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Verfahren zur Einleitung und Durchführung technischer Prozesse, wie metallurgischer und chemischer Art, mittels elektrischer Glimmentladungen
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Energie der aufprallenden Ionen bewirkt eine Erhitzung der betreffenden Elektrode, was zu einer thermi- schen Elektronenemission des Elektrodenmetalls führt. Dieser thermische Emissionsstrom aus negativen Elektronen und andere bisher erst wenig geklärte Emissionsvorgänge an der Elektrode in Wechselwirkung mit der benachbarten Gasschicht, können zu einer Kontraktion der Entladung auf einen "Brennfleck" und zur Zündung eines Lichtbogens zwischen der Elektrode und der nächstgelegenen Gegenelektrode führen.
Dieser Übergang in die Bogenentladung entspricht dem Punkt 67 der Kennlinie 65, der stets dort gelegen ist, wo der Glimmentladungskathodenfall durch die Elektronenemission des Elektrodenmetalls weitgehend zum Verschwinden gebracht ist. Die Gesamtentladungsspannung der Bogenentladung ist stets weniger als die Hälfte der Glimmentladungsspannung bei Betrieb im normalen Bereich X der Ken : 1linie. Es sei hier ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die physikalischen Verhältnisse bei energiereichen Glimmentladungen noch nicht restlos geklärt sind. Beispielsweise besteht die Möglichkeit, dass vor der thermischen auch eine andere Emission stattfindet, etwa eine Sekundärelektronenemission, eine Feldemission usw.
Auch sind bereits Lichtbogenentladungen ohne ausgeprägten Brennfleck in der Literatur beschrieben worden, für die aber die gegenüber der Glimmentladungsspannung viel niedrigere Betriebsspannung ebenso charakteristisch ist wie für die auf einen Brennfleck kontrahierte Bogenentladung. Die obengenannte Er- läuterung des Übergangs von einer Glimm- in eine Bogenentladung stellt eine derErklärungsmöglichkeiten nach dem derzeitigen Stand der Technik dar, dient aber für das vorliegende Verfahren, das aus experimentellen Untersuchungen entwickelt wurde, nur als eine Arbeitshypothese.
Für technische Prozesse mittels Glimmentladungen muss der Übergang in eine Bogenentladung unter allen Umständen vermieden werden, da eine solche stets lokale Überhitzung an einzelnen Punktender Elektrodenflächen ergibt und keine gleichmässigen reproduzierbaren Prozesse der hier behandelten Art ermöglicht. Dem Bestreben zur Steigerung der Energiedichte der Glimmentladungen war also bisher eine Grenze gesetzt durch die hiebei auftretende Erwärmung der Elektroden und deren thermische Elektronenemission, die unweigerlich zu einem Übergang in eine Bogenentladung mit mehr oder weniger ausgeprägter Kontraktion der Entladung auf begrenzte Elektrodenbereiche bei gleichzeitigem Absinken der Entladungsspannung auf Werte meist weit unter 100 Volt, führen musste.
Es ist daher in der Vergangenheit nicht möglich gewesen, bei einer Steigerung des Energieumsatzes der Glimmentladung, den unstabilen Übergangsbereich der Entladungskennlinie von der Glimm- zur Bogenentladung zu vermeiden.
Das verbesserte Verfahren ermöglicht dagegen nunmehr jede erwünschte Vergrösserung des Energieumsatzes der Glimmentladung bis zu beliebigen Temperaturen an den am Prozess beteiligten Elektrodenflächen unter Gewährleistung einer stetig verlaufenden, stets ansteigenden Kennlinie, etwa wie in Fig. 1 mit 66 bezeichnet. Dies wird ermöglicht durch die Tatsache, dass die Elektronenemission aller Metalle und deren Verbindungen für jede Temperatur eine bestimmte, nicht überschreitbare Grösse besitzt. Die Emission pro Flächeneinheit ist für die meisten chemisch reinen Stoffe abhängig von der Temperatur und genau bekannt. Gelingt es nun, bei einer vorgegebenen erwünschten Temperatur der arr Prozess beteilig- ten Flächen, in deren unmittelbaren Umgebung einen.
Gasentladungszustand herzustellen und aufrechtzuerhalten, bei welchem der zur Kathode fliessende positive Ionenstrom über den für das Entladungsgleichgewicht erforderlichen Wert hinaus grösser, vorzugsweise sogar ein Vielfaches des von den betreffenden Flächen emittierten Elektronenstromes ist, so kann die Störung des Entladungsgleichgewichtes im Kathodenfallraum durch den emittierten Elektronenstrom keinen dominierenden Einfluss ausüben, also keine Tendenz zum Übergang in eine Bogenentladung bewirken.
Hiebei muss aber gewährleistet sein, dass der Ionenstrom an allen Stellen der am Prozess beteiligten Flächen die notwendige Grösse besitzt, um auch bei plötzlich auftretenden stark emittierenden Punkten, bei Gasausbrüchen und davon herrührenden lokalen Überhitzungen bis zur Weissglut, an diesen Stellen den Emissionsstrom zu übertreffen. Nur wem dies der Fall ist, können auch derartige Störstellen an den Elektrodenflächen nicht zu einer merklichen Beeinträchtigung des Kathodenfallraumes führen.
Die zu erwartende thermischeElektronenemission der am Prozess beteiligten Flächen muss also für die praktisch vorkommenden Prozesse aus dem jeweiligen Material und der erwünschten Temperatur im voraus ungefähr abgeschätzt werden. Dann muss der Gesamtstrom der Gasentladung auf mindestens den doppelten Wert, vorzugsweise aber einen wesentlich höheren Wert dieses abgeschätzten Emissionsstromes eingestellt werden, um den unerwünschten Einfluss des Elektronenstromes auf den Kathodenfallraum durch den Ionenstrom zu kompensieren.
Der thermische Emissionsstrom Ie, ist für chemisch reine Metalle und Metallverbindungen mit Hilfe der sogenannten Richardson-Formel berechenbar und beispielsweise für Platin (Pt), Wolfram (Wo). Tantal (Ta), Wolfram mit Thoriumzusatz (Wo + Th), und Bariumoxyd (BaO) im Diagramm gemäss Fig. 2 abhängig von der absoluten Temperatur T aufgetragen. Wie bekannt, tritt bei chemisch reinen MetaUen ein
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merklicher Emissionsstrom erst bei relativ hohen Temperaturen über etwa 10000 K auf, während bei Metalloxyden und gewissen Legierungen eine um mehrere Grössenordnungen höhere thermischeEmission feststellbar ist.
Nun muss aber berücksichtigt werden, dass in der Praxis die glimmtechnischen Prozesse fast ausschliesslich an Legierungen oder wenigstens oberflächlich nicht chemisch reinen Werkstücken vorzunehmen sind, bei Reduktionen und Schmelzprozessen sogar Metalloxyde behandelt werden müssen. Dementsprechend kann bei der Abschätzung des eventuell möglichen maximalen thermischenEmissionsstromes nicht von den Werten für chemisch reine Metalle ausgegangen werden.
Im Diagramm der Fig. 2 sind drei Gerade 68a, 68b, 68c eingetragen, die zur Abschätzung des maximal möglichen Emissionsstromes Ie für Prozesse nach dem vorliegenden Verfahren dienen. Dabei stellt die Linie 68a den Mindeststrom Ie dar, der auch bei beliebig niedriger Temperatur der am Prozess beteiligten Flächen als möglicher Emissionsstrom einzusetzen ist, um eventuell lokale, mit starker Emission verbundene Oberflächenmängel unwirksam zu machen. Für Prozesse, bei denen Metalle und Metallegierungen bei über etwa 15000 K behandelt werden, wird zweckmässiger-
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dadurch eine stabile Glimmentladung für jede beliebige Temperatur gewährleistet.
Sind dagegen bei den durchzuführenden Prozessen auch Metalloxyde an den am Prozess beteiligten Flächen vorhanden, so empfiehlt es sich, den Ionenstrom pro cm2 um einen Sicherheitsfaktor grösser als die Stromdichte entsprechend der Formel Ie = 0, 01. T . e -10000/T (A/crn ) zu wählen. Es sei aber darauf hingewiesen, dass es sich um rein empirische Kalkulationswerte für Ie handelt, also keineswegs behauptet werden soll, diese Werte würden einen Rückschluss auf die tatsächlichen Vorgänge zulassen. Dagegen stellen sie Erfahrungswerte dar, um Glimmentladungen in Kennlinienbe- reichen und unter Betriebsbedingungen stabil aufrechtzuerhalten, bei denen bisher derartige Entladungsvorgänge unbekannt waren.
Die Neuartigkeit dieses Entladungsbereiches ergibt sich auch aus der Beobachtung, dass hiebei der Anteil an atomaren Gasen in der Glimmentladungszone grösser als zu erwarten ist.
Die Einstellung des erforderlichen Gesamtstromes erfolgt vor allem durch Steigerung des Gasdruckes im Entladungsgefäss, der stets so gross sein muss, dass der Gesamtstrom gleich oder grösser als der geschätzte Wert Ie ist. Dabei ist die erforderliche Betriebsspannung stets innerhalb der in Fig. 1 eingezeichneten Grenzwerte Ui = 100 Volt und'U2 = 1800 Volt gelegen, meist sogar im Bereich von Us = 200 Volt bis U4 = 900 Volt, so dass die vorliegende Entladungstechnik als ein Gebiet stromstärker Niederspannungs- Glimmentladungen bezeichnet werden kann. Dieses Glimmentladungsgebiet unterscheidet sich somit grundsätzlich von den bereits früher vorgeschlagenen Glimmentladungsprozessen mit einigen tausend Volt Spannung, die stets mit geringeren Stromstärken vor sich gingen.
Bei den durchzuführenden technischen Prozessen metallurgischer und chemischer Art ist natürlich die am Prozess beteiligte Fläche jeweils praktisch vollständig von der elektrischen Glimmentladung bedeckt.
Der Unterschied zwischen den bekannten stromschwachen Glimmentladungen gemäss der Kennlinie 65 in Fig. 1 und den neuartigen stromstarken Glimmentladungen entsprechend der Kennlinie 66 in Fig. 1 zeigt sich am deutlichsten bei der Ermittlung des sogenannten Entladungsstreckenwiderstandes, also des an den Klemmen des Entladungsgefässes zu messenden Innenwiderstandes desselben. Bei der stromschwachen Glimmentladung gemäss der Kennlinie 65 steigt der Entladungsstreckenwiderstand bei Stromwerten zwischen 0, 2 Amp. und 0, 5 Amp. von 2500 Ohm auf 8400 Ohm. Es findet also eine Zunahme des Entladungsstreckenwiderstandes statt.
Demgegenüber ist der Entladungsstreckenwiderstand bei der stromstarken Glimmentladung entsprechend der Kennlinie 66 bei einem Strom von 1 Amp. etwa 330 Ohm, bei einem Strom von 10 Amp. etwa 43 Ohm und bei einem Strom von 100 Amp. etwa 6 Ohm, so dass bei diesen stromstarken Glimmentladungen der Entladungsstreckenwiderstand mit steigendem Strom geringer wird.
Erfolgt bei der Durchführung der technischen Prozesse mit den stromstarken Glimmentladungen die Einstellung des Gasdruckes und der Betriebsspannung derart, dass einerseits der Ionenstrom um einen Sicherheitsfaktor grösser als der thermische Emissionsstrom gewählt wird und anderseits der Entladungsstreckenwiderstand mit zunehmender Leistung vermindert wird, so ist die Aufrechterhaltung einer stabilen Glimmentladung bei nahezu beliebiger Leistung gewährleistet.
Nachstehend sei ein Beispiel für einen Glühprozess mittels einer stromstarken Glimmentladung näher beschrieben. Hiebei wird die eine Elektrode der Entladungsstrecke durch ein zu erhitzendes Molybdänrohr von etwa 8 mm Durchmesser und 50 mm Länge, also 14 cm ? Oberfläche gebildet, während die Gegenelektrode in einem Abstand von etwa 40 mm angeordnet ist.
Die 50 Hz-Wechselspannung an den Elektroden beträgt etwa 700 Volt, und der Rezipient enthält Was-
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serstoff mit einem Druck von 9 mm Hg. Das Molybdänrohr weist im Entladungsendzustand eine Temperatur von etwa 20000 C auf, bei einer Energiedichte entsprechend einer Abstrahlung von etwa 50 Watt/cm2 an der Aussenfläche von 7cm2, also einer Gesamtleistung von etwa 350 Watt. Bei der genannten Temperatur ist für Molybdän der thermische Emissionsstrom gemäss Fig. 2 etwa 4 mA/cm2, insgesamt also etwa 56 mA. Dagegen ist der das Molybdänrohr aufheizende Gesamtstrom etwa 500 mA, also etwa von zehnfacher Grösse als der Emissionsstrom.
Bei diesem Gasenüadungszustand in der unmittelbaren Umgebung der Molybdänrohroberfläche ist dort ein nahezu ungestörter Kathodenfall vorhanden und eine dementsprechend stabile Glimmentladung, welche die sehr hohe Energiedichte von etwa 50 Watt/cm Oberfläche ergibt. Eine Tendenz zum Übergang in eine Bogenentladung besteht trotz der starken thermischen Emission nicht. Es bereitet keine Schwierigkeiten, mit weiterer Drucksteigerung und geringer Spannungs erhöhung den Energieumsatz an der Wolframdrahtoberfläche derart zu steigern, dass das Molybdänrohr schmilzt (etwa 27000 C), ohne dass die Glimmentladung unstabil wird.
Bei dem vorliegenden Verfahren kann also der Gasdruck p und auch die Spannung U an der Entladungsstrecke nicht willkürlich gewählt werden, sondern es sind korrespondierende Werte einzustellen, um
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tenwerte erscheinen zunächst als willkürliche Grössen, ergeben aber im Zusammenhang mit den für Gasentladungen geltenden bekannten Ähnlichkeitsgesetzen durchaus einen physikalischen Sinn. Hier dient das Diagramm nach Fig. 3 lediglich der exakten Abgrenzung des zulässigen Arbeitsbereiches der gemäss dem vorliegenden Verfahren durchführbaren Prozesse.
Die Spannung U ist hiebei in Volt/cm, also eigentlich als Feldstärke, angegeben, jedoch wurde der Einfachheit halber der Zahlenwert der Gesamtspannung an der Entladungsstrecke eingesetzt, da hier nur der Raum in unmittelbarer Umgebung der Prozessflächen wesentlich ist, auf den sich nahezu die gesamte Spannung U konzentriert. Mit i ist die Stromdichte in Amp./cm ? bezeichnet, und der Druck p ist in mm Hg eingesetzt.
Im Diagramm nach Fig. 3 sind als Beispiele die Arbeitskennlinien für die in der nachstehenden Tabelle aufgeführten Prozesse enthalten, wobei die drei ersten Prozesse sowohl in bezug auf Stabilität wie auch auf Wirtschaftlichkeit als wenig günstig festgestellt wurden.
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<tb>
<tb>
Spannung <SEP> U
<tb> Nummer <SEP> Prozessfläche <SEP> Gasart <SEP> Gasdruck
<tb> cm2 <SEP> mm <SEP> Hg <SEP> Grösse
<tb> Volt <SEP> Art
<tb> 70 <SEP> 650 <SEP> HZ <SEP> 540... <SEP> 1040 <SEP> = <SEP>
<tb> 71 <SEP> 4 <SEP> 000 <SEP> N <SEP> + <SEP> H2 <SEP> 370 <SEP> ... <SEP> 680
<tb> 72 <SEP> 650 <SEP> H <SEP> 510... <SEP> 1040
<tb> 73 <SEP> 4000, <SEP> N+ <SEP> H2 <SEP> 6 <SEP> 250... <SEP> 560 <SEP>
<tb> 74 <SEP> 650 <SEP> H2 <SEP> 5,5 <SEP> 350 <SEP> ... <SEP> 500 <SEP> =
<tb> 75 <SEP> 650 <SEP> H2 <SEP> 5, <SEP> 5 <SEP> 240 <SEP> ... <SEP> 560 <SEP> =
<tb> 76 <SEP> 34000 <SEP> N+H2 <SEP> 5 <SEP> 320... <SEP> 425 <SEP> i'J <SEP>
<tb> 77 <SEP> 100 <SEP> H2 <SEP> 30 <SEP> 590
<tb> 78 <SEP> 100 <SEP> H2 <SEP> 45 <SEP> 700
<tb> 79 <SEP> 50 <SEP> H2 <SEP> 75 <SEP> 610
<tb>
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