DE4113241C2 - Gepulster Gasentladungslaser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen gepulsten Gasentladungslaser mit Hauptentladungselektroden aus erosionsfestem Metall, zwischen denen Lasergas mit hoher Geschwindigkeit strömt, um das Laser­ gas zwischen den Hauptentladungselektroden von Laserpuls zu Laserpuls auszutauschen, und mit zumindest einer Röntgenstrah­ lungsquelle zum Vorionisieren des Lasergases zwischen den Hauptentladungselektroden. Ein solcher Gasentladungslaser ist aus dem Aufsatz LOU, Q., WANG, R.: "Comparison of character­ istics of an X-Ray preionized XeCl Laser, pumped by water transmission line and low inductance capacitor bank" in GB-Z.: Optics and Laser Technology, Vol. 19, No. 1, February 1987, S. 33-36 bekannt.

Gepulste Gaslaser sind in unterschiedlichsten Ausgestaltungen bekannt, insbesondere als CO₂-Laser, Excimer-Laser oder N₂-La­ ser etc. Weit verbreitet ist bei gepulsten Gaslasern eine soge­ nannte transversale Anregung des Lasergases in Form einer Gas­ entladung (auch Haupt- oder Plasmaentladung genannt).

Ebenfalls bekannt ist es, das Lasergas vor der Hauptentladung einer sogenannten Vorionisierung zu unterziehen, bei der vor der eigentlichen Hauptentladung eine möglichst homogene Vertei­ lung von freien Elektronen (ca. 10⁷ Elektronen/cm³) im Entla­ dungsraum erzeugt wird. Eine solche Vorionisierung des Gases dient insbesondere dazu, zu vermeiden, daß die Hauptentladung als Bogenentladung erfolgt. Nach der Vorionisierung setzt dann zwischen den Hauptelektroden des Lasers die genannte Hauptent­ ladung ein, bei der sich die Elektronenkonzentration in der so­ genannten Avalanche-Phase um mehrere Größenordnungen verviel­ facht, z. B. auf 10¹⁴ bis 10¹⁵ Elektronen/cm³.

Für die Vorionisierung werden im Stand der Technik in der Regel externe, d. h. von der eigentlichen Hauptentladung gesonderte, Energiequellen verwendet, z. B. UV-Licht. Solche UV-Strahlung kann z. B. von Funkenstrecken oder auch von Koronaentladungen emittiert werden.

Funkenstrecken sind zwar höchst wirksam, weisen jedoch den Nachteil auf, daß sie eine Verunreinigungsquelle für das Laser­ gas und auch für die optischen Komponenten des Laser-Resonators bilden. Der Wirkungsgrad einer Vorionisierung mittels UV-Strah­ lung ist insbesondere dadurch eingeschränkt, daß die Reichweite der ionisierenden UV-Strahlung auf wenige Zentimeter beschränkt ist (vgl. K. Midorikawa, M. Obara, T. Fujiokam, IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QU-20, No. 3, March 1984, S. 198-205).

In der älteren, nicht vorveröffentlichten deutschen Patentan­ meldung P 41 08 472 wird vorgeschlagen, weiche Röntgenstrahlung für die Vorionisierung in einem Gasentladungslaser, insbesonde­ re einem Excimer-Laser zu verwenden. Es wird dort eine zuver­ lässige, kostengünstig herstellbare und einfach zu betreibende Röntgenröhre beschrieben, welche die erforderliche Dosislei­ stung für die Vorionisierung in einem gepulsten Gaslaser er­ bringt und überdies eine lange Lebensdauer aufweist.

Für die Vorionisierung von Excimer-Gasgemischen ist darüber hinaus auch zu beachten, daß in diesen Gasgemischen auch elektronegative Gase, wie HCl oder F₂, vorhanden sind, welche die Lebensdauer der freien Elektronen stark reduzieren, z. B. auf wenige Nanosekunden (die freien Elektronen werden von den elektronegativen Gasen "eingefangen"). Deshalb muß hier die Vorionisierung ebenfalls in einem sehr kurzen Zeitpuls von we­ nigen Nanosekunden erfolgen. Um in dieser kurzen Zeitspanne die für eine gute Vorionisierung benötigte Elektronenkonzentration von z. B. 10⁷ cm^-3 zu erreichen, muß die Röntgenstrahlungsquelle eine sehr hohe Spitzenintensität in dieser kurzen Zeitspanne besitzen. Umgerechnet auf den Anodenstrom einer Röntgenröhre bedingt dieses Erfordernis Anodenströme von 500 bis 1000 A. Herkömmliche Röntgenröhren besitzen hingegen Emissionsströme von maximal einigen Ampere.

In der EP 03 36 282 A1 wird eine Plasmakathode beschrieben, die jedoch zu ihrem Betrieb einen exakt einzuhaltenden Gasdruck und zusätzliche Spannungsimpulse für diverse Steuergitter und Steuerelektroden benötigt.

Bei gepulsten Gasentladungslasern, insbesondere bei Excimer-La­ sern, auf welche sich die vorliegende Erfindung bevorzugt be­ zieht, ist es erforderlich, zwischen den einzelnen Laserpulsen das Gas im Entladungsraum zwischen den Hauptentladungselektro­ den vollständig auszutauschen, da sich andernfalls in der Ent­ ladung gebildete langlebige angeregte Teilchen (Moleküle, Ionen) beim nächsten Laserpuls störend auswirken würden.

Dieser Gasaustausch wird üblicherweise dadurch erreicht, daß das Lasergas in einer Strömung zwischen den Hauptentladungs­ elektroden hindurchgeführt wird. Um einen vollständigen Gas­ austausch zu erreichen, ist eine Strömungsgeschwindigkeit des Lasergases erforderlich, die von der Pulswiederholfrequenz des Lasers abhängt. Es hat sich gezeigt, daß zur Erzielung guter Ergebnisse das Lasergas im Entladungsvolumen zwischen den einzelnen Laserpulsen ca. zwei- bis dreimal ausgetauscht werden muß, um eine hinreichende "Spülung" und damit einen vollständi­ gen Austausch des Gases zu erreichen.

Bei Höchstleistungslasern im Leistungsbereich von mehreren Kilowatt mit Pulswiederholraten von 0,5 bis 2 kHz erfordert dieser Gasaustausch Gasgeschwindigkeiten von 50 bis 150 m/sec. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere solche Höchst­ leistungslaser. Bei solchen Strömungsgeschwindigkeiten muß der Strömungsweg des Lasergases im Gaskreislauf aerodynamisch ge­ staltet werden, um einen möglichst geringen Strömungswider­ stand zu erhalten. Andernfalls würde mehr Leistung im Gebläse der Gasumwälzung verbraucht als in der elektrischen Gasentla­ dung selbst.

Hinsichtlich einer solchen aerodynamischen Gestaltung des Strömungsweges des Lasergases stellt die oben erwähnte Vorioni­ sierung eine besondere Komplikation dar. Die für eine Vorioni­ sierung im Stand der Technik bekannten Bauteile stellen nämlich einen erheblichen Strömungswiderstand dar und sie sind an Orten im Gaskreislauf positioniert, wo die höchsten Strömungsge­ schwindigkeiten erzielt werden müssen, nämlich im Bereich der Hauptentladungselektroden des Lasers. Bei Verwendung von soge­ nannten Hilfselektroden für die Vorionisierung (Funkenentla­ dung) ist überdies zu beachten, daß nicht nur der Raum zwischen den Hauptelektroden, sondern auch der Raum im Bereich der Hilfs­ elektroden des Lasers von Laserpuls zu Laserpuls ausgespült und mit frischem Gas gefüllt werden muß.

Diese Probleme lassen sich bei Verwendung von sogenannten Netz­ elektroden zwar vermeiden, hinter denen entweder die UV-Strah­ lungserzeugungseinrichtung angeordnet ist oder die im Falle einer Röntgenvorionisierung als Röntgenfenster zum Entladungs­ volumen hin dienen, jedoch haben solche Netzelektroden den Nachteil, daß sie nur kurze Lebensdauern ermöglichen.

Es ist möglich, bei einer Vorionisierung des Lasergases mittels Röntgenstrahlung ein dünnes, geformtes Blech aus leichtem Me­ tall (z. B. Aluminium oder Titan) als Hauptentladungselektrode zu verwenden, wobei durch diese Elektrode hindurch die Vorioni­ sierung erfolgt. Jedoch bedingen hierbei die Anforderungen an eine hohe Transparenz für die Röntgenstrahlung einerseits und die Erosionsfestigkeit andererseits gegensätzliche Anforderun­ gen, die kaum miteinander vereinbar sind.

Im Vergleich mit derartigen dünnen Blechen haben massive Hauptentladungselektroden den Vorteil großer Erosionsfestigkeit und die Elektrodenkontur kann derart gestaltet werden, daß sich im Entladungsraum eine gleichmäßige Verteilung des elektrischen Feldes ergibt. Die vorliegende Erfindung geht deshalb aus von der Verwendung von Hauptentladungselektroden, die massiv sind und die vorstehend genannten Vorteile ermöglichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gepulsten Gas­ entladungslaser bereitzustellen, bei dem sowohl eine wirkungs­ volle Vorionisierung als auch ein geringer Strömungswiderstand für die Strömung des Lasergases mit einfachen Mitteln erreicht sind.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentan­ spruch 1 gekennzeichnet. In den abhängigen Ansprüchen sind vor­ teilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gasentladungs­ lasers beschrieben.

Die Körper mit hohem Sekundäremissionsvermögen bezüglich Rönt­ genstrahlung werden bevorzugt so ausgestaltet, daß sie der Gas­ strömung im Laser einen möglichst geringen Strömungswiderstand entgegensetzen. Die Körper werden dann als "Strömungskörper" ausgestaltet, mit einer glatten, ununterbrochenen Oberfläche zum Eingrenzen des Strömungsweges, insbesondere im Bereich der Hauptelektroden.

Gemäß dieser Ausgestaltung ist es möglich, mittels Strömungs­ körpern zum einen den Strömungswiderstand für das strömende Lasergas im kritischen Bereich zwischen den Hauptentladungs­ elektroden gering zu halten und zum anderen diese Strömungs­ körper auch dadurch zur Verbesserung der Vorionisierung aus­ zunutzen, daß ihr Material so gewählt wird, daß es ein hohes Sekundäremissionsvermögen bezüglich einfallender Röntgen­ strahlung aufweist und somit die Vorionisierung fördert. Als Materialien mit hohem Sekundäremissionsvermögen bezüglich Röntgenstrahlung sind insbesondere Kunststoffe be­ kannt, wie Polytetrafluorethylen oder Polyvinylidenfluorid, beide vorstehend genannten Materialien sind insbesondere für Excimer-Laser gut geeignet, bei denen die Erfindung bevorzugt eingesetzt wird.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgese­ hen, die Hauptentladungselektroden des Lasers großteils in die Strömungskörper einzubetten.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß zwei Röntgenstrahlungsquellen benachbart und beidseitig einer der Hauptentladungselektroden angeordnet sind.

Eine besonders kompakte und wenig Bauteile erfordernde Anord­ nung der Hauptelektroden und der Vorionisierungseinrichtungen ergibt sich dann, wenn die Röntgenstrahlungsquellen in Ausneh­ mungen im Träger der einen Hauptentladungselektrode angeordnet sind, wobei die Ausnehmungen in der Seite des Trägers ausge­ formt sind, die vom Strömungsweg abgekehrt ist.

Werden Röntgenstrahlungsquellen strömungsgünstig in bezug auf die Hauptentladungselektroden des Lasers angeordnet, so ent­ steht im allgemeinen ein Strahlungsschatten bezüglich der Rönt­ genstrahlung, d. h. es gibt Bereiche zwischen den Hauptentla­ dungselektroden, die von der Röntgenstrahlung nicht oder nur in verringertem Maß erreicht werden. Die Erfindung schafft hier dadurch Abhilfe, daß die ein hohes Sekundäremissionsvermögen bezüglich der Röntgenstrahlung aufweisenden Strömungskörper so positioniert werden, daß sie insbesondere diejenigen Bereiche des Raumes zwischen den Hauptentladungselektroden ausstrahlen, die ansonsten im Schatten der Röntgenstrahlung liegen.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 schematisch einen Schnitt durch einen Excimer-Laser im Bereich seiner Hauptentladungselektroden;

Fig. 2 einen Axialschnitt durch eine Röntgenröhre;

Fig. 3 einen Axialschnitt durch ein gegenüber Fig. 2 abge­ wandeltes Ausführungsbeispiel einer Röntgenröhre;

Fig. 4 einen Radialschnitt durch eine Röntgenröhre gemäß Fig. 2 und

Fig. 5 einen Radialschnitt durch ein abgewandeltes Ausfüh­ rungsbeispiel einer Röntgenröhre.

Die Hauptentladungselektroden 10, 10a sind massiv aus Metall ausgeführt und somit in hohem Maße erosionsfest. Überdies ist ihre äußere Kontur so ausgestaltet, daß eine möglichst homogene elektrische Feldverteilung erzielt wird. Dies ist als solches im Stand der Technik bekannt.

Die in der Figur unten gezeigte Hauptentladungselektrode 10 ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel geerdet (mit der "Masse" verbunden) und braucht somit nicht elektrisch isoliert zu wer­ den. Diese Hauptentladungselektrode 10 wird abgestützt durch einen Träger 12 aus z. B. Aluminium, welches bei geringen Mate­ rialdicken für Röntgenstrahlung durchlässig ist.

Die andere Hauptentladungselektrode 10a ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel so isoliert, daß eine Hochspannung angelegt werden kann. Ein Träger 14 für diese Hauptentladungselektrode 10a ist deshalb mit einem Strömungskörper 16 aus elektrisch isolierendem Material versehen, wobei der Strömungskörper 16 einen Abschnitt 16a aufweist, in den die Hauptentladungselek­ trode 10a eingebettet ist und der mitsamt der Elektrode mon­ tierbar (und ggf. austauschbar) ist.

Das Lasergas strömt in Richtung des Pfeiles 18 in der Figur von links nach rechts zwischen den Hauptentladungselektroden 10, 10a hindurch. Der Pfeil 18 markiert somit den Strömungsweg des Lasergases. Die übrigen Teile des Strömungsweges des Lasergases (Gebläse etc.) sind hier nicht gezeigt, da sie als solches dem Fachmann bekannt sind.

Die Strömung des Lasergases durch den Entladungsraum 20 erfolgt mit so großer Geschwindigkeit, daß auch bei den oben genannten Pulswiederholraten im Bereich von mehreren kHz eine vollstän­ dige Spülung des Raumes 20 zwischen den Hauptentladungselektro­ den stattfindet und somit jeder Laserpuls mit frischem Lasergas durchgeführt wird.

Die Figur zeigt noch Entladekondensatoren 22, 22a, einen Feld­ formungskörper 24, eine Druckdeckel-Masserückführung 26 und Stromrückführungen 28, 28a, die als solche dem Fachmann bekannt sind und hier nicht näher beschrieben werden zu brauchen.

Die Feldformungskörper dienen der Beeinflussung des elektri­ schen Feldes in der Entladungszone und entlang der Isolations­ flächen der Teile 16, 16a. Insbesondere werden durch die Feld­ formungskörper Konzentrationen des elektrischen Feldes am Elektrodenrand vermieden.

Die Masserückführung erzeugt einen geschlossenen Stromkreis über die Entladungskondensatoren 22, 22a und über die Entladung zwischen den Elektroden. Hierzu dienen die Teile 28, 28a und 26. Da die Kunststoff-Strömungskörper 16 keine ausreichende me­ chanische Stabilität haben und in der Entladungszone ein sehr hoher Druck herrscht (ca. 4 bar Überdruck), wird die mechani­ sche Belastung der Elektrode 10a durch den Innendruck durch die massiven Teile 26 (Druckdeckel) und 22, 22a (Keramik-Kondensa­ toren) aufgefangen.

Die Stromrückführungen 28, 28a befinden sich in der Gasströmung und werden deshalb gitter- und stromlinienförmig ausgebildet, um den Strömungswiderstand zu reduzieren. Die Stromrückführun­ gen 28, 28a sind also in einem Schnitt senkrecht zur Zeichen­ ebene gemäß Fig. 1 so ausgestaltet, daß sie in bezug auf die Gasströmung einen möglichst geringen Strömungswiderstand aufweisen.

Unmittelbar benachbart der geerdeten Hauptentladungselektrode 10 sind beidseitig jeweils eine Röntgenstrahlungsquelle 30 bzw. 30a angeordnet. Hierzu sind im Träger 12 (aus Aluminium) auf derjenigen Seite 44 desselben, welche vom Strömungsweg 18 des Lasergases abgekehrt ist, jeweils Ausnehmungen 34, 34a benach­ bart der Hauptelektrode 10 ausgeformt, in welche die Röntgen­ strahlungsquellen 30, 30a (siehe unten) eingepaßt sind. Die Ausnehmungen 34, 34a sind so geformt, daß auf der dem Strö­ mungsweg 18 zugekehrten Seite 46 des Trägers 12 jeweils nur dünne Schichten des Trägers 12 verbleiben, welche für die Rönt­ genstrahlung kein nennenswertes Hindernis bilden, d. h. durch­ lässig für diese Strahlung sind.

Weiterhin ist der Träger 12 auf seiner dem Strömungsweg 18 zu­ gekehrten Seite 46 benachbart der Elektrode 10 ausgefräst, um Strömungskörper 32, 32a derart aufzunehmen, daß sie einerseits die Elektrode 10 in deren Seitenbereich einfassen und anderer­ seits die von den Röntgenstrahlungsquellen 30, 30a erzeugte Röntgenstrahlung durch diese Strömungskörper 32, 32a geht.

Die Röntgenstrahlungsquellen 30, 30a weisen jeweils Anoden 36 bzw. 36a und Kathoden 38 bzw. 38a auf und werden weiter unten näher beschrieben.

Die Strömungskörper 16, 16a, 32, 32a erzeugen zum einen eine strömungsgünstige Kontur im Laserkanal hinsichtlich des Strö­ mungsweges 18 und bestehen andererseits aus solchen Kunst­ stoffen, welche die von den Röntgenstrahlungsquellen 30, 30a ausgehende Strahlung nur in geringem Maße absorbieren. Beson­ ders geeignet sind hierfür die Kunststoffe Polytetrafluorethy­ len und Polyvinylidenfluorid, die sich insbesondere auch für Excimer-Laser eignen. Aufgrund ihrer Zusammensetzung aus Atomen niedriger Ordnungszahl (Wasserstoff, Kohlenstoff und Fluor) und wegen der verwendeten relativ weichen Röntgenstrahlung (Be­ schleunigungsspannung von ca. 70 kV) weisen diese Atome eine starke Tendenz zur Streuung der einfallenden Röntgenstrahlung durch Compton- oder Rayleigh-Streuung auf. Hierdurch kommt es auch in denjenigen Bereichen des Raumes 20 zwischen den Haupt­ entladungselektroden 10, 10a zu einer wirksamen Vorionisierung des Lasergases, die zunächst durch die Elektroden 10, 10a be­ züglich der Röntgenstrahlungsquellen abgeschattet sind und so­ mit nicht von deren direkter Strahlung getroffen werden können. Dies betrifft bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 insbeson­ dere den Schattenraum 40 nahe der Elektrode 10. Die Compton- Streuung führt zu einer Verringerung der Quantenenergie der Strahlung nach der Streuung, d. h. die durch Compton-Streuung erzeugte Strahlung ist noch weicher als die primäre Röntgen­ strahlung der Quellen 30, 30a und wird daher noch besser vom Lasergas absorbiert, d. h. die Vorionisierung der gestreuten Strahlung ist höchst wirksam.

Dieser positive Effekt hinsichtlich der Vorionisierung mittels Streustrahlung wird gemäß Fig. 1 auch im Bereich der oberen, mit Hochspannung betriebenen Elektrode 10a ausgenutzt. Diese Elek­ trode 10a ist eingebettet in den Strömungskörper 16a aus einem der oben genannten Kunststoffe, so daß die von den Anoden 36, 36a ausgehende Röntgenstrahlung im Strömungskörper 16a Streu- und Sekundärstrahlung erzeugt, die in der Figur durch das Be­ zugszeichen 42 angedeutet ist. Diese Strahlung erreicht unge­ hindert insbesondere den "Schattenraum" 40, so daß dieser so­ wohl durch Sekundärstrahlung vom Strömungskörper 16a als auch durch Sekundärstrahlung aus den Strömungskörpern 32, 32a be­ strahlt wird und somit die Vorionisierung im gesamten Raum 20 zwischen den Hauptelektroden homogen und intensiv ist.

Somit hat die vorstehend anhand der Fig. 1 beschriebene Anord­ nung den Vorteil, daß alle Bauteile, die für die Vorionisierung des Lasergases erforderlich sind, die Gasströmung nicht behin­ dern. Mit der gezeigten Anordnung ist die Verwendung von massi­ ven Hauptentladungselektroden 10, 10a möglich, wodurch eine lange Standzeit des Gasentladungs-Moduls des Lasers ermöglicht ist.

Nachfolgend werden die Röntgenstrahlungsquellen 30, 30a näher beschrieben (ältere Anmeldung P 41 08 472).

Die nachfolgend näher beschriebene Röntgenquelle ist eine Vakuumröhre im ursprünglichen Sinn dieses Wortes. Um sie zu betreiben, sind also keine Vakuumpumpen erforderlich und auch keine Gasdosiereinrichtungen. Auch sind keine zusätzlichen Spannungsimpulse für Steuergitter und Steuerelektroden erfor­ derlich. An Betriebsspannungen werden lediglich eine Heizspan­ nung zum Aufheizen der Kathode und eine pulsförmige Beschleu­ nigungsspannung an der Anode benötigt.

Gemäß Fig. 2 und dem entsprechenden Radialschnitt gemäß Fig. 4 weist die Röntgenröhre 110 eine Grundplatte 112 auf, die auch als Montageflansch dient und ein Gehäuse 114 trägt. Beim darge­ stellten Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse 114 ein Glasrohr, welches für die erzeugte weiche Röntgenstrahlung durchlässig ist.

Auf der Grundplatte 112 ist ein Anodenhalter 116 befestigt, der die langgestreckte, rohr- oder stabförmige Anode 118 abstützt. Auf der der Grundplatte 112 gegenüberliegenden Seite des lang­ gestreckten, rohrförmigen Gehäuses 114 aus elektrisch isolie­ rendem Material ist eine Gegenplatte 120 befestigt, so daß das Innere des Gehäuses 114 vakuumdicht abgeschlossen ist.

Bei der Herstellung der Röntgenröhre 110 wird diese, ggf. bei entsprechendem Ausheizen im Betriebszustand, evakuiert und an einem Glasstutzen 122 abgeschmolzen. Danach ist die Röntgen­ röhre ohne weitere Evakuierungsmaßnahmen betriebsfertig.

Die Grundplatte 112 trägt eine elektrische Durchführung 124, über welche der Heizstrom in das Innere der Röntgenröhre übertragbar ist.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Kathode 126 vorgesehen, die rohrförmig ausgebildet ist. Die Länge der Kathode und entsprechend die Länge der Anode sind so gewählt, daß diese Abmessungen dem Lasergas-Entladungsvolumen angepaßt sind.

Die rohrförmige Kathode 126 besteht zur Erzielung hoher Emis­ sionsströme aus porösem Wolfram (sog. Dispenserkathode). Dieses Material zeichnet sich durch eine sehr niedrige Arbeitstempe­ ratur von 1000 bis 1100°C aus und ist als solches bekannt.

Eine besonders einfache, betriebssichere und eine lange Lebens­ dauer aufweisende Ausführungsform ergibt sich dann, wenn die Rohrkathode mit Hilfe einer Heizwendel 130 (elektrische Wider­ standsheizung) auf die erforderlichen Temperaturen erhitzt wird. Die Kathode 126 ist innen hohl und ein Keramikröhrchen 128 trennt die Kathode 126 von der Heizwendel 130.

Entsprechend der Anode 118 ist auch die Kathode 126 beidseitig axial abgestützt, und zwar durch isolierende Kathodenhalter 132, 134.

Auf die aus Keramik geformten Kathodenhalter 132, 134 sind Metallhülsen 136, 138 aufgeschrumpft, so daß die Kathode 126 elektrisch und thermisch isoliert abgestützt ist.

Über einen elektrischen Leiter 140 liegt die Kathode 126 auf Massepotential (ebenso wie die Grundplatte 112). Es ist also eine elektrische Isolation zur Anode 118 hin erforderlich. An die Anode 118 wird eine gepulste Hochspannung (nicht im ein­ zelnen dargestellt) angelegt.

Es hat sich gezeigt, daß zur Erzielung bester Vorionisierungs­ ergebnisse und einer langen Lebensdauer der Kathode besondere Abmessungen vorteilhaft sind. Günstige Werte ergaben sich bei einem Kathodeninnendurchmesser von 6 mm, einem Kathodenaußen­ durchmesser von 8 mm, einem Außendurchmesser der Heizwendel von 4,5 mm und einer Steigung der Heizwendel von 1,5 mm sowie einem Drahtdurchmesser der Heizwendel von 0,7 mm. Abweichungen von diesen Werten von bis zu 30% liefern ebenfalls gute Ergebnis­ se.

Die Rückführung des Heizstromes kann über die Kathode selbst erfolgen, vgl. den Leiter 148 gemäß Fig. 2.

Wichtig ist eine gleichmäßige Wendelsteigung der Heizwendel 130, um eine für den Betrieb der Röntgenröhre wichtige Voraus­ setzung zu erzielen, nämlich eine homogene Temperaturverteilung über die gesamte Kathodenlänge. Die benötigte Heizleistung liegt bei den oben angegebenen Werten bei ca. 25 W pro cm Kathodenlänge und der Heizstrom beträgt etwa 12 A.

In Abwandlung des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispie­ les kann die Kathodenheizung auch durch Elektronenbombardement erfolgen. Ein zum Kathodenrohr konzentrisch aufgespannter Heiz­ draht müßte in diesem Fall mit einigen kV negativ bezüglich der Kathode betrieben werden.

Die Anode 118 in ihrer einfachsten Ausgestaltung gemäß Fig. 2 besteht aus einem Metallstab mit einem Durchmesser von 6 mm (mit Abweichungen von 30%) und ist in etwa 13 mm Entfernung von der Kathode 126 aufgespannt. Der Anodenhalter 116 ist aus einem elektrisch isolierenden Material, z. B. Keramik. Für eine hohe Röntgenausbeute ist ein möglichst schweres Anodenmaterial zu wählen. Bewährt haben sich Wolfram und Tantal. Bewährt hat sich ein Betrieb der Röntgenröhre 110 mit 70 kV Anodenspitzen­ spannung, einer Pulsbreite von 30 ns und einer Wiederholrate von bis zu 500 Hz.

Werden noch höhere Pulswiederholraten gewünscht, so kann die Anode zur Vermeidung zu hoher Betriebstemperaturen gekühlt werden. Eine solche Kühlung ist in der Abwandlung des Ausfüh­ rungsbeispiels von Fig. 2 in Fig. 3 dargestellt. Fig. 3 zeigt entsprechend Fig. 2 ebenfalls einen Axialschnitt durch eine Röntgenröhre 110, wobei die Kathode und die ihr zugeordneten Bauteile entsprechend Fig. 2 ausgebildet und deshalb nicht noch einmal dargestellt sind. Die Abwandlung betrifft die Anode 118′, welche beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 innen hohl ausgebildet ist. Der Hohlraum 146 der Anode 118, ist über einen Durchlaß 142 mit einem Reservoir für Kühlflüssigkeit verbind­ bar, das außerhalb des Gehäuses 114 angeordnet ist. Die Kühlung kann z. B. mit Öl erfolgen. Das elektrische Potential der Anode ist durch das Potential der Gegenplatten 120 bzw. 120′ gegeben, mit denen die Anode leitend verbunden ist.

Die elektrische Aussteuerung der Anode erfolgt über die Gegen­ platte 120 bzw. 120′, mit der sie leitend verbunden ist.

Mit den obigen Abmessungen kann die Röntgenröhre bei 70 kV Anodenspitzenspannung nahe an der Raumladungsgrenze von ca. 20 A pro cm Diodenlänge betrieben werden. Der Betrieb im Be­ reich dieses Sättigungswertes hat den Vorteil, daß der Rönt­ gen-Emissionsstrom nicht mehr sehr empfindlich abhängt von der Kathodentemperatur, so daß stabile Betriebsbedingungen ohne eine empfindliche Einstellung der Parameter erreichbar sind.

Fig. 5 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispieles, wobei einer Kathode 126 zwei Anoden 118a, 118b dreieckförmig gegen­ überliegend angeordnet sind. Diese Anordnung empfiehlt sich z. B. dann, wenn die Röntgenröhre 110 vor allem nach oben (in Richtung der Figuren gesehen) abstrahlen soll. Der Emissions­ strom ist bei dieser Anordnung nicht mehr raumladungsbegrenzt, sondern ergibt sich vielmehr aus dem Emissionsvermögen der Kathode bei der eingestellten Betriebstemperatur oder aus der Impedanz des Hochspannungs-Impulsgenerators.

Es ist möglich, die Beständigkeit des Vakuums durch ein soge­ nanntes Gettermaterial zu verbessern.

Nach der Montage der vorstehend beschriebenen Bauteile wird die Röntgenröhre 110 zunächst evakuiert, ausgeheizt und dann ent­ sprechend den Empfehlungen des Kathodenherstellers aktiviert, wobei die Kathode für kurze Zeit über ihre normale Betriebstem­ peratur aufgeheizt wird. Danach wird das Gehäuse 114 vakuum­ dicht abgeschlossen, beispielsweise durch Abschmelzen des Glasstutzens 122, an dem zuvor die Vakuumpumpe angeschlossen war. Anschließend ist ein jahrelanger Betrieb der Röntgenröhre ohne zusätzliche Evakuierungsmaßnahmen möglich. Der beschrie­ bene Aufbau der Röntgenröhre hat sich als robust und langlebig erwiesen. Die kompakte Ausgestaltung mit den gegebenen Dimen­ sionierungen macht eine Positionierung der Röntgenquelle in un­ mittelbarer Nähe des vorzuionisierenden Entladungsraumes möglich.

Claims (4)

1. Gepulster Gasentladungslaser mit Hauptentladungselektroden (10, 10a) aus erosionsfestem Metall, zwischen denen Lasergas mit hoher Geschwindigkeit strömt, um das Lasergas zwischen den Hauptentladungselektroden von Laserpuls zu Laserpuls auszutau­ schen, und mit zumindest einer Röntgenstrahlungsquelle (30, 30a) zum Vorionisieren des Lasergases zwischen den Hauptentla­ dungselektroden (10, 10a), dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlungsfeld der zumindest einen Röntgenstrahlungsquelle (30, 30a) Körper (16, 16a, 32, 32a) angeordnet sind, die aus einem Material mit einem hohen Sekundäremissionsvermögen bezüglich der Röntgenstrahlung be­ stehen.

2. Gasentladungslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptentladungselektroden (10, 10a) großteils in Strömungskörper (32, 32a, 16, 16a) einge­ bettet sind.

3. Gasentladungslaser nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Röntgenstrahlungsquellen (30, 30a) benachbart und beidseitig einer der Hauptentladungselektroden (10) angeordnet sind.

4. Gasentladungslaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Röntgenstrahlungsquellen (10, 10a) in Ausnehmungen (34, 34a) in einem Träger (12) der einen Hauptentladungselektrode (10) angeordnet sind, wobei die Ausneh­ mungen (34, 34a) in der Seite (44) des Trägers (12) ausgeformt sind, die vom Strömungsweg (18) abgekehrt ist.