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DE69012357T2 - Stromversorgungsschaltung und Verfahren zur Stromversorgung von gepulsten Gaslasern. - Google Patents

Stromversorgungsschaltung und Verfahren zur Stromversorgung von gepulsten Gaslasern.

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Publication number
DE69012357T2
DE69012357T2 DE69012357T DE69012357T DE69012357T2 DE 69012357 T2 DE69012357 T2 DE 69012357T2 DE 69012357 T DE69012357 T DE 69012357T DE 69012357 T DE69012357 T DE 69012357T DE 69012357 T2 DE69012357 T2 DE 69012357T2
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DE
Germany
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charging
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gas
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power supply
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Tuneyoshi Oohashi
Hiroyuki Sugawara
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/097Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping by gas discharge of a gas laser

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Lasers (AREA)
  • Generation Of Surge Voltage And Current (AREA)

Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft mit hohen Pulsfolgefrequenzen betriebene gepulste Gaslaser und insbesondere bezieht sie sich auf eine dazu geeignete Stromversorgungsschaltung wie sie im kennzeichnenden Teil des beigefügten Anspruchs 1 definiert ist sowie ein Verfahren zur Stromversorgung eines gepulsten Gaslasers wie es im kennzeichnenden Teil des beigefügten Anspruchs 7 definiert ist.
  • Eine Stromversorgungsschaltung der vorstehend erwähnten Art ist aus dem Vorabdruck der Abhandlungen zu der "35th Applied Physics Joint Lecture" von 1988, 30P-ZL-14, bekannt.
  • Ähnliche Strukturen mit gasgefüllten Steuerschaltelementen, die zu der Laserentladungsröhre parallelgeschaltet sind, werden auf Seite 22 des Vorabdrucks der Abhandlungen zu der "Research Results Report Session by the Laser Technology R&D Laboratory" von 1987 und in "Instruments and Experimental Techniques", Band 29, Nr. 1, Teil 1, Januar/Februar 1986, Seiten 110 bis 112 beschrieben.
  • Bei den bekannten Strukturen dient der gleichzeitige und parallele Betrieb von Schaltelementen dazu, die Belastung der Schaltelemente zu vermindern und ihre Lebensdauer zu verlängern. Da ihre Einschaltzeit jedoch im Nanosekundenbereich liegt, ist es äußerst schwer, das gleichzeitige Schließen über eine lange Zeitspanne aufrechtzuerhalten. Ein gasgefülltes Steuerschaltelement hat die Eigenschaft, daß die zulässige Spannung und die zulässige Spitzenspannung mit zunehmender Betriebsfolgefrequenz abnehmen. Diese zulässigen Obergrenzen werden durch das Produkt (pb: Anodenverlustleistungsfaktor) der drei Werte Spannung, Folgefrequenz und Spitzenspannung festgelegt. Die Folgefrequenz hat jedoch eine Obergrenze bis zu welcher das Schaltelement in geeigneter Weise benutzt werden kann, und es ist technisch schwer, ein Schaltelement jenseits dieser maximal zulässigen Folgefrequenz zu benutzen. Allgemein haben gasgefüllte Steuerschaltelemente maximal zulässige Folgefrequenzen und werden unterhalb ihrer maximal zulässigen Folgefrequenz benutzt.
  • Es ist üblich, eine Vielzahl von gasgefüllten Steuerschaltelementen parallelgeschaltet zu benutzen und dadurch den zulässigen Strom proportional zu der Anzahl der verwendeten Schaltelemente zu verstärken, wenn sie mit oder direkt unter der maximal zulässigen Folgefrequenz benutzt werden. Die zulässige Folgefrequenz von Schaltelementen wird durch die Wiederherstellungsgeschwindigkeit des Isoliervermögens festgelegt. Wird also eine Spannung an ein Schaltelement angelegt bevor sein Isoliervermögen wiederhergestellt ist, besteht die Gefahr, daß ein dielektrischer Durchschlag auftritt. Die Erholungsgeschwindigkeit ist höher für kleinere Ströme durch das Schaltelement. Jedoch verändert sich der Isolationswiderstand exponentiell von einigen Ohm während das Schaltelement leitet auf einige Hundert Megaohm während der Wiederherstellung des Isoliervermögens. Selbst wenn der durch das Schaltelement fließende Strom auf beispielsweise 1/10 herabgesetzt ist, nimmt die Erholungszeit des Isoliervermögens um nicht mehr als etwa 10% ab.
  • Tatsächlich wurde noch nicht mehr als diese maximal zulässige Folgefrequenz definitiv bestimmt, und es gibt eine große Schwierigkeit, was die diesbezügliche hohe Folgefrequenz betrifft.
  • Für gasgefüllte Steuerschaltelemente legt üblicherweise der pb-Wert diese vorstehend erwähnten Grenzwerte fest.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung die vorstehend beschriebenen Schwierigkeiten zu überwinden und eine Stromversorgungsschaltung für gepulste Gaslaser bereitzustellen, die gasgefüllte parallelgeschaltete Steuerschaltelemente umfaßt und bei hohen Spannungen sowie bei Folgefrequenzen oberhalb der maximal zulässigen Frequenz von 1 kHz stabil arbeitet und die verhütet, daß eine hohe Gegenspannung, die während des Betriebs eines Schaltelements an der Lastklemme entsteht, wenn eine Vielzahl von gasgefüllten Steuerschaltelementen parallelgeschaltet ist und abwechselnd betrieben wird, an die anderen Schaltelemente angelegt wird.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Stromversorgungsschaltung, wie sie in dem beigefügten Anspruch 1 definiert ist, und durch ein Verfahren zur Stromversorgung, wie es in dem beigefügten Anspruch 7 definiert ist, gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Stromversorgungsschaltung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
  • Die vorliegende Erfindung beruht auf Untersuchungen der Erfinder, die gezeigt haben, daß bei Folgefrequenzen, die größer sind als die maximal zulässigen Folgefrequenzen, die zulässige Spannung deutlich abnimmt und daß die Spannung sich kaum mit dem fließenden Strom ändert.
  • Zum Beispiel betrug bei einer Folgefrequenz von 5 kHz die zulässige Spannung 16 kV und die zulässige Leistung 4 Kw. Bei einer Folgefrequenz von 2,5 kHz war das Schaltelement jedoch bis zu einer zulässigen Spannung von 21 kV und einer zulässigen Leistung von 5,5 kW betreibbar. Wurden zwei gasgefüllte Steuerschaltelemente parallelgeschaltet und gleichzeitig betrieben, betrug die zulässige Spannung 16 kV und die zulässige Leistung 8 kW bei einer Folgefrequenz von 5 kHz. Werden die Schaltelemente jedoch entsprechend der vorliegenden Erfindung abwechselnd betrieben, sind sie mit einer zulässigen Spannung von 21 kV und einer zulässigen Leistung von 11 kW bei einer Gesamtfolgefrequenz von 5 kHz betreibbar.
  • Umfaßt die Stromversorgungsschaltung sättigbare Drosselspulen, sollte der Leistungsverlust der Schaltelemente reduziert werden, wenn eine Vielzahl von gasgefüllten Steuerschaltelementen parallelgeschaltet sind und abwechselnd betrieben werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stromversorgungsschaltung für gepulste Laser;
  • Fig. 2 zeigt Wellenformen von Spannungen und Strömen von Hauptbestandteilen der erfindungsgemäßen Stromversorgungsschaltung für gepulste Laser;
  • Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromversorgungsschaltung; und
  • Fig. 4 zeigt eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromversorgungsschaltung.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stromversorgungsschaltung.
  • In Fig. 1 werden zwei gasgefüllte Schaltelemente 121 und 122 und zwei Ladekondensatoren 61 und 62 verwendet. Wenn die zwei Schaltelemente 121 und 122 im "geöffneten" Zustand sind und die zwei Kondensatoren jeweils auf den doppelten Wert der Versorgungsspannungen der Hochspannungsquellen 11 und 12 aufgeladen sind, ist das Laden abgeschlossen. Das Entladen der gespeicherten Ladung zu den Spannungsquellen 11 und 12 wird durch Dioden 31 und 32 verhindert. Unter diesen Bedingungen "schließt" das eine Schaltelement 121 auf ein Steuersignal von einer Steuereinheit 130, woraufhin die Ladung des Kondensators 61 zum Regulieren der Spitzenspannung zu einem Kondensator 7 fließt und die Spannung im Kondensator 7 steigt. Dann beginnt eine Entladungseinrichtung 110 mit Entladen und, wenn der Strom ausreichend abgeschwächt ist, stellt das Schaltelement, das im "geschlossenen" Zustand war, sein Isoliervermögen wieder her und kehrt in den Ausgangszustand zurück. Der mit dem Schaltelement 122, das nicht in Betrieb war, verbundene Kondensator 62 hält den geladenen Zustand. Nimmt das Schaltelement 121 den Zustand wiederhergestellten Isoliervermögens ein, wird der Kondensator 61, der die Ladung entladen hat, von der Hochspannungsquelle 11 aufgeladen. Wenn das Laden vollendet ist, wird das Schaltelement 122, das nicht in Betrieb war, auf ein Steuersignal von der Steuereinheit 130 geschlossen. Dieser Vorgang wird von den Schaltelementen 121 und 122 abwechselnd und in gleichen Intervallen wiederholt.
  • Das Schaltelement 121 wird ausführlicher beschrieben. Das Schaltelement 121 arbeitet als ein elektrischer Schalter, der auf ein Steuerpulssignal von der Steuereinheit 130 hin den elektrischen Kreis schließt. Das Schaltelement 121 ist nicht in der Lage, einen "Öffnungsvorgang" vorzunehmen, aber es stellt sein Isoliervermögen wieder her und kehrt in den Ausgangszustand zurück, wenn ein Strom eines vorbestimmten Wertes für eine vorbestimmte Zeitspanne durch das Schaltelement 121 fließt.
  • Wenn das Schaltelement 121 im "geöffneten" Zustand ist, wird der Ladekondensator 61 von der Hochspannungsquelle 11 durch Leiten eines Stroms durch eine Resonanz- und Ladedrosselspule 21, eine Diode 31, einen Ladekondensator 61, eine Ladedrosselspule 8, einen Ladewiderstand 9 und die Hochspannungsquelle 11 geladen. Wenn die Induktivität der Resonanz- und Ladedrosselspule 21 mit L, die Kapazität des Ladekondensators 61 mit C&sub1; und der Ladewiderstand 9 mit R bezeichnet wird und [L / (2 x C&sub1;)] » R gilt, wird der Ladekondensator 61 mit einer Spannung geladen, die doppelt so groß ist wie diejenige der Hochspannungsquelle. In dem Augenblick, in dem das Laden beendet ist, wird das Schaltelement 121 geschlossen". Daraufhin fließt die Ladung in dem Ladekondensator 61 zu dem Kondensator 7 zum Regulieren der Spitzenspannung fließt, und wenn die Spannung des Kondensators 7 auf einen bestimmten Wert steigt, beginnt die Entladungseinrichtung (Entladungsröhre) 110 mit Entladen und wird angeregt so daß die Laseroszillation durch Entladen stattfinden kann. Nachdem der Strom ausreichend abgeschwächt ist und nachdem eine vorbestimmte Zeit verstrichen ist und wenn das Schaltelement sein Isoliervermögen ausreichend wiederhergestellt hat, wird der Kondensator 61 erneut von der Hochspannungsquelle 11 aufgeladen. Der gleiche Vorgang findet mit dem anderen Schaltelement statt.
  • Wird in dem vorstehenden Vorgang das Schaltelement beispielsweise mit 1 kHz betrieben, dann entlädt die Entladungseinrichtung mit 2 kHz. In anderen Worten die Entladungseinrichtung entlädt mit einer Folgefrequenz, die doppelt so groß ist wie diejenige der Schaltelemente. Somit können die Schaltelemente mit hohen Arbeitsspannungen betrieben werden.
  • In der vorangegangenen Beschreibung werden Gleichstromspannungsquellen als Hochspannungsquellen verwendet Entsprechend beginnt das Laden in dieser Ausführungsform unmittelbar nachdem die Schaltelemente in Betrieb sind. Dies ist jedoch eine harte Anforderung an die Schaltelemente. Unter Berücksichtigung dieser Tatsache kann eine ausreichende Zeit zum Wiederherstellen des Isoliervermögens eingeräumt werden, wenn das Laden in dem Augenblick beginnt, in dem das andere Schaltelement seinen Betrieb abgeschlossen hat. Insbesondere sollten die Hochspannungsquellen vorzugsweise gepulste Hochspannungsquellen sein, die Leistung abwechselnd liefern.
  • Fig. 2 zeigt die Klemmenspannungen über die Kondensatoren 61, 62, 7 und die Stromwellenformen der Kondensatoren 61 und 62, wenn anstatt der in Fig. 1 gezeigten Hochspannungsquellen 11 und 12 gepulste Hochspannungsquellen zur wechselweisen Leistungslieferung verwendet werden. Die in Fig. 2 durch gepunktete Linien dargestellten Kurven 13 und 14 zeigen die Wellenformen, wenn die Hochspannungsquellen 11 und 12 Gleichstrom-Hochspannungsquellen sind. Nachdem das Schaltelement 121 geschlossen ist und der Strom des Kondensators 61 sich abschwächt, beginnt das Laden des Kondensators 62. Wie durch die gepunktete Linie 13 gezeigt, wird bei Gleichstromspannungsquellen unmittelbar nachdem das Schaltelement 121 geschlossen ist und der Strom des Kondensators 61 sich abschwächt, das Laden des Kondensators 62 begonnen. Mit anderen Worten ist die Spannung schon gestiegen, wenn das Schaltelement 122 schließt.
  • Falls gepulste Hochspannungsquellen zur wechselweisen Leistungslieferung für die Hochspannungsquellen 11 und 12 verwendet werden, ist der Kondensator 61 noch nicht geladen, wenn das Schaltelement 122 schließt. Deshalb haben die Hochspannungsseitenklemmen der Schaltelemente die gleiche Spannung wie der Kondensator 7 und die durch die gepunktete Linie 14 angedeutete Spannung 14 wird an die Schaltelemente angelegt. Die dielektrische Festigkeit der Schaltelemente wider eine Gegenspannung ist verhältnismäßig gering. Deshalb ist das Anlegen der sinkenden Spannung (Gegenspannung) der Klemmenspannung von Kondensator 7 tatsächlich hart für die Schaltelemente.
  • Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Um das Anlegen der vorstehend erwähnten Gegenspannung zu vermeiden, wird üblicherweise ein Kondensator 6 für die Schaltelemente verwendet. In der zweiten Ausführungsform leiten die parallel geschalteten Schaltelemente wenn sie in Betrieb sind, und deshalb wird die Gegenspannung nicht an die Schaltelemente angelegt. Jedoch wird bevor ein Schaltelement arbeitet eine Ladespannung des Ladekondensators 6 an das andere Schaltelement angelegt. Um die Härte im Betrieb zu mindern werden gepulste Hochspannungsquellen verwendet, die Leistung wechselweise durch die Hochspannungsquellen 11 und 12 liefern. Im beiderseitigen Betrieb wird das Laden begonnen, nachdem das andere Schaltelement sein Isoliervermögen wieder ausreichend hergestellt hat.
  • Fig. 4 zeigt eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Drosselspulen 151 und 152 für rückstellende sättigbare Drosselspulen sind mit den sättigbaren Drosselspulen 41 und 42 verbunden. Aber für die Drosselspulen 151 und 152 wird die nachfolgend betriebene sättigbare Drosselspule nicht notwendigerweise zurückgestellt. Da die zwei sättigbaren Drosselspulen 41 und 42 in vollkommener paralleler Weise angeordnet sind, ist es nicht klar, durch welche sättigbare Drosselspule der Ladekondensator 6 geladen wird. Die sättigbaren Drosselspulen 41 und 42 werden in der Richtung gesättigt in welcher ein Strom fließt, wenn der Ladekondensator 6 geladen wird. Wenn deshalb ein Steuerschaltelement (ein Thyratron) geschlossen wird, versucht der Strom, der in die sättigbare Drosselspule fließen soll, in die der Richtung, in der die sättigbare Drosselspule gesättigt wird, entgegengesetzte Richtung zu fließen. Die sättigbare Drosselspule arbeitet deshalb für eine feste Zeitspanne als großer Widerstand. Wenn der Strom klein ist, kommt das Schaltelement während dieser festen Zeitspanne in den leitenden Zustand, und ein großer Strom wird daran gehindert, durch das Schaltelement zu fließen während der Widerstand der Schaltelemente groß ist.
  • Die sättigbare Drosselspule 41 ist ein ringförmiger Eisenkern aus magnetischem Material, wie Ferrit, und hat die Eigenschaft, daß der interne magnetische Fluß plötzlich gesättigt wird, wenn die magnetische Flußdichte einen bestimmten Wert überschreitet. Die sättigbare Drosselspule ist so ausgelegt daß ein magnetischer Fluß durch die Mitte des Kerns strömt. Die sättigbare Drosselspule hat eine große Induktivität bis der Eisenkern gesättigt ist. Wenn der Eisenkern gesättigt ist, wird die Induktivität vermindert. Mit dieser Eigenschaft wird eine sättigbare Drosselspule als Schalter in einer Pulsschaltung verwendet.
  • In der dritten Ausführungsform dieser Erfindung sind die Drosselspulen 151 und 152 zwischen die gasgefüllten Steuerschaltelemente 121 und 122 geschaltet, und die dem Spannungsabfall über eine sättigbare Drosselspule entsprechende Spannung wird an die andere sättigbare Drosselspule angelegt. Diese Spannung ist erheblich niedriger als die Ladespannung, aber da die Ladezeit lang ist, können die sättigbaren Drosselspulen ausreichend gesättigt werden.
  • Da beide sättigbaren Drosselspulen 41 und 42 in der Richtung gesättigt werden, in welcher der Kondensator 6 geladen wird, ist es deshalb möglich, die harten Betriebsbedingungen für die Schaltelemente 121 und 122, wenn sie geschlossen werden, sicher zu mildern.

Claims (7)

1. Stromversorgungsschaltung für den Betrieb von gepulsten Gaslasern, mit
- einer Parallelschaltung mit einer Laserentladungsröhre (110) und einem damit parallel geschalteten Kondensator (7) zum Einstellen daran angelegter Spitzenspannungen,
- einer mit der Parallelschaltung in Serie geschalteten Serienschaltung mit einer Mehrzahl von parallel zueinander geschalteten gasgefüllten Steuerschaltelementen (121, 122) und wenigstens einem in Serie dazu geschalteten Ladekondensator (6; 61, 62) und
- wenigstens einer Hochspannungsspeisequel1e (1; 11, 12) zum Aufladen des (der) Ladekondensators(en) (6; 61, 62),
gekennzeichnet durch
- Steuereinrichtungen (130) zum Steuern der gasgefüllten Steuerschaltelemente (121, 122) derart, daß sie abwechselnd und in im wesentlichen gleichen Zeitintervallen wiederholt geschlossen werden, um in der Laserentladungsröhre (110) ein Plasma zu bilden.
2. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zu der Serienschaltung ein gemeinsamer Ladekondensator (6) gehört, der mit dem Ausgang jedes der gasgefüllten Steuerschaltelemente (121, 122) verbunden ist.
3. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß zu der Serienschaltung sättigbare Drosselspulen (41, 42) gehören, die jede mit einem der gasgefüllten Steuerschaltelemente (121, 122) in Serie geschaltet sind.
4. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß zu der Serienschaltung sättigbare Drosselspulen (41, 42) gehören, die zwischen die gasgefüllten Steuerschaltelemente (121, 122) und die Ladekondensatoren (61, 62) geschaltet sind und
daß die Ladekondensatoren (61, 62) durch die Hochspannungsspeisequellen (11, 12) aufgeladen werden.
5. 5tromversorgungsschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß zu der Serienschaltung zwischen die gasgefüllten Steuerschaltelemente (121, 122) und die Hochspannungsspeisequellen (1; 11, 12) geschaltete Drosselspulen (21, 22; 151, 152) gehören und
daß die Ladekondensatoren (6; 61, 62) durch die Hochspannungsspeise quellen (1; 11, 12) über die Drosselspulen (21, 22; 151, 152) aufgeladen werden.
6. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Hochspannungsspeisequellen (1; 11, 12) zum Aufladen der Ladekondensatoren (6; 61, 62) gepulste Speisequellen sind, die ihre Polarität abwechselnd wechseln, und
daß bei positiver Polarität der einen der Hochspannungsspeisequellen (11, 12) die Ladekondensatoren (6; 61) über die Drosselspule (151) und die sättigbare Drosselspule (41) auf der einen Seite und bei positiver Polarität der anderen der Hochspannungsspeisequellen (11, 12) die Ladekondensatoren (6; 62) über die Drosselspule (152) und die sättigbare Drosselspule (42) auf der anderen Seite aufgeladen werden.
7. Verfahren zur Stromversorgung eines gepulsten Gaslasers mit einer Laserentladungsröhre (110) und einem dazu parallel geschalteten Spitzenspannungs-Einstellkondensator (7) mittels einer Mehrzahl von gasgefüllten Steuerschaltelementen (121, 122), die parallel zueinander über wenigstens einen Ladekondensator (6; 61, 62) mit der Laserentladungsröhre (110) verbunden sind, mit den Schritten
- Aufladen der Ladekondensatoren (6; 61, 62) aus wenigstens einer Hochspannungs-speisequelle (1; 11, 12) und
- Schließen der gasgefüllten Steuerschaltelemente (121, 122) zum Entladen der Ladekondensatoren (6; 61, 62) über die Laserentladungsröhre (110), um darin in Reaktion auf diese Entladung ein Plasma zu bilden und Laseroszillation zu erzeugen,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Schließen der gasgefüllten Steuerschaltelemente (121, 122) so gesteuert wird, daß diese alternierend und in im wesentlichen gleichen Zeitintervallen geschlossen werden.
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