DE4440130A1 - Anordnung und Verfahren zum Zünden bzw. Löschen von Gasentladungen, insbesondere bei Gaslasern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Anordnungen und Verfahren zum Zünden bzw. Lö­ schen von Gasentladungen, insbesondere bei Gaslasern.

Gepulste Gasentladungen mit hohen Pulsenergien werden heute in einer Vielzahl von Anwendungen, insbesondere im Bereich der Hochleistungs-Gas­ laser, eingesetzt. Bei den bislang bekannten Verfahren erfolgt die ge­ pulste Anregung der Gasentladung durch das Entladen eines Energiespei­ chers, im allgemeinen eines Kondensators, auf die Gasentladung, wozu ein Schalter benötigt wird, der in der Lage ist, im gesperrten Zustand hohe Spannungen zu halten und die beim Einschalten auftretenden extrem hohen Stromspitzen zu verkraften. Zu diesem Zweck werden nach dem Stand der Technik überwiegend Thyratrons eingesetzt. Die Nachteile, die sich daraus ergeben, sind zum einen die begrenzte Lebensdauer der Thyratrons und die dadurch für den Anwender bedingten hohen Betriebskosten. Weiterin sind Thyratrons und die damit verwandten Schalter räumlich konzentrierte Bauelemente im Vergleich zu den ausgedehnten Entladungsstrukturen übli­ cher Laser, was einen niederinduktiven Aufbau und damit die Erzielung hoher Stromsteilheiten erschwert. Zum Teil werden daher mehrere dieser Schalter parallel eingesetzt.

Neben Thyratrons werden nach dem Stand der Technik auch Funkenstrec­ ken als Hochstromschalter verwendet. Die Triggerung der Funkenstrecken erfolgt im allgemeinen über einen Hochspannungsimpuls. Nach dem Stand der Technik ist es aber bekannt, Funkenstrecken durch Einwirkung ioni­ sierender Strahlung auf den Raum zwischen den Elektroden zu zünden, ebenso durch Bestrahlung der Elektroden mit starken UV- oder Laserim­ pulsen, so daß Elektronen aus der Elektrodenoberfläche ausgelöst werden. All diese Zündverfahren sind unverhältnismäßig aufwendig und konnten sich daher in der Praxis nicht durchsetzen.

Beispiele für bekannte Anordnungen der gattungsgemäßen Art finden sich in der DE 37 43 756 C2, der EP 0 297 343 A1 und der DE 37 44 673 A1.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe, eine Anordnung und ein Verfahren zum Schalten von Gasentladungen zu schaffen, die es er­ möglichen, Gasentladungen mit vertretbarem Aufwand zu schalten und da­ bei sowohl den Einschaltzeitpunkt auch die Einschaltdauer vorgeben zu können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Anordnung gelöst, welche eine Einrichtung zur Erzeugung von Hochfrequenz aufweist, wobei die Hochfrequenz zur Auslösung der Gasentladung in den Gasentladungsraum einkoppelbar ist. Die Kernidee besteht also darin, die zu betreibende Gasentladung selbst als Schalter zu verwenden, indem Hochfrequenzenergie vorzugsweise gepulst in den Raum zwischen den Elektroden eingekoppelt wird. Durch eine geeignete Wahl der Parameter, also des Elektrodenab­ standes, des Gasdrucks, der Leistung der zugeführten Hochfrequenz usw. ist es möglich, mit dem Ende des hochfrequenten Impulses auch ein Lö­ schen der Entladung zu steuern, so daß erfindungsgemäß neue Möglichkei­ ten zur Steuerung der Pulsdauer speziell bei gepulsten Lasern realisier­ bar sind. Ein solches gesteuertes Abschalten konnte mit den nach dem Stand der Technik verwendeten Hochleistungsschaltern nicht realisiert werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Anord­ nung zur Erzeugung der Hochfrequenz durch ein Mikrowellen-Magnetron gebildet ist. Derartige Magnetrons liegen mit einem ausgereiften tech­ nischen Standard vor, weil sie im Zusammenhang mit der Entwicklung der Mikrowellenkochtechnik in jüngerer Zeit intensiv entwickelt wurden.

Die Zuführung der Hochfrequenzenergie kann vorteilhafterweise über eine Hohlleiter- oder über eine Koaxialleitung, über einen dielektrischen Wel­ lenleiter oder eine Strahlenwellenleitung dem Gasentladungsraum vorgenom­ men werden.

Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren, wonach vorgesehen ist, daß zwischen den Elektroden eine Gleich- oder Wechselspannung solcher Amplitude eingestellt wird, daß diese für sich genommen gerade noch nicht zum Zünden der Gasentladung ausreicht, und daß zum Zünden Hochfrequenzenergie zugeführt wird und die Energiezufuhr während der gewünschten Entladungsdauer aufrecht erhalten wird, wohin­ gegen zum Löschen die Zufuhr von Hochfrequenzenergie eingestellt wird.

Es ist dementsprechend durch dieses Verfahren möglich, die Gasentladung zu steuern bzw. zu schalten.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1 eine schematische, schaltbildartige Darstellung einer ersten Aus­ führungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung,

Fig. 2 und 3 Fig. 1 entsprechende Darstellungen mit Maßnahmen zur Er­ höhung der in dem Kondensator nach Fig. 1 gespeicherten Energie,

Fig. 4 eine schematische, perspektivische Darstellung der Elektroden als Teil einer Streifenleitung und

Fig. 5 und 6 eine schematische, perspektivische Darstellung, wobei das Entladungsgefäß durch ein dielektrisches Rohr gebildet ist.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gasent­ ladungsanordnung. In einem metallischen Hohlleiter 2 ist ein metallischer Steg 4 eingebracht, der zusammen mit den dielektrischen Wänden 6a und 6b einen Gasentladungsraum 3 bildet. Der Steg 4 ist durch Dielektrikum 5 vom Hohlleiter 2 elektrisch isoliert, so daß ein Plattenkondensator ent­ steht, in dem bei Anlegen einer elektrischen Gleichspannung Energie ge­ speichert werden kann. Der Kondensator wird auf die Hochspannung U_HV geladen. Als Spannungsquelle dient entweder eine Hochspannungs-Kon­ stantstromquelle oder eine Hochspannungsquelle, wobei im letzteren Fall eine Ladestrombegrenzung 1 erforderlich ist.

Die Zuführung der Hochspannung erfolgt vorteilhaft über ein Tiefpaß-Fil­ ter, das die Ausbreitung der Mikrowelle sperrt, oder wie in Fig. 1 ge­ zeigt über abstrahlungsfreie Symmetrieebenen im Hohlleiter 2.

Die Einspeisung der Mikrowelle in den Hohlleiter kann an beliebiger Stelle erfolgen, so beispielsweise von den Enden des Hohlleiters 2 her oder zen­ tral in Form einer T-Verzweigung oder über Koppelöffnungen an der Hohl­ leiterbreit- bzw. Schmalseite oder über elektrische bzw. magnetische Kop­ pelelemente. Durch Abstimmung des Hohlleitersystems auf Resonanz bei der gewählten Mikrowellenfrequenz kann die zur Zündung erforderliche Mikro­ wellenleistung erheblich reduziert werden.

Die Höhe 7 des Entladungskanals, der Gasdruck in dem Gasentladungsraum 3 und die Hochspannung U_HV werden so gewählt, daß ohne Mikrowellenfeld kein Zünden der Gasentladung erfolgt. Durch das Anlegen eines kurzen Mikrowellenimpulses genügend hoher Leistung wird die Entladung gezün­ det. Als besonders vorteilhaft erweist sich dabei, daß aufgrund der extrem geringen Induktivität der Anordnung die im Kondensator gespei­ cherte Energie in kürzester Zeit der Gasentladung zugeführt wird, wo­ durch extrem hohe Stromanstiegsgeschwindigkeiten und Spitzenströme er­ reicht werden. Anders als bei konzentrierten Schaltelementen treten auch bei großen Längen des Entladungskanals keine Probleme durch zu hohe Zuleitungsinduktivitäten auf.

Vorteilhaft ist weiterhin, daß die hohen Pulsströme ausschließlich im In­ neren des Hohlleiters 2 fließen, so daß im Gegensatz zu den bislang ver­ wendeten Anordnungen keinerlei Abstrahlung elektromagnetischer Störungen erfolgt und deshalb keine weiteren Abschirmmaßnahmen erforderlich sind (EMV-Problem).

Zur Erhöhung der im Kondensator gespeicherten Energie kann, wie in Fig. 2 und 3 gezeigt, auch der Außenraum des Hohlleiters 2 genutzt wer­ den. In Fig. 3 bilden der Hohlleiter 2, der Steg 4 und das Dielektrikum 5 einen Mehrschicht-Kondensator.

Die Fig. 4 und 5 zeigen weitere erfindungsgemäße Ausführungsformen. Die Zuführung der Hochfrequenzenergie 9 erfolgt bei diesen Anordnungen über Streifenleitungsstrukturen. In Fig. 4 sind die Elektroden 2 und 4 Teil einer Streifenleitung und zugleich die Elektroden für die Gasentladung. Die Speicherung des Hauptteils der Energie erfolgt in dem aus den Elek­ troden 2 und 4 sowie dem Dielektrikum 5 gebildeten Kondensator 8, der über die Ladestrombegrenzung 1 auf die Hochspannung U_HV geladen wird. Der Kondensator 8 dient zur Abtrennung der Hochspannung von der Mikro­ wellen-Zuführung. Auch diese Anordnung zeichnet sich durch eine extrem niedrige Induktivität zwischen Energiespeicher und Gasentladungsraum aus.

Besonders vorteilhaft läßt sich das erfindungsgemaße Verfahren zum Schalten längsangeregter Entladungen einsetzen, wie sie beispielsweise in Metalldampf- oder CO₂-Lasern Verwendung finden.

In den Fig. 5 und 6 wird das Entladungsgefäß durch ein dielektrisches Rohr 5 gebildet; die Querschnittgeometrie des Entladungskanals ist belie­ big. An den beiden Enden befinden sich Elektroden 15a/15b zwischen de­ nen die Hochspannung U_HV anliegt. Parallel zu den Elektroden 15 kann wahlweise eine Kapazität 16 zur Erhöhung der Pulsenergie geschaltet wer­ den. Die Zuführung der Mikrowellen erfolgt in Fig. 5 über eine Streifen­ leitungsstruktur und in Fig. 6 durch einen Hohlleiter 2. Beide Anordnun­ gen zeichnen sich dadurch aus, daß aufgrund geringerer Querabmessungen vergleichsweise niedrige Mikrowellenleistungen ausreichen, um die zum Zünden erforderlichen Feldstärken zu erzeugen.

Im Fall eines für den H₁₀-Grundwellentyp ausgelegten Rechteck-Hohlleiters nach Fig. 6 kann die Mikrowellen-Feldstärke durch Betrieb des Hohlleiters 2 nahe der Grenzfrequenz erheblich gesteigert werden, ebenso durch das Einbringen eines Steges 14. Die Abstrahlung von Mikrowellen an der Durchführung des Entladungsrohres kann durch cut-off-Kamine 11 verhin­ dert werden. Besonders vorteilhaft ist, wenn eine Hochspannungselektrode 15b niederinduktiv mit dem Hohlleiter 2 verbunden wird. In diesem Fall bildet das Plasma mit dem Hohlleiter 2 eine koaxiale Struktur, die trotz der großen Länge der Anordnung ein hohes di/dt des Entladungsstromes ermöglicht. Der Abschluß 17 des Hohlleiters 2 wird vorteilhaft als Kurz­ schlußschieber ausgebildet, was ein Abstimmen des Hohlleiters 2 auf Re­ sonanz bei der Mikrowellenfrequenz ermöglicht.

Claims (5)

1. Anordnung zum Zünden bzw. Löschen von elektrischen Gasentladungen, insbesondere zum Betreiben von Gaslasern, wobei die Gasentladung zwi­ schen zwei in einem Gasentladungsraum angeordneten Elektroden ausgelöst wird, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erzeugung von Hochfre­ quenz, wobei die Hochfrequenz zur Auslösung der Gasentladung in den Gasentladungsraum (3) einkoppelbar ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anord­ nung zur Erzeugung einer Hochfrequenz durch ein Mikrowellen-Magnetron gebildet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfre­ quenz-Energie (9) über eine Hohlleiter (2) oder über eine Koaxialleitung, über einen dielektrischen Wellenleiter oder eine Strahlenwellenleitung dem Gasentladungsraum (3) zugeführt wird.

4. Verfahren zum Zünden bzw. Löschen von elektrischen Gasentladungen, insbesondere zum Betreiben von Gaslasern, mittels einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Elektroden (15) eine Gleich- oder Wechselspannung solcher Amplitude ein­ gestellt wird, daß diese für sich genommen gerade noch nicht zum Zünden der Gasentladung ausreicht, und daß zum Zünden Hochfrequenzenergie (9) zugeführt und die Energiezufuhr während der gewünschten Entladungs­ dauer aufrecht erhalten wird, wohingegen zum Löschen die Zufuhr von Hochfrequenzenergie (9) eingestellt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfre­ quenzenergie (9) in Form von Mikrowellenstrahlung eines Magnetrons zu­ geführt wird.