DE3914923A1 - Entladungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Entladungsvorrichtung, insbesondere für einen Gaslaser, mit einem Entladungsraum, der von einem Gas mit hoher Geschwindig­ keit durchströmt wird, wobei die Gasentladung als Gleichfeldentladung zwischen einer Anode und einer der Anode gegenüberliegenden Kathode als Haupt-Elek­ troden, die transversal zur Gasströmung ausgedehnt sind, brennt, und mit mindestens einer wechselfeld-gespeisten, mit dielektrischem Material umhüllten Vorionisierungs-Elektrode, die eine annähernd der Kathode und Anode ent­ sprechende Länge aufweist und in Strömungsrichtung des Gases gesehen vor der Kathode und/oder der Anode liegt.

Eine solche Entladungsvorrichtung in Form eines Gaslasers ist aus der US-PS 44 88 309 bekannt. Dieser Gaslaser besitzt eine in Strömungsrichtung ausgedehnte Anode, die einseitig den Gasentladungskanal für das Gas begrenzt; dieser Anode liegen mehrere stiftförmige Einzel-Kathoden gegenüber, die transversal zur Gasströmung verlaufen und jeweils über hochohmige Vorwider­ stände mit der Gleichstromversorgung verbunden sind. Zwischen der Anode und den Einzel-Kathoden ist etwa mittig eine stabförmige Vorionisierungs-Elektrode angeordnet, die einen leitenden Kern, eingehüllt in einen dielektrischen Überzug, besitzt. Durch die in der Mitte des Gaskanals angeordnete Vor­ ionisierungs-Elektrode werden unerwünschte Turbulenzen erzeugt, die Strömungs­ verluste zur Folge haben. Die Vorionisierungs-Elektrode ist mit einer Wechsel­ stromversorgung verbunden. Außerdem ist zwischen der Anode und dem Masse­ potential eine Kapazität, sowie zwischen dem Ausgang der Stromversorgung und der Anode eine Induktivität vorhanden, die als Energiespeicher zum Pulsen dienen. Kapazität und Induktivität müssen für eine hohe Puls-Energie ausgelegt sein, um die Dauerleistung der Gleichstromversorgung gering halten zu können. Mit dieser Anordnung wird eine stabile dc-Glimm-Entladung bewirkt, die sich leicht schalten und Pulsen läßt, d. h. ein gutes Startverhalten zeigt; außerdem sinkt die Entladungsspannung der dc-Entladung. Bei dieser Schaltung brennt die Vorionisierungs-Entladung ausschließlich zwischen der einen Vorionisierungs- Elektrode und der Anode, da sich im Kathoden-Kreis hochohmige Vorwiderstände befinden. Dies hat zur Folge, daß das Gasvolumen im Entladungsraum nur un­ gleichmäßig vorionisiert wird und der Leistungsbedarf hierzu relativ hoch ist. Der Aufwand für die Stromversorgung ist hoch, da die Bereitstellung von hoch­ frequenter Wechselstromleistung im Vergleich zur Gleichstromversorgung unver­ hältnismäßig teuer ist.

Aus der DE-PS 28 56 328 ist eine weitere Entladungsvorrichtung für ein gas­ förmiges Medium angegeben, bei der die Hilfsentladung eine Gleichfeld-Vorioni­ sierung ist, die durch mehrere von der Wand des Entladungsraumes vorstehende, stiftförmige Vorionisierungs-Elektroden bewirkt wird. Für die Hilfsentladung ist eine Leistung in der Größenordnung von 40% der gesamten eingekoppelten Leistung erforderlich. Dieser Gesichtspunkt erhält zusätzlich dadurch Be­ deutung, daß die einzelnen Hilfselektroden zur Stabilisierung der Zusatzent­ ladung mit hochohmigen Vorwiderständen versehen sind, die zusätzlich einen beachtlichen Leistungsverlust verursachen. Weiterer Aufwand entsteht, wenn die Entladung schnell geschaltet werden soll, da entweder zwei unabhängige Ver­ sorgungsspannungen verwendet werden müssen oder Haupt- und Hilfsentladungs­ gebiet deutlich voneinander zu trennen sind.

Eine Ausführungsform derartiger Vorionisierungs-Einrichtungen ist aus der WO 82/01 281 bekannt. Insbesondere wird dort die Form von Einzel-Zusatz­ elektroden für die Gleichfeld-Vorionisierung beschrieben, wobei als mögliche Formen Scheiben, T-förmige Haken, U-förmige Haken und L-förmige Haken, die in den Entladungsraum hineinragen, angegeben werden. Diese Vorionisierungs-Ein­ richtung erfordert einen hohen Leistungsbedarf.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Entladungsvor­ richtung, insbesondere einen Gaslaser, der eingangs beschriebenen Art derart auszubilden, daß bei einem geringen Wechselfeld-Leistungsbedarf eine hohe Ionisationsleistung erhalten wird, wobei das gesamte zwischen Kathode und Anode vorhandene Volumen des einströmenden Gases vorionisiert wird.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß mindestens zwei Vorionisierungs-Elek­ troden vorhanden sind, von denen die eine der Kathode und die andere der Anode in Strömungsrichtung vorgelagert ist, und daß die Vorionisierungs-Elektroden phasenverschoben zueinander geschaltet sind. Die Anordnung von zwei Vorioni­ sierungs-Elektroden nahe bei den jeweiligen Haupt-Elektroden, d. h. nahe bei der Kathode und nahe bei der Anode, hat den Vorteil, daß sie außerhalb der Hauptströmung des Gases liegen, und damit keine nennenswerten Störungen der Gasströmung verursachen. Die zwischen diesen beiden Vorionisierungs-Elektroden brennende Hilfsentladung füllt den gesamten Raum, quer zur Strömungsrichtung des Gases gesehen, zwischen der Kathode und der Anode aus, so daß im Vorfeld der Haupt-Elektroden eine gleichmäßige Vorionisierung des gesamten einströmen­ den Gasvolumens erhalten wird. Die Vorionisierungs-Elektroden können sich dabei durchaus soweit an den Rändern des Gasentladungskanales befinden, daß sie unmittelbar den Haupt-Elektroden vorgelagert sind bzw. sich außerhalb des Strömungsbereiches zwischen den Haupt-Elektroden befinden; im letzteren Fall sind die Vorionisierungs-Elektroden näher an den Wänden des Gasentladungs­ kanals als die Haupt-Elektroden. Wesentlich bei der Anordnung der Vorioni­ sierungs-Elektroden im Bereich der Haupt-Elektroden ist, daß diese allseitig vom Gas umströmt werden, um dadurch einen Kühleffekt zu erhalten; diese Kühlung ist insbesondere im Bereich der Kathode erforderlich. Insofern sollten die Vorionisierungs-Elektroden, wie bereits vorstehend erwähnt, geringfügig, in Strömungsrichtung des Gases gesehen, zu den Haupt-Elektroden seitlich versetzt sein. Die für eine ac-Entladung erforderlichen Potentialunterschiede an den Vorionisierungs-Elektroden werden durch die unterschiedliche Phasenlage der an den beiden Vorionisierungs-Elektroden angelegten Versorgungs-Spannung erzeugt.

Die Hauptentladung findet somit einen zwischen den beiden Haupt-Elektroden vollständig vorionisierten Entladungspfad vor, so daß zum einen die Hauptent­ ladung auch bei äußerst geringen Stromstärken betrieben werden kann und zum anderen ein problemloses Schalten und Pulsen möglich ist; der erforderliche Energiebedarf wird hierdurch sehr gering gehalten.

Zwischen den mindestens zwei Vorionisierungs-Elektroden können weitere Vor­ ionisierungs-Elektroden parallel zueinander verlaufend angeordnet sein, wobei benachbarte Vorionisierungs-Elektroden phasenverschoben zueinander geschaltet sind. Hierdurch wird erreicht, daß die einzelnen ac-Entladungsstrecken kürzer und damit die benötigten Entladungsspannungen kleiner werden. Dies setzt die Gefahr von elektrischen Überschlägen bzw. parasitären Entladungen an den Elektrodenzuführungen wesentlich herab. Weiterhin ergibt sich so die Möglich­ keit, durch die sich im Strömungskanal befindenden Elektrodenstäbe die Strömung, beziehungsweise deren Turbulenzgrad, gezielt zu beeinflussen.

Die Verbindung der den Haupt-Elektroden unmittelbar benachbarten jeweiligen Vorionisierungs-Elektroden über eine Kapazität mit der ihr jeweils gegenüber­ liegenden Haupt-Elektrode stellt eine einfache Möglichkeit einer niederohmigen Verbindung der Vorionisierungs-Elektroden mit den Haupt-Elektroden dar.

Als Kapazitäten werden vorteilhafterweise einstellbare Kapazitäten verwendet, so daß ein individueller Abgleich erfolgen kann. Die Verbindung mindestens einer der Haupt-Elektroden mit der ihr schaltungsmäßig zugeordneten, gegen­ überliegenden Vorionisierungs-Elektrode über eine Induktivität mit der Gleich­ stromquelle bringt den Vorteil mit sich, daß ein möglicherweise auftretender, parasitärer ac-Stromfluß über die dc-Stromversorgung unterdrückt wird.

In der Realität spielen die Einflüsse der kapazitiven Kopplung von ac- und dc-System über Elektroden und Zuleitungen, sowie die Induktivitäten von elektrischen Leitungen, Elektroden und vor allem der dc-Stromversorgung selbst eine große Rolle. Dies bedeutet, daß durch Einfügen von zusätzlichen Induktivitäten und Kapazitäten das ganze System so abgestimmt werden sollte, daß die ac-Entladung, beziehungsweise die kombinierte ac/dc-Hilfsentladung sowohl die Strecke zwischen den dielektrischen Vorionisierungs-Elektroden als auch die beiden Einzelstrecken mit annähernd gleicher Intensität erfüllt.

Um den ac-Stromkreis für die Vorionisierungs-Elektroden und den dc-Stromkreis für die Haupt-Elektroden in eine feste Zuordnung zueinander zu bringen, weist die Wechselfeld-Versorgung der Vorionisierungs-Elektroden einen Ausgangs- Transformator auf, dessen Sekundärwicklung zum einen mit den Vorionsierungs- Elektroden verbunden ist, zum anderen eine Zwischenanzapfung aufweist, die auf Erdpotential liegt. Dadurch, daß auch die Wandung des Entladungsraumes bzw. das gesamte Entladungsgefäß auf Erdpotential liegt, und auch, wie vorstehend ausgeführt, die dc-Stromversorgung eine Verbindung mit dem Erdpotential hat, wird diese Kopplung bewirkt. Diese Zwischenanzapfung der Sekundärwicklung des Ausgangs-Transformators ist dann asymmetrisch auszuführen, wenn z. B. unter­ schiedliche Flächen von Anode und Kathode zu unterschiedlichen Entladungs­ kapazitäten führen, die dann zum Erhalt gleichmäßiger Teilentladungen über diese asymmetrische Anzapfung ausgeglichen werden.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nach­ folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen Gasentladungsraum mit einer Vorionisierungs-Einrichtung, die zwei Vorionisierungs-Elektroden aufweist,

Fig. 2 eine im Aufbau der Fig. 1 ähnliche Anordnung, wobei die Vor­ ionisierungs-Elektroden gegenüber Fig. 1 in einer abgewandelten Form geschaltet sind und

Fig. 3 eine den Fig. 1 und 2 entprechende Anordnung mit weiteren Vor­ ionisierungs-Elektroden.

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 einer Kathode 5 und einer in Strömungsrichtung ausge­ dehnten Anode 6 statt, wobei die Kathode 5 und die Anströmkante 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. Kathode 5 und Anode 6 sind mit einer dc-Stromversorgung 9 verbunden. Die Haupt-Elek­ troden 5, 6 in Form der Kathode und Anode sind transversal zur Gasströmung, d.h. senkrecht zur Zeichnungsebene ausgedehnt. Zwei Vorionisierungs-Elek­ troden 10 und 11 sind, in Strömungsrichtung des Gases gesehen, vor der Kathode 5 und der Anode 6 angeordnet, wobei die der Anode 6 zugeordnete Vor­ ionisierungs-Elektrode 11 unmittelbar vor der Vorderkante mit Abstand zu dieser positioniert ist, während die der Kathode 5 zugeordnete Vorioni­ sierungs-Elektrode 10 seitlich zur Seitenwand 2 des Gasentladungskanales hin versetzt ist. Durch diese seitliche Versetzung wird die hinter der Vorioni­ sierungs-Elektrode 10 liegende Kathode 5 ungehindert durch das Gas angeströmt und bei ungestörter Strömung gekühlt. Die beiden Vorionisierungs-Elektroden bestehen aus einer elektrisch leitenden Seele 12, die von einer Hülle 13 aus dielektrischem Material umgeben ist; bei dem dielektrischen Material handelt es sich um Quarzglas. Die beiden Vorionisierungs-Elektroden 10, 11 sind mit den Enden der Sekundärwicklung 14 eines Ausgangs-Transformators 15 der Wechselstromversorgung 16 verbunden. Mit diesem Transformator 15 wird bei geringer Spannung der Primärseite eine hohe Spannung auf der Sekundärseite als Stromversorgung für die Vorionisierungs-Elektroden 10, 11 bereitgestellt, gleichzeitig aber auch eine Phasenverschiebung der Spannung der Vorioni­ sierungs Elektroden 10, 11 zueinander erreicht, um einen Potentialunterschied zwischen diesen Elektroden zu erhalten. Zwischen diesen beiden Vorioni­ sierungs-Elektroden 10, 11 brennt eine Hilfsentladung 17, durch die Positionierung der beiden Vorionisierungs-Elektroden 10, 11 im Gasentladungs­ kanal, gleichmäßig über die gesamte Breite des Gasentladungskanales 1 quer zur Strömungsrichtung 3. Hierdurch wird im Bereich der Hilfsentladung 17 das Gas eingangsseitig der Haupt-Elektroden 5, 6 vollständig und gleichmäßig vorioni­ siert. 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 aufrechterhalten werden.

Im Gegensatz zu der Ausführungsform nach Fig. 1 ist in Fig. 2 die dc-Strom­ versorgung der Haupt-Elektroden 5, 6 und die ac-Stromversorgung 16 der Vor­ ionisierungs-Elektroden 10, 11 miteinander über einstellbare Kondensatoren 18 gekoppelt, und zwar gegenphasig, d. h. die der Kathode 5 zugeordnete Vorioni­ sierungs-Elektrode 10 ist über die einstellbare Kapazität 18 mit der Anode 6 und die der Anode 6 zugeordnete Vorionisierungs-Elektrode 11 über die ein­ stellbare Kapazität 18 mit der Anode 5 verbunden. Weiterhin sind die Kapazi­ täten 18 und die Anode 6 bzw. die Kathode 5 mit der dc-Stromversorgung der Haupt-Elektroden 5, 6 über jeweils eine Induktivität 19 verbunden. Zusätzlich sind in Fig. 2 die zwischen den Vorionisierungs-Elektroden 10 und 11 sowie die zwischen der Vorionisierungs-Elektrode 10 und der Kathode 5 sowie der Vorionisierungs-Elektrode 11 und der Anode 6 vorhandenen Entladungskapazitäten durch angedeutete Kondensator-Schaltsymbole 20 eingezeichnet. Durch das Zu­ sammenwirken des Transformators 15, der einstellbaren Kondensatoren 18, der Induktivitäten 19 und der Entladungskapazitäten 20 zwischen den Vorioni­ sierungs-Elektroden 10 und 11 einerseits und den Haupt-Elektroden 5, 6 andererseits entsteht eine über die Kapazitäten 18 abstimmbare gegenphasige Kompensationsschaltung, die insbesondere eine Feinabstimmung unter Berück­ sichtigung der geometrischen Verhältnisse im Entladungs-Raum des Lasers während seiner Inbetriebnahme ermöglicht. An der Sekundärwicklung 14 des Transformators 15 ist eine auf Erdpotential liegende Zwischenanzapfung 21 angedeutet, die verhindert, daß sowohl das Potential der Vorionisierungs- Elektroden 10, 11 als auch das Potential der Haupt-Elektroden 5, 6 in Richtung einer der Haupt-Elektroden 5,6 sich verschiebt. Die Anzapfung der Sekundärwicklung 14 ist auf die Gesamtlänge der Wicklung gesehen außermittig, um die unterschiedliche geometrische Ausdehnung der beiden Haupt-Elektroden 5, 6 zu kompensieren; im Gegensatz zu der Darstellung nach Fig. 2 kann auch die Zwischen-Anzapfung 21 zur Kathode 5 hin verschoben sein.

In Fig. 3 ist, im Gegensatz zu den Ausführungsformen in Fig. 1 und 2, zu­ sätzlich zu den beiden äußeren Vorionisierungs-Elektroden 10, 11 zwei weitere Vorionisierungs-Elektroden 22, 23 eingefügt, wobei alle Vorionisierungs-Elek­ troden 10, 11, 22, 23 parallel zueinander verlaufen. Diese weiteren Vorioni­ sierungs-Elektroden 22, 23 sind überkreuz mit den beiden äußeren Vorioni­ sierungs-Elektroden 10, 11 geschaltet, um zu den jeweils benachbarten Vorioni­ sierungs-Elektroden eine Phasenverschiebung zu erhalten. Hierdurch werden kurze Einzelentladungsstrecken zwischen den benachbarten Vorionisierungs-Elek­ troden 10, 22, 23, 11 erhalten, für die im Vergleich zu den Ausführungsformen nach den Fig. 1 und 2 geringere Entladungsspannungen ausreichen. Die Anzahl dieser weiteren Vorionsierungs-Elektroden sollte gering gehalten werden, um den freien Strömungsquerschnitt für das Gas nicht unnötig zu stören. Während eine gerade Anzahl an weiteren Vorionisierungs-Elektroden 22, 23 zwischen den beiden äußeren Vorionisierungs-Elektroden 10, 11 eine einfache Beschaltung wechselweise mit den äußeren Elektroden 10, 11 ermöglicht, kann selbstver­ ständlich auch eine ungerade Anzahl an weiteren Vorionisierungs-Elektroden zwischen den beiden äußeren Vorionisierungs-Elektroden 10, 11 realisiert werden. Beispielsweise ist es möglich, eine einzelne weitere Vorionisierungs- Elektrode zusätzlich zu den beiden Vorionisierungs-Elektroden 22 und 23 einzu­ fügen, oder aber die beiden weiteren Vorionisierungs-Elektroden 22, 23 durch eine einzelne zu ersetzen. Eine solche die weiteren Vorionisierungs-Elektroden zu einer ungeraden Anzahl ergänzende Vorionisierungs-Elektrode kann über eine spezielle Kompensationsschaltung mit den übrigen Vorionisierungs-Elektroden derart verbunden werden, daß eine gleichmäßige Entladungsintensität zwischen allen Elektroden erreicht wird.

Claims (7)

1. Entladungsvorrichtung, insbesondere für einen Gaslaser, mit einem Ent­ ladungsraum, der von einem Gas mit hoher Geschwindigkeit durchströmt wird, wobei die Gasentladung als Gleichfeldentladung zwischen einer Anode und einer der Anode gegenüberliegenden Kathode als Haupt-Elektroden, die transversal zur Gasströmung ausgedehnt sind, brennt, und mit mindestens einer wechselfeld-gespeisten, mit dielektrischem Material umhüllten Vor­ ionisierungs-Elektrode, die eine annähernd der Kathode und Anode ent­ sprechende Länge aufweist und in Strömungsrichtung des Gases gesehen vor der Kathode und/oder der Anode liegt, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Vorionisierungs-Elektroden (10, 11) vorhanden sind, von denen die eine (10) der Kathode (5) und die andere (11) der Anode (6) in Strömungsrichtung (3) vorgelagert ist, und daß die Vorionisierungs-Elek­ troden (10, 11) phasenverschoben zueinander geschaltet sind.

2. Entladungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Vorionisierungs-Elektrode (11) mit der Anode (6) und die andere Vorionisierungs-Elektrode mit (10) der Kathode (5) niederohmig hinsicht­ lich des Vorionisierungs-Wechselstromes verbunden ist.

3. Entladungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den mindestens zwei Vorionisierungs-Elektroden (10, 11) weitere Vorionisierungs-Elektroden (22, 23) parallel zueinander verlaufend ange­ ordnet sind, wobei benachbarte Vorionisierungs-Elektroden (10, 22, 23, 11) phasenverschoben zueinander geschaltet sind.

4. Entladungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Haupt-Elektroden (5, 6) unmittelbar benachbarte jeweilige Vor­ ionisierungs-Elektrode (10, 11) über eine Kapazität (18) mit der ihr jeweils gegenüberliegenden Haupt-Elektrode (6, 5) verbunden ist.

5. Entladungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitäten (18) einstellbare Kapazitäten sind.

6. Entladungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens eine der Haupt-Elektroden (5, 6) und die ihr schaltungsmäßig zugeordnete, gegenüberliegende Vorionisierungs-Elek­ trode (11, 10) über eine Induktivität (19) mit der Gleichstromquelle (9) verbunden ist.

7. Entladungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wechselfeld-Versorgung (16) der Vorionisierungs-Elek­ troden (10, 11, 22, 23) einen Ausgangs-Transformator (15) aufweist, dessen Sekundärwicklung (14) zum einen mit den Vorionisierungs-Elek­ troden (10, 11, 22, 23) verbunden ist und zum anderen eine Zwischenan­ zapfung (21) aufweist, die auf Erdpotential liegt.