DE2442408C2 - Verfahren zur Betätigung eines elektronenstrahlgepumpten Gaslasers - Google Patents

Description

a) fortliufend wird der Druck in jeder Kammer (10, 20) während ihrer gleichzeitigen Evakuierung gemessen;

b) ein fortlaufendes Druckgefällesignal wird erzeugt und zum Regulieren der Evakuierungsgeschwindigkeit während der anfänglichen Evakuierung der beiden Kammern (10, 20) auf ein jeweiliges Minimum eingesetzt;

c) das fortlaufend erzeugte Druckgefällesignal wird weiter zum Regulieren der Geschwindigkeit der Wiederfüllung der Hauptkammer (10) mit dem Lasermedium eingesetzt;

d) während des Laserbetriebs wird das Druckgefällesignal fortlaufend weiter erzeugt und der Druck in der Hauptkammer (10) reguliert;

e) während der Verfahrensschritte a) bis d) wird ein Druckgefälle bis zu 196 mbar am Diaphragma aufrechterhalten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei fortlaufender Erzeugung des Druckgefällesignals die Wiederfüllung der Beschleunigungskammer (20) beim Luftaustritt reguliert wird, indem die Wiederfüilung beider Kammern (10, 20) beim Entlüften des Lasers erfolgt und ein Druckgefälle bis zu 196 mbar während des Entlüftungsvorgangs aufrechterhalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während der gleichzeitigen Evakuierung der Kammern (10,20) die Regulierung der Geschwindigkeit der fortlaufenden Evakuierung der Beschleunigungskammer (20) erfolgt, bis der Druck in der Hauptkammer (10) ungefähr 1,33 · 10~³ mbar und der Druck in der Beschleunigungskammer (20) ungefähr 1,333 · 10-⁵mbar betragen, und daß die Regulierung der Geschwindigkeit der fortlaufenden Evakuierung der Hauptkammer (10) während des Laserbetriebs bei fortlaufender Einführung des Lasermediums einer vorbestimmten Geschwindigkeit zwecks Aufrechterhaltung des Druckgefälles am Diaphragma bis zu 196 mbar erfolgt.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Betätigung eines elektronenstrahlgepumpten Gaslasers mit einer Beschleunigungskammer zur Erzeugung des Elektronenstrahls und mit einer an diese angrenzenden Hauptkammer, die von der Beschleunigungskammer durch ein dünnes, elektronendurchlässiges sowie gasundurchlässiges Diaphragma getrennt ist, wobei das Lasermedium in und/oder durch die Hauptkammer strömt und der Elektronenstrahl aus der Beschleunigungskammer durch das Diaphragma hindurch in die Hauptkammer tritt

Bei einem bekannten derartigen Verfahren (US-PS 37 02 973) soll das zwischen der Beschleunigungskammer und der Hauptkammer befindliche Diaphragma des elektronenstrahlgepumpten Gaslasers eine angemessene gefügemäßige Stabilität aufweisen, um jedem erfor- derlichen Druckgefälle widerstehen zu können. Hierbei soll die Materialzusammensetzung ^r,o gewählt werden, daß ein Maximum an Elektronen ohne Absorption eines übermäßigen Anteils ihrer Energie und damit einer Reduzierung des Wirkungsgrades des Diaphragmas drin- gen kann. Somit werden hier in bezug auf das Diaphragma zwei gegensätzliche Maßnahmen gefordert, und zwar einmal ein ausreichender Widerstand gegen alle wesentliche Druckgefälle und zum anderen möglichst geringe Dicke des Diaphragmas, um einen möglichst hohen Elektronenstrom aus der Beschleunigungskammer in die Hauptkammer zu ermöglichen.

Das die Beschleunigungskammer und die Hauptkammer trennende, elektronendurchlässige, gasundurchlässige Diaphragma wird gewöhnlich von einer nadelloch- freien Aluminiumfolie einer Dicke von 2,54 μιη bis 12,7 μιη gebildet Die Beschleunigungskammer muß auch bis zu einem von ungefähr 1333 mbar evakuiert und auf diesem Druck gehalten werden. Auf der anderen Seite wird die Hauptkammer bis auf den Arbeits-

jo druck des Lasergases von 66,65 mbar bis 133,3 mbar evakuiert Im Dauerzustandsbetrieb ergibt sich daher ein erwartetes Druckgefälle von 5332 mbar bis 119,97 mbar an dem Diaphragma. Letztet es ist so ausgelegt, daß es diesem erwarteten Druckgefälle widersteht jedoch nicht einem wesentlich größeren Druckgefälle. Die Bemessungsbegrenzung wird vorgenommen, um größeren Dicken als notwendig zu vermeiden, da bei gegebener Beschleunigungsspannung weniger Elektronen durch eine dickere Folie oder ein anderes Diaphrag- ma in die Kammer eindringen würden, was ein Senken der oberen Leistungsgrenze des Laserstrahls zur Folge haben würde.

Um andererseits zu bewirken, daß die gleiche Zahl an Elektronen durch eine dickere Diaphragmafolie tritt, müßte eine höhere Beschleunigungsspannung angelegt werden. Dies würde wiederum die Erzeugung energiereicherer Röntgenstrahlen erfordern. Wenn die Folie zerbricht, muß sie ausgewechselt werden, was ein Entlüften und einen Zeitverlust von mehreren Stunden mit

so sich bringt, die zum Auswechseln eines Diaphragmas notwendig sind. Im allgemeinen ist eine kontinuierliche Instandhaltung des Gaslasers unter Vakuumbedingungen erwünscht. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver fahren gemäß der eingangs erwähnten Art so zu gestal ten, daß ein geringeres Druckgefälle an dem Diaphragma zwecks möglicher Verwendung sehr dünner Diaphragmafolien aufrechterhalten wird, so daß geringere Beschleunigungsspannungen erforderlich sind und we niger Röntgenstrahlen erzeugt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Verfahrensschritte:

a) fortlaufend wird der Druck in jeder Kammer während ihrer gleichzeitigen Evakuierung gemessen;

b) ein fortlaufendes Druckgefällesignal wird erzeugt und zur Regulierung der Evakuierungsgeschwindigkeit während der anfänglichen Evakuierung der

beiden Kammern auf ein jeweiliges Minimum eingesetzt;

c) das fortlaufend erzeugte Druckgefällesignal wird weiter zur Regulierung der Geschwindigkeit der Wiederfüllung der Hauptkammer mit dem Lasermedium eingesetzt;

d) während des Laserbetriebs wird dgs Druckgefällesignal fortlaufend weiter erzeugt und der Druck in der Hauptkammer reguliert;

e) während der Verfahrensschritte a) bis d) wird ein Druckgefälle bis zu 196 mbar am Diaphragma aufrechterhalten.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Beschleunigungskammer und die Hauptkammer werden vorzugsweise durch getrennte Pumpen oder Pumpensysteme evakuiert. Der Unterschied hinsichtlich der Größe der beiden Kammern und der Temperaturen darin sowie der Unterschied hinsichtlich der Geschwindigkeiten, mit denen die Pumpen jeweils arbeiten, bewirken, daß die beiden Kammern mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten evakuiert werden. Während des Betriebs des Gaslasers kann der Druck in der Hauptkammer in einem dynamischen Gleichgewicht gehalten werden, indem gleichzeitig Lasergas in die Hauptkammer zugeführt und aus letzterer abgezogen wird. Nach Betrieb des Lasers können beide Kammern wieder belüftet, d. h. mit Luft oder einem Inertgas wiedergefüllt werden.

Bei allen diesen Arbeitsvorgängen besteht die Gefaiir der Bildung vorübergehender Druckgefälle an dem Diaphragma, die über dem Nennberstdruck liegen können, falls das Diaphragma derart ausgebildet ist, daß es nicht mit einem Sicherheitsfaktor für Nenndruckgefälle insgesamt oder teilweise ausgelegt ist, um obgengenannte Probleme einer Überspannung und einer zugeordneten Röntgenstrahlerzeugung bei dickeren Diaphragmen zu vermeiden.

Eine Differenzdruckzeile findet vorzugsweise Anwendung, um für ein kontinuierliches Signal proportional zur Differenz der Drucke in den beiden Kammern zu sorgen. Hierbei kann es sich entweder um ein elektrisches oder pneumatisches Signal handeln, je nachdem wie es anfänglich in einem auf ein Druckgefälle ansprechenden Meßgrößenwandler erzeugt wird.

Das Ausgangssignal der Differenzdruckzelle kann einer Programmreglereinrichtung eingegeben werden, die einen Sollwert zur Verhinderung eines Diuckgefälles zwischen den Kammern oder einer Überschreitung eines vorgegebenen Wertes aufweist. Bei Bildung eines größer als gewünschten oder vorgegebenen Druckgefälles bewirkt der Programmregler eine Betätigung der Ventile in den Pumpensystemen sowie der Gasrückfüllsteuerung für jede Kammer, um diese Pumpen^ysteme zu steuern. Eine solche Steuerung kann eine Aussteuerung von Strömungsventilen oder eine Aussteuerung von Pumpengeschwindigkeiten einschließen, indem durch Aus- oder Einschalten der Pumpen ihre Geschwindigkeit oder die von ihrer Betätigung bewirkte Gasströmung eingestellt wird.

Beim Anfahren ist der Druck anfänglich in der Hauptkammer und in der Beschleunigungskammer gleich. Das heißt das Druckgefälle an dem Diaphragma ist Null. Beide Pumpensätze der Pumpenstationen werden in Betrieb gesetzt und arbeiten jeweils mit weit geöffneten Ventilen. Wegen der Art und der Dimensionierung der Pumpen sowie der Dimensionierung der Hauptkammer und der Beschleunigungskammer wird die Beschleunigungskammer schneller evakuiert als die Hauptkammer. Der Druck fällt in der Beschleunigungskammer schneller als in der Hauptkammer, bis das Druckgefälle zwischen ihnen einen Sollwert erreicht bei dem der Programmregler ein Steuersignal erzeugt das eine Verringerung der Pumpengeschwindigkeit und eine Regelung in der Weise bewirkt, daß das Druckgefälle am Diaphragma im wesentlichen konstant gehalten wird.

Bei Fortfahren der Evakuierung verändern sich die Pumpmengen bei niedrigeren Drucken, die in den angeführten Druckbereichen einbezogen sind.

Wenn der absolute Druck in der Hauptkammer unter den Sollwert z. B. des Betriebsdrucks der Hauptkammer von annähernd 93,31 mbar fällt, kann das ausgesteuerte Ventil in den vollgeöffneten Zustand eingestellt und beide Kammern mit der maximal möglichen Geschwindigkeit evakuiert werden, der nur von der Pumpenleistung und den Leistungsimpedanzen bestimmt wird. Hierbei handelt es sich um eine Anfangsreinigungsphase, die dazu bestimmt ist, jegiiche Luft, Wasserdampf oder andere fremde Dämpfe aus den beiden Kammern zu entfernen.
Im Zeitpunkt, in dem die Hauptkammer einen geeigneten Reinigungsdruck von 1,33 · 10~³mbar erreicht, wird die Beschleunigungskammer einen Druck in der Größenordnung von 1,33· 10~⁵mbar eingenommen haben. Diese Druckdifferenz tritt auf, weil Pumpen, die zum Evakuieren der Beschleunigungskammer am besten geeignet sind, für ein schnelleres Pumpen bei niedrigen Drucken ausgelegt sind, als Pumpen, die am besten für ein Evakuieren der Hauptkammer geeignet sind. Da ein Druck von 1,33 · 10~⁵ mbar im Vergleich zu einem Druck von 93,31 mbar (Betriebsdruck) sehr viel geringer ist, wird die Beschleunigungskammer als Bezugskammer zur Festlegung des absoluten Druckes in der Hauptkammer verwendet. Daher entspricht das Druckgefälle am Diaphragma in der Tat dem absoluten Druck in der Trägerkammer.

Nach Vollendung dieser Reinigungsphase ist die Beschleunigungskammer im wesentlichen betriebsbereit, und die Hauptkammer ist nur für die zweite Phase, d. h. für ein Füllen mit einer geeigneten Lasergasmischung, bereit. Um dies auszuführen, wird nun die Ventilsteuerung von dem Druckventil der Beschleunigungskammcr auf das Gasfüllventil umgeschaltet. Dies geschieht in der Weise, daß, falls das jetzt am Diaphragma vorliegende Druckgefälle unter 93,31 mbar liegt, das Füllventil, das den in die Hauptkammer abgegebenen Lasergasstrom

so steuert, weit geöffnet ist. Wenn sich der Druck des Lasergases dem gewünschten Wert von 93.31 mbar nähen, wird das Füllventil veranlaßt, sich zu schließen und bei Erreichen des Druckes von 93,31 mbar ist es schließlich vollkommen geschlossen. Das Signal, das von dem Programmregier zu dem gesteuerten Ventil, d. h. in diesem Fall dem Füllventil, geleitet wird, wird vorzugsweise auch auf einen Druckschalter eingegeben, der eingestellt wird, um das Lasergehäuse in der Hauptkammer mit einem Druck gerade unterhalb des Sollwertes einzuschalten. Hierdurch wird eine wesentliche Kosteneinsparung bei der Herstellung des Lasers erzielt, da auf diese Weise die Notwendigkeit eines anderen kostenintensiven Druckschalters zur Erzielung der genannten Funktion eingespart wird.

b5 Die dritte Phase, d. h. der wirksame Betrieb des Gaslasers kann nun eingeleitet werden Wenn der Gaslaser effektiv in Betrieb ist. ist eine konstante elektrische Entladung in dem Lasersirahlbereich des Gaslasers vorhan-

den. Dies bewirkt, daß sich bestimmte chemische Veränderungen in dem Lasergasgemisch vollziehen. Diese fremden Gassorten bauen im allgemeinen den Betrieb des Gaslasers ab und aus diesem Grund wird das Gas vorzugsweise konstant wieder aufgefüllt. Die dritte Phase der Steuerungsfolge wird in folgender Weise durchgeführt. Stromab vom Füllventil ist eine Mischsammelleitung vorgesehen, die alle geeigneten Gase bei konstanter Geschwindigkeit zuführt und mischt. In der dritten Phase ist das Füllventil weit geöffnet und der Programmregler wird vom Füllventil auf das zwischen der Hauptkammer und der entsprechenden Pumpe angeordnete Hauptkammerventil umgeschaltet, so daß das zugemessene Lasergas mit konstanter und geeigneter Geschwindigkeit eingeführt wird, während die Auspumpgeschwindigkeit reguliert wird, urn einen geeigneten Druck in der Hauptkammer mittels Regulierung des Evakuierung jventils aufrechtzuerhalten.

Die vierte und letzte Phase ist die der Entlüftung, bei der die Beschleunigungs- und die Hauptkammer auf atmosphärischen Druck geflutet werden. Um dies auszuführen, wird der Programmregler auf ein Beschleunigungsventil umgeschaltet, das Helium oder ein anderes Inertgas in die Beschleunigungskammer einströmen läßt. Wenn die Entlüftungsphase eingeleitet wird, wird ein Ventil geöffnet, das Luft in die Hauptkammer einströmen läßt. Da der Druck in der Hauptkammer ansteigt, steuert der Programmregler das Füllventil der Beschleunigungskammer in einer Weise, um ein konstantes Druckgefälle von annähernd 98,1 mbar am Diaphragma bei Füllung beider Kammern aufrechtzuerhalten. Dies entspricht der anfänglichen Evakuierungsphase in umgekehrter Weise.

Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert nur einen minimalen Zeitaufwand, um die Komponenten des Gasiasers auf atmosphärischen Druck zu bringen, falls eine Wartung des Gaslasers erforderlich ist. Ebenso kann der Gaslaser in äußerst geringer Zeit ohne das Risiko des Zerbrechens des Diaphragmas auf den Betriebsdruck heruntergepumpt werden. Die Gefahr einer Verschmutzung der Beschleunigungskammer sowie große Zeitverluste bei einer notwendigen Auswechselung des Diaphragmas werden vermieden.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nun anhand der einzigen Figur der Zeichnung erläutert, die ein schematisches Schaubild eines eine Beschleunigungs- und eine Hauptkammer aufweisenden Gaslasers mit einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens darstellt.

Die Hauptkammer 10 wird über ein einen Ventilantrieb 13 aufweisendes Ventil 12 sowie ein Pumpensystem i4 mit einem atmosphärischen EndäusläS 15 evakuiert

Die Hauptkammer 10 kann ein abdichtbares Gehäuse mit entfernbaren Endteilen oder dergleichen aufweisen, das die notwendigen Komponenten für einen elektronenstrahlgepumpten Gaslaser mit Elektronenstrahlstabilisierung enthält

Das gesamte Innere des Gehäuses weist den gleichen Druck, der in dem Laserstrahlbereich erforderlich ist sowie einen Wärmeaustauscher, ein Gebläse oder Pumpen zur Zirkulation des Lasergases, Elektroden, die einen Teil des elektrischen Pumpenkreises bilden, einen optischen Hohlraum und Kanäle auf, die ein Gasströmungssystem oder einen Windkanal innerhalb der Hauptkammer zur Schaffung einer Gasströmung durch den Laserstrahlbereich an dem optischen Hohlraum bilden.

Die Hauptkammer 10 kann mit einem Lasergas über ein einen Antrieb 17 aufweisendes Ventil 16 gefüllt werden. Ein derartiges Lasergas kann in einem Verhältnis von 3:2:) von Helium : Stickstoff: Kohlendioxid oder irgendeinem Kohlenmonoxid, Wasserdampf, Schwefeldioxid, Zyanid, Distickstoffoxid, Wasserstoff, Argon oder eine Argonverbindung aufweisen. Am Ende eines vollständigen Verwendungszyklus kann die Hauptkammer 10 insgesamt oder teilweise durch ein geeignetes

ίο Wiederfüllinertgas über ein Ventil 18 oder alternativ in der Weise gelüftet werden, daß se einfach über ein Ventil 18a mit der Außenluft in Verbindung gesetzt wird, wobei jedoch der erstere Weg bevorzugt wird, da eine Entlüftung mit Inertgas eine schnellere Wiederaufnähme des nächsten Zyklus ermöglicht und die Reinheit der i-iaupikarnrner nach anfänglicher Durchführung eines ersten Pumpenzyklus aufrechterhält.

Eine Beschleunigungskammer 20, die eine Elektronenquelle 21 mit Elektronenbeschleunigungselementen enthält, wird über ein einen Antrieb 23 aufweisendes Ventil 22 und ein Pumpensystem 24 mit einem Endauslaß 25 evakuiert. Am Ende des vollständigen Arbeitszyklus kann die Beschleunigungskammer 20 vollständig oder teilweise mit einem Gas von einer geeigneten Inertgasquelle über ein einen Antrieb 27 aufweisendes Ventil 26 gefüllt werden.

Die Hauptkammer 10 und die Beschleunigungskammer 20 sind durch ein geeignet gelagertes, dünnes Diaphragma 30, vorzugsweise durch eine Aluminiumfolie von einer Dicke zwischen 2,54 und 12,7 μσι bei nadellochfreier Qualität, druckgasisoliert Die Aluminiumfolie 30 ermöglicht den von der Elektronenquelle 21 erzeugten Elektronen, in die Hauptkammer 10 einzudringen.

Eine auf ein Druckgefälle ansprechende Differenzdruckzelle 32 kann einen Balg oder ein Diaphragma mit einer Kammer auf jeder Seite des letzteren aufweisen, wobei diese Kammern mit der Hauptkammer 10 und der Beschleunigungskammer 20 verbunden sind und eine herkömmliche balg- oder diaphragmabetätigte Stange oder eine elektrische oder pneumatische Abtasteinrichtung (nicht dargestellt) aufweisen, um ein Ausgangssignal zu erzeugen. Als Differenzdruckzelle 32 wird eine an sich bekannte Vorrichtung mit einer Gasquelle ge-

wählt die in Übereinstimmung mit der Druckdifferenz zwischen den beiden Eingängen der Vorrichtung regulierbar ist Wie dargelegt wurde, werden die Eingangsdrucke über Druckleitungen zu der Hauptkammer 10 und der Beschleunigungskammer 20 angeliefert

Der Ausgang der Differenzdruckzelle 32 wird einem Programmregler 34 eingegeben, der z. B. eine herkömmliche logische Schaltung aufweiser, kann, die durch verschiedene, für den Betrieb des Gaslasers vorgesehene Steuerschalter betätigbar ist

Der Programmregler wird wahlweise zur Betätigung irgendeines der Ventilantriebe 13, 17, 23 und 27 auf letzteren im Sinne einer Ventilschließung oder -öffnung geschaltet

Der Programmregler 34 schaltet die Steuerung zwisehen vier Stellungen I, H, IH und IV. In Stellung I ist die Steuerung zu dem Antrieb 23 parallelgeschaltet, um das Ventil 22 abzuschalten, wenn der Sollwert des Programmreglers ca. 98,1 mbar erreicht, wodurch die Evakuierungsgeschwindigkeit der Beschleunigungskammer 20 im Verhältnis zu der der Hauptkammer 10 verlangsamt wird In Stellung II wird das Signal zu dem Antrieb 17 abgeleitet, um das Ventil 16 zwecks Füllung der Hauptkammer 10 auf für einen Betrieb des Gaslasers

geeigneten Druck zu öffnen oder zu schließen. Das von der Differenzdruckzelle 32 zum Programmregler 34 geleitete Signal wird auch einem Druckschalter 100 eingegeben. Wenn der Druck einen vorbestimmten Wert erreicht, der an den Betriebswert herankommt, wird der Druckschalter 100 betätigt, wodurch wiederum ein Relais (nicht dargestellt) betätigt wird, das ein Gebläse 101, das einen Teil des in der Hauptkammer 10 angeordneten Windkanals 102 aufweist, einschaltet. In Stellung III wird die Programmsteuerung zu dem Ventil 12 über den Antrieb 13 geschaltet. Gleichzeitig wird das Ventil 16 durch ein getrenntes, nichtmodulierendes Signal geöffnet, so daß Lasergas mit konstant bemessener Geschwindigkeit in die Hauptkammer 10 eintritt. Nun wird in letzterer der Druck durch Regulierung des Ventils 12 konstant gehalten, !n Stellung IV wird die Programmsteuerung auf das Ventil 26 über den Antrieb 27 umgeschaltet und das Ventil 18 oder 18a ist geöffnet, wodurch Luft oder Wiederfüllgas in die Hauptkammer 10 führbar ist.

Das Ventil 26 steuert dann die Strömung des Rückfüllgases in die Beschleunigungskammer 20 in einer Weise, daß das Druckgefälle am Diaphragma 30 bei annähernd 98,1 mbar Druck gehalten wird, während die Hauptkammer 10 und die Beschleunigungskammer 20 auf atmosphärischen Druck gefüllt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (1)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Betätigung eines elektronenstrahlgepumpten Gaslasers mit einer Beschleunigungskammer zur Erzeugung des Elektronenstrahls und mit einer an diese angrenzenden Hauptkammer, die von der Beschleunigungskammer durch ein dünnes, elektronendurchlässiges sowie gasundurchlässiges Diaphragma getrennt ist. wobei das Lasermedium in und/oder durch die Hauptkammer strömt und der Elektronenstrahl aus der Beschleunigungskammer durch das Diaphragma hindurch in die Hauptkammer tritt, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: