DE3722323A1 - Oszillator zum speisen einer gasentladungsstrecke - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Oszillator zum Speisen einer Gasentladungsstrecke, insbesondere eines Gaslasers, mit einer Leistungsstufe, der Speise- Energie von einer Betriebsspannungsquelle zugeführt wird, die hochfrequente elektromagnetische Energie über Elektroden an die Gasentladungsstrecke abgibt und die pulsförmig betrieben wird.

So wird durch hochfrequente Entladungen in einem Laser- Gas ein Gaslaser angeregt. Dazu werden Elektroden außen auf ein Resonator-Rohr, z.B. aus Glas, aufge­ bracht und an den Hochfrequenz-Oszillator ange­ schlossen. Die Frequenz kann an sich beliebig sein; es hat sich jedoch gezeigt, daß höhere Frequenzen, wie z.B. 13,56 MHz oder 27,12 MHz optimal sind, weil die an die Elektroden anzulegenden Spannungen mit zunehmender Frequenz abnehmen.

Die optimalen Bedingungen für die Gasentladung, z.B. für einen Laser, hängen u.a. von der Gaszusammen­ setzung, vom Druck und von der Temperatur des durch die Entladung angeregten Plasmas ab. Es ist daher erforderlich, die zugeführte hochfrequente Leistung weitgehend konstant zu halten.

Um die erforderliche Ionisation zum Herstellen des Plasmas in dem Gas sicherzustellen, ist eine Mindest­ feldstärke des Wechselfeldes im Entladungsraum zwischen den Elektroden erforderlich, und zur Auf­ rechterhaltung des Plasmas muß die Leistungszufuhr einen Mindestwert überschreiten. Will man eine kleinere, mittlere Ausgangsleistung erhalten, so muß die Entladungsstrecke gepulst betrieben werden, d.h., daß Intervalle mit die erwähnte Mindest­ leistung überschreitender Leistung abwechseln mit Intervallen, in denen die Gasentladungsstrecke nicht angeregt wird. Dazu kann der Oszillator ge­ pulst betrieben werden. Ein solcher Oszillator bestand bisher aus einem Hochfrequenz-Leistungsver­ stärker mit einem vorgeschalteten Impuls-Modulator. Solche Verstärker sind meist mehrstufig und ver­ hältnismäßig teuer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Oszillator der eingangs erwähnten Art so auszu­ bilden, daß er einfacher und billiger, jedoch wie die bekannten Oszillatoren leicht bedienbar ist.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch ge­ löst, daß die Leistungsstufe als selbstschwingen­ der Oszillator ausgebildet ist und daß die Länge und/oder die Frequenz der steuernden Impulse zur Konstanthaltung der der Gasentladungsstrecke zu­ geführten Leistung und/oder der Hochfrequenz­ spannung an den Elektroden geregelt wird.

Normalerweise sind die Schwingungen eines selbst­ erregten Oszillators von der Betriebsspannung stark abhängig, so daß diese Betriebsspannung konstant gehalten werden muß, um konstante Be­ triebsbedingungen zu schaffen. Das dafür notwen­ dige Regelsystem erhöht den Gesamtaufwand erheblich.

Bei einem Oszillator nach der Erfindung erfolgt eine Regelung an der vom Oszillator betriebenen Gasentladungsstrecke. Diese Regelung umfaßt dann auch etwaige, durch die Betriebsspannung bedingten Veränderungen, so daß ohne zusätzlichen Aufwand insgesamt ein stabiler Betrieb erreicht wird.

In dem gesamten System der Gasentladungsstrecke, ins­ besondere einem Lasersystem (Plasma und Wirkungs­ bereich) tritt eine gewisse thermische Trägheit mit einer gegenüber der Puls-Frequenz großen Zeitkon­ stante auf; dies führt zu einer Integration der diskontinuierlichen Leistungszufuhr an die Gasent­ ladungsstrecke durch die thermischen Wirkungen. Auch wenn ein Betrieb mit voller Leistung, wie sie bei einer kontinuierlichen Schwingungserzeugung (CW-Betrieb) auftritt, angestrebt wird, ist es zulässig, daß noch Steuerimpulse mit einer kleinen Austastlücke auftreten, mit der Änderungen der Versorgungsspannung ausgeregelt werden können. Typische Pulszeiten liegen zwischen 30 und 300 µs, und die Pulszeiten liegen zwischen 10 und 90% einer Impulsperiode.

Die Regelung kann auf konstante Hochfrequenz-Leistung erfolgen, indem ein von der Hochfrequenz-Leistung abgeleiteter Meßwert gegenüber einem Sollwert kon­ stant gehalten wird. Es kann auch die Hochfrequenz- Leistung gemessen und auf konstante Arbeit (Leistung mal Zeit), vorzugsweise innerhalb jeder Impulsperiode, geregelt werden.

Nach einer anderen Ausführungsform kann die Hochfre­ quenz-Spannung an den Elektroden der Gasentladungs­ strecke gemessen und dann durch die Pegelung kon­ stant gehalten werden. Zweckmäßig kann die Hoch­ frequenz-Spannung an den Elektroden gemessen und die Spannungs-Zeit-Fläche der Pulse konstant gehalten werden.

Die Leistung im Plasma hängt in der Regel nach einer bestimmten Funktion, z.B. einer quadratischen Funk­ tion, von der Elektrodenspannung bzw. ihrer Änderung ab, wobei mit der Leistungsänderung außerdem die betriebsmäßigen Werte des Plasmas beeinflußt werden. Es ist daher zweckmäßig, bei einer Messung der Elektrodenspannung die Pulslänge nach einer ent­ sprechenden nicht-linearen, z.B. exponentiellen oder einem Potenzgesetz entsprechenden Funktion zu beeinflussen. Deren Form, insbesondere der Exponent einer Potenz, kann entsprechend eingestellt werden, um die gewünschten Eigenschaften des Plasmas zu stabilisieren.

Nach einer anderen Ausführung der Erfindung kann die Ausgangsleistung der Gasentladungsstrecke, z.B. eines Lasers, gemessen und konstant gehalten werden.

Vorzugsweise kann die Regelung integrierend ausge­ bildet werden und somit mit einer bestimmten Zeit­ konstante einen Mittelwert konstant regeln.

Nach einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Messung im Bereich jedes Impulses durchgeführt und für die folgenden Impulse korrigierend wirksam gemacht werden.

Um ein sicheres Anschwingen des Oszillators zu bewirken, wird nach einer bevorzugten Ausführungs­ form dem den Oszillator in Betrieb setzenden Steuer­ impuls am Anfang ein zusätzlicher Aufsteuerimpuls überlagert. Um ein sicheres Abschalten des Oszillators am Steuerimpuls-Ende zu gewährleisten, kann am Ende des Steuerimpulses dem Oszillator ein zusätzlicher Sperrimpuls zugeführt werden.

Nach einer anderen vorteilhaften Ausführungsform sind der Oszillator und die Gasentladungsstrecken- Anordnung, z.B. der Laser, im gleichen Gehäuse untergebracht und durch, vorzugsweise abgestimmte, Koppelglieder miteinander verbunden. So wird ein raumsparender Aufbau erreicht, weil dabei die Hoch­ frequenzverbindung zwischen dem Oszillator und der Gasentladungsstrecke besonders kurz ausgebildet sind und nur platzsparende Koppelglieder die Ver­ bindung herstellen.

Da die Hochfrequenz führenden Teile des Oszillators wie auch die Gasentladungsstrecke selbst Hochfre­ quenzstörungen erzeugen können, soll nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung das Ge­ häuse für die Hochfrequenz-Schwingungen abschirmend ausgebildet sein, so daß weder vom Oszillator noch von der Gasentladungsstrecke nennenswerte Störungen in die Umgebung austreten können.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert, in der

Fig. 1 einen selbstschwingenden Oszillator mit an­ gekoppeltem Laserresonator und den Schaltstufen zur Ansteuerung zeigt, während

Fig. 2 eine Gittersteuerstufe mit mehr Details wiedergibt.

In Fig. 1 ist eine Röhren-Triode 1 über eine Anoden­ drossel 2 an den positiven Pol + einer Betriebsspan­ nungsquelle 3 angeschlossen, die an ihrer anderen Seite mit Erde verbunden ist. Die Kathode der Röhre 1 liegt ebenfalls an Erde.

Dem Gitter der Röhre 1 werden über eine Gitterdros­ sel 4 von einer Steuerklemme 5 steuernde breiten­ modulierte Impulse zugeführt. Das von der Röhre 1 abgewandte Ende der Drossel 4 ist über einen Filter­ kondensator 6 geerdet.

Eine Schwingkreis-Induktivität 7 ist einerseits über einen Trennkondensator 8 mit der Anode der Röhre 1 und andererseits mit dem Gitter der Röhre 1 verbunden, das über einen Rückkopplungskondensator 9 an Erde angeschaltet ist.

Die Röhre 1 ist so als selbstschwingender Oszillator geschaltet, wobei gewünschtenfalls in an sich be­ kannter Weise noch ein die Frequenz stabilisierendes Resonanzelement, z.B. ein Schwingquarz, eingeschaltet sein können.

Über einen, vorzugsweise einstellbaren, Koppelkon­ densator 10 ist der Verbindungspunkt der Induktivität 7 und des Kondensators 8 an eine Elektrode 11 eines Laserresonators 12 angeschlossen, dessen andere Elek­ trode 13 an Erde liegt. In dem Resonator 12 wird bei anliegender hochfrequenter Wechselspannung ein Gas­ plasma angeregt.

Ein Teil der zwischen den Elektroden 11 und 13 auf­ tretenden Hochfrequenzspannung wird über einen, vorzugsweise abgleichbaren, Teilerkondensator 14 einem Demodulator 15 zugeführt. In diesem wird eine pulsierende Gleichspannung erhalten, die, gegebenen­ falls nach Mittelwertbildung über ein integrierendes Glied vom Ausgang 16 einem Komparator 17 zugeführt, in dem die erwähnte Gleichspannung mit einem, vorzugsweise einstellbaren, Festwert verglichen wird, der vom Abgriff 18 eines mit Gleichspannung gespeisten Potentiometers 19 dem Eingang 20 des Komparators 17 zugeführt wird.

Am Ausgang 21 des Komparators 17 tritt bei Abweichun­ gen des Sollwertes der Hochfrequenzspannung am Laser 12 ein Fehlersignal auf, das dem Steuereingang 22 eines Impulsgenerators 23 zugeführt wird. Der Takt­ eingang 24 des Impulsgenerators 23 ist mit einem Taktgenerator 25 verbunden.

Im Impulsgenerator 23 werden Steuerimpulse gebildet, deren Breite entsprechend dem Fehlersignal vom Ausgang 21 des Komparators 17 verändert werden kann. Diese in der Breite modulierten Steuerimpulse werden von einem Ausgang 26 dem Eingang 27 einer Gitter­ steuerstufe 28 zugeführt, deren Ausgang mit der Steuerklemme 5 des Oszillators mit der Triode 1 verbunden ist.

Mit dem Koppelkondensator 10 wird die Spannung an den Elektroden 11, 13 für einen optimalen Betrieb des Lasers 12 eingestellt. Mit dem Teilerkonden­ sator 14 oder durch Schaltungselemente in der Gleich­ richterstufe 15 wird die Höhe des durch Gleichrich­ tung der Hochfrequenzspannung erhaltenen Gleich­ spannungswertes bei der entsprechenden Spannungs­ höhe des Steuerimpulses aus dem Generator 23 und bei dem Nennwert der Betriebsspannung von der Quelle 3 auf einen gewünschten Wert angeglichen.

Sinkt, z.B. wegen Verringerung der Betriebsspannung, die Amplitude des Hochfrequenz-Spannungspulses ab, wird über die dargestellte Regelanordnung der Steuer­ impuls verlängert, so daß mehr Energie von der Triode 1 an den Laser 12 abgegeben wird und so auch der Mittel­ wert der Hochfrequenzspannung an den Elektroden 11, 13 wieder in Richtung auf den Sollwert vergrößert wird.

Die dem Plasma im Laser 12 zugeführte Leistung hängt nicht-linear von der zwischen den Elektroden 11 und 13 über den Teilerkondensator 15 entnommene und durch Gleichrichtung in der Stufe 15 gemessene Hochfrequenz­ spannung ab, z.B. nach einem quadratischen Gesetz. Die Gasentladungsstrecke selbst kann zu der nicht- linearen Abhängigkeit infolge ihrer Entladungscha­ rakteristik beitragen. Es kann daher zweckmäßig sein, das Fehlersignal vom Ausgang 21 dadurch kleiner zu halten, daß der vom Gleichrichter 15 am Ausgang 16 erhaltene Wert über eine Funktionsstufe 29 geführt und dort entsprechend den zu berücksichtigenden nicht-linearen Funktionen verformt wird.

Für die Regelung sind definierte Flanken des von dem selbstschwingenden Oszillator mit der Röhre 1 ab­ gegebenen Hochfrequenz-Pulses erwünscht. Die Impulse vom Ausgang 26 des Impulsgenerators 23 werden daher auch einer ersten und einer zweiten Umformungsstufe 30 und 31 zugeführt. Die erste Umformungsstufe 30 liefert an den Eingang 32 der Gittersteuerstufe 28 einen überhöhten Kurzimpuls, der dem auftastenden Steuer­ impuls am Eingang 27 einen überhöhten Kurzimpuls überlagert, der das Verstärkerelement, die Triode 1, bis zur maximal möglichen Leistung auftastet. Um auch eine möglichst schnelle Sperrung des Oszillators 1 zu erreichen, wird von der Umformungsstufe 31 an den Eingang 33 der Gittersteuerstufe 28 ein kurzer steiler Sperrimpuls überlagert, der die Röhre 1 in kürzester Zeit stromlos macht und so sperrt.

Die hochfrequenzführenden Teile um die Triode 1 und den Laser 12 sind in einem durch die gestrichelte Linie 34 angedeuteten Gehäuse hochfrequenzdicht eingeschlossen, damit nicht störende Felder nach außen dringen können.

Fig. 2 zeigt mit Einzelheiten eine Schaltung der Gittersteuerstufe 28.

Zwischen der mit dem Gitter der Triode 1 verbundenen Klemme 5 und Erde liegt die Reihenschaltung eines ersten und eines zweiten Gitterwiderstandes 41 bzw. 42. Der Abgriffpunkt zwischen beiden Widerständen ist über einen dritten Gitterwiderstand 43 mit einer negativen Vorspannungsquelle 44 verbunden. Dadurch wird dem zweiten Gitterwiderstand 42 eine negative Sperrspannung zugeführt, die die Röhre 1 stromlos hält. Dem zweiten Gitterwiderstand 42 ist die Kollek­ tor-Emitter-Strecke eines Transistors 45 parallel geschaltet. Wenn diesem von der Klemme 27 die nor­ malen Impulse zugeführt werden, wird dieser Tran­ sistor 45 geöffnet und somit der zweite Gitterwider­ stand 42 überbrückt. Dann kann die Triode in an sich bekannter Weise selbstschwingend arbeiten.

Beim Einschalten der Steuerimpulse wird von der Klemme 32 weiter ein Transistor 46 stromdurchlässig, mit dem eine Verbindung zwischen einer positiven Vorspannungsquelle 47 zur Gitterleitung der Röhre 1 an der Klemme 5 hergestellt wird. Die Röhre 1 wird dadurch momentan maximal geöffnet, so daß der Oszillator sofort mit voller Amplitude anschwingt. Der Eingang 33 ist mit der Basis eines Transistors 48 verbunden, dessen Kollektor-Emitter-Strecke bei An­ steuerung durch einen Sperrimpuls eine direkte Ver­ bindung zwischen der negativen Spannungsquelle 44 und der Steuerklemme 5 herstellt. Wenn am Eingang 33 der kurze Sperrimpuls auftritt, wird dann die Röhre 1 momentan sofort stromlos gesteuert, so daß die Hoch­ frequenzschwingungen unterbrochen werden.

Durch den dritten Gitterwiderstand 43 zwischen der negativen Speisequelle 44 und Erde wird verhindert, daß ein unzulässiger Strom von der Quelle 44 nach Erde auftritt, wenn der Transistor 45 leitend ge­ steuert ist.

Außerdem wird dadurch die im Ruhezustand am Wider­ stand 42 auftretende negative Spannung eingestellt, mit der die Triode 1 stromlos gehalten wird, wenn kein Ansteuerimpuls von der Klemme 27, also in den Impuls-Pausen auftritt.

Claims (14)

1. Oszillator zum Speisen einer Gasentladungsstrecke, insbesondere eines Gaslasers, mit einer Leistungs­ stufe, der Speise-Energie von einer Betriebsspan­ nungsquelle zugeführt wird, die hochfrequente elektromagnetische Energie über Elektroden an die Gasentladungsstrecke abgibt und die pulsförmig betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsstufe (1) als selbstschwingender Oszillator ausgebildet ist und daß die Länge und/ oder die Frequenz der steuernden Impulse (an 5) zur Konstanthaltung der der Gasentladungsstrecke (12) zugeführten Leistung und/oder der Hochfrequenz­ spannung an den Elektroden (11, 13) geregelt wird.

2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf konstante Hochfrequenz-Leistung geregelt wird.

3. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenz-Leistung gemessen und auf konstante Arbeit (Leistung mal Zeit) geregelt wird.

4. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzspannung an den Elektroden (11, 13) der Gasentladungsstrecke (12) gemessen und konstant gehalten wird.

5. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzspannung an den Elektroden (11, 13) der Gasentladungsstrecke (12) gemessen und die Spannungs-Zeit-Fläche der zugeführten Leistungs-Pulse (von 1) konstant gehalten wird.

6. Oszillator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungs-Zeit-Fläche nach einer bestimm­ ten Funktion, z.B. nach einer Exponentialfunktion und/oder entsprechend einer Potenz und/oder loga­ rithmisch verändert wird.

7. Oszillator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktion dem Plasmaverhalten angepaßt ist.

8. Oszillator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Laser-Ausgangsleistung gemessen und kon­ stant gehalten wird.

9. Oszillator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung integrierend mit einer bestimm­ ten Zeitkonstante ausgebildet ist.

10. Oszillator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich jedes Pulses gemessen wird und die folgenden Pulse eine Korrektur erfahren.

11. Oszillator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem den Oszillator (1) in Betrieb setzenden Steuerimpuls (an 27) am Anfang ein zusätzlicher Aufsteuerimpuls (an 32) überlagert wird.

12. Oszillator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem den Oszillator (1) in Betrieb setzenden Steuerimpuls (an 27) am Ende ein zusätzlicher Sperrimpuls (an 33) überlagert wird.

13. Oszillator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (1) und die Gasentladungs­ strecken-Anordnung (11, 12, 13) im gleichen Ge­ häuse (34) untergebracht und durch, vorzugsweise abgestimmte, Koppelglieder (10) miteinander verbunden sind.

14. Oszillator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (34) für die Hochfrequenz-Schwin­ gungen undurchlässig und abschirmend ausgebildet ist.