NL8302223A

NL8302223A - Gaslaser met bekrachtiging door door middel van fotoionisatie ontkoppelde electrische zijontlading.

Info

Publication number: NL8302223A
Application number: NL8302223A
Authority: NL
Original assignee: Cilas Alcatel
Priority date: 1982-06-25
Filing date: 1983-06-22
Publication date: 1984-01-16
Also published as: GB2122805A; US4592065A; GB8317009D0; DE3322620A1; GB2122805B; FR2529400A1; FR2529400B1

Description

- * * * * 833082/AA/sn

Korte aanduiding: Gaslaser met bekrachtiging door door middel van fotoionisatie ontkoppelde elektrische zijontlading.

De uitvinding heeft betrekking op een gaslaser met bekrachtiging door door middel van fotoionisatie ontkoppelde elektrische zijontlading.

Veel lasers gebruiken op bekende wijze een gasvormig actief 5 medium met drukken variërend tussen 0,1 en 10 atmosfeer en zijn geschikt voor het uitzenden van het hele golflengtegebied tussen ultraviolet van ^X) nm en infrarood tot 10.000 nm wanneer zij door een elektrische zijontlading bekrachtigd worden.

Een laser van deze soort heeft twee lineaire elektroden, 10 de anode en de kathode, die parallel ten opzichte van elkaar en aan de zendas van de laser verlopen. De zijontlading, loodrecht op de zendas van de laser, wordt in het algemeen ontkoppeld dankzij een snelle schakelaar, bijvoorbeeld een vonkbrug of een thyratron met waterstof, waarmee het voor de in capacitieve elementen opgeslagen 15 elektrische energie mogelijk is om in de ontlasting te stromen. Dergelijke capacitieve elementen worden hierna aangeduid met de uitdrukking "lasercondensator". Zij zijn van een "snel" type, d.w.z. dat zij, met hun verbindingen, zodanig uitgevoerd zijn dat zij snel kunnen ontladen. Voor lasers met groot volume is dikwijls een voor-20 ionisatieinrichting van het actieve gasvormige volume toegevoegd waarmee het mogelijk is een zeer homogene ontlading te verkrijgen.

In het bijzonder wordt in een eerste bekende gaslaser met zijontlading met grote energie (meer dan 0,1 J licht) de ontlading verkregen door bruut gebruik van de spanning van de lasercondensator 25 via een vermogensschakelaar zoals een vonkbrug.

De eerste bekende laser geeft veel problemen wanneer men een betrouwbare werking van industrieel type wenst te verkrijgen. De snelle schakelaar heeft in feite drie belangrijke nadelen. Ten eerste het gebrek aan betrouwbaarheid in verband met 8302223 * ( 1 -2- snelle slijtage van de schakelelektroden bij doorlating van zeer 4 6 hoge elektrische piekstromen . (in de orde van 10 tot 10 ampère). Verder neemt een dergelijke schakelaar zelf al een belangrijk gedeelte (30 è 50$) van de opgeslagen energie op, hetgeen het energe-5 tisch rendement van de laser verlaagd. Tenslotte heeft deze schakelaar een zelfinductie wat misaanpassing tot gevolg heeft met de impedantie van het stelsel dat gevormd wordt door de "lasercondensa-tor" en haar verbindingselementen ten opzichte van de ontlading tussen de laserelektroden, wat de ontlading vertraagd en het rende-10 ment van de laser nog meer verlaagd.

In deze eerste bekende laser gebruikt men een binnen de laser-kathode opgewekte rontgenstraalstoot om voor de ontkoppeling een voorafgaande ionisatie van het actieve medium te verzorgen op een wijze waarbij de later erbij komende snelle ontlading homogener ge-15 maakt wordt. Deze eerste bekende laser is beschreven in het artikel van 5.C. LIN en J.I. LEVATTER, uit "Applied Physics Letters",

Vol 34 p. 505 (1979).

Anderzijds heeft men recentelijk proeven uitgevoerd met een kleinere laser ter verkrijging van een bevredigende werking van de 20 laser zonder schakelaar. In het bijzonder is een door middel van een elektrische zijontlading bekrachtigde gaslaser bekend, die ontkoppeld wordt door een ultraviolette stralingsstoot, welke de halfdoorlatende wand van de laserkathode passeert en het actieve medium ioniseert.

25 Deze tweede bekende laser heeft de volgende bezwaren: - in het geval van bepaalde actieve media blijkt de ontlading tussen de elektroden onvoldoende homogeen, ofschoon het voldoende is in andere gevallen.

- o.a. in het geval waar de doorsnede van de ruimte die bezet 30 wordt door het actieve medium groot is, bijvoorbeeld 3x3 cm., bereikt de van de kathode afkomstige ultraviolette straling te verzwakt de omgeving van de anode, hetgeen de verkrijging van een homogene ontlading nog moeilijker maakt. Niettemin is de homogeniteit van de 8302223 • f 4 %.

-3- bekrachtigende elektrische ontlading noodzakelijk voor het verkrijgen van een goed energetisch rendement van de laser.

- verder gaat de kwaliteit van de halfdoorlatende kathode, die tijdens elke bekrachtigingsontlading onderworpen wordt aan een 5 ionisatiebombardement, snel achteruit, wat de levensduur van de laser of de totale energie die men kan onttrekken verkleind.

De uitvinding beoogt het energetisch rendement van een gaslaser met door middel van fotoionisatie ontkoppelde elektrische zij-ontlading te verschaffen, door het homogener maken van de bekrach-10 tigingsontlading en zonder gebruik van een vermogensschakelaar. De uitvinding heeft tevens ten doel het werktempo van een dergelijke laser te verbeteren en haar levensduur te verlengen. Zij heeft bovendien ten doel een laser te verschaffen die in staat is om meer dan g 10 schoten in een nominaal tempo van 1000 Hz met een energie in de 15 orde van 1 J per schot uit te kunnen voeren.

De uitvinding verschaft daartoe een gaslaser met bekrachtiging door door middel van fotoionisatie ontkoppelde elektrische zijontlading, omvattende - twee lineaire laserelektroden, te weten een laserkathode en een 20 laseranode, die parallel in lengterichting aan elkaar verlopen, waarbij de ruimte tussen deze elektroden ingenomen wordt door een geschikt '’actief" gasvormig medium voor versterking van een laserstra-ling wanneer het door een elektrische ontlading bekrachtigd wordt, - een "lasercondensator" met een zeer lage impedantie, waardoor 25 het snel in het actieve gasvormige medium ontladen kan worden voor het bekrachtigen van deze laatste, en waarvan de twee condensator-bekledingen direkt met de twee laserelektroden verbonden zijn, - een laserlaadketen met grote energie voor het laden van deze lasercondensator onder een "werkingsspanning", die kleiner is dan 30 de zelfontstekingsspanning die zelf bogen tussen de laserelektroden veroorzaakt, welke lading een elektrisch "werkingsveld" in het actieve medium vormt, - en een ioniserende stralingsgenerator voor het leiden van een 8302223

• I

-4- « * "ontkoppelingsstralingsimpuls" in het actieve medium, voorafgaand onderworpen aan het werkingsveld, welke impuls voldoende groot is om er een homogene transversale ontlading te ontsteken tussen de laserelektroden en dit versterkingsmedium levert voor de laser-5 straling, met het kenmerk, dat de stralingsgenerator een snelle generator is die de ontkoppelingsimpuls binnen een kleinere tijd dan 10 nanoseconden levert.

Een belangrijk principe van de uitvinding bestaat dus uit het 10 in het lasergasmengsel laten optreden van "voldoende elektronen" gedurende een "voldoend korte" tijd voor het ontsteken van een homogene ontlading tussen de laserelektroden, die direkt verbonden zijn met de klemmen van haar voedingscondensator, die vooraf onder dezelfde ontstekingsspanning opgeladen is.

15 Met "voldoende elektronen" moet een aantal verstaan worden dat de elektronenlawines, die elk uitgaande van een initieel elektron in de ontlading opgewekt zijn, voldoende in aantal zijn om onderling samen te vallen en aldus een homogeen aspect aan de ontlading te geven. Plasmaspecialisten kennen op het theoretische en op het 20 experimentele vlak het aantal elektronen per volume-eenheid waaronder een voorgeioniseerde ontlading niet meer homogeen is. In het artikel van LEVATTER en LIN (Journal of Applied Physics.51. p. 210, januari 80), hebben de auteurs een minimum aantal van 10^ elektronen per kubieke centimeter gevonden voor de KrF laser die bij 250 nm 25 uitzendt en waarvan het actieve gasmengsel bestaat uit He (100),

Xe (8), F2 onder een druk van 1 atmosfeer, waarbij de verhoudingen volumeverhoudingen zijn.

Met "voldoende kort" verstaat men een tijd van de orde van grootte van de formatietijd van een elektronenlawine in de ontlading 30 of kleiner dan die tijd. De formatietijd van een elektronenlawine ligt in de orde van 10 a 20 maal de "karakteristieke tijd" voor exponentiële elektronenvermenigvuldiging.

Ook hierbij kennen plasmaspecialisten de "karakteristieke 8302223 e % i t -5- elektronenvermenigvuldigingstijd" in verschillende media, die al of niet als actieve lasermedia gebruikt kunnen worden. Deze karakteristieke tijden zijn enerzijds afhankelijk van de aard van het gasmengsel, en in het bijzonder van de aanwezigheid of van de afwezig-5 heid van elektrofiele gas, en van de waarde van het tussen de elektroden aangelegde elektrische veld, waarbij de significante grootheid hier de verhouding is van het veld bij de druk van het gas (veld per eenheid druk). In het proefschrift voor doctor in de fysica, verdedigd tegenover de Universiteit van Zuid-Californië 10 te SAN DIEGO in 1978, geeft H. LUO de cijfers 0,3 nanoseconden voor de karakteristieke elektronenvermenigvuldigingstijd in de hier- -20 2 voor genoemde KrF laser en voor een veld van 4.10 V/m per molecuul. Voor stikstof vindt men bijvoorbeeld een karakteristieke 4 tijd van 0,2 ns met een elektrisch veld per eenheid druk van 10 15 V/cm atmosfeer (A.ALI Applied Opties - 6 -2115. 1967).

Er wordt opgemerkt, dat,rekening houdend met de vermelde eigenschappen van de bekende lasers met ontkoppeling door foto-ionisatie, het de uitvinder gebleken is dat de ioniserende straling-impuls, die deze ontkoppeling verzorgt, geleverd wordt in een tijd 20 die altijd groter is dan tien maal, bijvoorbeeld 40 of 100 maal, de karakteristieke elektronische vermenigvuldigingstrjd van het actieve medium, wat in de praktijk wil zeggen in de orde van 30 nanoseconden.

Ter fixatie van een orde van grootte als voorbeeld kan men 25 overwegen dat in overeenstemming met de uitvinding er in het actieve medium meer dan 10^ elektronen per kubieke centimeter moeten optreden binnen een tijd welke even beneden 10 nanoseconden ligt en bij voorkeur 3 nanoseconden is. Een te prefereren middel voor het laten optreden van deze elektronen in de gewenste tijd bestaat uit 30 het gebruik van een generator voor snelle röntgenstraling. Daarom geldt bij voorkeur dat de ioniserende stralingsgenerator een in de laserkathode gevormde röntgenstralingsgenerator is en bestaat uit: - een lege gasruimte binnen de kathode, 8302223 -6- # * 1 i - een wand die deze ruimte ten opzichte van de anode begrenst en zelf een metalen "ondersteuningsplaat" heeft .welke doorschijnend is voor röntgenstraling en voldoende mechanische weerstand heeft tegen de druk van het actieve medium, en op de binnenzijde van deze 5 wand een dun metalen blad voor opwekking van röntgenstraling, - een zendelektrode die^in de ruimte tegenover de bladgenerator is aangebracht en geschikt/voor het uitzenden van een bundel elektronen die onder inwerking van een elektrisch veld versneld worden, - en een spanningsgenerator met snelle stijgtijd voor het leveren 10 van een negatieve hoogspanningspuls aan de zendelektrode ten opzichte van de actieve wand voor het daarbij creëren van een bombardement van het generatorblad door de energetische elektronen en het uitzenden van röntgenstraling door dit blad in de richting van het actieve medium door de ondersteuningsplaat.

15 De uitvinding wordt toegelicht aan de hand van de tekening.

In de tekening toont:

Fig. 1 het elektrische werkingsschema van een laser volgens de uitvinding;

Fig. 2 werkingsdiagrammen van deze laser, waarbij de tijd als 20 abscis uitgezet is;

Fig. 3 in perspectief samenstellende delen van dezelfde laser; Fig. 4 in een doorsnede langs een vlak loodrecht op de as van dezelfde laser in het midden ervan; en

Fig. 5A tot 5D tonen in detail de realisatie van verschillen-25 de typen kathoden die geschikt zijn voor verschillende actieve lasermedia.

In fig. 1 bevindt het gasvormige actieve medium van een laser 1 zich tussen twee lineaire "laserelektroden", te weten een anode 2 en een kathode 3, die onderling parallel en loodrecht op het vlak 30 van de tekening lopen. De energiebron voor de ontlading tussen de anode 2 en de kathode 3 wordt gevormd door een capacitief element 4 waarvan de condensatorbekledingen direkt met de anode en met de kathode verbonden zijn voor het maximaal verkleinen van de verbin- 8302223 e * 1 % -7- dingsinductie. Dit element, hierna "lasercondensator" genoemd, kan worden gevormd door hetzij een afzonderlijke condensator, hetzij door een energieopslaglijn met zeer lage impedantie zoals een waterlijn van bekend type. Het wordt tot de maximale "werkspanning" van 5 de laser opgeladen met behulp van een voedingseenheid 5. De voeding kan afhankelijk van het gebruikte type voor de condensator 4 hetzij continu hetzij gepulseerd plaatsvinden. In het geval van een waterlijn zal het van belang zijn deze in iets minder dan 10 microse· conden op te laden, wat een indicatiewaarde is voor welke de door-10 slagsterkte van het water nog voldoende is (100 kV/cm) en de hoog-spanningsvoeding niet zeer moeilijk te realiseren is. Deze nominale "werkspanning" is kleiner dan de "zelfontstekingsspanning", die zelf bogen tussen de laserelektroden zal ontsteken. De "werkspanning" kan afhankelijk van de gebruikte gasmengsels tussen 20% en 97% van de 15 zelfontstekingsspanning liggen.Een voorkeursuitvoeringsvorm voor deze voeding bestaat uit het gebruik van een transformator voor verhoging van de primaire spanning, waarvan men een laagspannings-condensator ontlaadt met behulp van een zeer betrouwbare silicium-thyristor.

20 Binnen de kathode 3 bevindt zich een elektrode 8 die elektronen kan uitzenden ‘door veldwerking die gebruikt wordt voor het opwekken van "X" röntgenstraling. Deze elektrode wordt gevoed door een snelle hoogspanningsgenerator 7 met een spanning tussen 50 en 100 kV en in het algemeen met een stijgtijd kleiner dan 10 25 nanoseconden, welke spanning tussen de elektrode 8 en de wand van de kathode 3 wordt aangelegd, wat hierna verder in detail zal worden toegelicht.

Het verloop in de tijd van de werking van deze laser is geïllustreerd door middel van de krommen A en B in fig. 2, die ver-30 kregen zijn met behulp van een snelle oscilloscoop, die via verzwakkende meetstiften met de laserelektrode verbonden werd.

Vanaf het begintijdstip begint de oplading van de condensator 4 met behulp van de voedingseenheid 5. De variatie in de tijd 8302223 -8- , * , νση deze oplading is aangegeven met de kromme A waarin men de toename van de laadspanning kan zien tot aan de nominale spanning V , welke op het moment t bereikt wordt. Op dit moment t geeft de hoogspanningsimpulsgenerator 7 over de elektrode 8 binnen de kathode 5 3 een impuls af waarvan de voorzijde met stijle helling door middel van de kromme 8 in fig. 2 aangegeven is. De dan van de elektrode 8 vrijgemaakte elektronen zullen de wand van de kathode 3 bombarderen. Er vindt dan gelijk snelle opwekking van röntgenstraling plaats, die in het actieve medium 1 elektronen zal creëren met een 6 -3 10 voldoende dichtheid (groter dan 10 cm ) voor het ontsteken van de ontlading tussen de anode 2 en de kathode 3.

Fig. 3 toont een perspectivisch aanzicht, welke beperkt is tot essentiële elementen van de laser en van de ontkoppelingsin-richting door middel van fotoionisatie. De anode 2 en de kathode 3, 1.5 die parallel en tegenover elkaar zijn aangebracht, zijn in hoofdzaak over hun gehele lengte door middel van twee platen verbonden met de bekledingen van de lasercondensator. Het gasvormige actieve lasermedium bevindt zich tussen deze elektroden en tussen twee vensters 10, die een omsloten gasruimte afsluiten. Men verkrijgt 20 aldus op klassieke wijze hetzij laseroscillatie (in dat geval is één van de vensters een spiegel met totale reflectie en is de ander een spiegel met gedeeltelijke reflectie ter vorming van een optische holte), hetzij versterking van een laserbundel met dezelfde golflengte opgewekt door een andere oscillator. Het actieve gas kan het-25 zij in rust zijn in het geval van schotsgewijze werking, hetzij in snelle transversale circulatie (loodrecht op de as van de laser en aan de ontlading tussen de anode en de kathode) in een voor dit doel geforceerde circulatieruimte, voor een werking met een hoog herhalingsritme (1 kHz). Afhankelijk van de golflengten van de laser 30 die men wil opwekken, kan het actieve gas bijvoorbeeld de hieronder aangegeven samenstellingen hebben, waarbij de volumeverhoudingen tussen haakjes aangegeven zijn: 8302223 » % -9- « *

LASER GOLFLENGTE GASMENGSEL DRUK IN BAR

KrF 268,4 nm He, Kr, F2 (100, 5, 0,5) 1

XeCl 308 nm Ne, Xe, HC1 (100, 1, 0,3) 2

XeF 357 nm He, Xe, NF3 (100, 1, 0,5) 1 5 Hg I 443 nm Ne, Hgl2 (100, 0,3) 2

Hg Br 503 nm Ne, HgB^ (100, 0,3) 4 HF 2700 nm SF6, H2, Xe (80, 20, 2) 0,2 DF 3000 tot 4000 nm SF6, D2, Xe (80, 20, 2) 0,2 C02 9000 tot 11000 nm He, Ν£ C02, Xe (100, 25, 25,2) 1 10 Bij het in fig. 3 getoonde uitvoeringsvoorbeeld is de inrich ting voor ontkoppeling door middel van ionisatie binnen de kathode 3 gevormd. Het bestaat uit de elektrode 8 met elektronenuitzending ten gevolge van een in een lege ruimte 9 binnen de kathode over haar gehele lengte aangebracht veld. Deze elektrode wordt gevoed met 15 een negatieve impuls ten opzichte van de kathode met behulp van de generator 7 die een spanning levert tussen 50 en 100 kV en waarvan de opgaande voorflank met behulp van een verstrakkingsinrichting 6 zeer abrupt gehouden wordt. Deze elektronen veroorzaken röntgenstraling in de laser door botsing op het binnenoppervlak van de 20 kathode.

De funktie van deze röntgenstraling is het creëren van elektronen op homogene wijze in het actieve lasermedium door ionisatie van de atomen die deze straling absorberen. Teneinde de grocbt mogelijke elektronendichtheid te verkrijgen is het noodzakelijk om 25 een bijna totale absorptie van de röntgenstraling in het actieve gas te hebben en daarom wordt de funktie van absorptiemiddelen van röntgenstraling vervuld door de atomen met hoog . atoomnummer Z, die de in de bovenstaande tabel gegeven actieve gassen vormen. In het geval dat men een bekend actief gasmengsel wenst te gebruiken 30 dat geen zware atomen heeft, bijvoorbeeld het onderaan genoemde gasmengsel C02 dat bij 10 micrometer uitzendt, is het noodzakelijk om 8302223 1 ί -10- een kleine hoeveelheid zwaar gas, zoals xenon, toe te voegen, dat de werking van de laser niet verstoord maar in tegendeel door ioni-satie elektronen creëert. De reden van de aanwezigheid van xenon voor de HF en DF laser is identiek. De druk van xenon hangt af van 5 de dimensie van het actieve medium en wordt bijgesteld ter verkrijging van een homogene absorptie van röntgenstraling. Voor een afstand tussen de anode en de kathode van 1 cm kiest men daarbij een druk voor de xenon in de buurt van 2 torr en voor een afstand van 3 cm een druk in de buurt van 0,5 torr.

10 Fig. 4 toont in doorsnede de inrichting 6 voor het verstrakken van de negatieve flank van de aan de zendelektrode 8 toegevoerde impuls, in een bijzondere uitvoering gebaseerd op het principe van magnetische samendrukking. Het toont ook het uitvoeringsdetail van de röntgenstraalgenerator binnen de kathode 3 van de laser. Deze 15 generator heeft een elektrode 8 voorzien van een lamel 11 met scherpe rand die elektronen uitzendt nabij 100 KeV door veldwerking voor het bombarderen van een metaal met hoog atoomnumrrier zoals tantaal (Z = 73), Dit metaal is aangebracht in de vorm van een blad 20 en is voldoende dun om via het lasermedium röntgenstraling naar de 20 anode 2 te zenden. Ter verkrijging van een voldoende mechanische stijfheid wordt dit dunne blad ondersteund door een dikkere plaat 12 van een metaal met klein atoomnummer zoals aluminium (Z = 13) of beryllium (Z = 4), die goed doorlatend zijn voor röntgenstraling van 50 KeV. De elektrode 8, die de dunne lamel 11 ondersteunt 25 waarmee het mogelijk is door veldwerking een elektronenafgifte te verkrijgen, is op een voldoende afstand van de binnenwand van de kathode aangebracht zodat de verzonden elektronenbundel deze geheel bedekt bij het volgen van de trajecten 15. Deze, voor deskundigen bekende, afstand is afhankelijk van de geometrie van het inwendige 30 van de kathode. De dunne lamel 11 kan bijvoorbeeld gevormd worden door tantaal met een dikte van ongeveer 10 micron, een koolstofvul-ling met een dikte van enkele millimeters of een stapel koolstof-vezels waarvan de uiteinden naar de kathode gericht zijn.

8302223 ' i -π-

Binnen de inrichting 6, die de vorm heeft van een cylinder, zijn elementen voor magnetische impulscompressie aangebracht. De negatieve impuls van ongeveer 100 kV met zeer korte stijgtijd, (minder dan 10 ns) die naar de elektrode 8 gevoerd wordt, wordt op 5 de volgende wijze verkregen; een capacitief element 16, hier "condensator van ontkoppelorgaan" genoemd, wordt gepulseerd geladen met een stijgtijd van 1 microseconde met behulp van een voedings-eenheid 17, die een spanningsverhogende impulstransformator kan zijn. Dit element, waarvan de capaciteit bijvoorbeeld tussen 0,1 en 10 1 microfarad ligt, kan worden gevormd door de verbindingskabel 18 zelf. Deze verbindingskabel is met de elektrode 8 verbonden door middel van een geleider 13 die omgeven is door magnetisch materiaal 14 dat een bus binnen de cylinder 6 vormt. In het gegeven voorbeeld zijn de ferromagnetische materialen harde magneetkernen die door-15 gaans bij hoge frequenties gebruikt worden. Volgens een andere uitvoeringsvorm kunnen ook bladen van amorf magnetisch metaal, beter bekend onder de handelsncfnen'Oeltamax", "Orthonal" of "Metglas", gebruikt worden. Al deze magnetische materialen zijn bekend om hun zeer grote verzadigingssnelheid.

20 Wanneer de aan de elektrode 13 gelegde negatieve spanning begint toe te nemen, is het magnetisch materiaal nog niet verzadigd, de gehele spanning wordt over de hoge inductie, gevormd door de aanwezigheid van ferromagnetische materialen, gelegd en op de elektrode 8 treedt in het geheel geen spanning op. Daarna, tijdens het 25 blijven toenemen van de spanning^schijnt een geringe spanning op de elektrode 8, die elektronen met geringe energie begint uit te zenden (die dus geen röntgenstraling vormen). Deze zwakke stroom begint dan de permeabiliteit van het ferromagnetisch materiaal te verzadigen, wat sterke verlaging van de serieinductie tot gevolg 30 heeft en dus snelle verhoging van de spanning op de elektrode 8. Dit afwijkende verschijnsel draagt bij aan versnelling van het optreden van de spanning op de elektrode 8. Men heeft dan een verstrakking van de stijgflank van de elektronenemissie. Deze verstrakking wordt 8302223 » .* -12- nog versneld voor de geschikte röntgenstralingenergie (50 KeV), welke te gebruiken is in het medium van de laser aan de andere zijde van de kathode omdat de aan het begin van de elektronenemissie uitgezonden röntgenstraling niet voldoende energie (20 KeV) hebben 5 om het materiaal van de kathode te doorlopen.

Deze inrichting maakt het dus goed mogelijk de ontkoppelings-funktie voor de laserontlading te vervullen door het genereren van een plotselinge ionisatie in het lasermedium. Binnen het kader van de uitvinding kan men hetzij een verschillende geometrische confi-10 guratie van de röntgenstralingelektrode, hetzij een ander verstrak- 4 kingssysteem van de stijgflank van de impuls bedenken.

Voor een werking met gering tempo kan men ook als verstrak-kingsinrichting van de stijgflank bijvoorbeeld een vonkbrug in serie in de geleider 13 gebruiken en de magnetische kernen weglaten.

15 Voor een werking met hoog ritme wordt het tantaal blad met geringe dikte, dat opgeladen wordt voor het opwekken van röntgenstraling, verwarmd door het herhaaldelijke bombardement van elek-* tronen en er is reden om een andere geometrie toe te passen waarbij de röntgenstraling opgewekt worden over een massieve schijf tegen-20 over de kathode zoals getoond in fig. 5D, welke figuur hierna toegelicht zal worden.

De fig. 5A t/m 5D tonen detailvarianten van de kathoden voor het uitzenden van röntgenstraling.

In fig. 5A bestaat de samengestelde kathode uit een tantaal 25 blad 20 met een dikte van 10 micrometer ondersteund door een beryllium plaat 19 van ongeveer 2 millimeter dikte.

Fig. 5B lijkt sterk op fig. 5A maar hier is het tantaal blad 22 niet dikker dan 8 micrometer en is de ondersteuningsplaat 21 van aluminium met een dikte van 1 millimeter.

30 Fig. 5C lijkt op fig. 5A, met een beryllium plaat 24 van 1,5 millimeter dikte met hetzelfde tantaal blad 25 van 10 micrometer dik. Op de beryllium plaat is aan de zijde van het actieve medium een roestvrij stalen blad 23 van 10 micrometer aangebracht 8302223 -13- i / ter bescherming van de kathode tegen chemische inwerking van bepaalde componenten zoals broom in de Hg Br laser. Men kan op dezelfde wijze met beryllium tegen inwerking van HC1 beschermen door een elektrolyt!sche neerslag van nikkel in het geval van de XeCl laser.

5 Fig. 5D toont een voorkeursuitvoeringsvorm van de kathode in het geval van een werking met hoog herhalingsritme. Hier is het fijne tantaal blad vervangen door een massieve schijf van wolfraam 27 die onder een hoek van 45 graden tegenover de vaste wand van de kathode 26, die tegenover de anode van de laser ligt, aangebracht 10 is. Deze wand wordt gevormd door een voor röntgenstraling doorschijnend metaal. De wolfraamelektrode wordt onder 45° gebombardeerd door elektronen, die uitgezonden worden door een elektronenkanon 28 die beter gericht is dan de emissie door veldwerking van de elektrode 8 van fig. 3, en waarvan de emissie een hoek van 90° maakt 15 met de gemiddelde richting van de röntgenstraling die naar de kathode gericht is. De wolfraamschijf 27 wordt met behulp van een keten 31 gekoeld door middel van een inwendige waterstroomloop.

Het hier beschreven stelsel van de inrichting met haar uitvoeringsvormen maakt het mogelijk een betrouwbare werking te ver-20 krijgen op industrieel vlak voor bijna alle gaslasers met zijbe-krachtiging. Zij heeft o.a. verhoging van het rendement van deze lasers en het bereiken van een hoog werkingsritme als voordelen.

Binnen het kader van de uitvinding kunnen . ten opzichte van de toegelichte uitvoeringsvormen wijzigingen aangebracht 25 worden. Zo kan de röntgenstraalbron, waarvan hier gezegd is dat het binnen de kathode van de laser aanwezig is, zonodig in de anode aangebracht worden of zijdelings ten opzichte van de laser.

Ook kunnen andere dan de genoemde actieve gasmengsels toegepast worden door het eenvoudig toevoegen van een gas met hoog atoom-30 nummer ten opzichte van klassieke mengsels, wanneer deze mengsels dit niet reeds vereisten.

De verstrakkingsinrichting van de stijgflank van de ontkoppeling, waarvan de funktie beslissend is voor de goede werking van de 8302223 * l* -14- uitvinding kan ook door een ander middel gevormd worden dan magnetische compressie.

De aldus volgens de uitvinding verkregen lasers kunnen gebruikt worden voor alle toepassingen die bekend zijn voor lasers 5 met korte impulsen (minder dan 1 microseconde) en energetisch zoals materiaalbewerking/ fotochemie/ telemetrie, verlichting etc.,...

8302223

Claims

1. Gaslaser met bekrachtiging door door middel van foto- ionisatie ontkoppelde elektrische zijontlading, omvattende - twee lineaire laserelektroden, te weten een laserkathode (3) en een laseranode (2), die parallel in lengterichting aan elkaar verlopen, 5 waarbij de ruimte tussen deze elektroden ingenomen wordt door een geschikt "actief" gasvormig medium voor versterking van een laser-straling wanneer het door een elektrische ontlading bekrachtigd wordt, - een "lasercondensator" (4) met een zeer lage impedantie, waardoor het snel in het actieve gasvormige medium ontladen kan worden voor 10 het bekrachtigen van deze laatste, en waarvan de twee condensator-bekledingen direkt met de twee laserelektroden (2, 3) verbonden zijn, - een laserlaadketen met grote energie (5) voor het laden van deze lasercondensator onder een "werkingsspanning",· die kleiner is dan 15 de zelfontstekingsspanning die zelf bogen tussen de laserelektroden veroorzaakt, welke lading een elektrisch "werkingsveld" in het actieve medium vormt, - en een ioniserende stralingsgenerator voor het leiden van een "ontkoppelingsstralingsimpuls" in het actieve medium, voorafgaand 20 onderworpen aan het werkingsveld, welke impuls voldoende groot is om er een homogene transversale ontlading te ontsteken tussen de laserelektroden en dit versterkingsmedium levert voor de laser-straling, m et het kenmerk, dat de stralingsgenerator een 25 snelle generator (3, 8, 7, 6) is die de ontkoppelingsimpuls·binnen een kleinere tijd dan 10 nanoseconden levert.

2. Laser volgens conclusie l,met het kenmerk, dat de ioniserende stralingsgenerator een in de laserkathode (3) gevormde röntgenstralingsgenerator is en bestaat uit: 30. een lege gasruimte (9) binnen de kathode, - een wand (20, 12) die deze ruimte ten opzichte van de anode (2) 8302223 •J V -16- begrenst en zelf een metalen "ondersteuningsplaat" (12) heeft 'welke doorschijnend is voor röntgenstraling en voldoende mechanische weerstand heeft tegen de druk van het actieve medium, en op de binnenzijde van deze wand een dun metalen blad (20) voor opwekking 5 van röntgenstraling, - een zendelektrode (8, 11) die in de ruimte tegenover de bladgene-rator is aangebracht en geschikt^ voor het uitzenden van een bundel elektronen die onder inwerking van een elektrisch veld versneld worden, 10. en een spanningsgenerator (7, 6) met snelle stijgtijd voor het leveren van een negatieve hoocfepanningspuls aan de zendelektrode ten opzichte van de actieve wand voor het daarbij creëren van een bombardement van het generatorblad door de energetische elektronen en het uitzenden van röntgenstraling door dit blad in de richting 15 van het actieve medium door de ondersteuningsplaat.

3. Laser volgens conclusie 1,met het kenmerk, dat de spanningsgenerator met snelle stijgtijd bestaat uit: - een 'bntkoppelingscondensator" (16), - een "ontkoppelingslaadketen" (17) met kleine energie voor het 20 langzaam laden van deze condensator, - een verbindingslijn (18) die deze condensator verbindt met de elektronenzendelektrode (8, 11), - en een ferromagnetische bus (14) die met grote snelheid te verzadigen is op een wijze dat wanneer een negatieve spanning door de 25 ontkoppelingscondensator aan de zendelektrode over de verbindingslijn wordt gevoerd, de toenamesnelheid van de intensiteit van de door deze elektrode verzonden elektronenstroom eerst sterk wordt begrensd door de inductie van de ferromagnetische bus, met toevoer aan de zendelektrode van een klein gedeelte van de spanning van de 30 ontkoppelingscondensator, en zodanig dat deze snelheid zeer groot wordt wanneer deze bus zich magnetisch begint te verzadigen, met toevoer naar de zendelektrode van in hoofdzaak de gehele spanning van de ontkoppelingscondensator. 8302223 - * -17-

4. Laser volgens conclusie 1 geschikt voor een werking met hoog herhalingstempo, met het kenmerk, dat de ioniserende stralingsgenerator in de laserkathode gevormd is en bestaat uit: 5. een lege gasruimte (9), - een stijve metalen wand (26) die deze ruimte tegenover de anode begrenst en doorschijnend is voor röntgenstraling, - een elektronenzendelektrode (28), - een "schijf” (27), die in deze ruimte tegenover deze wand is aan-10 gebracht voor het uitzenden van röntgenstraling in de richting van de stijve wand wanneer het gebombardeerd wordt door de van de zend-elektrode afkomstige elektronen, - een keten (31) voor het koelen van de "schijf”, - een spanningsgenerator met snelle stijgtijd (7, 6) geschikt voor 15 het leveren van een negatieve hoogspanningspuls aan de zendelek- trode ten opzichte van de schijf voor het opwekken van een bombardement van de schijf door de energetische elektronen en het uitzenden van röntgenstraling in de richting van het actieve medium van de laser door de stijve plaat. 20

5. Laser volgens conclusie 1,met het kenmerk, dat de stralingsgenerator de ontkoppelingsimpuls in een kortere tijd dan 3 nanoseconden levert. 8302223