NL7920148A - Voorionosatiestelsel voor een elektrische ontladings- inrichting zoals een gaslaser. - Google Patents

Description

= ’ 79 2 0 1 48 4 VO 616

Voorionisatiestelsel voor een electrische ontladingsinrichting zoals een gaslaser.

De uitvinding heeft betrekking op een elektrische ontladingsinrichting, waarin een glimontlading in een gas tussen twee elektroden tot stand wordt gebracht. Meer in het bijzonder doch niet uitsluitend, heeft de uitvinding betrekking op een gaslaser, waarin de 5 laser door middel van een dergelijke ontlading wordt gepompt of ge ëxciteerd.

Een dergelijke inrichting kan zijn voorzien van een voorionisatiestelsel voor het verschaffen van een hoge achtergrondconcentra-tie van elektronen voordat de hoofdontlading wordt ingeleid. Hier-10 door wordt het inleiden van de hoofdontlading vergemakkelijkt en kan een grotere hoeveelheid energie in de ontlading worden gebracht zonder dat tussen de ontlaadelektroden een boog optreedt. Bij een bij gaslasers bekend voorionisatiestelsel wordt gebruik gemaakt van een trekkerdraad, welke aanleiding geeft tot een voorionisatie door elek-15 trostatische emissie. Bij een ander bekend stelsel van. dit type worden kleine vonken in het volume van gas geïntroduceerd en leidt de ultraviolette straling van deze vonken.tot de voorionisatie.

Elk van de bovengenoemde bekende stelsels vertoont bezwaren, welke min of meer belangrijk kunnen zijn, afhankelijk van de toepassing, 20 en de uitvinding beoogt te voorzien in een ander voorionisatiestel sel voor een gaslaser, dat voor sommige toepassingen gunster is dan de bekende stelsels.

Een verder oogmerk is het verschaffen van een eenvoudig, stevig en goedkoop voorionisatiestelsel voor een gaslaser of een andere 25 gasontladingsinrichting, waarbij het rendement van de ontlading daarin wordt verbeterd.

Daartoe voorziet de uitvinding in een elektrische ontladingsinrichting, welke is voorzien van eerste en tweede elektroden voor het opwekken van een elektrische ontlading in een gas in een ontla-30 dingsruimte tussen de elektroden en een voorionisatieonderdeel, dat 7920148 - 2 - uit een materiaal met middelmatige specifieke weerstand is vervaardigd en tenminste zodanig dicht bij de genoemde ruimte is opgesteld, dat het aanleggen van een ontladingspotentiaal tussen de elektroden tot een stroom in het onderdeel en een voorionisatie van het gas 5 leidt.

Voorts voorziet de uitvinding in een gaslaserinrichting, welke is voorzien van eerste en tweede elektroden met een optische holte voor het opwekken van een elektrische ontlading in het gas in een ontlaadruimte tussen de elektroden teneinde de laser en tenmin-10 ste één voorionisatieonderdeel te exciteren, welk onderdeel uit een materiaal met middelmatige specifieke weerstand bestaat en tenminste dicht bij de genoemde ruimte zodanig is opgesteld, dat het aanleggen van een ontlaadpotentiaal tussen de elektroden tot een stroom in het onderdeel en een voorionisatie van het gas leidt.

15 De inrichting omvat bij voorkeur tenminste één verder voor ionisatieonderdeel, bestaande uit een materiaal met middelmatige specifieke weerstand, waarbij de voorionisatieonderdelen zich langs respectieve zijden van de genoemde ruimte uitstrekken.

Bij voorkeur bevindt een gedeelte van het of elk voorionisa-20 tieonderdeel zich tenminste bij de eerste elektrode en strekt het onderdeel zich langs de genoemde ruimte naar de tweede elektrode uit. Het verdient nog meer de voorkeur, dat respectieve gedeelten van het of elk voorionisatieonderdeel tenminste bij de twee elektroden zijn gelegen of, nog beter, dat het of elk voorionisatieonderdeel contact 25 maakt met tenminste één van de elektroden. Bij voorkeur strekt het of elk voorionisatieonderdeel zich uit in een richting dwars op die tussen de elektroden, langs tenminste het grootste gedeelte van de afmeting, in deze dwarsrichting, van de elektroden.

Het de boven reeds gebruikte uitdrukking "materiaal met mid-30 delmatige specifieke weerstand” wordt bedoeld een materiaal, dat noch een diëlektricum noch een goede metallische geleider is en de uitdrukking omvat b.v. materialen, zoals kristallijne halfgeleiders en koolstof en koolstofverbindingen van het type, welke worden gebruikt voor de vervaardiging van weerstanden. De geschiktheid van bepaalde 35 materialen en het bruikbare gebied van specifieke weerstanden kan op 7920148 - 3 - een eenvoudige wijze worden bepaald door proeven aangezien, indien de specifieke weerstand te laag of te hoog is, het voorionisatie-effect wordt gedegradeerd of geheel verdwijnt. Verdere informatie betreffende de keuze van geschikte materialen vindt men later in 5 deze stukken.

Bij voorkeur bedraagt de specifieke weerstand van het materiaal tenminste 50 ohm cm.

Verder zijn ofschoon, zoals vermeld, andere materialen, zoals koolstof en koolstofverbindingen kunnen worden gebruikt, tot 10 dusver de beste resultaten verkregen met de bovengenoemde kristal- lijne halfgeleidermaterialen b.v. silicium en germanium.

De uitvinding zal onderstaand nader worden toegelicht onder verwijzing naar de tekening. Daarbij toont: fig.l een schematische dwarsdoorsnede van de optische holte 15 van een transversaal geëxciteerde gaslaser; fig.2 een doorsnede over de lijn A-A van fig.l; en fig.3 een aantal voorbeelden van mogelijke opstellingen van het bij de laser volgens fig.l gebruikte voorionisatieonder-deel.

20 Zoals uit fig.l en 2 blijkt, omvat de laser een kamer met een gasinlaat 8 voor het opnemen van het lasergas, b.v. een mengsel van kooldioxyde, stikstof en helium in de respectieve verhoudingen 10 : 10 : 80, en een gasuitlaat 9. In de kamer bevinden zich twee elektroden 1 en 2. De elektroden kunnen uit koper of een ander ge-25 schikt metaal bestaan en bezitten bij voorkeur randen, die zodanig zijn geprofileerd, dat tussen de elektroden een uniforme veldverde-ling optreedt. Zo kunnen de randen b.v., als aangegeven, zijn afgerond of men kan daaraan, 'zoals in de techniek bekend is, een rogowski-profiel of een benadering daarvan geven. Een 98% reflecte-30 rende concave spiegel 3 en een 80% reflecterende vlakke spiegel 4 zijn aajn de respectieve uiteinden van de kamer opgesteld teneinde daartussen een optische holte te bepalen. Tijdens het gebruik van de laser wordt het gasmengsel in hoofdzaak bij atmosferische druk door de kamer 7 gevoerd en worden uit een niet afgebeelde normale 35 ontlaadketen ontlaadpulsen aan de elektroden toegevoerd teneinde in 7920148 - 4 - het gas tussen de elektroden een glimontlading tot stand te brengen, □e ontlading staat derhalve dwars op de richting (d.w.z. tussen de spiegels) van de laserbundelas en derhalve wordt de laserinrichting omschreven als "transversaal geëxciteerd". Bij tegenover elkaar ge-5 legen zijden van de ontlaadruimte tussen de elektroden bevinden zich respectieve voorionisatieonderdelen 5 en 6, die zich tussen de elektroden uitstrekken en met elk daarvan contact maken. De voorionisatieonderdelen bestaan uit een materiaal met een middelmatige specifieke weerstand d.w.z., dat zij noch goede geleiders noch goede iso-10 latoren zijn. Wanneer tussen de elektroden een spanningspuls wordt aangelegd, leidt de aanwezigheid van de onderdelen 5 en 6 tot het ontstaan van een grote achtergrondconcentratie van elektronen in de ruimte tussen de elektroden en deze voorionisatie draagt bij tot het inleiden van een ontlading tussen de elektroden. Het effect schijnt 15 een gevolg te zijn van het vormen van talrijke kleine elektrische bogen tussen de elektroden en de onderdelen, welke bogen een ultraviolette straling leveren, die op zijn beurt tot het voorionisatie-effect leidt. Derhalve dient de specifieke weerstand van het materiaal waaruit de onderdelen 5 en B zijn vervaardigd zo laag te zijn, 20 dat ervoor gezorgd wordt, dat een boogvormingsstroom kan vloeien doch niet zo laag te zijn, dat de bogen blijven staan of niet meer op de juiste wijze worden verdeeld over de lengte van elk contact-gebied tussen de elektroden en de onderdelen (d.w.z., dat indien het materiaal een goede geleider is, de bogen geconcentreerd kunnen wor-25 den in slechts een paar op een grote afstand van elkaar gelegen, sterke bogen met dientengevolge een degradatie van de uniformiteit van het voorionisatie-effect). Het verdient de voorkeur, dat de specifieke weerstand tenminste ongeveer 50 ohm cm bedraagt aangezien onder deze waarde een te groot gedeelte van de ontlaadenergie over 30 de onderdelen wordt gevoerd en verloren gaat. Voorts wordt gemeend, dat sommige materialen met specifieke weerstanden boven ongeveer 750 ohm cm of dergelijke tot ongewenste niet-lineaire effecten kunnen leiden, zoals "surface-tracking”. Het blijkt evenwel, dat sommige materialen met specifieke weerstanden buiten het gebied van 50 -35 750 ohm cm, meer in het bijzonder daarboven, bruikbaar kunnen zijn 792 0 1 48 - 5 - en vanuit een kostenoogpunt de voorkeur verdienen zelfs indien deze materialen niet zo efficiënt zijn als gewenst is.

Bij wijze van voorbeeld kan een laser, die op de aangegeven wijze is opgebouwd, zijn voorzien van elektroden met een oppervlak 5 van ongeveer 150 mm x 10 mm en een afstand tussen de elektroden van ongeveer 5 mm, een lengte van de optische holte van ongeveer 220 mm en waarbij de voorionisatieonderdelen bestaan uit p-type silicium met een specifieke weerstand van 200 ohm cm en een dikte van ongeveer 1,5 mm. Een dergelijke laser kan werken met een ingangsenergie- 3 10 dichtheid van ongeveer 90 joules/dm en kan een rendement van onge veer 8% hebben.

Men kan voor de onderdelen 5 en 6 andere kristallijne halfgeleiders gebruiken; zo blijkt uit proeven, dat men met succes gebruik kan maken van polykristallijn germanium met een specifieke 15 weerstand van 50 ohm cm en p-type silicium met een specifieke weer stand van 100 ohm cm. Verder kan men ook gebruik maken van andere materialen dan deze kristallijne halfgeleiders b.v. koolstof en koolstofverbindingen.

De bovenbeschreven laser omvat geen elektrostatische trekker-20 draad of een dubbelontlaadstelsel voor het introduceren van vonken in het gasvolume.

Men behoeft slechts één halfgeleidend voorionisatieonderdeel te gebruiken en dit kan een geringere lengte hebben dan de elektroden doch hoe korter de lengte is des te korter is de ontlading. Onder 25 sommige omstandigheden kan men met succes van dit effect gebruik ma ken. Het verdient de voorkeur dat de randen van die gedeelten van de elektroden waartussen de ontlading optreedt, en waartussen derhalve een laserwerking optreedt, zijn geprofileerd, zoals boven reeds is opgemerkt. Indien de ontlading over de gehele lengte van de elektro-30 den optreedt, dienen de uiteinden daarvan evenals de zijden te wor den geprofileerd en dit heeft invloed op de kosten van het bewerken van de elektroden, meer in het bijzonder wat betreft de hoeken waar de zij- en eindprofielen elkaar ontmoeten. Indien het voorionisatieonderdeel of de voorionisatieonderdelen iets korter dan de elektroden 35 wordt of worden uitgevoerd, kan geen ontlading bij de uiteinden daar- 7920148 - 6 - van optreden, in welk geval deze uiteinden dan ook niet behoeven te worden geprofileerd, d.w.z., dat de elektroden over de gehele lengte dezelfde dwarsdoorsnede kunnen bezitten. Hierdoor kunnen de ver-vaardigingskosten van de laser worden gereduceerd.

5 In fig.3 zijn mogelijke posities van een voorionisatieonder- deel M ten opzichte van de elektroden slechts bij wijze van voorbeeld weergegeven. Zoals aangegeven in fig.3(a) en 3(b) kan het voorionisatieonderdeel M contact maken met de beide elektroden 1, 2. In fig.3(c) bevindt het voorionisatieonderdeel M zich op een afstand 10 van de beide elektroden, waarbij de afstand voor een laser, zoals deze boven is beschreven, maximaal ongeveer 1 mm, bij voorkeur ongeveer 0,5 mm of minder bedraagt, terwijl fig.3(d) het voorionisatieonderdeel M in aanraking met de onderste elektrode 2 toont, waarbij evenwel een spleet tussen het onderdeel en de bovenste elektrode 1 15 aanwezig is. Deze spleet kan een breedte van bij benadering 2 - 3 mm hebben.

Het voorionisatieonderdeel kan capacitief met een van de elektroden zijn gekoppeld; zo kan b.v. een plaat of laag 10 van di-elektrisch materiaal tussen het onderdeel M en de elektrode 1 worden 20 aangebracht, als aangegeven in fig.3(e).

Zoals weergegeven in fig.3(f) ligt het onderdeel ΙΊ in hetzelfde vlak als de elektrode 2 en is een draadsectie 11 of een ander metalen geleidend onderdeel tussen het onderdeel M en de elektrode 1 verbonden. De elektrode 2 in fig.3(f) kan een dikte van ongeveer 5 25 mm hebben, terwijl het onderdeel ΙΊ een dikte van ongeveer 2 mm heeft.

Fig.3(f) toont een verdere mogelijke modificatie, welke wordt vereenvoudigd door het feit, dat het onderdeel M in dit geval in hetzelfde vlak als de elektrode 2 ligt en derhalve de zijde van de ruimte tussen de elektroden niet belemmert. Deze verdere mogelijke modi-30 ficatie bestaat daarin, dat de laser zodanig wordt uitgevoerd, dat het lasergas zich dwars op de laseras door de ontladingruimte beweegt. Hierdoor verkrijgt men een beter koeleffect en derhalve kan de herhalingsfrequehtie van de aan de elektroden aangelegde ontlaad-pulsen worden verhoogd.

35 In de fig.3(a) tot 3(e) kunnen natuurlijk twee voorionisatie- 7920148 - 7 - onderdelen, één aan elke zijde van de elektroden, aanwezig zijn.

In fig.3(f] kunnen maximaal vier onderdelen ΙΊ aanwezig zijn, één bij elke zijrand van elke elektrode.

De voorionisatieonderdelen volgens de uitvinding kunnen be-5 halve dat deze bij een gaslaser worden toegepast, ook aanwezig zijn bij andere elektrische ontlaadinrichtingen b.v. bij ontladingslam-pen en gasontladingsinrichtingen, die als schakelaars worden gebruikt.

7920148

Claims (9)

1. Elektrische'ontladingsinrichting gekenmerkt door eerste en tweede elektroden voor het tot stand brengen van een elektrische ontlading in gas in een ontlaadruimte tussen de elektroden en een voorionisatieonderdeel, bestaande uit een materiaal met middelmatige 5 specifieke weerstand, welk onderdeel tenminste zodanig bij de ge noemde ruimte is opgesteld, dat door het aanleggen van een ontlaad-potentiaal tussen de elektroden een stroom in het onderdeel en een voorionisatie van het gas optreedt.

2. Gaslaserinrichting gekenmerkt door een optische holte, eer- 10 ste en tweede elektroden voor het opwekken van een elektrische ont lading in het gas in een ontlaadruimte tussen de elektroden om de laser te exciteren en tenminste één voorionisatieonderdeel, vervaar-digd-uit een materiaal met middelmatige specifieke weerstand, welk onderdeel tenminste zodanig bij de genoemde ruimte is opgesteld, 15 dat door het aanleggen van een ontlaadpotentiaal tussen de elektro den een stroom in het onderdeel en een voorionisatie van het gas optreedt.

3. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, gekenmerkt door tenminste één verder voorionisatieonderdeel, bestaande uit een materiaal 20 met middelmatige specifieke weerstand, waarbij de voorionisatieonder- delen zich langs respectieve zijden van de genoemde ruimte uitstrekken .

4. Inrichting volgens conclusie 1, 2 of 3, met het kenmerk, dat een gedeelte van het of elk voorionisatieonderdeel zich tenminste 25 in hoofdzaak bij de eerste elektrode bevindt en het onderdeel zich langs de genoemde ruimte naar de tweede elektrode uitstrekt.

5. Inrichting volgens conclusie 1, 2, 3 of 4, met het kenmerk, dat respectieve gedeelten van het of elk voorionisatieonderdeel zich tenminste in hoofdzaak bij de twee elektroden bevinden.

6. Inrichting volgens conclusie 4 of 5, met het kenmerk, dat het of elk van de voorionisatieonderdelen met tenminste een van de elektroden contact maakt. 7920148 - 9 - . t ·

7. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het Kenmerk, dat het of elk voorionisatieonderdeel zich in een richting dwars op die tussen de elektroden, 'langs tenminste het grootste gedeelte van de afmeting, in deze dwarsrichting, van de elektroden 5 uitstrekt.

8. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de specifieke weerstand tenminste 50 ohm cm bedraagt.

9. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het genoemde materiaal een kristallijne halfgeleider 10 zoals silicium of germanium is. 7920148