EP0468990A1 - Erzeugung eines elektrischen hochfrequenzfeldes in einem nutzraum - Google Patents

Erzeugung eines elektrischen hochfrequenzfeldes in einem nutzraum

Info

Publication number
EP0468990A1
EP0468990A1 EP19900905516 EP90905516A EP0468990A1 EP 0468990 A1 EP0468990 A1 EP 0468990A1 EP 19900905516 EP19900905516 EP 19900905516 EP 90905516 A EP90905516 A EP 90905516A EP 0468990 A1 EP0468990 A1 EP 0468990A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
space
coupling
power
useful
wall
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP19900905516
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Krüger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP0468990A1 publication Critical patent/EP0468990A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/64—Heating using microwaves
    • H05B6/80—Apparatus for specific applications
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/02—Coupling devices of the waveguide type with invariable factor of coupling
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/097—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping by gas discharge of a gas laser
    • H01S3/0975—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping by gas discharge of a gas laser using inductive or capacitive excitation
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/64—Heating using microwaves
    • H05B6/6402—Aspects relating to the microwave cavity
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/64—Heating using microwaves
    • H05B6/70—Feed lines
    • H05B6/707—Feed lines using waveguides
    • H05B6/708—Feed lines using waveguides in particular slotted waveguides

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for generating an electrical high-frequency field according to claim 1 and claim 14, respectively.
  • a desired field strength profile within a usable space that has dimensions that are significantly larger in one direction than in the other two directions, be generated.
  • a desired distribution of HF power to a lossy medium that is introduced into the usable space is also to be achieved.
  • a usable space can be achieved in a rectangular waveguide with a suitable width, which has a largely uniform local distribution of the electric field strength, but can be considerably longer than it corresponds to a multiple of the free space wavelength at the frequency used .
  • the waveguide is chosen so that at the frequency determined by the HF generator, the wave type of the lowest frequency ("basic type") with a high phase wavelength propagates in the waveguide or forms a standing wave. Part of this standing wave can then be used to generate a uniform field configuration. In this way, however, it is not possible to achieve a uniform power density distribution in a strongly absorbing medium, since the damping in the direction of propagation of the wave causes a sharp drop in the field strength and the power density.
  • the plasma is produced between two elongated plates made of metal or a dielectric, which are a few millimeters apart and oppose each other. These plates also serve as electrodes for excitation of the plasma and as waveguides for guiding the laser beam in the resonator.
  • the RF power can be guided via guide segments segmented along the plasma zone. Vouchers are supplied in several places, which however results in discrepancies in the suggestion.
  • Embodiments of such stripline lasers are described in detail, for example, in DE-OS 37 29 053 and EP-A-0 275 023.
  • the object of the invention is to specify a method and the associated device, by means of which, for example, a high-frequency field with a desired local field profile, preferably a uniform field, can be generated in a spatially stretched useful space.
  • a method and the associated device should also allow RF power with a desired, in particular uniform, local course to be distributed to a lossy medium introduced into the usable space.
  • Such a method should be suitable for a wide variety of applications, for example also for CO 2 lasers.
  • the vector of the electric field strength for the HF power coupled into the useful space is largely perpendicular to the surfaces of the useful space determined by the two larger dimensions.
  • the length dimensions that characterize the usable space at least one is larger than the other two or exactly as large as one of the other.
  • At least one of the two major lengths is in this case greater than 1/10 of the macrurt wavelength, which corresponds to the frequency of the coupled power, the direction of the power flow into the useful space largely forming a right angle with the directions of the longitudinal dimensions.
  • the usable space in a structure in the manner of a waveguide. It is dimensioned such that at a specific excitation frequency f the phase wavelength becomes so large at least in one direction, in particular the longitudinal direction, that it comes close to the greatest length dimension of the usable space or that it exceeds this dimension.
  • the structure can be dimensioned such that the phase wavelength becomes computationally imaginary at the excitation frequency. In this case there is an aperiodically damped waveguide.
  • the dimensioning of the coupling space surrounding the usable space is defined in the manner of a waveguide by theoretically specifying the phase wavelength in the direction of at least one of the two larger length extinctions.
  • the HF power is supplied to the useful space not from the ends or from a single point, but essentially from 1 or more of the long sides and distributed over them.
  • these sides are provided with so-called "coupling walls" with coupling openings.
  • the coupled-in power can be taken in a simple manner from a correspondingly designed waveguide structure which, as a divider space, has similar limit dimensions with respect to the phase wavelength over at least part of its length as the coupling space.
  • the power can be applied in a known manner by means of a waveguide, by means of a coupling pin or coupling loop of a coaxial line transition or directly with the coupling pin of a magnetron. be fed.
  • the method according to the invention is suitable for a wide variety of technical applications. These include, for example, spectroscopic observation and the generation or decomposition of gases, vapors or liquids of a certain composition, as well as the treatment of surfaces of solid substances or the deposition of layers on substrates or on the surfaces serving as electrodes themselves the invention advantageously suitable for generating electromagnetic radiation by excitation of a gas plasma, in particular in gas lasers and preferably in stripline lasers.
  • FIG. 1 shows the principle of the invention with the field strength profile in both directions
  • FIGS. 2 to 4 different cross-sections of the coupling space according to FIG. 1 with a tube therein, the interior of which serves as a useful space
  • FIG. 5 shows the design of the coupling space according to Art a ridge waveguide with the inner volume of an inserted tube as usable space
  • FIG. 6 shows the arrangement of two tubes pushed into one another, the space between them forming a cooling channel
  • FIG. 6 shows another embodiment of the cooling channel
  • FIG. 8 shows an embodiment example suitable for a laser application with one-sided coupling of the RF power into the coupling space
  • FIG. 9 shows another embodiment a double-sided coupling of the RF power
  • FIG. 10 the assignment of the field strength profile in the transverse direction of the useful space with the associated structure of the coupling space.
  • a useful space 1 in which the desired field distribution is to be generated or in which the RF power with a certain field distribution is to be supplied to a medium, is electrically connected to a coupling space 2.
  • the coupling space is delimited along the sides by a boundary 15.
  • the purpose of the distribution space 40 is to supply the signals from a generator 46, for example a magnetron, with the frequency f and the associated free space wavelength ⁇ and, for example, via a waveguide or a cable 44 and a transmission cable.
  • a generator 46 for example a magnetron
  • Suitable cross-sectional dimensions of the coupling space 2 can be calculated by an approximation sufficient for many purposes if there are media in the useful space, their relative dielectric constant - has a real part f ', between 0.7 and 3 and - an imaginary part £ "-_ between 0.05 and 0.2.
  • a real part l e * ⁇ ⁇ 1 occurs, for example, in the case of piezoelectric materials in the vicinity of mechanical ones Resonances as well as with plasmas.
  • the coupling wall 30 is replaced by a continuously conductive wall, which, however, has moved outwards by 5% of the wavelength 3, and that the usable space 1 is free of the medium to which the HF power is supplied shall be.
  • the cross-sectional dimensions of the coupling space 2 are then to be selected such that only a weakly aperiodically damped wave can propagate in the longitudinal direction in the z direction at a certain frequency f ß or a wave whose phase wavelength p is at least 1.5 times the free space wavelength 0 the generator frequency is f.
  • the distribution space can be dimensioned according to the same principle, the disturbance caused by the coupling point for the HF power not having any significant effect.
  • special measures are expedient in the vicinity of the point or the points at which the ⁇ F power is supplied by the generator 46, on the one hand to improve the adaptation, and on the other hand the effect of the field disturbance at the supply point on the closest areas of the To prevent coupling wall 30.
  • Such a measure can, for example, in the reduction of coupling openings in this area or in the interposition of another distribution room with coupling wall.
  • f B (0, 6 ... 0.9).
  • f Q the smaller factor being assigned to a larger width of the usable space 2.
  • a particular advantage of the method according to the application is that with a suitable dimensioning of distribution space 40, coupling wall 30 and coupling space 2, the risk of instabilities in the power distribution in the medium can be reduced. If, for example, the conductivity of the medium rises rapidly at a point when a critical temperature, field strength or power density is exceeded, in many arrangements used to date a considerable part of the total power is concentrated on this point and increases the instability.
  • the power is transported in the longitudinal direction of the usable space, i.e. the z-direction according to FIG. 1.
  • the increased power consumption compared to the neighboring areas due to the properties of the coupling space in the transverse direction can lead to a mismatch in the area of the nearest coupling openings and also reduce the power supply in this direction .
  • FIG. 1 also shows the course of the field strength E with a desired largely uniform power density distribution over the width (x direction) and the length (z direction) of the useful space 1 with the length L is shown as a solid line.
  • the field course outside the useful space 1 is indicated by broken lines, taking into account the effect of parts made of dielectric material at the ends of the useful space 1 in the z direction, which leads to a rapid drop in the electric field strength E.
  • the HF power fed in by the generator 46 in the middle of one narrow side of the distributor space 40 leads to the sketched field profile. It enters the coupling space 2 largely uniformly through the openings 31 of the coupling wall 30.
  • the useful space 1 is expediently arranged in the area of the maximum of the field strength E in the coupling space 2, so that the unevenness of the field strength E remains low in the transverse direction.
  • FIG. 1 shows the course of the field strength E in the entire coupling space 2, corresponding to a disturbed sinus distribution.
  • the useful space can be determined so that the non-uniformity of the field strength distribution or the power distribution in the medium becomes a minimum.
  • the longitudinal direction in the useful space 1 the steep drop at the ends of the curve is carried out in the same way as in the distributor space 40 by special measures in the end regions.
  • Such measures are, for example, the introduction of parts made of dielectrics or conductive substances, cross-sectional widenings or the insertion or addition of waveguide pieces which act as a resonator.
  • the coupling space 2 each contains a tube 50, for example made of ceramic, the inner volume of which can be used as a useful space 1 for a wide variety of applications.
  • a tube 50 for example made of ceramic, the inner volume of which can be used as a useful space 1 for a wide variety of applications.
  • only one of the two side walls of the coupling space 2 is designed as a coupling wall 30, through whose openings 31 and 32 the HF power is supplied.
  • the other side wall 15 is closed, but can also be provided with small openings which are suitable for optical observation, for irradiation of UV light as an ignition aid or for similar purposes, the through the opposite coupling wall fed RF power can only pass through to an insignificant extent.
  • both side walls are designed as coupling walls 30 and 30 ', so that RF power can be fed in from both sides.
  • the special possibility here is discussed further below for specific application purposes.
  • the coupling space forms a T-structure, in the center of which there is the tube 50 with the useful space 1.
  • the web at the base of the T forms the coupling wall 30 with coupling openings 33, while the webs on the T-beam form the associated short-circuit walls 15.
  • the short-circuit walls 15 and 15 'and the coupling wall 30 may also be advantageous here to arrange the short-circuit walls 15 and 15 'and the coupling wall 30 at different distances from the tube 50.
  • the coupling spaces 2 in FIGS. 2 to 4 are designed in the manner of rectangular waveguides; there are also possible designs in the form of ridge waveguides, as will be shown below.
  • the webs 22 and 23 on the wide walls 10 and 20 can be flat and with their opposite surfaces 11 and 21 are parallel to each other.
  • the useful space 1 may be advantageous not to arrange the useful space 1 centrally between the coupling wall 30 and the short-circuit wall 15, in order in this way to achieve a uniform field profile in the transverse direction of the useful space 1 or one to obtain favorable performance adaptation of a medium in the tube 50 to the field conditions in the coupling space 2.
  • 12 of the desired specific field distributions of the coupling space 2 can be formed in a star shape in cross section with the same or different lengths of the individual radiation-like parts.
  • the distance of the short-circuit walls 15 or one or more coupling walls 30 from the longitudinal axis of the useful space 1 can thus be varied.
  • a waveguide structure 20 is shown as a coupling space, in which webs 12 and 22 are provided for adapting to the cross-section of a tubular container 50 with its inner volume as a useful space 1, which have a curved, for example, on the tube 50 matched area.
  • the webs 12 and 22 advantageously contain cooling channels 54 and 55 through which a cooling liquid or a cooling gas flows.
  • the coupling space 20 can form a uniform structure with the coupling wall 30 and the distributor space 40.
  • a further tube 51 made of electrically active material can be arranged in the tube 50 according to FIG. 5, as is indicated in FIG. 6. With suitable dimensioning, this can bring about an additional homogenization of the field in usable space 1.
  • the space between the tubes 50 and 51 can be flowed through with a low-loss coolant for cooling purposes.
  • FIG. 7 it is further shown that by dividing the intermediate space between the two tubes, separate cooling lines are formed. As a result, water can also be used as the cooling liquid under certain conditions, without a significant absorption of the HF power taking place therein.
  • the coupling walls 30 can have the following different structures with their coupling openings 31.
  • slots, round or rectangular holes or a combination thereof are possible.
  • slots can also be arranged in a row in a row against one another, or else the slots run zigzag.
  • Combinations of slots with holes are also possible, for example in the form of dumbbell structures.
  • Webs can also be used as coupling means, which are alternately pressed out of the plane of the coupling wall 30 in the direction of the coupling space 2 or the distribution space 40, or, if appropriate, also so-called coupling loops.
  • a metal wall with a long, continuous longitudinal slot can also serve as the coupling wall 30.
  • Coupling wall in the aforementioned sense is also to be understood as other devices which have the function of an electromagnetic coupling between the distribution space and the coupling space, such as e.g. Pieces of low rectangular waveguides that can be filled with a dielectric.
  • the tube 50 with its internal volume as the useful space 1 according to FIGS. 2 to 5 can have sealable accesses at both ends, via which a medium can be inserted or removed.
  • a medium can be, for example, a gas or gas mixture which is to be excited for the analysis or emission of laser radiation or in which certain decomposition or connection processes are to take place.
  • catalytically active substances can be present in the usable space, for example in the form of layers on the walls.
  • the tube 50 it is possible to introduce substrates into the tube 50, the surfaces of which are to be influenced, for example, by plasma etching, or on which layers are to be deposited.
  • a substrate can advantageously continuously run through the useful space 1.
  • Such layers can also be deposited uniformly on the boundary walls of the useful space 1 itself, that is to say, for example, on the inner tube wall or the opposing inner surfaces 11, 21 of webs 12, 22.
  • the groove is' 1 zraum directly formed by the space between opposing surfaces 11 and 21 of two webs 12 and 22 of wall parts 10 and 20th
  • This design in the manner of a ridge waveguide can be used in particular for a ribbon conductor gas laser.
  • the width of the useful space 1 is limited by the requirement for uniformity of the electric field in the transverse direction. Certain widths cannot be exceeded with this arrangement unless a higher unevenness in the field course in the transverse direction can be accepted. If a uniform field profile over a larger width is required, then as already shown in principle in FIG. 3, there is the advantageous possibility of feeding the RF power from two sides into the coupling space 2, which corresponds to FIG. 8 for the laser application in FIG. 9 is also formed by the space between the band electrodes 10 and 20.
  • FIG. 10 shows the course of the field strength E y for the embodiment according to FIG. 9. Such a course occurs when a lossy medium is brought into the useful space and the RF power enters the coupling space 2 in phase from the distribution spaces 40 or 40 'through the openings of the coupling walls 30 or 30'.
  • the wall parts 10 and 20 shown in FIGS. 8, 9 and 10 with the webs 12 and 22 need not be made of a uniform material.
  • the surfaces 11 and 21 of the webs 10 and 20 can be provided with optically, chemically, physically or mechanically effective coatings as required.
  • the abrasion and sputter resistance can preferably be improved by an aluminum oxide or boron nitride coating;
  • the optical properties of layers made of germanium and silicon and their oxides, made of aluminum oxides and gold, are particularly advantageous in the case of CO 2 -band conductor and waveguide lasers, the latter two materials also counteracting the disruptive CO 2 decomposition.
  • the regions of a web or both webs 12 and 22 facing the usable space are advantageously produced at a height of up to a few millimeters from dielectric material, preferably a ceramic material with good thermal conductivity and a low relative dielectric constant, which is good is heat-conducting and bubble-free connected to the metallic part of the walls 10, 20 or the webs 12, 22.
  • the desired stabilizing effect which suppresses an arc discharge, essentially arises from the fact that, with a suitable choice of the dielectric constant and the thickness of such plate supports, this counteracts a local current increase, as occurs, for example, during arcing, as a capacitive series resistor, in that the electric field strength decreases at this point.
  • the feed can be phase-locked in amplitude and phase. This can be done, for example, by dividing the power of a single generator into one 3 dB branching or by using two phase-locked coupled generators.
  • two generators can be used that are not coupled and do not synchronize with each other. In this case, an RF field strength that fluctuates over time with the difference frequency of the generators results in the useful space. This can be permitted for various applications if the difference frequency is high enough.
  • two generators can be alternately keyed so that one generator emits a power pulse while the other is blocked. Such a mode of operation is also permissible or even desirable for many applications, for example the excitation of a laser plasma.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Lasers (AREA)
  • Constitution Of High-Frequency Heating (AREA)

Description

Erzeugung eines elektrischen hochfrequenzfeldes in einem Nutzraum.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrich- tung zur Erzeugung eines elektrischen Hochfrequenzfeldes gemäß dem Patentanspruch 1 bzw. Patentanspruch 14. Dabei soll ein gewünschter Feldstärkeverlauf innerhalb eines Nutzraumes, der in einer Richtung wesentlich größere Abmessungen besitzt als in den beiden anderen Richtungen, erzeugt werden. Daneben soll weiterhin eine gewünschte Verteilung von HF-Leistung auf ein verlustbehaftetes Medium, das in den Nutzraum eingebracht ist, erzielt werden.
Für eine Reihe von physikalischen oder technischen Anwen- düngen ist es erforderlich, hochfrequente Feld- oder Leistungs¬ verteilungen in solchen Nutzräumen zu erzeugen, bei denen eine oder auch zwei Längenausdehnungen größer sind als etwa 1/10 der HF-Freiraumwellenlänge. Es ist bekannt, daß sich beispielsweise in einem Rechteckhohlleiter bei geeigneter Breite ein Nutzraum erzielen läßt, der eine weitgehend gleichmäßige örtliche Ver¬ teilung der elektrischen Feldstärke aufweist, dabei aber wesentlich länger sein kann als es einem Mehrfachen der Frei¬ raumwellenlänge bei der verwendeten Frequenz entspricht.
Zu letzterem Zweck wird beispielsweise der Querschnitt eines
Hohlleiters so gewählt, daß bei der vom HF-Generator bestimmten Frequenz sich im Hohlleiter der Wellentyp niedrigster Frequenz ("Grundtyp") mit hoher Phasenwellenlänge ausbreitet bzw. eine stehende Welle bildet. Ein Teil dieser stehenden Welle kann dann für die Erzeugung einer gleichmäßigen Feldkonfiguration dienen. Auf diese Weise läßt sich allerdings in einem stark absorbierenden Medium keine gleichmäßige Leistungsdichtevertei¬ lung erzielen, da die Dämpfung in Fortpflanzungsrichtung der Welle einen starken Abfall der Feldstärke und der Leistungs- dichte zur Folge hat.
Dieses Problem tritt beispielsweise bei C02- und CO-Lasern auf, die mit einer im Mikrowellenbereich liegenden Frequenz angeregt werden. Bei diesen hat das Plasmarohr üblicherweise eine Länge, die ein Mehrfaches der Freiraumwellenlänge der Generatorfre¬ quenz beträgt. Technisch befriedigende Ergebnisse liefern bis¬ her nur sogenannte "Fast-Flow"-Laser, bei dem durch einen hohen Gasdurchsatz in Längsrichtung Gebiete mit sehr unterschiedli- eher HF-Stromdichte auf das Plasma einwirken und die verschie¬ den stark angeregten Bereiche des Plasmavolumens schnell mit¬ einander verwirbelt werden. Beispielsweise ist ein solcher Typ eines Lasers in der DE-OS 37 43 258 beschrieben.
Bei den bisher- bekanntgewordenen diffusionsgekuhlten, mikrowel¬ lenangeregten Bauformen von Lasern treten dagegen örtliche Un- gleich äßigkeiten und/oder zeitliche Schwankungen der Anregung auf, die nicht ausgeglichen werden können und daher für eine technische Anwendung solcher Anordnungen unvorteilhaft sind.
Zur Vermeidung dieser Nachteile ist man bisher darauf angewie¬ sen, die Anxegungsleistung mit einer so niedrigen Frequenz zu¬ zuführen, daß die entsprechende Freiraumwellenlänge 2 wesent¬ lich größer ist als die Länge des laseraktiven Plasmavolumens. Dies gilt auch für HF-angeregte Bandleiter-Laser.
Bei dieser Ausführungsform eines Lasers wird das Plasma zwi¬ schen zwei einige Zentimeter breiten, sich im Abstand wenige Millimeter gegenüberstehenden langgestreckten Platten aus Me- tall oder einem Dielektrikum erzeugt. Diese Platten dienen zu¬ gleich als Elektroden für die Anregung des Plasmas sowie als Wellenleiter für die Führung des Laserstrahls im Resonator. Dabei kann die HF-Leistung bei Platten, die aus einem Dielek¬ trikum bestehen, über längs der Plasmazone segmentierte Leit- belege an mehreren Stellen zugeführt werden, was jedoch Unstetigkeiten in der Anregung zur Folge hat.
Ausführungsformen derartiger Bandleiter-Laser sind beispiels- weise in der DE-OS 37 29 053 und der EP-A-0 275 023 im einzel¬ nen beschrieben.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein Verfahren und die zugehörige Vorrichtung anzugeben, mittels denen sich bei- spielsweise in einem räumlich gestreckten Nutzraum ein Hoch¬ frequenzfeld mit einem gewünschten örtlichen Feldverlauf, vor¬ zugsweise einem gleichmäßigen Feld, erzeugen läßt. Dabei sollen ein derartiges Verfahren und die zugehörige Vorrichtung auch erlauben, auf ein in den Nutzraum eingebrachtes, verlustbehaf- tetes Medium HF-Leistung mit gewünschtem, insbesondere gleich¬ mäßigem örtlichen Verlauf zu verteilen. Ein solches Verfahren soll für unterschiedlichste Anwendungszwecke, beispielsweise auch für C02-Laser, geeignet sein.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen und spezifische Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Verfahrensansprüchen. Realisiert wird dies Ver¬ fahren mit einer Vorrichtung gemäß dem unabhängigen Vorrich- tungsanspruch, wobei Weiterbildungen in den abhängigen Unter¬ ansprüchen angegeben sind.
Gemäß der Erfindung steht für die in den Nutzraum eingekoppelte HF-Leistung der Vektor der elektrischen Feldstärke weitgehend senkrecht auf den durch die beiden größeren Abmessungen be¬ stimmten Flächen des Nutzraumes. Von den Längenabmessungen, die den Nutzraum kennzeichnen, ist dabei mindestens eine größer als die beiden anderen oder genau so groß wie eine der anderen. Mindestens eine der beiden größeren Längenausdehnungen ist dabei größer als 1/10 der Freiraurtϊwellenlänge ^ , die der Frequenz der eingekoppelten Leistung entspricht, wobei die Richtung des Leistungsflusses in den Nutzraum mit den Richtun¬ gen der Längsausdehnungen weitgehend einen rechten Winkel bildet. -
Im Rahmen der erfinderischen Lehre wird vorgeschlagen, den Nutzraum in eine Struktur nach Art eines Hohlleiters einzu- beziehen. Sie wird so bemessen, daß bei einer bestimmten Anregungsfrequenz f die Phasenwellenlänge zumindest in einer Richtung, insbesondere der Längsrichtung, so groß wird, daß sie in der Nähe der größten Längenabmessung des Nutzraumes kommt oder aber daß sie diese Abmessung überschreitet. Alternativ dazu kann die Struktur so bemessen sein, daß bei der Anre- gurtgsfrequenz die Phasenwellenlänge rechnerisch imaginär wird. In diesem Fall liegt ein aperiodisch gedämpfter Hohlleiter vor.
Bei der erfinderischen Lösung wird zwar die Dimensionierung des den Nutzraum umgebenden Ankoppelraumes nach Art eines Hohlleiters dadurch definiert, daß theoretisch die Phasenwel¬ lenlänge in Richtung von mindestens einer der beiden größeren Längenausdöjhnungen vorgegeben wird. Kennzeichnend für die Er¬ findung ist aber, daß dem Nutzraum die HF-Leistung nicht von den Enden her oder von einer einzelnen Stelle her, sondern im wesentlichen von1einer oder mehrerer der Längsseiten und über diese verteilt zugeführt wird. Hierzu sind diese Seiten als so¬ genannte "Koppelwände" mit Koppelöffnungen versehen. Die einge¬ koppelte Leistung kann dabei in einfacher Weise einer ent¬ sprechend ausgebildeten Hohlleiterstruktur entnommen werden, die als Veyteilerraum mindestens über einen Teil ihrer Länge ähnliche Grenzabmessungen bezüglich der Phasenwellenlänge besitzt wie der Ankoppelraum. In diesem Verteilerraum kann die Leistung in bekannter Weise mittels Hohlleiter, mittels Kop- pel≤tift oder Koppelschleife eines koaxialen Leitungsüber- ganges oder direkt mit dem Koppelstift eines Magnetrons ein- gespeist werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist bei entsprechender Ausbil¬ dung der Vorrichtung für unterschiedlichste technische Anwen- düngen geeignet. Hierzu gehören beispielsweise die spektrosko¬ pische Beobachtung und die Erzeugung oder die Zersetzung von Gasen, Dämpfen oder Flüssigkeiten bestimmter Zusammensetzung, sowie weiterhin die Behandlung von Oberflächen fester Stoffe oder die Abscheidung von Schichten auf Substraten oder auf den als Elektroden dienenden Flächen selbst. Insbesondere ist aber die Erfindung vorteilhaft geeignet zur Erzeugung elektromagne¬ tischer Strahlung durch Anregung eines Gasplasmas, insbesondere bei Gas-Lasern und vorzugsweise bei Bandleiter-Lasern.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbei¬ spielen. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung Figur 1 das Prinzip der Erfindung mit dem Feldstärkeverlauf in beiden Richtungen, Figuren 2 bis 4 unterschiedliche Querschnitt des Ankoppelraumes gemäß Figur 1 mit einem darin befindlichen Rohr, dessen Inneres als Nutzraum dient, Figur 5 die Ausbildung des Ankoppelraumes nach Art eines Steg¬ hohlleiters mit dem Innenvolumen eines eingeschobenen Rohres als Nutzraum,
Figur 6 die Anordnung von zwei ineinandergeschobenen Rohren, deren Zwischenraum einen Kühlkanal bildet, Figur 6 eine andere Ausführung des Kühlkanals, Figur 8 ein für eine Laseranwendung geeignetes Ausführungsbei- spiel mit einseitiger Einkopplung der HF-Leistung in den Ankoppelraum, Figur 9 ein anderes Ausführungsbeispiel mit einer doppelseiti¬ gen Einkopplung der HF-Leistung und Figur 10 die Zuordnung des Feldstärkeverlaufes in Querrrichtung des Nutzraumes mit zugehöriger Struktur des Ankoppel¬ raumes. 1 In den Figuren sind gleiche bzw. identische Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Figuren werden teilweise zusammen beschrieben«
5 In Figur 1 steht ein Nutzraum 1, in dem die gewünschte Feldver¬ teilung erzeugt werden soll oder in dem einem Medium die HF- Leistung mit bestimmter Feldverteilung zugeführt werden soll, mit einem Ankoppelraum 2 elektrisch in Verbindung. Der An¬ koppelraum ist entlang den Seiten durch eine Begrenzung 15 ab-
10 geschlossen bzw. mit einer Koppelwand 30 versehen, durch die die HF-Leistung, die zur Deckung von Verlusten bzw. zur Behand¬ lung des Mediums erforderlich ist, aus einem Verteilerraum 40 mit einer geeigneten Leistungsdichteverteilung eintritt. Der Leistungsfluß ist durch Pfeile angedeutet.
15
Zweck des Verteilerraumes 40 ist es, die von einem Generator 46, beispielsweise einem Magnetron, mit der Frequenz f und der zugehörigen Freiraumwellenlänge λ angebotene und beispielswei¬ se über einen Hohlleiter oder über ein Kabel 44 und einen Über-
20 gang 45 oder auch die direkt vom Koppelstift der Magnetrons zu¬ geführte Leistung entlang der Koppelwand 30 zu verteilen. Ins¬ besondere dann, wenn im Nutzraum 1 nur wenig oder sehr viel Leistung verbraucht wird, läßt sich infolge des Auftretens ste¬ hender Wellen bzw. ungleichmäßiger Resonanzüberhöhungen ein
25 gewünschter Verlauf der Feldstärke oder Leistungsdichte im
Nutzraum 1 oft nur erzielen, wenn der Ankoppelraum 2, die Kop¬ pelwand 30 und der Verteilerraum 40 sorgfältig bemessen sind. Die genaue Berechnung einer solchen Anordnung ist dann ver¬ gleichsweise aufwendig.
^30
Geeignete Querschnittsabmessungen des Ankoppelraumes 2 lassen sich durch eine für viele Zwecke, ausreichende Näherung berech¬ nen, wenn sich im Nutzraum Medien befinden, deren relative 35 Dielektrizitätskonstante - einen Realteil f' , zwischen 0,7 und 3 sowie - einen Imaginärteil £" -_ zwischen 0,05 und 0,2 aufweist. Ein Realteil le*ι < 1 tritt beispielsweise bei piezo¬ elektrischen Stoffen in der Nähe von mechanischen Resonanzen sowie bei Plasmen auf.
Bei der näherungsweisen Berechnung des Querschnitts von Ankop¬ pelraum und Nutzraum geht man folgendermaßen vor:
Man nimmt zunächst an, daß die Koppelwand 30 durch eine durch¬ gehend leitende Wand ersetzt ist, die jedoch um 5 % der Wel¬ lenlänge 3 nach außen gerückt ist, und daß der Nutzraum 1 frei ist von dem Medium, dem HF-Leistung zugeführt werden soll. Die Querschnittsabmessungen des Ankoppelraumes 2 sind dann so zu wählen, daß sich in z-Richtung bei einer bestimmten Frequenz fß nur eine schwach aperiodisch gedämpfte Welle in Längsrichtung ausbreiten kann oder eine Welle, deren Phasenwellenlänge p, wenigstens das l,5fache der Freiraumwellenlänge 0 bei der Generatorfrequenz f beträgt.
Für den Fall, daß die Leistung nur von einer Seite in den An¬ koppelraum 2 eingespeist wird, gilt mit der Anregungsfrequenz f für die Berechnungsfrequenz fß: fB * fo '
Nach dem gleichen Prinzip kann die Bemessung des Verteiler¬ raumes vorgenommen werden, wobei sich die Störung, die von der Einkopplungsstelle für die HF-Leistung verursacht wird, nicht nennenswert auswirkt. Im allgemeinen sind in der Umgebung der Stelle oder der Stellen, an denen die ΗF-Leistung vom Generator 46 zugeführt wird, besondere Maßnahmen zweckmäßig, um einer¬ seits die Anpassung zu verbessern, andererseits die Einwirkung der Feldstörung an der Zuführungsstelle auf die nächstgelegenen Bereiche der Koppelwand 30 zu unterbinden. Eine solche Maßnahme kann beispielsweise in der Verkleinerung von Koppelöffnungen in diesem Bereich oder in einem Zwischenschalten eines weiteren Verteilerraumes mit Koppelwand bestehen.
Wird die HF-Leistung von zwei Seiten in den Ankoppelraum 2 ein- gespeist und von der Möglichkeit Gebrauch gemacht, den Nutz¬ raum 2 breiter zu machen als dies bei einseitiger Einkopplung der HF-Leistung möglich ist, so gilt: fB (0,6 ... 0,9) . fQ , wobei einer größeren Breite des Nutzraumes 2 der kleinere Fak- tor zuzuordnen ist.
Ein besonderer Vorteil des anmeldungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß bei geeigneter Bemessung von Verteilerraum 40, Kop¬ pelwand 30 und Ankoppelraum 2 die Gefahr von Instabilitäten der Leistungsverteilung im Medium gemindert werden kann. Steigt beispielsweise an einer Stelle die Leitfähigkeit des Mediums bei Überschreiten einer kritischen Temperatur, Feldstärke oder Leistungsdichte schnell an, so konzentriert sich in vielen bisher verwendeten Anordnungen ein beträchtlicher Teil der ge- samten Leistung auf diese Stelle und verstärkt die Instabili¬ tät.
Bei dem erfindungsgemäß angegebenen Verfahren ist der Lei¬ stungstransport in der Längsrichtung des Nutzraumes, d.h. der z-Richtung gemäß Figur 1, beeinträchtigt. Quer dazu, d.h. in der x-Richtung gemäß Figur 1, kann an den erwähnten Instabili- tätsstelleπ die im Vergleich zu den Nachbargebieten erhöhte Leistungsaufnahme infolge der Eigenschaften des Ankoppelraumes in Querrichtung zu einer Fehlanpassung im Bereich der nächst- gelegenen Koppelöffnungen führen und auch in dieser Richtung die Leistungszufuhr vermindern.
In Figur 1 ist weiterhin der Verlauf der Feldstärke E bei einer gewünschten weitgehend gleichmäßigen Leistungsdichtever- teilung über die Breite (x-Richtung) und die Länge (z-Richtung) des Nutzraumes 1 mit der Länge L als durchgezogene Linie dar¬ gestellt. Der Feldverlauf außerhalb des Nutzraumes 1 ist mit unterbrochenen Linien angedeutet, wobei in z-Richtung die Wir¬ kung von Teilen aus dielektrisch wirksamem Material an den Enden des Nutzraumes 1 berücksichtigt ist, die zu einem schnel¬ len Abfall der elektrischen Feldstärke E führt. Die in der Mitte der einen Schmalseite des Verteilerraumes 40 eingespei¬ ste, vom Generator 46 abgegebene HF-Leistung führt zu dem skizzierten Feldverlauf. Sie tritt weitgehend gleichmäßig durch die Öffnungen 31 der Koppelwand 30 in den Ankoppelraum 2 ein. Der Nutzraum 1 ist zweckmäßigerweise im Bereich des Maximums der Feldstärke E im Ankoppelraum 2 angeordnet, so daß in der Querrichtung die Ungleich äßigkeit der Feldstärke E gering bleibt.
Wie erwähnt, müssen verbleibende Ungleich äßigkeiten der Feld¬ stärke- und der Wandstromverteilung im Verteilerraum 40 entlang der Koppelwand 30 nicht zu einer ungleichmäßigen Leistungsver¬ teilung im Ankoppelraum 2 und Nutzraum 1 führen, wenn durch unterschiedliche Größe bzw. Form und/oder Stellung einzelner Koppelöffnungen ein Ausgleich geschaffen wird. Insbesondere dann, wenn der Nutzraum einer bestimmten Anordnung für ver¬ schiedene Medien mit sehr unterschiedlichen Dielektrizitäts¬ konstanten und entsprechenden Verlusten geeignet sein soll, kann es zweckmäßig sein, mehrere Verteilerräume in x-Richtung nebeneinander anzuordnen und durch Koppelwände jeweils zu trennen. Diese Verteilerräume können mit unterschiedlichen Querschnittsformen, wie beispielsweise Rechteckhohlleiter, Steghohlleiter sowie Steghohlleiter mit mehreren Stegen, sym- metrisch oder unsymmetrisch ausgeführt sein. Vorzugsweise bei der Anwendung des Verfahrens für Laser läßt sich die zu¬ verlässige Zündung des Lasergases und der Betrieb über einen größeren Bereich des Gasdruckes und des Elektrodenabstandes sowie der Betrieb innerhalb eines größeren Leistungsbereiches durch diese Maßnahmen realisieren. Insgesamt ergibt sich aus Figur 1 der Verlauf der Feldstärke E im gesamten Ankoppelraum 2 entsprechend einer gestörten Sinus¬ verteilung. Im Bereich des Maximums der Feldstärke E,, läßt sich der Nutzraum so festlegen, daß die Ungleich äßigkeit der Feld- Stärkeverteilung bzw. der Leistungsverteilung im Medium ein Minimum wird. Gleiches gilt auch bezüglich der Längsrichtung im Nutzraum 1. Wie bereits erwähnt, wird der steile Abfall an den Enden der Kurve in gleicher Weise wie im Verteilerraum 40 durch besondere Maßnahmen in den Endbereichen geführt. Derartige Maß- nahmen sind beispielsweise das Einbringen von Teilen aus Di¬ elektrika oder leitenden Stoffen, von Querschnittsverbreiterun¬ gen oder das Ein- oder Anfügen von als Resonator wirkenden Hohlleiterstücken.
Damit ergibt sich im Nutzraum 1 ein weitgehend gleichmäßiger Feldstärke- bzw. Leistungsdichteverlauf auch in der Längsrich¬ tung, was in dieser Form bisher nicht erreicht werden konnte. Beim Stand der Technik erfolgte bei Nutzräumen, deren Längs¬ ausdehnung etwa die halbe Freiraumwellenlänge 2 Q der einge- speisten HF-Leistung erreicht oder überschritt, der Leistungs¬ fluß entweder örtlich zu unstetig oder aber nahezu vollständig nur in der Längsrichtung, so daß aus physikalischen Gründen zwangsläufig keine sehr gleichmäßige Feld- oder Leistungsver¬ teilung erreichbar war.
In Figur 2 bis Figur 4 enthält der Ankoppelraum 2 jeweils ein Rohr 50, beispielsweise aus Keramik, dessen Innenvolumen als Nutzraum 1 für verschiedenste Anwendungszwecke verwendbar ist. Speziell in Figur 2 ist nur eine der beiden Seitenwände des An- koppelraums 2 als Koppelwand 30 ausgebildet, durch deren Öff¬ nungen 31 und 32 die HF-Leistung zugeführt wird. Die andere Seitenwand 15 ist geschlossen, kann aber auch mit kleinen Öff¬ nungen versehen sein, die zur optischen Beobachtung, zur Ein¬ strahlung von UV-Licht als Zündhilfe oder für ähnliche Zwecke geeignet sind, wobei die durch die gegenüberliegende Koppelwand eingespeiste HF-Leistung allenfalls nur in unwesentlichem Maß durchtreten kann.
In Figur 3 sind beide Seitenwände als Koppelwände 30 bzw. 30' ausgeführt, so daß von beiden Seiten her HF-Leistung einge¬ speist werden kann. Auf die besondere Möglichkeit hierbei wird weiter unten noch für spezifische Anwendungszwecke eingegangen.
In Figur 4 bildet der Ankoppelraum eine T-Struktur, in deren Zentrum sich das Rohr 50 mit dem Nutzraum 1 befindet. Der Steg am Fußpunkt des T's bildet die Koppelwand 30 mit Koppelöffnun¬ gen 33, die Stege am T-Balken dagegen die zugehörigen Kurz¬ schlußwände 15. Zwecks besserer Leistungsanpassung des im Nutz¬ raum 1 befindlichen Mediums an die Feldverhältnisse im Ankop- pelrau 2 kann es auch hier vorteilhaft sein, die Kurzschlu߬ wände 15 bzw. 15' und die Koppelwand 30 im unterschiedlichen Abstand vom Rohr 50 anzuordnen.
Die Ankoppelräume 2 sind in den Figuren 2 bis 4 nach der Art von Rechteckhohlleitern ausgeführt; es sind auch Ausführungen nach Art von Steghohlleitern möglich, wie dies weiter unten noch gezeigt wird. Insbesondere die Stege 22 und 23 an den breiten Wänden 10 bzw. 20 können dabei eben sein und mit ihren gegenüberliegenden Flächen 11 bzw. 21 parallel zueinander ste- hen.
Bei einseitiger Einkopplung der HF-Leistung in den Ankoppelraum 2 kann es vorteilhaft sein, den Nutzraum 1 nicht mittig zwi¬ schen der Koppelwand 30 und der Kurzschlußwand 15 anzuordnen, um auf diese Weise einen gleichmäßigen Feldverlauf in Querrich¬ tung des Nutzraumes 1 bzw. eine günstige Leistungsanpassung eines Mediums im Rohr 50 an die Feldverhältnisse im Ankoppel¬ raum 2 zu erhalten.
In weiteren Ausführungsbeispielen kann insbesondere zur Reali- 12 sierung von gewünschten spezifischen Feldverteilungen der An¬ koppelraum 2 im Querschnitt sternförmig mit gleich oder unter¬ schiedlich langen Abmessungen der einzelnen strahlenartigen Teile ausgebildet sein. Damit läßt sich der unterschiedlich große Abstand der Kurzschlußwände 15 bzw. einer oder mehrerer Koppelwände 30 von der Längsachse des Nutzraumes 1 erreichen.
In Figur 5 ist eine Hohlleiterstruktur 20 als Ankoppelraum dar¬ gestellt, bei der zur Anpassung an den Querschnitt eines rohr- fδrmigen Behältnisses-50 mit seinem Innenvolumen als Nutzraum 1 Stege 12 und 22 vorhanden sind, die eine gewölbte, beispiels¬ weise an das Rohr 50 angepaßte Fläche aufweisen. Die Stege 12 und 22 enthalten dabei vorteilhafterweise Kühlkanäle 54 und 55, die von einer Kühlflüssigkeit oder einem Kühlgas durchströmt sind. Mit Koppelwand 30 und dem Verteilerraum 40 kann der An¬ koppelraum 20 eine einheitliche Struktur bilden.
Im Rohr 50 gemäß Figur 5 kann ein weiteres Rohr 51 aus di¬ elektrisch wirksamem Material angeordnet sein, wie es in Fi- gur 6 angedeutet ist. Bei geeigneter Bemessung kann dies eine zusätzliche Homogenisierung des Feldes im Nutzraum 1 bewirken. Der Zwischenraum zwischen den Rohren 50 und 51 kann zu Kühl¬ zwecken mit einem ve-rlustarmen Kühlmittel durchströmt werden.
In Figur 7 ist weiter gezeigt, daß durch Unterteilung des Zwi¬ schenraumes zwischen den beiden Rohren separate Kühlstränge gebildet werden. Dadurch kann unter bestimmten Bedingungen als Kühlflüssigkeit auch Wasser benützt werden, ohne daß darin eine ins Gewicht fallende Absorption der HF-Leistung stattfindet.
Die Koppelwände 30 können mit ihren Koppelöffnungen 31 folgende unterschiedliche Strukturen haben. Beispielsweise sind Schlitze, runde oder, rechteckige Löcher oder deren Kombination möglich. Insbesondere können auch Schlitze in mehreren Reihen gegeneinander auf Lücke angeordnet sein oder aber die Schlitze zickzackför ig verlaufen. Möglich sind auch Kombinationen von Schlitzen mit Löchern, beispielsweise in Form von Hantelstruk¬ turen. Als Koppelmittel können auch Stege dienen, die abwech¬ selnd aus der Ebene der Koppelwand 30 in Richtung zum Ankoppel- räum 2 bzw. zum Verteilerraum 40 herausgedrückt sind, oder ge¬ gebenenfalls auch sogenannte Koppelschleifen.
Als Koppelwand 30 kann ebenfalls eine Metallwand mit einem langen, durchgehenden Längsschlitz dienen. Unter Koppelwand im vorgenannten Sinn sind auch andere Vorrichtungen zu verstehen, die die Funktion einer elektromagnetischen Kopplung zwischen dem Verteilerraum und dem Ankoppelraum haben, wie z.B. Stücke von niedrigen Rechteckhohlleitern, die mit einem Dielektrikum gefüllt sein können.
Das Rohr 50 mit seinem Innenvolumen als Nutzraum 1 gemäß den Figuren 2 bis 5 kann an den beiden Enden abdichtbare Zugänge haben, über die ein Medium hinein- bzw. herausführbar ist. Ein solches Medium kann beispielsweise ein Gas oder Gasgemisch sein, das zwecks Analyse oder Emission von Laserstrahlung ange¬ regt werden soll oder in welchem bestimmte Zersetzungs- oder Verbindungsprozesse ablaufen sollen. Zur Unterstützung der letztgenannten Prozesse können katalytisch wirksame Substanzen im Nutzraum vorhanden sein, beispielsweise in Form von Schich- ten auf den Wänden.
Weiterhin ist es möglich, in das Rohr 50 Substrate einzubrin¬ gen, deren Oberflächen beispielsweise durch Plasmaätzen beein¬ flußt werden sollen, oder auf denen Schichten abzuscheiden sind. Durch eine geeignete konstruktive Ausbildung kann ein solches Substrat vorteilhafterweise kontinuierlich den Nutzraum 1 durchlaufen. Auch auf den Begrenzungswänden des Nutzraumes 1 selbst, also beispielsweise auf der Rohrinnenwand oder den ge¬ genüberstehenden Innenflächen 11, 21 von Stegen 12, 22 können solche Schichten gleichmäßig abgeschieden werden. 14 In Figur 8 und Figur 9 ist der Nut'zraum 1 unmittelbar durch den Raum zwischen einander gegenüberstehenden Flächen 11 und 21 zweier Stege 12 und 22 von Wandteilen 10 und 20 gebildet. Diese Ausführung nach Art eines Steghohlleiters läßt sich insbesonde¬ re für einen Baπdleiter-Gaslaser verwenden. Auf der einen Seite ist eine Abschlußwand 15 und auf der anderen Seite die Koppel¬ wand 30 vorhanden, die entsprechend Figur 1 mit einem Vertei¬ lerraum 40 für HF-Leistung verbunden ist und Koppelöffnungen 31 aufweist.
In Figur 1 und Figur 8 ist die Breite des Nutzraumes 1 durch die Forderung nach Gleichmäßigkeit des elektrischen Feldes in Querrichtung begrenzt. Bestimmte Breiten können bei dieser An¬ ordnung nicht überschritten werden, falls man nicht eine höhere Ungleichmäßigkeit des Feldverlaufes in Querrichtung in Kauf nehmen kann. Wird ein gleichmäßiger Feldverlauf über eine größere Breite gefordert, so bietet sich - wie bereits anhand Figur 3 prinzipiell dargestellt - die vorteilhafte Möglichkeit an, die HF-Leistung von zwei Seiten her in den Ankoppelraum 2 einzuspeisen, welcher für die Laseranwendung entsprechend Fi¬ gur 8 in Figur 9 ebenfalls durch den Raum zwischen den Bandlei¬ terelektroden 10 und 20 gebildet ist.
In Figaur 10 ist der Verlauf der Feldstärke E„y für die Ausfüh- rungsform gemäß Figur 9 dargestellt. Ein solcher Verlauf ergibt sich dann, wenn in den Nutzraum ein verlustbehaftetes Medium gebracht wird und die HF-Leistung gleichphasig aus den Vertei¬ lerräumen 40 bzw. 40' durch die Öffnungen der Koppelwände 30 bzw. 30' in den Ankoppelraum 2 eintritt.
Die in den Figuren 8, 9 und 10 dargestellten Wandteile 10 und 20 mit den Stegen 12 und 22 brauchen nicht aus einheitlichem Material zu bestehen. Insbesondere können die Flächen 11 und 21 der Stege 10 und 20 nach Bedarf mit optisch, chemisch, physika- lisch oder mechanisch wirksamen Beschichtungen versehen sein. So kann die Abrieb- und Sputterfestigkeit vorzugsweise durch eine Aluminiumoxid- oder Bornitrid-Beschichtung verbessert wer¬ den; die optischen Eigenschaften von Schichten aus Germanium und Silizium und deren Oxiden, aus Aluminiumoxiden sowie Gold, sind insbesondere bei CO^-Bandleiter- und Wellenleiter-Lasern von Vorteil, wobei die beiden letztgenannten Materialien auch der störenden C02-Zersetzung entgegenwirken.
Verschiedene Gase bzw. Gasmischungen neigen bei der Anregung zum Plasma zwischen Metallelektroden dazu, in bestimmten Druck¬ bereichen in unerwünschter Weise Lichtbögen zu bilden statt der gewünschten Glimmentladungen. Auch können Instabilitäten geför¬ dert werden, die nicht ausreichend durch die im einzelnen be¬ schriebene, erfindungsgemäße Einkopplung der HF-Leistung unter- drückt werden können. In solchen Fällen werden vorteilhafter¬ weise die dem Nutzraum zugewandten Bereiche eines Steges oder beider Stege 12 und 22 in einer Höhe bis zu einigen Millimetern aus dielektrisch wirksamem Material, vorzugsweise einem Kera¬ mikmaterial mit guter Wärmeleitfähigkeit und einer geringen relativen Dielektrizitätskonstante, hergestellt, das gut wärme¬ leitend und blasenfrei mit dem metallischen Teil der Wände 10, 20 bzw. der Stege 12, 22 verbunden wird. Die gewünschte stabi¬ lisierende, eine Bogenentladung unterdrückende Wirkung kommt im wesentlichen dadurch zustande, daß bei geeigneter Wahl der Di- elektrizitätskonstanten und der Dicke solcher Plattenauflagen diese als kapazitiver Vorwiderstand einem örtlichen Stroman¬ stieg, wie er beispielsweise bei der Bogenbildung entsteht, entgegenwirkt, indem sich die elektrische Feldstärke an dieser Stelle vermindert.
Bei der Einspeisung der HF-Leistung gemäß Figur 9 von beiden Seiten her in den Ankoppelraum stehen mehrere Möglichkeiten offen: Einerseits kann die Einspeisung gleichphasig amplituden- und phasenstarr erfolgen. Dies kann beispielsweise durch Auf- teilung der Leistung eines einzigen Generators in einer 3-dB-Verzweigung oder durch Verwendung zweier phasenstarr ge¬ koppelter Generatoren- erzielt werden. Daneben können auch zwei Generatoren verwendet werden, die nicht gekoppelt sind und nicht einander synchronisieren. In diesem Fall ergibt sich im Nutzraum eine mit der Differenzfrequenz der Generatoren zeit¬ lich schwankende HF-Feldstärke. Dies kann bei verschiedenen Anwendungszwecken zugelassen werden, wenn die Differenzfrequenz hoch genug liegt. Schließlich können zwei Generatoren wechsel¬ seitig so getastet werden, daß der eine Generator einen Lei- stungspuls abgibt, während der andere gesperrt ist. Auch eine solche Betriebsweise ist bei vielen Anwendungszwecken, z.B. der Anregung eines Laserplasmas, zulässig oder sogar wünschenswert.
Bei allen beschriebenen Ausführungsbeispielen ist es in einfa- eher Weise möglich, HF-Leistung selbst im Mikrowellenbereich weitgehend gleichmäßig über Koppelwände in gewünschter Weise auf einen Nutzraum zu verteilen, dessen Länge bis ungefähr das 6fache der Freiraumwellenlänge Λ betragen kann. Werden längere Nutzräume benötigt, so lassen sich mehrere Verteilerräume mit je einem Generator einseitig oder zweiseitig entlang dem An¬ koppelraum aneinandersetzen. Falls es - wie in vielen Anwen¬ dungsfällen - zulässig ist, die HF-Leistung gepulst zuzuführen, kann es vorteilhaft sein, die Generatoren mit gleicher Pulsfre¬ quenz, jedoch mit zeitversetzten Pulsen, so zu betreiben, daß benachbarte bzw. gegenüberliegende Verteilerräume nicht zur gleichen Zeit mit HF-Leistung beaufschlagt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Erzeugung eines elektrischen Hochfrequenzfeldes gewünschten Feldstärkenverlaufes in einem Nutzraum (1), der in einer Richtung bevorzugt ausgedehnt ist, und/oder Verfahren zur Verteilung der HF-Leistung in einem verlustbehafteten Medium, das in den Nutzraum (1) eingebracht ist, mit folgenden Merk¬ malen:
- in der größten Längsausdehnung des Nutzraumes (1) wird für die eingekoppelte HF-Leistung eine Phasenwellenlänge erzwun¬ gen, die in der Nähe der Längenausdehnung des Nutzraumes (L) oder darüber liegt, oder es wird in dieser Richtung eine ape¬ riodisch gedämpfte Welle erzwungen,
- die Hochfrequenz-Leistung wird dem gewünschten Feldverlauf entsprechend in den Nutzraum (1) weitgehend senkrecht zur
Richtung seiner Längsausdehnung eingekoppelt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n ¬ z e i c h n e t , daß die Hochfrequenz-Leistung, die im Nutz- räum (1) umgesetzt werden soll, von einem Generator vorgegebe¬ ner Generator"requenz (f ) zunächst einem Verteilerraum (2) zugeführt wir«., der über eine Koppelwand (30) mit einem Ankop¬ pelraum (2) für den Nutzraum (1) verbunden ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n ¬ z e i c h n e t , daß sich im Nutzraum (1) in dessen Längs¬ richtung eine Phasenwellenlänge ergibt, die größer als ungefähr das l,3fache der Freiraumwellenlänge (X ) der eingekoppelten
HF-Leistung bei der Generatorfrequenz (fQ) ist.
4. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n ¬ z e i c h n e t , daß die Phasenwellenlänge in Längsrichtung des Nutzraumes (1) gegen *=>° geht.
5. Verfahren nach Anspuch 3, d a d u r c h g e k e n n ¬ z e i c h n e t , daß die Längsausdehnung des Nutzraumes (1) wenigstens ein Zehntel der Freiraumraumwellenlänge (L >_ 1/101 ) beträgt.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Generatorfrequenz (f ) im GHz-Bereich, entsprechend einer Freiraumwellenlänge ( ) im Mikrowellenbereich, gewählt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n ¬ z e i c h n e t , daß die Generatorfrequenz bei 2,45 GHz liegt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, g e ¬ k e n n z e i c h n e t durch die Anwendung zur Synthese von Gasen.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, g e - k e n n z e i c h n e t durch die Anwendung zur Zersetzung von
Gasen.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, g e ¬ k e n n z e i c h n e t durch die Anwendung zur Veränderung von Oberflächen von Substraten, insbesondere zum Plasmaätzen.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, g e ¬ k e n n z e i c h n e t durch die Anwendung zur Abscheidung von Schichten auf Substraten, insbesondere auf ein kontinuier- lieh durch den Nutzraum hindurchziehbares Band.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß Begrenzungsflä¬ chen des Nutzraumes (1) selbst als Substrate dienen.
1 13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, g e ¬ k e n n z e i c h n e t durch die Anwendung zur Plasmaanre¬ gung bei Gas-Lasern, vorzugsweise Bandleiter-Lasern.
5 14. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 13, mit einem in eine Richtung bevorzugt ausgedehnten Nutzraum, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß der Nutzraum (1) und gegebenen¬ falls ein den Nutzraum (1) begrenzendes Behältnis (50) sich
10 innerhalb eines Ankoppelraumes (2) befinden oder Teil eines Ankoppelraumes (2, 10, 20) sind, der über nahezu seine gesamte Längsausdehnung wenigstens auf einer Seite eine Koppelwand (30, 30') aufweist, die mit Koppelöffnungen (31 bis 34) versehen ist, wobei durch die Koppelöffnungen (31 bis 34) hindurch HF-
15 Leistung aus wenigstens einem Verteilerraum (40) in den Ankop¬ pelraum (2) eingespeist wird.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß die Koppelwand (30, 30') von
20 einem oder mehreren niedrigen Hohlleiterstücken gebildet wird, die mit Teilen aus dielektrisch wirksamem Material in Verbin¬ dung stehen.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14, d a d u r c h g e -
25 k e n n z e i c h n e t , daß der Nutzraum (1) von einem Rohr (50) eingeschlossen ist, das sich innerhalb des Ankoppelraumes (2) befindet.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, d a d u r c h g e -
~30 k e n n z e i c h n e t , daß das den Nutzraum (1) begrenzen¬ de Rohr (50) von einem weiteren Rohr (51) in vorgegebenem Ab¬ stand zur Bildung eines Zwischenraumes (52) umgeben ist, und daß der Zwischenraum (52) oder Teile (56, 57) des Zwischen¬ raumes von einem Kühlmedium durchströmt werden. 35
18. Vorrichtung nach Anspruch 14, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß der Nutzraum (1) von einander gegenüberstehenden Flächen (11, 21) zweier Wandteile (10, 20) oder zweier als Stege (12, 22) ausgebildeter Vorsprünge der Wandteile (10, 20) als Ankoppelraum begrenzt wird.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß die Stege (12, 22) mit Platten aus keramischem oder glasartigem Material belegt sind und daß die Dicke des plattenförmigen Materials in Abhängigkeit von dessen relativen Dielektrizitätskonstante so gewählt wird, daß pro Flächeneinheit ein für den Anwendungszweck geeigneter kapazitiver Widerstand zwischen dem metallischen Teil des Steges (12, 21) bzw. dem Wandteil (10, 20) und dem Nutzraum (1) erreicht wird.
20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die einander gegenüberlie¬ genden Flächen (11, 21) der Wandteile (10, 20) oder der Stege (12, 22)- mit Beschichtungen versehen sind.
21. Vorrichtung nach Anspruch 18, 19 oder 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Wandteile (10, 20) bzw. Stege (12, 22) mit den Flächen (11, 21) Bestandteil eines Band- leiter-Lasers sind.
22. Vorrichtung nach Anspruch 14, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß sich im Nutzraum (1) ein Gas¬ oder Dampfplasma. befindet.
23. Vorrichtung nach Anspruch 15 und 17 bis 21, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Wandteile (10, 20) oder deren Stege (12, 22) mit Kanälen (54, 55) ve.rsehen sind, die von einem Kühlmedium durchströmt werden.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß die Wandteile (10, 20) mit einer externen Kühlvorrichtung wärmeleitend verbunden sind.
25. Vorrichtung nach Anspruch 14 und 17 bis 22, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zwischen den oberen und unteren Wandteilen (10, 20) des Ankoppelraumes (2) bzw. des Verteilerraumes (40) Begrenzungsteile aus einem verlustarmen Material, beispielsweise eine Seitenwand (15), eingefügt sind, die das Entweichen des im Nutzraum befindlichen Mediums ver¬ hindern.
26. Vorrichtung nach Anspruch 14, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß die Seitenwand (15) und die Koppelwand (30) den Ankoppelraum (2) vakuumdicht abschließen und daß die Koppelöffnungen (31 bis 34) mit Teilen aus einem verlustarmen Material, vorzugsweise Glas, Quarz oder Keramik, vakuumdicht verschlossen sind.
27. Vorrichtung nach Anspruch 14, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß die Koppelwand (30, 30') und Koppelöffnungen (31 bis 34) mit Teilen aus Metall und/oder dielektrisch wirksamem Material versehen sind, um erforderliche Koppeleigenschaften zu erhalten.
28. Vorrichtung nach Anspruch 14, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß der Verteilerraum (40) direkt oder über Kabel, Hohlleiter, Verbindungs- und Übergangsstücke mit einem HF-Generator (46), beispielsweise einem Magnetron, verbunden ist.
29. Vorrichtung nach Anspruch 14, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß der Ankoppelraum (2) und der Verteilerraum (40) im Querschnitt nach Art eines Rechteck- oder Steghohlleiter geformt sind. 30. Vorrichtung nach Anspruch 14, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß zwei oder mehr Verteilerräume (40, 40'), die durch Koppelwände (30,
30') mit Koppelöffnungen (31) voneinander abgeteilt sind, parallel nebeneinander ange- ordnet sind.
31. Vorrichtung nach Anspruch 14, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß zur Erzielung langer Nutzräume (1) längs eines Ankoppelraumes (2) entsprechender Länge mehrere Verteilerräume (40) an einer oder beiden Seiten des Nutzraumes (1) angeordnet sind, die je mit einem Generator (46) verbunden sind und über Koppelwände HF-Leistung in den Ankoppelraum (2) einspeisen.
32. Vorrichtung nach Anspruch 14, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß mehrere HF-Generatoren vorhan¬ den sind, die ihre Leistung gepulst und mit gleicher Pulsfre¬ quenz abgeben, wobei die Pulse gleichzeitig oder zeitlich ver¬ setzt erfolgen.
EP19900905516 1989-04-17 1990-04-10 Erzeugung eines elektrischen hochfrequenzfeldes in einem nutzraum Withdrawn EP0468990A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE3912569 1989-04-17
DE19893912569 DE3912569A1 (de) 1989-04-17 1989-04-17 Verfahren und vorrichtung zur erzeugung eines elektrischen hochfrequenzfeldes in einem nutzraum

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP0468990A1 true EP0468990A1 (de) 1992-02-05

Family

ID=6378847

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP19900905516 Withdrawn EP0468990A1 (de) 1989-04-17 1990-04-10 Erzeugung eines elektrischen hochfrequenzfeldes in einem nutzraum

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP0468990A1 (de)
JP (1) JPH04504640A (de)
DE (1) DE3912569A1 (de)
WO (1) WO1990013151A1 (de)

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE68921050T2 (de) * 1988-12-14 1995-09-21 Mitsubishi Electric Corp Mikrowellenheizgerät.
DE60023964T2 (de) * 1999-02-01 2006-06-22 Ohmi, Tadahiro, Sendai Laservorrichtung, Belichtungsapparat unter Verwendung derselben und Herstellungsverfahren
JP5199962B2 (ja) * 2009-08-05 2013-05-15 三菱重工業株式会社 真空処理装置
JP5622477B2 (ja) * 2010-08-06 2014-11-12 三菱重工業株式会社 真空処理装置
JP5523977B2 (ja) * 2010-08-06 2014-06-18 三菱重工業株式会社 真空処理装置およびプラズマ処理方法
US20130084408A1 (en) * 2010-08-06 2013-04-04 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Vacuum processing apparatus and plasma processing method
JP5721362B2 (ja) * 2010-08-06 2015-05-20 三菱重工業株式会社 真空処理装置およびプラズマ処理方法
JP5517826B2 (ja) * 2010-08-17 2014-06-11 三菱重工業株式会社 真空処理装置およびプラズマ処理方法
JP5517827B2 (ja) * 2010-08-17 2014-06-11 三菱重工業株式会社 真空処理装置およびプラズマ処理方法
JP5822658B2 (ja) * 2011-10-31 2015-11-24 三菱重工業株式会社 真空処理装置
JP6391560B2 (ja) * 2015-12-24 2018-09-19 三菱電機株式会社 導波管変換回路及びアンテナ装置

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1263990A (fr) * 1959-05-07 1961-06-19 Unilever Nv Perfectionnements à des dispositifs de guide d'ondes et à leur utilisation
US4513424A (en) * 1982-09-21 1985-04-23 Waynant Ronald W Laser pumped by X-band microwaves
JPS61220486A (ja) * 1985-03-27 1986-09-30 Mitsubishi Electric Corp レ−ザ発振装置
DE3708314A1 (de) * 1987-03-14 1988-09-22 Deutsche Forsch Luft Raumfahrt Mikrowellengepumpter hochdruckgasentladungslaser
DD263648B5 (de) * 1987-08-31 1996-01-25 Buck Werke Gmbh Einrichtung zur erzeugungs eines Mikrowellenplasmas mit grosser Ausdehnung und Homogenitaet

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO9013151A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
JPH04504640A (ja) 1992-08-13
DE3912569A1 (de) 1990-10-18
WO1990013151A1 (de) 1990-11-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE2952046C2 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung einer elektrischen Entladung in einem mit Überschallgeschwindigkeit strömenden Gas
EP0468986A1 (de) Gas-laser, insbesondere co2 - laser
DE69304383T2 (de) Mikrowellenstrahler und Plasmareaktor unter Verwendung dieser Einrichtung
EP0511492B1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung oder Beschichtung von Substraten
DE69426463T2 (de) Mikrowellenplasmareaktor
DE112006002151T5 (de) Plasmabearbeitungsgerät
EP0306506B1 (de) Mikrowellengepumpter hochdruckgasentladungslaser
DE3743258A1 (de) Verfahren zur elektrischen anregung eines lasergases
EP0468990A1 (de) Erzeugung eines elektrischen hochfrequenzfeldes in einem nutzraum
EP1183709B1 (de) Linear ausgedehnte anordnung zur grossflächigen mikrowellenbehandlung und zur grossflächigen plasmaerzeugung
DE19625603C2 (de) Gaslaser zur Abgabe eines Laserstrahls aufgrund der Anregung von Gas mittels Mikrowellen
DE3856348T2 (de) Laser Plasmavorrichtung
EP1129466B1 (de) Vorrichtung und verfahren zur erzeugung eines lokalen plasmas durch mikrostrukturelektrodenentladungen mit mikrowellen
EP0392485A1 (de) Gaslaser mit Mikrowellenanregung
DE69624447T2 (de) Gaslaser mit rechteckigem Entladungsraum
DE69111647T2 (de) Lasersystem mit mehreren radialen Entladungskanälen.
DE3937491C2 (de) Wellenleiterlaser mit Mikrowellenanregung
DD263648B5 (de) Einrichtung zur erzeugungs eines Mikrowellenplasmas mit grosser Ausdehnung und Homogenitaet
EP1819208B1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung angeregter und/oder ionisierter Teilchen in einem Plasma
EP1665324B1 (de) Ecr-plasmaquelle mit linearer plasmaaustrittsöffnung
DE3933619C2 (de) Vorrichtungen zur elektrischen Anregung eines Gases mit Mikrowellenenergie
DE4416900C2 (de) Gasentladungsstruktur
DE3923277C2 (de)
WO1988009071A1 (en) Laser and process for production of a laser beam
EP0594672B1 (de) Gaslaser, insbesondere co2-laser

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 19911015

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): CH DE FR GB IT LI

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 19921103