DE3245916A1 - Stable-geometry hollow cathode - Google Patents

Abstract

A stable-geometry hollow cathode, through which light can be passed, consists of a metallic hollow sphere having two opposite openings with conical expansions. In this shape, a balance is produced between metal erosion and condensation. Arranging stable-geometry hollow cathodes in a row results in large active lengths which are suitable for metal-vapour lasers.

Description

Titel: Geometriestabile HohlkathodeTitle: Geometrically stable hollow cathode

Beschreibung der Erfindung Die Erfindung betrifft geometriestabile Hohikathoden für Anwendungen in Lasern oder spektroskopischen Lichtquellen und Absorptionszel len.Description of the Invention The invention relates to geometry-stable Hollow cathodes for applications in lasers or spectroscopic light sources and absorption cells len.

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.Hollow cathodes are part of gas discharge arrangements, in to which a special form of discharge occurs, the so-called hollow cathode discharge. Particularly in the case of hollow cathode discharges that occur in the high current range (current density:> 0.1 A / cm2) are operated, the effect of cathode sputtering occurs, which in addition leads that the cathode material as a vapor admixture to the gas in which the discharge has been initiated, appears.

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.This effect gives a convenient method of vaporizing materials to generate with a high boiling temperature and to stimulate light emission. on the other hand this effect can also bring about changes in the cathode geometry. These changes can be so large that the hollow cathode is unusable.

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.Hollow cathode discharges are used in a wide variety of lasers exploited. Cathodic sputtering is sometimes undesirable, but sometimes it is also exploited, e.g. B. in metal vapor lasers. The prior art is as follows Review articles reproduced: 1) W.B. Bridges, in "Methods of Experimental Physics ", Vol. 15A, p. 120, Academic Press, New York (1979) 2) W. K. Schuben in Proc. Int. Conf. Lasers '79, p. 431, STS Press, McLean, Va, USA (1980) 3) K. Rozsa, Z. Naturforsch. 35a, p. 649 (1980) 4) D. C. Gerstenberger, R-. Sdlanki, G. J. Collins IEEE J. Quantum Elektron 16, p. 820 (1980) .t1 In the listed Literature 1) - 4) are mainly described as hollow cathode lasers however, reference is also made to spectroscopic applications.

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.Cathode sputtering in hollow cathodes leads in some areas to an erosion of material, in other places material becomes through condensation of the steam deposited. This changes the shape of the hollow cathode after prolonged operation. In a hollow cathode laser, this can, for. B. to lead that the way of between the mirrors of the laser back and forth through material deposits interrupts and the laser stops working. Try a cylindrical Hollow cathode for a copper ion laser have shown that this after less than 200 operating hours grows and thus becomes unusable. With this aspect of the lifespan The following publications have dealt with hollow cathodes: 5) A. D. White, J. Appl. Phys. 30, 711 (1959) 6) K. G. Hernqvist, IEEE J. Quantum Electron. QE-14, 129 (1978) White describes spherical hollow cathodes that extend through developed the effect of cathode sputtering from cylindrical hollow cathodes and are geometrically stable for over 7000 hours. For laser purposes and for many spectroscopic Applications (absorption spectroscopy, hook method, Doppler-free laser spectroscopy) However, these hollow cathodes are not suitable because they only have one opening and therefore cannot be penetrated by light.

Hernqvist umgeht den Effekt der Geometrieänderung durch Kathodenzerstäubung, indem er die Kathodenzerstäubung ganz unterdrückt.Hernqvist bypasses the effect of the change in geometry through cathode sputtering, by suppressing sputtering entirely.

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.For this purpose, the cathode is heated up in such a way that a film of liquid forms of the active metal that forms the cathode surface prior to cathode sputtering protects. This arrangement has the disadvantage of a complex construction with a difficult temperature control.

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.The object of the present invention is to make a hollow cathode simpler A design and a long service life that shines through with light and thus suitable for laser purposes and spectroscopic applications is.

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.This object is achieved according to the invention by hollow cathodes whose Forms itself through long-term tests from slit-shaped or cylindrical hollow cathodes results after there is a balance between sputtering and condensation has set.

Ausgehend von zylindrischen Hohlkathoden ergibt sich als stabile Form eine sphärische Hohlkathode mit zwei gegenüberliegenden Öffnungen mit konischen Erweiterungen.Starting from cylindrical hollow cathodes, the result is a stable shape a spherical hollow cathode with two opposing openings with conical ones Extensions.

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. According to a further embodiment of the invention, several such Geometrically stable spherical hollow cathodes passed together, whereby they are protected by insulators and anodes are separated from each other so that there is a sequence anode - insulator - geometrically stable hollow cathode - insulator - anode - insulator - geometrically stable Hollow cathode - etc. results.

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.The advantages achieved with the invention are those due to the geometric stability achieved a long service life and (in contrast to White's hollow cathodes) the Applicability for laser and spectroscopic purposes.

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.The one with the further embodiment of the invention, the stringing together of the geometrically stable hollow cathodes, the advantage achieved is the greater active length, which makes the use of the invention useful for many applications. E.g. is the gain of most laser lines is so small that a great length of the laser medium is required. A long active length is advantageous for spectroscopic purposes, to increase the verifiability of the examined effects.

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.An embodiment of the invention is shown in the drawings. The special shape of the geometrically stable hollow cathode must be determined from preliminary tests will. For this purpose, there are cylindrical hollow cathodes with different lengths and diameters in the operating conditions intended for later applications in To operate a long-term test. Through cathode sputtering and condensation of the vapor the originally cylindrical cathode bore is deformed until it becomes stable Equilibrium shape results in: a spherical hollow cathode with two conically tapering ones Openings. If the length of the original cathode bore is too great, it grows Bore too. If the length is too short, no more hollow cathode discharge occurs.

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.Let us give a tried and tested example: Material: copper gas for Discharge: neon Initial geometry: cylindrical hollow cathode with an internal diameter of 4 mm and 15 mm length Operating conditions: 8 mbar neon pressure, 0.2 A discharge current, 250 - 300 V burning voltage Achieving the stable geometry: after approx. 200 hours in diameter the sphere of the hollow cathode: 8.5 mm diameter of the aperture openings: 1.3 mm service life the stable geometry: greater than 600 hours from the results of this preliminary test the dimensions of FIG. 1 have been determined for other materials and operating conditions other dimensions are to be used. The rough shape of the geometrically stable hollow cathode is the same in all cases. Fig. 1 shows a cross section through a single Geometrically stable hollow cathode. For manufacturing reasons, it can consist of two Parts 1 + 2 exist, but it is also possible to use such a cathode as in the The long-term test described above by means of a gas discharge from a cylindrical Manufacture hollow cathode.

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.As a further exemplary embodiment of the invention, FIG. 2 shows a series Geometrically stable hollow cathodes. Anodes 4 and hollow cathodes 3 with stable geometry are by fusing 5 in a glass vacuum vessel 6 from each other electrically isolated and centered on an optical axis. Through two windows 7 at the ends of the vessel can be the light of the discharge itself or light for spectroscopic Purposes emerge or emerge.

Zum Betrieb ist das Vakuumgefäß mit einem geeigneten Gas (z. B.The vacuum vessel must be operated with a suitable gas (e.g.

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.Ne, 8 mbar) and between the anodes 4 and the geometrically stable Hollow cathodes 3 Set voltages and currents as indicated in the first example.

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Claims (6)

Patentansprüche: Mit j Mit Licht durchstrahlbare Hohikathode mit stabiler Geometrie dadurch gekennzeichnet, daß die Form ein Gleichgewicht zwischen Kathodenzerstäubung und Kondensation des Kathodenmaterialdampfes ergibt. Claims: With j Hollow cathode which can be irradiated with light stable geometry characterized in that the shape is a balance between Cathode sputtering and condensation of the cathode material vapor results. 2. Mit Licht durchstrahlbare Hohikathode mit stabiler Geometrie dadurch gekennzeichnet, daß die Form durch Dauerversuche bestimmt ist. 2. Hollow cathode which can be irradiated with light and has a stable geometry as a result characterized in that the shape is determined by endurance tests. 3. Hohlkathode nach Anspruch 1 oder 2 gekennzeichnet durch eine sphärische Form mit 2 Öffnungen und konischen Erweiterungen. 3. Hollow cathode according to claim 1 or 2, characterized by a spherical one Shape with 2 openings and conical extensions. 4. Hohl kathode nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß als Kathodenmaterial Kupfer verwendet und die Kathode in einer Neonentladung mit 8 mbar Neondruck, 0.2 A Entladungsstrom und 250 - 300 V Brennspannung betrieben wird. 4. Hollow cathode according to claim 3, characterized in that the cathode material Copper used and the cathode in a neon discharge with 8 mbar neon pressure, 0.2 A discharge current and 250 - 300 V burning voltage is operated. 5. Aufreihung geometriestabiler Hohlkathoden nach den Ansprüchen 1 -4, dadurch gekennzeichnet, daß sich durch die Aufreihung eine größere Entladungsgesamtlänge ergibt, die mit einem Lichtstrahl in Wechselwirkung treten kann. 5. Alignment of geometrically stable hollow cathodes according to the claims 1 -4, characterized in that a greater total length of discharge results from the lacing results that can interact with a beam of light. 6. Metalidampflaser dadurch gekennzeichnet, daß geometriestabile Hohl kathoden nach den Ansprüchen 1 - 5 verwendet werden. 6. Metal vapor laser, characterized in that geometrically stable Hollow cathodes according to claims 1-5 can be used.