsweise, zum Beispiel durch den Heizwiderstand 130,
ermöglicht
die Verdampfung der Halogenide und anderer Verunreinigungen.
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Ein Pumpen mittels der Vakuumpumpe 112,
dargestellt in der 2,
ermöglicht
dann, diese Halogenide und andere Verunreinigungen durch das Entleerungsventil 104c zu
entleeren.
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Die 4 zeigt
eine Ausführungsvariante
des Kryotrapping-Ansatzes 104. Diejenigen Teile der 4, die Teilen der 3 ähnlich sind, tragen dieselben
Bezugszeichen. So kann man sich in Bezug auf sie auf die vorangehende
Beschreibung beziehen.
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In dem Ansatz 104 der 4 erstreckt sich ein Ende
eines wärmeleitenden
Fingers 124 in eine Kammer 120, die mit dem Laserbehälter kommunizieren
kann, wenn das Trennventil 104a geöffnet wird.
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Das andere Ende des Fingers 124 ist
in Kontakt mit einer Tiefsttemperaturquelle 150 und mit
einem elektrischen Widerstand 130.
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Die Tiefsttemperaturquelle 150 kann
zum Beispiel vom Gifford-Mac-Mahon-Typ, vom Stirling-Typ, vom Joule-Thomson-Entspannungstyp
oder auch vom Pulsgasrohr-Typ sein.
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Der kalte Finger 124, in
Kontakt mit der Tiefsttemperaturquelle 150 und dem elektrischen
Heizwiderstand 130, wird mit einer Temperatur im thermischen
Gleichgewicht gehalten, die angepasst werden kann, indem den elektrischen
Strom varriert, der durch den Heizwiderstand fließt. Wie
für den
Ansatz der 3 wird die
Temperatur des kalten Fingers angepasst in Abhängigkeit von denjenigen Bestandteilen
der Gasmischung, die eingefangen werden sollen.
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In der 4 sieht
man, dass die Kammer 120 abgegrenzt wird durch eine erste
Wand 122 aus einem thermisch isolierenden Material.
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Ebenso wird die Gesamtheit des Ansatzes 104 durch
eine zweite Wand 105 aus einem thermisch isolierenden Material
abgegrenzt.
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Zudem kann Wärmeisolationsschaum oder Vakuum
oder irgend ein anderes isolierendes Mittel zwischen der ersten
und der zweiten Wand 122, 105 vorgesehen werden.
Wie in der Vorrichtung der 3 werden
die Halogenide und Verunreinigungen in der Kammer 120 gefangen.
Sie werden, wie in dem vorhergehenden Beispiel, durch natürliche und/oder
erzwungene Erwärmung
(durch den Heizwiderstand 130) eliminiert.
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Die Vorrichtung der 4 mit Tiefsttemperaturquelle hat in Bezug
auf die Vorrichtung der 3 den Vorteil,
dass sie versiegelt werden kann und dass sie autonom funktioniert,
ohne äußere Einwirkung.
Es ist nämlich
nicht nötig,
sie regelmäßig mit
kryogener Flüssigkeit
(Stickstoff) zu versorgen.
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Die 5,
unten beschrieben, zeigt schematisch eine Ausführung des zweiten Ansatzes 106 der
Laservorrichtung. Der zweite Ansatz 106 bildet eine thermisch-katalytische
Falle.
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Ebenso wie die Halogene und/oder
die unerwünschten
Verunreinigungen in einer kryogenen Falle gefangen werden können, ist
es auch möglich,
sie mittels eines thermischen und katalytischen Effekts zu dissoziieren
und zu filtern.
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Der zweite Ansatz 106 umfasst
eine Kammer 160, die ein Katalysatormaterial wie zum Beispiel
Platin oder Titan enthält.
Die Kammer wird zum Beispiel abgegrenzt durch eine Wand 162,
die aus einem dieser Materialien ist oder innen mit einem dieser
Materialien überzogen
ist.
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Ein elektrischer Heizwiderstand 164,
sehr schematisch dargestellt, ist zum Heizen des Katalysators vorgesehen.
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Der zweite Ansatz 106 ist
mit dem Gehäuse 102 des
Laserbehälters
durch einen Anschluss 106a und durch ein Trennventil 106b verbunden.
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Wenn das Trennventil 10b offen ist,
kommuniziert die Kammer 160 des Ansatzes 106 frei
mit dem Gehäuse 102 des
Behälters.
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Die Moleküle der Gasmischung können dann
frei in die Kammer 160 des zweiten Ansatzes diffundieren.
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Dort dissoziiert der warme Katalysator,
wie oben angegeben, die verunreinigenden Gasmoleküle von dem
aktiven Medium.
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Der zweite Ansatz 106b kann
ebenfalls periodisch gereinigt werden, um die unerwünschten
Gase zu entleeren. Das Trennventil 106b wird dann geschlossen
und das Entleerungsventil 106c geöffnet, um eine Pumpoperation
durchzuführen.
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Es empfiehlt sich, zu präzisieren,
dass die thermisch-katalytische Falle sich insbesondere für CO2-Hochleistungslaser eignet. Sie eignet sich
aber auch für
andere Lasertypen.
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Die 6 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer Aktivgas-Quelle der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Form eines
dritten Ansatzes 108.
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Im Gegensatz zu dem Kryostat oder
der katalytischen Falle, wie vorhergehend beschrieben, bildet die Aktivgas-Quelle
keine Gasreinigungseinrichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung.
Die Gasquelle ermöglicht
jedoch, dem Gehäuse 102 neues
Gas zuzuführen,
das frei ist von unerwünschten
Bestandteilen.
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Der dritte Ansatz 108 umfasst
drei Druckgasflaschen 171, 172 und 173,
die jeweils Halogengase, Edelgas und Puffergas enthalten.
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Der Ansatz 108 ist mit dem
Hauptgehäuse 102 des
Laserbehälters
durch einen Anschluss 108a und durch ein Trennventil 108b verbunden.
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Man sieht auch, dass jede Gasflasche
mit ihrem eigenen Dosierungsventil 174, 175, 176 ausgestattet ist.
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Nach einer Variante können die
drei Druckgasflaschen durch eine einzige Flasche ersetzt werden,
die eine Gasmischung enthält,
die der Gasmischung entspricht, die in dem Behälter enthalten ist.
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Nach einer anderen Variante kann
der Ansatz einfach eine einzige Flasche aufweisen, die ein Halogenzusatz-
bzw. -zufuhrgas enthält.
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Die Zufuhr des neuen Gases ermöglicht insbesondere,
den Halogenverbindungsverlust zu kompensieren, der durch die Bildung
von Verunreinigungen in Form von Kohlenstoff- oder Metallhalogeniden
verursacht wird.
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Außerdem können in den Figuren nicht dargestellte,
mit den Dosierventilen verbundene Steuereinrichtungen vorgesehen
werden, um die dem Behälter
zugeführte
Gasmenge zu steuern. Diese Einrichtungen können zum Beispiel eine optoelektronische
Steuerschleife des Laserstrahls umfassen, vorgesehen zum Messen der
abgestrahlten Energie und zum Steuern der Zufuhr von neuem Gas in
Abhängigkeit
von dieser Messung.
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Die 7 zeigt
schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer Aktivgaszufuhrquelle.
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Nach dieser Variante umfasst der
der Gasquelle entsprechende Ansatz 108 einen Entgasungsbehälter 180,
der Tabletten 182 enthält,
die ein Gas freisetzen können,
wenn sie erwärmt
werden.
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Die Tabletten 182 sind aus
einem porösen
Material, zum Beispiel aus Keramik, und enthalten in den Poren gefangenes
Gas. Es handelt sich im vorliegenden Fall um ein oder mehrere Zufuhr-
bzw. Zusatzgase, wie vorhergehend erwähnt.
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Ein Heizwiderstand 184 ist
vorgesehen, um die Tabletten kontrolliert zu erwärmen und aus ihnen eine kontrollierte
Menge Zufuhrgas zu extrahieren. Der Heizwiderstand kann zu diesem
Zweck durch in dieser Figur nicht dargestellte Regeleinrichtungen
gesteuert werden.
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Für
Ausführungsbeispiele
der Gasquelle nach 7 kann
man die Dokumente [5], [6] und [7] konsultieren, deren Referenzen
am Ende der vorliegenden Beschreibung angegeben sind.
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Man sieht, dass der Ansatz 108 mit
dem Gehäuse
des Behälters
durch einen Anschluss 108a und durch ein Trennventil 108b verbunden
ist.
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Schließlich ist es dank der Erfindung
und insbesondere dank der Realisierung einer einzigen Vorrichtung,
die in einer Einheit einen Laserbehälter und Reinigungs- und/oder
Gaszufuhransätze
vereinigt, möglich, alle
Zwänge
zu beseitigen, die mit den Zirkulationspumpen und Rohrleitungen
der Vorrichtungen nach dem Stand der Technik verbunden sind (wo
der Laserbehälter
und die Reinigungsvorrichtungen sich in Form von unabhängigen bzw.
selbständigen
Einheiten präsentieren).
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Eine Laservorrichtung nach der Erfindung
ist wirtschaftlich herstellbar, nicht nur aufgrund des Fehlens von
Verbindungsleitungen zwischen dem Laserbehälter und den Reinigungseinrichtungen,
die vor allem eine Zirkulationspumpe und Verbindungsrohrleitungen
umfassen, sondern auch, weil die Verwendung integrierter Reinigungseinrichtungen
die Herstellung des Behälters
selbst vereinfacht.
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Die integrierte kyrogene Falle hält nämlich die
in dem Laserbehälter
enthaltene Feuchtigkeit schon von der ersten Benutzung des Lasers
an zurück.
Die Feuchtigkeit verwandelt sich in der kyrogenen Falle in Eis.
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So können bei der Herstellung des
Laserbehälters
die Ofen- und Freilufttrocknungsoperationen des Laserbehälters beschleunigt
werden.
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Außerdem erhöht sich durch das Fehlen von
Verbindungsleitungen die Zuverlässigkeit
des Lasers.
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Schließlich ist noch anzumerken,
dass die Erfindung, die oben mit Hilfe eines speziellen Beispiels
beschrieben wurde, bei dem die Laservorrichtung eine Vielzahl von Reinigungs-
oder Gaszuführungseinrichtungen
umfasst, auch einfacher ausgeführt
werden kann, wobei die Vorrichtung dann nur einen Teil der beschriebenen
Ausrüstungen
umfasst.
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Genannte Dokumente
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- [1] "The
GP-2000X Series Excimer Laser Gas Punfiers" – Oxford
Lasers (kommerzielles Dokument) 1990
- [2] "Cryogenic
Processing Of Excimer Laser Gas Mixtures" – Oxford
lasers (kommerzielles Dokument) 1991
- [3] EP-A-0 430 411
- [4] DE-A-3 130 588
- [5] GB-A-9 124 948 (WO 93/11065)
- [6] G B-A-9 011 535
- [7] US-A-S 363 396
