DE3930699C2 - Vorrichtung zur Energieeinkopplung in eine durchströmte elektrische Gasentladung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieeinkopplung in eine durchströmte elektrische Gasentladung, insbesondere eines Gaslasers, mit einem Entladungsraum, der von einem Gas mit hoher Geschwindigkeit durchströmt wird, wobei die Gasentladung als Gleichfeldentladung zwischen einer Anode und wenigstens einer der Anode gegenüberliegenden Kathode brennt und die Kathode in Strömungsrichtung gesehen in mehrere, mindestens jedoch zwei, hintereinanderliegende Einzel-Kathoden unterteilt ist, wobei den jeweiligen Einzel-Kathoden zur Stromversorgung der Gasentladung einzelne Spannungsquellen zugeordnet sind, und anströmseitig des Entladungsraumes eine Vorionisierungseinrichtung angeordnet ist.

Eine solche Vorrichtung ist aus der DE-OS 34 46 145 bekannt. Diese Druck­ schrift beschreibt einen Gleichstrom-Entladungsgaslaser mit einem Stromver­ sorgungsteil, der eine regelbare Wechselspannungsquelle mit hoher Innenimpedanz, einen der Wechselspannungsquelle nachgeschalteten Gleichrichter und einen Ladekondensator aufweist, der an den Ausgang des Gleichrichters und parallel zur Gasentladungsstrecke des Gaslasers geschaltet ist. Zwischen der Wechselspannungsquelle und dem Ladekondensator ist zwecks galvanischer Auf­ trennung ein Transformator geschaltet. Weiterhin ist es möglich, zwischen den Ausgangsanschlüssen der Wechselspannungsquelle Primärwicklungen von mehreren Transformatoren anzuschließen, wobei jeweils die Sekundärwicklungen der Trans­ formatoren jeweils einen Gaslaser speisen.

Die gesamte vom Laser benötigte elektrische Leistung wird über die Halb­ leiter-Schalt-Bauelemente und die galvanisch trennenden Zwischentrans­ formatoren geführt. Der Wirkungsgrad ist hoch und liegt bei ca. 85%.

Diese Leistungsübertragung ist für längsgeströmte Laser mit Leistungen bis zu einigen kW geeignet und wird auch so vielfach ausgeführt. Für quergeströmte Hochleistungslaser von 5 kW und mehr, mit einem elektrischen Leistungsbedarf von 50-150 kW, ist der bautechnische und auch kostenmäßige Aufwand an Leistungsschalthalbleitern und Transformatoren, die für die Arbeitsfrequenz von 20-300 kHz geeignet sind, unrealistisch hoch, so daß bisher keine derartigen Lösungen bekannt sind.

Eine weitere 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 Strömungsschatten befindet. In diesen stark erwärmten Strömungsschattengebieten 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 der 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 Größen­ ordnung von 40% der gesamten eingekoppelten Leistung erforderlich.

Um eine zu große Erwärmung der Einzel-Kathoden zu vermeiden, werden häufig rohrförmige Kathoden verwendet, beispielsweise aus Kupfer, die von einem Kühlmedium durchströmt werden. Eine derartige Anordnung ist aus der US-PS 40 77 018 bekannt. Darin wird ein Gaslaser beschrieben, bei dem der Entladungsraum von drei 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. Die Potentialdifferenz zwischen den Kathoden wird über Ballastwiderstände fest eingestellt.

Eine andere 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; der Anode liegen mehrere stiftförmige Einzel-Kathoden gegenüber, die trans­ versal zur Gasströmung verlaufen und jeweils über hochohmige Vorwiderstände 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. Die Vorionisierungs-Elektrode ist mit einer Wechselstromversorgung verbunden. Außerdem ist zwischen der Anode und dem Massepotential eine Kapazität sowie zwischen dem Ausgang der Stromversorgung und der Anode eine Induktivität vorhanden, die als Energiespeicher zum Impulsbetrieb 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 (Gleichspannungs-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 Vorionisierungs-Elektrode und der Anode, da sich im Kathoden-Kreis hochohmige Vorwiderstände befinden. Dies hat zur Folge, daß das Gasvolumen im Entladungsraum nur ungleichmäßig vorionisiert wird und der Leistungsbedarf hierzu relativ hoch ist. Der Aufwand für die Stromversorgung ist hoch, da die Bereitstellung von hochfrequenter Wechselstromleistung im Vergleich zur Gleichstromversorgung unverhältnismäßig teuer ist.

Eine Ausführungsform anderer Vorionisierungseinrichtungen 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 Vorionisierungseinrichtung erfordert einen hohen Leistungsbedarf.

Die zunehmende Verwendung von Hochleistungslasern in der Materialbearbeitung bringt es mit sich, daß immer höhere Ansprüche an die Wirtschaftlichkeit und die technischen Eigenschaften der Geräte gestellt werden. Insbesondere der Gesamtwirkungsgrad des Lasers sowie die kontrollierte, schnelle Regelung der Laserleistung zur Beeinflussung des Arbeitsprozesses (beispielsweise Schneiden oder Schweißen) im Zeitbereich von <1 ms sind hier von Interesse. Neben einer Optimierung des Wirkungsgrades der einzelnen Komponenten sind die Einkopplung der elektrischen Leistung in das Lasermedium und die Anpassung des Entladungs­ volumens an die Resonatorgeometrie (oder umgekehrt) von größter Bedeutung. Speziell für quergeströmte Lager ermöglicht das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung eine in dem gewünschten Frequenzbereich pulsbare Anregung des Lasermediums mit besonders hohem Gesamtwirkungsgrad.

Für die elektrische Anregung des laseraktiven Mediums von Hochleistungslasern, vorzugsweise CO₂-Lasern, sind eine Reihe unterschiedlicher Anordnungen bekannt, die jedoch nicht die oben genannten Anforderungen gleichzeitig erfüllen können.

Bei der Gleichstromanregung sind zur Stabilisierung der Entladung Vorwider­ stände erforderlich, die den elektrischen Wirkungsgrad auf 60-70% absenken. Bei quergeströmten Lasern ist darüber hinaus eine starke Segmentierung der Elektroden erforderlich, die zusammen mit der bei höheren Leistungen unumgäng­ lichen Kühlung einen hohen Baukostenaufwand bedeuten.

Die Regelung der Laserleistung erfolgt durch Regeln der Versorgungsspannung mit Hilfe von 6- oder 12pulsigen Thyristorstellern bzw. Thyristorbrücken. Um die bei der Phasenschnittsteuerung gegebene Spannungsmodulation (bis zu 100%) auf das für technische Anwendungen erforderliche Maß von <1% zu reduzieren, sind Glättungsdrosseln erforderlich. Durch diese Induktivitäten und die relativ niedrige Netzfrequenz von 50 Hz - die Brückenfrequenz wird damit 300 Hz bei der 6pulsigen und 600 Hz bei der 12pulsigen Thyristorbrücke - wird die Regelverzögerung ca. 100 ms, eine Zeitkonstante, die für viele Schneid- und Schweißaufgaben zu lang ist.

Die Verwendung von Elektronen-Röhren als Längsregler ergibt zwar eine ausreichende Regelgeschwindigkeit, der Gesamtwirkungsgrad wird durch die Röhren aber derartig ungünstig, daß diese technische Möglichkeit nur für längsgeströmte Lager geringer Leistung genutzt wird.

Weiterhin ist zur Anregung von Molekülgasen in Lasern die Anwendung von modulierbaren Hochfrequenzgeneratoren bekannt. Die Einkopplung der elektrischen Leistung in das Lasermedium erfolgt dabei über dielektrisch umhüllte oder rein metallische Elektroden.

Der elektrische Gesamtwirkungsgrad der bei höherer Leistung mit Röhren bestückten Hochfrequenz-Generatoren und der Schaltungen zur Kompensation der Blindkomponenten des Elektrodensystems liegt im Bereich von 40-50%. Dabei muß die gesamte vom Laser im Entladungsraum benötigte Leistung vom HF-Generator geliefert werden.

Die Gewinnung der Laseranregungsleistung aus einem modulierbaren Hoch­ frequenz-Generator ermöglicht jedoch die kontrollierte Regelung der Laser­ energie zur Beeinflussung des Arbeitsprozesses, wie Schneiden, Schweißen und Härten, im Zeitbereich von ca. 100 µs. Die hohen Betriebskosten, bedingt durch den geringen Wirkungsgrad des HF-Generators, den hohen Wartungsaufwand und die hohen Anschaffungskosten wurden bisher wegen der schnellen Regelbarkeit in Kauf genommen.

Die Anpassung der Entladungsgeometrie an die Geometrie des Laserresonators gelingt nur bei längsgeströmten Lasern in guter Näherung. Beim quergeströmten Laserprinzip, das im Leistungsbereich <5 kW bevorzugt angewandt wird, gelingt diese Anpassung, und damit ein hoher optischer Wirkungsgrad des Resonators, nur unvollständig.

In der GB-A 21 63 896 wird eine aufwendige Anordnung mit schwenkbaren Elektroden beschrieben, die eine theoretische Teillösung zur Anpassung der Entladung an die Resonatorgeometrie bringen soll.

Die DE-OS 37 05 881, beschreibt einen Gaslaser-Generator, welcher mehrere Elektroden aufweist, die in Fließrichtung des Gases angeordnet sind. Um im Laserhohlraum eine gleichförmige Entladung zu erhalten, wird das stromaufwärts erzeugte elektrische Feld größer als das stromabwärts erhaltene Feld eingestellt. Es handelt sich um eine einstellbare Vorrichtung.

Die DE-OS 37 05 165 beschreibt eine mit Entladungserregung arbeitende Laservorrichtung für kurze Impulse, welche eine Schaltung sowie eine Hilfselektrode zur Vorionisierung aufweist.

Aus der DE-OS 31 38 622 ist es bekannt, eine Vielzahl nebeneinander angeordneter Entladungskammern mit Mittenelektroden vorzusehen, die von ringförmigen Außenelektroden umgeben sind.

In der EP-OS 267 592 sind sogenannte Vorionisierungs-Pins (PIP) mit ihren Versorgungsschaltungen beschrieben.

Weiterhin ist es aus der EP-OS 235 788 bekannt, Vorionisierungselektroden oberhalb der angeströmten Hauptelektrode anzuordnen.

Die US-PS 4 574 381 beschreibt eine Hochleistungslaservorrichtung mit Vorionisierungselektrode und Arbeitselektroden.

Aus der US-PS 4,156,208 sind drahtförmige Vorionisierungselektroden 37, 38 bekannt, die jeweils unterhalb von rohrförmigen Kathoden angeordnet sind, wobei die Anoden in Einzelsegmente unterteilt sind.

Die CH-PS 629 342 beschreibt einen Querstromgaslaser hoher Leistung mit Kathoden und Anoden, wobei die Anoden in Zonen aus glatten Knöpfen aus Metall (Nickel oder Kupfer) aufgeteilt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hohe elektrische Leistung im Regel­ bereich von 0-100%, durch eine Führungsspannung von 0-10 V definiert, in sehr kleiner Regelzeit, kleiner 50 µs, in ein strömendes Gasgemisch, das als Lasermedium dient, mit hohem elektrischen Wirkungsgrad ohne verlustbe­ haftete Widerstände quer zur Gasstromrichtung einzukoppeln, wobei die Möglich­ keit eines modularen Aufbaues gegeben ist. Weiterhin soll eine hohe Stabilität des Regelverhaltens erzielt werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jede Einzel-Kathode durch mindestens eine schnelle, unabhängig regelnde Schaltnetzteil-Versorgung mit Konstantstrom-Charakteristik versorgt wird, wobei jedes Schaltnetzteil als Gleichstromstellglied ausgebildet ist, das über wenigstens eine ihr zugeordnete Teilspannungsquelle mit der Anode verbunden ist, daß der jeweilige Kathodenstrom als Regelgröße mit einem der jeweiligen Einzel-Kathode zugeordneten Sollwert verglichen wird und bei Regelabweichung ein Stellsignal an das Gleichstromstellglied abgegeben wird, wobei die den Gleichstromstellgliedern zugeorndeten Teilspannungsquellen in Serie geschaltet sind.

Als vorteilhaft erweist sich nach dem Gegenstand der Erfindung der hohe elektrische Wirkungsgrad, da der Schaltregler direkt galvanisch in den Laser­ stromkreis integriert ist und ohne verlustbehaftete Widerstände die negative Widerstands-Charakteristik der Entladungsstrecke durch seine Konstantstrom-Charakteristik kompensiert.

Als vorteilhaft erweist sich die Serienschaltung der Gleichspannungsquellen, wodurch die verhältnismäßig hohe Abschaltspannung im Bereich von 1500 V bis 2000 V auch mit Halbleitern mit einer max. Spannung von 1000 V beherrscht werden kann.

Als steuerbares Schaltelement innerhalb des Gleichstromstellgliedes wird ein Feldeffekt-Transistor eingesetzt, dessen kurze Schaltzeiten bei Regelabweichung des Kathodenstroms eine rasche Nachregelung bis zum Erreichen des vorgegebenen Sollwertes ermöglichen.

Zwischen der Anode und den Kathoden-Gleichspannungsquellen kann zusätzlich eine ungeregelte Anoden-Gleichspannungsquelle geschaltet werden; auf diese Weise ist eine Erhöhung der geregelten Leistung ohne zusätzliche Schaltregler möglich.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die Einzel-Kathoden in quer zur Strömungsrichtung des Gases verlaufende Teilabschnitte unterteilt, wobei jeder Teilabschnitt jeder Einzel-Kathode von einem unabhängig geregelten Schaltnetzteil versorgt wird. Dabei erweist es sich als vorteilhaft, daß das Verhältnis der Teilkathodenströme den jeweiligen Gastemperatur- und Betriebszuständen optimal angepaßt werden kann. Dabei werden alle Schaltnetzteile aus dem gleichen Takt-Generator angesteuert, so daß keinerlei Verschiebungen der gewünschten Kathodenstrom-Verhältnisse aufgrund gegenphasiger Welligkeit der Spannungspotentiale der Einzel-Kathoden auftreten können.

Weiterhin ist in einer bevorzugten Ausführungsform die Anode quer zur Strömungsrichtung gesehen in mehrere nebeneinanderliegende Einzel-Anoden bzw. Teilabschnitte innerhalb von Einzel-Anoden unterteilt; dabei wird jede Einzel-Anode oder jeder Teilabschnitt von einem unabhängig regelnden Schalt­ netzteil versorgt.

Aufgrund dieser Maßnahme ist es möglich, eine Bogenbildung wirksam zu unterdrücken. Da Anodensegmente in den Randbereichen mit verringertem Strom betrieben werden können, wird eine Anpassung an die Gas-Randströmung ermöglicht.

Zur Vorionisierung des einströmenden Gases sind eine oder mehrere dielektrisch umhüllte Elektroden vorgesehen, die von einem Wechselspannungs-Generator gespeist werden, welcher eine Konstantstrom-Charakteristik aufweist.

Die Kathoden-Gleichspannungsquellen haben ein negatives Spannungspotential gegenüber dem den Entladungsraum umgebenden Gehäuse, die Anoden weisen ein positives Potential gegenüber dem Gehäuse auf. Als vorteilhaft erweist sich dabei, daß die Entstehung von unerwünschten Glimmentladungen an den Spannungs­ durchführungen durch die Laserkesselwand und den Stromzuführungen zu den Elektroden mit verhältnismäßig geringen Isolationsabständen sicher, einfach und kostengünstig verhindert werden kann; weiterhin wird die Ausbildung von unkontrollierten Bogenentladungen von der positiven Anode zu metallischen Gasleitblechen, Krümmern und den Laserkessel vermieden.

Das Verhältnis der Kathodenströme ist über eine Sollwert-Ansteuerung der Schaltnetzteile wählbar, wobei die Stellglieder der Schaltnetzteile durch einen Wechselspannungs-Generator synchron gesteuert werden und einzelne Einzel-Kathoden für sich abschaltbar sind. Dabei erweist es sich als vorteil­ haft, daß das Verhältnis der Kathodenströme den jeweiligen Gastemperatur- und Betriebszuständen angepaßt werden kann, wobei die Regelung der Leistung auto­ matisch erfolgt.

Den Einzel-Kathoden sind jeweils Kathodenstrom-Begrenzungseinrichtungen zuge­ ordnet, um bei Überschreiten eines zulässigen Stromwertes den Strompfad der betroffenen Einzel-Kathode aufzutrennen. Die Kathodenstrom-Begrenzungsein­ richtung weist ein Zeitglied auf, das nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit den Strompfad wieder schließt und den Kathodenstrom nach einer vorgegebenen Funktion auf den ursprünglichen Sollwert des Kathodenstromes ansteigen läßt. Bei mehreren aufeinanderfolgenden Abschaltungen wird dies durch eine Inte­ grationsschaltung erfaßt und nach Erreichen eines Grenzwertes die Entladung kontrolliert abgeschaltet; hierbei erweist es sich als vorteilhaft, daß eine dauerhafte Beschädigung durch ständiges Überschreiten des Kathodenstromes mit Sicherheit vermieden werden kann. Nach dem Abschaltvorgang erfolgt eine kontrollierte Glimmentladung über einen Hilfswiderstand bzw. einen Hilfs­ widerstand und eine zusätzliche Spannungsquelle. Zur Ansteuerung und Modulation des Wechselspannung-Generators ist ein Puls-Pausen-Modulator vor­ gesehen, der eine Impulsfolgefrequenz zwischen 12 kHz und 0,6 Hz abgibt.

Der Einschaltvorgang für die Entladung und den Puls-Pausen-Modulator (welcher phasenstarr mit dem Wechselspannungsgenerator synchronisiert ist) ist dabei mit dem Einschaltbefehl synchronisiert. Hierbei erweist es sich als vorteil­ haft, daß keinerlei Verschiebung der gewünschten Stromverhältnisse aufgrund von Kathoden-Spannungsunterschieden auftreten kann. Ein weiterer Vorteil ist in den beiden Möglichkeiten zur Regelung der Laserleistung zu sehen, die einmal durch Veränderung des Tastverhältnisses des Puls-Pausen-Modulators und davon unabhängig durch Regelung der Kathodenströme erfolgen kann. Neben einer hohen Stabilität des Regelungsverhaltens läßt sich so eine optimale Anpassung an den jeweiligen Anwendungsfall erzielen.

Weiterhin werden in einer bevorzugten Ausführungsform Teilabschnitte von benachbarten Einzel-Elektroden, die quer zur Strömungsrichtung des Gases auf etwa gleicher Höhe angeordnet sind, über ein Schaltnetzteil mit mindestens jeweils einer Schaltinduktivität, die jedem Teilabschnitt zugeordnet ist, betrieben. Hierdurch ist es möglich, die Entladungsbedingungen auch bei zwei parallelen Kathoden zu stabilisieren. In einer weiteren Ausführungs­ form sind zwei Einzel-Kathoden oder zumindest zwei Teilabschnitte von Einzel-Kathoden eines ersten und zweiten Entladungsmoduls jeweils über ein Schaltungsnetzteil und mindestens jeweils eine Schaltinduktivität, jeder Einzel-Kathode oder jedem Teilabschnitt zugeordnet ist, miteinander gekoppelt. Aufgrund dieser Anordnung lassen sich stabile Entladungsbedingungen in jedem Entladungs-Modul erzielen.

Im folgenden ist der Gegenstand anhand der Fig. 1 bis 9 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in einem Querschnitt quer zur Gasströmungsrichtung die nach vorne geöffnete Vorrichtung mit ihren Strömungswegen und Elektroden.

Fig. 2 zeigt in einer schematischen Darstellung den Entladungsbereich der Vorionisierung , Anode und Teil-Kathode sowie den zugehörigen steuer­ baren Schaltnetzteilen, in

Fig. 3 ist die elektrische Schaltung für eine der Anode gegenüberliegende Teil-Kathode dargestellt,

Fig. 4 zeigt eine entsprechende Anwendung mit mehreren Teil-Kathoden,

Fig. 5 zeigt mehrere Schaltnetzteile, welche an das zentrale Generatorsystem und den Modulator angeschlossen sind, in

Fig. 6 ist das Spannungsstrom-Kennlinienfeld einer Glimmentladung in Laser-Gas-Gemisch darstellt,

Fig. 7 ist die Aufteilung der Anode in verschiedene Anodensegmente dargestellt,

Fig. 8 zeigt beispielhaft eine Segmentierung der Kathoden bei gleichzeitiger Reihenbildung in Richtung der Gasströmung und einer versetzenden Ver­ schiebung der betreffenden Reihen, in

Fig. 9 sind zwei miteinander gekoppelte Entladungsmodule dargestellt.

Der Laser besitzt gemäß Fig. 1 ein langgestrecktes, im Querschnitt kreis­ rundes Gehäuse 1 dessen gesamter Querschnitt durch einen geschlossenen Gas­ strömungskanal 2 ausgefüllt ist. Die Achse des Gehäuses 1 ist mit dem Bezugs­ zeichen 3 bezeichnet. In dem Gasströmungskanal 2 wird, durch die Strömungs­ pfeile 4 angedeutet, über ein Querstrom-Gebläse 5 eine Gasströmung aufrechter­ halten. Die Gebläse-Achse 6 verläuft parallel zur Achse 3 des Gehäuses 1. Das Gebläse 5 besitzt einen aus einzelnen Schaufeln 7 zusammengesetzten Schaufel-Kranz 8, dessen Drehrichtung durch den Drehpfeil 9 angedeutet ist. Die einzelnen Schaufeln 7 des Schaufel-Kranzes 8 des Gebläses 5 stehen frei, so daß der Gasstrom durch diesen Schaufel-Kranz 8 hindurchtreten kann. Auf der Saugseite 10 ist in dem Gas-Strömungskanal 2 ein Kühler 11 eingesetzt, um den Gasstrom eingangs des Gebläses 5 abzukühlen. Auf der Druckseite 12 verengt sich der Gasströmungskanal 2 zum Entladungsraum 13 hin, der sich im Anschluß an den Entladungsraum 13 in Form eines Diffusors 14 wieder aufweitet. Am Ende des Strömungskörpers 15 wird die Gasströmung um etwa 180° zu dem Kühler 11 hin umgeleitet. Die optische Achse des Lasers verläuft parallel zu der Achse 3 des Gehäuses 1 und der Gebläse-Achse 6. An der Innenwand 16 des Gasströmungskanals 2, die durch den Strömungskörper 15 gebildet wird, wird die Druckseite 12 von der Saugseite 10 des Gebläses 5 durch einen in Richtung der Achse 6 des Gebläses 5 ausgedehnten Strömungsleitkörper 17, der ein Teil des Strömungskörpers 15 ist, getrennt.

Eingangsseitig des Entladungsraumes ist etwa mittig zwischen den den Ent­ ladungsraum begrenzenden Seitenwänden eine Vorionisierungs-Elektrode 18 ange­ ordnet. Im Entladungsraum befindet sich an der Innenwand 16 des Strömungs­ körpers 15 eine in Strömungsrichtung 4 ausgedehnte Anode 19, der vier Einzel-Kathoden 20 gegenüberliegen, die von der ihnen zugeordneten Seitenwand geringfügig beabstandet sind.

Der Bereich des Entladungsraumes 13 ist in einer vergrößerten Darstellung in Fig. 2 zu sehen.

Die Vorionisierungs-Elektrode 18 ist, in Strömungsrichtung des Gases gesehen, vor der ersten Einzel-Kathode 20 und der Anode 19 angeordnet, wobei sie einen gleichen Abstand sowohl zur Anode 19 als auch zur Kathode 20 aufweist. Die Vorionisierungs-Elektrode 18 besteht aus einer elektrisch leitenden Seele 21, die von einer Hülle 22 aus dielektrischem Material umgeben ist; bei dem di­ elektrischen Material handelt es sich beispielsweise um Quarzglas oder Keramik.

Die Vorionisierungs-Elektrode 18 ist, wie Fig. 2 zeigt, mit einem Wechsel­ spannungs-Generator 23 verbunden. Zwischen dieser Vorionisierungs-Elektrode 18 und den Elektroden 19, 20 brennt eine Hilfsentladung gleichmäßig über die gesamte Breite des Gasströmungskanals 2 quer zur Strömungsrichtung. Hierdurch wird im Bereich der Hilfsentladung das Gas eingangsseitig der Elek­ troden 19, 20 vollständig und gleichmäßig vorionisiert. Es wird unter Auf­ wendung eines geringen Energiebedarfes eine sofortige Zündung der Haupt-Ent­ ladung zwischen den Elektroden erhalten. Bereits bei geringen Stromstärken an den Elektroden kann eine stabile Haupt-Entladung aufrechterhalten werden.

Das Gleichstrompotential zur Speisung der Elektroden 19, 20 wird durch schnelle, voneinander unabhängig geregelte Schaltnetzteile 24 mit einge­ prägter Stromcharakteristik aus den Teilspannungsquellen 26 in Serienschaltung mit einer ungeregelten Anoden-Gleichspannungsquelle 25 ohne verlustbehaftete Widerstände gewonnen.

Durch die entsprechende Aufteilung der Stromversorgung über die Schaltnetz­ teile 24 an die in Reihe geschalteten Teilspannungsquellen 26 kann zum einen erreicht werden, daß die für Leistungstransistoren geltende Höchst-Sperr­ spannung von ca. 1000 V nicht überschritten wird, zum anderen aber auch die Potentialdifferenz gegenüber dem Gehäuse gering gehalten werden.

Um einen hohen optischen Wirkungsgrad des quergeströmten Lasers zu erreichen, kann die Entladungsgeometrie der Geometrie des optischen Resonators voll­ ständig angeglichen werden. Bei einer planen Anodenfläche hat die Aufteilung der Kathode zu mehreren Einzel-Kathoden in Strömungsrichtung des Gases den Vorteil, daß der Entladungsquerschnitt an den optischen Resonator angepaßt werden kann.

Hinzu kommt, daß bei einer hohen Ausnutzung des im Entladungsbereich strömen­ den Gases eine Abnahme der Dichte n des Lasermediums in Strömungsrichtung 4 durch Temperaturerhöhung erfolgt. Für einen maximalen optischen Wirkungsgrad des Resonators ist in Strömungsrichtung 4 eine Beibehaltung der optimalen reduzierten Feldstärke E/n anzustreben. Dies wird durch die Versorgung jeder Einzel-Kathode 20 mit einem eigenen Schaltnetzteil 24 erreicht, mit der die der örtlichen Dichte entsprechende Brennspannung einstellbar ist, und die den Einzel-Kathoden 20 zugeführte Leistung in Strömungsrichtung 4 abstimmbar ist, und das Verhältnis der Kathodenströme, den jeweiligen Gastemperatur- und Betriebszuständen angepaßt werden kann.

Zwecks besserer Übersicht wurde in dieser Figur auf die Darstellung der An­ steuerung der Schaltnetzteile verzichtet; hierzu wird auf die nachfolgende Fig. 5 verwiesen.

Für einen Industrielaser, der mit kontrolliertem Betriebsdruck betrieben wird, kann eine Leistungsregelung von 0-100% durch eine Regelung des mittleren Stromes bewirkt werden, wobei die Spannungsänderung weniger als 20% beträgt. Werden noch Netz-Spannungsschwankungen von +10/-15% berücksichtigt, so genügt eine ungeregelte Sockelspannung der Anoden-Gleich-Spannungsquelle 25 von 65% der Laser-Betriebsspannung von z. B. 2000 V.

Diese Sockelspannung wird aus einer 12pulsigen Gleichrichterschaltung ge­ wonnen, um die natürliche Welligkeit der überlagerten Wechselspannung auf ca. 1% bei 600 Hz zu reduzieren, damit der Regelbereich der Schaltnetzteile erhalten bleibt.

Die ungeregelte Anodengleichspannung wird mit einem Wirkungsgrad von 97% aus einem Transformator mit einem nachgeschalteten Gleichrichter, der die Anoden-Gleichspannungsquelle 25 bildet, bereitgestellt und unmittelbar mit der Anode 19 verbunden.

Das Potential der Einzel-Kathoden 20 ist gegenüber dem Erdpotential negativ. Die negative Spannung an den Kathoden 20 kann absolut gegen Erdpotential etwas höher sein als die Anodenspannung, weil die geometrischen Abmessungen der Anode zur Ausbildung einer optimalen Entladung größer sind, wodurch die Ab­ stände zu leitenden Metallteilen in Konsequenz kleiner sind. Ein weiterer Vorteil der Reduzierung der Potentialdifferenz zum Laserkessel ist, daß die Entstehung von unerwünschten Glimmentladungen an den Spannungsdurchführungen durch die Laserkesselwand und den Stromzuführenden zu den Elektroden mit geringeren Isolationsabständen sicherer, einfacher und kostensparender aus­ geschlossen werden kann.

Fig. 3 zeigt beispielhaft die Funktionsweise eines Schaltnetzteils 24. Die Anode 19 des Lasers ist mit der Anoden-Gleich-Spannungsquelle 25 direkt ver­ bunden. Die Spannung U₁ der Anoden-Gleich-Spannungsquelle 25 ist kleiner als die kleinste Spannung, die zur Aufrechterhaltung der Entladung zwischen der Anode 19 und der Kathode 20 notwendig ist. Die Spannung U₂ der Teil­ spannungsquelle 26 ist so bemessen, daß die Summe der Spannungen U₁ + U₂ von Anoden-Gleichspannungsquelle 25 und Teilspannungsquellen 26 geringfügig größer ist als die maximale Spannung, die für die Entladungsstrecke zwischen Anode 19 und Kathode 20 im gewünschten Betriebs- und Regelbereich vorgesehen ist.

Die Spannung der zusätzlichen Gleich-Spannungsquelle 27 erhöht die Spannung U₁ + U₂ auf den Wert U₁ + U₂ + U₃, der ausreicht, eine schwache, punktuelle Glimmentladung oder auch Simmerung zwischen Anode 19 und Einzel-Kathode über einen hochohmigen Strombegrenzungswiderstand 28 mit einem Strom von wenigen mA zu erzeugen.

Wird durch den Regler 29 ein im Schaltnetzteil 24 befindlicher steuerbarer Schalter 30, der als Schalttransistor, Leistungs-Feldeffekttransistor, wie z. B. V-MOS, SIPMOS oder ähnliches ausgeführt sein kann, leitend geschaltet, so beginnt ein mit der Zeit linear ansteigender Strom über Schalter 30, Induktivität 31, Simmerspannungs-Trenndiode 32, Kathode 20 über die sich verstärkt ausbildende Entladung zur Anode 19 zu fließen. Durch einen Strom­ sensor 33 wird der momentan fließende Strom gemessen. Entspricht der gemessene Istwert einem vorgegebenen Sollwert, wird durch einen den Sollwert mit dem Istwert vergleichenden Regler 29 der steuerbare Schalter 30 gesperrt. Die in der Induktivität 31 gespeicherte Energie wird über eine Freilaufdiode 35 an den Lastkreis der Laserentladungsstrecke mit linear fallendem Strom abgegeben.

Mit Beginn des nächsten Taktes wird der steuerbare Schalter durch ein Steuer­ signal des Reglers 29 wieder eingeschaltet, und der Strom durch Induktivität 31 und angeschlossenen Lastkreis steigt wieder an, bis zum er­ neuten Erreichen des vorgegebenen Strom-Sollwertes.

Die Spannungswelligkeit im Bereich der Schaltfrequenz kann durch die Induktivität 31 und zusätzliche Kapazität eines parallel zur Reihenschaltung von Induktivität 31 und Freilaufdiode 35 geschalteten Filterkondensators 36 definiert reduziert werden. Die Schaltfrequenz liegt im Bereich von 10-300 kHz.

Bei einem Ausführungsbeispiel beträgt die Betriebsfrequenz ca. 50 kHz. Die Taktzeit beträgt damit 20 µs. Die Abschaltung des steuerbaren Schalters 30 beim Erreichen des Sollwertes im Kathodenstromkreis erfolgt in <1 µs. Damit werden auch Kurzzeit-Instabilitäten der Entladung erfaßt und in die Regelung mit einbezogen. Durch diese eingeprägte Strom-Charakteristik wird eine gute Regelung der Entladungsstrecke möglich.

Fig. 4 zeigt eine Anordnung mit mehreren Teil-Kathoden, wobei die Schaltungs­ anordnung im Prinzip der in Fig. 3 dargestellten entspricht. In den Strömungskanal ragende Einzel-Kathoden 20 sind über die Schaltnetzteile 24 mit den zwischen den Teilspannungsquellen 26 befindlichen Abgriffen 37 ver­ bunden. Während der Sperrzeiten der steuerbaren Schalter 30 dienen die Frei­ laufdioden 35 zur Überbrückung der jeweiligen Teilspannungsquellen, wobei die Kathoden der Freilaufdioden jeweils mit den Abgriffen 37 verbunden sind. Die zwischen Teil-Kathode 20 und Schaltnetzteil 24 befindlichen Stromsensoren 33 sind mit dem Istwerteingang 39 der Regler 29 verbunden; der Sollwerteingang der Regler 29 ist mit Bezugsziffer 40 bezeichnet. Das am Ausgang 41 des Reglers 29 abgegebene Stellsignal wird dem Eingang 42 des steuerbaren Schalters 30 zugeführt. Die Sollwerteingänge 40 sind über die Signalleitung 43 jeweils mit eigenen Ausgängen 44 eines Sollwertgebers 45 verbunden.

Die dargestellte Schaltung zeigt das Wirkungsprinzip des Schaltreglers. Nicht dargestellt sind die für den sicheren Betrieb notwendigen Schaltungser­ gänzungen, wie Schaltentlastungsnetzwerke, um die Schaltverlustleistung der Schalttransistoren zu limitieren, eine weitere Stromsensorenschaltung, die unmittelbar den Schalttransistor bei Überschreiten eines definierten Maximal-Stromes in kürzer als 0,3 µs abschaltet, auch oder gerade dann, wenn die Funktion der Regelkontrolle durch Bauteilfehler gestört ist. Andererseits überwacht die Regelkontrolle die Schaltfunktion des Schalttransistors und der übrigen Bauteile, um im Störungsfall zentral die Laserversorgung abzuschalten.

Außerdem besteht zwischen dem Regler und dem Schalttransistor keine unmittel­ bare galvanische Verbindung. Die Ein- und Aus-Steuerimpulse werden zwecks galvanischer Trennung über Impulstransformatoren übertragen, während die Regelungsschaltung sich beispielsweise auf Massepotential befindet, liegt der Schalttransistor demgegenüber auf einem Minuspotential von einigen 100-1000 v. Durch die galvanische Trennung des Reglers 29 vom steuerbaren Schalter 30 kann für jede Einzel-Kathode 20 ein eigener Regelkreis vorgesehen werden, wobei die Regelkreise auf jeweils verschiedenen Potentialen liegen.

Fig. 5 zeigt mehrere Schaltnetzteile 24 mit Regler 29, dessen Sollwertein­ gänge 40 mit den Ausgängen 44 des Sollwertgebers 45 verbunden sind, wobei der Sollwertgeber Funktionsnetzwerke aufweist. Die Regler 29 sind über einen zusätzlichen Eingang 46 mit einem Taktgenerator 48 verbunden, der von einem Puls-Pausen-Modulator angesteuert wird und eine Synchronisation aller Schaltvorgänge in den Schaltnetzteilen sicherstellt. Der Taktgenerator 48 gibt ein sägezahnförmiges Signal ab. Der eigentliche Soll-Ist-Wertvergleich wird im Regler 29 durch einen Vergleich von Strom-Sollwert und Strom-Istwert vorgenommen, wobei der Strom-Istwert über den Stromsensor 33 ermittelt wird.

Dabei ist es vorteilhaft, das Kathodenstromverhältnis der Kathoden unterein­ ander beim Regeln der Leistung durch Analog-Amplitude zu verändern. Um dies zu verwirklichen, sind im Sollwertgeber 45 veränderliche Funktionsnetzwerke vorgesehen. Die Funktion wird auf die jeweilige Betriebsart, wie z. B. reiner Gleichstrom-Betrieb, Pulsmodulation oder Superpulsung, optimiert.

Für die Stabilität der Laserleistung ist es vorteilhaft, beim Betrieb des Lasers mit geringer Leistung Kathoden abzuschalten, um Teilbedeckung der Ent­ ladung an den Kathoden zu vermeiden. Dabei wird die Stromregelsteilheit der nicht abgeschalteten Kathoden derartig gesteigert, daß die wirksame Strom­ regelsteilheit der Stromregelsteilheit mit allen gleichzeitig betriebenen Kathoden entspricht.

Da bereits geringe Kathoden-Spannungsunterschiede eine Verschiebung der ge­ wünschten Kathodenstromverhältnisse bedeutet, werden alle Schaltnetzteile 24 aus dem gleichen Taktgenerator 48 angesteuert. Durch einen Puls-Pausenmodulator 47 kann auch eine Leistungsregelung der Laserleistung durch ein regelbares Puls-Pausen-Tastverhältnis bewirkt werden. Dabei ist auch eine Regelung der Laserleistung durch die Regelung der Kathodenströme und des Tastverhältnisses voneinander unabhängig gegeben. Die Frequenz der Tast­ modulation ist im Frequenzbereich von 12 kHz bis zu wenigen Hz geometrisch gestuft selektierbar.

Die Steuerlogik der Schaltnetzteile gewährleistet, daß bei der Regelung der Leistung minimale Ein-Tastzeiten und minimale Aus-Tastzeiten für den Schalt­ transistor nicht unterschritten werden, um dem Schaltentlastungsnetzwerk genügend Zeit (ca. 1,5 µs) zum Einschwingen zu geben.

Die aus einem Gaslasersystem auskoppelbare Leistung ist unmittelbar mit dem Massendurchsatz des Lasermediums verknüpft. So führt eine Steigerung des Lasergasdrucks zur Leistungserhöhung, bei gleichzeitiger Erhöhung der Laser­ betriebsspannung zwischen den Elektroden und einer Erhöhung des Spannungs­ regelbereiches. Bei erhöhtem Lasergasdruck und hoher Leistungsdichte steigt die Tendenz zu einer sich einschnürenden Entladung, einer Bogenbildung. Die Aus­ bildung von Bögen kann durch segmentierte Elektroden, insbesondere Anoden mit Vorwiderständen, unterdrückt werden.

Vorteilhafterweise werden Schaltregler ohne verlustbehaftete Vorwiderstände zur Speisung der segmentierten Anoden eingesetzt.

Bei einer sehr starken Segmentierung der Anoden wird für die relativ geringen Ströme ein höherer Wert der Induktivität erforderlich, die Schalttransistoren brauchen dagegen nur für kleinere Spitzenströme dimensioniert sein und sind deshalb wesentlich preiswerter.

Durch die Reihenschaltung von zwei Schaltreglern kann eine maximale Ab­ schaltungsspannung von 1500-2000 V beherrscht werden. Die Erhöhung der Abschaltspannung durch die Reihenschaltung ist in gleicher Weise wirksam, wenn ein Schaltregler im Anodenkreis und der zweite im Kathodenkreis eingeschleift ist.

Wie Fig. 6 zu entnehmen ist, kann jeder Kathode ein spezifischer Spannungs­ bereich zugeordnet werden, der sich bei Regelung des Kathodenstromes einstellt; diese Figur zeigt das Kennlinienfeld für den Zusammenhang zwischen Spannung U und Strom I der übereinander im strömenden Lasermedium angeordneten Einzel-Kathoden, wie sie in Fig. 2 mit den Bezugsziffern 20 dargestellt sind; dabei gilt die obere Kennlinie I für die der Vorionisierungs-Elektrode 18 direkt benachbarten Einzel-Kathode 20, welche aufgrund der Serienschaltung der Kathoden-Teilspannungsquellen 26 die größte Potentialdifferenz zur Anode 19 aufweist, während die mit IV bezeichnete Kennlinie zu der von der Vorionisierungs-Elektrode am weitesten entfernte Einzel-Kathode gehört, die die geringste Potentialdifferenz zur Anode aufweist; die übrigen Kennlinien II und III gelten für die dazwischenliegenden Einzel-Kathoden.

Bei sehr hoher Leistungsdichte im Lasermedium genügt schon eine geringe Störung des Gasstroms, z. B. Turbulenzen durch Verschmutzung, um sporadisch eine kurze Bogenentladung zu verursachen, die z. B. an dem betroffenen Anoden­ segment 34 gemäß Fig. 7 eine Spannungsabsenkung bewirkt. Durch die geringen Abstände d der Anodensegmente 34 wird eine Bogenbildung zwischen dem Segment mit abgesenkter Spannung und dem Nachbarsegment begünstigt, wodurch eine lawinenartige Ausweitung der ursprünglich lokalen Störungsstelle verursacht werden kann.

Fig. 8 zeigt beispielhaft eine Segmentierung der Kathoden 20 bei gleich­ zeitiger Reihenbildung in Richtung der Gasströme 51 und einer versetzenden Verschiebung der beispielsweise vier Reihen gegeneinander. Die Reihen der Einzel-Kathoden 20 sind mit den großen Buchstaben A, B, C und D bezeichnet, wobei die mit A bezeichnete Reihe der Einzel-Kathoden gemäß Fig. 2 der Kathode 20 entspricht, welche der Vorionisierungs-Elektrode 18 direkt benachbart ist und aufgrund der Serienschaltung der Kathoden-Teilspannungsquellen 26 die größte Potentialdifferenz zur Anode 19 aufweist, während die mit D bezeichnete Reihe von Einzel-Kathoden 20 der von der Vorionisierungs-Elektrode am weitesten entfernten Einzel-Kathode entspricht, die die geringste Potentialdifferenz zur Anode aufweist; die übrigen Reihen B und C der Einzel-Kathoden 20 entsprechen in ihrem Potential den dazwischenliegenden Einzel-Kathoden 20 gemäß Fig. 2. Die Einzel-Kathoden 20 der Reihe A sind im Betrieb durch die Kennlinie I gemäß Fig. 6 charakterisiert, während die Kathoden der Reihe B durch Kennlinie II, die Kathoden der Reihe C durch Kennlinie III und die Kathoden der Reihe D durch Kennlinie IV charakterisiert sind. Da gemäß Fig. 8 die Kathoden­ oberflächen kleiner ausgebildet werden können als die Anodenflächen wird durch die gezeigte Kathodenversetzung der mit d bezeichnete Abstand größer und somit eine verbesserte Stabilität gegen lawinenartige Ausbreitung von kurzen Bogen­ entladungen erreicht.

Bogenentladungen können zudem zwischen Anode und Kathode, zwischen den Kathoden und auch von den Anoden oder Kathoden zu den Kesselwänden und anderen metallischen Konstruktionsteilen auftreten. Diese unkontrollierten Bogenent­ ladungen werden durch Differenzstromsensoren erfaßt, während die Strom­ sensoren, die der Regelung dienen, auch eine Überstromüberwachung aufweisen. Bei Fehlerströmen und Überströmen erfolgt eine sofortige Abschaltung durch rasche elektronische Schaltelemente, wie z. B. durch einen GTO (gate turn off Thyristor) oder andere Leistungshalbleiter innerhalb von 10 µs. Nach einer kurzen Pause von ca. 1,5 ms, in der der Bogen verlöscht, wird automatisch die Entladung wieder eingeschaltet.

Die Schaltregleransteuerungen enthalten Eigenfunktionsüberwachungskreise, die bei auftretenden Bauteilfehlern oder Funktionsstörungen eine unmittelbare Abschaltung der Leistungsversorgung bewirken.

Gemäß Fig. 9 ist es auch möglich, zwei getrennte Entladungsräume über einen gemeinsamen Regelkreis zu betreiben, wobei die sich an den steuerbaren Schalter 30 anschließenden Reihenschaltungen aus Induktivität 31, Simmer­ spannungstrenndiode 32, Stromsensor 33, Einzel-Kathoden 20 sowie Anoden 19 bestehenden Reihenschaltungen zueinander parallel geschaltet sind. Die Anoden-Gleichspannungsquelle 25, Teilspannungsquellen 26, zusätzliche Gleich­ spannungsquelle 27 sowie die Freilaufdiode 35 werden von beiden Teil­ schaltungen gemeinsam benutzt.

Claims (29)

1. Vorrichtung zur Energieeinkopplung in eine durchströmte elektrische Gasentladung, insbesondere eines Gaslasers, mit einem Entladungsraum, der von einem Gas mit hoher Geschwindigkeit durchströmt wird, wobei die Gasentladung als Gleichfeldentladung zwischen einer Anode (19) und wenigstens einer der Anode (19) gegenüberliegenden Kathode brennt und die Kathode in Strömungsrichtung gesehen in mehrere, mindestens jedoch zwei, hintereinanderliegende Einzel-Kathoden (20) unterteilt ist, wobei den jeweiligen Einzel-Kathoden zur Stromversorgung der Gasentladung einzelne Spannungsquellen zugeordnet sind, und anströmseitig des Entladungsraumes eine Vorionisierungseinrichtung (18) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß jede Einzel-Kathode (20) durch mindestens ein schnelles, unabhängig regelndes Schaltnetzteil (24) mit Konstantstrom-Charakteristik versorgt wird, wobei jedes Schaltnetzteil (24) als Gleichstromstellglied ausgebildet ist, das über wenigstens eine ihr zugeordnete Teilspannungsquelle (26) mit der Anode (19) verbunden ist, daß der jeweilige Kathodenstrom als Regelgröße mit einem der jeweiligen Einzel-Kathode (20) zugeordneten Sollwert verglichen wird und bei Regelabweichung ein Stellsignal an das Gleichstromstellglied abgegeben wird, wobei die den Gleichstromstellgliedern zugeordneten Teilspannungsquellen (26) in Serie geschaltet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Anode (19) und den Kathoden-Teilspannungsquellen (26) eine ungeregelte Anoden-Gleichspannungsquelle (25) geschaltet ist, wobei die Anoden-Gleichspannungsquelle (25) mit den Kathoden-Teilspannungsquellen (26) in Serie geschaltet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das schnelle Schaltnetzteil (24) einen Feldeffekt- Transistor als steuerbares Schaltelement (30) enthält.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Einzel-Kathode (20) quer zur Strömungsrichtung (4, 51) des Gases in Teilabschnitte unterteilt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Teilabschnitt jeder Einzel-Kathode (20) von einem unabhängig regelnden Schaltnetzteil (24) versorgt wird.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (19) quer zur Strömungsrichtung (4, 51) gesehen in mehrere nebeneinanderliegende Einzel-Anoden unterteilt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede Einzel-Anode in Teilabschnitte (34) unterteilt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede Einzel-Anode oder jeder Teilabschnitt (34) einer Einzel-Anode von einem unabhängig regelnden Schaltnetzteil (24) versorgt wird.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorionisierungseinrichtung (18) mindesten eine dielektrisch umhüllte Elektrode ist, die durch einen Wechselspannungsgenerator (23) versorgt wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselspannungsgenerator (23) eine Konstantstrom-Charakteristik aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselspannungsgenerator (23) eine Funktionsüberwachungseinrichtung aufweist, die bei einem Kurzschluß oder einer nicht korrekten Funktionsweise des elektrischen Systems der Vorionisierung die Schaltnetzteile (24) der Einzel-Kathoden (20) und der Anode (19) bzw. der Einzel-Anoden abschaltet.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathoden-Teilspannungsquellen (26) ein negatives Spannungspotential gegenüber dem den Entladungsraum umgebenden Gehäuse (1) und die Anode (19) bzw. die Einzel-Anoden ein positives Potential gegenüber dem Gehäuse (1) aufweisen.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Kathodenströme über eine Sollwert-Ansteuerung der Schaltnetzteile (24) wählbar ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Einzel-Kathoden (20) abschaltbar sind.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstromstellglieder der Schaltnetzteile (24) durch einen Taktgenerator (48) synchron gesteuert werden.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Einzel-Kathode (20) eine Kathodenstrom-Begrenzungs-Einrichtung zugeordnet ist, die bei Überschreiten eines zulässigen Kathodenstroms den Strompfad der Einzel- Kathode (20) auftrennt.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Schaltnetzteil (24) eine Schutzdioden-Schaltung zugeordnet ist, um die Schaltnetzteile (24) bzw. deren Bauteile vor Spannungsspitzen zu schützen bis die Strompfadtrennung wirksam wird.

18. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenstrom-Begrenzungs-Einrichtung ein Zeitglied aufweist, das bei Unterbrechung des Strompfades eingeschaltet wird und nach Ablauf einer vorgegebenen Zeiteinheit den Strompfad schließt und den jeweiligen Kathodenstrom über eine Zeitfunktion auf den ursprünglichen Soll-Wert des Kathodenstroms ansteigen läßt.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Integrationsschaltung mehrere aufeinanderfolgende Abschaltungen erfaßt und bei Erreichen eines Grenzwertes die Entladung kontrolliert abschaltet.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß bei abgeschalteter Einzel-Kathode (20) an dieser Einzel-Kathode (20) eine Simmer-Entladung brennt.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Simmer-Entladung über einen Strombegrenzungswiderstand (28) erfolgt.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Simmer-Entladung über den Strombegrenzungswiderstand (28) und eine zusätzliche Spannungsquelle (27) erfolgt.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennung des Strompfades durch einen Relais-Kontakt und/oder durch einen Halbleiterschalter erfolgt.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß ein Puls-Pausen-Modulator (47) vorgesehen ist, der den Taktgenerator (48) ansteuert und moduliert.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltnetzteile (24) jeder Einzel- Kathode (20) über eine Signalleitung (43) zur Sollwertvergabe mit einem zentralen Sollwertgeber (45) verbunden sind.

26. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Puls-Pausen-Modulator (47) an den Taktgenerator (48) eine Impuls-Folgefrequenz zwischen 12 kHz und 0,6 Hz abgibt, wobei die abgegebenen Frequenzen geometrisch abgestuft sind.

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Taktgenerator (48) phasenstarr mit dem Puls-Pausen-Modulator (47) synchronisiert ist und daß der Einschaltbefehl der Modulation mit dem Einschaltbefehl der Entladung synchronisiert ist.

28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Teilabschnitte von benachbarten Einzel-Kathoden (20), die quer zur Strömungsrichtung (4, 51) des Gases auf etwa gleicher Höhe angeordnet sind, über ein Schaltnetzteil (24) und mindestens jeweils eine Schaltinduktivität (31), die jedem Teilabschnitt zugeordnet ist, betrieben ist.

29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Entladungs-Module (50, 52) die jeweils zur Ansteuerung einer Einzel-Kathode (20) dienen, miteinander gekoppelt sind, wobei die mindestens zwei Entladungs- Module (50, 52) über ein Schaltnetzteil (29) betrieben sind und wobei in jedem Entladungsmodul (50, 52) die Einzel- Kathode (20) bzw. der Teilabschnitt einer Einzel-Kathode (20) über eine Induktivität (31) betrieben ist.