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Anregungskreis für Lasersystem, insbesondere für
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TE-Hochenergielaser, mit Einstellung der Vorionisierung Die Erfindung
bezieht sich auf einen Anregungskreis für Lasersysteme, insbesondere für TE-Hochenergielaser,
gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein solcher Anregungskreis ist z.B. in der älteren Anmeldung P 31
28 206.7 vom 16.07.1981 vorgeschlagen worden und - allerdings ohne Darstellung von
Vorionisierungs-Einrichtungen - durch die DE-OS 29 32 781 bekannt. Geeignete Vorionisierungs-Einrichtungen
sind z.B. durch die DE-OS 30 35 702 mit Gleitentladungsstrecken und durch die DE-OS
30 35 730 mit Vorionisierungs-Stäben bekannt. Für den Betrieb von TE-Laser-oder
TE-Hochenergielaser-Systemen sind effektiv arbeitende Vorionisierungs-Einrichtungen
nach den vorgenannten deutschen Offenlegungsschriften von besonderer Bedeutung.
Der Einsatzzeitpunkt der Vorionisierung ist nämlich auf jedes Lasersystem, z.B.
KrF, XeCl, XeF oder Co2, abzustimmen, und aus Kostengründen sollte die Vorionisierung
mit möglichst geringem Aufwand bei geringem Energiebedarf betrieben werden können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Anregungskreis für
Lasersysteme mit der ihm zugeordneten Vorionisierungs-Einrichtung so auszubilden,
daß er den vorerwähnten gestellten Anforderungen auf besonders effektive Weise Rechnung
trägt, d.h., bei dem der Aufwand an Schaltungsmaßnahmen klein gehalten werden kann.
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Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe bei einem Anregungskreis
für Lasersysteme gemäß Gattungsbegriff durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1
angegebenen Merkmale in der Hauptsache gelöst. Die Erfindung ist sowohl für Gleitfunkenstrecken
als Vorionisierungs-Einrichtungen geeignet, als auch für Vorionisierungs-Einrichtungen,
die mit Zündelektroden arbeiten, welche mit einem geringen Uberschlagabstand, insbesondere
achsparallel zu den langgestreckten Laser-Elektroden, angeordnet, und zwar dabei
insbesondere als sogenannte Vorionisierungs-Stäbe Je einer der einander gegenUberliegenden
Laser-Elektroden zugeordnet sind.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstandes des Anspruchs 1 sind
in den Unteransprüchen 2 bis 12 angegeben. Dabei befassen sich die Gegenstände der
Ansprüche 2, 3, 11 und 12 speziell mit Hilfsschaltungen und ihren Anschlüssen bei
Gleitfunkenstrecken, während die Gegenstände der Ansprüche 4, 7, 8, 9 und 10 Vorionisierungs-Stäbe
und ihre Hilfsschaltungen betreffen. Die Gegenstände der Ansprüche 5 und 6 beziehen
sich auf beide Arten der Vorionisierung.
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Im folgenden wird anhand der Zeichnung, in der mehrere Ausführungsbeispiele
der Erfindung dargestellt sind, diese noch näher erläutert. Darin zeigt in vereinfachsten
Schaltbildern: Fig. 1 die Hilfsschaltung einer Vorionisierungs-Einrichtung mit einer
schematisch angedeuteten Gleitfunkenstrecke und einem BlUmlein-Schaltkreis; Fig.
2 ein Schaltbild fUr den Laser-Anregungskreis mit bei A, A* und A' sowie bei B anschlie8-barer
Hilfsschaltung nach Fig. 1 und mit Pulsausladung für das pulsformende Netzwerk,
wel-
chem eine Blümlein-Schaltung zugrunde liegt; Fig. 3 eine vereinfachte
Hilfsschaltung nach Fig. 1 ohne den dort dargestellten Kondensator C1; Fig. 4 das
pulsformende Netzwerk für den Laser mit Pulsaufladung in einer Ausführung als Charge-Transfer-Schaltkreis,
ebenfalls mit den Schaltungspunkten A, A* und A' sowie B; Fig. 5 ein Anregungskreis
mit Blümlein-Schaltkreis des pulsformenden Netzwerkes und Pulsaufladung sowie einer
anderen Ausführung der orionisierungs-Einrichtung mit Vorionisierungsstäben; Fig.
6 eine zu Fig. 5 gleichartige Vorionisierungs-Einrichtung, jedoch mit einem pulsformenden
Netzwerk als Charge-Transfer-Schaltkreis; Fig. 7 eine erste Ausführung für die grundsätzliche
Vorionisierungs-Einrichtung nach Fig. 5 und Fig. 6, wobei die in den Figuren 5 und
6 gestrichelt einger ten Schaltungsteile näher ausgestaltet sind und der Anschluß
der Hilfsschaltung an den Schaltungspunkten A' und 3 erfolgt; Fig. 8 eine zweite
Ausführung für die Vorionisierungs-Einrichtung mit Vorionisierungsstäben nach Fig,
5 und Fig. 6, in entsprechender Darstellung zu Fig. 7, wobei der hochspannungsseitige
Anschluß der Hilfsschaltung an die Schaltungspunkte A oder A* über eine Vorimpedanz
erfolgt; Fig.81 eine dritte Ausführung für die Vorionisierungs-Einrichtung mit Vorionisierungsstäben,
die im Vergleich zu Fig. 7 und Fig 8 stark vereinfacht ist, wobei der Anschluß ebenfalls
on den Schaltungspunkten A oder A* und B erfolgt; Fig. 9 eine vierte Ausführung
für die Vorionisierungs-Einrichtung mit Vorionisierungsstäben, bei der die den beiden
Laser-Elektroden zugeordneten
Hilfsschaltungen als Blümlein-Schaltkreis
ausgeführt und hochspannungsse£tig -an - den Schaltungspunkten Aoder A* über eine
Vorimpedanz ebenso wie im Beispiel nach Fig. 8 angeschlossen sind; Fig. 10 eine
fünfte Ausführung für die Vorionis'ierungs' Einrichtung mit Vorionisierungsstäben,
der der der Anschluß der Hilfsschaltung an die Schaltungspunkte A' und B des Netzwerkes
nach Fig.5 oder Fig. 6 erfolgt; Fig.11 eine im Vergleich zu Fig. 10 weiter ausgestaltete
Hilfsschaltung mit Blümlein-Schaltkreisen, bei der ebenso wie im Beispiel nach Fig.
10 der Anschluß an den Schaltungspunkten A' und B des Netzwerkes nach Fig. oder
Fig. 6. erfolgt; Fig.12 eine an die Hochspannung des Hauptkreises angeschlossene
und dessen Hochspannungsschalter mitbenutzende Hilfsschaltung für eine Gleitfunkenstrecke,
wobei der Haupt-.- bzw. Anregungskreis in Blümlein-Schaltung ausgeführt ist; Fig.13
den Gegenstand nach Fig. 12, wobei die Hilfsschaltung für die Gleitfunkenstrecke.
durch Parallelschaltung einer Zusatzkapazkapazität zu einer zweiten Blümlein-Schaltung
ergänzt ist; Fig. 14 den Gegenstand nach Fig.. 2,- wobei jedoch der Hauptkreis bzw.
der Anregungskreis ein pulsformendes Netzwerk aufweist, welches eine Charge-Transfer-Schaltung
bildet; Fig.15 den Gegenstand nach Fig. 14, bei .dem die Hilfsschaltung für die
Vorionisierungs-Einrichtung durch Parallelschalten einer Zusatzkapazität@@ zu einer
Blümlein-Schaltung ergänzt ist; und Fig.16 ein Diagramm, in welchem über-.der-Zeitachse
t die verschiedenen Zündeinsatzbereiche der Vorionisierungs-Einrichtungen aufgetragen
sind.
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Für den Betrieb von TE-Lasern ist eine effektive Vorionisierungsvorrichtung,
wie sie z.B. in P 30 35 702.9 und P 30 35 730.3 beschrieben wurde, von besonderer
Bedeutung. Der Einsatzzeitpunkt der Vorionisierung ist auf jedes Lasersystem, a.B.
KrF, XeCl, XeF oder CO2, abzustimmen, und aus Kostengründen sollte die Vorionisierung
mit möglichst geringen Aufwand bei gerimgem Energiebedarf betrieben werden können.
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Fig. 1 zeigt die prinzipielle elektrische Verschaltung einer Vorionisierungs-Einrichtung
VE, wie sie in P 30 35 702.9 beschricben ist. C1, C2 sind Kondensatoren eines Blümlein-Schaltkreises,
G ist die Gleitfunkenstrecke mit den beiden Polen g und S ein Schaltelement, z.B.
eine Funkenstrecke. Die Schaltung ist über die Induktivität LV oder einen Widerstand
RV (gestrichelt als Alternative dargestellt) an die Hochspannungsversorgung HV angeschlossen.
Um Kosten zu sparen, soll die Spannungsversorgung des Laserkopfes mitbenutzt werden.
Ro ist eine hochohmige Impedanz, insbesondere ein Widerstand, der parallel zur Gleitfunkenstrecke
G geschaltet ist. Hochohmig bedeutet hochohmig im Vergleich zum Widerstand der gezündeten
Gleitfunkenstrecke G.
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In Fig. 2 ist das Schaltbild eines TE-Lasers dargestellt, in dem als
pulsformendes Netzwerk die Blümlein-Schaltung verwandt wird und eine Pulsaufladung
der Kondensatoren durch die Hochspannung HV erfolgt, wie sie bei Verwendung von
Wasser als Dielektrikum erforderlich wird. Die Laserelektroden der Laserkammer LK
sind mit EL bezeichnet, die parallel zur Laser-Entladungsstrecke geschaltete hochohmige
Impedanz, insbesondere ein Widerstand,mit RK, die Bandleiter-Kondensatoren mit CF,
CK; der Hochspannungsschalter mit SL, die Erdpotentialschienen des pulsformenden
Netz-
werkes PFN 1 mit B sowie die am Eingang des pulsformenden
Netzwerkes PFN1 an dieses angeschlossenen Schaltkreiselemente der Pulsladekapazität,
des Pulsschalters und der Längsinduktivität mit Cp, Q und Lp.
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Zweckmäßigerweise läßt sich die Hochspannungsversorgung für die Vorionisierung
an den Punkten A oder A* oder A' abgreifen, wobei A am hochspannungsseitigen Eingang
von PFN1 zwischen Sp und LP liegt, A* am hochliegenden Verzweigungspunkt zum Hochspannungsschalter
SL und zum einen Bandleiterkondensator CF sowie A' unmittelbar an der Zuleitung
der hochliegenden Laser-Elektrode t.
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Wird der Punkt A als Anzapfpunkt für die Vorionisierung gewählt, so
erfolgt die Aufladung der Kondensatoren C1, C2 in Fig. 1, während die Kondensatoren
CF und CK (Fig. 2) aufgeladen werden. Der Aufladevorgang erfolgt dabei nach den
allgemein bekannten Gesetzmässigkeiten, so daß zu Jedem Zeitpunkt t0+t nach Schliessen
des Schalters SP (Zeitpunkt t t0) ein Spannungswert U den Kondensatoren C1, C2 zuzuordnen
ist.
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Zum Zeitpunkt tO+# ist die maximale Ladespannung der Kondensatoren
CF und CK erreicht, und durch Schließen des Schalters SL (Fig. 2) ) wird eine Spannung
über den Elektroden EL der Laserkammer LK aufgebaut. Wird die Zündspannung des Schalters
S erreicht, so bricht die Gleitfunkenstrecke G durch. Durch Variation der Zündspannung
des Schalters S läßt sich somit der Vorionisierungszeitpunkt, der vor dem Schließen
des Schalters SL liegt, variieren. Dies gilt sinngemäß auch für den Anschluß von
HS 1 an A*, wobei gegenüber dem Anschluß an A eine kleine Verzögerung der ZUndung
von S ein tritt.
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Durch den Anschluß der Vorionisierungseinrichtung am Punkt A' (Fig.
2) erfolgt die Aufladung der Kondensatoren C1, C2 (Fig. 1) während die Spannung
an die Laserelektroden angelegt wird. Die Gleitfunkenstrecke G (Fig. 1) bricht bei
dieser Variante nach Zünden des Schalters SL durch, wobei der/Zeitpunkt durch Einstellen
der Zündspannung des Schalters S vorgegeben werden kann. - Bei der Schaltungsvariante
einer Hilfsschaltung HS 2 nach Fig. 3 ist im Vergleich zu Fig. 1 die Kapazität C1
weggelassen; dabei entspricht C der Kapazität C2 und R1 der Impedanz Ro. Die Steuerung
des Einsatzzeitpunktes der Vorionisierung erfolgt bei dieser Hilfsschaltung HS 2
entsprechend zur Hilfsschaltung HS 1 nach Fig. 1.
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Wird als pulsformendes Netzwerk für den Laserkreis eine Charge-Transfer-Schaltung
PFN 2, wie sie in Fig.4 dargestellt ist, verwandt, so lassen sich die beschriebenen
Maßnahmen zur vorionisierungssteuerung sinngemaß anwenden. Gleiche Teile zu Fig.
2 tragen die gleichen Bezugszeichen.
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Auch für die Vorionisierungsanordnung, die in P 30 35 730.3 beschrieben
wurde, werden im folgenden Möglichkeiten angegeben, den Einsatzzeitpunkt frei zu
wählen und die Vorionisierung bei geringem Energieverbrauch zu verstärken. Fig.
5 zeigt das pulsformende Netzwerk PFN 1 nach Fig. 2 und im übrigen den Schaltkreis
für die Vorionisierung entsprechend P 30 35 730.
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3, wobei als PFN für den Laserkreis eine Blümlein-Schaltung eingesetzt
und der Einfachheit halber nur je eine Hilfselektrode h der Vorionisierungs-Einrichtung
VE, H gezeichnet ist, die einer Laserelektrode EL zugeordnet ist.
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Fig. 6 zeigt dieselbe grundsätzliche Anordnung der Vorionisierungs-Einrichtung
VE, H mit einem Charge-Transferkreis als pulsfonnendes Netzwerk PFN 2 des Lasers,
wobei gleiche Teile wieder gleiche Bezugszeichen tragen, vgl. auch Fig. 4.
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Um die Maßnahmen zur Verbesserung der Voriontsierung zu erläutern,
werden die Teile der Schaltungen in Fig. 5 und Fig. 6 betrachtet, die in dem gestrichelten
Kasten gezeichnet sind. Die im folgenden beschriebenen Maßnahmen sind sowohl für
den BlfUlein- als auch für den Charge-Transfer-Kreis als pul sformendes Netzwerk
PFN 1 bzw. PFN 2 für die Laseranregung anwendbar.
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Fig. 7 zeigt anhand einer Hilfsschaltung HS 3, die aus zwei, für Jede
Elektrode EL gleichartigen Hilfsschaltungshälften besteht eine Möglichkeit, die
es erlaubt, den Zündzeitpunkt der Vorionisierung herauszuschieben.
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In die Zuleitungen der Innenleiter der ZUndelektroden bzw. Vorionisierungsstäbe
h werden Jeweils kleine Funkenstrecken F, z.B. Überspannungsableiter, eingefügt,
die durch kleine Kapazitäten C' Uberbruckt sein kbnnen. Vor Durchbrechen der Funkenstrecke
F bleibt das Potential des Innenleiters aufgrund der kapazitiven Kopplungen der
Innenleiter der Ztlndelektrode mit der benachbarten Elektrode EL (siehe Überschlagabstand
ü) nahezu auf dem Potential der benachbarten Elektrode, so daß sich eine Potentialdifferenz
an beiden Elektroden der Funkenstrecke F ausbildet. Erst bei Durchbrechen der Funkenstrecke
liegt die volle Potentialdifferenz zwischen Innenleiter der Zündelektrode h und
der benachbarten Elektrode EL an. Durch Variation der Durchbruchspannung der Funkenstrecke
F läßt sich der Zeitpunkt der Vorionisierung verschieben.
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Diese Hilfsschaltung HS 3 wird direkt an den Schaltungspunkt A' angeschlossen,
vgl. Fig. 5 und Fig. 6.
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Fig. 8 beschreibt eine Hilfsschaltung HS 4, die es erlaubt, vor Schließen
des Schalter SL des pulsformenden Netzwerkes PFN 1 bzw. PFN 2 vorzuionisieren.
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Über eine Impedanz RV1, die als Kondensator, Induktivität oder oscher
iderstand ausgebildet ist ird vom Punkt A* der Pulsaufladevorrichtung der Kondensator
C'o geladen. Sobald die Zündspannung der Funkenstrecke F überschritten ist, liegt
zwischen dem Innenleiter der Zündelektrode h und der benachbarten Elektrode EL eine
hohe Potentialdifferenz, die die Vorionisierung bewirkt. Hierbei liegt parallel
zur Entladungsstrecke h - EL die hochohmige Impedanz R2, und zu diekser Parallelschaltung
ist die Reihenschaltung aus C'@ und F parallelgeschaltet, wobei die Zuleitung der
Pulsspannung über RV1 an der Verbindungsstelle zwischen C'o und F erfolgt. Statt
A* kann auch A als Anschlußpunkt gewählt werden falls der Zündimpuis für VE noch
eher kommen soll. Die beiden Hälften der Hilfsschaltung HS 4 entsprechenden im übrigen
der Schaltung ES 2. Eine Variation der Schaltung nach Fig. 8 besteht darin, den
Innenleiter der Zündelektrode h direkt mit den Punkten A* oder A zu verbinden (Fig.
8a).
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Fig. 9 zeigt eine Variante der Hilfsschaltung HS 4 nach Fig. 8. Diese
Hilfsschaltung HS 6 erlaubt eine höhere Potentialdifferenz zwischen Innenleiter
der Zündelektrode h und benachbarter Elktrode E1 zu erzielen, wobei auch bei der
Anordnung in Fig. 9 die Vorionisie vor Schließen des Schalters SL erfolgt. Die Rilfsschaltungshälften
sind als Blümlein-Schaltkreise ausgeführt; die den Schaltungselementen RO, C1, C2
und S nach Fig. 1 entsprechenden Schaltungselemente Sind mit R3, C'2, C'1 und F
bezeichnet.
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Die in Fig. 10 dargestellte Hilfsschaltung HS 7 erlaubt die Vorionisierung
auf einen Zeitpunkt nach Schließen des Schalters SL einzustellen. Nach Schließen
des Schalters SL wird über eine Impedanz RV3 (Kapazität, Induktivität oder ohmscher
Widerstand) die Kapazität C31 geladen bis die Funkenstrecke F durchbricht. Daraufhin
liegt eine entsprechende Potentialdifferenz zwischen dem Innenleiter der Zündelektrode
h und der benachbarten Elektrode EL . Ein Vergleich mit Fig. 8 zeigt, daß bei der
Hilfsschaltung HS 7 die Schaltungselemente R4> F, C3> und W 3 den Schaltungselementen
R2, F, C'O und RV1 nach Fig. 8 (HS 4) entsprechen, wobei jedoch die die Vorschalt-Impedanz
RV3 enthaltenden Leitungen nicht an A oder A** sondern an A'bzw B gelegt sind.
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Eine im Vergleich zu HS 7 höhere Spannung zu erzielen erlaubt die
in Fig. 11 dargestellte Hilfsschaltung HS 8.
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In Fig. 11 liegt den Hilfsschaltungshälften der Vorionisierungs-Einrichtung
VE, H wieder eine Blümlein-Schaltung zugrunde, wie sich durch einen Vergleich mit
Fig. 9 ergibt. Dadurch läßt sich die Spannung, die zwischen der Zündelektrode H
und der zugehörigen Laser-Elektrode EL Jeweils aufbaut, praktisch verdoppeln.. Die
den Schaltungselementen R3, C1', C2, F und W 2 nach Fig. 9 entsprechenden Schaltungselemente
sind in Fig.
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11 mit R5, C, Cn, F und N 4 bezeichnet. Die Zweige mit RV4 sind statt
Anschlusses an A oder A* sinngemäß zu Fig. 10 an A' oder B angeschlossen.
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Bei den Ausführungsbeispielen mit Gleitfunkenstrecke G nach den Figuren
12 bis 15 sind Jeweils die L, C-Werte L20, C20 des Hilfskreises, welcher zur Ankopplung
der Gleitfunkenstrecke G an den Hauptkreis dient, klein
bzw. sehr
klein gegenüber den L, C-Werten im Hauptentladungskreis des Lasers, d.h. gegenüber
den C-Werten der Bandleiterkondensatoren CK und CF und gegenüber den L-Werten der
Impedanz RK und gegenüber sonstigen im Hauptentladungskreis enthaltenen Induktivitäten,
die sich insbesondere aus der Eigeninduktivität des Laserkopfes, der Zuleitungen
und der Bandleiterkondensatoren ergeben und die durch die Ersatzinduktivität L10
symbolisiert sind. Aufgrund der kleineren LC-Werte der Hilfsschaltung HS 9 arbeitet
die Vorionisierungs-Einrichtung nach Fig. 12 schneller als die Hauptentladung. Dies
trifft auch zu für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 13, bei der die Hilfsschaltung
HS 10 eine Blümlein-Schaltung ist. RV10 ist eine parallel zur Gleitfunkenstrecke
G, g geschaltete Impedanz bzw. ein Widerstand, der hochohmig im Vergleich zum Widerstandswert
der gezündeten Gleitfunkenstrecke F, g ist. Die Hilfsschaltung HS 9 nach Fig. 12
ist ein in Reihe zur Gleitfunkenstrecke geschalteter Serienresonanzkreis, der an
den Schaltungspunkt A* angeschlossen ist. In Fig. 13 ist die Hilfsschaltung HS 9
zur Hilfsschaltung HS 10, einer Blümlein-Schaltung, durch die Parallelkapazität
C10 ergänzt, wobei die Anschlußstelle der Hilfsschaltung bezüglich A* das innere
Ende der Induktivität L20 ist und ihr äußeres Ende an die Verzweigung L10 - Sl angeschlossen
ist.
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Weitere Variationen zeigen Fig. 14, bei der dem Hauptentladungskreis
eine Charge-Transfer-Schaltung zugrunde liegt. Die Hilfsschaltung nach Fig, 14,
die derjenigen nach Fig. 12 entspricht, ist gemäß Fig. 15 zu einer Blümlein-Schaltung
entsprechend der Fig. 13 ergänzt.
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Man erkennt aus Fig. 12 bis 15, daß das Schaltelement SL der pulsformenden
Netzwerke PFN 1 (Blümlein-Schaltung) bzw. PFN 2 (Charge-Transfer-Kreis) als Schalt-
element
der Vorionisierungs-Hilfsschaltungen HS 9 bis HS 12 mitbenutzt ist. Die zum zeitgerechten
Zünden der Gleitfunkenstrecken G erforderlichen Bemessungen der Schaltungselemente
L20> C20, C10 der Hilfsschaltungen HS 9 bis HS 12 sind in Relation zu den Schaltungselementen
L10, CF, CK des Hauptkreises durch Ungleichungen angegeben. Diese Hilfaschaltungen
sind insbesondere für CO2-Laser geeignet, bei denen ein nicht so schnelles Ansprechen
der Vorionisierungs-Einrichtungen wie z.B. bei Excimer-Lasern erforderlich ist.
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Fig. 16 zeigt noch ein Diagramm zur Illustration des möglichen Einsatzzeitpunktes
der Zündung der Vorionisierungs-Einrichtungen VE in Abhängigkeit vom Anschluß ihrer
Hilfsschaltungen an die Schaltungspunkte A, A* oder A'. Alles Nähere geht aus den
Erklärungen des Diagramms hervor. Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die
Vorionisierungsstäbe h aufweisenden Vorionisierungs-Einrichtungen VE, H, HS 3 bis
lis 8 nach dem Prinzip der Koronaentladung arbeiten und hierzu aus einem stabförmigen,
elektrisch leitenden Elektrodenkern und einem isolierenden dielektrischen Mantel
bestehen.
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12 Patentansprüche 16 Figuren