DE19845586A1 - Entladungsschaltung für einen Impulslaser und eine Impulsleistungsquelle - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung einer Entladungsschaltung für einen Impulslaser zum Bewirken einer Impulslaserschwingung durch gepulstes Entladen mit einem vorgeschriebenen Wiederholungszyklus, um so ein Lasermedium anzuregen, wobei Veränderungen bei den Laserausgangswerten beseitigt werden, die durch einen Überstrom zum Entladungszeitpunkt verursacht werden.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine Impulsleistungsquellen-Vorrichtung, bei der eine Impulserzeugungsschaltung unter Verwendung eines Leistungs- Halbleiterschalters mit einer magnetischen Impulskomprimierungs- Schaltung zum Erzeugen von Impulsen eines großen Stroms mit einer geringen Dauer bei einer hohen Wiederholungsrate kombiniert ist, und insbesondere auf eine Impulsleistungsquellen-Vorrichtung, die instabile Ladeoperationen beseitigt, die durch Energie verursacht werden, die durch eine Last nicht verbraucht wird, wenn ein Impulsstrom zur Last geliefert wird, und die ein magnetisches Rücksetzen des Impulsumwandlers sicherstellt.

Ein "TEA-Laser" bezieht sich auf einen Laser, bei dem der Laserstrahl durch ein Verfahren erzeugt wird, bei dem eine Laserschwingung durch Anlegen einer elektrischen Entladung an ein Gas mit einem Druck von 1 atm (0,981 bar) oder mehr bewirkt wird. Bei dem TEA-Laser wird eine gleichförmige Glimmentladung zwischen einem Paar gegenseitig gegenüberliegender Hauptentladungselektroden erzeugt, um einen umgekehrten Ansammlungsbereich auszubilden, der für eine Laserschwingung erforderlich ist. Um eine Glimmentladungsstreuung über den gesamten Entladungsraum zu erhalten, ist es erforderlich, eine Vorionisierung vor dem Start der Hauptentladung durchzuführen und den gesamten Hauptentladungsraum im voraus zu ionisieren. Insbesondere für einen Excimerlaser ist es wegen der kurzen Lebensdauer der Elektronen im ionisierten Gas erforderlich, eine so große Ionisierung wie möglich direkt vor der Hauptentladung vorliegen zu haben.

Gegenwärtig wird eine solche Vorionisierung durch verschiedene Verfahren, wie beispielsweise durch das Verwenden von Röntgenstrahlen, Funkenentladung, Coronaentladung und dergleichen erzielt. Von diesen Verfahren wurde ein Verfahren, das die Coronaentladung verwendet, weitgehend verwendet, da es relativ einfach ist und das Lasergas nicht in hohem Maße kontaminiert.

Fig. 10 stellt eine Äquivalenzschaltung einer konventionellen magnetischen Impulskomprimierungs-Entladungsvorrichtung vom Kapazitätsübertragungstyp zum Bewirken einer Vorionisierung unter Verwendung der Coronaentladung dar.

Bei der Entladungsschaltung in Fig. 10 ist eine Corona- Vorionisierungselektrode 4 an einer Seite eines Hauptentladungsraums 3 angeordnet, der zwischen einem Paar von Hauptelektroden 1 und 2 ausgebildet wird. Die Vorionisierung des Lasermediums in diesem Hauptentladungsraum zwischen den Hauptelektroden 1, 2 wird mit UV-Licht hervorgebracht, das mittels einer Coronaentladung durch die Corona- Vorionisierungselektrode 4 erzeugt wird.

Bei dieser Anordnung wird ein Kondensator C0, der mit einer Hochspannungs-Leistungsquelle HV verbunden ist, mit einer elektrischen Ladung von der Leistungsquelle HV geladen.

Als nächstes fließt ein Strom 100 in einen Magnetschalter SI1, der den Kondensator C0, eine Schaltung SW, einen Kondensator C1 und eine Sättigungsdrossel aufweist, wenn die Schaltung SW, die einen Thyratron, einen GTO oder dergleichen aufweist, eingeschaltet wird. Danach wird ein Magnetschalter SI2 gesättigt und tritt in einen niedrigen Impedanzzustand ein, wenn die Spannung in dem Kondensator C1 bis zu einer vorgeschriebenen Spannung ansteigt.

Als Folge dessen fließt ein Strom I01 durch eine Schleife, die durch den Kondensator C1, einen Hauptentladungskondensator Cp und einen Magnetschalter SI2 ausgebildet wird, und die Spannung in den Kondensatoren Cp, Cb steigt an.

Danach steigt die Spannung an der Corona-Vorionisierungs­ elektrode 4 mit Hilfe des Vorionisierungskondensators Cb auf eine vorgeschriebene Spannung, bei der die Vorionisierung beginnt. Zu diesem Zeitpunkt wird eine Coronaentladung in der Corona- Vorionisierungselektrode erzeugt, Strom I02 fließt durch den Hauptentladungsraum 3, und die Vorionisierung tritt im Hauptentladungsraum 3 auf.

Danach steigt die Spannung im Hauptentladungskondensator Cp an, während die Ladung stattfindet. Wenn diese Spannung einen vorgeschriebenen Spannungswert erreicht, bei dem die Hauptentladung beginnt, beginnt die Hauptentladung zwischen den Hauptelektroden 1, 2, und ein Strom I03 fließt. Dann wird das Lasermedium durch die Hauptentladung angeregt, die zwischen den Hauptelektroden 1, 2 erzeugt wird, und Laserlicht wird erzeugt.

Dann nimmt die Spannung der Kondensatoren Cp, Cb als Folge der Hauptentladung schnell ab und kehrt nach einer vorgeschriebenen Zeitdauer in den Zustand zurück, bevor die Ladung begonnen hat.

Die gepulste Laserschwingung folgt aus dem Wiederholen eines solchen Entladungsvorgangs mit einem vorgeschriebenen Wiederholungszyklus (Impulsschwingungsfrequenz), der in der Schaltschaltung SW eingerichtet wird.

Fig. 11 stellt die Wellenform der Spannung VD, die zwischen den Hauptelektroden 1, 2 angelegt wird, für den Zyklus von einem Impuls dar.

Wie vorstehend erörtert, nimmt die Spannung VD mit der Ladung des Hauptkondensators CP zu (bei dieser Zeichnung wird sie negativer). Wenn diese Spannung VD die vorgeschriebene Spannung erreicht, bei der die Hauptentladung beginnt, wird die Hauptentladung erzeugt. Die Spannung VD fällt rapide ab, nachdem die Hauptentladung erzeugt wurde, und zu diesem Zeitpunkt wird eine Überschwingungsspannung mit einer entgegengesetzten Polarität zu der der Entladungsspannung aufgrund eines Transientenphänomens erzeugt. Dann wird direkt vor der Rückkehr in einen stabilen Zustand eine Spannung Vd (schraffierter Teil) erzeugt. Diese Spannung Vd wird als eine Spannung angesehen, die von der Leistungsquelle HV von der zuvor genannten Überschwingungsspannung reflektiert wird.

Mit anderen Worten, da die Magnetschalter SI1, SI2 sich nach der Entladung in einem Zustand mit niedriger Impedanz befinden, läuft der Überschwingungsstrom, der direkt nach der Entladung erzeugt wird, durch die Magnetschalter SI1, SI2 und fließt zu der Leistungsquelle HV, wo die reflektierte Spannung Vd als eine Folge des reflektierten umgekehrten Stroms Id (gestrichelte Linie in Fig. 10) erzeugt wird, der in den Hauptentladungskondensator Cp fließt. Die Hauptentladung wird aufgrund dieser reflektierten Spannung Vd instabil und verursacht Variationen bei den Laser- Ausgangswerten.

Ferner fließt ein Teil Id' des umgekehrten Stroms Id in den Vorionisierungskondensator Cb. Als eine Folge dessen wird die Vorionisierungsentladung instabil, was bewirkt, daß die Vorionisierung instabil wird, und Variationen bei den Laser- Ausgangswerten zur Folge hat.

Das Phänomen der reflektierten Spannung Vd wird in genaueren Einzelheiten unter Bezug auf Fig. 12-14 erläutert.

Fig. 12 stellt ein Beispiel einer konventionellen Impulsleistungsquellen-Vorrichtung dar. In Fig. 12 ist ein Erststufenkondensator C0 für Leistung in einer Impulserzeugungsschaltung 21 bereitgestellt. Dieser Kondensator C0 wird anfänglich mittels einer Hochspannungsladungs­ einrichtung 22 geladen und liefert, während ein Halbleiterschalter SW eingeschaltet wird, einen Impulsstrom I0 vom Kondensator C0 über einen Reaktor bzw. eine Drossel L0 zu einem Impulsumformer bzw. Impulstransformator PT.

Eine magnetische Rücksetzschaltung MR1 verhindert eine magnetische Sättigung des Eisenkerns des Impulstransformators PT durch das Liefern eines Bias-Gleichstroms zur Rücksetzspule des Impulstransformators PT.

Zwei magnetische Impulskomprimierungs-Schaltungen 231, 232 sind in einer Kaskadenanordnung auf der Sekundärseite des Impulstransformators PT geschaltet. Bei der ersten magnetischen Impulskomprimierungs-Schaltung 231 bewirkt der Impulsstrom I1, dessen Spannung durch den Impulstransformator PT erhöht wird, eine Hochspannungsladung des Kondensators C1. Diese in den Kondensator C1 geladene Spannung betätigt einen Sättigungsreaktor bzw. eine Sättigungsdrossel SI1, die als ein Magnetschalter betrieben wird, so daß ein engbandiger gepulster Strom bzw. ein Impulsstrom SI2 mit einer geringen Impulsdauer, der der magnetischen Impulskomprimierung unterliegt, in der in der Zeichnung dargestellten Polarität zur nächsten magnetischen Impulskomprimierungs-Schaltung 232 geführt wird. In der gleichen Art und Weise wird die magnetische Impulskomprimierung der Impulsdauer als eine Folge der Sättigungsdrosseln SI2, die als ein Magnetschalter betrieben wird, durch die magnetische Impulskomprimierungs-Schaltung 232 herausgeführt, und der Impulsstrom I3 wird mit der in der Zeichnung dargestellten Polarität ausgegeben.

Unterdessen werden magnetische Rücksetzspulen und magnetische Rücksetzschaltungen MR2 und MR3 in den Sättigungsdrosseln SI1 bzw. SI2 bereitgestellt. Diese werden durch die umgekehrte Polarität durch Zufuhr eines Gleichstroms nach der Sättigung der Sättigungsdrosseln SI1, SI2 angeregt und gesättigt.

Der Impuls, der von der magnetischen Impulskomprimierungs­ schaltung 232 ausgegeben wird, liefert einen Hochspannungs- Impulsstrom mit einer geringen Impulsdauer zu einer Last 24, wie beispielsweise einer Laserkopfkammer. In der Last 24 ist ein Spitzenkondensator Cp parallel zur Schaltung der Hauptentladungselektroden 1 und 2 und der Vorionisierungselektrode 4 bereitgestellt. Wenn der Spitzenkondensator Cp bis zu einem bestimmten Spannungspegel mit dem Impulsstrom geladen wird, wird das Gas in der Laserröhre mit der Entladung der Vorionisierungselektrode 4 über den Kondensator Cb vorionisiert, und die Hauptentladung zwischen den Hauptentladungselektroden 1, 2 wird durch diese Vorionisierung erzielt.

Die vorstehend aufgeführte Konfiguration stellt den Fall dar, bei dem magnetische Impulskomprimierungs-Schaltungen in zwei Stufen bereitgestellt werden. Jedoch ist auch ein N-stufiger Aufbau möglich. Fig. 13 stellt die Wellenform der Ladungsspannungen VC0- VCN, VCp der Kondensatoren C0, C1-CN und des Spitzenkondensators Cp in einem N-stufigen Aufbau dar. Aufgrund einer magnetischen Impulskomprimierung unterliegt die Ladungszeit T1-Tp einem größeren magnetischen Impuls, während die Stufe aus Kondensatoren später so ist, daß ein Entladungsstrom mit einer geringen Impulsdauer zu den Hauptentladungselektroden 1, 2 der Last 24 geliefert wird.

Bei einer Impulsleistungsquellen-Vorrichtung mit einem solchen Aufbau verbraucht die Entladung in der Last 24 nicht die gesamte bereitgestellte Impulsenergie. Anstelle dessen kehrt ein Teil der nicht verbrauchten Energie in die Impulserzeugungsschaltung 21 zurück. Diese zurückkehrende Energie wird als "Rückstoßenergie" bezeichnet. Diese Rückstoßenergie tritt nach dem Entladen in der Last als eine reflektierte Energie von der Impulserzeugungsschaltung 21 in Form einer Rückladungsspannung (Restladung) für den Spitzenkondensator Cp auf.

Bezüglich der Spannungswellenform des Spitzenkondensators Cp variiert der Betrag der Rückladungsspannung abhängig vom Zustand des Gases in hohem Maße, das in die Entladungsröhre zur Zeit der Entladung in der Last 24 eingefüllt ist. Daher kann die Ausgangsenergie instabil werden, wenn die Last 24 ein Laserkopf ist.

Fig. 14 stellt ein Beispiel der Spannungswellenform in dem Spitzenkondensator Cp dar. In dieser Figur wird der Spitzenkondensator Cp der Ladungsperiode (t0-t1) folgend durch die Hauptelektroden 1, 2 schnell entladen. Dann wird der Kondensator Cp durch die Rückstoßenergie während der Stabilisierungsperiode (t2-t3) zum Erholen von bzw. Stabilisieren der Entladung durch die Hauptelektroden 1, 2 wieder aufgeladen. Diese aufgeladene Restenergie, die sich entsprechend dem Zustand des Gases in der Entladungsröhre der Last 24 ändert, wird wieder zur Impulserzeugungsschaltung 21 geliefert.

Während der Stabilisierung der Entladung in der Last nimmt die Spannungsänderung des Spitzenkondensators Cp die Form der Wellenform A1 oder der Wellenform B1 in Fig. 14 an. Die Wellenform A1 stellt den Fall dar, bei dem die Spannung des Spitzenkondensators Cp schnell wieder in den anfänglichen Zustand gebracht wird, wobei seine positive Polarität unverändert bleibt. Die Wellenform B1 stellt den Fall dar, bei dem der Spitzenkondensator Cp mit einer umgekehrten Polarität neu geladen wird und mit einer Verzögerung zum anfänglichen Zustand zurückgebracht wird.

Bei dem Wiederherstellungsprozeß der Wellenform B1 wird der Zustand in der Kammer, in der die Hauptentladungselektroden 1, 2 und die Vorionisierungselektrode 4 eingerichtet sind, so beeinflußt, daß der Betrieb der Last in dem Fall, in dem die Last der Laserkopf ist, instabil wird, und zwar aufgrund eines solchen Phänomens, daß die Ausgangsenergie der nachfolgenden Entladung instabil wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Entladungsschaltung für einen Impulslaser bereitzustellen, die stabile Laserausgangswerte ohne negative Wirkungen erzielen kann, die durch eine Überschwingungsspannung direkt nach der Hauptentladung in der Entladungsschaltung verursacht werden.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Impulsleistungsquellen-Vorrichtung bereitzustellen, die einen instabilen Betrieb der Last aufgrund einer Restladung in dem Spitzenkondensator verhindert und die eine magnetische Ablenkung des Impulstransformators verhindert.

Diese Aufgaben werden durch Entladungsschaltungen für Impulslaser bzw. eine Impulsleistungsquellen-Vorrichtung mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 2 bzw. 3 gelöst.

Bei einer Anordnung gemäß Anspruch 1 ist ein Widerstand oder ein unidirektionales bzw. einfach gerichtetes Schaltungselement, wie beispielsweise eine Diode, parallel zum Hauptentladungskondensator geschaltet. Eine solche Diode oder ein solcher Widerstand ermöglicht es, den Umkehrungsstrom von der Leistungsquelle, der durch die Überschwingung direkt nach der Entladung erzeugt wird, zu erden oder als Wärme zu verbrauchen. Demzufolge ist es möglich, die reflektierte Spannung von der Leistungsquelle zu beseitigen, die eine Reflexion der Überschwingungsspannung ist. Daher können stabile Laserausgangswerte erzielt werden.

Bei einer Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 2 ist ein unidirektionales bzw. einfach gerichtetes Schaltungselement, beispielsweise eine Diode, die in der umgekehrten Richtung zum Umkehrstrom angeordnet ist, seriell zu den Vorionisierungselektroden geschaltet. Dies kann den rückkehrenden Strom hindern, zu den Vorionisierungselektroden zu fließen; die Vorentladung wird dadurch stabil gemacht, und es wird möglich, eine gleichförmige Vorionisierung zu erzielen.

Bei einer Anordnung gemäß Anspruch 3 sind die Diode und eine Zenerdioden-Reihenschaltung parallel zum Spitzenkondensator der Last vorgesehen, um dadurch die Nachladungsspannung des Spitzenkondensators mit der Leitung der Diode zu blockieren und den instabilen Betrieb der Last auszuschließen, während ein magnetisches Rücksetzen des Impulstransformators durch das Erzeugen einer Klemmspannung an der Sekundärseite des Impulstransformators mit der Zenerspannung, die durch die Zenerdiode erzeugt wird, sichergestellt wird. Darüberhinaus können die Sättigung und die magnetische Ablenkung des Impulstransformators verhindert werden. Mit anderen Worten, das parallele Einrichten einer Diodenschaltung zum Verhindern, daß der Spitzenkondensator mit der umgekehrten Polarität wieder aufgeladen wird, nachdem der Spitzenkondensator mit der Entladungswiederherstellung der Hauptentladungselektroden der Last wieder geladen wird, kann das Instabilitätsphänomen der Last aufgrund der Wiederaufladung des Spitzenkondensators beseitigen und kann das magnetische Rücksetzen des Impulstransformators nach der Entladung sicherstellen und die magnetische Ablenkung und Sättigung von diesem verhindern, da sie die Klemmspannung erzeugt, die zum magnetischen Rücksetzen der Sättigungsdrossel der magnetischen Impulskomprimierungs-Schaltung mit der Zenerdiode erzeugt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltungsdiagramm eines Ausführungsbeispiels;

Fig. 2 ein Zeitdiagramm zum Erläutern des Betriebs des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels;

Fig. 3 ein Schaltungsdiagramm, das ein weiteres Ausführungsbeispiel darstellt;

Fig. 4 ein Schaltungsdiagramm, das noch ein weiteres Ausführungsbeispiel darstellt;

Fig. 5(a) bis 5(j) Schaltungsdiagramme, die noch andere Ausführungsbeispiele darstellen; Fig. 6 ein Blockdiagramm, das ein anderes Ausführungsbeispiel darstellt;

Fig. 7 ein Blockdiagramm, das noch ein anderes Ausführungsbeispiel darstellt;

Fig. 8 ein Beispiel der Spannungswellenform des Spitzenkondensators Cp des Ausführungsbeispiels in Fig. 7;

Fig. 9 ein Beispiel der Wellenform von jedem Typ der Spannung des Spitzenkondensators Cp;

Fig. 10 ein Schaltungsdiagramm einer konventionellen Entladungsschaltung;

Fig. 11 ein Zeitdiagramm zum Erläutern des Betriebs der konventionellen Entladungsschaltung;

Fig. 12 ein Blockdiagramm, das den Stand der Technik darstellt;

Fig. 13 ein Beispiel der Wellenform von jedem Kondensator in einer konventionellen Schaltung; und

Fig. 14 ein Beispiel der Spannungswellenform des Spitzenkondensators Cp der konventionellen Schaltung in Fig. 12.

Fig. 1 ist eine Äquivalenzschaltung eines Ausführungsbeispiels der Entladungsschaltung für einen Impulslaser bzw. gepulsten Laser, der an eine magnetische Impulskomprimierungs- Entladungsvorrichtung vom Kondensatorübertragungstyp bzw. Kapazitätsübertragungstyp angelegt ist.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der in Fig. 10 dargestellten konventionellen Schaltung eine Diode Da hinzugefügt worden. Ansonsten ist die Anordnung gleich wie die der konventionellen Schaltung in Fig. 10.

Im einzelnen ist beim vorliegenden Ausführungsbeispiel die Diode Da, die geerdet und parallel zum Hauptentladungskondensator (Spitzenkondensator) Cp geschaltet ist, in einer Vorwärtsrichtung relativ zur Richtung des Rückstroms Id angeordnet, der von der Leistungsquelle HV fließt. Bei diesem Kondensator Cp wird der Rückstrom Id schnell zur Erde hin freigegeben, so daß die reflektierte Spannung Vd nicht erzeugt wird.

Fig. 2 stellt die Wellenform der Spannung VD dar, die beim Ausführungsbeispiel in Fig. 1 zwischen den Hauptelektroden 1, 2 angelegt wird. Wie aus dieser Figur klar ersichtlich ist, wird beim vorliegenden Ausführungsbeispiel beinahe keine reflektierte Spannung Vd erzeugt, die in der konventionellen Entladungsschaltung erzeugt wird. Demzufolge können die Änderungen bei den Laserausgangswerten, die in der konventionellen Schaltung auftreten, in hohem Maße herabgesetzt werden.

Die Fig. 3 und 4 stellen weitere Ausführungsbeispiele dar. Bei diesen Ausführungsbeispielen sind ein Widerstand Rl oder eine Spule L1 seriell zur Diode Da beim ersten Ausführungsbeispiel geschaltet. Bei diesen Ausführungsbeispielen können ebenso die gleichen Wirkungen wie beim ersten Ausführungsbeispiel erzielt werden. Der Widerstand Rl führt den Rückstrom Id zur Erdung, während er zum Verbrauchen des elektrischen Stroms in Form von Wärme dient.

Darüberhinaus können nur ein Widerstand oder nur eine Spule anstelle der Diode Da bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1 geschaltet werden.

Die Fig. 5(a)-5(j) stellen noch weitere Ausführungsbeispiele dar. Um einen Anteil Id' des Rückstroms Id zu hindern, in die Vorionisierungselektrode 4 zu fließen, sind diese Ausführungsbeispiele mit einer Diode Db in der Richtung entgegengesetzt der Richtung des Rückstroms Id' ausgestattet.

Mit anderen Worten, der Rückstrom Id', der zum Vorionisierungskondensator Cb fließt, hat die negative Wirkung des Destabilisierens der vorherigen Entladung. Bei den Ausführungsbeispielen in den Fig. 5(a)-5(j) ist die Diode Db in der umgekehrten Richtung zum Rückstrom Id' angeordnet und läßt den Rückstrom Id' nicht in die Corona-Vorionisierungselektroden fließen.

Bei den Ausführungsbeispielen in den Fig. 5(a)-5(j) sind Dioden Dc, Dd und Widerstände r1, r2 ebenfalls vorgesehen, elektrische Ladungen, die in dem Vorentladungskondensator Cb verbleiben, schnell abzuleiten. Die in dem Vorentladungskondensator Cb verbleibende Ladung wird durch die Dioden Dc, Dd bzw. Widerstände r1, r2 zur Erdung geführt oder in den Widerständen r1 oder r2 in Form von Wärme verbraucht.

Auf diese Art und Weise blockiert die Diode Db bei den in den Fig. 5(a)-5(j) dargestellten Ausführungsbeispielen das Einfließen des Rückstroms Id' von der Leistungsquelle, wobei dieser durch eine Überschwingung verursacht wird, während die Dioden Dc, Dd bzw. die Widerstände r1, r2 zum Ableiten elektrischer Ladungen dienen, die in dem Vorentladungskondensator Cb verbleiben. Demzufolge werden elektrische Ladungen daran gehindert, in den Vorionisierungselektroden zu verbleiben. Dies macht es möglich, die Instabilität der Vorionisierung zu unterdrücken, die durch die Fluktuation der Vorionisierungsentladung verursacht wird. Daher können Variationen bei den Laserausgangswerten verhindert werden.

Als nächstes stellt Fig. 6 ein anderes Ausführungsbeispiel dar, wobei Fig. 6 gleich wie die konventionelle Schaltung ist, die in Fig. 12 dargestellt ist, ausgenommen, daß eine Diode D parallel zu den Hauptentladungselektroden 1, 2 bereitgestellt ist. Mit dieser Diode D wird die Restladung des Spitzenkondensators Cp verringert, und der instabile Betrieb des Laserausgangs wird ähnlich wie bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1 verhindert.

Bei dem Aufbau der Fig. 6 sind die magnetischen Rücksetzschaltungen MR1, MR2 und MR3 als Konstantstromquellen dargestellt. Tatsächlich wird die Konstantstromquelle mit einer seriellen Anordnung aus Widerstand und Induktor in der Konstant- Gleichspannungsquelle realisiert. Das Punktzeichen, das in den Spulen der Sättigungsdrosseln SI1, SI2 und dem Impulstransformator PT dargestellt ist, stellt die Spulenausrichtung dar. Die Polarität der induzierten Spannung nimmt die Richtung an, die mit den Punktzeichen dargestellt ist. Die Punktzeichen sind für den Fall dargestellt, wenn die Spannung mit positiver Polarität an die Rücksetzspulen der magnetischen Rücksetzschaltungen MR1, MR2 und MR3 angelegt wird.

Um die magnetischen Substanzen der Impulstransformatoren und Sättigungsdrosseln in einer Richtung zurückzusetzen, ist es erforderlich, sie durch einen ungesättigten Bereich zu führen, wie dies aus der B-H-Kurve der magnetischen Substanzen klar ersichtlich ist. In diesem ungesättigten Bereich tritt eine Transformationswirkung zwischen der Primärspule und der Sekundärspule wie auch der Hauptspule und der Rücksetzspule des Impulstransformators auf. Wenn die Rücksetzspannung an die Rücksetzspule angelegt wird, wird eine induzierte Spannung an die Hauptspule angelegt. Umgekehrt steigt die Spannung, die durch die Hauptspule induziert wird, nicht an, und die Zeit zum Zurücksetzen wird lang, wenn die Hauptspule sich in einem Zustand mit niedriger Impedanz befindet.

Die Sättigung in dem Impulstransformator PT und Sättigungsdrosseln bzw. Sättigungsreaktoren SI1, SI2 in Fig. 6 wird durch das Spannungs-Zeit-Produkt (Vt) bestimmt, was das Produkt der angelegten Spannung und der Zeit ist, während der die Spannung angelegt wird. Durch die magnetische Impulskomprimierung werden die Impulse enger bzw. folgen zeitlich dichter, da die Impulskompressionsstufen später kommen; die Spannungs-Zeit- Produkte Vt des Impulstransformators PT und der Sättigungsdrosseln SI1, SI2 haben die nachfolgende Beziehung:

VtPT < VtSI1 < VtSI2.

Wenn die entsprechenden Rücksetzschaltungen MR1, MR2 und MR3 des Impulstransformators PT und die Sättigungsdrosseln SI1, SI2 die gleichen Möglichkeiten haben oder wenn ein Rücksetzstrom von einer Rücksetzleistungsquelle zugeleitet wird, haben die Zeiten, die zum Rücksetzen (Treset) für diese erforderlich sind, konsequenterweise die gleiche Art der Beziehung wie die vorstehende Beziehung:

TresetPT < TresetSI1 < TresetSI2.

Demzufolge wird der Impulstransformator PT zurückgesetzt, nachdem das Rücksetzen der Sättigungsdrosseln SI1, SI2 abgeschlossen ist. Tatsächlich ist es erforderlich, das Anlegen der Spannung der Polarität, die in Fig. 6 dargestellt ist, für eine vorgegebene Zeit beizubehalten, und zwar selbst, nachdem die Sättigungsdrosseln SI1, SI2 zurückgesetzt sind und in einen Zustand mit niedriger Impedanz (nahezu kurzgeschlossener Zustand) eintreten, um den Impulstransformator PT zurückzusetzen.

Für das Anlegen der Rücksetzspannung an den Impulstransformator PT wird die Polarität der Spannung an der Sekundärspule so ausgerichtet, wie dies mit dem Punkt dargestellt ist. Für diese Polarität sind die Diode D oder die Reihenschaltung der Diode D und des Widerstands R zum Beseitigen der Restladung des Spitzenkondensators CP in einer leitfähigen Richtung geschaltet. Mit anderen Worten, das Bereitstellen der Diode D hat die nachfolgenden Wirkungen: Mit dem Anlegen der Rücksetzspannung an den Impulstransformator PT ist die Sekundärseite des Impulstransformators durch die Diode D nahezu kurzgeschlossen und kann die Rücksetzspannung nicht aufnehmen.

Unterdessen führt der Impulstransformator PT eine Umformungsoperation in einem nicht gesättigten Zustand ähnlich den Sättigungsdrosseln SI1, SI2 durch. Der Strom und die Impulsspannung, die durch die Rückstoßenergie von dem Spitzenkondensator Cp verursacht werden, haben Dimensionen, die bemerkenswert geringer als die Größen des Stroms und der Impulsspannung sind, die durch die Entladung von dem Kondensator C0 angelegt werden, sogar obwohl die Polaritäten entgegengesetzt zueinander sind.

Aus diesem Grund liefert der Impulstransformator PT den Rücksetzstrom bei der magnetischen Rücksetzschaltung MR1 und versucht, diesen in einen ungesättigten Zustand zurückzubringen. Jedoch führt das Vorliegen der Diode D auf der Sekundärseite zu einer nicht ausreichenden Rücksetzung. Demzufolge wird die magnetische Substanz des Transformators allmählich magnetisch abgelenkt und wird nach und nach gesättigt.

Auf diese Art und Weise kann durch das Bereitstellen der Diode D oder der Reihenschaltung aus der Diode D und dem Widerstand R parallel zu den Hauptelektroden 1, 2 eine Restladung des Spitzenkondensators Cp beseitigt werden und das Problem eines instabilen Laserausgangs kann gelöst werden. Andererseits verursacht das Vorliegen der Diode D jedoch das Problem der magnetischen Ablenkung des Impulstransformators PT.

Fig. 7 stellt ein Ausführungsbeispiel zum Lösen eines solchen Problems dar. Fig. 7 weicht von Fig. 6 mit Blick auf die Diodenschaltung ab, bei der eine Zenerdiode DZ seriell zur Diode D angeordnet ist.

Diese Diodenschaltung ist parallel zum Spitzenkondensator Cp geschaltet. Die Polarität der Diode D ist so ausgerichtet, daß das Neuladen des Spitzenkondensators Cp mit der umgekehrten Polarität verhindert wird, nachdem dieser durch das Erneuern bzw. Wiederherstellen der Entladung zwischen den Hauptentladungsschaltungen 1, 2 aufgeladen ist.

Insbesondere wird die Diode D leitfähig und erdet oder verbraucht den Rückstrom, wenn der Spitzenkondensator Cp wieder mit der umgekehrten Polarität zu laden wäre.

Die umgekehrte Blockierspannung der Diode D ist so festgelegt, daß sie größer als die Spannung des Spitzenkondensators Cp ist, wenn dieser durch den Impulsstrom geladen wird, der von der Endstufe der magnetischen Impulskomprimierungs-Schaltung 232 zur Last 24 geliefert wird.

Die Zenerdiode ZD der Diodenschaltung erzeugt eine Zenerspannung für den Vorwärtsstrom der Diode D. Diese Zenerdiode ZD erzeugt als eine Zenerspannung die Abfangspannung bzw. Klemmspannung, die zum magnetischen Rücksetzen des Impulstransformators PT erforderlich ist.

Darüberhinaus wird die Verbindungsrichtung der Diodenschaltung entsprechend der Polarität, mit der der Spitzenkondensator Cp durch das Entladen der Last geladen wird, geeignet geändert, und zwar abhängig von der Struktur der Last und der Struktur der magnetischen Impulskomprimierungs-Schaltung.

Mit einer solchen bereitgestellten Diodenschaltung wird der Spitzenkondensator Cp nach dem Entladen zwischen den Hauptentladungselektroden 1, 2 entladen. Und das Wiederaufladen des Spitzenkondensators Cp mit der umgekehrten Polarität kann durch die Leitfähigkeit der Diode D verhindert werden, was das nachfolgende Entladen der Last 24 stabilisiert und das Phänomen der instabilen Ausgangsenergie beseitigt.

Zudem umfaßt die Diodenschaltung des vorliegenden Ausführungsbeispiels die Zenerdiode ZD, die es ermöglicht, das magnetische Rücksetzen des Impulstransformators PT sicherzustellen. Dies wird nachfolgend in genaueren Einzelheiten erläutert.

Wie vorstehend festgestellt, wird die Sekundärseite des Impulstransformators PT beim Anlegen der magnetischen Rücksetzspannung von diesem wegen der Anordnung der Diode D kurzgeschlossen. Für einen Impulsstrom mit einer hohen Wiederholungsrate wird das magnetische Zurücksetzen nach dem Erzeugen des Impulsstroms schwierig, was manchmal eine magnetische Ablenkung verursacht.

Die Zenerdiode ZD erzeugt die Klemmspannung bzw. Abfangspannung, und diese Klemmspannung kann die induzierte Spannung der Hauptspulen bereitstellen, die zum Rücksetzen des Impulstransformators PT erforderlich ist. So kann das magnetische Rücksetzen durch das Erzielen eines gewünschten Spannungs-Zeit- Produktes davon bewirkt werden.

Falls diese Klemmspannung sehr hoch ist, wird die Wieder- bzw. Rückladungsspannung des Spitzenkondensators Cp nicht unterdrückt. Daher wird die Diodenschaltung durch das Berücksichtigen des Vorwärts-Spannungsabfalls aufgrund der seriellen Dioden, der Charakteristik der Last etc. entsprechend angemessen berücksichtigt.

Fig. 8 stellt die Wirkung der Diodenschaltung beim Unterdrücken der Wiederladungsspannung des Spitzenkondensators Cp dar. Durch das Unterdrücken der Vorwärtsspannung Vf von der Diode D wird das Wiederaufladen des Spitzenkondensators Cp mit der umgekehrten Polarität während der Wiederherstellungsperiode verhindert, wodurch der stabile Betrieb der Last erzielt wird.

Zudem wird der stabile Betrieb der Last durch das Unterdrücken der Rückladungsspannung mit der Klemmspannung durch die vorwärts gerichtete Spannung Vf' erzielt, bei der die Klemmspannung durch die Zenerdiode ZD hinzugefügt wird. Darüberhinaus stellt dies auch das magnetische Rücksetzen des Impulstransformators PT durch die magnetische Rücksetzschaltung MR1 sicher.

Die Klemmspannung kann sogar in einer seriellen Schaltung, die einen Widerstand R und die Diode D enthält, durch den Widerstand R für die magnetische Rücksetzspannung, die an den Impulstransformator PT angelegt wird, erzeugt werden.

Mit der durch den Widerstand R erzeugten Klemmspannung wird ein stabiler Betrieb der Last 24 erzielt. Jedoch wird der stabile magnetische Rücksetzbetrieb für den Impulstransformator PT aus den nachfolgend aufgeführten Gründen schwierig.

Die Erfinder untersuchten die Beziehung zwischen dem instabilen Betrieb der Last und der Spannungswellenform des Spitzenkondensators Cp. Fig. 9 stellt diese Beziehung dar. Es wurde herausgefunden, daß die Wellenform vom Laden bis zum Entladen (Periode t0-t2) nicht auf das Phänomen bezogen ist, bei dem die Ausgangsenergie instabil wird, das instabile Ladungsphänomen jedoch abhängig von der Wellenform von der Zeit nach dem Entladen (Zeit t2) bis zur Spannungswiederherstellung (Zeit t4) auftritt.

Wellenformen, für die das instabile Ladungsphänomen während der Spannungswiederherstellungsperiode nicht auftritt, umfassen die folgenden:

• - Wellenform A1, bei der ein flacher Teil, bei dem die Spannung nicht ausgegeben wird, lang ist und der Spitzenkondensator nicht mit der umgekehrten Polarität wieder bzw. neu aufgeladen wird;
• - Wellenform A2, bei der der Sprung zur umgekehrten Polarität groß, jedoch die Zeitdauer für den Sprung kurz ist;
• - Wellenform A3, bei der der Sprung zur umgekehrten Polarität klein ist.

Im Gegensatz dazu umfassen Wellenformen, bei denen das instabile Ladungsphänomen auftritt, die Wellenform B1, bei der die Periode, in der die Spannung nicht ausgegeben wird, kurz ist und bei der der Sprung zur umgekehrten Polarität groß ist und eine lange Zeitdauer beansprucht.

Dies zeigt, daß das instabile Ladungsphänomen durch das Verwenden eines Schaltungsaufbaus beseitigt wird, der den Pegel und/oder die Zeitdauer der umgekehrten Polaritätsspannung in der Wiederherstellungswellenform des Spitzenkondensators unterdrückt.

Um das Klemmen bzw. Abfangen der Wellenform B1 bis zu etwa der Wellenform A3 zu bewirken und einen stabilen Ladevorgang zu erzielen, muß der Widerstand R einen ausreichend geringen Widerstandswert aufweisen. Umgekehrt hängt das Sicherstellen des magnetischen Rücksetzens des Impulstransformators PT von der Betriebs-Wiederholungsfrequenz ab und macht auch das Erzeugen von mehreren bis zu mehreren zehn Volt über den Widerstand R erforderlich, was wiederum erforderlich macht, daß der Widerstandswert des Widerstands R einen großen Wert annimmt.

Insbesondere ist die Strommenge, die in den Widerstand R fließt, das Wicklungsverhältnis der Transformatorspule multipliziert mit dem Strom, der in die Rücksetzspule des Impulstransformators PT fließt. Da das Wicklungsverhältnis der Sekundärspule hinsichtlich der Rücksetzspule i. a. groß ist, ist es erforderlich, daß der Widerstand R einen großen Widerstand aufweist, um das Rücksetzen sicherzustellen.

Folglich ist es sehr schwierig, einen Widerstandswert des Widerstands R zu finden, der für sowohl den stabilen Betrieb der Last als auch das sichere magnetische Rücksetzen des Impulstransformators ausreichend ist.

Entsprechend diesem Ausführungsbeispiel, bei dem die Klemmspannung durch die Zenerdiode ZD erzeugt wird, ist es möglich, die gewünschte Klemmspannung unabhängig von dem Strom zu erzeugen, der in der Diode D und der Zenerdiode ZD fließt und daher das magnetische Rücksetzen des Impulstransformators PT sicherzustellen, während ein stabiler Ladebetrieb erzielt wird.

Als nächstes wird die Anordnung der Klemmschaltung erläutert, die die serielle Verbindung der Diode D und der Zenerdiode ZD aufweist.

Es wird eine Anordnung angenommen, bei der die serielle Verbindung der Diode D und der Zenerdiode ZD vor den magnetischen Impulskomprimierungs-Schaltungen vorgesehen wird. Um die Spannung mit umgekehrter Polarität des Spitzenkondensators Cp durch die Sättigungsdrossel SI2 zum Kondensator C2 bei dieser Anordnung zu übertragen, muß die Sättigungsdrossel SI2 von einem ungesättigten Zustand in einen gesättigten Zustand geführt werden. Diese Bewegung des Zustands umfaßt eine Zeitverzögerung. Wegen dieser Zeitverzögerung ist es schwierig, die Spannung des Spitzenkondensators Cp mit Blick auf einen bestimmten Pegel vollständig zu unterdrücken.

Die Diodenschaltung, die die serielle Schaltung der Diode D und der Zenerdiode ZD aufweist, wird folglich, wie bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, vorzugsweise bei einer Ausgangsklemme der letzten magnetischen Impulskomprimierungs­ schaltung 32 bereitgestellt, um eine parallele Schaltung mit dem Spitzenkondensator Cp auszubilden.

Wie vorstehend bei dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel beschrieben, wird die Diodenschaltung zum Verhindern, daß der Spitzenkondensator Cp mit der umgekehrten Polarität wieder geladen wird, nachdem er während der Entladungswiederherstellung der Hauptentladungselektroden der Last aufgeladen wird, parallel zum Spitzenkondensator Cp geschaltet. Da die Zenerdiode die Klemmspannung erzeugt, die zum magnetischen Rücksetzen der Sättigungsdrossel der magnetischen Impulskomprimierungs-Schaltung erforderlich ist, kann die Vorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels das instabile Lastphänomen aufgrund des Neu- bzw. Wiederaufladens des Spitzenkondensators beseitigen, wobei das magnetische Rücksetzen des Impulstransformators PT nach dem Entladen und das Verhindern der Sättigung und der magnetischen Ablenkung von diesem sichergestellt werden.

Obwohl bei den vorstehend ausgeführten Ausführungsbeispielen eine Entladungsschaltung vom Kapazitätsübertragungstyp beschrieben wird, können auch andere Typen von Entladungsschaltungen entsprechend ausgestattet werden, beispielsweise Entladungsschaltungen vom LC-Inversionsschaltungstyp, vom impulsausbildenden Leitungs- bzw. Zeilenschaltungstyp oder vom Blumline-Schaltungstyp.

Claims (3)

1. Entladungsschaltung für einen Impulslaser, aufweisend:

• - eine Leistungsquelle (HV, 22);
• - Hauptentladungselektroden (1, 2) zum Erzeugen eines Laserstrahls;
• - einen Hauptentladungskondensator (Cp), der zum Erzeugen einer Hauptentladung zwischen den Hauptentladungselektroden (1, 2) mit elektrischen Ladungen geladen wird; und
• - eine Schaltung (SI1, SI2) zum Erzeugen von Schaltvorgängen zum Laden des Hauptentladungskondensators (Cp) mit elektrischen Ladungen, die von der Leistungsquelle (HV) in vorbestimmten Wiederholungszyklen zugeführt werden,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Schaltungselement (D, ZD, r₁, r₂) zum Verbrauchen oder Erden eines Rückstroms (Id') von der Leistungsquelle (HV), der durch eine Überschwingung verursacht wird, die direkt nach der Hauptentladung erzeugt wird, parallel zum Hauptentladungskondensator (Cp) geschaltet ist.

2. Entladungsschaltung für einen Impulslaser, aufweisend:

• - eine Leistungsquelle (HV);
• - Hauptentladungselektroden (1, 2) zum Erzeugen eines Laserstrahls;
• - einen Hauptentladungskondensator (Cp), der zum Erzeugen einer Hauptentladung zwischen den Hauptentladungselektroden (1, 2) mit elektrischen Ladungen geladen wird;
• - eine Vorionisierungselektrode (4) zum Vorionisieren eines Raums (3) zwischen den Hauptentladungselektroden (1, 2);
• - einen Vorentladungskondensator (Cb), der zum Erzeugen einer Vorentladung bei der Vorionisierungselektrode (4) mit elektrischen Ladungen aufgeladen wird; und
• - eine Schaltung (SI1, SI2) zum Durchführen von Schaltvorgängen zum Laden des Hauptentladungskondensators (Cp) und des Vorionisierungskondensators (Cb) mit elektrischen Ladungen von der Leistungsquelle (Hv) in einem vorgeschriebenen Wiederholungszyklus,

dadurch gekennzeichnet, daß ein unidirektionales Schaltungselement (D, ZD) in einer Richtung entgegengesetzt der Richtung, in der ein Rückstrom (Id') von der Leistungsquelle (HV) fließt, der durch eine Überschwingung verursacht wird, die direkt nach der Hauptentladung erzeugt wird, und seriell zur Vorionisierungselektrode (4) vorgesehen ist.

3. Impulsleistungsquellen-Vorrichtung aufweisend:

• - eine Impulserzeugungsschaltung (SW) zum Erzeugen eines Impulsstroms von einem anfänglich geladenen Kondensator (C0) über einen Impulstransformator (PT), während dies durch die Schaltung, insbesondere einen Halbleiterschalter (SW), gesteuert wird; und
• - eine magnetische Impulskomprimierungs-Schaltung (MR1, MR2) zum Durchführen einer magnetischen Impulskomprimierung hinsichtlich des Impulsstroms, der auf einer Sekundärseite des Impulstransformators (PT) mittels einer magnetischen Schaltoperation einer Sättigungsdrossel (SI1, SI2) erzielt wurde, und zum Liefern des so komprimierten Impulsstroms zu einer Last (24) mit Hauptentladungselektroden (1, 2) und einem Spitzenkondensator (Cp), der parallel zu den Hauptentladungselektroden (1, 2) geschaltet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Reihenschaltung aus einer Diode (D) und einer Zenerdiode (ZD) in einer Parallelschaltung zum Spitzenkondensator (Cp) der Last (24) vorgesehen ist, wobei die Diode derart ausgerichtet ist, um zu verhindern, daß der Spitzenkondensator (Cp) mit der entgegengesetzten Polarität neu geladen wird, nachdem er während des Entladungswiederherstellens der Hauptentladungselektroden (1, 2) aufgeladen wird; und
wobei die Zenerdiode (ZD) eine Zenerspannung zum Erzeugen einer Klemmspannung aufweist, um zu verhindern, daß die Sekundärseite des Impulstransformators (PT) in Erwiderung auf das Anlegen einer magnetischen Rücksetzspannung zum Setzen des Impulstransformators (PT) in einen ungesättigten Zustand in einen Kurzschlußzustand eintritt.