DE3689201T2

DE3689201T2 - Laser-Vorrichtung und Verfahren.

Info

Publication number: DE3689201T2
Application number: DE19863689201
Authority: DE
Inventors: John A Macken
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-03-25
Filing date: 1986-03-25
Publication date: 1994-04-21
Anticipated expiration: 2006-03-26
Also published as: DE3689201D1; EP0196218B1; EP0196218A2; EP0196218A3; CA1259396A

Description

Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Erzeugung einer Gasentladung mit spezieller Anwendung bei einem neuen Typ einer Gasentladungskonstruktion für einen Einsatz als Laserverstärkungsabschnitt.
Mögliche Konstruktionen für Gaslaser wurden stark durch die Probleme, die damit in Verbindung stehen, daß die Gasentladung stabil gehalten wird, oder die Probleme beschränkt, die mit dem gleichmäßigen Füllen eines gegebenen Laserresonator bei einer Gasentladung verbunden sind. Beispielsweise zeigen Querflußkohlendioxidlaser oftmals das Problem der "Bogenbildung", wo die elektrische Entladung von einer Glimmentladung zu einer Lichtbogenentladung wechselt. Die elektrischen Entladungen können ebenfalls gleichmäßig die zylindrischen Röhren füllen, aber sie füllen keine anderen Formen. Außerdem erfordern die Laser, die im Impulsbetrieb bei hohen Gasdrücken arbeiten, oftmals eine spezielle Präionisation des Gases, um eine gleichmäßige elektrische Entladung zu erreichen.
Bisher wurden die Kohlendioxidlaser in fünf verschiedene Kategorien eingeteilt. Die üblichste Konstruktion ist im allgemeinen als die "Entladungsröhre mit langsamem Fluß" bekannt. Diese Methode ist auf eine maximale Ausgangsleistung von etwa 75 Watt pro Meter begrenzt. Die zweite Kategorie der Kohlendioxidlaser-Vorrichtungen ist der "Konvektionsfluß"- Laser, mit "Konvektionsströmung", der eine erhöhte Ausgangsleistung auf Kosten einer verstärkten Kompliziertheit bewirkt.
Die dritte Kategorie ist der "gasdynamische" Laser, der die Anwendung der Raketentriebwerktechnik einschließt und im allgemeinen nicht für großtechnische Anwendungen geeignet ist. Die vierte Kategorie, die als der "TEA"-Laser bekannt ist, ist nur für die Impulslaseranwendung geeignet. Die fünfte Kategorie ist der "Hohlleiter"-Laser, der gegenwärtig für Anwendungen von weniger als 100 Watt am besten geeignet zu sein scheint.
Bei der Diskussion der verschiedenen Kategorien der Laser muß beachtet werden, daß der hauptsächliche Unterschied zwischen den Kategorien das Konstruktionsverfahren betrifft, das für den Laserverstärkungsabschnitt angewendet wird. Mit anderen Worten, alle üblichen Laser enthalten verschiedene funktionelle Bauteile, wie beispielsweise die optischen Systeme, die elektrische Stromversorgung, den Laserverstärkungsabschnitt, usw. Der größte Unterschied hinsichtlich der Konstruktion ist jedoch beim Verfahren der Konstruktion des Laserverstärkungsabschnitts zu verzeichnen, und daher werden die verschiedenen Kategorien der Laser nach der Konstruktionsmethode definiert, die für den Laserverstärkungsabschnitt angewendet wird. Beispielsweise kann der Verstärkungsabschnitt als Bauteil sowohl eines Laseroszillators als auch eines Laserverstärkers eingesetzt werden. Für elektrisch erregte Gaslaser ist das Hauptbauteil im Laserverstärkungsabschnitt die elektrische Entladungsvorrichtung. Neben den Lasern sind die elektrischen Entladungen die Hauptbauteile in anderen Bereichen. Hier wird eine neue elektrische Entladungsvorrichtung vorgestellt, die die Konstruktion eines neuen Laserverstärkungsabschnitts ermöglicht.
Der bisherige Stand der Technik wird in den folgenden Veröffentlichungen und Patenten vorgefunden:
(1) U.S. Patent Nr. 4424646, an den hierin angeführten Anmelder für den "Spiralfluß-Konvektionslaser" erteilt;
(2) C.J. Buczek und Mitarbeiter, Applied Physics Letters, Band 16, Nr. 8 (1970);
(3) H.J.J. Sequin und Mitarbeiter, Applied Physics Letters, Band 37, Seite 130 (1980);
(4) H.J.J. Sequin und Mitarbeiter, Applied Physics Letters, Band 39, Seite 203 (1981);
(5) C.E. Capjack und Mitarbeiter, Journal of Applied Physics, Band 52, Seite 4517 (1981);
(6) C.E. Capjack und Mitarbeiter, Applied Physics, Band B26, Seite 161 (1981);
(7) H.J.J. Sequin und Mitarbeiter, Applied Optics, Band 24, Nr. 9 (1985);
(8) N. Umeda und Mitarbeiter, Applied Optics, Band 19, Seite 442 (1980);
(9) S. Ono und Mitarbeiter, Review of Scientific Instruments, Band 54, Seite 1451 (1983);
(10) U.S. Patent Nr. 3435373 und
(11) U.S. Patent Nr. 4077020.
Bei den Literaturhinweisen 1 und 2 wird gezeigt, daß ein Magnetfeld eine zylindrisch geformte elektrische Entladung in einem zylindrischen Resonator in einem quer fließenden Gasstrom stabilisiert.
Die Literaturhinweise 3, 4, 5, 6, 7 wurden alle von einer Gruppe von Verfassern der University of Alberta in Kanada verfaßt.
Diese Artikel befassen sich mit zwei verschiedenen Methoden zur Herstellung von "magnetisch stabilisierten Elektroden". Sie benutzen sich kreuzende elektrische und Magnetfelder bei einer elektrischen Entladung, aber die Entladung zeigt unerwünschte hohe Leistungsdichten und niedrige Abkühlgeschwindigkeiten, die sie für eine diffusionsgekühlte Laseranwendung ungeeignet macht. Im Vergleich zu diesen bisherigen Methoden kann die vorliegende Erfindung die folgenden Unterscheidungsmerkmale vorweisen:
1) Orientierung des Vektors des elektrischen Feldes senkrecht zu den Hauptgrenzflächen;
2) Orientierung des Magnetfeldes parallel zu den Hauptgrenzflächen im Entladungsvolumen; und
3) Benutzung der elektrisch leitfähigen Hauptgrenzflächen.
Der Literaturhinweis 8 befaßt sich mit einem "Zeeman-Querlaser". Diese Klasse der Laser weicht von der vorliegenden Erfindung ab, da er eine abweichende Resonatorform, ein anderes Objektiv sowie eine andere Konfiguration des elektrischen Feldes und Magnetfeldes aufweist. Bei diesem bekannten Laser wird die elektrische Entladung gegen die Wand der Entladungsröhre gepreßt, wodurch das Volumen der Entladung reduziert wird.
Der Literaturhinweis 9 beschreibt eine kleine elektromagnetische Pumpe im Seitenarm des CO&sub2;-Lasers für das zirkulierende Gas.
Im Gegensatz zu der bisherigen Verfahrensweise legt diese Erfindung eine neue Methode und Vorrichtung für das Erreichen einer gleichmäßigen elektrischen Entladung unter Bedingungen vor, die normalerweise nicht elektrisch stabil sind, oder unter Bedingungen, wo die elektrische Entladung nicht gleichmäßig ein gewünschtes Volumen ausfüllen wird. Weitere Lehren aus dieser Erfindung befassen sich mit der Anwendung dieser neuen Art von elektrischer Entladung bei der Konstruktion von Molekularlasern, wie beispielsweise CO&sub2;-Lasern. Wenn sie bei den CO&sub2;-Lasern angewendet wird, verkörpert der resultierende Laser eine neue Kategorie des CO&sub2;-Lasers, die als "Macken-Enladungslaser" bezeichnet werden kann. Die Merkmale umfassen eine Laser-Vorrichtung, die eine erhöhte Ausgangsleistung pro Längeneinheit zeigt, verglichen mit dem Langsamfluß-Entladungsröhrenlaser, aber ohne die Notwendigkeit des schnell fließenden Gases der Konvektionsflußlaser.
Mit der Absicht, eine verbesserte Anordnung entsprechend einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung vorzulegen, wird eine Gaslaser- Vorrichtung bereitgestellt, die einen Resonator aufweist, wobei der Resonator durch zwei sich gegenüberliegende Oberflächen, die dicht beieinander liegen, begrenzt oder teilweise begrenzt wird, und wobei die besagte Gaslaser-Vorrichtung gekennzeichnet wird durch die Anordnung der Elektrodeneinrichtungen für das Zustandebringen eines elektrischen Feldes, wobei mindestens eine der Elektrodeneinrichtungen langgestreckt ist, und einer elektrischen Entladung innerhalb des Resonators, wobei die Orientierung des elektrischen Feldes im wesentlichen parallel zu den sich gegenüberliegenden Oberflächen erfolgt, sowie durch die Anordnung der Vorrichtung für das Zustandebringen eines Magnetfeldes innerhalb des Resonators, wobei mindestens eine Hauptvektorkomponente im wesentlichen senkrecht zu den sich gegenüberliegenden Oberflächen verläuft, wodurch beim Betrieb die elektrische Entladung eine Wobbelentladung zwischen den zwei sich gegenüberliegenden Oberflächen wird, wobei die Wobbelentladung sich über eine Entfernung ausbreitet, die im wesentlichen größer ist als der Abstand der sich gegenüberliegenden Oberflächen.
In Obereinstimmung mit einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer im wesentlichen gleichmäßigen, breitflächigen elektrischen Entladung vorgelegt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen eines mit Gas gefüllten Resonators zwischen zwei Oberflächen mit relativ engem Abstand; Bereitstellen der Elektrodeneinrichtungen, wobei mindestens eine der Elektrodeneinrichtungen langgestreckt ist, und Bereitstellen eines Magnetfeldes in einer Richtung, die im wesentlichen orthogonal zu den Oberflächen verläuft, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet wird, daß es außerdem aufweist: das Bewirken mindestens einer elektrischen Entladung innerhalb des gasgefüllten Resonators, wobei der Gradient des elektrischen Feldes im wesentlichen parallel zu den sich gegenüberliegenden Oberflächen orientiert ist, um zu ermöglichen, daß das Magnetfeld auf die elektrische Entladung einwirkt und eine im allgemeinen stabile elektrische Wobbelentladung erzeugt, wobei sich die elektrische Entladung quer zum elektrischen Feld über eine Entfernung ausbreitet, die im wesentlichen größer ist als der Abstand zwischen den sich gegenüberliegenden Oberflächen, wodurch eine im wesentlichen gleichmäßige, breitflächige elektrische Entladung erzeugt wird.
Ausführungen der Erfindung werden jetzt nur mittels des Beispiels und mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, bei denen:
Fig. 1 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht des magnetisch verstärkten Laserverstärkungsabschnitts der Laservorrichtung entsprechend der Erfindung ist;
Fig. 2 ist eine Querschnittsdarstellung des montierten Laserverstärkungsabschnitts der Fig. 1, im allgemeinen längs der Linie 2-2 dieser aufgenommen;
Fig. 3 ist eine Querschnittsdarstellung des montierten Laserverstärkungsabschnitts der Fig. 1, im allgemeinen längs der Linie 3-3 dieser aufgenommen, die grafisch die Flußbilder der elektrischen Entladung bei einer Stärke des Magnetfeldes zeigt, die diskrete, sich bewegende Entladungen bei behält;
Fig. 4 ist eine Querschnittsdarstellung ähnlich der Fig. 3, die grafisch die elektrische Entladung bei Stärken des Magnetfeldes zeigt, die die diskreten Entladungen eliminieren und eine Macken-Entladung zustande bringen;
Fig. 5 ist eine abgeschnittene perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführung eines magnetisch verstärkten Laserverstärkungsabschnitts, der eine elektrische Entladung bei geschlossenem Kreis nutzt;
Fig. 6 ist eine Querschnittsdarstellung des Laserverstärkungsabschnitts der Fig. 5, im allgemeinen längs der Linie 6-6 dieser betrachtet;
Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführung einer Magnetkreiskonstruktion, die dazwischen angeordnete Magneten benutzt; und
Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführung einer Magnetkreiskonstruktion, die einen einlagigen Magneten benutzt.
In den Zeichnungen beziehen sich die gleichen Bezugszahlen auf die gleichen Elemente in den verschiedenen Figuren.
Die vorliegende Erfindung legt eine neue Ausführung der Konstruktion für den Verstärkungsabschnitt einer Laservorrichtung vor. Diese Konstruktion umfaßt einen Resonator, der im allgemeinen durch zwei sich gegenüberliegende Oberflächen begrenzt wird, die relativ zu den Abmessungen der Oberflächen einen dichten Abstand aufweisen. Ein Magnetfeld wird in einer Richtung senkrecht zu den Oberflächen erzeugt. Die Elektrodenkonstruktion und die Konfiguration des Resonators gestalten das elektrische Feld so, daß das elektrische Feld in der Abmessung parallel zum Magnetfeld relativ schmal ist, verglichen mit der Abmessung senkrecht sowohl zum Magnetfeldvektor als auch zum Vektor des elektrischen Feldes. Die Elektroden bilden gewöhnlich zwei langgestreckte Elektrodenbereiche, die sich über eine Entfernung erstrecken, die beträchtlich länger ist als der Abstand, der diese zwei entgegengesetzt aufgeladenen Reihen von Elektroden trennt. Wenn eine elektrische Entladung über diesen langgestreckten Bereichen bewirkt wird, übt das Magnetfeld eine Kraft auf die aufgeladenen Teilchen bei der Entladung aus, die dazu neigt, die Entladung nach unten über die Länge der Elektrodenbereiche zu bewegen. Unterhalb eines bestimmten Niveaus der Stärke des Magnetfeldes zeigt sich dieser Effekt selbst als eine Reihe von Entladungen, die sich an den zwei langgestreckten Elektroden nach unten zu bewegen. Oberhalb einer bestimmten Stärke des Magnetfeldes wird die Entladung gleichmäßig und sehr stabil. Wenn die Entladung in einem relativ schmalen, breitflächigen Resonator untergebracht wird, dann kann die Geschwindigkeit der Wärmeableitung aus dem Gas stark vergrößert werden, und es ist möglich, im wesentlichen höhere Leistungen pro Längeneinheit zu erhalten, wenn man sich mit thermisch begrenzten Lasern befaßt, wie beispielsweise CO&sub2;-Lasern. Bei einer Ausführung werden zwei im allgemeinen ebene Oberflächen benutzt, um den Resonator zu bilden, während eine andere Ausführung zwei konzentrische Zylinder benutzt, um den Resonator zu bilden.
Die elektrischen Glimmentladungen nach dem bisherigen Stand der Technik neigen dazu, unter vielen Bedingungen, die anderenfalls für die Konstruktion von Laserverstärkungsabschnitten wünschenswert wären, instabil zu werden. Bei derartigen Entladungen neigen die Entladungen bei hohen Gasdrücken oder hohen Stromstärken dazu, Streifen oder Bogen zu bilden, die für die sachgemäße Erregung des gasförmigen Mediums nicht geeignet sind. Daher können die Impulsgaslaser von dieser Erfindung einen Vorteil haben.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung breitet sich die hierin beschriebene neue Art der Entladung gleichmäßig über in einem Volumen aus, das im allgemeinen zwischen zwei Platten mit engem Abstand, wie beispielsweise rechteckigen Oberflächen, mittig angeordnet ist. Bei der Abkühlung der Platten wird die Geschwindigkeit der Wärmeableitung aus dem Gas zwischen diesen Platten im allgemeinen proportional zum Längenverhältnis (Breite oder Umfang des Resonators, geteilt durch den Plattenabstand) erhöht, verglichen mit einer Gasentladungsröhre von gleicher Länge.
Die Fähigkeit, höhere Geschwindigkeiten der Wärmeableitung zu erreichen, überträgt sich direkt auf höhere Ausgangsleistungen für thermisch begrenzte Laser, wie beispielsweise CO&sub2;-Laser. Bei Elektroden, die einfach an beiden Enden einer Konstruktion angeordnet werden, durch zwei flache Platten begrenzt, würde die bewirkte Gasentladung nicht das gesamte Volumen füllen. Statt dessen behält die Entladung einen etwa kreisförmigen Querschnitt bei, dessen Durchmesser durch den Abstand der zwei Platten bestimmt wird. Die Entladung wird ebenfalls die Tendenz zur Wanderung aufweisen, wodurch das Problem der Gewinnung der Laserleistung weiterhin kompliziert wird.
Wenn man versuchen sollte, einen Laser zu erzeugen, indem flache Platten bei keinerlei zusätzlicher Komplizierung der Entladung benutzt werden, würde die Ausgangsleistung des Lasers tatsächlich pro Meter der Länge kleiner sein als sie durch eine Entladung in einer abgekühlten zylindrischen Röhre erreicht wird.
Bei der Diskussion der bevorzugten Ausführungen wird das Beispiel vorgelegt, das auf die Konstruktion der Entladungsvorrichtung ausgerichtet ist, die bei einer neuen Ausführung des Kohlendioxidlaserverstärkungsabschnitts angewendet wird.
Mit Bezugnahme auf die Zeichnungen und insbesondere auf Fig. 1 bis 3 wird ein Entladungsverstärkungsabschnitt einer Laservorrichtung gezeigt, der im allgemeinen mit 10A gekennzeichnet wird. Der Abschnitt 10A wird als Umhüllung in der Form einer im allgemeinen kastenartigen rechteckigen Sandwichkonfiguration gebildet, die die zwei sich gegenüberliegenden Oberflächen 16 und 18 einschließt, die relativ zu ihren Oberflächenabmessungen der Breite und Länge einen dichten Abstand aufweisen. Die Oberflächen sind ausreichend elektrisch isolierend, um die Funktionen durchzuführen, die später diskutiert werden.
Bevorzugte Materialien für die Oberflächen 16A und 18A sind Porzellan, Keramikmaterial oder Glas. Die Oberflächen 16A und 18A werden durch die Platten 12 und bzw. 14 gestützt. Diese Platten liefern die strukturelle Auflage für die Oberflächen 16A und 18A und könnten daher aus irgendeinem geeigneten Konstruktionsmaterial hergestellt werden, einschließlich möglicherweise aus dem gleichen Material wie die Oberflächen 16A und 18A (z. B. Glas). Da es jedoch wünschenswert ist, daß die Platten 12 und 14 ebenfalls die Wärme leiten können, ist es wünschenswert, daß diese Platten aus Metall bestehen. Bei einer bevorzugten Ausführung bestehen die Platten 12 und 14 aus einem ferromagnetischen Material, wie beispielsweise Stahl, wobei die Gründe dafür später erklärt werden.
Die plattenartigen Elemente 12 und 14 werden so veranschaulicht, als ob sie aus einem Material hergestellt wurden, das eine angemessen hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, und das ausreichend dick ist, damit darin die thermischen Kühlkanäle gebildet werden können. Die thermischen Kühlkanäle 34A und 34B werden in der Platte 12 und die Kanäle 37A und 37B in der Platte 14 gebildet. Rohre, die nicht gezeigt werden, werden an diese Kühlkanäle angeschlossen, und eine Kühlflüssigkeit wird durch diese Öffnungen zur Zirkulation gebracht, um die Platten 12 und 14 zu kühlen. Auf diese Weise werden durch eine Wärmeableitung die Oberflächen 16 und 18, die einen Hauptteil der Wände des Resonators 24 bilden, abgekühlt.
Man muß verstehen, daß irgendein zweckmäßiges Verfahren für die Bereitstellung einer geeigneten Kühlung für die Oberflächen 16 und 18 angewandt werden kann, und jene, die gezeigt und beschrieben werden, dienen der Veranschaulichung.
Die Oberflächen 16A und 18A werden durch die Stützelemente 20 und 22, die so angeordnet sind, daß sie den im allgemeinen rechteckigen Resonator 24A bilden, im Abstand gehalten. Während dieser Resonator zwei offene Enden besitzt, wird vorausgesetzt, daß eine vakuumdichte Umhüllung durch andere Elemente gebildet wird, die nicht genau genommen Teil der elektrischen Entladungsvorrichtung sind, die beschrieben wird. Beispielsweise könnten Laserspiegel 54 und 56 (Fig. 3) einen Teil der Vakuumumhüllung bilden. Das Volumen des Resonators 24A wird mit einem Gas gefüllt, das in diesem Beispiel eine Kohlendioxid-, Stickstoff- und Heliummischung ist.
Geeignete Einrichtungen für das Erzeugen des Magnetfeldes werden durch die Dauermagneten 26 und 28 zur Verfügung gestellt.
Die Magneten 26 und 28 werden angeordnet und so positioniert, daß die Polarität in einer Richtung ausgerichtet ist, die im allgemeinen senkrecht zur Ebene der Platten 12 und 14 verläuft. Das heißt, wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt wird, daß der Nordpol des unteren Magneten 28 an die Platte 14 stößt, während der Südpol des oberen Magneten 26 an die Oberfläche der Platte 12 stößt. Diese Polaritäten werden durch die konventionellen Bezeichnungen "N" und "S" auf den Magneten 26 und 28 in den Zeichnungen gezeigt. Der Pfeil #42 in der Fig. 2 zeigt die Richtung des Magnetfeldes. Die Magneten 26 und 28 zeigen vorzugsweise eine Größe oder Abmessung, die annähernd der Größe oder Abmessung der plattenartigen Elemente 12 und 14 im Interesse der leichtesten Erzeugung des Magnetfeldes entspricht. Die Magneten 26 und 28 sind Dauermagneten, die aus relativ billigen Keramikmaterialien auf Barium-Eisenoxidbasis oder dergleichen hergestellt werden können. Es ist so zu verstehen, daß andere Einrichtungen für das Erzeugen des erforderlichen Magnetfeldes eingesetzt werden können, wie beispielsweise andere Dauermagneten, Gleichstromelektromagneten oder Wechselstromelektromagneten. Das Ziel ist die Erzeugung eines Feldes innerhalb des Resonators 24A mit mindestens einer Hauptvektorkomponente senkrecht zu den Oberflächen 16A und 18A. Wenn das Magnetfeld, das durch die Magneten 26 und 28 erzeugt wird, gleichmäßiger gestaltet werden muß, wurde ermittelt, daß die Fertigung der Platten 12 und 14 aus Stahl dabei hilft, das Magnetfeld sehr gleichmäßig zu gestalten.
In einer bevorzugten Ausführung bilden die Stahlplatten 30, 31, 32, 33 (Fig. 2) eine im allgemeinen rechteckige Hülse und umgeben die Magneten und die anderen Teile der Konstruktion. Die Platten 31 und 33 werden in den Fig. 1, 3 und 4 nicht gezeigt (um die anderen Baugruppen besser zu veranschaulichen), aber die Platten 31 und 33 zeigen im allgemeinen die gleiche Länge wie die 30. Diese ferromagnetische Hülsenkonstruktion (rechteckig gezeigt, aber andere Formen können verwendet werden) bildet einen Magnetkreis, der einen Verlauf mit niedrigem magnetischem Widerstand für die magnetischen Feldlinien bewirkt, die aus dem Nordpol von 26 austreten und in den Südpol von 28 eintreten. Dieser Magnetkreis ist Bestandteil einer bevorzugten Ausführung, aber nicht absolut notwendig, damit die Erfindung funktioniert, weil die Funktion des Magnetkreises die Größe und den Aufwand für die Magneten 26 und 28 minimieren, ebenso wie sie das Magnetfeld auf die Konstruktion 10A beschränken soll. Das Eliminieren der Platten 30, 31, 32 und 33 würde erfordern, daß die Magneten 26 und 28 viel stärker sein müßten.
Wie in der Fig. 3 gezeigt wird, ist es wichtig, einen Zwischenraum zwischen der Platte 12 und den Magnetkreiselementen 31 und 33 vorzusehen. Die Platte 14 muß gleichermaßen gestaltet sein. Wenn diese Zwischenräume eliminiert würden, würde dort das magnetische Äquivalent eines elektrischen "Kurzschlusses" zu verzeichnen sein, und im Resonator 24A würde kein Magnetfeld erscheinen.
Die Elemente 20 und 22 der Seitenwand werden vorzugsweise aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt. Die Wandelemente 20 und 22 müssen ebenfalls elektrisch voneinander isoliert sein. Diese Elemente der Seitenwand halten den Abstand zwischen den Oberflächen 16A und 18A aufrecht und stützen die Elektrodenkonstruktion, die eine erste und eine zweite Reihe von Elektroden umfaßt. Diese Reihen von Elektroden werden im allgemeinen mit 36 und 38 gekennzeichnet, wobei die Elektroden einer jeden Reihe Bezeichnungen in Form eines ergänzenden Buchstabens als Suffix aufweisen, d. h., 36A, 36B, usw. Die Reihe 36 der Elektroden wird so dargestellt, als ob es sich um im allgemeinen parallele, mit gleichem Abstand versehene Stabelektroden handelt, die parallel zueinander angeordnet sind, und die sich durch das Element 20 der Seitenwand hindurch erstrecken und von diesem gestützt werden. Gleichermaßen umfaßt die Elektrodenreihe 38 Elektroden, die im allgemeinen parallel zueinander und in einer axialen Ausrichtung zu der entsprechenden Elektrode der Reihe 36 vorhanden sind. Die Elektrodenreihe 38 erstreckt sich durch das Element 22 der Seitenwand hindurch und wird von diesem gestützt. Die Elektroden zeigen jedoch keinen elektrischen Kontakt durch die Elemente 20 und 22 der Seitenwand. Es muß so verstanden werden, daß die hierin dargestellten Elektroden nur Beispiele sind. Innerhalb der allgemeinen Zielstellung der Bildung von zwei langgestreckten Elektrodenbereichen ist eine große Flexibilität hinsichtlich der Elektrodenkonstruktion zu verzeichnen. Insbesondere, wenn die Reihe 36 der Elektroden negativ geladene Katoden sind, die bei bestimmten Gasdrücken arbeiten, dann können die Elektroden mit größerer Oberfläche substituiert werden.
Mit Bezugnahme auf Fig. 3 kann man sehen, daß sich die Elektroden einer jeden Reihe 36 und 38 in den Resonator 24A hinein über die gleiche Entfernung erstrecken, und daß sie benutzt werden, um ein elektrisches Feld zu erzeugen, das mit 39 bezeichnet wird. Angrenzend an das untere Ende des Resonators 24A, wie er in der Fig. 3 betrachtet wird, wird eine Hilfselektrode 40 zur Verfügung gestellt. Die Elektrode 40 ist für einzelne oder mehrere Elektroden repräsentativ, die benutzt werden, um die elektrische Entladung auszulösen. Diese Funktion wird später diskutiert.
Wenn erforderlich, werden die Elektroden mit geeigneten Ballasteinrichtungen versehen, wie beispielsweise mit Widerständen. Die Widerstände 46A-46L werden in Reihe mit den entsprechenden Elektroden 36A-36K gekoppelt, während die Widerstände 48A-48L in Reihe mit den entsprechenden Elektroden 38A-38K und 40 gekoppelt werden. Bei den Widerständen, die mit 46 gekennzeichnet sind, sind die anderen Enden für eine elektrische Verbindung mit einer Anschlußklemme 50 einer geeigneten Stromquelle zusammengeschaltet. Bei den Widerständen, die mit 48 gekennzeichnet sind, sind gleichfalls die anderen Enden für eine elektrische Verbindung mit der anderen Anschlußklemme 52 der Stromquelle zusammengeschaltet. Bei dieser Veranschaulichung ist die Anschlußklemme 50 negativ und die Anschlußklemme 52 positiv geladen. Die elektrischen und magnetischen Polaritäten, die zur Anwendung kommen, sind nur Beispiele.
Es muß betont werden, daß die Widerstände 46A-46L und 48A-48L langgestreckte Elektrodenbereiche abgrenzen. Es kann ebenfalls möglich sein, die mehrfache lineare Anordnung von Elektroden 36A-36K oder 38A-38F durch eine einzelne Elektrode zu ersetzen, wie beispielsweise einen Stab, der aus einem geeigneten elektrischen Leiter hergestellt wird. Für eine optimale Leistung muß die Stabelektrode so angeordnet werden, daß sie annähernd durch die Punkte im Raum hindurchgeht, die durch die Spitzen der Elektroden 36A-36K bestimmt werden, wodurch sie sich über den gleichen langgestreckten Elektrodenbereich erstreckt. Gleichermaßen kann ein weiterer Stab benutzt werden, um die mehrfachen Elektroden 38A-38K zu ersetzen. Diese Stabelektroden müssen mit den positiven und bzw. negativen Anschlußklemmen der Stromquelle verbunden werden. Es ist so zu verstehen, daß die optimale Elektrodenanordnung experimentell von den Fachleuten ermittelt werden kann.
In der Fig. 3 werden die Laserspiegel 54 und 56 angrenzend an den entgegengesetzten Enden des Resonators 24A gezeigt. Diese Spiegel werden nur als Bezugspunkt gezeigt. Die Herstellung der Spiegel, die für diese rechteckige Geometrie optimiert werden, kann nur von Fachleuten vorgenommen werden. Als Alternative dazu könnten die Enden des Resonators 24A mit vollständig durchlässigen Fenstern verschlossen werden, die an den Stellen der Spiegel 54 und 56 positioniert werden. Ein extern erzeugter Laserstrahl kann durch die Fenster hindurchgehen, um durch den Verstärkungsabschnitt 10A verstärkt zu werden. Auf jeden Fall muß es so verstanden werden, daß der Resonator 24A in geeigneter Weise abgedichtet wird, um als Umhüllung zu wirken, in der die Gasmischung enthalten ist.
Wiederum mit Bezugnahme auf Fig. 3 ist eine Gleichstromquelle mit den Anschlußklemmen 50 und 52 verbunden, wobei die Anschlußklemme 52 positiv ist. Die Richtung des Magnetfeldes, das durch die Magneten 26 und 28 erzeugt wird, ist so, wie sie durch die Polbezeichnungen in den Fig. 1 und 2 gezeigt wird. Bei diesen Bedingungen löst die enge Nähe der Elektrode 40 zur Elektrode 36A schnell eine elektrische Entladung am Ende des Resonators 24A aus, wo die Wirkung des Magnetfeldes zur kontinuierlichen Erzeugung neuer Entladungen führt. Wenn das elektrische Feld 39 eine querelektrische Entladung 58A-58K zwischen den verschiedenen anderen Elektroden der ersten und zweiten Reihe von Elektroden (36, 38) erzeugt, ist die Wirkung des Magnetfeldes so, daß eine Kraft auf die Entladung ausgeübt wird. Zumindestens in einem ausgewählten Volumen des Resonators, wo die richtigen Bedingungen zustande gebracht werden, ist die Wirkung des Magnetfeldes so, daß bewirkt wird, daß diese diskreten Entladungen in der Richtung abgelenkt werden, die durch die Pfeile 55 in der Fig. 3 angezeigt wird. Diese Bedingung kann als "diskrete, sich bewegende Entladungen" bezeichnet werden.
Auf einem Niveau der Stärke des Magnetfeldes relativ zur Geometrie des Resonators und zum Gasdruck scheint sich die elektrische Entladung auszubreiten, um den Resonator zu füllen. Die elektrischen Entladungen, die zwischen den Elektroden bewirkt werden, werden jedoch sich schnell bewegende Hohlräume zwischen den einzelnen sich bewegenden Entladungen aufweisen, wie sie beispielsweise in den Fig. 1 und 3 dargestellt werden. Diese diskreten Entladungen werden mit 58A, 58C, 58E-58K bezeichnet.
Bei einer Stärke des Magnetfeldes, die höher ist als das Niveau, das in der Fig. 3 dargestellt wird, vermischen sich die diskreten Entladungen zu einer verschmolzenen homogenen Entladung, wie beispielsweise 58Z, die in der Fig. 4 dargestellt wird. Die gestrichelten Linien 58Z in der Fig. 4 verkörpern eine Einschätzung der allgemeinen Bahnen der Elektronen im elektrischen Feld 39, wenn der Zustand der verschmolzenen homogenen Entladung erreicht ist. Darauf bezieht man sich als "Macken-Entladung". Der allgemeine Name, der sowohl die "diskrete, sich bewegende Entladung" als auch die "Macken-Entladung" einschließt, ist die Wobbelentladung, weil bei beiden Entladungsbedingungen die Elektronen seitlich durch die Wirkung des Magnetfeldes abgelenkt werden.
Diese beiden Entladungsbedingungen wurden experimentell beobachtet. Wenn eine hohe Stärke des Magnetfeldes zu verzeichnen ist, die sich schnell bewegende diskrete Entladungen erzeugt, hängt die Geschwindigkeit, mit der sich diese Entladungen bewegen, von der Stärke des Magnetfeldes, die durch die Magneten 26 und 28 gebracht wird, ebenso wie vom Druck und der Zusammensetzung der Gasmischung innerhalb des Resonators 24 ab.
Für eine Gasmischung von 17% Kohlendioxid, 23% Stickstoff und 60 % Helium, die normalerweise bei Kohlendioxidlasern eingesetzt wird, lautet die Formel für die Geschwindigkeit der Bewegung der elektrischen Entladung innerhalb des Resonators 24:
V = 125 B/P (Gleichung 1)
worin sind:
V die Geschwindigkeit der Entladung in cm/sec.;
B die Stärke des Magnetfeldes in Gauß;
P der Gesamtgasdruck in Torr.
Zum Zweck der Veranschaulichung, wenn das Gas 1893 Pa (14,2 Torr) aufweist und die Stärke des Magnetfeldes bei 0,03T (300 Gauß) liegt, würde die Geschwindigkeit der Querbewegung der elektrischen Entladungen bei 26 Meter pro Sekunde liegen. Die vorangehend angeführte Formel basiert auf Messungen, wo sich eine einzelne Entladung stromaufwärts gegen ein strömendes Gas bewegt. Bei Stärken des Magnetfeldes, die eine Macken- Entladung bewirken, zeigten Versuche, daß die vorangehend erwähnte Formel nicht mehr gilt, weil die Vorderflanke einer diskreten Entladung sich mit einer höheren Geschwindigkeit bewegt als die Hinterflanke. Das bedeutet, daß sich die Entladung in der Richtung der Breite ausbreitet, während sie sich im Resonator nach unten bewegt. Das scheint den Mechanismus dafür zu liefern, daß die diskreten Entladungen sich zu einer homogenen Entladung vermischen.
Die magnetische Kraft wirkt hauptsächlich auf die Elektronen bei der elektrischen Entladung. Das ist der Fall, weil sich die Elektronen um ein Vielfaches schneller bewegen als die viel schwereren ionisierten Atome und Moleküle. Die Formel für die Kraft (Fm)' die durch ein Magnetfeld der Stärke ß eines Teilchens der Ladung Q, das sich mit einer Geschwindigkeit V bewegt, ausgeübt wird, wird durch die folgende Formel angegeben:
Fm = QV · B (Gleichung 2)
worin x der mathematische Begriff ist, auf den man sich als "quer" bezieht.
Aus dieser Formel kann man sehen, daß die Kraft der Geschwindigkeit V der aufgeladenen Teilchen proportional ist; da die Elektronen sich mehr als 100-mal schneller bewegen als die positiv aufgeladenen Ionen, erscheint daher die primäre Kraft, die vom Magnetfeld ausgeübt wird, bei den Elektronen, und diese Kraft ist wiederum der Geschwindigkeit der einzelnen Elektronen proportional.
Bei einer Stärke des Magnetfeldes, wo sich die diskreten Entladungen schnell nach unten zu über die Länge der Elektroden hinweg bewegen, sagt die Hypothese voraus, daß eine Tendenz zur Ladungsverteilung über die einzelnen Entladungen zu verzeichnen wäre. Die Elektronen sollten dazu neigen, sich in der Nähe der Vorderflanke der sich bewegenden Entladung zu versammeln, während die positiv geladenen Ionen dazu neigen sollten, daß sie längs der Hinterflanke der sich bewegenden Entladung weggezogen werden. Bei zunehmender Stärke des Magnetfeldes sagt die Hypothese voraus, daß die Geschwindigkeit der Bewegung der Entladung zunehmen sollte, daß sich der Winkel der Entladung relativ zum Vektor des elektrischen Feldes verändern sollte, und daß der Abstand zwischen der negativ aufgeladenen Vorderflanke und der positiv aufgeladenen Hinterflanke bei einer einzelnen Entladung größer werden sollte. Oberhalb eines gewissen kritischen Grenzwertes der Stärke des Magnetfeldes sollten die Elektronen an der Vorflanke einer Entladung den Zwischenraum zwischen den benachbarten Entladungen überbrücken und die positiv aufgeladenen Ionen an der Hinterflanke der vorangegangenen Entladung einholen. An dieser Stelle haben sich die Entladungen vermischt und werden homogen.
Das ist der Zustand 58Z, der in der Fig. 4 dargestellt wird. Für die Herstellung eines CO&sub2;-Lasers mit hoher Leistungsfähigkeit ist es wünschenswert, daß die homogene elektrische Macken-Entladung, die in der Fig. 4 dargestellt wird, zustande gebracht wird. Das ist jedoch nicht absolut erforderlich, da die sich schnell bewegenden diskreten Entladungen noch eine thermische Homogenität bei der Erwärmung des Gases erzeugen. Das tritt auf, wenn der Zeitintervall zwischen dem Durchgang der einzelnen Entladungen an einer Stelle im Raum im Resonator 24A vorbei kleiner ist als die thermische Relaxationszeit des Gases innerhalb des Resonators 24A. Wenn dieser Zustand erreicht ist, dann wird die Geschwindigkeit der Wärmeableitung, und möglicherweise die potentielle Ausgangsleistung, nahezu auf ein Maximum gebracht. Daher wird es nicht erforderlich sein, eine weitere Homogenisierung zu erhalten, indem bewirkt wird, daß sich die einzelnen Entladungen vermischen. Der ungesättigte Leistungszuwachs wird höher sein, wenn sich die Entladungen vermischt haben; daher wäre es einfacher, die Leistung des Lasers aus dem erregten Gas unter den Bedingungen zu gewinnen, wo sich die Entladungen vermischt haben, und es zu einer kontinuierlichen Entladung kam.
Es ist möglich, einen Bereich von Magnetfeldern für die Erzeugung von nutzbaren Wobbelentladungen zu berechnen. Die untere Grenze dafür, daß das erforderliche Magnetfeld eine gewisse vorteilhafte Wirkung erlangt, basiert auf den Kriterien, daß sich die diskreten, sich bewegenden Entladungen schnell genug bewegen müssen, damit dort eine gewisse Ausbreitung der Wärme im Gas beginnen kann. Die vorangehend dargelegte Gleichung 1 liefert eine allgemeine Formel für die Geschwindigkeit der sich bewegenden Entladungen in einem CO&sub2;-Lasergas.
Die thermische Zeitkonstante T (in Sekunden) einer Gasmischung aus CO&sub2;, N&sub2; und He zwischen zwei parallelen Platten mit einem Abstand L (in Zentimetern) bei einem Druck P (in Torr) wird durch die folgende vereinfachte und angenäherte Gleichung angegeben:
T = 0,0001 PL² (Gleichung 3)
Die Zeitdauer (t), die benötigt wird, damit eine Entladung, die sich mit der Geschwindigkeit (v) bewegt, über eine Entfernung (d) abgelenkt wird, beträgt:
t = d/v (Gleichung 4)
Wenn "t" in der Gleichung 4 der thermischen Zeitkonstante "T" aus der Gleichung 3 gleichgesetzt wird, und wenn "d" dem Abstand L des Resonators aus der Gleichung 3 gleichgesetzt wird, dann lautet, wenn die Gleichung 1 für die Geschwindigkeit "v" in der Gleichung 4 eingesetzt wird, die Lösung für diese Gleichung: B = 80/L. Das zeigt, daß 0,008 T (80 Gauß) benötigt werden, um zu bewirken, daß die Entladung über eine Entfernung, die dem Abstand des Resonators gleicht, in einer thermischen Zeitkonstante für einen 1 cm breiten Resonator abgelenkt wird. Dieser Wert ist vom Druck unabhängig.
Aus den experimentellen Beobachtungen ist ebenfalls ein vernünftiger Zustand für die Festlegung des minimalen Magnetfeldes für die geforderte Wirkung in einem Resonator mit einem Abstand von 1 cm bei 0,0008 T (80 Gauß) zu ersehen. Während 80 Gauß nicht eine gleichmäßige thermische Erwärmung des Gases erzeugen müssen, erzeugen 80 Gauß einen eindeutigen thermischen Nachlauf, der hinter den sich bewegenden Entladungen für die Gasmischung aus CO&sub2;, N&sub2; und He zurückbleibt. In anderen, noch nicht getesteten Gasen werden die Konstanten abweichen, aber ebenfalls aus den Versuchen geht hervor, daß die 80 Gauß als gute Norm für die Auslösung des Effektes betrachtet werden können.
Der Macken-Entladungszustand beginnt bei einem stärkeren Magnetfeld, was von vielen Faktoren abhängt. Diese Faktoren umfassen: den Gasdruck, die Stromdichte, Resonator- und Elektrodenausführung. Der erforderliche Grenzwert des Magnetfeldes muß experimentell ermittelt werden.
Im entgegengesetzten Extremfall kann die maximal geeignete Stärke des Magnetfeldes vernünftigerweise auf die Sättigungsflußdichte des Eisens eingestellt werden, die bei etwa 2,2 T (22000 Gauß) liegt.
Bei einem Versuch wurde ein Resonator konstruiert, der dem gleicht, der in der Fig. 1 gezeigt wird; der Abstand zwischen den Spitzen der Elektroden 36A, 36B, usw. und den Elektroden 38A, 38B, usw. betrug 15 cm, und der Abstand zwischen den Oberflächen 16 und 18 betrug 1,2 cm. Die Länge der Reihe von Anoden oder Katoden betrug 45 cm, und der Abstand zwischen den einzelnen Elektroden lag bei 1,25 cm. Bei diesem Versuch waren die verwendeten Magneten keramische Magneten mit einer Breite von 9 cm, einer Länge von 27 cm und einer Stärke von 1,25 cm. Wie in der Fig. 2 gezeigt wird, wurden zwei rechteckige Stahlplatten 31 und 33, parallel zu den Platten 20 und 22 in der Fig. 1, an der Außenseite der Konstruktion angebracht, wodurch die Stahlplatten 30 und 32 magnetisch verbunden wurden, und wodurch die Stärke des Magnetfeldes im Resonator 24A vergrößert wird.
Bei diesem Versuch betrug der Gasdruck anfangs etwa 18 Torr für eine normale Lasermischung von Kohlendioxid, Stickstoff und Helium. Die Entladungsspannung betrug 1800 Volt bei einer Stromstärke von etwa 1 Ampere. Die Widerstände 46 waren jeweils 20000 Ohm-Widerstände, und die Widerstände 48 waren jeweils 10000 Ohm-Widerstände. Bei einer Stärke des Magnetfeldes von 0,15 T (1500 Gauß) ermittelte man, daß die Entladungen sich vollständig vermischt hatten, wie durch die Überwachung der Stromstärke über einen einzelnen Widerstand, wie beispielsweise den Widerstand 48E, gezeigt wird. Eine visuelle Kontrolle zeigte ebenfalls eine gute Gleichmäßigkeit. Wenn die Stärke des Magnetfeldes auf 0,075 T (750 Gauß) durch Entfernen einer Magnetschicht, die dem Magneten 26 in der Figur entspricht, reduziert wurde (wodurch eine Konstruktion analog der Fig. 8 erhalten wurde), war die Entladung dennoch vollständig gleichmäßig, wie ermittelt wurde. Wenn alle Magneten entfernt wurden, ermittelte man, daß noch ein restliches Magnetfeld von etwa 0,0025 T (25 Gauß) vorhanden war, das in der Stahlkonstruktion verblieb. Bei der auf 0,0025 T reduzierten Stärke des Magnetfeldes wurden einzelne sich bewegende Entladungen sowohl visuell als auch durch Überwachung des Stromflusses in den einzelnen Widerständen beobachtet. Diese Entladungen bewegten sich, wie vorausgesagt, und sie veranlaßten, daß die Stromstärke in einem einzelnen Widerstand schwankte, während sich eine Entladung an jenem speziellen Widerstand vorbei bewegte. Der Abstand zwischen den Entladungen betrug bei diesem Versuch vielleicht 10 cm.
Bei diesem Versuch ermittelte man ebenfalls, daß eine hohe Stärke des Magnetfeldes, wie beispielsweise 0,15 T (1500 Gauß) bei 2400 Pa (18 Torr), eine derartige starke Kraft auf die Elektronen ausüben kann, daß eine sehr geringe Stromstärke zu den ersten Anoden 48A, 48B und 48C fließt, weil sich die Entladung, die die erste Katode 46A verläßt, tatsächlich unter einem Winkel bewegt, der von der Stärke des Magnetfeldes und dem Gasdruck abhängig ist.
Eine Erhöhung des Gasdruckes auf 4666 Pa (35 Torr) oder eine Reduzierung der Stärke des Magnetfeldes auf 0,075 T (750 Gauß) verringerte den Winkel für die mittlere Elektronenbewegung relativ zum elektrischen Feld, so daß die ersten Anoden damit begannen, einen gewissen Strom aufzunehmen.
Das Prinzip, daß sich die Elektronen tatsächlich unter einem Winkel zum Vektor 39 des elektrischen Feldes bewegen, wird in der Fig. 4 mittels der Entladungslinien 58Z dargestellt. Die Magnetkraft, die auf die Elektronen ausgeübt wird, wurde vorangehend mit Fm = QV · B angegeben. Es ist ebenfalls gut bekannt, daß die Kraft des elektrischen Feldes (Fe) durch die folgende Formel angegeben wird:
Fe = QE
worin sind:
Q die Ladung
E die Stärke des elektrischen Feldes.
Daher wird das Verhältnis der Magnetfeldkraft zur Kraft des elektrischen Feldes durch:
Fm/Fe = V · B/E angegeben.
Die Geschwindigkeit der Elektronen bei den elektrischen Entladungen wurde für verschiedene Bedingungen gemessen. Ein typischer Bereich für die Elektronendriftgeschwindigkeit liegt bei 50000 M/sec. bis 15000 M/sec.
Wenn wir eine mittlere Geschwindigkeit der Elektronen von 70000 M/sec., eine Stärke des Magnetfeldes von 0,075 Weber-Quadratmeter (750 Gauß) und eine Stärke des elektrischen Feldes bei der Entladung (wobei der Katodenabfall ignoriert wird) von 9200 Volt pro Meter annehmen, dann führt eine Substitution in der vorangehend angeführten Formel zu einem Verhältnis der Magnetkraft zur elektrischen Kraft von etwa 0,57. Das würde zeigen, daß sich die Elektronen unter einem mittleren Winkel zum Vektor des elektrischen Feldes von etwa 30 Grad bewegen, aber das ist nur die Mitte einer Weitwinkelverteilung. Im allgemeinen wurde diese Art eines Effektes experimentell beobachtet und wird in der Fig. 4 dargestellt.
Es wurde ermittelt, daß es nicht erforderlich war, einen einzelnen Ballastwiderstand bei allen Elektroden zur Verfügung zu haben, wie in den Fig. 1 bis 4 gezeigt wird. Es wurden Versuche durchgeführt, wo alle Katoden- oder Anodenelektroden parallelgeschaltet wurden. Obgleich das dazu neigte, die Entladung im stromabwärts gelegenen Ende des Resonators 24A zu konzentrieren, war die Entladung stabil. Es wurden ebenfalls Konstruktionen getestet, wo entweder ein langer rechteckiger Anodenstab mehrere Anoden 38A, 38B, usw. ersetzte, oder wo ein langer Katodenstab mehrere Katoden 36A, 36B, usw. ersetzte.
Um den Raum zwischen den sich bewegenden Entladungen zu minimieren oder zu eliminieren, ist es wichtig, eine ausreichend hohe Stärke des elektrischen Feldes bei kontinuierlich sich bildenden neuen Entladungen am Ende der Konstruktion bereitzustellen, die die Entladungen infolge der Wirkung des Magnetfeldes "starten" muß. In der Fig. 3 zeigt die Elektrode 40 eher einen engeren Abstand zu den entgegengesetzt aufgeladenen Elektroden als zu den anderen Elektroden in der Gruppe 38. Die Elektrode 40 ist repräsentativ für die Startelektroden. Ein wahlweiser Ballastwiderstand 48L wird bei dieser Elektrode vorgesehen. Es ist ebenfalls möglich, die Elektrode 40 zu eliminieren und die erforderliche Stärke des elektrischen Feldes zu erzeugen, um eine neue Entladung zwischen den Elektroden 38A und 36A auszulösen. Um das zu bewirken, müssen die Spannung der Stromversorgung und die Größe des Ballastwiderstandes ausreichend sein, um eine Entladung auszulösen, wenn der Strom nicht mehr zur Anode 38A fließt.
Anstelle des Gleichstromes kann an den Anschlußklemmen 50 und 52 ein Wechselstrom angelegt werden, wobei es in diesem Fall erforderlich sein kann, Startelektroden an jedem Ende der Konstruktion zur Verfügung zu haben, die der Elektrode 49 gleichen. Anstelle der Elektrodenreihen 36 und 38 an den Seitenwänden 20 und 22 können die Elektroden ebenfalls an den entgegengesetzten Enden angeordnet werden, wobei es zu keiner Störung mit der Optik kommen darf. In diesem Fall würde sich die Richtung der elektrischen Entladungen um 90 Grad verändern, aber die elektrischen Entladungen würden dennoch in einer Richtung senkrecht zum angelegten Magnetfeld fließen. Als eine weitere Abänderung können Elektromagneten die Dauermagneten ersetzen, wobei ein mehrphasiger Wechselstrom angelegt wird, um sich bewegende Magnetfelder zu erzeugen.
Die vorangehende Beschreibung und die in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Anordnungen beziehen sich auf eine Gruppe von Ausführungen, auf die man sich als Entladungen mit "offenem Kreis" beziehen kann. Das heißt, die Entladung findet zwischen zwei Elektrodenbereichen statt, wobei die Auslösung der elektrischen Entladungen an einem Ende des Elektrodenpaares und die Beendigung der Entladung am anderen Ende des Elektrodenpaares erforderlich sind. Entladungen mit offenem Kreis weisen im allgemeinen Äquipotentiallinien des elektrischen Feldes auf, die den Resonator verlassen, ohne daß sie sich selbst schließen. Die elektrischen Feldpfeile 39 sind der Gradient des elektrischen Feldes, auch bekannt als der Vektor des elektrischen Feldes. Die Äquipotentiallinien verlaufen senkrecht zum Vektor des elektrischen Feldes.
Es gibt eine weitere Gruppe von Wobbelentladungen, die als Entladungen mit "geschlossenem Kreis", bekannt sind. Diese werden in den Fig. 5 und 6 dargestellt. Die Entladungen mit geschlossenem Kreis benötigen nicht eine kontinuierliche Auslösung neuer Entladungen. Die Entladungen werden um einen geschlossenen Kreis herum abgelenkt, wodurch das Äquivalent eines unendlich langen, offenen Kreissystems gebildet wird. Die Äquipotentiallinien des elektrischen Feldes bilden ebenfalls geschlossene Kreise im Inneren des Resonators bei dieser Art von Konstruktion.
Beziehen wir uns jetzt zusammen genommen auf Fig. 5 und 6, so wird eine alternative Ausführung gezeigt, bei der eine koaxiale, zylindrische Geometrie anstelle der ebenen, parallelen Geometrie der Fig. en 1 bis 4 benutzt wird. In den Fig. en 5 und 6 wird der zylindrische Resonator 24T durch zwei koaxiale Oberflächen 16T und 18T, die den Oberflächen 16 und 18 in den Fig. en 1 bis 4 entsprechen, begrenzt. Die Oberflächen 16T und 18T sind relativ dicht beieinander, verglichen mit dem Umfang und den axialen Dimensionen. Die Oberflächen 16T und 18T sind elektrisch ausreichend isolierend, so daß eine elektrische Entladung dazu neigen würde, durch das im Resonator 24T enthaltene Gas hindurchzugehen. Auf der inneren Oberfläche 18T sind axial ausgerichtete und mit Abstand angeordnete ferromagnetische Zylinder 32A, B, C vorhanden, wie in der Fig. 5 gezeigt wird. Diese ferromagnetischen Zylinder werden durch die Dauermagneten 26T und 28T in axialer Ausrichtung mit diesen in den dazwischen befindlichen Räumen magnetisiert. Die Magneten 26T und 28T sind mit einer abstoßenden polaren Orientierung positioniert, wie an beiden Enden von 32B gezeigt wird. Das Magnetfeld 42T für diese Magneten wird in der Fig. 5 gezeigt. Daher dient beispielsweise der magnetische Zylinder 32B als der Südpol des Magneten über seine Länge, während die Zylinder 32A und 32C als Nordpol des Magneten über seine gesamte Länge dienen.
In der Fig. 5 wurde die Außenkonstruktion weggelassen, um die inneren Details deutlicher darzustellen zu können. In der Fig. 6 wird diese Außenkonstruktion gezeigt. In der Fig. 6 ist der Zylinder 30T ein ferromagnetischer Zylinder, der über die Länge des Zylinders 16T mit Ausnahme der geeigneten Öffnungen für die Anschlußklemmen 50T und 52T, die mit den Elektroden 36T und 38T verbunden werden, verläuft.
Der Zylinder 30T dient einem doppelten Zweck, da er einen Teil des Magnetkreises bildet, der den Südpol des Zylinders 32B mit dem Nordpol der Zylinder 32A und 32C verbindet, und da er ebenfalls ein Teil der Kühlung ist. Die sich radial erstreckenden Pfeile 42T in der Fig. 5 und die anderen nicht gekennzeichneten Pfeile im Inneren des Resonators 24T in beiden Fig. en 5 und 6 zeigen die lokale Richtung des Magnetfeldes, das sich zwischen den Zylindern 32A, 32B und 32C und dem Außenzylinder 30T, der in der Fig. 6 gezeigt wird, erstreckt. Dieses Magnetfeld ist dem Magnetfeld 42 in den Fig. en 1 bis 4 analog. Gleichermaßen zeigen die Pfeile 39T das breitflächige elektrische Feld analog der 39 in den Fig. en 2 bis 4. Der Zylinder 30T umfaßt ebenfalls vier Wasserkühlrohre 71-74, die einen thermischen Kontakt zu diesem Metallzylinder aufweisen. Diese Rohre sind für ein Kühlverfahren repräsentativ, das für die Kühlung der Oberfläche 16T angewendet werden kann. In diesem Fall wäre eine Wärmeableitung von den gekühlten Rohren 71-74 durch den Zylinder 30T und schließlich zur Oberfläche 16T zu verzeichnen.
Gleichermaßen werden die inneren Metallzylinder 32A, 32B und 32C durch die Rohre 75-78 gekühlt, wie in der Fig. 6 gezeigt wird. Wiederum der Einfachheit halber werden die inneren Kühlrohre in der Fig. 5 nicht gezeigt. Dieses Kühlverfahren ist nur ein Beispiel. Viele andere Kühlverfahren sind möglich. Auch in solchen Fällen, wie beispielsweise dem Aussetzbetrieb, muß keine Flüssigkeitskühlung erforderlich sein. Beim Betrieb, wenn eine Spannung an die Anschlußklemmen 50T und 52T angelegt wird, werden ein breitflächiges elektrisches Feld 39T und eine elektrische Entladung 58T durch den Resonator 24T zwischen den Elektroden 36T und 38T bewirkt. Diese Elektroden sind den Elektroden der Reihe 36 und der Reihe 38 analog, und daher können sie ebenfalls segmentiert und als langgestreckte Elektrodenbereiche betrachtet werden. Die radialen Magnetfelder bewirken, daß sich die Entladung schnell dreht. Wenn das Magnetfeld ausreichend stark ist, wird die Entladung 58T einen Kreis bilden, wenn sie aus dem Winkel betrachtet wird, der in der Fig. 6 gezeigt wird. Die Entladung kann eine Macken-Entladung ähnlich dem Verfahren werden, das vorangehend für die parallele Geometrie beschrieben wird, wie sie in Verbindung mit der Fig. 4 geschildert wird.
Es ist wichtig zu begreifen, daß mehrere Elemente zusammenwirken müssen, um Wobbelentladungen zu bewirken. Diese Elemente sind die Form des Resonators, das Gas, das Magnetfeld und das elektrische Feld in Verbindung mit einer Entladung. Die hierin vorgelegte Beschreibung setzt voraus, daß der Leser ein Wissen über die Wechselbeziehungen dieser Elemente bei konventionellen Entladungskonstruktionen besitzt. Die folgenden Texte werden als Hinweise gegeben und umfassen hierin:
1) M.E. Hirsch, "Gaseous Electronics" (Gas-Elektronik), Band 1, 1978, Academic Press, New York (Kapitel 1 und 2).
2) J.D. Cobine, "Gaseous Conductors" (Gasförmige Leiter), 1957, Dover Publications, New York (Kapitel 7 und 8).
3) E.M. McDaniel, "Collision Phenomena in Ionized Gases" (Stoßerscheinungen in ionisierten Gasen), 1984, John Wiley and Sons, New York (Seiten 506-512).
4) G. Francis, "Ionization Phenomena in Gases" (Ionisationserscheinungen in Gasen), 1960, Academic Press, New York (Seiten 123-128).
Von besonderem Interesse in den Texten der Literaturhinweise 1 und 2 ist die Information, die sich mit dem Durchschlagspannungsgefälle, der Spannung-Stromstärke-Kurve und den Forderungen betreffs Stabilisierung einer konventionellen Entladung befaßt. Die Literaturhinweise 3 und 4 befassen sich mit den allgemeinen Einwirkungen eines Magnetfeldes auf eine elektrische Entladung.
Die zusammenwirkenden Merkmale dieser vier Elemente sind insbesondere für das Zustandebringen einer Macken-Entladung wichtig. Es ist möglich, die Parameter einiger Elemente zu regulieren, um nicht ideale Bedingungen bei anderen Elementen auszugleichen. Beispielsweise steuern die Form des Resonators und die Elektroden gemeinsam die Form des elektrischen Feldes. Die Form des elektrischen Feldes muß mindestens die Erzeugung einer breitflächigen Wobbelentladung gestatten, aber im idealen Fall sollte das elektrische Feld durch Benutzung von mehreren mit Ballastwiderständen versehenen Elektroden und eine sorgfältige Formgebung die Ausbreitung der elektrischen Entladung unterstützen. Unzulänglichkeiten hinsichtlich dieses Idealzustandes können jedoch durch eine Steigerung der Stärke des Magnetfeldes oder eine Regulierung der Gaszusammensetzung oder des Druckes ausgeglichen werden.
Wie in der Fig. 5 gezeigt wird, werden wahlweise dünne, metallische, zylindrische Oberflächen 66 und 67 in Berührung mit der Innenseite der Oberfläche 16T an den Stellen angeordnet, die den Magneten 26T und bzw. 28T benachbart sind. Diese Zylinder 66 und 67 dienen als Elektroden und liefern eine Einrichtung für das Drehen der elektrischen Entladungen, um gegen die Unregelmäßigkeiten anzukämpfen, zu denen es kommt, wenn die Richtung des Magnetfeldes umgekehrt wird, beispielsweise zwischen den Zylindern 32C und 32B. Beispielsweise, wenn die Kombination der Richtung des elektrischen Feldes und der Richtung des Magnetfeldes bewirkt, daß sich die Entladung im Uhrzeigersinn im Bereich nahe des Zylinders 32C dreht, dann würde diese elektrische Entladung an der nahegelegenen Oberfläche der Elektrode 66 enden. Die Entladung würde dann am anderen Ende der Elektrode 66 wieder auftauchen und sich im Gegenuhrzeigersinn drehen, während die Entladung durch den Bereich nahe des Zylinders 32B hindurchgeht. Die Entladung würde dann am nahegelegenen Rand der Elektrode 67 enden und wiederum an der anderen Seite der Elektrode 67 erscheinen, wobei erneut eine Drehung im Uhrzeigersinn und ein Beenden in der Elektrode 38T zu verzeichnen sind.
Es wäre natürlich möglich, die inneren Elektroden 66 und 67 zu eliminieren oder durch zusätzliche Elektroden, die dünner sind und äußere Anschlüsse besitzen,die denen gleichen, die bei den Anschlußklemmen 52T und 50T gezeigt werden, zu ersetzen. Gegenwärtig glaubt man, daß, wenn eine Umkehrung der Richtung des' Magnetfeldes zu verzeichnen ist (wie sie beispielsweise in der Fig. 5 zwischen den Zylindern 32B und 32C gezeigt wird), es akzeptabel ist, daß die elektrische Entladung durch den Bereich hindurchgeht, wo die Umkehrung stattfindet, was aber nicht bevorzugt wird. Ein Versuch zeigte, daß dieser Bereich dazu neigt, eine Instabilität hervorzurufen, da in diesem Bereich keine magnetische Homogenisierung der Entladung zu verzeichnen ist. Die Fachleute werden erkennen, daß bei der zylindrischen Geometrie die radialen Magnetfelder von periodischen Umkehrungen in der Richtung des Magnetfeldes begleitet werden müssen.
Während Fig. 1 bis 6 die hauptsächliche Konstruktionsphilosophie zeigen, gibt es mögliche Abweichungen. Beispielsweise zeigen
Fig. 7 und 8 konstruktive Abweichungen des Magnetkreises, der in der Fig. 2 zur Anwendung kommt, um ein Magnetfeld einem im allgemeinen rechteckigen Resonator zuzuführen, der dem in den Fig. en 1-4 gezeigten gleich ist.
Fig. 7 zeigt nur die Teile, die die Baugruppen des Magnetkreises der Konstruktion bilden, und einige andere Baugruppen, die der Klarheit wegen benötigt werden. Sie zeigt nicht irgendwelche Elektroden, Drähte, die Kühlung, Entladung, usw., die nicht Bestandteil des Magnetkreises sind. In der Fig. 7 entspricht die Numerierung den vergleichbaren Baugruppen in den Fig. en 1, 2 und 3, außer daß der Buchstabe "M" nach der Zahl hinzugefügt wird. Daher wird der Resonator 24M zwischen den relativ dicht beieinander angeordneten sich gegenüberliegenden Oberflächen 16M und 18M gebildet.
Die Stützelemente 20M und 22M bilden die Wände des Resonators. Eine ferromagnetische Platte 30M (vorzugsweise Stahl) führt die Funktion der beiden Platten 30 und 12 in der Fig. 2 durch. Gleichermaßen führt die Platte 32M die Funktion der Platten 32 und 14 in der Fig. 2 durch. Die Magneten 28M und 26M werden zwischen den ferromagnetischen Platten 30M und 32M angeordnet. Die ferromagnetischen Platten übertragen das Magnetfeld, das durch die Magneten erzeugt wird, und verteilen das Magnetfeld relativ gleichmäßig im Resonator 24M, wobei der Vektor des Magnetfeldes durch 42M gezeigt wird. Man beachte, daß diese Konstruktion die Richtung des Vektors des Magnetfeldes im Inneren des Resonators umkehrt, verglichen mit der Fig. 2, selbst wenn beide Figuren so dargestellt werden, daß der Nordpol des Magneten oben ist.
In der Fig. 7 wird die Abmessung des Resonators in der Richtung des Vektors des Magnetfeldes so gezeigt, als ob sie im allgemeinen die gleiche wie die Magnetabmessung in der magnetisierten Richtung ist. Wenn es gewünscht wird, den Magneten dicker oder dünner als den Resonator auszuführen, ist es möglich, beide Platten 30M und 32M zu bearbeiten, damit der Höhenunterschied ausgeglichen wird. Als Alternative dazu können die Magneten längsseits der Platten 30M und 32M bei Verwendung von Stahlplatten als magnetische Kopplungselemente, um das Magnetfeld in die Platten 30M und 32M zu übertragen, angeordnet werden.
Fig. 8 zeigt ebenfalls nur die Elemente der Konstruktion, die den Magnetkreis betreffen. Fig. 8 ist der Fig. 2 sehr ähnlich. Die Numerierung der vergleichbaren Teile ist die gleiche, abgesehen von der Verwendung des Buchstabens "P". Die hauptsächlichen Ausnahmen sind, daß der Magnet 26 und die Platte 12 eliminiert wurden. Die dielektrische Oberfläche 16P wurde direkt auf der Platte 30P angeordnet. In der Fig. 8 muß beachtet werden, daß die Platte 14P aus irgendeinem konstruktiv geeigneten Material hergestellt werden könnte. Stahl ist jedoch das bevorzugte Material, da der Stahl auch die Eigenschaft aufweist, daß das Magnetfeld im Resonator 24P sehr gleichförmig gestaltet wird. Man beachte, daß, wenn Stahl für 14P verwendet wird, ein geeigneter Zwischenraum zwischen 14P und 33P oder 31P vorhanden sein muß, um einen magnetischen "Kurzschluß" zu verhindern.
Die Magnetkreise, die in den Fig. en 1 bis 8 beschrieben werden, weisen die gleichen Grundelemente auf und dienen dem gleichen Zweck. Der wesentliche Zweck ist: 1) die Einrichtung eines Weges mit niedrigem magnetischem Widerstand (hohe Permeabilität) zwischen den zwei Polen eines Magneten, wobei (idealerweise) der einzige Zwischenraum im Weg der Resonator ist, und wobei die nichtmagnetischen Materialien mit dem Resonator verbunden sind; 2) die gleichmäßige Verteilung des Magnetfeldes im Resonator und dessen Ausrichtung im allgemeinen senkrecht zu den sich gegenüberliegenden Oberflächen; 3) die Einrichtung eines ausreichend starken Magnetfeldes im Resonator. Um diese Ziele zustande zu bringen, umfassen alle Konstruktionen des Magnetkreises: 1) mindestens einen Magneten; 2) einen Resonator; 3) ferromagnetische Teile, die die einen relativ engen Abstand aufweisenden, sich gegenüberliegenden Oberflächen des Resonators stützen; 4) keine größere magnetische "Kurzschluß"-Verbindung mit den ferromagnetischen Stützteilen, die wesentlich das Magnetfeld im Resonator reduzieren würde; 5) eine Konstruktion des Magnetkreises, die einen ferromagnetischen Rückweg zur Verfügung stellt, wie er benötigt wird, um den Magnetkreis zu schließen. Aus den hierin vorgelegten Lehren ist zu sehen, daß es möglich ist, eine Vielzahl von Magnetkreisen zu fertigen, die übereinander angeordnete Mehrfachresonator-Laserkonstruktionen umfassen.
Viele andere mögliche Ausführungen, die den Lehren dieser Erfindung entsprechen, können eingesetzt werden. Beispielsweise könnte eine zylindrische Geometrie hergestellt werden, die dem Wickeln des Resonators mit ebener Geometrie, der in der Fig. 3 dargestellt wird, in eine zylindrischen Geometrie analog wäre, wobei die zylindrische Achse parallel zu den Pfeilen verläuft, die bei den Entladungen 58C und 58E gezeigt werden. Weiterhin würde eine andere Ausführung eine zylindrische Geometrie aufweisen, die die Magneten 26T und 28T in der Fig. 5 eliminiert. Das könnte bewirkt werden, indem sie durch zylindrische Magneten ersetzt würden, die im Raum zwischen den Zylindern 30T und 16T in der Fig. 6 angeordnet würden. Diese zylindrischen Magneten würden radial mit einer sich periodisch umkehrenden Polarität magnetisiert, um die gleiche Art der Verteilung des Magnetfeldes im Resonator zu bewirken, wie sie in den Fig. en 5 und 6 dargestellt wird. Um wirksam einen Rückweg für den magnetischen Fluß zu erhalten, wäre es erforderlich, ebenfalls die ferromagnetischen Zylinder 32A, 32B und 32C durch einen kontinuierlichen ferromagnetischen Zylinder zu ersetzen.
Wie vorangehend dargelegt wird, kann die Vorrichtung in zwei Klassen eingeteilt werden. Die Konstruktion, die in den Fig. en 5 und 6 dargestellt wird, ist repräsentativ für die Klasse, die als "Entladungsvorrichtung mit geschlossenem Kreis" bezeichnet wird. Fig. 1 bis 4 sind repräsentativ für eine Klasse, die als "Entladungsvorrichtung mit offenem Kreis" bezeichnet wird. Mehrere Variationen der Entladung mit geschlossenem Kreis sind vorhanden. Beispielsweise ist es möglich, zwei Konstruktionen, die der der Fig. 7 gleichen, zu kombinieren, wobei eine auf der anderen angeordnet wird. Sie würden mit der gleichen magnetischen Polarität an der Mittelplatte zwischen den zwei Resonatoren ausgerichtet, und die Mittelplatte würde ebenfalls eine vollständige dielektrische Beschichtung aufweisen. Mit einer äußeren Umhüllung, um das Teilvakuum aufrechtzuerhalten, wäre es möglich, daß die Entladung einen geschlossenen Kreis bildet, indem sie zuerst durch den oberen Resonator abgelenkt wird und danach in den unteren Resonator kippt, um den Kreis zu schließen.
Eine weitere Variation wäre eine Vorrichtung, die der in den Fig. en 1 bis 4 gleicht, wo eine Umkehrung der Richtung des Magnetfeldes in der Mitte des Resonators längs einer Linie parallel zu 20 zu verzeichnen ist. Die Ablenkrichtung des Magnetfeldes würde auf beiden Seiten dieser magnetischen Umkehrlinie umgekehrt. Selbst wenn die Äquipotentiallinien des elektrischen Feldes ein offener Kreis sind, zeigt die elektrische Entladung wegen der zwei entgegengesetzten Ablenkrichtungen einige Ähnlichkeiten mit einem geschlossenen Kreissystem. Die Vorversuche zeigen, daß diese Konstruktion einige Stabilitätsprobleme aufweist.
Verschiedene Konstruktionen des Resonators wurden gebaut und erfolgreich als Laser betrieben. Zumindestens bei den CO&sub2;-Laserversuchen wurde die Aussendung der Laserstrahlen erst zustande gebracht, wenn die Entladung entweder den Zustand der Macken-Entladung, der in der Fig. 4 dargestellt wird, erreicht hat oder mindestens unter den Bedingungen in Betrieb ist, die als teilweise Umwandlung in diesen Entladungszustand bezeichnet werden könnten. Bei den Druckbereichen und Stromniveaus, die im allgemeinen für CO&sub2;-Laser angewendet werden, kann die Umwandlung von den diskreten, sich bewegenden Entladungen zur Macken-Entladung drastisch und plötzlich erfolgen. Bei Stärken des Magnetfeldes etwas unterhalb der Umwandlung erscheint die Entladung für das Auge gleichmäßig, aber bei Benutzung eines Oszilloskops zur Überwachung des Stromes in einer einzelnen Elektrode können Stromschwankungen gesehen werden. Diese Stromschwankung erhöht die Amplitude bei zunehmendem Abstand von der Startelektrode, bis die Schwankungen ein gewisses maximales Niveau erreichen. Diese scheinen keine Bogen zu sein, aber eben diskrete Glimmentladungen, die keine wesentliche Ausbreitung zeigen. Wenn das Gas ein Lasergas ist, zeigt das durch die Entladung erregte Gas unterhalb der Umwandlung entweder keine Verstärkung oder eine relativ geringe Verstärkung.
Wenn die Stärke des Magnetfeldes auf einen Wert oberhalb des Umwandlungsgrenzwertes angehoben wird, ist eine plötzliche Veränderung der Entladungserscheinung zu verzeichnen. Der Lichtausgang von der Entladung nimmt vom vorangegangenen Niveau ab, die Entladungsspannung nimmt zu (vielleicht 5 bis 10%), und die Stromschwankungen zeigen meistens eine deutliche Abnahme der Amplitude bei zunehmendem Abstand von der Startelektrode, bis ein gewisses minimal es Schwankungsniveau erreicht ist. Für ein Lasergas ist es am auffallendsten, daß die Verstärkung drastisch zunimmt, was meistens zu einer Veränderung von "nicht Laserstrahlen aussendend" zu "Laserstrahlen aussendend" führt, wenn optimal reflektierende Spiegel zur Verfügung gestellt werden.
Die vorangehend erwähnte plötzliche Umwandlung tritt unter optimalen Bedingungen auf, wo andere Quellen einer Entladungsinstabilität minimiert werden. Bei nicht optimalen Bedingungen ist eine Umwandlungszone zwischen den zwei Bedingungen vorhanden, wo Teile der Entladung eine teilweise Umwandlung zu einer Macken-Entladung durchmachen können oder vielleicht schnell zwischen den Bedingungen der Macken-Entladung und den Bedingungen der diskreten, sich bewegenden Entladung flattern können. Weitere Quellen der Instabilität können sogar Stromschwankungen hineinbringen, die teilweise die Umwandlung verdecken. Sogar dieser Umwandlungszustand wird als im allgemeinen homogen betrachtet, wobei eine relativ im gleichen Abstand gehaltene Entladung, verglichen mit der Entladungsverteilung bei im wesentlichen niedrigeren Stärken des Magnetfeldes, vorhanden ist. Für ein Lasergas wird der Beginn der Umwandlung der Macken-Entladung am deutlichsten definiert, wenn die Laserverstärkung bedeutend zunimmt, wenn über einen Bereich der Stärken des Magnetfeldes und aus einer Richtung überwacht wird, die im allgemeinen parallel zur Ablenkrichtung der Entladung verläuft.
Es ist jetzt möglich, über die Bedingungen nachzudenken, die wirksam werden, um die Entladung zu stabilisieren, wenn der Zustand der Macken- Entladung erreicht ist. Die Erklärung wird mit Bezugnahme auf einen rechteckigen Resonator vorgelegt, aber es gilt gleichermaßen auch für ändere Formen. Der rechteckige Resonator besitzt drei Abmessungen, die wie folgt bezeichnet werden: (e) parallel zum elektrischen Feld; (b) parallel zum Magnetfeld; und (s) parallel zur Ablenkrichtung. In diesem Beispiel ist (b) viel kleiner als (e), und (e) ist kleiner als (s). Bei gebogenen Resonatorformen können diese Abmessungen den Resonatorkonturen folgen.
Die elektrische Entladung zeigt nicht das Problem, daß sie in der Richtung (e) stabilisiert wird, solange wie einige Ballasteinrichtungen zur Verfügung gestellt werden, um den Strom innerhalb des Gases zu begrenzen. Die elektrische Entladung bewegt sich sogar um die geladenen Teilchen herum, wodurch Raumladungen und lokale Spannungsgefälle erzeugt werden, wie sie benötigt werden, um einen stabilen Zustand in der Richtung (e) zu bewirken. In der Richtung (b) wurden die Größe des Resonators und der Druck des Gases ausgewählt, um die Entladung zu stabilisieren. Diese Form der Stabilisierung bezeichnet man im allgemeinen als "Wandstabilisierung".
Die Abmessung (s) wird groß ausgewählt. Das elektrische Feld ist meistens ein ziemlich gleichmäßiges Potential parallel zur Richtung (s). Ohne irgendeine andere Einrichtung für die Ausbreitung der Entladung in der Richtung (s) wird die Entladung eine Breite in der Richtung (s) annehmen, die etwa der Abmessung (b) entspricht. Das bewirkt eine ziemlich runde Entladung, die meistens um die Abmessung (s) herumwandern wird. Man glaubt, daß die Einschränkung der Größe der Entladung in der Abmessung (s) auftritt, weil die Erwärmung des Gases das Gefälle der Entladungsspannung in einem schmalen Kanal reduziert. Darauf bezieht man sich als thermische Begrenzung der Entladung.
Das Ziel ist daher die Einführung einer neuen Kraft in die Abmessung (s), um diese thermische Begrenzung zu überwinden. Es wird ein Magnetfeld benutzt, um diese Kraft bei der Entladung einzuführen. Beispielsweise wurde berechnet, daß die Kraft bei etwa 80 Gauß für einen Resonator von 1 cm in der Richtung (b) ausreicht, um die Entladung durch das Gas mit einer Geschwindigkeit zu bewegen, wo die Entladung sich über einen Wandabstand (b) in einer Zeit bewegt, die der thermischen Zeitkonstante des Gases entspricht. Dieser Zustand zeigt noch die thermische Begrenzung, aber die Wirkungen wurden reduziert.
Bei einem höheren Niveau des Magnetfeldes überschreiten die Magnetkräfte bei der Entladung die Kräfte der thermischen Begrenzung, und es wird ein neuer Stabilitätszustand für die Abmessung (s) erreicht. Dieser neue Zustand gestattet, daß sich die Entladung ausbreitet und relativ breit und homogen wird.
Alle drei Abmessungen wurden stabilisiert.
Es ist wichtig, daß man sich vergegenwärtigt, daß diese Stabilisierung ohne Einführung weiterer Quellen der Entladungsinstabilität erreicht wurde. Es ist bekannt, daß die Magnetfelder, die mit den Plasmen in Wechselwirkung stehen, mehrere unterschiedliche Arten der Instabilität erzeugen können. (Siehe G. Francis, "Ionization Phenomena in Gases" (Ionisationserscheinungen in Gasen), 1960, Academic Press Inc., New York, Kapitel 7). Die offensichtliche Eliminierung dieser Probleme kann zumindestens teilweise auf die enge Nähe der sich gegenüberliegenden Oberflächen (und ferromagnetischen Stützplatten) zum Plasma zurückgeführt werden.
Die Diskussion der Theorie konzentrierte sich auf die Entladungen, aber bei bestimmten Laseranwendungen, wie beispielsweise CO&sub2;- und CO- Lasern, ist das tatsächliche Ziel, daß es möglich wird, die Wärmeableitungsgeschwindigkeit aus dem durch die Entladung erwärmten Gas zu erhöhen. Die abgekühlten, einen engen Abstand aufweisenden, sich gegenüberliegenden Oberflächen führen diese Aufgabe durch. Einige andere Arten von Gaslasern, die nicht thermisch begrenzt sind, hängen davon ab, daß die Wände das Hauptsächliche beim Zustandebringen der Laserverstärkung leisten. Daher übernehmen bei den Laseranwendungen die sich gegenüberliegenden Oberflächen und der Resonator im allgemeinen gleichzeitig weitere Pflichten.
Während sich die vorangegangene Diskussion auf die Anwendung dieser Technologie bei Kohlendioxidlasern konzentriert hat, muß es so verstanden werden, daß die gezeigten und beschriebenen Verfahren und die Konstruktion eine konstruktive Anpassungsfähigkeit gestatten, weil es jetzt möglich ist, eine elektrische Entladung zu zwingen, die Resonatorformen zu füllen, die bisher nicht eingesetzt werden konnten. Außerdem kann die Homogenisierungswirkung bei der Entladung Anwendungen für Hochdrucklaser gestatten, die vorher spezielle Ionisationsverfahren erforderten.
Bei den meisten Ultraviolettlasern wurde die Bedeutung der Wärmeableitung größtenteils eliminiert, und daher ist es nicht mehr länger erforderlich, daß man sich mit Resonatoren mit hohem Längenverhältnis befaßt, die durch eine erste und eine zweite Oberfläche begrenzt werden. Beispielsweise kann es möglich sein, einen Impulsultraviolettlaser mit einer zylindrischen Röhre zu konstruieren, die zwei parallele längliche Elektrodenbereiche enthält, die sich über die Länge des Zylinders nach unten zu erstrecken und sich im allgemeinen nahe der Zylinderwände befinden, wobei sie über die Achse des Zylinders hinweg zueinander entgegengesetzt sind. Diese zwei länglichen Elektrodenbereiche bilden ein breitflächiges elektrisches Feld mit dem Magnetfeld, das sich senkrecht zum Vektor des elektrischen Feldes und der Länge des Zylinders erstreckt. Die Impulsleistungszuführung, die diese Elektroden mit Energie versorgt, könnte die benötigte elektrische Erregung zur Verfügung stellen.
Schließlich müssen mehrere Punkte der Terminologie definiert werden. Der Begriff "zwei sich gegenüberliegende Oberflächen" muß nicht bedeuten, daß zwischen diesen Oberflächen eine physikalische Unterbrechung vorhanden sein muß. Es muß ebenfalls so verstanden werden, daß das Hinzufügen von mehreren Schichten oder Niveaus von Resonatoren mit "zwei sich gegenüberliegenden Oberflächen" in einer jeden Schicht oder einem jeden Niveau nicht eine Abweichung von der Erfindung darstellt.
Für diese Erfindung müssen die sich gegenüberliegenden Oberflächen ausreichend elektrisch isolierend sein, damit eine angelegte Spannung parallel zu den Oberflächen eine elektrische Entladung durch das Gas bewirkt. Es ist bekannt, daß segmentierte elektrisch leitfähige Teile für einen Entladungsresonator eingesetzt werden können, wenn sie auf Längen geschnitten werden, die kurz genug sind, und wenn sie elektrisch voneinander isoliert werden. Diese Teile sind ein Beispiel für ein "wirksames elektrisches Isolieren", weil sie zur elektrischen Entladung elektrisch isolierend sind.
Im Bereich der alternativen Ausführungen ist es möglich, zwei sich gegenüberliegende Oberflächen zu haben, die nicht parallel sind oder einen gleichmäßigen Abstand aufweisen. Wenn eine verallgemeinerte Erklärung zu diesen Oberflächen abgegeben wird, ist es daher wünschenswert, daß man sich auf die "Mittellinie" zwischen den sich gegenüberliegenden Oberflächen beziehen kann. Wie sie hierin verwendet wird, beschreibt sie die imaginäre Oberfläche auf halbem Weg zwischen den zwei sich gegenüberliegenden Oberflächen. Bei der Beschreibung der Forderung hinsichtlich des Magnetfeldes bevorzugt man, daß das Feld senkrecht zu den sich gegenüberliegenden Oberflächen verläuft. Es ist jedoch nicht wesentlich, daß die Magnetfelder senkrecht zu den Oberflächen verlaufen, solange wie das Magnetfeld zumindestens eine Hauptvektorkomponente besitzt, die senkrecht zur lokalen Mittellinie verläuft.
Der Teil der Vektorkomponente des Magnetfeldes, der parallel zur Mittellinie verläuft, zeigt einen unerwünschten Effekt und ist eine Vergeudung der Stärke des Magnetfeldes, kann aber toleriert werden. Der Begriff "Magnet" wird verwendet, um irgendeine Quelle des Magnetfeldes zu kennzeichnen, die Dauermagneten und Elektromagneten umfaßt. Die Verwendung von Dauermagneten in den Beispielen dient nur zur Veranschaulichung. Die Begriffe "Magnetkreis" und "Kurzschluß" zeigen beide Analogien zu den elektrischen Kreisen. Die Verwendung von Ballastwiderständen oder einem "Ballast" soll als repräsentativ für irgendeine Strombegrenzungsvorrichtung verstanden werden, wie beispielsweise Ballaströhren, Transistoren oder strombegrenzte Versorgungen. Selbst ein Katodenbetrieb bei Stromdichten, der als "abnormales Glimmen" bezeichnet wird, zeigt eine Art von verteilter Ballastwirkung. Sogar eine einzelne längliche Elektrode könnte denkbar eine widerstandsbehaftete Schicht aufweisen, die die äquivalente Wirkung von mehreren mit Ballast versehenen Elektroden hervorbringt.

Claims

1. Gaslaser-Vorrichtung (10) mit einem Resonator (24), wobei der Resonator (24) begrenzt oder teilweise begrenzt ist durch zwei sich gegenüberliegende Oberflächen (16, 18), die relativ eng beabstandet sind, wobei die Gaslaser-Vorrichtung gekennzeichnet ist durch das Vorhandensein von Elektrodeneinrichtungen (36, 38) zum Herstellen eines elektrischen Feldes (39), wobei die Elektrodeneinrichtungen langgestreckt sind, und einer elektrischen Entladung (58) in dem Resonator (24), wobei die Ausrichtung des elektrischen Feldes (39) im wesentlichen parallel zu den sich gegenüberliegenden Oberflächen (16, 18) ist, und durch das Vorhandensein einer Einrichtung (26, 28) zum Herstellen eines Magnetfeldes (42) in dem Resonator (24) mit mindestens einer Hauptvektorkomponente, die im wesentlichen rechtwinklig zu den sich gegenüberliegenden Oberflächen (16, 18) ist, wobei die elektrische Entladung (58) in Betrieb zu einer Wobbelentladung zwischen den beiden sich gegenüberliegenden Oberflächen wird, wobei die Wobbelentladung sich über eine Entfernung ausbreitet, die im wesentlichen größer ist als der Abstand zwischen den sich gegenüberliegenden Oberflächen (16, 18).

2. Gaslaser-Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (26, 28) zum Erzeugen des Magnetfeldes (42) ein Magnetfeld mit einer Stärke erzeugt, die größer ist als eine Stärke, die erforderlich ist, damit sich diskrete, sich bewegende Entladungskomponenten (58A, 58C, 58E) der Wobbelentladung (58) über eine Entfernung bewegen, die gleich dem Abstand zwischen den sich gegenüberliegenden Oberflächen (16, 18) ist in einer Zeit, die gleich der thermischen Zeitkonstante eines Gases zwischen den sich gegenüberliegenden Oberflächen (16, 18) ist.

3. Gaslaser-Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (26, 28) zum Erzeugen des Magnetfeldes ein Magnetfeld (39) mit einer ausreichenden Stärke erzeugt, um mindestens einen wesentlichen Teil der Wobbelentladung (58) in eine im allgemeinen gleichmäßige Entladung (58Z, 58T) einzumischen.

4. Gaslaser-Vorrichtung (10) nach Anspruch 2, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (26, 28) zum Erzeugen des Magnetfeldes ein Magnetfeld im Bereich von 0,008 Tesla bis 2,2 Tesla (80 Gauß bis 22.000 Gauß) erzeugt.

5. Gaslaser-Vorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, ferner gekennzeichnet durch das Vorhandensein von Einrichtungen (34, 37, 71 bis 78) zum Kühlen mindestens einer der sich gegenüberliegenden Oberflächen (16, 18), wobei die Einrichtungen zum Kühlen (34, 37, 71 bis 78) eine Primäreinrichtung zum Kühlen von Gas in dem Resonator (24) darstellen, der durch die elektrische Entladung (58) erwärmt wird.

6. Gaslaser-Vorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen (16, 18) wirksam elektrisch isoliert sind.

7. Gaslaser-Vorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodeneinrichtungen (36, 38) mindestens zwei langgestreckte Elektrodenbereiche aufweisen, wobei jeder der langgestreckten Elektrodenbereiche eine Gruppe von zwei oder mehr Elektroden aufweist, wobei mindestens eine Elektrode (40) einer Gruppe und eine benachbarte Elektrode (36A) einer anderen Gruppe Enden aufweisen, die ein enger beabstandetes Verhältnis zueinander haben, als es die Enden der übrigen der einen Gruppe mit den Enden der übrigen der anderen Gruppe haben, wodurch die Auslösung der elektrischen Entladung (58) erleichtert wird.

8. Gaslaser-Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodeneinrichtungen (36, 38) mindestens zwei Elektroden in dem Resonator (24) aufweisen, die zwei langgestreckte Elektrodenbereiche bilden, und ferner gekennzeichnet durch Widerstandseinrichtungen (46, 48), die mindestens zu einer Elektrode gehören, um die elektrische Entladung (58) über einen wesentlichen Teil mindestens eines der langgestreckten Elektrodenbereiche (36, 38) zu verteilen.

9. Gaslaser-Vorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodeneinrichtungen zum Erzeugen des elektrischen Feldes im wesentlichen sich nicht umkehrende Polarität aufweisen und dadurch im wesentlichen eine elektrische Gleichstromladung (58) erzeugen.

10. Gaslaser-Vorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodeneinrichtungen zum Erzeugen des elektrischen Feldes Äquipotentiallinien aufweisen, die in dem Resonator (24) geschlossene Kreise bilden.

11. Gaslaser-Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodeneinrichtungen zum Erzeugen des elektrischen Feldes Äquipotentiallinien aufweisen, die in dem Resonator (24) offene Kreise bilden, wobei ein Gradient des elektrischen Feldes ausreicht zum Beibehalten einer kontinuierlichen Auslösung von elektrischen Entladungen (58) in dem Resonator (24).

12. Gaslaser-Vorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die sich gegenüberliegenden Oberflächen (16, 18) im wesentlichen ebene und parallele Oberflächen mit im wesentlichen gleichen Oberflächenabmessungen sind.

13. Gaslaser-Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen (16T, 18T) im wesentlichen zylindrisch sind und koaxial positioniert sind.

14. Gaslaser-Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (24) eine zylindrische Röhre (24T) ist und die Elektrodeneinrichtungen (36, 38) derartig positioniert sind, daß ein elektrisches Feld (39T) hergestellt wird, das im allgemeinen parallel zu der Achse des Zylinderröhrenresonators (24T) ist.

15. Gaslaser-Vorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (26T, 28T) zum Herstellen eines Magnetfeldes mindestens einen Magneten zusammen mit einem entsprechend positionierten ferromagnetischen Material (mit der Folge 30, 31, 32, 33, 12, 14) aufweist, um einen Magnetkreis zu bilden, der das Magnetfeld in dem Resonator (24T) verteilt.

16. Gaslaser-Vorrichtung (10) nach Anspruch 15, ferner dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkreis eine ferromagnetische, im wesentlichen röhrenförmige Struktur (30, 31, 32, 33 und 30P, 31P, 32P, 33P) aufweist, die mindestens den einen Magneten (26, 28, 28P) und den Resonator (24, 24P) umgibt.

17. Gaslaser-Vorrichtung (10) nach Anspruch 15, ferner dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkreis mindestens zwei konzentrische ferromagnetische Zylinder (32A, 30T) aufweist, wobei mindestens ein Teil des Resonators (24T) mindestens in einem Teil des Volumens zwischen den konzentrischen Zylindern (32A, 30T) angeordnet ist.

18. Gaslaser-Vorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Herstellen eines Magnetfeldes einen oder mehrere Dauermagneten aufweist.

19. Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Entladung auf einer im wesentlichen gleichmäßigen, breiten Fläche, mit den folgenden Schritten:

Bereitstellen eines gasgefüllten Resonators (24) zwischen zwei relativ eng beabstandeten Oberflächen (16, 18); Bereitstellen von Elektrodeneinrichtungen (36, 38), wobei die Elektrodeneinrichtungen langgestreckt sind; und

Bereitstellen eines Magnetfeldes (42) in einer Richtung, die im wesentlichen rechtwinklig zu den Oberflächen (16, 18) ist; wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß es ferner folgendes aufweist:

Bereitstellen mindestens einer elektrischen Entladung (58) in dem gasgefüllten Resonator (24), der mit einem elektrischen Feld (39) im wesentlichen parallel zu den sich gegenüberliegenden Oberflächen (16, 18) ausgerichtet ist, damit das Magnetfeld auf die elektrische Entladung reagieren und eine im allgemeinen stabile elektrische Wobbelentladung erzeugen kann, die sich quer zu dem elektrischen Feld über eine Entfernung ausbreitet, die im wesentlichen größer ist als der Abstand zwischen den sich gegenüberliegenden Oberflächen (16, 18), wodurch eine elektrische Entladung auf einer im wesentlichen gleichmäßigen, breiten Fläche (58Z, 58T) erzeugt wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, ferner dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Bereitstellens einer breitflächigen elektrischen Entladung (58Z, 58T) die Positionierung der Elektroden (36, 38) in dem Resonator (24) und das Anlegen elektrischer Leistung an die Elektroden (36, 38) aufweist.

21. Verfahren nach Anspruch 20, ferner dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Herstellens eines Magnetfeldes das Unterstützen mindestens einer der sich gegenüberliegenden Oberflächen (16, 18) mit ferromagnetischem Material (12, 14, 30, 32) und das Positionieren mindestens eines Magneten (26, 28) in der Nähe mindestens eines Teils des ferromagnetischen Materials 12, 14, 30, 32) einschließt.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen (16, 18) im wesentlichen elektrisch isolierend, eben, parallel und eng beabstandet in bezug auf die Oberflächenabmessungen sind.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, ferner dadurch gekennzeichnet, daß erreicht wird, daß die Oberflächen (16T, 18T) im wesentlichen elektrisch isolierend, im wesentlichen zylindrisch und im wesentlichen koaxial und eng beabstandet in bezug auf die Abmessungen sind.

24. Verfahren nach Anspruch 23, ferner gekennzeichnet durch den Schritt des Bereitstellens einer breitflächigen elektrischen Entladung (58T) einschließlich des Positionierens von mindestens zwei Elektrodenringen (36T, 38T) koaxial mit den Oberflächen (16T, 18T).

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 24, ferner gekennzeichnet durch den Schritt des Abkühlens mindestens einer der Oberflächen (16, 18).

26. Verfahren nach Ansprüche 24, ferner dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Bereitstellens eines Magnetfeldes (42T) das Positionieren mindestens eines Magneten (26T, 28T) und mindestens eines ferromagnetischen Zylinders (32A,B,C, 30T) hinter mindestens einer der Oberflächen (16T, 18T) einschließt, um ein radiales Magnetfeld (42T) herzustellen.

27. Verfahren nach Anspruch 20, wobei der Schritt des Positionierens der Elektroden ferner gekennzeichnet ist durch das Ausbilden von zwei sich gegenüberliegenden langgestreckten Elektrodenbereichen (36, 38), die verteilte elektrische Widerstände (46, 48) zum Zweck des Ausbreitens der elektrischen Entladung (58) über mindestens eine wesentliche Länge mindestens eines der langgestreckten Elektrodenbereiche (36, 38) darstellen.

28. Verfahren nach Anspruch 27, wobei der Schritt des Positionierens der Elektroden ferner dadurch gekennzeichnet ist, daß mindestens einer der langgestreckten Elektrodenbereiche (36, 38) eine Elektrodenkomponente (40) aufweist, die ein enger beabstandetes Verhältnis zu dem umgekehrt geladenen Elektrodenbereich (36) hat, wodurch das Auslösen der elektrischen Entladung (58Z) erleichtert wird.