Ionenlaser-Kathoden

Betrieb, Bau und Modifikation von Gaslasern.

Moderator: mikesupi

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medusa
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Ionenlaser-Kathoden

Beitrag von medusa » Mo 22 Apr, 2013 11:08 pm

Ich hatte schon sehr lange vor, diesen Artikel für meine Webseite oder das Forum zu schreiben. Nun, aus gegebenem Anlaß sei es... vielleicht mag ja einer der Mods den Thread "sticky" machen.


1. Einleitung
2. Glühkathoden im Laser
3. Delta T einer Kathode
4. Prozessierung von Kathoden
5. Eigene Messungen an Kathoden


1. Einleitung
Als die ersten Argonlaser gebaut wurden, zeigte es sich sehr schnell, daß diese Laser hohe Leistungen produzieren konnten. Anders als andere Gaslaser wie zum Beispiel ein HeNe, der schon bei relativ geringen Strömen in die Sättigung geht (dann ergibt eine weitere Erhöhung des Stromes keine Leistungserhöhung mehr), steigt bei einem Argonlaser die Leistung mit dem Quadrat des Plasmastromes an. Deshalb begann man die Röhren relativ bald unter sehr harten Bedingungen zu betrieben. Eine frühe Argonröhre mit ihren auf Saphirstäbe aufgefädelten Graphitscheiben die im Betrieb weißglühend wurden und sich durch Abstrahlung durch die Wand eines Quarzrohres kühlten, muß ein beeindruckender Anblick gewesen sein.

Natürlich muß bei den hohen Plasmaströmen die Kathode auch in der Lage sein, die entsprechende Menge Elektronen zur Erzeugung der Ionen bereitzustellen. Schon bei 10A Röhrenstrom müssen pro Sekunde mindestens 6*10^19 Elektronen von der Kathode produziert werden.
Um solche Mengen zu produzieren gibt es zwei Wege. Der erste bedeutet eine Vergrößerung der Kathodenfläche. Diesen Weg ist man beim HeNe-Laser gegangen, und der markante silberne Kathodenzylinder ist denn auch das größte Bauteil in so einer Röhre. In einer Ionenröhre liegen die Ströme aber um einen Faktor 1000 höher, so daß eine Blechkathode wirklich riesig sein müßte.
Eine Glühkathode bietet den zweiten Weg. Schon Edison hatte kurz nach der Erfindung der Glühbirne bemerkt, daß der glühende Metallfaden im Vakuum von einer dichten Wolke von Elektronen umgeben ist. Dieser glühelektrische Effekt wurde schon sehr bald für den Bau von Radioröhren genutzt. Aus einer glühenden Kathode treten mit steigender Temperatur exponentiell zunehmende Mengen von Elektronen aus. Leider läßt die hohe Temperatur auch das Metall langsam abdampfen, was wir alle noch zu gut von der kurzen Lebensdauer der Glühlampen kennen: irgendwann bricht der Faden an einer dünn gewordenen Stelle.
Man kann den Glühkathoden auf andere Weise nachhelfen. Wolfram eignet sich wegen seines hohen Schnelzpunktes für den Glühfaden, aber unedle Metalle wie Barium geben Elektronen viel leichter als Wofram ab. Wolfram mit einer Schicht Bariumoxid und Barium muß nicht so stark glühen und gibt trotzdem große Menge Elektronen ab.

Zur Zeit, als die Argonlaser aufkamen, gab es solche Kathoden hoher Leistung schon als Standardbauteil: in den Kathoden der großen Senderöhren für den Rundfunk. Sie wurden für die Laser beinahe unverändert übernommen.


2. Glühkathoden im Laser
Anders als das Hochvakuum in einer Senderöhre ist eine Laserröhre kein besonders gastlicher Ort für eine oxidbeschichtete Wolframkathode. Viele Gasverunreinigungen wie Sauerstoff, Stickstoff oder Wasserstoff reagieren mit dem unedlen Barium und "vergiften" so die Kathode. Ein ernsteres Problem sind die positiven Ionen des Plasmas, die mit hoher Geschwindigkeit von der negativen Kathode angezogen werden. Ein Argonion ist rund 80000mal schwerer als ein Elektron. Wenn so ein Ion die Oberfläche der Kathode erreicht, kann man sich das so ungefähr vorstellen wie eine Bowlingkugel, die man in eine Badewanne voller Erbsen krachen läßt: da fliegen viele Erbsen in der Gegend herum. Leider nicht nur Erbsen, die in diesem Beispiel den Elektronen entsprechen, denn das unterstützt die Produktion von Elektronen ja noch. Es werden auch die Atome der Oxidbeschichtung und sogar Wolframatome herausgeschlagen. Diesen Vorgang bezeichnet man als Sputtern.
Das gesputterte Material schadet dem Laser sehr. Zum einen schlägt es sich an vielen Orten nieder, an denen es den Betrieb der Röhre behindert, zum Beispiel optischen Komponenten wie den Brwesterfenstern oder Spiegeln. Metallniederschlag in den Gasrückflußbohrungen können diese verstopfen oder dafür sorgen, daß der Plasmabogen lieber diesen Weg nimmt statt durch die Hauptkapillare. Zum zweiten wird unter dem gesputterten Material Gas begraben, das dann natürlich nicht mehr zum Lasern zur Verfügung steht und die Röhre frühzeitig altern läßt.

Es ist deshalb sehr wesentlich, daß die Elektronenwolke um die Kathode dicht genug ist, um möglichst alle ankommenden Ionen frühzeitig abzufangen und zu neutralisieren. Da der Elektronenausstoß aber so schnell mit der Temperatur steigt, ist es so wichtig, die Kathode nicht zu kühl zu betreiben. Bei einigen Lasern mit Glaskolben läßt sich das direkt sichtbar machen. Das violette Glimmen des Argonplasmas geht nicht bis ganz auf die Oberfläche der Kathode, sondern um die Glühwendel liegt ein dünner nichtleuchtender Film. Reduziert man die Kathodenheizung, wird dieser Film immer dünner, bis das violette Plasma die Wendel erreicht. Ich habe das bei einer Lasos-Röhre mal ausprobiert, das ist hier schon der Fall, wenn die Heizspannung nur von 2.25V auf 2.0V fällt!
Bei einer Röhre mit querliegender Wendel läßt sich der Film sogar photographieren:
http://www.laserfreak.net/forum/viewtop ... 56#p227031 (2. Bild von oben)

Aber auch eine zu hohe Heizemperatur schadet der Röhre. Barium ist ein eher flüchtiges Metall, daß bei hoher Temperatur verdampft. Es wird regelrecht aus der Oxidschicht ausgekocht, so daß die Kathode ihre Fähigkeit zur Elektronenproduktion schließlich verliert. Auch hier ist die Folge am Ende also wieder Sputtern.
Folglich gibt es einen optimalen Temperaturpunkt für eine Oxidkathode, der bei etwa 1050 Grad Celsius liegt. Hier halten sich Sputtern und Verdampfen die Waage.

Bei sehr niedrigen Temperaturen um die 600 Grad hat das Wolfram noch eine böse Überraschung zu liefern. Wolfram ändert bei Temperaturerhöhung mehrfach seine Kristallstruktur. Ist es sonst eher hart und spröde, wird es um 600 Grad herum butterweich. Eine Glühwendel kann bei dieser Temperatur anfangen durchzuhängen (engl. to sag), im Extremfall bis in den Strahlengang hinein. Ein anderes Problem entsteht, wenn sich durch die Verformung benachbarte Windungen der Spirale berühren und damit kurzschließen. Durch Verformung und daraus resultierende Spannungen kann die Wendel sogar brechen.
Bild einer verknoteten Kathode:
http://www.laserfreak.net/forum/viewtop ... 24&t=51636 (Bild in der 7.Antwort von mir)


3. Delta T einer Kathode
Ionenröhrenkathoden haben eine ganz merkwürdige Eigenschaft. Wer beim Anheizen eines Lasers ein Amperemeter im Heizkreis hat, das nur den Heiz(wechsel)strom mißt, bemerkt beim Zünden der Röhre, daß der Heizstrom plötzlich um 1.5-3A ansteigt, wenn die Kathode noch gesund ist. Man nennt das den "Delta T" Effekt. (Er hat nichts damit zu tun, daß der Anodengleichstrom durch den Kathodenkreis zurückfließt - es wird nur der reine Wechselstromanteil gemessen.) Läßt sich ganz einfach erklären: solange die Kathode leerläuft, ist sie mit ihrer Elektronenwolke im Gleichgewicht. Elektronen werden ausgestoßen und von der Kathode auch wieder aufgenommen. Wenn die Entladung zündet, fangen die ankommenden Ionen aber Elektronen weg, folglich nimmt die Kathode weniger wieder auf, verliert also Energie. Sie kühlt sich um eine Winzigkeit ab, der Widerstand fällt (siehe Abschnitt 5) und der Strom steigt. Kommen bei hohem Anodenstrom sehr viele Ionen an, reicht die Kapazität der Kathode u.U. nicht mehr aus um alle zu neutralisieren. Mehr und mehr Ionen kommen durch und schlagen in die Kathode, was sie wiederum mehr aufheizt.
Die Messung des Delta T ist also ein wichtiges Hilfsmittel, um den Zustand einer Kathode zu beurteilen. Bei größeren Lasern ist leicht zu beobachten, wie es kleiner wird, je weiter man den Anodenstrom aufdreht. Bei alten und verbrauchten Röhren kann man so ermitteln, wie weit man sie überhaupt noch belasten kann. Delta T darf keinesfalls negativ werden (d.h., der Heizstrom kleiner als im Leerlauf).


4. Prozessierung von Kathoden
Oxidkathoden sind nicht so einfach herzustellen. Der genaue Prozeß ist Herstellergeheimnis, aber da es Radioröhren schon sehr lange gibt, sind die Grundzüge bekannt.
Wolfram wird meistens nicht massiv verarbeitet, sondern die Teile aus Pulver gesintert. Die rohe Kathode wird dann an spezielle Kontaktstifte geschweißt (meistens sind auch die aus einem hochschmelzenden Metall wie Molybdän). Danach wird die Wolframwendel mit einem Lack, dem etwas Bariumnitrat zugesetzt ist, überzogen. Nach dem Zuschweißen der Röhre wird diese bis zum Hochvakuum ausgepumpt (etwa 10^-6 mBar, man braucht also schon Diffusionspumpe/Turbopumpe und eine Kühlfalle - nichts für Newbies!). Da immer noch große Mengen Luft in der porösen gesinterten Wolframstruktur eingeschlossen sind, wird die Kathode jetzt langsam erwärmt und immer weiter abgepumpt. Bei einer Temperatur von über 600 Grad verbrennt Wolfram, wenn Sauerstoff anwesend ist, man kann so hoch also erst gehen, wenn die Luft ausgeheizt ist.
Sind alle Luftreste ausgeheizt, wird die Kathode nach und nach auf volle Temperatur gebracht. Kurzzeitig wird die Temperatur sogar noch weiter erhöht. Jetzt verbrennt der Lack auf der Wendel mit dem Nitrat, und es bleibt Bariumoxid und etwas metallisches Barium zurück. Die nächsten Arbeitsschritte bei der Herstellung der Röhre widmen sich dann der Reinigung der Gasfüllung, dem "Einbrennen", und am Schluß wird der neue Laser von der Pumpstation "abgequetscht".
Wenn jemals wieder Luft in eine solche Röhre eindringt, zerstört das sofort die Kathode. Wenn das im Betrieb mit heißer Kathode passiert, ist das der SuperGAU, das Wolfram verbrennt irreparabel. Passiert es mit kalter Kathode, ist es im Prinzip möglich, die gleichen Schritte noch einmal durchzuführen, jedoch wird das unedle Barium an der Luft reagieren. So richtig die alte wird so eine Kathode nie wieder. Deshalb werden Röhren, die bei einem der professionellen Wiederbefüller landen, während der Arbeiten mit Argon gefüllt, damit die Luft von der Kathode ferngehalten wird.


5. Eigene Messungen an Kathoden
Welcher ernsthafte Ionenlaserliebhaber kennt das Problem nicht: endlich eine Röhre in der Elektrobucht ersteigert. Doch hat das Schätzchen entweder überhaupt keins oder nur eine kryptische Buchstaben- und Zahlenkombination auf dem Typenschild. Tage- und Nächtelange Sitzungen mit Tante Google bringen keine neuen Erkenntnisse. Was also tun?
Es gibt eine Möglichkeit, die grundlegenden Werte einer Kathode nur durch Messungen herauszufinden. Üblicherweise haben die Laserröhren aus Kopierern oder Augenbehandlungsgeräten einfachere Röhren, die herstellerseitig nicht unbedingt zum Wiederfüllen gedacht waren und die guten alten Oxidkathoden haben.
Grundsätzlich kennt man dann die zu erwartende Temperatur von knapp über 1000 Grad und damit die Glühfarbe: bei Tageslicht ein sattes Orange (eben wie eine reife Orange), in der Dämmerung sieht das wegen der weiter geöffneten Pupille des Auges dann schon gerade so goldgelb aus. Das sollte man allerdings schon mal gesehen haben, Erfahrung ist hier alles.

Wolfram hat noch eine Eigenschaft, durch die es zu seinem eigenen Thermometer wird. Der spezifische Widerstand von Wolfram ändert sich sehr stark mit der Temperatur. Bei einer Differenz von 1000 Grad muß man nicht nur die bekannte lineare Formel dafür benutzen, sondern den Koeffizienten 2. Ordnung dazunehmen:

R(T) = R0 * ( 1 + alpha * T + beta * T^2 ),

wobei R(T) der Widerstand bei der Temperaturerhöhung um T Grad ist und R0 der Widerstand bei Raumtemperatur. Die Konstanten:

alpha = 4.1 * 10^-3 1/K, beta = 1.0 * 10^-6 1/K^2

Der Term in der Klammer läßt sich für T=1000°K ausrechnen, es kommt ungefähr 6 (sechs) heraus. Bei einer Temperaturerhöhung um 1000 Grad versechsfacht sich also der Widerstand der Kathode. Das läßt sich messen.

Als erstes mißt man den Kaltwiderstand der Kathode. Mit einem Ohmmeter geht das nicht, weil der Widerstand fast Null ist. Man kann aber das Ohmsche Gesetz nutzen und einen genau definerten kleinen Strom (soll ja nicht warmwerden) hindurchschicken und den Spannungsabfall messen. Ersteres geht mit einem Laserdiodennetzteil, und Millivolt messen kann man mit einem geeigneten Multimeter. Wer Spaß dran hat, kann das mal mit einer ALC60-Röhre versuchen und mißt bei einem "Dioden"-Strom von 1A etwa 20mV (variiert von Röhre zu Röhre leicht). Wichtig: direkt an der Röhre messen, sonst mißt man den Spannungsabfall an den Zuleitungsdrähten mit!
Also: 20 MilliOhm Widerstand der Kathode bei Zimmertemperatur. Rechnen wir die bekannten Werte kurz mal nach: im Betrieb soll ein ALC60 mit 3V/25A geheizt werden. Wieder Ohmsches Gesetz: das sind 0.120 Ohm, rund 6mal soviel wie die gemessenen 20 Milliohm bei Zimmertemperatur. Quod erad demonstrandum.

Nach der Messung des Kaltwiderstandes muß man dann bei einer unbekannten Röhre nur noch den Wert mal 6 nehmen, dann kennt man den Widerstand, den die Wolfram-Kathode bei knapp über 1000 Grad haben sollte. Die Genaugkeit der Spannungsmessung beim Kaltwiderstand ist natürlich sehr wichtig, denn der Fehler versechsfacht sich.
Wenn man jetzt einen geeigneten Trafo an die Kathode anschließt und die Primärseite des Trafos über einen Spartrafo oder notfalls auch Dimmer Schritt für Schritt hochregelt, kann man immer Strom und Spannung messen (Spannung wieder nur direkt an der Röhre messen), solange bis der richtige Wert erreicht ist.
Ich mache solche Messungen bei ALLEN Röhren. Selbst bei denen, die mit Netzteil kommen. Die Messung mag nicht ganz genau sein, besser als Blindflug ist sie allemal. Es ist nicht immer gesagt, daß Trafo, Netzteil und Röhre original zusammengehören. Manche Verkäufer haben wenig Plan, dafür viel Geschäftssinn.
Der niedrige Kaltwiderstand der Kathode sorgt übrigens auch dafür, daß die Trafos beim Einschalten so mörderisch brummen. Ich habe meinen auf einen 300VA Ringkerntrafo selbst gewickelt. Beim Einschalten eines ALC60 geht der Heizstrom anfangs locker über 50A. Großzügigkeit beim Trafokern lohnt sich. ;)

~medusa.
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Re: Ionenlaser-Kathoden

Beitrag von SnakeHanau » Di 23 Apr, 2013 11:52 am

Ich sach einfach mal
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Super beitrag
Danke Medusa
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Re: Ionenlaser-Kathoden

Beitrag von VDX » Di 23 Apr, 2013 11:57 am

Hi Medusa,

mags't evtl. auch was zu Festkörperlasern schreiben?

Ich hab' momentan die beiden NdYAG-Laser mit 150 bzw. 120Watt CW und 40mJ @150ns Puls, die ich evtl. auf eine alternative Pumpe umbauen könnte ... wäre gut da auch sowas ausführliches als Referenz zu haben :freak:

Viktor
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Re: Ionenlaser-Kathoden

Beitrag von mojo_1234 » Di 23 Apr, 2013 1:24 pm

Einfach gut. Besonders der letzte Teil mit Kathoden/Röhren unbekannter Herkunft.

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Re: Ionenlaser-Kathoden

Beitrag von mikesupi » Di 23 Apr, 2013 7:30 pm

@Medusa: Schöner Beitrag, mach doch mal bitte eine Messreihe, am besten mit Fotos, von einer ALC909Z Röhre.
Also genaue Werte, die Du auf die Röhre gibts, und wie die Röhre reagiert.
Würde mich echt interessieren ! Besonders vor dem Hintergrund, dass vom Hersteller die Kathode sonst ja nur mit 2.5 bis 2.6V betrieben wird.

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Re: Ionenlaser-Kathoden

Beitrag von medusa » Di 23 Apr, 2013 10:32 pm

@alle
Danke für das Feedback. So etwas ermuntert immer wieder zum Weitermachen. :D

@VDX
Mit Festkörperlasern hab ich nicht soviel Erfahrung, hab nur mal einen kleinen DPSS mit Casix-Kristall selbergebaut. Meine große Liebe sind die Gaslaser...

@Mike
Die Meßreihe gibt es schon längst, nur liegt mein Laborbuch mit allem anderem im Moment in einer Kiste im Keller. Ich hätte sie sonst hier mit der für den 60X zusammen gepostet. Ab Juni ziehe ich endlich in die neue Wohnung und reiche die Werte dann gerne nach.
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Re: Ionenlaser-Kathoden

Beitrag von thomasf » Mi 24 Apr, 2013 8:14 am

Hi,

auch wenn die Anzahl der Gaslasernutzer weiter schwindet, der Beitrag ist erste Klasse und für Gasliebhaber sicher eine Bereicherung.

Vielen Dank!

Thomas

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Re: Ionenlaser-Kathoden

Beitrag von kilovolt » Mi 24 Apr, 2013 11:47 am

Auch von meiner Seite ganz herzlichen Dank, medusa. Die Doku ist super geworden. Speziell interessant fand ich die Ausführungen zur Prozessierung von Kathoden, aber auch die Erläuterungen zum Delta T. Schön, dass es Forenmitglieder gibt, die uneigennützig so viel Arbeit investieren.

Ein herzlicher Gruss
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Re: Ionenlaser-Kathoden

Beitrag von Eu1eOne » Mi 24 Apr, 2013 12:20 pm

klasse beitrag, ich bin zwar noch nicht so lange gaslaternen besitzer naja ca 3/4 jahr, ich habe anders als die meisten hier nicht mit einem alc60x angefangen sondern mit einem Coherent Star C ArKr.
Wenn es die Zeit zulässt könnte ich mir mal vorstellen eine messung zu machen zangen amperemter oder lemsensor und messgeräte habe ich alles da
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Re: Ionenlaser-Kathoden

Beitrag von HVflash » Mi 24 Apr, 2013 8:02 pm

Hi, wirklich toller Beitrag.

Jetzt die große Frage: Wenn man seine Argonlaser mit Ringtrafo + Stelltrafo betreibt, worauf muss man achten?
Strom oder Spannung? Es ist ständig die Rede von einer Heizspannung, aber den Strom einzustellen erscheint mir logischer und vor allem Genauer?

Viele Grüße,
Niklas Fauth

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Re: Ionenlaser-Kathoden

Beitrag von decix » Mi 24 Apr, 2013 8:34 pm

Geballtes Fachwissen, super Beitrag.
Auch wenn ich davon keine Ahnung habe fand ich es als technisch interessierter sehr lesenswert.

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Re: Ionenlaser-Kathoden

Beitrag von kilovolt » Mi 24 Apr, 2013 8:37 pm

Jetzt die große Frage: Wenn man seine Argonlaser mit Ringtrafo + Stelltrafo betreibt, worauf muss man achten?
Strom oder Spannung? Es ist ständig die Rede von einer Heizspannung, aber den Strom einzustellen erscheint mir logischer und vor allem Genauer?
Spezifiziert ist in der Regel die Heizspannung, nicht der Strom. Es geht also darum, die korrekte Heizspannung anzulegen, wodurch der richtige Strom folgt, da die Heizung ja eine rein resistive Last darstellt.

Meiner Ansicht nach wäre es nicht gut, den Strom stabil zu halten, weil während der Heizphase würde die Heizung dann sehr viel länger im kritischen Bereich verharren, in dem sie noch nicht auf voller Temperatur ist, da im kalten Zustand nicht der volle Strom fliessen kann durch die Begrenzung auf den Nominalwert.

Ich erhöhe die Heizspannung nicht mehr langsam, sondern gebe hier immer gleich die volle Spannung, weil die Hiezung dann schneller durch den kritischen 600 bis 700°C-Bereich durchfährt. Bei zu langem verharren in diesem Bereich dehnt sich die Kathode und hängt irgendwann in den Strahlengang.

Gruss kilovolt
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Re: Ionenlaser-Kathoden

Beitrag von medusa » Mi 24 Apr, 2013 9:06 pm

@ Eule:
Ja, bitte messen. Bin ich immer neugierig drauf. :wink:

@HVflash:
Ich stimme kilovolt uneingeschränkt zu, mit einer kleinen Ergänzung, ich finde es nämlich auch bequemer, den Strom einzustellen. Deswegen und um das Delta T immer zur Kontrolle vor Augen zu haben, hab ich am Trafo in den Heizkreis integriert ein dickes fettes Dreheisenamperemeter (geht bis 50A AC). Eine Stromzange um eines der Kabel geht aber genausogut.
Wenn Du Deine Laser nach einiger Zeit kennst, weißt Du ja, wieviel Amps die an der Kathode haben wollen. Und natürlich weißt Du dann auch, wie weit der Stelltrafo dafür aufgedreht sein muß. Beispielsweise weiß ich genau, daß ich für den ALC60 den Stelltrafo auf 185 drehen muß (Skala hab ich mir der Einfachheit halber von 0-230 draufgezeichnet). Also hopp mit Schwung aufgedreht, und nach ein bis zwei Minuten stabilisiert sich dann der Strom bei 25A. Wenns noch nicht ganz genau stimmt, kann ich immer noch sachte nachregeln.
Es schadet natürlich trotzdem nicht, hin und wieder mal an den Pins der Röhre die Spannung zu kontrollieren. :freak:

Stromgeregelte Kathodenheizungen sind mir nicht bekannt, ich weiß auch nicht ob die eher schaden würden, denn die würden ja auch gegen das Delta T regeln.

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Re: Ionenlaser-Kathoden

Beitrag von HVflash » Mi 24 Apr, 2013 9:39 pm

Vielen Dank für die Antwort. Genau wie von medusa beschrieben meinte ich es auch.
Deshalb sprach ich auch von einstellen, und nicht von "regeln".

Schön, das ich nicht der einzige bin der es so macht.
Hab dazu einfach in meinem universal SMPS einen 1,5A Stelltrafo + 300W Halogentrafo, mit selbst gebauten Stromwandler und LED Panel dahinter. Auf 30A drehen, nach paar Sekunden gehts dann auf 20-23A runter und dann Regel ich langsam nach.

Hatte bisher nur meinen NEC dran, für den ALC60x fehlt leider noch ein Lüfter :( :(
Jedoch hat eine befreundete Augenärztin so ein Ding mit gebrochener Faser herumstehen, da werde ich mal rein schauen :)
Hoffentlich ist es kein Pulslaser.
Sorry wg schlechter quali.

Bild Bild

Viele Grüße,
Niklas Fauth

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Re: Ionenlaser-Kathoden

Beitrag von mikesupi » Mi 24 Apr, 2013 10:04 pm

@HVflash: Das ist ein ALC909 Ar-Ion, alles was Du brauchst :-)

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Re: Ionenlaser-Kathoden

Beitrag von medusa » Sa 27 Apr, 2013 1:38 pm

Ich geb hier noch ein Beispiel, was aus einem Laser-Super-GAU mit abgefackelter Kathode werden kann. Der kleine Invalide auf dem Bild unten ist ein ILT 5490, den ich auf dem Essener Treffen 2011 von einem anderen Freak übernommen habe (rayman, glaube ich?). Eigentlich wollte ich nur Ersatzteile, um meinen anderen 5490 etwas aufzuhübschen, aber ich hab es dann doch nicht übers Herz gebracht, ihn einfach auszuschlachten.
5490tube.JPG
Die Röhre dieses Lasers hatte ein Leck und wurde (sehr wahrscheinlich nachdem die Kathode schon verbrannt war) bei einem der bekannten deutschen Refurbisher wieder restauriert. Man sieht auf dem Bild ganz deutlich die unregelmäßigere Schweißnaht, mit der die Kathodenglocke wieder verschlossen wurde, höchstwahrscheinlich nachdem eine neue Kathode gesetzt worden ist. Auch der Pumpstutzen wurde durch ein hart angelötetes Rohr verlängert.
Trotz aller Arbeit bringt die Röhre kaum noch Leistung. Sie brennt niedrig (ca. 90V) und gibt nur etwa 5mW Leistung ab (bei so um die 9A). Das ist nix im Vergleich zu einer neuen 5490-Röhre. Man kann nur spekulieren, woran das liegt. Die Anodenglocke wurde nicht geöffnet, deswegen könnten Reste von Wolframoxidstaub in den anderen Teilen der Röhre zu dem Problem beitragen. Ob neue Brewster gesetzt wurden, kann ich nicht beurteilen.

Zeigt natürlich, wie aufwendig solche Reparaturen sind, Arbeiten in solchem Umfang haben früher richtig Geld gekostet. Da Ionenlaser nicht mehr gefragt sind, lohnt sich das Geschäft damit auch nicht mehr.

~medusa.
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Re: Ionenlaser-Kathoden

Beitrag von medusa » Mo 13 Mai, 2013 8:59 pm

Noch ein Nachtrag:

Die Kathode des ALC 909 wird mit 3.0-3.2 Volt geheizt. Das habe ich von Florian Rotter von Absee Laser mitgeteilt bekommen. Die Info ist vielleicht in diesem Thread am besten aufgehoben.

~medusa.
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Re: Ionenlaser-Kathoden

Beitrag von medusa » Mi 07 Aug, 2013 10:30 pm

Nachtrag 2, gehört noch zu diesem Thread:

(A) "Inrush Overcurrent" an Kathoden
(B) Kathoden warmhalten bei "Dark Heat"
(C) Messungen an meinen beiden ALC909Z


A. "Inrush Overcurrent" an Kathoden

Ein interessantes Phänomen, mit dem allerdings wohl nur die Besitzer von Senderöhren zu tun haben. Ich habe es jedenfalls in diesem Zusammenhang gelesen. An unsern Argonröhren hat wohl kaum jemand so fette Heiztrafos, daß das zu einem echten Problem werden wird.
Inrush overcurrent ist der massive Strom, der durch die kalten Kathoden mit ihrem niedrigen Widerstand direkt beim Einschalten gezogen wird. Bei großen Senderöhren kann es passieren, daß der Strom so hoch wird, daß die Kathodenspirale ein merkliches Magnetfeld erzeugt. Dessen Wechselwirkung mit dem Erdmagnetfeld oder anderen Magneten in der Nähe (davon hätten wir ja bei den wassergekühlten Argons ein schönes Exemplar in Reichweite) kann zu einer erheblichen Krafteinwirkung auf die Kathode führen, also Verformungen oder Ermüdung bei häufiger Wiederholung.
Beim Aufheizen durchläuft die Kathode ja sowieso den plastischen Bereich bei 600 Grad.
Die Amateurfunker geben an, man solle beim Anheizen unter dem doppelten nominalen Strom der Heizung bleiben. Rund 50A beim Einschalten, das schaffe ich mit meinem 300VA Trafo gerade so eben. Für die meisten von uns wird das also wohl kaum je zu einem Problem werden.


B. Kathoden warmhalten bei "Dark Heat"

Das kennen die Leser von Sam's Laser FAQ, deshalb hier nur kurz zusammengefaßt: bei Senderöhren und größeren Lasern versucht man den Kathoden den Streß der Wärmespannungen beim Aufheizen und Abkühlen zu ersparen, indem man die Kathoden in Betriebspausen unter etwa einer Stunde warmhält. Um die Imprägnierung zu schonen, wird die Heizung etwas reduziert, aber nur so weit, daß die Temperatur sicher über dem plastischen Bereich von Wolfram bleibt. Es werden etwa 800 Grad für dieses "Dark Heat" genannte Warmhalten angegeben.


C. Messungen an meinen beiden ALC909Z

Das hatte ich ja zugesagt für die Zeit nach dem Umzug. Hier also nun meine Messungen an zwei 909Z-Kathoden. Spannungabgriff erfolgt selbstverständlich direkt an den Röhrenpins, so nah an der Keramik wie es nur irgendwie geht.

Röhre 1: #2968, Bj 1996, Kaltwiderstand 21.0 Milliohm

Code: Alles auswählen

If/A Uf/V   R/Ohm   Rrel  T/grad C
----------------------------------------
8     0.25  0.031   1.49  140 
10   0.50  0.050    2.38  340
12   0.86  0.072    3.4    520
15   1.41  0.094    4.47  750
18   1.96  0.109    5.18  850
20   2.40  0.120    5.71  950
21   2.59  0.123    5.85  980
22   2.83  0.128    6.09  1020
23   3.10  0.134    6.41  1060
Röhre 2: #4382, Bj 1998, Kaltwiderstand 21.1 Milliohm

Code: Alles auswählen

If/A Uf/V   R/Ohm   Rrel   T/grad C
----------------------------------------
8     0.18  0.023   1.07  
10   0.36  0.036    1.70  176
12   0.68  0.058    2.70  400
15   1.15  0.076    3.60  580
18   1.70  0.094    4.45  720
20   2.10  0.105    4.97  820
21   2.33  0.111    5.26  880
22   2.55  0.116    5.50  920
23   2.77  0.120    5.68  950
24   3.03  0.126    5.97  990
25   3.24  0.130    6.16  1030
Interessant sind die Unterschiede der beiden Röhren, trotz aller Vorsicht wegen immer vorhandener Meßungenauigkeiten. Gibt man die empfohlene Temperaturerhöhung einer Kathode von rund 950-1050 Grad vor, dann ergibt sich für Röhre 2 für die Heizung ein Betriebsbereich von rund 2.8 bis 3.2 Volt, entsprechend 23-25A.
Röhre 1 liegt interessanterweise etwas niedriger, 2.5 bis 3.1 Volt entsprechend 21-23A. Meine Empfehlung für die 909Z Kathode ist daher: knapp über 3 Volt Heizung, oder 23.5A.

Falls jemand die Kathode bei abgeschaltetem Laser warmhalten möchte, so liegt der Bereich von 800 Grad in beiden Fällen bei rund 2 Volt Heizspannung.
Den Bereich um 1 Volt sollte man großräumig meiden, weil die Temperatur dann im Erweichungsbereich von Wolfram liegt, um 600 Grad.

~medusa.
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Re: Ionenlaser-Kathoden

Beitrag von medusa » Di 03 Sep, 2013 4:39 pm

Sputtern:

Diese Bilder sind im Zuge der Tests an meiner Breakout-Box entstanden. Die Lasos Röhre im Bild kam schon vor längerer Zeit im verblichenen Zustand zu mir. Ich benutze sie zum Testen von Netzteilen.
Kurz ein paar Daten:
zündet bei 500V (SEHR niedrig selbst für so eine kleine Röhre)
Brennspannung 87V
Kathode 20A bei 2.25V. Die Spirale selbst sieht sehr abgerockt aus, so als hätte jemand Würstchen drauf gegrillt.
488nm Singleline Optiken, aber kein Lasern mehr.
Delta T: bei 4A Plasmastrom noch ca. +0.5A Delta T zu beobachten, das bei 4.5A auch verschwindet. Dann beginnt das Sputtern.
sputter1.jpg
Auf diesem Bild sieht man schön, wie die Entladung bei 5A auf die Zuleitungen zum Filament überspringt. Die glühenden Punkte flimmern unregelmäßig. Mit der Lupe kann man an der kalten Röhre sehen, daß der Draht an dieser Stelle schon leicht eingekerbt ist. Hellglühende Punkte erscheinen kurz auch immer wieder auf der glühenden Spirale selbst.
sputter2.jpg
Bei 6A geht dann richtig die Post ab. Es bildet sich von den hellstrahlenden Punkten aus eine regelrechte Nebenentladung. Hier ist sie leider überbelichtet, visuell sieht das Plasma an dieser Stelle grün aus - Metallionen, die aus dem Draht herausgeätzt wurden. Das wird der Grund sein, warum die Röhre verstorben ist.

~m.
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Re: Ionenlaser-Kathoden

Beitrag von medusa » Sa 28 Jun, 2014 5:37 pm

So, noch ein Portrait, das hierher gehört, zu Dokumentationszwecken.

Spectra-Physics 164-168 Ionenlaser haben ja diese wunderbaren gläsernen Röhren. Heutzutage sind sie schon ziemlich alt, und eine hängende Kathode darf bei einer solchen Methusaline darum auch nicht verwundern.
cathode_sag.png
Bei meiner Röhre (eine 168, wahrscheinlich fast 30 Jahre alt) ist das noch nicht kritisch, weder berühren sich Windungen (Kurzschluß!) noch hängt sie bisher in den Strahlengang. Aber der Durchhang ist deutlich zu sehen. Im Bildauschnitt ist nur der innere Teil der Röhre zu sehen, der mit Argon gefüllt ist. Der Kühlmantel mit Wasser ist unterbelichtet und fast nicht zu erkennen.

~medusa.
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Re: Ionenlaser-Kathoden

Beitrag von deepblue » Sa 28 Jun, 2014 9:56 pm

Aua,das tut weh,so etwas zu sehen :(
Da ist Vorsicht mit zu hohen Strömen angesagt :!:

Hier mal der Vergleich zu einer nur knapp 15 Stunden!!! alten Kathode :mrgreen:
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Re: Ionenlaser-Kathoden

Beitrag von lightwave » So 29 Jun, 2014 8:30 am

Soweit ich weiß, wurden die Röhren zur Lebenszeitverlängerung dann auch gerne mal um 180° gedreht.
Grüße, Georg~lightwave


Alles für Einsteiger: Link 1, Link 2, Link 3
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Re: Ionenlaser-Kathoden

Beitrag von murmeljoe » So 29 Jun, 2014 9:36 am

@Georg: Ja, das stimmt. Die ganz harten Jungs (ähmm hier wohl eher Mädels :wink: ) haben dann die Kathode im ungezündeten Zustand über den Strom in einen Temperaturbereich gekitzelt, bei dem die Schwerkraft sie wieder in Form ziehen kann. Ich habe aber selbst nie gesehen, dass das wirklich nachhaltig erfolgreich war und dies wurde auch nur bei Anlagen mit Kurzschluss oder Strahlunterbrechung versucht.
Dass rechtzeitige 180-Drehen (so spät wie möglich - so früh wie nötig) ist da die bessere vorbeugende Maßnahme. ABER: Auch das ist nur die Wahl zwischen Pest und Cholera, denn dann liegen die BWs mit der langen Rohrkante oben.

Code: Alles auswählen

  ______________            ________________
/_______________\    vs.    \______________/
*geil - ASCII-Art :mrgreen: *

Und dann fällt der Dreck nicht mehr einfach auf die Innenseite des Rohrs, sondern auf die BWs. Auch nicht schön. :roll: Natürlich immer noch besser, als das Rohr aufzugeben.
Wie gesagt: So spät wie möglich ...

@deepblue:
[Spaßmode on]
Pff - "Neu" kann ja jeder! Wo ist denn da die Herausforderung? In Laden gehen, Kreditkarte auf den Tisch schnippen, sparks in den Kofferraum wuchten, krass rumlasern. Das kann ja nun wirklich jeder!
[/Spaßmode off]
Nein im Ernst - eine SP168-Röhre mit einer Kathode in diesem Zustand ist natürlich ein Traum und bei dem Foto bricht bei mir der blanke Neid aus. :shock: Natürlich war mir klar, dass die Anlage von Medusa nur noch für den Gnadenhof geeignet ist. Ich hatte lange überlegt die Anlage einfach zu zerlegen, aber es schlicht nicht übers Herz gebracht. So erschien mir Medusas-Messlabor die deutlich bessere Lösung.

Gruß
Joe
22.07.14: $ chmod -f -R 0744 laserfreak.net

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Re: Ionenlaser-Kathoden

Beitrag von deepblue » So 29 Jun, 2014 10:45 am

Korrektur :wink:

Nein,murmeljoe,es ist keine Sp168 Kathode.Es ist ne Kathode aus nem Lasos.Der Laser war neu,aber Baujahr 1996,Originalverpackt.Stand als Ersatzteil in einem Lager,mit Testreport...Stand des Betriebstundenzähler nach Prüfung 3,9 Stunden und kam hier an mit 4,2 Gesamtstunden auf dem Rohr.Der Einzige noch wirklich jungfräuliche Gaslaser in meiner Samlung und das ganze für nicht mal 70 Euronen. :mrgreen: :mrgreen:
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Re: Ionenlaser-Kathoden

Beitrag von medusa » So 29 Jun, 2014 8:34 pm

Na, ich denke es ist ganz gut daß die meisten Gasöfen bei uns Amateuren Endlocken aus Nickel haben, damit man das Elend nicht so sieht. Ich schätze mal daß 90% der ollen ALCs nicht viel anders aussehen als die 168 oben, wenn man sie aufmacht. Wie schon gesagt, es ist nicht schlimm, wenn die Kathode etwas hängt. Solange der Strahlengang frei bleibt und sich keine Windungen berühren, ist das kein Problem. Den Elektronen ist es egal, welche Form die Fläche hat, die sie emittiert - sie treten ohnehin immer senkrecht aus und folgen dann den Feldlinien.

Falls sich Windungen berühren, gibt es allerdings ein Problem (da hat Andre recht). Oft wird sowas bei Händlern als "kurzgeschlossene Ringe" bezeichnet. Man kann solche Kathoden noch benutzen, allerdings nur mit dem vorgesehenen Heizstrom, was i.d.R. eine reduzierte Heizspannung bedeutet. (Deshalb gebe ich immer den Strom an). Die Kathode in so einem Fall mit der nominelle Spannung zu betreiben gibt ihr schnell den Rest, weil der noch funktionierende Teil viel zu heiß wird und das Barium schnell auskocht.
So eine noch teilweise funktionierende Kathode emittiert dann beim richtigen Heizstrom natürlich auch weniger Elektronen, kann also auch nur noch einen reduzierten Plasmastrom aufrechterhalten. Man muß dann im Einzelfall sorgfältig das delta-T überwachen, um zu sehen, wie weit man mit der "Teilbeheizung" noch gehen kann. Vorsicht also bei vermeintlichen High-Power-Schnäppchen, die "nur einen Ring kurgeschlossen haben aber sonst nocht gut sind".

Man kann auf dem Bild aber auch sehen, wie es bei nur etwas zu geringer Heizung zu den Hängern kommt. Die letzte halbe Windung ganz rechts glüht kaum noch, und hat deshalb ein größeres Risiko als der Rest, in den plastischen Bereich von Wolfram zu geraten. Was über die langen Jahre offensichtlich geschehen ist.
Bis zur optischen Achse ist noch einiges an Platz, deshalb sehe ich keine Veranlassung, schon aktiv zu werden. Die Röhre drehen ist bei SP auch nicht so einfach, da man dann den gesamten Anodenblock und den Magneten mitdrehen muß. Da ist es einfacher, den ganzen Laser auf den Rücken zu legen. Und das sieht doch doof aus. :roll:

Eine Kathode mit "umgekehrt weichglühen" wieder in Form bringen ist nicht so einfach. Ich hab es mal bei einer I60 versucht, und es endete im Desaster (die Spiralwindungen sind umgekippt, wie sich in der Pathologie zeigte). Bei einer SP-Glasröhre würde ich das vielleicht noch mal riskieren, weil ich dann rechtzeitig sehen kann, wenn es in die falsche Richtung zu laufen beginnt. Aber bei einer Kathodenglocke aus Nickel ist das Blindflug. Wenn sie eh schon ein Totalschaden ist, hat man vielleicht Glück, daß es klappt. Aber ich würd nicht drauf wetten.

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Re: Ionenlaser-Kathoden

Beitrag von medusa » Do 17 Jul, 2014 10:55 pm

Weil es hierhingehört, eine Tabelle mit delta-T Messungen von meiner Spectra-Physics 168 Röhre, Messungen während der Füllarbeiten nach der ersten Füllung aufgenommen, zu einer Zeit als der Druck noch immer zu niedrig war.

Code: Alles auswählen

SP-168 tube 070-3 underpressure
(voltage 10V too low)

Ia/A | delta-T/A | Remark
-----+-----------+----------------------
 11  | 1.3       |
 13  | 1.5       |
 15  | 1.7       |
 18  | 1.8       |
 20  | 2.1       | faint blue @ filament
 22  | 2.3       |          "
 24  | 2.4       |          "
 26  | 2.1       | blue rays @ filament
Hier ist dokumentiert, was passiert, wenn die Kathode am Ende ist oder nicht mehr genug Gas zur Verfügung steht. Das delta-T sinkt bei steigendem Anodenstrom wieder, und an der Kathode geschehen unschöne Dinge in Form von beginnendem Sputtern. Bei der gläsernen SP-168 kann man das sehr gut sehen, bei anderen Lasern ist man eben auf Messungen angewiesen. Wenn man keine Möglichkeit hat Gas nachzufüllen, hat man damit ganz klar eine Grenze für die verbleibende Belastbarkeit einer alternden Röhre erreicht, wenn man noch länger etwas von ihr haben will.
Im obigen Beispiel hätte ich die Röhre allein aufgrund der Messungen auf 22-24A limitiert, wenn keine Möglichkeit mehr bestanden hätte. Eine weitere Gasfüllung hat in diesem Fall das Problem allerdings behoben.

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