DE2856328A1

DE2856328A1 - Vorrichtung und verfahren zum einbringen von elektrischer leistung in ein durch ein entladungsgebiet stroemendes gasfoermiges medium und mit einer solchen vorrichtung ausgeruesteter laser

Info

Publication number: DE2856328A1
Application number: DE19782856328
Authority: DE
Inventors: Clyde Owen Brown; Robert Howard Bullis; Peter Paul Chenausky; Ernest B Manning
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1977-12-27
Filing date: 1978-12-27
Publication date: 1979-06-28
Also published as: IT1101590B; IT7831219A0; IL56186A; DE2856328C2; JPS5710588B2; CA1124378A; GB2011159A; FR2413808B1; GB2011159B; FR2413808A1; JPS5497398A; US4449220A

Description

UNITED TECHNOLOGIES CORPORATION Hartford, Connecticut 06101, V.St.A.

Vorrichtung und Verfahren zum Einbringen von elektrischer Leistung in ein durch ein Entladungsgebiet strömendes gasförmiges Medium und mit einer solchen Vorrichtung ausgerüsteter Laser

Die Erfindung bezieht sich auf mit elektrischer Entladung arbeitende Laser (hier abgekürzt als Entladungslaser bezeichnet) und betrifft insbesondere eine verbesserte Entladungskonfiguration, die bei Entladungslasern verwendbar ist, welche ein querströmendes Gasmedium aufweisen.

Entladungslaser, die ein strömendes GasverStärkungsmedium aufweisen, sind bekannt. Der Hauptgrund für die Verwendung eines strömenden GasverStärkungsmediums zur Konvektionskühlung der Laserentladungsgase, insbesondere für Molekular-

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entladungssysteme, und die sich daraus ergebenden Vorteile, wie eine höhere Laserleistung, sind in der US-PS 3 641 457 beschrieben. Aus dieser Patentschrift ist es bekannt, wie wichtig es ist, das richtige Verhältnis von elektrischem Feld zur Dichte des neutralen Gases in der Laserentladung aufrechtzuerhalten, um die Energieübertragung von den Entladungselektronen auf das obere Energieniveau des schwingenden Gases zu maximieren. Weiter ist die Lichtleistungsabgabe eines Molekularentladungslasers proportional zu der Differenz zwischen den Besetzungsdichten des oberen Energieniveaus und des unteren Energieniveaus des schwingenden Gases. Gemäß der vorgenannten US-PS wird die Besetzungsdichte des oberen Energieniveaus direkt erhöht, indem bei Drücken gearbeitet wird, die mehrere Torr übersteigen, wobei größere Erhöhungen erzielt werden, wenn sich der Druck dem Atmosphärendruck nähert. Durch Verwendung eines strömenden Gasverstärkungsmediums zur Konvektionskühlung der Entladungsgase wird die Besetzungsdichte des unteren Energieniveaus verringert, was die Laserleistung günstig beeinflußt.

Diese Grundprinzipien, welche die Entladungslaserleistung beeinflussen, sind zwar an einer Geometrie demonstriert worden, in welcher die Richtungen des strömenden Gases, des elektrischen Feldes und die optische Achse zueinander koaxial sind, die Gesamtgröße und das Gesamtgewicht des Systems, die sich ergeben, sind jedoch nicht optimal, und zwar hauptsächlich wegen des hohen Druckabfalls längs des Strömungsweges, typischerweise in der Größenordnung von mehreren Metern, des Gases durch den Laserhohlraum. Druckabfallüberlegungen bei dem Gesamtaufbau des' Lasersystems, insbesondere wenn ein geschlossener Gasumwälzkreislauf benutzt wird, beeinflussen die Uiriwälzpumpengröße und damit die Gesamtgröße

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'des Lasersystems, das Gesamtgewicht und die Gesamtkosten beträchtlich. Diese Überlegungen haben in vielen Fällen zur Entwicklung von anderen Laserentladungs- und Laserhohlraumgeometrien geführt.

Eine bekannte Konfiguration ist die elektronenstrahlstabilisierte Querlasergeometrie. In dieser Konfiguration sind die Strömungsrichtung, die Entladungsrichtung des elektrischen Feldes und die optische Achse senkrecht zueinander. Typischerweise ist die Entladungsabmessung sowohl in der Strömungsrichtung als auch quer zu der Strömungsrichtung und zu der optischen Achse im Vergleich zu der gesamten optischen Weglänge kurz. Das führt dazu, daß Entladungselektroden vorhanden sein müssen, die große ausgedehnte Flächen haben. Zur Schaffung einer gleichmäßigen Entladung über die ausgedehnte Fläche der Elektrode bei hohen Drücken und um zu verhindern, daß das Strömungsfeld die Entladung aus dem Laserhohlraum hinaus in der stromabwärtigen Strömungsrichtung mitnimmt, wird ein hochenergetischer Elektronenstrahl benutzt, um ein niedriges Ionisationsniveau des Gases gleichmäßig in dem gesamten Laserentladungsgebiet zu erzeugen. Bei hohen Drücken (größer als fünfzig Torr) verzögert das durch den Elektronenstrahl geschaffene niedrige Ionisationsniveau das Einsetzen von Entladungsunstabilitäten, die bewirken wördan, daß die gewünschte diffuse Entladung sprungartig in einem Lichtbogen zusammenbricht.

Die Lichtbogenbildung zerstört bekanntlich die Laserabstrahlung, weil der gesamte gleichmäßig· verteilte, diffuse Elektronenstromfluß der Entladung auf ein sehr kleines Gebiet des Lichtbogens konzentriert wird, in welchem das Ver-

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hältnis von elektrischem Feld zur Neutralgasdichte nicht mehr auf dem richtigen Wert für eine optimale Besetzung des oberen Energieniveaus des Lasergases gehalten wird. Darüber hinaus kommt es zu einer beträchtlichen Gaserhitzung in dem Lichtbogenkanal, durch die die Besetzung des unteren Energieniveaus erhöht und die Laserleistung weiter verschlechtert wird.

Eine Querentladungskonfiguration hat praktisch keine Blockierung in dem Strömungsfeld aufgrund von Entladungselektroden und/oder optischen Elementen und die Entladungsabmessung in der Strömungsrichtung ist kurz und liegt in der.Größenordnung von 10 bis 20 cm. Demgemäß wird der Druckabfall an dem Laserhohlraum bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten minimiert. Außerdem verringert in einer Querentladungskonfiguration die Kombination aus hoher Strömungsgeschwindigkeit und kurzer Entladungslänge in der Strömungsrichtung die Gasverweilzeit innerhalb der Entladung. Gemäß der US-PS 4 016 448 besteht eine umgekehrte Beziehung zwischen der maximalen Leistungsdichte, die in die Laserentladung eingebracht werden kann, bevor eine Lichtbogenbildung einsetzt, und der Zeit, für die das Gas in dem Entladungsgebiet bleibt. Deshalb bietet die Querlaserentladungskonfiguration zusätzlich ζμ dem Potential eines Betriebes mit niedrigem Druckabfall die potentielle Möglichkeit, die maximale Leistungsdichte, die in die Entladung vor dem Einsetzen einer Lichtbogenbildung eingebracht werden kann, zu höheren Werten hin ausdehnen zu können.

Tatsächlich ist eine ziemlich beeindruckende Laserleistung bei Quergasentladungslasersystemen erzielt worden, in denen eine Stabilisierung der Entladung mit einem hochener-

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getischen Elektronenstrahl angewandt wird. Die Verwendung eines hochenergetischen Elektronenstrahls bringt jedoch eine beträchtliche Erhöhung der Gesamtanzahl der Lasersystemteile mit sich und erhöht die Betriebskomplexität sowie die Gesamtlasersystemkosten. In vielen Fällen verbieten sich diese zusätzlichen Systemteile und Kosten. Infolgedessen sind andere Methoden zur Stabilisierung der Entladung bei Systemen erwünscht, bei welchen die Entladung quer zu dem Weg des Gasstroms erfolgt. Eine Querentladungskonfiguration, in welcher sowohl das elektrische Entladungsfeld als auch die optische Achse quer zu dem Strömungsweg des Gases sind, ist aus der US-PS 3 743 963 bekannt. In diesem Fall wird die Entladung durch die Verwendung von HF-HiIfsionisationsverfahren stabilisiert. Diese Lösung, die ihrer Art nach der Elektronenstrahlstabilisierung gleicht, benutzt eine HF-Quelle, um ein schwach ionisiertes gleichmäßiges Plasma in dem Entladungsgebiet zu erzeugen. Das schwach ionisierte Plasma führt zu einer gleichmäßigen diffusen Glimmentladung an Entladungselektroden, die eine ausgedehnte Fläche haben, und stabilisiert die Entladung gegenüber Strömungsfeldeffekten, welche normalerweise die Entladung stromabwärts in der Strömungsrichtung verschieben wurden. Die HF-Entladungsstabilisierung bringt zwar eine Verringerung der Lasersystemkomplexität und der Kosten im Vergleich zur Elektronenstrahlstabilisierung mit sich, es sind jedoch bei dieser Lösung noch immer zusätzliche Systemteile erforderlich.

Ein Verfahren zum Eliminieren der zusätzlichen Komplexität, die die Verwendung sowohl der Elektronenstrahl- als auch der HF-Entladungsstabilisierung mit sich bringt, ist aus der US-PS 3 772 610 bekannt, welche die Verwendung einer

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sich über eine ausdehnte Länge erstreckenden Querentladungskonfiguration beschreibt, in der der Entladung gestattet wird, sich durch Konvektionskräfte des Strömungsfeldes stromabwärts verschieben zu lassen. In dieser Konfiguration ist eine langgestreckte zylindrische, rohrförmige Katode innerhalb des GasStroms quer zu dem Gasweg und stromaufwärts einer segmentierten Anode, welche innerhalb einer Kanalwand bündig angeordnet ist, angeordnet. Die einzige rohrförmige Katode erzeugt eine Turbulenz in dem Gebiet unmittelbar an der stromabwärtigen Seite der Katodenoberfläche, um ein homogenes gasförmiges Medium .zur Verbesserung der Entladungsstabilisierung zu schaffen. Eine einzige Stiftelektrode, die in der Nähe der stromaufwärtigen Seite der rohrförmigen Katode angeordnet ist, sorgt für die Anlaufionisierung in dem Gas zwischen dem Stift und der Katode. Ein Ballastwiderstand wird an jedem der bündig angebrachten Elemente der segment!erten Anode zur Entladungsstabilisierung benutzt. Diese Konfiguration versucht zwar,die Vorteile auszunutzen, die sich aus dem Querentladungsbetrieb ergeben, da es ihr aber nicht gelingt, die Entladung gegen die Konvektionsströmung der Gase zu stabilisieren, ergibt sich nur ein begrenzter Bereich von Zuständen, in welchen die Entladung erfolgreich betrieben werden kann. Insbesondere wird der Entladungsbetrieb wegen der Kräfte innerhalb der Konvektionsströmung gemäß der US-PS 3 772 610 auf Drücke von ungefähr 35 Torr und auf Gasströmungsgeschwindigkeiten von ungefähr 30 m/s begrenzt. Ein zweiter Grenzwert, der ebenfalls die Maximalwerte des Betriebsdruckes und der Geschwindigkeit bestimmt, ist das Erfordernis, in dieser Konfiguration eine gleichmäßige Entladung über die langgestreckte rohr-•förmige Katode zu erzeugen, ohne eine Hilfsionisation zur

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Entladungsstabilisierung zu benutzen. Da die maximalen Betriebsgasströmungsgeschwindigkeiten beträchlich niedriger sind als diejenigen, die bei anderen Querentladungskonfigurationen erzielbar sind, ist die Gasverweil-■zeit beträchtlich langer, wodurch die vor dem Einsetzen der Entladungslichtbogenbildung maximal erzielbare Entladungsleistungsdichte weiter begrenzt wird.

Auf der IEEE/USA-Konferenz über "Laser Engineering and Application" im Mai 1975 haben Wutzke und andere eine Stift-zu-Ebene-Quergasentladungslasergeometrie veröffentlicht, mit der beträchtliche Verbesserungen der Entladungsleistung gegenüber der aus der US-PS 3 772 610 bekannten Konfiguration erzielt wurden. In der Stift-zu-Ebene-Querentladungsgeometrie ist die Katodenstruktur, welche aus einem Feld von Stiften kleinen Durchmessers besteht, die in Mittenabständen von 1 cm in mehreren Reihen längs der Strömungsrichtung angeordnet sind, gegenüber einer planaren Anode und quer zu dem Gasweg angeordnet. Zum Stabilisieren der Entladung hat jeder Katodenstift einen Ballastwiderstand von 50 kQ . Diese Entladungskonfiguration ist in der Lage, eine stabile Entladung bei Drücken von 140 Torr und Entladungsleistungsdichten bis zu 50 W/cm zu erzeugen. Diese Leistung bedeutet eine Steigerung des Entladungsbetriebsdruckes ungefähr um den Faktor vier und eine Steigerung der Entladungsleistungsdichte, die gegenüber der in der US-PS 3 772 610 angegebenen erzielbar ist, um einen Faktor zehn. Weiter wurden diese Steigerungen bei Strömungsgeschwindigkeiten von 150 m/s erzielt, was eine bessere Konvektionskühlung der Entladung gestattet und gleichzeitig zur Minimierung der Verweilzeit des Entladungsgases führt.

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Die Entladungsgeometrie, die von Wutzke und anderen angegeben worden ist, hat mehrere Nachteile für das System. Das Erfordernis, individuelle Ballastwiderstände von 50 kQ für jeden der Vielzahl von Katodenstiften zu schaffen, führt zu einer komplexen und teueren Katodenstruktur. Wegen der Größe des erforderlichen Ballastes wird weiter eine beträchtliche Menge an Leistung in dem Ballastwiderstand verbraucht. Dadurch wird offenbar der Gesamtsystemwirkungsgrad ungünstig beeinflußt. Weiter ergibt die Entladung, die durch die Stiftkatodenkonfiguration erzeugt wird, ein Gebiet hochkonzentrierten Plasmas neben dem Stift. Das führt zu einer relativ ungleichmäßigen Entladungsanregung längs der optischen Achse und die Gebiete unmittelbar neben den Stiftkatoden haben Entladungsleistungsdichten, die ungefähr um eine Größenordnung höher liegen als der Mittelwert für die gesamte Entladung. Infolgedessen wird die Grenzleistungsdichte vor dem Einsetzen der Entladungslichtbogenbildung durch die Leistungsdichte in diesen örtlich begrenzten Gebieten statt durch den Mittelwert der in die Gesamtentladung eingebrachten Leistung bestimmt. Wegen dieses Faktors wird die mittlere Entladungsleistungsdichte auf Werte begrenzt, die beträchtlich unter denjenigen liegen, welche durch Gasentladungsverweilzeitüberlegungen bestimmt wurden.

Die Erfindung schafft eine verbesserte Querlaserentladung, die in der Lage ist, ein im wesentlichen gleichmäßiges Entladungsmedium aufrechtzuerhalten.

Weiter schafft die Erfindung ein gleichmäßiges Entladungsmedium mit vereinfachten Entladungselementen.

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Gemäß der Erfindung ist eine Vorrichtung zurrt Einbringen von elektrischer Leistung in einer Richtung quer zu einem Weg von strömendem Gas, um ein im wesentlichen diffuses Plasma zu schaffen, gekennzeichnet durch eine Katode, welche wenigstens eine Reihe von Vorionisationselektroden aufweist, die quer zu dem Weg des strömenden Gases angeordnet sind und sich in diesen erstrecken, und wenigstens eine Leistungselektrode, die stromabwärts der Reihe von Vorionisationselektroden angeordnet ist und sich in den Weg des strömenden Gases erstreckt, und durch eine Anode, die eine Konfiguration einer Ebene hat, welche gegenüber der Katode mit Abstand von derselben und parallel zu derselben angeordnet ist, wobei sich der Weg des strömenden Gases dazwischen befindet. In einem Entladungslaser ist weiter gemäß der Erfindung eine Einrichtung vorgesehen, die ein erstes elektrisches Potential zwischen den Vorionisationselektroden und der Anode erzeugt, um das dazwischen strömende Gas zu ionisieren, eine Einrichtung zum Erzeugen eines zweiten elektrischen Potentials zwischen der Leistungselektrode und der Anode, um eine im wesentlichen diffuse Entladung in dem dazwischen strömenden Gas zu erzeugen, ein optischer Hohlraumresonator, der quer zu dem Weg des strömenden Gases zwischen der Katode und der Anode angeordnet ist, und eine Einrichtung zum Auskoppeln eines Bündels elektromagnetischer Strahlung aus dem Hohlraumresonator.

Ein Merkmal der Erfindung ist die Vorionisationselektrode mit einer Konfiguration eines Stiftes kleinen Durchmessers, von welchem sich ein Ende in den Weg des strömenden Gases erstreckt. Außerdem hat die Leistungselektrode die Konfiguration einer Stange, deren Längsachse quer zu dem Weg des strömenden Gases und im wesentlichen parallel zu und strom-

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abwärts von der Reihe von Vorionisationselektroden angeordnet ist. Außerdem hat jede Reihe von Vorionisationselektroden eine gesonderte Spannungsquelle zum Steuern des Einbringais von elektrischer Leistung in das Gas. Darüber hinaus ist zur Stabilisierung der Vorionisationsentladung jede Vorionisationselektrode mit Ballast versehen. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung enthält wenigstens zwei Reihen von Stiften, wobei die Stifte in jeder Reihe versetzt zu den Stiften in einer benachbarten Reihe angeordnet sind. Zusätzlich enthält die bevorzugte Ausführungsform wenigstens zwei Reihen von Stangen, die parallel zu und stromabwärts von den Reihen von Stiften angeordnet sind. Die Stangen sind nicht mit Ballast versehen. Die Vorionisationselektroden sind in einem Katodenhalter befestigt, der aus elektrischem Isoliermaterial gebildet ist, das eine ausreichende dielektrische Durchschlagfestigkeit hat, um Kurzschlüsse zwischen Elementen zu vermeiden. In einer Ausführungsform sind die Stangen hohl, damit sie von einem Kühlmittel durchströmt werden können, welches Wärme abführt, die in den Stangen während des Betriebes erzeugt worden ist. Außerdem hat jede Stange eine gesonderte Spannungsquelle zum Steuern des Einbringens von elektrischer Leistung in die Entladung. Die Stifte am Anfang und am Ende jeder Reihe sind innerhalb des Katodenhalters in ausreichendem Abstand von den Enden des Katodenhalters angeordnet, um die Bildung eines Ionisationsweges zwischen den Stiften und den Trägern der Stangen, die in der Nähe der Enden des Katodenhalters angeordnet sind, auszuschließen. Die Anode, die eine planare Konfiguration hat, ist gegenüber dem Katodenhalter angeordnet und begrenzt' in Kombination mit dem Katodenhalter zwischen.sich und ihm einen Gaskanal. In einem Laser liefert die Konfiguration aus Stiften, Stangen und planarer Elektrode ein elektrisches Feld quer zu einer optischen Achse der Vorrichtung und quer

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zu dem Weg der Gasströmung. Wenigstens 60 % der in die Entladung eingebrachten elektrischen Leistung gehen über die nicht mit Ballast versehenen Leistungselektroden, während der übrige Teil über die mit Ballast versehenen Vorionisationselektroden geht. In der bevorzugten Ausführungsform sind die Katodenelektroden aus schwer schmelzbaren Metallen oder aus anderen geeigneten warmfesten Metallen aufgebaut. Die Konfiguration aus Stiften, Stangen und planarer Elektrode eignet sich zur kontinuierlichen Einbringung von elektrischer Leistung in einen Gasstrom, welcher einen hohen Druck und hohe Strömungsgeschwindigkeiten quer zur Einbringung der elektrischen Leistung aufweist.

Ein Hauptvorteil der Erfindung ist die Einbringung von elektrischer Leistung mit hoher Dichte in den Gasstrom ohne komplexe und teuere Entladungsstabilisierungselemente. Außerdem wird durch die Verwendung von nicht mit Ballast versehenen Leistungselektroden der Bruchteil an insgesamt in das Gas eingebrachter elektrischer Leistung beträchtlich erhöht. Außerdem ergibt die kontinuierliche Einbringung von elektrischer Leistung in das Gas einen hohen Grad an Entladungsgleichförmigkeit, durch die der Wert der Einbringung an.mittlerer Entladungsleistungsdichte in das Gas vor dem Einsetzen der Entladungslichtbogenbildung beträchtlich erhöht wird. Die Möglichkeit, das an jede Leistungselektrode angelegte Potential unabhängig einstellen zu können,und der relative Elektrodenabstand gestatten, das Verstärkungsprofil 'der Entladung in der QuerStrömungsrichtung für eine optimale optische Kopplung maßzuschneidern. Die hohe Konzentration des elektrischen Feldes um die Vorionisationselektroden gestattet, eine stabile Entladung in einem Gas

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aufrechtzuerhalten, das einen hohen Druck und eine hohe Strömungsgeschwindigkeit hat.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine vereinfachte perspektivische Ansicht

einer Elektrodenkonfiguration nach der Erfindung,

Fig. 2 eine vereinfachte Ansicht der Katode

der Elektrodenkonfiguration von Fig. 1 mit Vorionisations- und Leistungselektroden,

Fig. 3 eine vereinfachte Ansicht der elektri

schen Schaltung für die Elektrodenkonfiguration von Fig. 1, und

Fig. 4 die räumliche Spannungscharakteristik

bei verschiedenen Strömen einer Elektrodenkonfiguration mit einer Stift-Stange-Katode und einer planaren Anode.

Fig. 1 zeigt eine vereinfachte perspektivische Ansicht der Erfindung mit einer Elektrodenkonfiguration 10, die um eine optische Achse 12 eines Laserhohlraums 14 angeordnet ist, welcher an einem Ende durch einen ersten Spiegel 16 und an dem anderen Ende durch einen zweiten Spiegel 18 begrenzt ist. Eine Anode 20, die innerhalb eines Anodenhalters 22 angeordnet ist, bildet eine erste Seite eines Gaskanals 24.

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Die Anode hat eine Längsachse 26, welche quer zu einem Gasweg 28 angeordnet ist. Ein Katodenhalter 30, der eine zweite Seite des Gaskanals 24 gegenüber der ersten Seite bildet, enthält eine erste Reihe 32 von Vorionisationselektroden 34 in Form von Stiften, die auf der stromaufwärtigen Seite des Katodenhalters angeordnet sind, eine zweite Reihe 36 von Vorionisationselektroden, die stromabwärts der ersten Reihe 32 von Vorionisationselektroden angeordnet ist, und vier Reihen von Leistungselektroden 38 in Form von Stangen, die stromabwärts der und parallel zu den Reihen von Vorionisationselektroden angeordnet sind, wobei die Vorionisationselektroden und die Leistungselektroden eine Katode bilden. Die Leistungselektroden haben Abstand von einander und von den Vorionisationselektroden, sind parallel zu der Anode 20 und erstrecken sich in den Gaskanal 24. Die einzelnen Vorionisationselektroden 34 in der ersten Reihe 32 sind versetzt gegen die einzelnen Vorionisationselektroden 34 in der zweiten Reihe 36 angeordnet. Der Anodenhalter 22 und der Katodenhalter 30 sind an Endplatten 40 befestigt, welche gemeinsam mit Seitenwänden 42 den Gaskanal 24 begrenzen. Der erste und der zweite Spiegel 16 bzw. 18 sind längs der optischen Achse befestigt und befinden sich in optischer Sichtverbindung miteinander über Öffnungen (nicht dargestellt) in den Seitenwänden 42.

Fig. 2 zeigt eine vereinfachte Ansicht des Katodenhalters 30, welcher Reihen 32, 36 von Stiften 34 und Stangen 38 hat. Jede Reihe von Stiften beginnt und endet, wobei der erste und der letzte Stift innerhalb des Katodenhalters in einem ausreichenden Abstand von Enden 44 des Katodenhalters angeordnet sind, um zu gewährleisten, daß ein Weg

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ionisierten Gases von dem ersten oder von dem letzten Stift nicht mit einem Zapfen 46 zusammenkommt, welcher die Stangen an dem Katodenhalter festhält. Diese Lage minimiert eine Streamerfunkenbildung, eine Lichtbogenbildung oder andere Plasmaunstabilitäten aufgrund einer Entladungswechselwirkung zwischen Katodenteilen. Die versetzte Anordnung der einzelnen Stifte in der ersten Reihe zu den einzelnen Stiften in der zweiten Reihe minimiert ebenfalls Entladungswechselwirkungen zwischen Stiften und verbessert die diffuse Art der Entladung, die durch die Stifte erzeugt wird. Schraubenlöcher 48 sind längs des Umfangs 50 des Katodenhalters angeordnet und dienen zum Befestigen des Halters an Endplatten 40, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Eine O-Ringnut 52, die an dem Umfang 50 angeordnet ist, dient zur Aufnahme einer Dichtung zum Herstellen einer gasdichten Verbindung zwischen dem Katodenhalter und der Endplatte. Die Zapfen 46, welche in Büchsen 53 aus Isoliermaterial, beispielsweise aus Aluminiumoxid, angeordnet sind, erstrecken sich innerhalb von Durchlässen 54 durch den Katodenhalter und sind an einem Ende an den Stangen und am anderen Ende an einer elektrischen Stromversorgungsschaltung in der in Fig. dargestellten Weise befestigt. Die Stifte 34 sind ebenfalls in Büchsen 53 aus Isoliermaterial angeordnet und erstrecken sich in Durchlässen 54 durch den Katodenhalter 30 hindurch bis in den Gaskanal.. Der Katodenhalter ist aus elektrischem Isoliermaterial gebildet, das eine ausreichende dielektrische Durchschlagfestigkeit hat, beispielsweise aus Aluminiumoxid, um elektrische Kurzschlüsse zvischen den Katodenelementen zu vermeiden.

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Eine Schicht 56 aus feuerfester Keramik ist auf das elektrische Isoliermaterial aufgebracht und sorgt für eine thermische Isolierung zwischen dem Katodenhalter 30 und der elektrischen Entladung. In der bevorzugten Ausführungsform sind die Katodenelemente mit schwer schmelzbaren Metallen, wie beispielsweise Molybdän oder Wolfram,hergestellt. Die Stangen 38 und die Zapfen 46 können entweder massiv oder für den Durchfluß eines Kühlmittels hohl sein. Durch die Verwendung von hohlen Stangen werden Stangenverwindungen aufgrund des Durchbiegens derselben in dem mittleren Teil unter dem Gewicht der Stange minimiert.

Im Betrieb der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung strömt ein geeignetes, laserkorrelierte Vfellen aussendendes Gasgemisch, wie Kohlendioxid, Stickstoff und Helium, durch den Gaskanal 24 zwischen der Katode und der Anode bei einem Druck, der typischerweise über 50 Torr und vorzugsweise in dem Bereich von mehreren hundert Torr liegt. Die Durchmesser der Stifte 34 sind klein und betragen typischerweise 1 bis 2 mm, wobei derjenige Teil, der sich in den Weg des Gases erstreckt, einen kleineren Durchmesser hat und in der Spitze 35 endigt. Eine schwache und schwach ionisierte Entladung mit einem Ionisationsgrad, d.h. mit einem Verhältnis von Elektronendichte zu Neutralgasdichte, der typischerweise kleiner als 10 ist, wird eingeleitet, indem ein geeignetes elektrisches Potential zwischen der Anode 20 und den Stiftreihen 32 und 36 aufgebaut wird. Aufgrund der Geometrie der Stifte wird die Entladung in dem Gebiet starken Feldes an der zugeschärften Spitze dieser Elektroden eingeleitet und aufrechterhalten, und zwar auch in Gegenwart eines hohen Druck und hohe Geschwindigkeit aufweisenden Quergas-

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Stroms. Jeder Stift 34 in den Reihen 32 und 36 hat einen individuellen Ballastwiderstand 58 (Fig. 3) mit einem typischen Wert von 50 kQ in Reihenschaltung mit den Stromversorgungsquellen V₁ und Vp, um den durch jeden Stift in die Entladung fließenden Strom zu stabilisieren. Diese Verwendung von ohmschem Ballast zur Entladungsstabilisierung ist bekannt und dient dem Zweck, die Gleichförmigkeit des von jedem Stift in einer bestimmten Stiftreihe ausgehenden Stromflusses zu gewährleisten.

Es hat sich gezeigt, daß die stromaufwartige Vorionisationsentladung die Entladungscharakteristik der stromabwärtigen Stangenelektroden 38 günstig beeinflußt. Insbesondere kann aufgrund des Vorhandenseins der stromaufwärtigen Vorionisationsentladung eine stabile, gleichmäßige und eine hohe Leistungsdichte aufweisende Entladung zwischen den Stangen 38 und der Anode 20 erzeugt und aufrechterhalten werden, ohne daß auf äußere Ballastwiderstände zurückgegriffen werden muß. Die Stangen 38 bilden eine ausgedehnte, durchgehende Katodenfläche, die eine im wesentlichen gleichmäßige diffuse Entladung zwischen der Katode und der Anode ergibt.

Die Verwendung von mehreren Stangen, welche quer zu dem Weg des Gases in gegenseitigem Abstand angeordnet sind, ermöglicht, das Einbringen der Leistung in das Gas durch die Stromquellen V„, V₄, V₁- und Vg (Fig. 3) zu steuern und dadurch die Entladungsbedingungen einzustellen, um die Lichtleistungsabstrahlung zu optimieren. Mit der in Fig. gezeigten Konfiguration sind Entladungsleistungsdichten von 96,7 W/cm in stabilen, gleichmäßigen Entladungen bei Drücken von 141 Torr und Strömungsgeschwindigkeiten von

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205 m/s in einem Gas erzielt worden, das aus einem Gemisch von Kohlendioxid, Stickstoff und Helium in einem Dichteverhältnis von 1:7:12 bestand, Ein stabiler Entladungsbetrieb ist außerdem bei Drücken über 200 Torr erzielt worden. Die Konfiguration nach der Erfindung hat einen Dauerstrichlaser mit geschlossenem Kreislauf ergeben, der eine Lichtleistungsabgabe von 25 kW bei ungefähr 15 % elektrischem Wirkungsgrad mit einer Gleichstromquelle hat.

Die Möglichkeit, die Entladungsbedingungen durch Steuern der Leistungseinbringung in das Gas von jeder Stange 38 aus maßschneidern zu können, gestattet die Optimierung des Gesamtentladungswirkungsgrades, der Laserlichtleistungsabgabe oder des Gesamtlaserwirkungsgrades. Bei einem Betrieb, der auf einen maximalen Entladungswirkungsgrad abzielt, werden bis zu 70 % der elektrischen Leistung von den Stangen aus in den Gasstrom eingebracht. Bei einem Betrieb, der auf eine Optimierung der Abgabeleistung des Laserbündels gerichtet ist, ist dieser Wert typischerweise größer als 60 %. In beiden Fällen wird durch das Fehlen eines Ballastwiderstandes in dem Stangenteil des Stromkreises der Gesamtsystemwirkungsgrad günstig beeinflußt. Weiter wurde ein Druckabfall von weniger als 3 % in dem Entladungsgebiet erzielt. Es sei angemerkt, daß diese Leistung nur in Gegenwart eines äußerst gleichförmigen Einlaßströmungsfeldes erzielt werden kann.

Zum richtigen Betreiben der bevorzugten Ausführungsform müssen die Stangen parallel zu der Anode gehalten werden, um Verzerrungen des elektrischen Feldes zu vermeiden, die zur Entstehung von Entladungsungleichmäßigkeiten führen

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könnten. Die Durchbiegung der Stangen in dem mittleren Bereich muß daher minimiert oder beseitigt werden. Außerdem müssen sich die Stangen auf einer ausreichenden Strekke in den Gasstrom erstrecken, damit sichergestellt ist, daß sich der aktive elektrische Teil der Stange außerhalb einer Gasströmungsgrenzschicht befindet, die sich normalerweise an den Wänden eines Strömungskanals bildet. Das Heraushalten des elektrisch aktiven Teils der Stange aus der Grenzschicht ist ein kritischer Gesichtspunkt, um eine Entladungserhitzung der Gase in der Grenzschicht, die eine charakteristische niedrige Geschwindigkeit haben, zu verhindern, da diese Erhitzung direkt zum Zusammenbrechen der Entladung in einem Lichtbogen führen würde. Die Stangen haben, wie in den Zeichnungen dargestellt, eine zylindrische Konfiguration und vorzugsweise eine Querschnittsfläche, die ausreichend klein ist, um eine Störung der Strömung zu minimieren. Die Stangen haben typischerweise einen Durchmesser, der zwischen 1,5 und 5 mm liegt. Die Stangen können aerodynamisch geformt sein, um Strömungsstörungen zu minimieren.

Fig. 3 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild der elektrischen Schaltung, über die der Elektrodenkonfiguration Strom zugeführt wird. Die Anode 20 wird typischerweise auf einem positiven Potential gehalten und jede Reihe von Stiften 32, 36 und jede Stange 38 hat eine gesonderte Spannungsquelle ^V1' ^V2' ^V3' ^V4' ^V5 ^bzv' ^V6' ^{welclle in} 3^er Lage ist, eine Entladung innerhalb des Gases einzuleiten und aufrechtzuerhalten. Die elektrischen Spannungsquelleiv,,, V₄, V₁- und V₆ können eingestellt werden, um die Leistungseinbringung in das Gas pro Längeneinheit in der Strömungsrichtung zu steuern und die Entladungskennlinien im Sinne einer Optimierung

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des Modenprofils des Verstärkungsmediums zur Erzielung .einer wirksamen Lichtleistungsabstrahlung auszubilden.

Geeignete elektrische Bauelemente, wie Dioden usw., können jeder Leistungselektrode zum Einstellen der Eingangsleistungsbedingungen an der Elektrode zugeordnet sein, um sie den Entladungsbedingungen in Abhängigkeit von der Position innerhalb des Gaskanals anzupassen. Außerdem müssen die Hauptparameter, wie der Entladungsstrom zu den Stangen und Stiften, der Ballastwiderstand in dem Stifteil des elektrischen Stromkreises, die Gasgeschwindigkeit, der Gasdruck, das Gasgemisch, der Abstand zwischen Katode und Anode, der Abstand zwischen den Stangen und der Abstand zwischen Stiften und Stangen, optimiert werden, damit ein optimaler Lichtstrom in dem optischen Hohlraumresonator erzeugt wird. Die Spannung, die an eine bestimmte Stange angelegt wird, hängt von der räumlichen Lage bezüglich der stromaufwartigen Stifte ab und folgt dem in Fig. 4 gezeigten räumlichen Trend.

Die elektrische Schaltung, die in Fig. 3 dargestellt ist, zeigt mehrere·Quellen elektrischen Potentials, welche die Stifte und die Stangen mit Strom versorgen. Es kann eine erste Spannimgsquelle mit den Stangen und eine zweite Spannungsquelle mit den Stiften verbunden sein. Außerdem kann eine einzige Spannungsquelle benutzt werden. Geeignete Steuerelemente, 'wie Leistungsdioden, können erforderlich sein, um das Einbringen von elektrischer Leistung in das Gas durch jeden Stift und jede Stange einstellen zu können.

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Claims

UNITED TECHNOLOGIES CORPORATION Hartford, Connecticut 06101, V.St.A.

Patentansprüche:

nj. Vorrichtung zum Einbringen von elektrischer Leistung in ein gasförmiges Medium, das durch ein Entladungsgebiet strömt, gekennzeichnet:

durch eine Anode, die eine Konfiguration einer Ebene hat und eine Seite eines Gasweges durch das Entladungsgebiet bildet, und

durch eine Katode, die mit Abstand von der Anode angeordnet ist und wenigstens eine Reihe von Vorionisationselektroden aufweist, die sich in das Entladungsgebiet erstrekken und an die ein erstes elektrisches Potential zum Ionisieren von an den Vorionisationselektroden vorbeiströmendem Gas anschließbar ist, und wenigstens eine Leistungselektrode, die stromabwärts und im wesentlichen parallel zu der Reihe von Vorionisationselektroden angeordnet ist, sich in das Entladungsgebiet erstreckt, zu der Anode im

wesentlichen parallel ist und an ein zweites elektrisches Potential zum Erzeugen einer im wesentlichen diffusen und stabilen Entladung zwischen der Katode und der Anode anschließbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Vorionisationselektrode ein Stift ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß derjenige Teil des Stiftes, der sich in das Entladungsgebiet erstreckt, in einer Spitze endigt, die einen geringeren Durchmesser hat, um eine hohe Konzentration des elektrischen Feldes an der Oberfläche der Spitze zu erzeugen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungselektrode eine Stange mit einer Längsachse ist, welche zu der Reihe von Vorionisationselektroden im wesentlichen parallel ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Katode wenigstens zwei Reihen von Vorionisationselektroden aufweist, wobei die einzelnen Vorionisationselektroden in jeder Reihe versetzt gegen die einzelnen Vorionisatxonselektroden in einer benachbarten Reihe angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihe von Vorionisatxonselektroden und die Leistungselektrode im wesentlichen quer zu dem Gas— weg durch das Entladungsgebiet angeordnet sind.

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7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Ballasteinrichtung zum Steuern des elektrischen Stroms, der von den Vorionisationselektroden durch das ionisierte Gas zu der Anode fließt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ballasteinrichtung einen Ballastwiderstand aufweist, der mit jeder der Vorionisationselektroden verbunden ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Versorgen der Leistungselektroden und der Vorionisationselektroden mit elektrischem Strom.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stange eine rohrförmige Konfiguration hat und von einem Kühlmittel zum Abführen von Wärme während des Betriebes durchflossen werden kann.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden aus schwer schmelzbaren Metallen hergestellt sind.
12. Laser mit einem optischen Hohlraum und einer Elektrodenvorrichtung zum Einbringen von elektrischer Leistung in ein durch ein Entladungsgebiet strömendes Gas, gekennzeichnet :

durch eine Anode mit einer Konfiguration einer Ebene, die eine Seite eines Gasweges durch das Entladungsgebiet bildet , und

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durch eine Katode, die mit Abstand von der Anode angeordnet ist und wenigstens eine Reihe von Vorionisationselektroden aufweist, die sich in das Entladungsgebiet erstrecken und an ein erstes elektrisches Potential zum Ionisieren von an den Vorionisationselektroden vorbeiströmendem Gas anschließbar sind, und wenigstens eine Leistungselektrode, die stromabwärts und im wesentlichen parallel zu der Reihe von Vorionisationselektroden im wesentlichen quer zu dem Gasweg angeordnet ist, sich in das Entladungsgebiet erstreckt und an ein zweites elektrisches Potential anschließbar ist, um innerhalb des optischen Hohlraums eine im wesentlichen stabile und diffuse Entladung zu erzeugen.
13. Verfahren zum Einbringen von elektrischer Leistung in ein durch ein Entladungsgebiet strömendes gasförmiges Medium, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Schaffen einer Anode, die eine Konfiguration einer Ebene hat und eine Seite eines Gasweges durch das Entladungsgebiet bildet;

Anordnen einer Katode mit Abstand von der Anode, wobei die Katode wenigstens eine Reihe von Vorionisationselektroden und wenigstens eine Leistungselektrode mit einer Längsachse aufweist, die stromabwärts und im wesentlichen parallel zu der Reihe von Vorionisationselektroden angeordnet ist;

Erzeugen eines Stroms von ionisierbarem Gas zwischen der Anode und der Katode in einer Richtung, die zu der Reihe von Vorionisationselektroden im wesentlichen quer verläuft;

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Aufrechterhalten eines ersten elektrischen Potentials zwischen den Vorionisationselektroden und der Anode, um ein schwach ionisiertes Gas zu schaffen; und

Erzeugen einer im wesentlichen diffusen und stabilen Entladung innerhalb des Gases mit einem zweiten elektrischen Potential, das zwischen den Leistungselektroden und der Anode aufrechterhalten wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr elektrischen Stroms in das Gas durch die Vorionisationselektroden mit einem Ballastwiderstand gesteuert wird, der an jeder Vorionisationselektrode befestigt ist, und daß das zweite elektrische Potential zwischen der Leistungselektrode und der Anode gesteuert wird, um die Entladungscharakteristik innerhalb des Gases einzustellen, wobei wenigstens 60 % der in das Gas eingebrachten elektrischen Leistung über die nicht mit einem Ballastwiderstand versehenen Leistungselektroden gehen.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das strömende Gas innerhalb des Entladungsgebietes auf einem Druck von wenigstens 50 Torr gehalten wird.
16. Verfahrer nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das erste elektrische Potential durch eine erste Stromquelle geliefert wird, die einen kontinuierlichen Gleichstrom an die Vorionisationselektroden abgibt, und daß das zweite elektrische Potential durch eine zweite Stromquelle geliefert wird, die einen kontinuierlichen Strom an die Leistungselektroden abgibt.
17· Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das ionisierbare Gas ein Gemisch aus Kohlendioxid, Stickstoff und Helium ist.
18. Verfahren zum Einbringen von elektrischer Leistung in ein gasförmiges Medium, das durch ein Entladungsgebiet strömt, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Schaffen einer Anode, die eine Konfiguration einer Ebene hat und eine Seite eines Gasweges durch das Entladungsgebiet bildet;

Anordnen einer Katode mit Abstand von der Anode, wobei die Katode wenigstens eine Reihe von Stiften und wenigstens eine Stange mit einer rohrförmigen Konstruktion mit einer Längsachse aufweist, die stromabwärts von und im wesentlichen parallel zu der Reihe von Stiften und im wesentlichen parallel zu der Anode angeordnet ist;

Erzeugen eines Stroms ionisierbaren Gases zwischen der Anode und der Katode in einer Richtung, die im wesentlichen quer zu der Reihe von Stiften verläuft;

Aufrechterhalten eines ersten elektrischen Potentials zwischen den Stiften und der Anode, um ein schwach ionisiertes Gas zu schaffen, das zwischen ihnen hindurchströmt;

Steuern der Zufuhr elektrischen Stroms in das Gas durch die Stifte mit einem Ballastwiderstand an jedem Stift;

Erzeugen einer Entladung in dem Gas stromabwärts der Stifte

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mit einem zweiten elektrischen Potential zwischen den Stangen und der Anode;

Steuern des zweiten elektrischen Potentials zwischen den Stangen und der Anode, um es der Entladungscharakteristik innerhalb des Gases anzupassen, so daß eine im wesentlichen stabile und diffuse Entladung zwischen der Katode und der Anode aufrechterhalten wird; und

Hindurchleiten eines Kühlmittels durch die Stangen mit rohrförmiger Konstruktion, um einen starken Stromfluß durch die Stangen zu ermöglichen.
19. Verfahren zum Erzielen eines Laserbündels, das eine hohe Leistung hat, aus einem mit elektrischer Entladung arbeitenden Laser, durch dessen Entladungsgebiet ein gasförmiges Medium strömt, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Schaffen einer Anode, die eine Konfiguration einer Ebene hat und eine Seite eines Gasweges durch das Entladungsgebiet bildet;

Anordnen einer Katode mit Abstand von der Anode, wobei die Katode wenigstens eine Reihe von Stiften und wenigstens eine Stange mit einer Längsachse aufweist, die stromabwärts und im wesentlichen parallel zu der Reihe von Stiften und im wesentlichen parallel zu der Anode angeordnet ist;

Erzeugen eines Stroms von ionisierbarem Gas zwischen der Anode und der Katode in einer Richtung, die im wesentlichen quer zu der Reihe von Stiften verläuft;

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Aufrechterhalten eines ersten elektrischen Potentials zwischen jeder Reihe von Stiften und der Anode, um ein schwach ionisiertes Gas zu schaffen, das zwischen ihnen hindurchströmt;

Steuern der Zufuhr elektrischen Stroms in das Gas durch die Stifte mit einem Ballastwiderstand an jedem Stift;

Aufbauen eines zweiten elektrischen Potentials zwischen jeder Stange und der Anode, um eine stabile und diffuse Entladung in dem Gas stromabwärts der Stifte zu erzielen;

Steuern des zweiten elektrischen Potentials zwischen den Stangen und der Anode, um es der Entladungscharakteristik innerhalb des Gases anzupassen, damit eine im wesentlichen diffuse Entladung zwischen der Katode und der Anode erzielt wird, wobei wenigstens 60 % der in das Gas eingebrachten elektrischen Leistung über die nicht mit Ballast versehenen Stangen gehen;

Verstärken der Lichtstrahlung innerhalb der diffusen Entladung mit einem optischen Hohlraum, dessen optische Achse quer zu dem Gasweg ist; und

Auskoppeln eines Lichtbündels aus dem optischen Hohlraum.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das strömende Gas innerhalb des Entladungsgebietes auf einem Druck von wenigstens 50 Torr gehalten wird.
21, Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet,

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daß das Gas ein Gemisch aus Kohlendioxid, Stickstoff und Helium ist.
22. Verfahren nach einem der.Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das erste elektrische Potential und das zweite elektrische Potential durch Spannungsquellen erzeugt werden, welche einen kontinuierlichen Gleichstrom liefern.

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