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Titel: Geometriestabile Hohlkathode
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Beschreibung der Erfindung Die Erfindung betrifft geometriestabile
Hohikathoden für Anwendungen in Lasern oder spektroskopischen Lichtquellen und Absorptionszel
len.
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Hohikathoden sind ein Bestandteil von Gasentladungsanordn-ungen, in
denen sich eine besondere Entladungsform einstellt, die sogenannte Hohlkathodenentladung.
Insbesondere bei Hohlkathodenentladungen, die im Hochstrombereich (Stromdichte :>
0,1 A/cm2) betrieben werden, tritt der Effekt der Kathodenzerstäubung auf, der dazu
führt, daß das Kathodenmaterial als dampfförmige Beimischung zu dem Gas, in dem
die Entladung eingeleitet wurde, e~rscheint.
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Dieser Effekt ergibt eine bequeme Methode, Dämpfe von Materialien
mit hoher Siedetemperatur zu erzeugen und zur Lichtemission anzuregen. Andererseits
kann dieser Effekt auch Änderungen der Kathodengeometrie bewirken. Diese Änderungen
können so groß sein, daß die Hohlkathode unbrauchbar wird.
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Hohlkathodenentladungen werden zum Aufbau vieler verschiedener Laser
ausgenutzt. Die Kathodenzerstäubung ist teilweise unerwünscht, wird aber manchmal
auch ausgenutzt, z. B. in Metalldampflasern. Der Stand der Technik ist in folgenden
Übersichtsartikeln wiedergegeben:
1) W. B. Bridges, in "Methods
of Experimental Physics", Vol. 15A, S. 120, Academic Press, New York (1979) 2) W.
K. Schüben in "Proc. Int. Conf. Lasers '79, S. 431, STS Press, McLean, Va, USA (1980)
3) K. Rozsa, Z. Naturforsch. 35a, S. 649 (1980) 4) D. C. Gerstenberger, R-. Sdlanki,
G. J. Collins IEEE J. Quantum Elektron 16, S. 820 (1980) .t1 In der aufgeführten
Literatur 1) - 4) werden vorwiegend Hohlkathodenlaser beschrieben teilweise wird
jedoch auch auf spektroskopische Anwendungen hingewiesen.
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Die Kathodenzçerstäubung in Hohlkathoden führt in einigen Bereichen
zu einer Materialabtragung, an anderen Stellen wird Material durch Kondensation
des Dampfes abgelagert. Dadurch ändert sich nach längerem Betrieb die Form der Hohikathode.
In einem Hohlkathodenlaser kann dies z. B. da-zu führen, daß der Weg der zwischen
den Spiegeln des Lasers hin- und heraufenden Lichtwelle durch Materialablagerungen
unterbrochen wird und der Laser aufhört zu arbeiten. Versuche mit einer zylindrischen
Hohlkathode für einen Kupferionenlaser haben ergeben, daß diese nach weniger als
200 Betriebsstunden zuwächst und damit unbrauchbar wird. Mit diesem Aspekt der Lebensdauer
von Hohlkathoden haben sich folgende Veröffentlichungen befaßt: 5) A. D. White,
J. Appl. Phys. 30, 711 (1959) 6) K. G. Hernqvist, IEEE J. Quantum Electron. QE-14,
129 (1978)
White beschreibt sphärische Hohikathoden, die sich durch
den Effekt der Kathodenzerstäubung aus zylindrischen Hohlkathoden entwickelt haben
und über 7000 Stunden geometriestabil sind. Für Laserzwecke und für viele spektroskopische
Anwendungen (Absorptionsspektroskopie, Hakenmethode, dopplerfreie Laserspektroskopie)
sind diese Hohikathoden jedoch nicht geeignet, da sie nur eine Öffnung besitzen
und von Licht daher nicht durchstrahit werden können.
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Hernqvist umgeht den Effekt der Geometrieänderung durch Kathodenzerstäubung,
indem er die Kathodenzerstäubung ganz unterdrückt.
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Dazu wird die Kathode so aufgeheizt, daß sich ein Flüssigkeitsfilm
des aktiven Metalls bildet, der die Kathodenoberfläche vor einer Kathodenzerstäubung
schützt. Diese Anordnung besitzt den Nachteil einer komplexen Konstruktion verbunden
mit einer diffizilen Temperaturregelung.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Hohikathode einfacher
Bauform und hoher Lebensdauer zur Verfügung zu stel-len, die mit Licht durchstrahlt
werden kann und damit für Laserzwecke und spektroskopische Anwendungen geeignet
ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Hohikathoden gelöst, deren
Form sich durch Dauerversuche aus schlitzförmigen oder zylindrischen Hohlkathoden
ergibt, nachdem sich ein Gleichgewicht zwischen Kathodenzerstäubung und Kondensation
eingestellt hat.
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Ausgehend von zylindrischen Hohlkathoden ergibt sich als stabile Form
eine sphärische Hohlkathode mit zwei gegenüberliegenden Öffnungen mit konischen
Erweiterungen.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden mehrere solcher
geometriestabiler sphärischer Hohlkathoden aneinandergereicht, wobei sie durch Isolatoren
und Anoden voneinander getrennt sind, so daß sich eine Sequenz Anode - Isolator
- geometriestabile Hohlkathode - Isolator - Anode - Isolator - geometriestabile
Hohlkathode - etc. ergibt.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind, die durch die Geometriestabilität
erreichte hohe Lebensdauer und (im Gegensatz zu den White'schen Hohlkathoden) die
Anwendbarkeit für Laser- und spektroskopische Zwecke.
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Der mit der weiteren Ausgestaltung der Erfindung, der Aneinanderreihung
der geometri-estabilen Hohikathoden, erzielte Vorteil ist die größere aktive Länge,
die für viele Anwendungen erst den Einsatz der Erfindung sinnvoll macht. Z. B. ist
die Verstärkung der meisten Laserlinien so gering, daß eine große Länge des Lasermediums
erforderlich ist. Für spektroskopische Zwecke ist eine große aktive Länge von Vorteil,
um die Nachweisbarkeit der untersuchten Effekte zu erhöhen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt.
Die spezielle Form der geometriestabilen Hohikathode muß aus Vorversuchen ermittelt
werden. Dazu sind zylindrische Hohlkathoden mit verschiedenen Längen und Durchmessern
in den Betriebsbedingungen, die für die späteren Anwendungen vorgesehen sind, im
Dauerversuch zu betreiben. Durch Kathodenzerstäubung und Kondensation des Dampfes
wird die ursprünglich zylindrische Kathodenbohrung verformt bis sich eine stabile
Gleichgewichtsform ergibt: eine sphärische Hohl kathode mit zwei konisch auslaufenden
Offnungen. Ist die Länge der ursprünglichen Kathodenbohrung zu groß, so wächst die
Bohrung zu. Bei zu kleiner Länge tritt keine Hohlkathodenentladung mehr auf.
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Es sei ein erprobtes Beispiel angegeben: Material: Kupfer Gas für
Entladung: Neon Ausgangsgeometrie: zylindrische Hohikathode mit 4 mm Innendurchmesser
und 15 mm Länge Betriebsbedingungen: 8 mbar Neondruck, 0,2 A Entladungsstrom, 250
- 300 V Brennspannung Erreichen der stabilen Geometrie: nach ca. 200 Stunden Durchmesser
der Sphäre der Hohlkathode: 8,5 mm Durchmesser der Aperturöffnungen: 1,3 mm Lebensdauer
der stabilen Geometrie: größer 600 Stunden Aus den Ergebnissen dieses Vorversuchs
sind die Maße der Fig. 1 ermittelt worden, für andere Materialien und Betriebsbedingungen
sind andere Maße zu verwenden. Die grobe Form der geometriestabilen Hohlkathode
ist in allen Fällen dieselbe. Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine einzelne
geometriestabile Hohlkathode. Aus fertigungstechnischen Gründen kann sie aus zwei
Teilen 1 + 2 bestehen, es ist jedoch auch möglich, eine solche Kathode wie in dem
oben beschriebenen Dauerversuch durch eine Gasentladung aus einer zylindrischen
Hohlkathode herzustellen.
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Fig. 2 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Aufreihung
geometriestabiler Hohlkathoden. Anoden 4 und geometriestabile Hohlkathoden 3 sind
durch Einschmelzungen 5 in einem gläsernen Vakuumgefäß 6 voneinander elektrisch
isoliert und auf eine optische Achse zentriert. Durch zwei Fenster 7 an den Enden
des Gefäßes kann das Licht der Entladung selbst bzw. Licht für spektroskopischem
Zwecke aus- bzw. eintreten.
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Zum Betrieb ist das Vakuumgefäß mit einem geeigneten Gas (z. B.
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Ne, 8 mbar) zu füllen und zwischen den Anoden 4 und den geometriestabilen
Hohlkathoden 3 Spannungen und Ströme wie beim s ersten Beispiel angegeben einzustellen.
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