TWI596852B - 用於雷射放電管之氣體循環迴路 - Google Patents
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Description
本發明係關於用於雷射放電管之氣體循環迴路,且係關於包含此類氣體循環迴路之雷射裝置。
脈衝式高壓放電激升氣體雷射器(例如,準分子雷射器或橫向激發大氣(TEA)CO2雷射器)需要一氣體循環迴路以在每一脈衝之間冷卻及更新放電區域中之氣體,從而獲得穩定且均質的輻射束。
在FR2718894 A1中發現一實例,其中氣體循環迴路經描述安裝於具有放電區域之管線中(參見圖1)。此設計之缺點在於,由於氣體在放電管之軸向方向上經更新,所以氣體沿著該放電區域之全部長度之均質性不能得以保證。
此外,當以高脈衝速率操作時,在放電管之整體全部長度的軸向方向上的氣體更新發生地不夠快。
圖2中展示減輕上述問題之氣體循環迴路之另一實例。此眾所周知類型之氣體循環迴路為風洞型循環迴路,其在放電區域之橫向方向上更新氣體。
風洞型循環迴路之缺點在於,由於使用空氣動力風洞之傳統設計規則來產生所需氣流速度和氣流均質性,所以其可具有相當大的大小。特定言之,當將其用於容積高達2m x 0.1 x 0.1m之放電管時,設計規則可導致如此極大的大小,其與工業環境之不相容性可成為問
題。
在DE 199 36 955中揭示另一已較緊密類型之氣體循環迴路,其在橫向方向上更新氣體且經設計用於改良氣體沿著放電區域之全部長度的均質性。其包含在雷射放電管之縱向方向上伸長之氣體供應管道及氣體排放管道,且包含許多各別入口通道及出口通道。然而,此設計中氣體之均質更新仍不能得以滿足,尤其針對高脈衝速率不能得以滿足。
鑒於上述缺點,本發明之一目標為提供一種更加改良氣體沿著放電區域之全部長度之均質性的氣體循環迴路。
另一目標為提供一種能夠充分快的氣體更新以用於以高脈衝速率操作之氣體循環迴路。
此外,本發明之一目標為提供一種大小上可接受以用於工業環境中、甚至結合很大的放電管使用之緊密氣體循環迴路。
本發明係關於一種用於一雷射放電管之氣體循環迴路,其包含一氣體供應管道及一氣體排放管道,其中該氣體供應管道及/或該氣體排放管道在該雷射放電管之縱向方向上伸長且分別藉由經調適用於該雷射放電管之至少部分上之受控的分別橫向氣體入口、出口的一入口流分配器、一出口流分配器而連接至該雷射放電管,且其中該入口流分配器及/或該出口流分配器包含複數個各別入口通道或出口通道,該迴路之特徵在於:該氣體供應入口管道之直徑與該入口通道之直徑之間的比率、及/或該氣體排放管道之直徑與該出口通道之直徑之間的比率為至少2。
在較佳實施例中,該氣體供應管道及該氣體排放管道兩者在在該雷射放電管之縱向方向上伸長且分別藉由經調適一入口流分配器、
一出口流分配器而連接至該雷射放電管,該等流分配器包含複數個各別入口通道或出口通道,其特徵在於:該氣體供應入口管道之直徑與該入口通道之直徑之間的比率、及該氣體排放管道之直徑與該出口通道之直徑之間的比率為至少2。
此外,本發明係關於一種包含此類氣體循環迴路之雷射裝置。
a‧‧‧氣體供應管道
b‧‧‧雷射放電管
c‧‧‧氣體排放管道
d‧‧‧入口通道
d'‧‧‧出口通道
e‧‧‧柵格
f‧‧‧柵格
g‧‧‧吹風機
圖1說明目前先進技術之氣體循環迴路之實例。
圖2說明目前先進技術之氣體循環迴路之另一實例。
圖3示意性說明根據本發明之氣體循環迴路之第一實施例。
圖4示意性說明根據本發明之氣體循環迴路之另一實施例。
圖5示意性說明根據本發明之氣體循環迴路之實施例的細節。
圖6說明根據本發明之氣體循環迴路之較佳實施例。
圖7示意性說明根據本發明之氣體循環迴路之實施例的橫截面,其包含連續定位於橫向方向之具有不同透通性之許多柵格。
在第一實施例中,提供用於雷射放電管之氣體循環迴路,其包含氣體供應管道及氣體排放管道,其中該氣體供應管道及/或氣體排放管道在雷射放電管之縱向方向上伸長且分別藉由經調適用於雷射放電管之至少部分上之受控的分別橫向氣體入口、出口的入口流分配器、出口流分配器而連接至該雷射放電管,且其中該入口流分配器及/或出口流分配器包含複數個各別入口通道或出口通道,該迴路之特徵在於:氣體供應入口管道之直徑與入口通道之直徑之間的比率、及/或氣體排放管道之直徑與出口通道之直徑之間的比率為至少2。
驚奇地發現:藉由使氣體供應入口管道之直徑與入口通道之直徑之間的比率、及/或氣體排放管道之直徑與出口通道之直徑之間的比率為至少2,根據本發明之緊密氣體循環迴路允許適當控制橫向氣
流之均質性與循環迴路中之壓降之間的取捨。實際上,若此比率小於2,則可能較不容易在循環充分量之氣體所需的吹風機功率、在循環迴路之排放側處產生之壓降及氣流在雷射放電管之全部長度上的均質性之間找到適當的平衡。詳言之,針對高容積雷射放電管(例如,高達2mx 0.1 x 0.1m),其產生多於60cm2、多於80cm2、較佳100cm2之大面積輸出射束,具有通常1cm2至10cm2之投影射束點且能量密度介於0.5J/cm2與10J/cm2之間,此類適當平衡十分重要。
根據本發明之氣體循環迴路之另一優點在於,氣體在放電區域之全部長度之大部分上、較佳實質上全部長度上同時進入該放電區域。此可導致相比於其他設計氣體更新發生地更快,從而實現充分快的氣體更新用於以高脈衝速率(亦稱作重複率)操作,該脈衝速率高達50赫茲或甚至高達100赫茲。
如圖3中特定說明之另一優點在於,相比於習知設計,根據本發明之氣體循環迴路可更緊密。因為氣體供應管道在雷射放電管之縱向方向上伸長,所以其可經定位而非常接近該放電管。
較佳地,氣體排放管道(c)亦可在雷射放電管之縱向方向上伸長,使得其亦可經定位而非常接近該放電管(b),從而使得該循環迴路仍較緊密。
在較佳實施例中,氣體排放管道經調適而使得氣體在雷射放電管之橫向反向(參見圖3及圖4,自(b)至(c)之箭頭)上離開該雷射放電管。此可改良氣體在放電區域中、甚至沿著放電區域之全部長度的均質性。較佳地,氣體排放管道在放電區域之實質上全部長度上伸長。
另外,藉由使氣體排放管道在雷射放電管之縱向方向上伸長且使氣體在雷射放電管之橫向方向上離開該雷射放電管,氣體在放電區域之全部長度之大部分上、較佳實質上全部長度上同時離開該放電區域。因此,結合在雷射放電管之縱向方向上伸長之氣體供應管道可導
致顯著較有效且較快的氣體更新。
在根據本發明且如圖4及圖6中所說明之較佳實施例中,氣體供應管道(a)及氣體排放管道(c)可在雷射放電管(b)之縱向方向上伸長,該等管道經調適用於引導放電管中之橫向氣流且位於該雷射放電管之相對側。此導致具有實質上平坦組態之氣體循環迴路。在雷射放電管具有平坦矩形立方體形式(亦即,如圖6中所示之平坦伸長盒子形式)的狀況下,可將循環迴路安裝於與放電管相同平面中,此在雷射設備之緊密性與組裝簡易性方面係有益的。
在根據本發明之氣體循環迴路之實施例中,氣體供應管道可藉由經調適用於雷射放電管之至少部分上之受控橫向氣體入口的入口流分配器而連接至雷射放電。
在較佳結合上述實施例之另一實施例中,氣體排放管道可藉由經調適用於雷射放電管之至少部分上之受控橫向氣體出口的流分配器而連接至雷射放電管。
此類入口或出口流分配器可包含用於分配、混合或均質化一氣體及/或控制其流動速率及流量分配的任何構件。
在根據本發明且如圖5中說明之實施例中,入口及/或出口流分配器可包含複數個各別入口通道(d)或出口通道(d')。此等通道可為具有特定長度及直徑之小管,其將各別氣體供應管道或氣體排放管道連接至雷射放電管。
詳言之,氣體供應入口管道之直徑與入口通道之直徑之間的比率、及/或氣體排放管道之直徑與出口通道之直徑之間的比率可為至少2、或至少3、或至少4、或較佳至少4.5、且更佳至少5。
入口及出口通道之長度可在氣體供應管道直徑之0.25倍與2.5倍之間、且較佳在氣體供應管道直徑之0.5倍與1.5倍之間變化。
在替代實施例中,入口及/或出口通道可在長度對距吹風機之距
離方面變化以影響通道中之氣壓、速度或流動,從而導致確實在雷射放電管之縱向方向上伸長但可不實質上與其平行的氣體供應及/或排放管道。
將各別氣體供應及氣體排放管道連接至雷射放電管之入口或出口通道之數目藉由氣體循環迴路之大小、雷射放電管之大小以及氣體供應及排放管道之長度來判定。舉例而言,對於容積為2mx 0.1 x 0.1m之放電管,18個入口通道(及/或18個出口通道)在放電管之長度上逐漸分開。
較佳地,兩個連續通道之間的空間可近似為一個通道直徑。實際上,兩個連續通道之間的空間可取決於供應管道至放電區域之距離。在不受任何理論約束的情況下,若距離較大(入口通道較長),則存在用於氣流充分擴展之較多空間及時間,且因此兩連續通道之間的空間可超過一個通道直徑。
在替代實施例中,入口通道或出口通道或兩者可由多孔或毛細管材料替換,例如,陶瓷材料、金屬泡沫、毛細管熱固性聚合物或適於引導氣體之縱向分佈及橫向均質化的任何材料。
在視情況結合上述實施例中之任一者的根據本發明之另一實施例中,入口流分配器包含在雷射放電管之縱向方向上延伸之柵格總成。此類柵格總成可包含由金屬、聚合物等製成之任何柵格狀結構,其適於改良分配、混合或均質化一氣體及/或控制其流動速率及流量分配。此類柵格狀結構可具有經調適以達成所要氣體分配、混合或均質化效應及/或所要流動速率及流量分配的透通性。
在較佳實施例中,柵格總成包含連續定位於橫向方向上具有不同透通性之許多柵格(e、f),如圖7中所說明。
兩個連續柵格之柵格總成可包含具有較高透通性之第一柵格(e)及具有較低透通性之第二柵格(f),其中氣流首先穿過較高透通性之柵
格。較高透通性之柵格可具有至少50%、至少60%、較佳至少70%且更佳至少80%之開口比,而較低透通性之柵格可具有小於50%、小於60%、較佳小於70%之開口比。舉例而言,較高透通性之柵格及較低透通性之柵格之透通性可分別為83%及27%。
柵格總成可安裝於氣體供應管道與雷射放電管之間,或可安裝於雷射放電管內部。
若氣流分配器包含入口通道,則柵格總成可經組態為包含一或多個柵格之單件且安裝於通道之出口與雷射放電管之間。其亦可安裝在雷射放電管之內部。或者,柵格總成亦可經組態為分開的總成件,每一件包含安裝於每一入口通道中、或每一通道與雷射放電管之間(較佳在通道之出口處)之一個柵格或複數個柵格。
進一步如圖6中所說明,根據本發明之氣體循環迴路可包含連接氣體供應管道與氣體排放管道之吹風機(g)。較佳地,平面將氣體供應管道與氣體排放管道連接在一平面中,該平面由雷射放電管之縱向方向及氣體供應管道之縱向方向界定。此導致具有實質上平坦組態之氣體循環迴路。在雷射放電管具有平坦矩形立方體形式(亦即,平坦伸長盒子形式)的狀況下,可將吹風機安裝於與放電管相同平面中,此在雷射設備之緊密性與組裝簡易性方面係有益的。
吹風機之功率可基於且結合整個循環迴路之設計參數(諸如,流分配器之大小、幾何形狀、透通性等)的適當選擇而經調適及判定,以便適當控制橫向氣流之均質性與循環迴路中之氣壓之間的取捨。
另外,本發明提供一種包含根據上述實施例中之任一者之氣體循環迴路的雷射裝置。
根據本發明之循環迴路可非常尤其有用於需要X射線產生器用於放電預離子化之高能量雷射設備,由於歸因於其特定設計,所以其可與X射線產生器相容且提供對電極側上之雷射放電管之兩側的自由接
取。
另外,該設計充分靈活以修改雷射器自身的基礎參數,以控制且修改放電。
包含根據本發明之氣體循環迴路之雷射裝置可為需要氣體更新的任何類型之雷射器,諸如脈衝式高壓放電激升氣體雷射器,例如,準分子雷射器或橫向激發大氣(TEA)CO2雷射器。
雷射能量可在5焦耳至25焦耳之範圍中。為了達成此等能量,通常將雷射放電量最佳化為10cm(電極間的間距)×7至10cm(放電寬度)×100至200cm(放電長度)。
在本發明之一實施例中,該雷射器可經調適以產生具有在0.5J/cm2與10J/cm2之間的能量密度之投影雷射束。
在較佳實施例中,雷射器可為經調適以產生多於60cm2、多於80cm2、較佳100cm2之大面積輸出射束的準分子雷射器,其具有通常為1cm2至10cm2之投影射束點且能量密度介於0.5J/cm2與10J/cm2之間。
a‧‧‧氣體供應管道
b‧‧‧雷射放電管
c‧‧‧氣體排放管道
d‧‧‧入口通道
d'‧‧‧出口通道
Claims (8)
- 一種用於具有平坦矩形立方體形狀的雷射放電管之氣體循環迴路,其包含一氣體供應管道及一氣體排放管道,其中該氣體供應管道及/或該氣體排放管道在該雷射放電管之縱向方向上伸長,且分別該氣體供應管道藉由經調適用於受控之橫向氣體入口的入口流分配器而連接至該雷射放電管,以及/或是該氣體排放管道藉由經調適用於該雷射放電管之至少部分上之受控的橫向氣體出口的出口流分配器而連接至該雷射放電管,且其中該入口流分配器及/或該出口流分配器包含複數個各別入口通道或出口通道,該迴路之特徵在於:該氣體供應管道和該氣體排放管道位於該氣體放電管的相對兩側;該氣體循環迴路提供在該雷射放電管兩側之電極側的自由通道;該入口通道以及/或是出口通道是小型管,該入口通道以及/或是該出口通道的長度包含在該氣體供應管道直徑的0.25倍以及2.5倍之間;兩個連貫入口通道之間的間隔等於或大於一個入口通道的直徑,以及/或是分別兩個連貫出口通道之間的間隔等於或大於一個出口通道的直徑;該複數個各別入口通道以及/或是出口通道經由該放電管道的長度逐漸的劃分;並且 該氣體供應管道之直徑與該入口通道之直徑之間的比率、以及/或是該氣體排放管道之直徑與該出口通道之直徑之間的比率為至少2。
- 如請求項1之氣體循環迴路,其中該氣體供應管道經定位而與該雷射放電管之縱向方向平行。
- 如請求項1之氣體循環迴路,其中該氣體排放管道經定位而與該雷射放電管之縱向方向平行。
- 如請求項1之氣體循環迴路,其中該入口流分配器及/或該氣體出口分配器包含一多孔或毛細管材料。
- 如請求項1之氣體循環迴路,其中該入口流分配器包含在該雷射放電管之縱向方向上延伸之一柵格總成。
- 如請求項5之氣體循環迴路,其中該柵格總成包含連續定位於橫向方向上之具有不同透通性之許多柵格。
- 如上述請求項中之任一項之氣體循環迴路,其中一吹風機將該氣體供應管道與該氣體排放管道連接在一平面中,該平面由該雷射放電管之縱向方向及該氣體供應管道之縱向方向界定。
- 一種雷射裝置,其包含如上述請求項中任一項的氣體循環迴路。
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