-
Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Gaslasers,
insbesondere zum Betreiben eines Bandleiterlasers, dessen Gasentladungsstrecke
mit einer getakteten Hochfrequenzspannung gespeist wird, sowie auf
einen nach diesem Verfahren betriebenen Gaslaser.
-
Zur
Steuerung der Leistung eines Gaslasers in einem weiten Leistungsbereich,
insbesondere eines Bandleiterlasers, wie er beispielsweise in der
DE 102 30 522 offenbart
ist, ist es bekannt, dessen Gasentladungsstrecke mit einer von einem
Hochfrequenzgenerator erzeugten, getakteten Hochfrequenzspannung
zu speisen. Die Steuerung der Leistung kann dabei sowohl durch Steuerung
der Amplitude der Hochfrequenzspannung als auch – alternativ oder ergänzend hierzu – durch
eine Steuerung des Tastverhältnisses
erfolgen. Geeignete steuerbare oder regelbare Hochfrequenzgeneratoren
sind beispielsweise aus der
EP
0 374 444 B1 oder der
EP 0 572 856 A1 bekannt. In der Praxis hat
sich jedoch gezeigt, dass eine Ansteuerung des Gaslasers über seinen
gesamten Leistungsbereich – in
der Regel zwischen 10 und 100% der maximalen cw-Leistung – problematisch
ist.
-
Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Betreiben
eines Gaslasers, dessen Gasentladungsstrecke mit einer getakteten Hochfrequenzspannung
gespeist wird, anzugeben, das auf einfache Weise einen sicheren
Betrieb des Gaslasers über
nahezu den gesamten Leistungsbereich ermöglicht. Außerdem liegt der Erfindung
die Aufgabe zu Grunde einen nach diesem Verfahren betreibbaren Gaslaser
anzugeben.
-
Bezüglich des
Verfahrens wird die Aufgabe gelöst
mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Gemäß diesen Merkmalen wird die
Amplitude der getakteten Hochfrequenzspannung in Abhängigkeit
von deren Tastverhältnis
derart gesteuert, dass diese bei einem Tastverhältnis, das unterhalb eines
vorgegebenen Grenzwertes liegt, größer ist als bei einem Tastverhältnis, das
oberhalb dieses Grenzwertes liegt.
-
Durch
diese Maßnahme
ist ein sicherer Betrieb des Gaslasers im gesamten Leistungsbereich ermöglicht.
Die Erfindung beruht dabei auf der Überlegung, dass die Amplitude
der von einem Hochfrequenzgenerator erzeugten Hochfrequenzspannung – unabhängig davon,
ob es sich um einen Halbleitergenerator oder einen Röntgengenerator
handelt – bei kleinem
Tastverhältnis
größer sein
kann als die maximal zulässige
Amplitude bei großem
Tastverhältnis, da
dieser trotz größerer Amplitude
bei kleinem Tastverhältnis
mit einer mittleren Leistung belastet wird, die kleiner ist als
seine maximal zulässige
mittlere Leistung. Mit anderen Worten: Es ist der Einsatz eines
Hochfrequenzgenerators möglich,
dessen maximale Leistungsabgabe ausgenutzt werden kann, und mit
dem dennoch der Gaslaser auch im unteren Leistungsbereich noch sicher
betrieben werden kann, da auch bei kleinem Tastverhältnis die
dem Gaslaser aufgrund der größeren Amplitude
zugeführte
Leistung ausreicht, um ein sicheres Zünden sowie eine homogene Entladung
herbeizuführen.
Durch eine solche optimale Auslegung des Hochfrequenzgenerators
sind der technische Aufwand und dementsprechend die Kosten für den Gaslaser
erheblich verringert.
-
Die
Amplitude der Hochfrequenzspannung kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
mit abnehmenden Tastverhältnis
stufenförmig
zunehmen. Dies lässt
sich schaltungstechnisch auf besonders einfache Weise realisieren.
-
Ein
im gesamten Leistungsbereich möglichst gleichmäßiges Betriebsverhalten
des Gaslasers wird erzielt, wenn die Amplitude zumindest in einem
vorgegebenen Bereich des Tastverhältnisses mit abnehmendem Tastverhältnis in
mehreren Stufen, vorzugsweise stetig zunimmt.
-
Insbesondere
ist die Amplitude in einem Bereich unterhalb des vorgegebenen unteren
Grenzwertes zumindest annähernd
konstant.
-
In
einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird zum Erzeugen
der Hochfrequenzspannung ein freischwingender Röhrengenerator mit einer Gitterröhre verwendet,
und die Amplitude der Hochfrequenzspannung wird durch die Amplitude des
zum Gitter der Gitterröhre
fließenden
Gitterstroms gesteuert.
-
Bezüglich des
Gaslasers wird die Aufgabe gelöst
mit den Merkmalen des Patentanspruches 10, dessen Vorteile sich
ebenso wie die Vorteile der ihm nachgeordneten Untersprüche sinngemäß aus den Vorteilen
der jeweils zugeordneten Verfahrensansprüche ergeben.
-
Zur
weiteren Erläuterung
der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele
der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:
-
1 einen
Gaslaser gemäß der Erfindung mit
einem freischwingenden Röhrengenerator
als Hochfrequenzgenerator in einem Prinzipschaltbild,
-
2 eine
vorteilhafte Steuereinrichtung zum Steuern der HF-Leistung durch Änderung
der Amplitude und Einschaltdauer der Hochfrequenzspannung ebenfalls
in einem Prinzipschaltbild,
-
3 ein
Diagramm, in dem der mittlere Gitterstrom und die Amplitude des
Gitterstroms (Gitterstromamplitude) der im Röhrengenerator verwendeten Gitterröhre jeweils
bei zwei unterschiedlichen Betriebsbedienungen gegen das Tastverhältnis aufgetragen
ist,
-
4 ein
Diagramm, in dem die Pulsleistung eines Gaslasers gemäß der Erfindung
und eines Gaslasers gemäß dem Stand
der Technik ebenfalls gegen das Tastverhältnis aufgetragen ist,
-
5 eine
alternative Ausgestaltung eines Gaslasers gemäß der Erfindung mit einem freischwingenden
Röhrengenerator
als Hochfrequenzgenerator ebenfalls in einem Prinzipschaltbild.
-
Gemäß 1 enthält ein Gaslaser
eine Gasentladungsstrecke 2, die durch zwei räumlich beabstandete
Elektroden 4 gebildet ist, zwischen denen sich ein Lasergas
LG befindet. Im Ausführungsbeispiel
ist schematisch ein Bandleiterlaser dargestellt, bei dem sich das
Lasergas LG, in der Regel ein CO2 oder CO
enthaltenden Gasgemisch, zwischen Elektroden 4 befindet,
die flächig
ausgedehnt sind und voneinander einen Abstand von wenigen mm aufweisen.
-
Die
Gasentladungsstrecke 2 wird von einer Hochfrequenzspannung
HF gespeist, die von einem frei schwingenden Röhrengenerator 6 erzeugt
wird. Der Röhrengenerator 6 umfasst
hierzu eine Gitterröhre 8 im
Ausführungsbeispiel
eine Triode mit Anode A, Kathode K und Gitter G, in deren Anodenkreis 10 ein
im wesentlichen aus der Parallelschaltung einer Schwingkreiskapazität C2 mit
zwei in Serie geschalteten Schwingkreisinduktivitäten L1 und
L2 bestehender Parallelschwingkreis 12 geschaltet ist. Eine
zwischen Anode A und Parallelschwingkreis 12 geschaltete
Koppelkapazität
C1 dient zum Ausfiltern der an der Anode zur Versorgung der Gitterröhre 8 anliegenden
Gleichspannung HV. Die zur Speisung der Gasentladungsstrecke 2 verwendete
Hochfrequenzspannung HF wird zwischen den beiden Schwingkreisinduktivitäten L1 und
L2 abgegriffen.
-
Die
zum Erzeugen einer freien Schwingung erforderliche Rückkopplung
zur Kathode K erfolgt über
die Rückkopplungskapazität C3. Durch
diese Rückkopplung
wird der Ausgangsleistung der Gitterröhre 8 die benötigte Steuerleistung
entnommen und der Kathode K der Gitterröhre 8 zugeführt.
-
Ein
Heizkreis 14 dient zur Beheizung der Kathode K. Das Gitter
G ist über
die Gitterkapazität
C4 bezüglich
der zurückgekoppelten
Hochfrequenzspannung an Masse gelegt. Das Gitter G ist außerdem über einen
steuerbaren Gitterschalter 16 an Masse angeschlossen. Bei
geöffnetem
Gitterschalter 16 liegt am Gitter G eine Sperrspannung
US an. Bei geschlossenem Gitterschal ter 16 fällt die
Sperrspannung US an einem Vorwiderstand
RV ab und das Gitter G ist an Masse angekoppelt.
-
Die
Amplitude IG,amp des vom Gitter G in diesem
Fall zur Kathode K fließenden
Gitterstroms IG ist bestimmt einerseits
durch die Summe aus einem in den Gitterkreis 18 geschalteten
festen Gitterwiderstand RG und einem ebenfalls
in Reihe dazu in den Gitterkreis 18 geschalteten steuerbaren
Widerstand RS sowie andererseits durch die
Resonanzfrequenz eines aus einer Kathodenkreisinduktivität L3 und
einer Kathodenkreiskapazität
C3 gebildeten, abstimmbaren Kathodenkreises 17. Diese steigt
mit kleinerem Abstand zur Resonanzfrequenz des Röhrengenerators 6.
-
Der
Gitterschalter 16 wird mit Hilfe eines pulsweitenmodulierten
Steuersignals PWM gesteuert. Bei diesem Steuersignal PWM handelt
es sich um ein Rechtecksignal mit konstanter Taktrate im kHz-Bereich
und einem einstellbaren Tastverhältnis
v zwischen 0 und 100. Entsprechend diesem Tastverhältnis v
erzeugt der Röhrengenerator 6 hochfrequente
Schwingungspulse einer bestimmten Zeitdauer, wobei die der Gasentladungsstrecke 2 zugeführte mittlere
HF-Leistung in erster Linie vom Tastverhältnis bestimmt ist und bei
einem Tastverhältnis
v = 1 (oder 100%) maximal ist.
-
Wenn,
wie dies im Stand der Technik der Fall ist, der zwischen Masse und
Gitter liegende Widerstand konstant und derart ausgelegt ist, dass
bei maximalem Tastverhältnis
v = 1 und vorgegebenem Wert der Kathodenkreisinduktivität L3, d.h.
bei auf eine feste Resonanzfrequenz abgestimmten Kathodenkreis 17 der
mittlere Gitterstrom IG,av der als Produkt
aus Tastverhältnis
v und Gitterstromamplitude IG,amp definiert
ist, einen für
die jeweils benutzte Gitterröhre 8 vorgegebenen
Grenzwert IG,avmax nicht überschreitet,
führt eine
Verringerung des Tastverhältnisses
v dazu, dass die bei kleinem Tastverhältnis v zugeführte HF-Leistung
nicht mehr ausreicht, um ein sicheres und über die gesamte Elektrodenfläche einsetzendes
gleichmäßiges Zünden des
Gaslasers herbeizuführen.
-
Um
dies zu vermeiden, ist gemäß der Erfindung
eine Steuerschaltung 20 vorgesehen, mit deren Hilfe die
Gitterstromamplitude IG,amp und damit die Amplitude
der Hochfrequenzspannung HF in Abhängigkeit vom Tastverhältnis v
gesteuert wird. Hierzu enthält
die Steuerschaltung 20 einen in den Gitterkreis 18 geschalteten
steuerbaren Widerstand RS, dessen Widerstandswert
vom Tastverhältnis
v abhängt.
In einer Vorstufe 22 der Steuerschaltung wird das das Tastverhältnis v
bestimmende pulsweitenmodulierte Steuersignal PWM in ein zum Tastverhältnis v
proportionales Steuersignal S, im Ausführungsbeispiel eine dem Tastverhältnis v
proportionale Gleichspannung, umgewandelt. Die Steuerschaltung 20 ist
derart ausgelegt, dass bei maximalem Tastverhältnis v = 1 (100) der Steuerwiderstand
RS maximal ist und gemeinsam mit dem konstanten
Gitterwiderstand RG den mittleren Gitterstrom
IG,av auf den für die Gitterröhre 8 zulässigen Maximalwert
IG,avmax begrenzt. In einem vorgegebenen
Bereich des Tastverhältnisses
v, der auch zwischen 0% und 100 liegen kann, nimmt der steuerbare
Widerstand RS mit abnehmenden Tastverhältnis v
ab, so dass in diesem Bereich die Amplitude des Gitterstroms IG,amp zunimmt. Die Abnahme des steuerbaren
Widerstandes RS kann dabei entweder kontinuierlich
oder in Stufen erfolgen.
-
Im
Ausführungsbeispiel
gemäß 2 ist eine
Steuerschaltung 20 veranschaulicht, bei der ein in mehreren
Stufen steuerbarer Widerstand RS vorgesehen
ist. Hierzu wird das am Ausgang der Vorstufe 22 anstehende
analoge Spannungssignal S jeweils an einen Eingang eines Operationsverstärkers 261 , 262 ,
..., 26n zugeführt und dort jeweils mit Referenzspannungen
Uref,1, Uref,2,
Uref,n verglichen, wobei gilt Uref,1 > Uref,2 > ... > Uref,n.
Uberschreitet das Spannungssignal S den Wert einer solchen Referenzspannung
Uref,i, so wird über den Operationsverstärker 26i der zugehörige Steuerschalter 24i geöffnet
und der betreffende Widerstand Ri zugeschaltet.
Sind alle Steuerschalter 241 bis 24n geöffnet,
ist zwischen dem konstanten Gitterwiderstand RG und
Masse die Summe der Widerstände
R1 bis Rn (ΣRi) geschaltet und die Gitterstromamplitude
IG,amp ist entsprechend begrenzt. Die Widerstände R1 bis Rn können untereinander
gleich sein, erforderlich ist dies jedoch nicht. Grundsätzlich kann
auch nur eine einzige Stufe, d.h. ein einziger zuschaltbarer Widerstand
R1 vorgesehen sein. Ein gleichmäßiges Betriebsverhalten
wird jedoch erzielt, wenn eine Mehrzahl von Stufen vorgesehen ist
und der Bereich des Tastverhältnisses,
in dem die Gitterstromamplitude IG,amp mit
abnehmenden Tastverhältnis
v zunimmt einen signifikanten Teilbereich des genutzten Tastverhältnisbereiches
zwischen 10% und 100% abdeckt.
-
Im
Diagramm gemäß 3 sind
die Gitterstromamplitude IG,amp und der
mittlere Gitterstrom IG,av gegen das Tastverhältnis v
in unterschiedlichen Betriebssituationen für einen CO2-Bandleiterlaser mit
6 kW Nennleistung, dargestellt. Die Gitterstromamplitude IG,amp ist ein indirektes Maß für die Amplitude
der Hochfrequenzspannung HF. D.h. dass die Amplitude der Hochfrequenzspannung
HF ist eine monoton steigende Funktion der Gitterstromamplitude
IG,amp.
-
Die
Kurve a (Kreuze) zeigt die Gitterstromamplitude IG,amp und
Kurve b (Dreiecke) den mittleren Gitterstrom IG,av bei
fehlender Steuerschaltung und konstantem Gitterwiderstand RG. Den Kurven ist zu entnehmen, dass die
Gitterstromamplitude IG,amp annähernd konstant
ist und der mittlere Gitterstrom IG,av entsprechend
dem zunehmenden Tastverhältnis
v linear ansteigt. Der konstante Gitterwiderstand muss in diesem
Fall derart ausgelegt sein, dass bei einem Tastverhältnis v
= 1 (100%) sichergestellt ist, dass der maximale mittlere Gitterstrom
IG,avmax, bzw. die maximale Gitterverlustleistung
der Gitterröhre
nicht überschritten
wird. Bei einem Bandleiterlaser mit großen Entladungsflächen und/oder
hohem Betriebsdruck der Entladungsstrecke ist bei kleinem Tastverhältnis v
die Amplitude der Hochfrequenzspannung, also die HF-Leistung zu
klein, um eine vollflächige homogene
Entladung zu erzeugen. Bei Netzschwankungen kann es zur Kontraktion
der Entladung kommen, welche zu einem Laserleistungseinbruch oder zur
Beschädigung
der Elektrodenoberfläche
der Entladungsstrecke führt.
Auch bei herkömmlichen
Gaslasern kommt es unter diesen Bedingungen zu Instabilitäten der
Gasentladung.
-
Kurven
c (Rauten) und d (Quadrate) zeigen eine Situation, wie sie vorliegt,
wenn eine den Steuerwiderstand RS entweder
kontinuierlich oder aber in wenigstens 10 Stufen steuernde Steuerschaltung
gemäß der Erfindung
Verwendung findet. Bis zu einem unteren Grenzwert vg des
Tastverhältnisses
v von etwa 45% wird die Gitterstromamplitude IG,amp (Kurve c)
ausschließlich
durch den Gitterwiderstand RG begrenzt,
so dass diese bei niedrigerem Tastverhältnis konstant und signifikant
größer ist
als in der Betriebsart gemäß Kurve
a. Mit anderen Worten: In der erfindungsgemäßen Betriebsart (Kurve c) ist
bei einem Tastverhältnis
v < vg der
gesamte Gitterwiderstand nur durch den konstanten Gitterwiderstand
RG gegeben und annähernd um einen Faktor 2 kleiner
als die Summe aus konstantem Gitterwiderstand RG und
einem maximalen Steuerwiderstand RS,max.
-
Würde nun
bei wachsendem Tastverhältnis
v der gesamte Gitterwiderstand ausschließlich weiterhin durch den festen
Gitterwiderstand RG bestimmt werden, so
würde spätestens
bei einem Tastverhältnis
v von etwa 45% der maximal zulässige
mittlere Gitterstrom IG,avmax (Kurve d) überschritten
werden. Dies wird nun gemäß der Erfindung
dadurch verhindert, dass ab einem unteren Grenzwert vg des
Tastverhältnisses
v von etwa 45% der steuerbare Widerstand RS,
beispielsweise diskontinuierlich der erste Widerstand R1,
zugeschaltet wird. Bei weiterem Anstieg des Tastverhältnisses
v werden entweder sukzessive weitere Widerstände Ri zugeschaltet
oder der Widerstandswert eines kontinuierlich veränderbaren
steuerbaren Widerstandes stetig erhöht. Die Steuerschaltung ist
dabei so ausgelegt, dass die Gitterstromamplitude IG,amp und
damit die Amplitude der Hochfrequenzspannung HF mit wachsendem Tastverhältnis v
derart reduziert wird, dass der mittlere Gitterstrom IG,av den
maximal zulässigen
mittleren Gitterstrom IG,avmax nicht überschreitet,
wobei im Ausführungsbeispiel
der mittlere Gitterstrom IG,av ab einem
Tastverhältnis
v = 0,5 (50%) annähernd
konstant und etwa gleich dem maximal zulässigen mittleren Gitterstrom
IG,avmax ist, wie dies Kurve d (Quadrate) zeigt.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel
nimmt die Gitterstromamplitude IG,amp in
einem Bereich B des Tastverhältnisses
v zwischen einem von Null verschiedenen unteren Grenzwert vg und einem oberen Grenzwert, der im Ausführungsbeispiel
dem maximalen Tastverhältnis
(v) entspricht. Grundsätzlich
sind aber auch Ausgestaltungen möglich,
bei denen der untere Grenzwert vg = 0 und/oder
der obere Grenzwert kleiner als 1 sein kann.
-
Im
Diagramm gemäß 4 ist
die Pulsleistung P (Leistung pro cm2 Entladungsfläche) eines
Lasers gegen das Tastverhältnis
in zwei unterschiedlichen Betriebssituationen dargestellt. Kurve
a zeigt die Pulsleistung P bei fehlender Steuerschaltung 20, Kurve
b die Pulsleistung P bei Verwendung der Steuerschaltung, die auch
den Kurven c und d der 3 zu Grunde liegt. Der Figur
ist zu entnehmen, dass die in einem Puls verfügbare Leistung bei inaktivierter Steuerschaltung
bei kleinen Tastverhältnissen
v signifikant niedriger ist als bei aktivierter Steuerschaltung.
Dies zeigt, dass der Gaslaser bei niedrigen Tastverhältnissen
v zunehmend in eine Betriebssituation gelangt, in der ein sicheres
und gleichmäßiges Zünden der
Gasentladung nicht mehr gewährleistet ist.
-
In
der alternativen Ausführungsform
gemäß 5 hat
der Gitterwiderstand RG einen konstanten Wert
und es ist eine Steuerschaltung 40 vorgesehen, bei der
der Kathodenkreis 17 in Abhängigkeit vom Tastverhältnis v
so verstimmt wird, daß bei
abnehmendem Tastverhältnis
v die Gitterstromamplitude IG,amp steigt
und somit die Amplitude der Hochfrequenzspannung HF an der Gasentladungsstrecke 2 angehoben
wird. Das dazu notwendige Steuersignal S wird hier ebenfalls aus
dem pulsweitenmodulierten Steuersignal PMW mit einer Vorstufe 42 generiert. Die
dynamische Verstimmung des Kathodenkreises 17, d.h. die
Steuerung seiner Resonanzfrequenz, kann durch Änderung des Kapazitätswertes
der Kathodenkreiskapazität
C5 (wie in 5 dargestellt) oder alternativ
durch Änderung
der Induktivität
der Kathodenkreisinduktivität
L3 erfolgen.
-
- 2
- Gasentladungsstrecke
- 4
- Elektroden
- 6
- Röhrengenerator
- 8
- Gitterröhre
- 10
- Anodenkreis
- 12
- Parallelschwingkreis
- 14
- Heizkreis
- 16
- Gitterschalter
- 17
- Kathodenkreis
- 18
- Gitterkreis
- 20,
40
- Steuerschaltung
- 22,
42
- Vorstufe
- 24
- Steuerschalter
- 26
- Operationsverstärker
- v
- Tastverhältnis
- vg
- Grenzwert
- B
- Bereich
- PWM
- pulsweitenmoduliertes
-
- Steuersignal
- S
- Steuersignal
- US
- Gittersperrspannung
- RS
- steuerbarer
Widerstand
- RG
- Gitterwiderstand
- RV
- Vorwiderstand
- IG,amp
- Gitterstromamplitude
- IG,avmax
- mittlerer,
maximaler
-
- Gitterstrom
- LG
- Lasergas
- HF
- Hochfrequenzspannung
- HV
- Gleichspannung
- A
- Anode
- K
- Kathode
- G
- Gitter
- L1,
L2
- Schwingkreisinduktivi
-
- tät
- L3
- Kathodenkreisinduktivität
- C1
- Koppelkapazität
- C2
- Schwingkreiskapazität
- C3
- Rückkopplungskapazität
- C4
- Gitterkapazität
- C5
- Kathodenkreiskapazität