DE2952046C2

DE2952046C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung einer elektrischen Entladung in einem mit Überschallgeschwindigkeit strömenden Gas

Info

Publication number: DE2952046C2
Application number: DE2952046A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Phys. 7000 Stuttgart Hoffmann; Helmut Dr.-Ing. 7032 Sindelfingen Hügel; Wolfgang Dipl.-Ing. 7022 Leinfelden-Echterdingen Schall; Wolfram Dr.-Ing. 7032 Sindelfingen Schock
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt Fuer Luft und Raumfahrt EV 5300 Bonn; Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1979-12-22
Filing date: 1979-12-22
Publication date: 1982-04-15
Also published as: GB2066630B; FR2472329A1; US4414488A; FR2472329B1; CA1150812A; DE2952046A1; GB2066630A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer elektrischen Entladung in einem mit Überschallgeschwindigkeit strömenden Gas, wie es im Oberbegriff des Anspruches 1 beschrieben ist

Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 3.

Die Anregung von Gasen ist für verschiedene Anwendungen von Bedeutung. Beispielsweise ist es zur Einleitung von plasmachemischen Prozessen in Gasen oder Gasmischungen bekannt, in diesen eine elektrische Entladung zu betreiben. Auch zur Erzeugung einer laseraktiven Gasströmung ist eine Anregung eines strömenden Gases notwendig, wobei diese Anregung in der Regel durch eine elektrische Entladung erfolgt

Mikrowellenentladungen in ruhendem oder langsam strömendem Gas wurden immer wieder als laseraktive Medien verwendet, jedoch ohne bedeutenden Vorteil gegenüber konventionellen Entladungen (Proc. IEFE, Bd. 52, No, 12 (1964), S. 1737-1738; J. Appl. Physics, Bd. 49, No. 7 (1978), S. 3753 bis 3756. Die Einkopplung relativ geringer Leistungen erlaubte bei den Systemen mit überlagerter Gasströmung nur den Durchsatz geringer Mengen mit Unterschallgeschwindigkeit. Die Einkopplung von Mikrowellenenergie in einen Entladungskanal, in welchem ein laseraktives Gas mit Überschallgeschwindigkeit strömte, gelang laut ISL-Bericht R 111/77; halbjährlicher ISL-Bericht CR 74/29. Die Entkopplung geschieht mit Hilfe des in der GB-PS 13 67 094 genannten »Large Volume Microwave Piasma Generator« (LMP) und dient der Vorionisierung eines elektrisch angeregten gasdynamischen CO2-Lasers mit Anregung im Überschallbereich als technisch einfachere und preiswerte Alternative zur bekannten Vorionisierung mit Hilfe eines Elektronenstrahls.

Diese bekannte seitliche Einkopplung in den Strömungskanal weist jedoch eine Reihe von Nachteilen auf. Die Mikrowellenfeldstärke weist unmittelbar an der »slow wave structure«, also am Kanalrand, wo sich die Strömungsgrenzschicht befindet, den höchsten Wert auf und fällt allmählich zur Kanalmitte hin ab. Dies bewirkt, daß die Entladung vorzugsweise in der Sti'ömungsgrenzschicht, anstatt im strömenden Volumer aufgebaut wird. In dieser Grenzschicht bildet sich, da Ladungsträgerverluste nicht durch Verschleppung mit der Strömung, sondern durch die langsamere Diffusion erfolgen, eine Schicht hoher Elekironendichte aus, welche einen Teil der Mikrowellenenergie reflektiert und somit zum weiteren Absinken der Mikrowellenfeldstärke im eigentlichen Strömungsbereich führt. Die entstehende Feldasymmetrie im Kanal kann zwar durch Anbringen einer gleichartigen Konfiguration auf der anderen Kanalseite beseitigt werden, jedoch bleibt ein Feldstärkeminimum in Kanalmitte bestehen.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, in einer Überschallströmung eine elektrische Entladung durch Überlagerung der Überschallstr-omung mit einem Hochfrequenzfeld zu erzeugen (Deutsche Patentanmeldung P 29 17 995.1, vgl. DE -AS 29 17 995). Das Hochfrequenzfeld wird jedoch bei diesem Anregungsverfahren durch seitlich an den Wänden des Uberschallströmungskanals angeordnete Elektroden erzeugt an die eine Hochirequenzspannung angelegt wird.

Es ist weiterhin bei Überschallströmungen bekannt, die Strömung durch einen Mikrowellcnhohlleiter zu (Ohren und diesen Mikrowellenhohlleiter an einer bestimmten Stelle einzuschnüren, so daß an der engsten Stelle des Hohlleiters eine besonders hohe elektrische Feldstärke herrscht, die zur Anregung des Gases führt (US-PS 40 04 249). Es handelt sich jedoch bei dieser Anordnung um eine Unterschallströmung, die für viele Zwecke, beispielsweise für gasdynamische Laser, nicht geeignet ist

Es ist auch bekannt, den Gasstrom durch einen Kanal aus dielektrischen Material an einer Überschalldüse vorbeizuführen und im Überschallbereich nach der Düse eine elektrische Entladung dadurch zu erreichen, daß zwischen zvei Elektroden in der Kanalwand eine hochfrequente Wechselspannung angelegt wird (Appl. Phys. Lett, Bd. 31, No. 12,1977, S. 828 - 829). Bei diesem Verfahren ist ein hoher apparativer Aufwand nötig, da zugleich zu den Vorrichtungen für die Gleichstromentladung eine Hochspannungsquelle zur Erzeugung von Impulsen hoher Repetitionsrate vorgesehen sein muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine elektrische Entladung in einer Überschallströmung mit geringem apparativem Aufwand derart zu gestalten, daß die verfügbare Energie möglichst vollständig und über den gesamten Querschnitt des Strömungskanals gleichmäßig verteilt in die Gasströmung gelangt.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst

Die im Eniladungsbereich erfolgende Ionisation, Anregung und/oder Dissoziation des Gases kann sowohl der Einleitung plasmatischer Prozesse dienen, wobei die gleichzeitig erfolgende gasdynamische Abkühlung des Arbeitsgases zum »Einfrieren« der chemischen Reaktion besonders vorteilhaft sein kann, als auch der Vorionisierung einer weiteren unselbständigen Entladung für einen elektrisch angeregten gasdynamischen Laser. Schließlich kann auf diese Weise eine selbständige Entladung zur Schaffung eines laseraktiven Mediums erzeugt werden.

Es ist dabei vorteilhaft, daß im Bereich der Düse eine starke Entspannung des Gases eintritt, also ein starker Druckabfall, so daß bei im wesentlichen gleicher elektrischer Feldstärke in diesem Bereich mit fortschreitender Entspannung der Punkt erreicht 'vird, in dem eine Entladung gezündet wird. Da die Entspannung des Gases ausgehend von der engsten Stelle der Düse in Strömungsrichtung zunimmt, kann der Ort der Entladung durch Wahl der elektrischen Feldstärke des Mikrowellenfeldes beeinflußt werden.

Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 3 angegebenen Merkmale gelöst.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Wände des Hohlleitersystems gleichzeitig die Wände des

Strömungskanals sind. Es ist aber auch möglich, die Wände des Strömungskanals zumindest teilweise aus verlustarmen, dielektrischem Material herzustellen und im Innern des Hohlleitersystems anzuordnen. Auf diese Weise ist es möglich, dem Strömungskanal einen vom Hohlleiter abweichenden Querschnitt zu geben, beispielsweise den Strömungskanal im zentralen Bereich des Hohlleiters zu konzentrieren, in dem die maximale und sich über den Querschnitt wenig ändernde elektrische Feldstärke herrscht. In einem Rechteckhohlleiter ist es z. B. vorteilhaft, an dessen Schmalseiten je eine dielektrische Platte einzusetzen, so daß der Querschnitt des Strömungskanals geringer ist als der Querschnitt des Hohlleiters.

Bei Hohlleitern beliebiger. Querschnitts kann man einen durch dielektrische Wände begrenzten Strömungskanal mit rechteckförmigem Querschnitt im Innern des Hohlleiters anordnen.

Je nach Zweckmäßigkeit kann der Hohlleiter selbs' verschiedenen Querschnitte aufweisen, er kann beispielsweise ein Rundhohlleiter sein, der vorzugsweise derart bemessen ist, daß er nur die Ausbreitung der /Yn -Grundwelle erlaubt.

Auch die Verwendung von Hohlleitern, die im Bereich der Gasströmung ein Rechteckprofil aufweisen, ist vorteilhaft, insbesondere wenn die Breitseite des Rechteckhohlleiters derart bemessen ist, daß nur die Ausbreitung der f/io-Grundwelle möglich ist.

Bei einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß der Hohlleiter im Bereich der Gasströmung einen elliptischen Querschnitt aufweist oder als ausgebuchter Rechteckhohlleiter ausgebildet ist.

Günstig ist es auch, wenn sich im Hochdruckteil eine Gaszufuhr befindet und wenn der Hohlleiter vor dieser Gaszufuhr mittels einer verlustarmen, dielektrischen Schicht abgeschlossen ist.

Bei einer Vorrichtung dieser Art, die mit Elektroden zur Erzeugung einer weiteren Entladung im Niederdruckteil versehen ist, kann vorgesehen sein, daß der Hohlleiter vor den elektroden endet und der Strömungskanal in dem sich anschließenden Entladungsbereich aus elektrisch isolierendem Material besteht, in welches die Elektroden eingelassen sind.

Bei einer solchen Vorrichtung kann der Hohlleiter im Entladungsbereich mit verlustarmen, dielektrischem Isolationsmaterial rundum ausgekleidet sein, in welches vom Hohlleiter elektrisch isoliert die Elektroden eingelassen sind.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß der Hohlleiter im Entladungsbereich endet während seine Breitseiten als seitlich offenes Wellenleitersystem weitergeführt werden, daß der Strömungskanal zwischen diesen Breitseiten in elektrisch isolierendem Material fortgesetzt ist und daß in den Schmalseiten dieses Kanals die Elektroden eingelassen sind.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere jeweils einen eigenen Strömungskanal umgebender Hohlleiter unmittelbar nebeneinander angeordnet, die im Niederdruckteil in einen gemeinsamen Strömungskanal einmünden. Dabei können die Wände zwischen jeweils zwei angrenzenden Hohlleitern beiden Hohlleitern gemeinsam sein. Jeder Hohlleiter kann mit einem eigenen Mikrowellengenerator in Verbindung stehen, es kann vorteilhaft aber auch vorgesehen sein, daß die Einspeisung der Mikrowelle von einem Hohlleiter in den benachbarten durch einen Richtkoppler erfolgt, der vor der Gaszufuhr in den Hohlleiter angeordnet ist. Es genügt dann, einen Hohlleiter mit dem Mikrowellengenerator zu verbinden.

Bei einer solchen Ausführungsform sind Elektroden zur Erzeugung einer weiteren Entladung im Niederdruckbereich vorzugsweise im gemeinsamen Strömungskanal angeordnet. Dasselbe gilt für die Anordnung von Resonatoren bei gasdynamischen Laseranordnungen.

Die Überschalldüse besteht aus verlustarmen, dielektrischem Material und ist entsprechend den Erfordernissen der Gasdynamik geformt. Als Material eignet sich dabei insbesondere BeO-, AI2O3-Keramik, Quarz oder

!5 Quarzglas. Der wesentliche Vorteil einer solchen Ausgestaltung besteht in der weitgehenden Unabhängigkeit der Gestaltungskriterien für die Mikrowellenausbreitung einerseits und der Überschallströmung andererseits.

Zusätzlich ergibt sich die vorteilhafte Möglichkeit, die Düse als Gitter- oder Siebdüse mit mehreren Düsenöffnungen auszuführen.

Die mit dem Erfindungsgegenstand erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß eine Mikrowellenentladung unmittelbar in einer Überschallströmung — mit inhärent großem Massendurchsatz — erzeugt werden kann, ohne daß die Mikrowellenstrahlung zuvor eine Strömungsgrenzschicht durchdringen muß. Damit ist es — im Gegensatz zu den eingangs genannten, bekannten Verfahren (auch jenen die sich einer Unterschallströmung bedienen) — möglich, nach geringfügiger Anpassung der Plasmaimpedanz an das Hohlleitersystem durch ein bekanntes Transformationsglied (z. B. E-H-Tuner oder Double Screw Tuner) die gesamte verfügbare Mikrowellenenergie im Gas oder Gasgemisch zu deponieren.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Tatsache, daß durch entsprechende Gestaltung des Hohlleiters die Feldverteilung im Hohlleiter in vorteilhafter Weise beeinflußt werden kann. So ist es vorteilhaft, bei Verwendung der Mikrowellenentladung zur Vorionisierung einer unselbständigen Entladung die Dimensionen des Hohlleiters so zu wählen, daß nur die Ausbreitung des Hio-Grundmodes möglich ist Dieser zeichnet sich dadurch aus, daß keine Komponenten der elektrischen Feldstärke an den Hohlleiterschmalseiten existieren. Damit kann in der Strömungsgrenzschicht der Schmalseite des Strömungskanals kein Plasma hoher Leitfähigkeit existieren, welches sonst die quer anliegende Hauptentladung kurzschließen könnte. Weiterhin ist es vorteilhaft durch bauchige Deformation eines Rechteckhohlleiters oder Verwendung eines elliptischen Hohlleiters sowie durch Einbringung dielektrischer Einbauten zur Beibehaltung des Rechteckquerschnitts für den Strömungskanal eine möglichst homogene Feldverteilung im Bereich der Strömung zu erzeugen.

Durch die Verwendung einer dielektrischen Düse setzt die Entladung je nach Gasart Feldstärke und Druckverlauf erst nach dem engsten Querschnitt ein. Sie erlaubt die Realisierung großer Flächenverhältnisse, was insbesondere für den Betrieb eines gasdynamischen CO-Lasers von entscheidender Bedeutung ist Darüber hinaus kann sie als Gitter- oder Siebdüse mit mehreren Öffnungen ausgeführt werden, die vorteilhaft zu fertigen ist Dies ist bei einer Metalldüse nicht möglich, da sie für die Hohlleiterwelle als reflektierender Kurzschluß wirken würde.
Vorteilhaft ist die Verwendung von Quarzglas als

Material für die dielektrischen Einbauten und die Düse, das gute mechanische und thermische Eigenschaften mit optischer Transparenz (Diagnostikmöglichkeit) mit sehr kleinem Verlustwinkel bei Mikrowellenfrequenzen verbindet.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigt

Fig. 1 eine Längsschnittansicht eines als Hohlleiter ausgebildeten Strömungskanals für ein ionisierendes, anzuregendes und gegebenenfalls zu dissoziierendes, mit Überschall strömendes Gas;

F i g. 2 eine Ansicht ähnlich F i g. 1 eines abgewandelten Ausführungsbeispiels;

Fig. 2a eine Ansicht ähnlich Fig. 1 eines weiteren abgewandelten Ausführungsbeispiels;

Fig. 2b eine Ansicht ähnlich Fig. 1 eines weiteren abgewandelten Ausführungsbeispiels;

Fig. 3 eine Ansicht ähnlich Fig. 1 eines weiteren abgewandelten Ausführungsbeispiels;

Fig.4 eine Ansicht ähnlich Fig. 1 eines weiteren abgewandelten Ausführungsbeispiels;

F i g. 5 eine Querschnittansichl eines Rechteckhohlleiters mit zugehöriger Verteilung des elektrischen Feldes im f/ioMode

F i g. 6 eine Querschnittarisicht eines Rechteckhohlleilers mit eingesetzten dielektrischen Teilen zur Begrenzung des Slrömungsquerschnittes;

Fig. 7 eine Ansicht ähnlich Fig. 6 eines Hohlleiters mit kreisförmigem Querschnitt;

Fig. 8 eine Ansicht ähnlich Fig. 6 eines Hohlleiters mit ausgebauchten Breitseiten;

Fig. 9 eine Ansicht ähnlich Fig. 6 eines Hohlleiters mit ausgebauchten Breitseiten und eingesetztem, rechteckförmigem Strömungskanal aus verlustfreiem Material;

Fig. 10 eine Ansicht ähnlich Fi g.6 eines Hohlleiters mit elliptischem Querschnitt und rechteckförmiger Strömungskanalbegrenzung;

F i g. 11 eine Ansicht ähnlich F i g. 6 eines Hohlleiters mit elliptischem Querschnitt und eingesetztem Strömungskanal mit rechteckförmigem Querschnitt aus verlustfreiem Material und

Fig. 12 eine Längsschnittansicht einer Einheit mit mehreren, nebeneinander liegenden Hohlleitern.

In F i g. 1 ist ein Teil eines Hohlleiters 1
metallischen Wänden 2 dargestellt, der an seiner linken Seite mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten, an sich bekannten Mikrowellengenerator verbunden ist, beispielsweise mit einem Magnetron oder einem Klystron. Im Inneren des Hohlleiters befindet sich eine düsenförmige Verengung, die im folgenden als Überschalldüse 3 bezeichnet wird. Diese besteht aus einem verlustarmen, dielektrischen Material, beispielsweise aus Quarz oder Quarzglas oder einer BeO- oder

60

mit

io

15

20

25

30

35

45

50

Die Oberschalldüse 3 teilt den Innenraum des Hohlleiters 1 in zwei Bereiche, nämlich einen Hochdruckteil 4 sowie einen stromabwärts gelegenen Niederdrückten 5. Der Hochdruckteil 4 wird auf der der Oberschalldüse 3 gegenüberliegenden Seite durch ein Druckfenster 6 begrenzt, welches den Hohlleiter 1 zum Mikrowellengenerator hin gasdicht abschließt. Dieses Druckfenster 6 besteht aus einem verlustarmen, dielektrischen MateriaL Ober eine Zufuhrleitung 7 steht der Hochdruckteil 4 mit einer in der Zeichnung nicht dargestellten Gasquelle in Verbindung.

Im Betrieb breitet sich die Mikrowellenstrahlung in dem Hohlleiter in Richtung des Pfeiles A aus, wobei die Ausbreitung durch das Druckfenster 6 und die Überschalldüse 3, die beide aus einem verlustarmen, dielektrischen Material bestehen, praktisch kaum beeinflußt wird. In Richtung des Pfeiles B wird durch die Zufuhrleitung 7 das zu erregende Gas in den Hochdruckteil 4 eingeführt und strömt dann durch die Überschalldüse 3, wobei nach dem Passieren einer engsten Stelle 8 eine Entspannung des Gases unter gleichzeitiger Beschleunigung auf Überschallgeschwindigkeit eintritt. Die Kontur der Überschalldüse 3 ist dabei so gewählt, daß sie hinsichtlich der Dynamik des strömenden, sich entspannenden Gases optimiert ist. Eine solche optimale Formgebung, die an sich bekannt ist, kann im vorliegenden Fall ohne weiteres getroffen werden, da die Überschalldüse aufgrund der Verwendung eines dielektrischen Materials die Ausbreitung der Mikrowellen nicht behindert, so daß im Bereich vor der Düse, im Bereich der Düse selbst und im Bereich der Düse ein im wesentlichen verzerrungsfreies Mikrowellenfeld existiert.

Nachdem das Gas nach dem Passieren der engsten Stelle 8 der Düse 3 einen starken Druckabfall erfährt, wird die Durchbruchsfeldstärke wesentlich niedriger, so daß aufgrund der vorgegebenen elektrischen Feldstärke des Mikrowellenfeldes in dem sich an die engste Stelle 8 anschließenden Bereich der Düse eine Entladung auftritt, sofern die elektrische Feldstärke hoch genug gewählt ist. Das durch diese Entladung angeregte Gas strömt anschließend in Richtung des Pfeiles Cdurch den Niederdruckteil, in dem die Anregung des Gases durch die Mikrowellenstrahlung in geeigneter Weise ausgenutzt wird.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Strömungskanal sowohl im Hochdruckteil als auch im Niederdruckteil von den Metallwänden des Hohlleiters gebildet. Demgegenüber unterscheidet sich das in F i g. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel, in dem entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen sind wie im Ausführungsbeispiel der F i g. 1, im wesentlichen dadurch, daß der Hohlleiter 1 am Ende der Überschalldüse 3 endet und der Strömungskanal im Niederdruckteil 5 durch Wände 9 aus elektrisch isolierendem Material gebildet wird, die sich bündig an die Metallwände des Hohlleiters 1 anschließen. In dem in F i g. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind in zwei einander gegenüberliegenden Wänden 9 Elektroden 10 eingebettet, zwischen denen durch Anlegen einer Spannung eine zusätzlich überlagerte unselbständige oder selbständige Entladung in dem zwischen den Elektrodenplatten durchströmenden Gas erzeugt werden kann. Durch die Verwendung elektrisch isolierenden Wandmaterials sind die beiden Elektroden 10 gegeneinander isoliert

Die in Fig.2 dargestellte Anordnung eignet sich insbesondere zur Erzeugung eines aktiven Lasermediums. Dabei strömt das erregte Gas beim Verlassen der Gasentladung zwischen den Elektrodenscheiben durch einen Resonator, der von zwei Resonatorspiegeln 11 begrenzt wird. In der Darstellung der Fig.2 ist ein Resonatorspiegel 11 gestrichelt angedeutet. Die Längsachse des Resonators steht senkrecht auf der Strömungsrichtung und verläuft parallel zu den Elektroden 10. Die zwischen der Stelle 8 mit dem engsten Querschnitt und dem Ende des Hohlleiters 1 entstehende Mikrowellenentladung dient dabei der Vorionisierung der unselbständigen Querentladung zwischen den Elektroden 10.

In Fig. 2a ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem — wie im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 — die Metallwände 2 des Hohlleiters 1 den Strömungskanal auf dessen gesamter Länge umgeben, also auch im Bereich des Niederdruckteils 5. In diesem Bereich ist jedoch der Hohlleiter 1 mit einem dielektrischen, verlustarmen Isolationsmaterial 12 ringsum ausgekleidet, welches sich im wesentlichen bündig, an die sich erweiternde Kontur der Überschalldüse 3 anschließt. In dieses Isolationsmaterial 12 sind Elektroden 10 eingebettet, und zwar derart, daß sie gegenüber den metallischen Wänden 2 des Hohlleiters 1 elektrisch isoliert sind. Die Anschlüsse 13 der Elektroden 10 sind isoliert durch die metallischen Wände 2 des Hohlleiters 1 geführt.

Bei einer solchen Anordnung dient die Mikrowellenentladung vorwiegend der Stabilisierung einer räumlich überlagerten Gleichstromentladung zwischen den Elektroden 10.

Zu diesem Zweck eignet sich auch die F i g. 2b dargestellte Anordnung. Im Gegensatz zu der Anordnung in Fig.2a enden hier nur die Schmalseiten des Hohlleiters 1 am Ende der Überscballdüse 3, während die Breitseiten 14 als Streifenleiter weiter geführt werden. Im Niederdruckteil 5 ist der Strömungskanal von dielektrischen Wänden 15 umgeben, die sich bündig an die sich erweiternde Kontur der Überschalldüse 3 anschließen. Elektroden 10 sind vor den Spiegeln 11 des "Resonators in den Schmalseiten des dielektrischen Strömungskanals eingebettet.

In Fig.3 ist ein A.usführungsbeispiel dargestellt, das im wesentlichen dem der Fig. 1 entspricht, wobei jedoch der Hohlleiter 1 rechteckförmigen Querschnitt aufweist und die Überschalldüse 3 als Schlitzdüse ausgebildet ist. Im Niederdruckteil 5 befinden sich Spiegel 11, die einen Resonator für das angeregte Lasergas bilden. Die Anregung erfolgt in diesem Ausführungsbeispie! nicht mit Hilfe einer zwischen Elektroden im Niederdruckteil erzeugten Entladung, sondern ausschließlich durch die Entladung, die durch das Mikrowellenfeld im Bereich des Druckabfalls erzeugt wird. Mit einer solchen einfachen Anordnung konnte ein funktionsfähiger Laser aufgebaut werden, und zwar mit folgenden Daten: Bei einer verfügbaren cw-Mikrowellenleistrang von N_1n = 5 kW und einen Massendurchsatz von m = 40 g/sec einer Gasmischung bestehend aus 5% CO in 95% He wurde eine Laserleistung von 165 W bei einer Wellenlänge von ca. 5 μηι erzielt.

Bei dem im wesentlichen gleichen Aufbau, der in Fig.4 dargestellt ist, ist die Überschalldüse 3 als Sieboder Gitterdüse ausgebildet, d.h. sie hat mehrere nebeneinander liegende Düsenöffnungen 16, die sich alle von einer engsten Stelle 17 zum Niederdruckteil 5 hin erweitern. Der Vorteil derartiger Düsen besteht in der kürzeren Baulänge, den weniger kritischen Fertigungstoleranzen und der besseren Maßhaltigkeit während des Betriebes. Dies gilt insbesondere bei großem Verhältnis von Endquerschnitt der Düse zum Querschnitt des Düsenhalses. Düsen dieses Bautyps müssen aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen, da sie sonst die gegenüberliegenden Wände des Hohlleiters 1 kurzschließen würden.

Grundsätzlich kann die Querschnittsform des Hohlleiters den Gegebenheiten angepaßt werden. In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist in F i g. 1 ein Hohlleiter mit kreisförmigem Querschnitt in den F i g. 2 bis 4 ein Hohlleiter mit rechteckförmigem Querschnitt dargestellt. Grundsätzlich lassen sich die verschiedenen in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Varianten bei Hohlleitern verschiedener Querschnittsflächen realisieren.

In F i g. 5 ist über dem rechteckförmigen Querschnitt eines Hohlleiters 1 die an sich bekannte sinusförmige Verteilung der elektrischen Feldstärke des Hio-Mode dargestellt. Diese Feldverteilung ist besonders günstig zur Vorionisierung einer unselbständigen Entladung, welche in einem sich anschließenden Kanai zwischen Elektroden, die in die Breitseite eingelassen sind, brennt. Infolge des niedrigen Mikrowellenfeldes in der Nähe der Hohlleiterschmalseiten werden nicht — wie bei anderen Verfahren — vorwiegend in der Strömungsgrenzschicht Elektronen erzeugt, die keinen Beitrag zur Ionisierung im Strömungsbereich liefern, sondern im wesentlichen im zentralen Bereich.

Wendet man jedoch die Mikrowellenentladung als selbständige Entladung zur unmittelbaren Erzeugung eines laserfähigen Mediums an (Ausführungsbeispiel der F i g. 3), so ist der genannte Effekt eher ungünstig, da an den Schmalseiten des Kanals viel nichtionisiertes Kaltgas abströmt. Dies wird im Beispiel der Fig.6 durch Einbau dielektrischer Platten 18 an den Schmalseiten verhindert, die so dick bemessen sind, daß der frei bleibende Querschnitt 19 des Strömungskanals das Gas im Bereich großer und nicht stark variierender Feldstärke konzentriert. Die Feldstärkenverteilung wird durch die Einlagerung der dielektrischen Platten 18 im wesentlichen nicht gestört.

In gleicher Weise kann man auch bei einem Hohlleiter mit Kreisquerschnitt verfahren, wie er beispielsweise in Fig. 1 dargestellt ist. In Fig.7 ist ein solcher kreisförmiger Hohlleiter 1 im Querschnitt gezeigt, der auf seiner Innenseite mit einer konzentrisch umlaufenden dielektrischen Schicht 20 ausgekleidet ist. Diese Schicht konzentriert die Gasströmung auf einen verringerten Querschnitt 21 in der Nähe der Längsachse des Hohlleiters.

Es ist selbstverständlich erwünscht, den Feldstärkenverlauf im wesentlichen über den gesamten Querschnitt des Strömungskanals konstant zu halten. Um dies zu erreichen, kann der Feldstärkeverlauf, der beim normalen Rechteckhohlleiter sinusförmig ist (F i g. 5), durch Veränderung der Querschnittsform geglättet werden. Im Beispiel der Fig.8 ist ein Rechteckhohlleiter 1 dargestellt, dessen Breitseiten 22 nach außen gewölbt sind. Im Inneren des Hohlleiters befinden sich an den Breitseiten 22 anliegende, dielektrische Einsatzstücke 23, die zusammen mit den Schmalseiten 24 des Hohlleiters einen Strömungskanal mit rechteckförmigem Querschnitt bilden. In Fig.9 ist eine ähnliche Konfiguration des Hohlleiters 1 dargestellt Im Innern dieses Hohlleiters befindet sich ein vollständig abgeschlossener Strömungskanal 25 aus einem dielektrischen Material mit Rechteckquerschnitt Die Hohlräume 26 zwischen dem Strömungskanal 25 und den ausgebauchten Wänden des Hohlleiters t sind mit einem dielektrischen Medium gefüllt das einen Durchbruch an dieser Stelle verhindert z. B. mit einem Inertgas unter erhöhtem Druck.

In den Fig. 10 und 11 sind Hohlleiter 1 mit elliptischem Querschnitt dargestellt wobei im Beispiel der F i g. 1 dielektrische Einsätze 27 vorgesehen sind, die einen rechteckförmigen Strömungskanal 28 freilassen. Im Beispiel der Fig. 11 ist ähnlich wie im Beispiel der F i g. 9 ein allseits geschlossener Strömungskanal 29 aus dielektrischen Wänden in den Hohlleiter eingesetzt

wobei auch hier die Zwischenräume 30 zwischen der Wand des Hohlleiters und der Wand des Strömungskanals mit einem dielektrischen Medium gefüllt sind, beispielsweise mit einem Inertgas unter erhöhtem Druck.

In Fig. 12 ist ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Gasanregung mittels eines Mikrowellenfeldes dargestellt. Diese Anordnung umfaßt eine Vielzahl von Hohlleitern la, ib, Ic und id, die mit ihren Breitseiten unmittelbar aneinanderliegen. Die Begrenzungswand zwischen benachbarten Hohlleitern ist jeweils einstückig ausgeführt. In jedem Hohlleiter befindet sich — genau wie in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen — eine Überschalldüse 3a, 3b, 3c und 3d, die das Innere des Hohlleiters in einen Hochdruckteil 4a, 4b, 4c und 4c/und einen Niederdruckteil Sa.Sö.Scbzw.Sc/unterteilt. Die Hochdruckteile sind mittels Druckfenstern 6a, 6b, 6c und 6d gasdicht abgeschlossen, durch Zufuhrleitungen 7a, 7b, Tc und Td wird das Gas in die Hochdruckteile eingeführt. 20<

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist lediglich der Hohlleiter lein nicht dargestellter Weise mit einem Mikrowellengenerator verbunden, der in Richtung des Pfeiles D sich ausbreitende Mikrowellenstrahlung liefert. Die benachbarten Hohlleiter Io und id erhalten ihre Mikrowellenleistung aus dem Hohlleiter Ic. Dazu sind sie nach Art von Richtkopplern mit dem Hohlleiter Ic verbunden, d.h. über zwei im Abstand angeordnete Öffnungen 31. Der Hohlleiter la ist an den Hohlleiter ib mittels eines solchen Richtkopplers angekoppelt. Auf diese Weise verteilt sich die vom Generator gelieferte Mikrowellenleistung ai.f die einzelnen benachbarten Hohlleiter. In jedem Hohlleiter wird das mit Überschallgeschwindigkeit durch ihn strömende Gas im Mikrowellenfeld zur Entladung angeregt. Das angeregte Gas tritt aus den einzelnen Hohlleitern schließlich in einen gemeinsamen Niederdruckteil 32 ein. der einen quer zur Slrömungsrichtung ausgerichteten Laserresonator bildet. Dieser Laserresonator wird durch Spiegel 11 begrenzt. Anschließend wird das Gas in Richtung des Pfeiles £ weiter zu einer Pumpeinrichtung geführt.

Mit dieser Anordnung gelingt es, über den gesamten Querschnitt des Laserresonators eine im wesentlichen gleichmäßige Anregung des strömenden Gases zu erzielen, wobei bei Verwendung von breiten Rechteckhohlleitern eine große Querschnittsfläche eines gleichmäßig hoch angeregten Lasergases erzeugbar ist.

Bei der zuletzt geschilderten Anordnung erfolgt der Anregungsvorgang im wesentlichen genau gleich wie bei den vorstehend beschriebenen Anordnungen, bei denen jeweils nur ein Hohlleiter vorgesehen ist. Im übrigen ist es selbstverständlich möglich, jedem der nebeneinander liegenden Hohlleiter einen eigenen Mikrowellengenerator zuzuordnen.

In allen Fällen gelingt es mit der erfindungsgemäßen Anordnung, die Mikrowellenleistung vollständig dem strömenden Gas zuzuführen, und zwar bevorzugt im mittleren Bereich des Strömungskanals, also im Gegensatz zu allen anderen eingangs genannten, bekannten Vorrichtungen gerade nicht im unerwünschten Randbereich.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung einer elektrischen Entladung in einem mit Überschallgeschwindigkeit strömenden Gas durch Überlagerung eines Hochfrequenzfeldes mit der Gasströmung, bei dem man das strömende Gas und das Hochfrequenzfeld in dem Bereich überlagert, in dem durch Entspannung des Gases mittels einer Düsenkonfiguration das Gas auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt wird, und bei dem man die Hochfrequenzfeldstärke im Überlagerungsbereich so hoch wählt, daß bei dem dort herrschenden, niedrigen Druck eine elektrische Entladung entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß man das strömende Gas mit einem Mikrowellen-Hochfrequenzfeld überlagert und daß man die Strömungsrichtung des Gases und die Ausbreitungsrichtung der Mikrowellen im wesentlichen gleich wählt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Entladung zur Anregung eines laseraktiven Zustandes zusätzlich zu der Mikrowellenentladung eine transversal zur Strömungsrichtung der Überschallströmung gerichtete elektrische Entladung vorgesehen ist, wobei die Mikrowellenentladung zur Vorionisierung und/oder Stabilisierung der transversalen Entladung dient.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens der Ansprüche 'J bis 2 mit einem Kanal für das strömende Gas und mit einer Überschalldüse im Kanal zur Entspannung und gleichzeitigen Beschleunigung des Gases auf Überschallgeschwindigkeit, welche den Kanal in einen stromaufwärts liegenden Hochdruckteil und einen stromabwärts liegenden Niederdruckteil unterteilt, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskanal zumindest bis über die Überschalldüse (3) hinaus in einem Mikrowellenhohlleitersystem (1) angeordnet ist, in welchem sich von einem mit dem Hohlleitersystem verbundenen Mikrowellengenerator erzeugte Mikrowellen im wesentlichen in Richtung der Gasströmung ausbreiten, und daß die Überschalldüse (3) aus verlustarmen, dielektrischem Material besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände (2) des Hohlleitersystems (1) gleichzeitig die Wände des Strömungskanals sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände des Strömungskanals zumindest teilweise aus verlustarmen, dielektrischem Material (12) bestehen und im Inneren des Hohlleitersystems (1) angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Hohlleiter (1) beliebigen Querschnitts ein durch dielektrische Wände (23, 25, 27, 29) begrenzter Strömungskanal mit rechteckigem Querschnitt angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Rechteckhohlleiter (1) an dessen Schmalseiten je eine dielektrische Platte (18) eo eingesetzt ist, so daß der Querschnitt (19) des Strömungskanals geringer ist als der Querschnitt des Hohlleiters (1).

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter (1) im Bereich der Gasströmung ein Rundhohlleiter ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Rundhohlleiters

(1) derart bemessen ist, daß er nur die Ausbreitung der Wn-Grundwelle erlaubt

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter im Bereich der Gasströmung ein Rechteckhohlleiter ist

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Breitseite des Rechteckhohlleiters derart bemessen ist, daß nur die Ausbreitung der //10-GrundweIIe möglich ist

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter im Bereich der Gasströmung einen elliptischen Querschnitt aufweist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter im Bereich der Gasströmung als ausgebauchter Rechteckhohlleiter ausgebildet ist

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Hochdruckteil (4) eine Gaszufuhr (7) befindet und daß der Hohlleiter (f) vor dieser Gaszufuhr (7) mittels eines verlustarmen, dielektrischen Fensters (6) abgeschlossen ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 14 mit Elektroden zur Erzeugung einer Entladung im Niederdruckteil, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter (1) vor den Elektroden (10) endet und der Strömungskanal in dem sich anschließenden Entladungsbereich aus elektrisch isolierendem Material (9) besteht, in welches die Elektroden (10) eingelassen sind.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 14 mit Elektroden zur Erzeugung einer Entladung im Niederdruckteil, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter (1) im Entladungsbereich mit verlustarmen, dielektrischem Isolationsmaterial (12) rundum ausgekleidet ist, in welches vom Hohlleiter elektrisch isoliert Elektroden (10) eingelassen sind.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 14 mit Elektroden zur Erzeugung einer Entladung im Niederdruckteil, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter (1) im Entladungsbereich endet, während seine Breitseiten (14) als seitlich offenes Wellenleitersystem weitergeführt werden, daß der Strömungskanal zwischen diesen Breitseiten (14) in elektrisch isolierendem Material fortgesetzt ist und daß in den Schmalseiten dieses Kanals die Elektroden (10) eingelassen sind.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere jeweils einen eigenen Strömungskanal umgebender Hohlleiter (la, Ib, lc, Id) unmittelbar nebeneinander angeordnet sind, die im Niederdruckteil in einen gemeinsamen Strömungskanal (32) einmünden.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände zwischen jeweils zwei angrenzenden Hohlleitern (la, \b, lc, Xd) beiden Hohlleitern gemeinsam sind.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspeisung der Mikrowelle von einem Hohlleiter (Ic; ib)\n den benachbarten Hohlleiter (16, id; la,)durch einen Richtkoppler erfolgt, der vor der Gaszufuhr (7a, 7b, 7c, Td)in den Hohlleiter angeordnet ist.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20 mit Elektroden zur Erzeugung einer Entladung im Niederdruckteil oder mit einem optischen Resonator im Niederdruckteil, dadurch gekennzeichnet, daß

die Elektroden (10) oder der optische Resonator im gemeinsamen Strömungskanal (32) angeordnet sind.

2Z Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis

21, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (3) aus Quarzglas besteht

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis

22, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse eine Gitter- oder Siebdüse mit mehreren Düsenöffnungen (16) ist.

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