Modeling of microwave-excited gas discharges

Content This paper is dealing with the power density versus electric field characteristic of microwave-excited discharges on the example of typical CO₂ laser gas discharges.The fundamentals of the method are a simple electric equivalent circuit for the excitation structure and the assumption of a fixed reduced electric field intensity within the plasma. This operating field is enforced by the plasma under stationary conditions and can be calculated using an electron balance under consideration of the non-Maxwellian electron energy distribution function. The calculations turn out that c.w. excitation with microwaves is involved with considerable plasma power densities. In the case of the CO₂ laser this requires special discharge channel designs for effective gas cooling. Besides a discussion of the plasma characteristic, measurements taken from a microwave applicator are presented and compared to the calculations.

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Modellierung mikrowellenangeregter Gasentladungen

Übersicht Der Artikel behandelt die Berechnung der Feldstärke-Leistungsdichte-Kennlinie mikrowellenangeregter Gasentladungen am Beispiel von Entladungen in typischen CO₂-Lasergasgemischen. Das Berechnungsverfahren beruht auf einem einfachen, auf die meisten Anregungsstrukturen anwendbaren elektrischen Ersatzschaltbild und der Tatsache einer vom Plasma erzwungenen stationären Brennfeldstärke. Letztere wird über eine Elektronenbilanz unter Berücksichtigung der nicht Maxwell'schen Elektronen-Energieverteilung ermittelt. Es zeigt sich, daß bei einer CW-Anregung mit Mikrowellen hohe Mindestleistungsdichten im Plasma auftreten, wodurch beispielsweise im Fall des CO₂-Lasers kein Laserbetrieb ohne sehr effektive Maßnahmen zur Gaskühlung möglich ist.Neben einer Diskussion der Plasmakennlinie werden Vergleichsmessungen an einer konkreten Anregungsstruktur vorgestellt.