DE3914921A1 - Anordnung zur energieeinkopplung in eine durchstroemte elektrische gasentladung, insbesondere fuer einen gaslaser - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Energieeinkopplung in eine durchströmte elektrische Gasentladung, insbesondere für einen Gaslaser, mit einem Entladungsraum, der von einem Gas mit hoher Geschwindigkeit durch­ strömt wird, wobei die Gasentladung als Gleichfeldentladung zwischen einer in Strömungsrichtung ausgedehnten Anode und einer der Anode gegenüberliegenden Kathode brennt, wobei die Kathode aus mindestens drei, in Strömungsrichtung gesehen, hintereinanderliegenden Einzel-Kathoden zusammengesetzt ist und wobei der Entladungsraum quer zur Strömungsrichtung durch Wände begrenzt ist, wobei die Anode die eine Wand bildet, die parallel zu der durch die Einzel-Kathoden aufgespannten Ebene verläuft.

Eine solche Entladungsvorrichtung in Form eines Gaslasers ist aus der DE-PS 28 56 328 bekannt. Die dort gezeigte Elektrodenanordnung besteht aus einer plattenförmigen Anode und einer dazu parallel verlaufenden Reihe von Einzel-Kathoden in Form von massiven Stäben, die sehr nahe an einer Wand des Gasströmungskanales angeordnet sind. Die Wände des Gasströmungskanales ver­ laufen parallel zueinander, wobei der Kanal durch eine in Strömungsrichtung langgestreckte Anode gebildet ist. Problematisch bei dieser Anordnung ist jedoch, daß sich die Einzel-Kathoden - mit Ausnahme derjenigen, die in Strömungsrichtung gesehen als erste Kathode angeordnet ist, im Strömungsnach­ lauf der jeweils voranstehenden Einzel-Kathode bzw. in deren Totwasser be­ findet. In diesen stark erwärmten Totwassergebieten werden Instabilitäten begünstigt und die Wärmeabfuhr an diesen Einzelkathoden stark beeinträchtigt, so daß insbesondere bei hohen Leistungsdichten, die üblicherweise gefordert sind, eine starke Oxidation der Stäbe erfolgt. Bei Molybdän oder Wolframstäben tritt dieser Effekt beispielsweise ab etwa 600°C zunehmend auf. In dieser DE-PS 28 56 328 wird weiterhin eine Gleichfeld-Vorionisierung beschrieben, die durch mehrere von der Wand des Entladungsraumes vorstehende, stiftförmige Vorionisierungs-Elektroden bewirkt wird. Für die Hilfsentladung im Bereich dieser Vorionisierungs-Elektroden ist eine Leistung in der Größenordnung von 40% der gesamten eingekoppelten Leistung erforderlich.

Um eine zu große Erwärmung der Einzel-Kathoden zu vermeiden, verwendet man häufig rohrförmige Kathoden, beispielsweise aus Kupfer, die von einem Kühl­ medium durchströmt werden. Eine derartige Anordnung ist aus der US-PS 40 77 081 bekannt. Darin wird ein Gaslaser beschrieben, bei dem der Ent­ ladungsraum von 3 Einzel-Kathoden umgeben ist. Diese Einzel-Kathoden werden ständig von einem Kühlmedium durchströmt, um die Wärme abzuführen bzw. eine ausreichend lange Standzeit der Kathoden zu ermöglichen. Erfahrungsgemäß reichen jedoch die auf diese Art und Weise erreichbaren Standzeiten nicht aus, um industrielle Anforderungen zu erfüllen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Anordnung zur Energieeinkopplung in eine durchströmte elektrische Gasentladung, insbesondere für einen Gaslaser der eingangs beschriebenen Art, derart auszugestalten, daß eine hohe Kathoden-Lebensdauer unter maximaler Leistungseinkopplung erreicht wird und insbesondere eine ausreichende Kühlung auch der stromabwärts ge­ legenen Einzel-Kathoden gewährleistet ist, ohne daß hierzu zusätzliche technische Maßnahmen und Bauteile erforderlich sind.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die den Entladungsraum auf der den Einzel-Kathoden zugewandten Seite begrenzende Wand im Bereich der Einzel-Kathoden ihren Abstand kontinuierlich zur gegenüberliegenden Wand bzw. Kathode ändert.

In dieser Anordnung wird dem in den Entladungsbereich einströmenden Gas ein ausreichender Freiraum geboten, um quer zur Strömungsrichtung zu expandieren, so daß die in dem Bereich liegenden Einzel-Kathoden allseitig, d. h. auch von ihrer Vorder- und Rückseite, durch eine Querkomponente der Gasströmung ange­ strömt werden. Schattenbildung, d. h. Bereiche, die von der Gasströmung nicht erreicht werden, treten nicht auf.

Diese Ausführungen gelten für eine Anordnung, bei der sich in Strömungs­ richtung gesehen der Gaskanal erweitert. In einer zu dieser divergenten An­ ordnung des Strömungskanals alternativen Ausführungsform, in der die Seiten­ wand konvergent zu der durch die Einzel-Kathoden aufgespannten Ebene verläuft, wird durch diese konvergent verlaufende Seitenwand eine Strömungsleitfläche gebildet, die die Gasströmung zwischen den Einzel-Kathoden hindurch in den Hauptstrombereich der Gasströmung überführt, so daß auch in diesem Fall die Einzel-Kathoden von einer sich ständig erneuernden gekühlten Gasströmung allseitig umströmt werden. Zur Kühlung dieser Einzel-Kathoden sind, abgesehen von der schräg verlaufenden Wand, keine zusätzlichen Maßnahmen erforderlich. Die Kühlung wird einzig und alleine durch die Gasströmung bewirkt. Je nach dem die geometrischen Erfordernissen kann eine ebene Wand als Strömungsleitwand bzw. als divergierende Wand eingesetzt werden; es ist allerdings auch eine gekrümmte Wand denkbar, um die Strömungsverhältnisse auf die einzelnen Ab­ stände benachbarter Einzel-Kathoden oder unterschiedlich dicker Einzel-Kathoden abzustimmen. Eine in Strömungsrichtung divergent verlaufende Anordnung der Seitenwand, wie sie vorstehend beschrieben ist, soll immer dann eingesetzt werden, wenn die Gefahr besteht, daß eine durch die Einzel-Kathoden-Stäbe selbst erhitzte Gasschicht unmittelbar vor diesen Kathoden mit der Hauptströmung mitgetragen wird und dort zu einem teilweisen Abbau der Laseranregung und einer Verschlechterung des Wirkungsgrades des Lasers führen könnte. Die konvergente Anordnung dieser Seitenwand im Hinblick auf die Einzel-Kathoden sollte immer dann eingesetzt werden, wenn eine ausreichend starke Gasströmung zur Verfügung steht, da dann der Kühleffekt und damit die Lebensdauer der Einzel-Kathoden optimal ist.

Der Abstand der Wand zu jeweils in Strömungsrichtung gesehen benachbarten Einzel-Kathode sollte sich um mindestens 30% des Durchmessers der in Strömungsrichtung gesehen folgenden Einzel-Kathode ändern, so daß sich der Anteil der Gasströmung, der an einer Einzel-Kathode vorbeiströmt und auf die dahinterliegende Einzel-Kathode trifft, sich an dieser Einzel-Kathode derart teilt, daß diese Einzel-Kathode auf beiden Seiten von frischem kühlen Gas umströmt wird.

Der Durchmesser der Einzel-Kathode sollte zwischen 2 mm und 6 mm betragen, um einerseits eine vollständige Kathodenbedeckung (Glimmentladungs-Schicht) zu erreichen und andererseits eine Störung der Gasströmung durch zu große Kathodendurchmesser zu vermeiden.

Eine in Strömungsrichtung gesehen vor der ersten Einzel-Kathode angeordnete dielektrische Vorionisierungs-Hilfselektrode dient dazu, im Bereich der strom­ aufwärts liegenden ersten Einzel-Kathode einen niederohmigen Entladungspfad zu schaffen, da ansonsten die Hauptentladung die Tendenz hätte, hauptsächlich im Bereich der stromabwärts gelegenen Kathoden zu brennen.

Eine Anordnung der Vorionisierungs-Elektrode im gleichen Abstand zwischen Kathode und Anode hat den Vorteil, daß eine zwischen diesen Elektroden brennende Hilfsentladung den gesamten Raum, quer zur Strömungsrichtung des Gases gesehen, zwischen der Kathode und der Anode ausfüllt, so daß im Vorfeld der Haupt-Elektroden eine gleichmäßige Vorionisierung des gesamten einströmen­ den Gasvolumens erhalten wird. Die Hauptentladung zwischen den Einzel-Kathoden und der Anode findet somit einen vollständig vorionisierten Entladungspfad vor, so daß die Hauptentladung auch bei äußerst geringen Stromstärken betrieben werden kann. Im Vergleich zu einer Anordnung ohne eine solche Vorionisierungs-Elektrode wird der Bereich der Hauptentladung stromaufwärts vorverlegt.

In einer vorteilhaften Dimensionierung sollten benachbarte Einzel-Kathoden einen Abstand zueinander von etwa 20 mm aufweisen, so daß bei einer üblichen Länge von etwa 100 mm einer in Strömungsrichtung ausgedehnten Anode fünf Einzel-Kathoden eingesetzt werden. Üblicherweise wird die in Strömungsrichtung gesehen erste Einzel-Kathode in Höhe der Anströmkante der Anode angeordnet, wobei dann, unter Berücksichtigung der vorstehenden Dimensionierung die Anode über die in Strömungsrichtung gesehen letzte Einzel-Kathode übersteht. Die Einzel-Kathoden sind bevorzugt massive Stäbe aus Wolfram oder Molybdän.

Der Winkel α zwischen der Anode und der Tangenten in Strömungsrichtung an die kathodenseitige Wand in Höhe der jeweiligen Kathode ist gegeben durch

wobei
d = der Durchmesser der jeweiligen Einzelkathode und
a = der Abstand zur benachbarten stromaufwärts liegenden Kathode ist
mit einem Winkel α zwischen arctan 5° und arctan 20°.

Mit dieser Dimensionierung werden die Einzel-Kathoden derartig umströmt, daß auch bei extremer Ausnutzung der durch die Thermodynamik des Lasers gegebenen Verhältnisse die Kathoden ausreichend gekühlt werden.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nach­ folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen Gasentladungsraum eines quergeströmten Gaslasers mit mehreren Einzel-Kathoden und deren Beschaltung mit divergierendem Entladungskanal,

Fig. 2 den Entladungskanal nach Fig. 1 mit den darin auftretenden Strömungsverhältnissen und

Fig. 3 einen im Gegensatz zu den Fig. 1 und 2 konvergierenden Strömungskanal.

Die Fig. 1 zeigt den Ausschnitt eines Gasentladungskanales 1 eines Lasers mit Seitenwänden 2, die den Gasentladungskanal quer zur Gasströmung, die durch den Pfeil 3 angedeutet ist, im Haupt-Entladungsbereich 4 begrenzen. Die Hauptent­ ladung findet zwischen mehreren Einzel-Kathoden 5 und einer in Strömungs­ richtung ausgedehnten Anode 6 statt, wobei die erste Einzel-Kathode 5 und die Auströmkante 7 der Anode 6 quer zur Strömungsrichtung des Gases in etwa gleicher Höhe liegen. Die optische Achse des Resonators ist durch den Pfeil 8 angedeutet. Die fünf Einzel-Kathoden 5 spannen eine Ebene auf, die parallel zu der Anode 6 verläuft. Kathode 5 und Anode 6 sind mit einer dc-Stromver­ sorgung 9 verbunden. Die Haupt-Elektroden 5, 6 in Form der Kathode und Anode sind transversal zur Gasströmung, d.h. senkrecht zur Zeichnungsebene ausge­ dehnt. Eine Vorionisierungs-Elektrode 10 ist, in Strömungsrichtung des Gases gesehen, vor der Kathode 5 und der Anode 6 angeordnet, wobei sie einen gleichen Abstand sowohl zur Anode 6 als auch zur Kathode 5 aufweist. Die Vorionisierungs-Elektrode 10 besteht aus einer elektrisch leitenden Seele 11, die von einer Hülle 12 aus dielektrischem Material umgeben ist; bei dem di­ elektrischen Material handelt es sich um Quarzglas.

Die Vorionisierungs-Elektrode 10 ist mit einer Wechselstromversorgung 13 verbunden. Zwischen dieser Vorionisierungs-Elektrode 10 und den Haupt-Elek­ troden 5, 6 brennt eine Hilfsentladung 14, gleichmäßig über die gesamte Breite des Gasentladungskanales 1 quer zur Strömungsrichtung 3. Hierdurch wird im Bereich der Hilfsentladung 14 das Gas eingangsseitig der Haupt-Elektroden 5, 6 vollständig und gleichmäßig vorionisiert. Es wird unter Aufwendung eines geringen Energiebedarfes eine sofortige Zündung der Haupt-Entladung 4 zwischen den Haupt-Elektroden 5, 6 erhalten. Bereits bei sehr geringen Stromstärken an den Haupt-Elektroden 5, 6 kann eine stabile Haupt-Entladung 4 aufrechterhalten werden.

Die einzelnen Einzel-Kathoden 5 weisen einen gleichen Abstand zueinander auf und sind mit der dc-Stromversorgung 9 über jeweils einen Vorwiderstand, abge­ sehen von der stromaufwärts liegenden ersten Einzel-Kathode 5, mit einem Vorwiderstand 15 verbunden. Die den Einzel-Kathoden 5 unmittelbar benachbarte Seitenwand 2 verläuft in Strömungsrichtung gesehen in den Ausführungen nach den Fig. 1 und 2 divergierend zu der durch die Einzel-Kathoden 5 aufge­ spannten Ebene bzw. zu der Fläche der Anode 6, die auf der gegenüberliegenden Seite den Strömungskanal begrenzt. Die divergierende Seitenwand 2 und die Ebene der Einzel-Kathoden 5 schließt dabei einen Winkel a von etwa 10°. Durch diese Anordnung der Seitenwand 2 expandiert die in diesem Bereich eintretende Gasströmung derart, daß die einzelnen Kathoden 5, insbesondere in dem Bereich zwischenbenachbarten Kathoden, durch die Strömungspfeile 16 angedeutet, um­ strömt werden, da sich durch die Energieeinbringung das Volumen vergrößert und die Gasströmung dadurch expandiert. An den Außenflächen der Einzel-Kathoden 5 strömt ständig frisches und damit relativ kühles Gas vorbei und führt die an den Flächen der Einzel-Kathoden 5 auftretende Wärme ab. Da auf den Gesamtquerschnitt des Entladungskanales die Gasdichte vom Eintreten in den divergierenden Bereich eintretenden Zone bis zum Bereich der letzten Einzel-Kathode bei Vollast um etwa 50% durch den angegebenen Verlauf der Seitenwand 2 abnimmt, ergibt sich eine ausreichende Strömung quer zur Hauptströmungsrichtung.

In einer zu den Fig. 1 und 2 alternativen Ausführungsform ist der Strömungskanal nach Fig. 3 in Richtung der Gasströmung 3 gesehen konvergierend ausgebildet, d.h. die den Einzel-Kathoden 5 benachbarte Seiten­ wand 2 verringert ihren Abstand von der ersten Einzel-Kathode 5 zu der letzten Einzel-Kathode 5 hin aufgespannten Ebene, wobei der durch die Einzel- Kathoden 5 aufgespannte Ebene und dieser konvergierenden Seitenwand 2 einge­ schlossene Winkel α ebenfalls 12° beträgt. Während nach den Fig. 1 und 2 die Einzel-Kathoden 5 von der Hauptströmung zur Seitenwand 2 hin, wie dies durch die Strömungspfeile 16 angedeutet ist, umströmt werden, verläuft die Umströmung der Einzel-Kathoden 5 in der Ausführungsform nach Fig. 3 in umge­ kehrter Richtung, d.h. von der Seitenwand 2 in Richtung der Hauptströmung und damit in den Bereich der Haupt-Entladung 4. Auch in dieser Ausführungsform werden die Einzel-Kathoden, d.h. alle Einzel-Kathoden von der ersten bis zur letzten Einzel-Kathode 5, ausreichend von frischem, gekühltem Gas umströmt, so daß ausreichende Wärme von diesen Einzel-Kathoden 5 abgeführt wird.

Claims (9)

1. Anordnung zur Energieeinkopplung in eine durchströmte elektrische Gasent­ ladung, insbesondere für einen Gaslaser, mit einem Entladungsraum, der von einem Gas mit hoher Geschwindigkeit durchströmt wird, wobei die Gasent­ ladung als Gleichfeldentladung zwischen einer in Strömungsrichtung ausge­ dehnten Anode und einer der Anode gegenüberliegenden Kathode brennt, wobei die Kathode aus mindestens drei, in Strömungsrichtung gesehen, hinterein­ anderliegenden Einzel-Kathoden zusammengesetzt ist und wobei der Entladungsraum quer zur Strömungsrichtung durch Wände begrenzt ist, wobei die Anode die eine Wand bildet, die parallel zu der durch die Einzel- Kathoden aufgespannten Ebene verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß die den Entladungsraum (4) auf der den Einzel-Kathoden (5) zugewandten Seite begrenzende Wand (2) im Bereich der Einzel-Kathoden (5) ihren Abstand kontinuierlich zur gegenüberliegenden Wand (2) bzw. Anode (6) ändert.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Abstand der Wand (2) zu jeweils in Strömungsrichtung (3) gesehen benachbarten Einzel-Kathoden (5) um mindestens 30% des Durchmessers der in Strömungs­ richtung (3) gesehen folgenden Einzel-Kathode (5) ändert.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durch­ messer der Einzel-Kathoden (5) zwischen 2 mm und 6 mm beträgt.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung (3) gesehen vor der ersten Einzel-Kathode (5) eine Vorionisierungs-Hilfselektrode (10) angeordnet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorioni­ sierungs-Hilfselektrode (10) im gleichen Abstand von der ersten Einzel- Kathode (5) und der Anströmkante (7) der Anode (6) angeordnet ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, durch gekennzeichnet, daß benachbarte Einzel-Kathoden (5) einen Abstand zueinander von etwa 20 mm aufweisen.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel α zwischen der Anode (6) und der Tangenten in Strömungs­ richtung an die kathodenseitige Wand (2) in Höhe der jeweiligen Kathode (5) gegeben ist durch wobei
d = der Durchmesser der jeweiligen Einzel-Kathode und
a = der Abstand zur benachbarten stromaufwärts liegenden Kathoden (5) ist
mit einem Winkel α zwischen 5° und 20°.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzel-Kathoden massive Stäbe sind.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzel-Kathoden aus Wolfram oder Molybdän sind.