-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Glimmentladung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches. Eine solche Vorrichtung vermag insbesondere eine Glimmentladung zwischen einer Anode und einer Kathode durch Anlegung einer pulsierenden Spannung bzw. Impulsspannung zwischen Anode und Kathode zu erzeugen.
-
Eine Glimmentladung wird z. B. in einem Gaslaser- Oszillator oder einem Ozonerzeuger angewandt. Bei einer Glimmentladung konzentrieren sich durch die Ionisierung von Gas erzeugte Elektronen örtlich, sobald die Entladung in einem Bereich thermisch stabil wird, wenn eine große Zahl negativer Ionen von Kohlenmonoxid (CO-), monoatomarem Sauerstoff (O-) oder gasförmigem, diatomischem Sauerstoff (O2 -) erzeugt wird oder wenn beispielsweise eine Raumladungsverteilung aufgrund des Vorhandenseins von Vorsprüngen auf der Anodenoberfläche ungleichmäßig wid. Es wird angenommen, daß sich bei einer solchen örtlichen Ansammlung von Elektronen ein Glimmentladungsstrom örtlich an der Kathode konzentriert, was zu einem Glimm/Lichtbogen-Übergang führt. Wenn dieser Zustand eintritt, verringert sich z. B. die Ausgangsleistung eines Gaslaser-Oszillators erheblich, bzw. die im Ozonerzeuger erzeugte Ozonmenge nimmt ab.
-
Zur Verhinderung dieses Glimm/Lichtbogen-Übergangs werden bei einem bisherigen Gaslaser-Oszillator üblicherweise ein vorbestimmtes Gas mit hoher Geschwindigkeit zwischen Anode und Kathode hindurchgeleitet oder Ballastwiderstände jeweils in Nadel-Kathodenelektroden eingeführt. Da ein Gaslaser-Oszillator des Gasdurchströmungstyps jedoch eine Umwälzeinrichtung zum Zirkulierenlassen des Gases benötigt, erweisen sich die Verkleinerung der Abmessungen dieses mit Ballastwiderständen versehenen Oszillators als schwierig und die Erhöhung der Schwingungsausgangsleistung als unmöglich, und zwar aufgrund des durch die Ballastwiderstände bedingten Energieverlusts. Zur Verhinderung eines Glimm/Lichtbogen-Übergangs beim bisherigen Ozonerzeuger wird ein Dunkelentladungssystem zur Unterdrückung der Konzentration eines Entladungsstroms in einem Entladungsraum durch Einfügung eines dielektrischen Elements zwischen Anode und Kathode angewandt. Da dieses Dunkelentladungssystem jedoch einer Einschränkung bezüglich der dielektrischen Durchschlagsfestigkeit des dielektrischen Elements unterworfen ist, ist die Größe der zwischen Anode und Kathode anlegbaren Spannung begrenzt. Aus diesem Grund kann der Abstand zwischen Anode und Kathode nicht vergrößert werden, so daß sich demzufolge auch die im Raum zwischen Anode und Kathode erzeugte Ozonmenge nicht vergrößern läßt.
-
Aus der Zeitschrift "Review Scient. Instrum.", Band 53, Heft 2, Febr. 1982, Seiten 184 bis 186, ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt, bei der eine mit einem Kondensator verbundene Anode und eine Kathode in einer Laserkammer einander gegenüberstehend angeordnet sind. Eine Hauptspannungsquelle ist mit der Kathode und der Anode über Koaxialkabel verbunden, um an diese eine Spannung anzulegen, durch die eine Entladung zwischen der Anode und der Kathode bewirkt wird. Durch Einwirken von UV-Strahlung wird die Entladung ausgelöst. Dieses Auslösen der Glimmentladung hat aber nichts mit dem Stabilisieren einer Glimmentladung durch Verhinderung eines Überganges zwischen der Glimmentladung und einer Lichtbogenentladung zu tun.
-
In der US-PS 42 87 483 ist ein Verfahren zum Erzeugen hochenergetischer Strahlung aus einem gasförmigen Lasermedium bekannt, das durch elektriche Entladung quer zum Laserstrahlweg angeregt ist. Eine sogenannte "Blitzlichtplatte" mit Vorsprüngen, die Kondensatoren mit einer rückwärtigen Platte bilden, erstreckt sich dabei längs Hauptentladungselektroden. Durch diese "Blitzlichtplatte" wird eine Hauptentladung zwischen den Hauptentladungselektroden ausgelöst. Die "Blitzlichtplatte" dient aber nicht zur Stabilisierung dieser Hauptentladung, nachdem diese einmal erzeugt ist. Dies ergibt sich auch daraus, daß eine vorionisierende Entladungszeitdauer nicht in der Laser-Hauptentladungszeitdauer enthalten ist.
-
Weiterhin ist in der US-PS 38 42 366 ein Doppelentladungs-Gaslaser beschrieben, bei dem eine erste Entladung in einem ersten Entladungsraum zwischen einer Kathode und einer Gitterelektrode sowie einer Anode erzeugt wird. Diese erste Entladung im ersten Entladungsraum dient zur Erzeugung einer zweiten oder Hauptentladung in einem zweiten Entladungsraum zwischen der Gitterelektrode und der Anode. Die erste Entladung ist also nicht zur Stabilisierung einer Hauptentladung vorgesehen und vermag auch nicht einen Übergang von der Hauptentladung zu einer Lichtbogenentladung zu verhindern.
-
Schließlich zeigt noch die Zeitschrift "Appl. Phys. Letters", Band 19, 1971, Seiten 537-539, eine Kathode eines Xenon-Lasers, wobei drei Rippen in Längsrichtung dieser Kathode verlaufen. Zwischen den Rippen sind Vorionisationsdrähte vorgesehen, die mit Anodenpotential gepulst werden, wenn eine Spannung an den Elektroden liegt.
-
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Glimmentladung derart zu schaffen, daß ein Übergang der Glimmentladung in eine Lichtbogenentladung sicher vermieden wird und ein stabiler Betrieb der Glimmentladung gewährleistet werden kann.
-
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil enthaltenen Merkmale gelöst.
-
Speziell durch die Vorsprünge wird erreicht, daß sich eine Glimmentladung auf die Randbereiche der Vorsprünge konzentriert, so daß selbst dann, wenn sich die Kathode über eine große Fläche erstreckt, über dieser gesamten großen Fläche eine einheitliche Glimmentladung erzeugt werden kann.
-
Im folgenden ist eine Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
-
Fig. 1 ein Schaltbild einer Vorrichtung zur Erzeugung einer Glimmentladung,
-
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines Beispiels für die Oberflächenform einer der Anode nach Fig. 1 gegenüberstehenden Kathode,
-
Fig. 3A und 3B in vergrößertem Maßstab gehaltene Schnitte längs der Linie III-III in Fig. 1 zur Veranschaulichung einer Glimmentladung, und
-
Fig. 4A bis 4D Zeitsteuerdiagramme der Spannungs- und Stromwellenformen an vorbestimmten Stellen der Vorrichtung nach Fig. 1.
-
Gemäß Fig. 1 sind eine Kathode 2 und eine Anode 3 einander gegenüberstehend in einer Glimmentladungskammer 1 angeordnet, die ein vorbestimmtes Gas enthält. Ein Beispiel für die Form der der Anode 3 zugewandten Oberfläche der Kathode 2 ist in Fig. 2 dargestellt; die zugewandte Oberfläche der Anode 3 ist dagegen im wesentlichen plan. Gemäß Fig. 2 sind an der der Anode 3 gegenüberstehenden Oberfläche der Kathode 2 mehrere trapezförmige Vorsprünge 4 angeformt. Zwischen benachbarten Reihen der Vorsprünge (von denen in Fig. 2 nur zwei Reihen dargestellt sind) ist eine sich zentral durch eine Glasröhre 5 erstreckende Auslöse- bzw. Triggerelektrode 6 angeordnet; die einzelnen Auslöseelektroden 6 sind dabei elektrisch miteinander verbunden. In Fig. 1 sind zur Vereinfachung der Darstellung nur zwei Reihen der an der Kathode 2 vorgesehenen Vorsprünge 4 sowie eine einzige Auslöseelektrode 6 veranschaulicht. Eine Hauptspannungsquelle 7, die eine pulsierende Spannung bzw. Impulsspannung einer vorbestimmten, sich mit hoher Frequenz wiederholenden Wellenform, z. B. eine Impulsspannung 15 mit der Wellenform gemäß Fig. 4A, erzeugt, ist zwischen die Kathode 2 und die an Masse liegende Anode 3 geschaltet. Zwischen die Anode 3 und die Auslöseelektrode 6 ist ein erster Kondensator 8 geschaltet. An die Kathode 2, die Auslöseelektrode 6 und die Anode 3 ist eine Hilfsentladungsschaltung 9 angeschlossen, die eine Hilfsspannungsquelle, z. B. eine Gleichspannungsquelle 10, eine Reihenschaltung aus einem Kondensator 11, der am einen Anschluß mit dem Pluspol der Gleichspannungsquelle 10 und am anderen Anschluß über eine Induktivität bzw. Spule 12 mit der Auslöseelektrode 6 verbunden ist, einen an der einen Seite mit der Auslöseelektrode 6 und an der anderen Seite mit dem Minuspol der Stromquelle 10 und der Anode 3 verbundenen Widerstand 13 sowie einen zwischen den Pluspol der Spannungsquelle 10 und die Kathode 2 eingeschalteten Spaltschalter 14 aufweist.
-
Im folgenden ist die Arbeitsweise der Vorrichtung nach Fig. 1 anhand der Fig. 4A bis 4D sowie 3A und 3B beschrieben. Es sei angenommen, daß der zweite Kondensator 11 durch die Spannungsquelle 10 über den Widerstand 13 sowie die Induktivität bzw. Spule 12 in der Hilfsentladungsschaltung 9 mit der angegebenen Polarität aufgeladen wird. Die Hauptspannungsquelle 7 ist so ausgelegt, daß sie beispielsweise gemäß Fig. 4A eine negative Impulsspannung 15 mit einer sanften Anstiegscharakteristik und vorbestimmter Wiederholungsfrequenz erzeugt. Diese Impulsspannung 15 wird zwischen Kathode 2 und Anode 3 und gleichzeitig über den ersten Kondensator 8 zwischen Auslöseelektrode 6 und Kathode 2 angelegt. Infolgedessen entsteht zwischen der Auslöseelektrode 6 und der Kathode 2 ein starkes elektrisches Feld, das zur Folge hat, daß ein Koronastrom, d. h. ein Auslöse- oder Triggerstrom 16 gemäß Fig. 4C, zwischen Auslöseelektrode 6 und Kathode 2 fließt. Hierdurch wird der Oberfläche der Kathode 2 eine große Zahl von Elektronen und Ionen zugeführt. Im Spalt zwischen Kathode 2 und Anode 3 wird eine Elektronenlawine erzeugt, wobei die Elektronen als Initialelektronen dienen. Infolgedessen beginnt ein Glimmentladungsstrom 19 (Fig. 4B) zwischen Kathode 2 und Anode 3 zu fließen. Da die negative Spannung der Spannungsquelle 7 über den Widerstand 13, die Induktivität 12 und den Kondensator 11 an die eine Klemme 14 a des Spaltschalters 14 und die negative Spannung von der Spannungsquelle 10 an die andere Klemme 14 b angelegt werden, wird dann, wenn der Unterschied zwischen der Amplitude der Spannung 15 und der Spannung von der Spannungsquelle 10 eine vorbestimmte Größe erreicht, eine Lichtbogenentladung zwischen den Klemmen 14 a und 14 b des Spaltschalters 14 erzeugt, wobei der Spaltschalter 14 auf diese Weise praktisch kurzgeschlossen wird. Als Ergebnis wird die im Kondensator 11gespeicherte Ladung über eine Schleife bzw. einen Kreis aus dem Spaltschalter 14, der Kathode 2, der Auslöseelektrode 6 und der Induktivität 12 in schwingender Weise entladen. Mit anderen Worten: ein Hilfsentladungsstrom, d. h. der Koronastrom 18 gemäß Fig. 4D, fließt zwischen Kathode 2 und Auslöseelektrode 6. Dieser Entladungsstrom 18 besitzt gemäß Fig. 4D eine gedämpfte Schwingungswellenform. Durch diesen zusätzlichen bzw. Hilfs- Entladungsstrom wird die Elektronendichtenverteilung in der Nähe der Oberfläche der Kathode zumindest während eines Teils der Dauer des Glimmentladungsstroms 19 gleichmäßig gehalten. Hierdurch wird ein Glimm/Lichtbogen-Übergang, durch örtliche Konzentration des Glimmentladungsstroms an der Kathode 2 verursacht, unterdrückt. Gemäß 3A setzt die Glimmentladung zwischen den Randteilen 4 a und 4 b der Vorsprünge 4 auf der Oberfläche der Kathode 2 sowie der Anode 3 ein. Wenn sich die Glimmentladung stabilisiert hat, nimmt sie die Form einer diffusen Entladung 17 gemäß Fig. 3A an. Wenn die Glimmentladung instabil ist, konzentriert sich der Strom in einem Bereich 20 zwischen dem Randteil 4 a und der diffusen Entladung 17 (vgl. Fig. 3B), wobei sich der Bereich 20 schließlich zwischen dem Randteil 4 a und der Anode 3 erweitert, so daß ein Glimm/Lichtbogen-Übergang auftritt. Fig. 3A veranschaulicht ein Beispiel für den Zustand der bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1 zwischen Kathode 2 und Anode 3 erzeugten Glimmentladung, während Fig. 3B ein Beispiel für den Zustand der Glimmentladung für den Fall zeigt, daß die Hilfsentladungsschaltung 9 weggelassen ist. Gemäß Fig. 3B konzentriert sich ein Teil des Entladungsstroms deutlich im Bereich 20, wodurch aufgezeigt wird, daß ein Glimm/Lichtbogen-Übergang leicht auftreten kann.
-
Die Arbeitsweise ist nachstehend anhand der Zeitsteuerdiagrame gemäß Fig. 4A bis 4D beschrieben. Es sei angenommen, daß die Impulsspannung 15 während der Zeitspanne vom Zeitpunkt t 0 bis zum Zeitpunkt t 4 anliegt. Zwischen den Zeitpunkten t 1 und t 3 wird ersichtlicherweise eine Glimmentladung erzeugt, wobei während dieser Zeitspanne ein Entladungsstrom 19 fließt. Dargestellt ist außerdem, daß zwischen den Zeitpunkten t 2 und t 3 der Hilfsentladungsstrom 18 zwischen Kathode 2 und Auslöseelektrode 6 fließt. Dies ist deshalb der Fall, weil die Glimmentladung mit hoher Wahrscheinlichkeit zwischen den Zeitpunkten t 2 und t 3 auf eine Lichtbogenentladung übergeht. Der Hilfsentladungsstrom 18 kann auch in der Zeitspanne zwischen t 1 und t 3 fließen. Wenn die Spannung für die Hilfsentladung jedoch ständig zwischen Kathode 2 und Auslöseelektrode 6 angelegt wird, ergibt sich in nachteiliger Weise ein erhöhter Stromverbrauch. Bei einem Laseroszillator steigen aufgrund dieses erhöhten Stromverbrauchs die Temperaturen der Elektrode und des Gases an, wobei ein Gasgemisch in der Glimmentladungskammer 1 thermisch zersetzt wird (beispielsweise wird Kohlendioxid (CO2) zu Kohlenmonoxid (CO) und gasförmigem Sauerstoff (O2) zersetzt) und damit die Schwingungsausgangsleistung des Laseroszillators abnimmt. Weiterhin werden auch die Glasröhre 5 thermisch angegriffen und die Betriebslebensdauer bzw. Standzeit der Vorrichtung insgesamt verkürzt. Demzufolge wird ein Kühler zur Abstrahlung der die geschilderten Nachteile hervorrufenden Wärme erforderlich. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform fließt dagegen der Hilfsentladungsstrom 18 nur während zumindest eines Teils der Gesamtdauer der Glimmentladung. Auf diese Weise können die geschilderten Nachteile vermieden werden. Der erwähnte Hilfsentladungsstrom ist nicht auf den gedämpft schwingenden Strom beschränkt. Beispielsweise kann der Hilfsentladungsstrom auch ein ungedämpft schwingender Strom einer vorbestimmten Frequenz sein. Anstelle des Spaltschalters 14 kann auch ein Schalter verwendet werden, der unmittelbar durch die Kathodenspannung angesteuert wird. Da die erfindungsgemäße Vorrichtung mit Hilfsentladungsschaltung die Auslöseelektrode 6 sowohl zur Einhaltung einer Glimmentladung als auch zur Leitung des Hilfsentladungsstrom benutzt, ist der Aufbau der Vorrichtung vereinfacht.