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Verfahren und Vorrichtung zur Regelung elektrischer Entladungen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung einer elektrischen Entladung zwischen einer Glühkathode und einer durch Elektronenbeschuss erhitzten Anode innerhalb einer evakuierten Strecke, wobei die Entladung unter solchen Bedingungen betrieben wird, dass in Freiheit gesetzte Gase ein lonenplasma bilden können, bei welcher der Kathode ein Heizstrom und der Entladung zwischen der Kathode und der Anode ein Gleichstrom zugeführt wird. Derartige elektrische Entladungen werden z. B. zum Erhitzen, Schmelzen und für andere Behandlungen von Materialien in einem Hochvakuum durch Elektronenbeschuss verwendet.
Hauptaufgabe der Erfindung ist es, die in einer derartigen Entladung entwickelt Leistung und die über dieser Entladung entwickelte Spannung innerhalb gewünschter Grenzen zu halten, unabhängig von Schwankungen der Arbeitsbedingungen, wie sie durch unregelmässige Freisetzung von Gasen oder Dämpfen aus dem behandelten Material oder durch andere mögliche Schwankungen hervorgerufen werden können. Weiters bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens.
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trollierende Entladung innerhalb einer dauernd ausgepumpten Vakuumkammer aufrechterhalten, welche bei einem mittleren absoluten Druck in der Grössenordnung von einem Mikron Hg oder weniger gehalten wird.
Die Entladung findet von einer erhitzten thermionischen Kathode zu einer Anode statt, welche gewöhnlich und vorzugsweise das zu behandelnde Material ist, welche aber unter bestimmten Umständen auch ein Tiegel sein kann, welcher das Material enthält. Vorzugsweise wird eine bestimmte Gasmenge in die Entladung nahe bei der Anode eingeführt, manchmal durch eine äussere Zuführung, aber gewöhnlich durch die Entwicklung von Dämpfen und Gasen aus dem erhitzten Material, so dass ein Druckabfall von der Entladung nach aussen in den Raum der Vakuumkammer herrscht und die Gasdichte unmittelbar bei der Anode am grössten ist.
Es wird angenommen, dass das Gas in der unmittelbaren Nachbarschaft der elektrischen Entladung hoch ionisiert ist, wahrscheinlich grösstenteils durch Sekundäremission von Elektronen von der Anode, obwohl bis zu einem gewissen Ausmass auch Ionisation durch Primärelektronen und Photonen stattfinden kann. Die Entladung ist diffus und leuchtend ; die Fokussierung durch das Gas konzentriert sich auf die geschmolzene Oberfläche der Anode, über welche sie ziemlich gleichmässig verteilt ist.
Beim Arbeiten im grossenMassstab und bei höheren Leistungen kann das ionisierte Gas nahe der Anode so stark leitend werden, dass ein relativ geringer Spannungsabfall durch dieses Gas auftritt und ein Plasma gebildet wird, welches als virtuelle Anode betrachtet werden kann und wesentlich näher an der Kathode liegt als die durch das beschossene Material gebildete physikalische Anode. In der Nachbarschaft der Kathode ist aber die Gasdichte wesentlich geringer und der Widerstand des gasförmigen Mediums ist hinreichend hoch, so dass eine Spannung von mehreren 1000 V zwischen der Kathode und der virtuellen Anode aufrecht erhalten werden kann, wenn die Entladung, wie im folgenden erläutert werden soll, auf geeignete Weise kontrolliert und reguliert wird.
Eine derartige Entladung zeigt die Tendenz, in einen Lichtbogen mit niederer Spannung auszuarten : d1e vorliegende Erfindung verhindert nun ein derartiges Ausarten bzw. Zusammenbrechen, so dass die gewünschte Entladung mit mässiger Hochspannung bei höheren Leistungen als bisher aufrechterhalten und kontrolliert werden kann.
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Einige positive Ionen fliegen aus dem Plasma und neutralisieren teilweise oder auch überneutralisieren die negative Raumladung des Elektronenstroms. Infolge ihrer geringen Beweglichkeit im Vergleich mit den Elektronen tragen die positiven Zonen nur wenig zum Entladungsstrom bei. Die Entladung ist hauptsächlich elektronisch und stellt eine diffuse Glimmentladung dar. Der Strom ist ungefähr gleich der Kathodenemission.
Die Nähe der virtuellen Anode an der Kathode gestattet es. einen hinreichend hohen Spannungsgradi- enten aufrecht zu erhalten, um den Sättigungsstrom zu erreichen, welcher eher durch die Kathodenemission als durch die Raumladung begrenzt ist, bei einer wesentlich niedrigeren Gesamtspannung, als sie in einer gasfreien Entladungsstrecke zwischen der gleichen Kathode und dem behandelten Material benötigt werden würde. Anderseits sind die angewandten Spannungen wesentlich grösser als sie über eine Bogenentladung aufrecht erhalten werden können und die Stromstärken (bei gleicher Leistungsverteilung) sind daher geringer.
Die Verwendung von gesättigten thermionischen Emissionsentladungen nach der Art von diffusen Glimmentladungen gestattet daher elektrische Hochleistungserhitzung, ohne dass dabei zu hohe Spannungen oder zu grosse Stromstärken angewandt werden. Ausserdem gestattet das Hochvakuum eine höhere Reinigung durch Verdampfung von Verunreinigungen aus dem geschmolzenen Material, als dies nach dem konventionellen Lichtbogenschmelzen möglich wäre und die Entladung ist über die gesamte Oberfläche der Schmelze verteilt und nicht lokalisiert, wie ein"hartkerniger"Lichtbogen. Der Grossteil der der Entladung zugeführten elektrischen Kraft wird zur Beschleunigung der Primärelektronen zu hohen Geschwindigkeiten verwendet.
Das vorhandene Gas ist hinreichend dünn, so dass nur wenige der Primärelektronen auf ihrem Weg Zusammenstosse erfahren und ihre kinetische Energie hauptsächlich zum Be-
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keit erhitzt wird.
Eine der wichtigsten Anwendungen für derartige Entladungen, wie sie gerade beschrieben wurden, ist das Hochvakuumschmelzen und -Giessen von Metallen mit hohem Schmelzpunkt, hoher chemischer Aktivität oder beiden. welche nach ihrer anfänglichen Reduktion aus ihren Erzen entweder in pulvriger oder schwammiger Form anfallen. Beispiele derartiger Materialien sind unter vielen andern Wolfram, Titan und Niob. Es können auch Stangen oder Gussblöeke geschmolzen und wiedergegossen werden. Die Rohmaterialien enthalten gewöhnlich Verunreinigungen, welche die Eigenschaften des letztlich hergestellten Metalls stark beeinflussen.
Viele dieser Verunreinigungen, welche gewöhnlich in derartigen Materialien vorhanden sind, besitzen Dampfdrücke, welche grösser sind als der des gewünschten Materials bei seinem Schmelzpunkt, so dass durch Schmelzen im Hochvakuum ein hoher Reinigungsgrad des behandelten Materials erzielt werden kann. Aufeinanderfolgendes Niederschmelzen und Wiedergiessen des Materials im Hochvakuum kann zu weiterer Reinigung angewandt werden. Der sehr niedrige Gasdruck, bei welchem das vorliegende Verfahren durchgeführt wird, erleichtert die Verdampfung der Verunreinigungen, welche durch Kondensation an kühleren Oberflächen und durch die Vakuumpumpen entfernt werden.
Es kann daher ein höherer Reinigungsgrad erzielt werden oder ein gleicher Reinigungsgrad bei weniger Schmelzbehandlungen, als dies unter den wesentlich höheren Gasdrücken möglich ist, welche zur Aufrechterhaltung der beim gewöhn1i. chen Lichtbogenschmelzen verwendeten Bogenentladungen notwendig sind,'wenn ein derartiges Schmelzen überhaupt möglich ist.
Die oben beschriebenen diffusen Glimmentladungen sind bei hohen Leistungen nur metastabil, wenn das stÅarkleitende Plasma sich zu nahe an die Kathodenkonstruktion (Fokussierungselektroden, Stützvor- richtungen oder die Kathode selbst) erstreckt und der Spannungsabfall nahe der Kathode zu stark wird, überbrückt eine lokalisierte Entladung mit wesentlich geringerem Widerstand die gewiinschte diffuse Entladung und wenn diese lokalisierte Entladung bestehen bleibt, entartet sie bald in einen sich selbst unterhaltenden Lichtbogen, welcher die Spannung über der Entladung auf einen relativ geringen Wert senkt, bis der Bogen gelöscht'1ùd. Derartige ZusammenbrUche können als Folge von Gasausbrilchen aus der Schmelze
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ist folgende.
Die relativ kalten Teile der Kathodenkonstruktion (wie die Fokussierungsschirme) können tatsächlich ziemlich heiss werden und dies vermindert ihre Arbeitsfunktion und erleichtert die Elektronenemission. Sie können aber kühl genug sein, um von der Schmelze herrührende Dämpfe zu kondensieren und das Kondensat verunreinigt ihre Oberfläche. Derart verunreinigte Flächen auf der Kathodenkonstruktion können dort, wo, sie auftreten, die Arbeitsfunktion weiterhin vermindern. Insbesondere wenn dies in einem Gebiet mit hohen Spannungsgradienten stattfindet, kann von der relativ kalten verunreinigten Oberfläche eine beträchtliche Elektronenemission stattfinden und eine unerwünschte lokale Entladung mit geringem Widerstand verursachen.
Viele dieser Entladungen mit geringem Widerstand verlöschen wieder von selbst. Die Entladungen
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selbst reinigen schnell die Kathodenoberfläche und können ihre Emission wieder auf einen normalen Wert bringen, worauf die lokalisierte Stromkonzentration aufhört. Relativ stabile Arbeitsbedingungen können o weiterbestehen, auch bei mehr oder weniger kontinuierlicher Aufeinanderfolge derart kurz dauernder kleinerer Lichtbogen- oder anderer Entladungen.
Wenn aber eine derartige lokalisierte Entladung länger als ungefähr 1 sec dauert, kann sie eine starke Elektronenemission auch von einer sauberen Kathoden- oberfläche bewirken oder auch von benachbarten, nicht so sauberen Oberflächen, wodurch die Entladung nach und nach aufgebaut wird, bis ein hartkerniger, sich selbst unterhaltender Lichtbogen über eine ioni- sierte Strecke gebildet ist, welche durch Verdampfung des Kathodenmaterials bestehen bleibt. Die Span- nung der Entladung sinkt gewöhnlich von mehreren 1000 auf weniger als 100 V. Praktisch die einzige Be- grenzung des Stroms ist die durch die Impedanz der Stromquelle. Die normalen Arbeitsbedingungen kön- nen nur von aussen durch Unterbrechen des Lichtbogens und erneutes Beginnen hergestellt werden.
Von einem andern Gesichtspunkt kann festgestellt werden, dass der Widerstand der Entladungsstrecke zu Schwankungen neigt und dadurch Schwingungsbedingungen geschaffen werden, die zum Zusammenbruch führen. Insbesondere findet die Gasentwicklung aus der Schmelze unregelmässig statt und verursacht unregelmässige Änderungen des Gasdrucks und der Dichte innerhalb der Entladung. Eine Zunahme der Gasdichte führt zu einer Zunahme der Lieferung von Ionen und das Plasma dehnt sich zur Kathode hin aus.
Wenn die angewandte Hochspannung konstant bleibt, verursacht die Ausdehnung des Plasmas eine Zunahme des Spannungsgradienten an der Kathode, wodurch der Emissionsstrom erhöht wird und dadurch wiederum die Lieferung von Ionen weiter zunimmt. Es ist daher ein Zusammenbruch unvermeidlich, wenn nicht die vorerwähnte Aufeinanderfolge unterbrochen wird. Anderseits führt eine blosse Erniedrigung der Spannung proportional der Abnahme des Widerstandes in der Entladungsstrecke zu einer fluktuierenden Leistungsverminderung an der Anode, weiteren Schwankungen mit gewisser Zeitverzögerung bei der Gasentwicklung und einer hohen Wahrscheinlichkeit, beim Arbeiten mit hohen Leistungen zur Entwicklung von unkontrollierbaren Schwingungen, die zum Zusammenbruch führen.
Die vorliegende Erfindung sieht nun ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung von diffusen Glimmentladungen der beschriebenen Art vor, um diese bei ihrer maximalen Wirksamkeit zu halten, welche in der Praxis ziemlich nahe der Instabilität liegt. Insbesondere ist es Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Regelverfahren vorzusehen, durch welches sowohl die Spannung über einer diffusen Glimmentladung als auch die dabei entwickelte Leistung innerhalb enger Grenzen konstant gehalten wird, durch welches gewöhnlich kleinere lokalisierte Entladungen gelöscht werden, bevor sie sich zu sich selbst erhaltenden Lichtbögen entwickeln, durch welches alle gebildeten Lichtbögen sofort.
gelöscht werden und nach ihrer Löschung sofort die gewünschte diffuse Glimmentladung wiederhergestellt wird und durch welches das Auftreten von gefährlichen Strom- oder Spannungsspitzen vermieden wird, wenn ein derartiger unerwünschter Lichtbogen auftritt. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung vorzusehen, durch welche die Kontrolle von Hand aus eingestellt werden kann, bis die optimalen Bedingungen zur Behandlung eines bestimmten Materials gefunden sind und durch welche die Regelung dann einer automatischen Einrichtung zur Aufrechterhaltung der optimalen Arbeitsbedingungen übergeben werden kann.
Es ist bereits z. B. aus der deutschen Patentschrift Nr. 941558 bekannt, zur Regelung der Entladung in einer Entladungsröhre mit Glühkathode die Heizleistung der Kathode in Abhängigkeit von der Anodenspannung zu regeln.
Gemäss der vorliegenden Erfindung wird der der Entladung zugeführte Gleichstrom auf einem im wesentlichen konstanten Wert gehalten und der Kathodenheizstrom kontinuierlich derart nachgestellt, dass eine im wesentlichen konstante mittlere Spannung zwischen Kathode und Anode erzielt wird. Zu Beginn des Verfahrens wird nämlich zunächst die Spannung über der Entladungsstrecke höher sein als die normale Arbeitsspannung, doch wird sie nach und nach in dem Mass, in dem sich das behandelte Material erhitzt, fallen und infolge der Entwicklung von Gasen und von Sekundärelektronenernission bildet sich eine Ionisationszone. Zu diesem Zeitpunkt erhöht der Ionenbeschuss der Kathode und auch andere Vorgänge, insbesondere Schwankungen in der Verteilung des elektrischen Feldes, die Elektronenemission.
Es wird daher erfindungsgemäss die direkt von der Stromquelle zur Erhitzung der Kathode abgegebene Leistung als nicht proportionale Funktion der Spannung zwischen Kathode und Anode reduziert, welche den Widerstand der Entladungsstrecke regelt, um so eine im wesentlichen konstante, mittlere, angelegte Hochspannung aufrecht zu erhalten. Wenn das Verfahren fortschreitet und Gleichgewichtsbedingungen eingestellt sind, wird die direkt zugeführte, die Kathode erhitzende Leistung kontinuierlich als nicht proportionale Funktion der Entladungsspannung variiert, um sowohl die Leistung als auch die Spannung der Hauptentladung innerhalb der gewünschten Verfahrensgrenze zu halten.
Genauer gesagt wird der Emissionsstrom bei der
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Stromquelle reguliert, um so wesentliche Schwankungen des Entladungsstroms zu verhindern und die Kathodentemperatur wird separat reguliert, um den Spannungsgradient an der Kathode so zu regeln, dass der mittlere Widerstand der Entladungsstrecke und die mittlere an der Anode abgegebene Leistung im wesentlichen konstant gehalten werden.
Jede Kathodenkonstruktion hat eine bestimmte thermische Kapazität und es besteht eine gewisse Verzögerungszeit zwischen Schwankungen der zugeführten Leistung, sowohl direkt von der Stromquelle als auch indirekt von der Entladung und Schwankungen des Emissionsstroms. Im allgemeinen wird eine Abnahme des Widerstandes der Entladungsstrecke, welche beispielsweise durch einen plötzlichenGasausbruch aus der Schmelze verursacht wird, durch eine Reduktion des der Kathode zugeführten Heizstroms ausgeglichen, um dadurch die Kathodentemperatur zu vermindern und den Spannungsgradienten an der Kathode zu erhöhen. Wenn daher ein Lichtbogen auftritt, kann der Heizstrom der Kathode praktisch bis Null redu- zier werden und wenn der Lichtbogen lang genug andauert, kann sich die Kathode bis unterhalb der minimalen Emissionstemperatur abkühlen.
Wenn dann der Lichtbogen zusammenbricht, wird der Widerstand der Entladungsstrecke sehr hoch sein, die angelegte Hochspannung wird auf einen zu hohen Wert steigen und ein neuer Lichtbogen wird gezündet. Gemäss einer andernAusführungsform der vorliegenden Erfindung werden derartige Oszillationsbedingungen durch geregelte Zufuhr von Heizstrom zur Kathode, während der Lichtbogen brenntevermieden.
Es ist aus dem folgenden ersichtlich, dass die beschriebenen Verfahrensschritte von Hand aus. entweder ganz oder teilweise geregelt werden können ; sie wurden auch so geregelt und werden gewöhnlich so geregelt, um optimale Bedingungen für Materialien mit anfänglich unbekannter Qualität oder unbekannten Eigenschaften festzulegen. Dauernde manuelle Regelung ist aber teuer und wird mit Zunahme an Grösse und Kapazität der zu regelnden Vorrichtung immer schwieriger. Gemäss der vorliegenden Erfindung wird daher auch eine Apparatur zur automatischen Durchführung jedes der oben erwähnten Schritte vorgesehen.
Die folgende genaue Beschreibung der Erfindung wird durch die Zeichnungen erläutert. Es bedeuten hierin : Fig. 1 ein Diagramm, teilweise schematisch und teilweise in Blockform, einer Vorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung, Fig. 2 einen teilweisen Schaltplan, welcher bestimmte Einrichtungen die in Fig. 1 in Blockform symbolisiert wurden, näher kennzeichnet. Fig. 3 illustriert die allgemeine Beziehung zwischen Emissionsstrom und Spannungsgradient an einer heissen Kathode. Fig. 4 illustriert die allgemeine Beziehung, welche zwischen Kathoden- oder Heizstrom und angelegter Hochspannung zur stabilen Durchführung der Behandlung von verschiedenen Materialien einzuhalten ist. Fig. 5 illustriert eine angenäherte Spannungsverteilung zwischen Kathode und Anode.
Fig. 1 zeigt ein stark vereinfachtes Diagramm, teilweise schematisch und teilweise in Blockform, welches die Regelelemente eines Systems für einen Hochvakuum-Elektronenbeschussofen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt. In diesem Diagramm wird der Ofen durch eine Vakuumkammer 1 symbolisiert, welche über eine Leitung 3 durch geeignete Pumpen 5 auf einen absoluten Druck in der Grössenordnung von 1 Mikron Hg oder weniger evakuiert ist.
Die Entladung innerhalb des Ofens findet von einer Glühkathode 7 zu einer Anode 9 statt, welche aus einem Schmelzsumpf des behandelten Materials bestehen kann, der sich in einem leitenden Tiegel 10
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emittierten Elektronen werden durch die zwischen Kathode und Anode bestehende Spannung zu hohen Geschwindigkeiten beschleunigt und beschiessen und erhitzen die geschmolzene Oberfläche des Materials innerhalb des Tiegels 10. Die von der Schmelze entwickelten Gase werden ionisiert und bilden ein Plasma (ein hochleitender ionisierterKörper mit im wesentlichen neutraler Ladung), welches sich von derSchmelze nach aussen erstreckt.
Der hauptsächliche Spannungsabfall herrscht zwischen der Kathode und dem
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ser Zone mit hoher Spannung genügend hoch bleibt und dass eine Bogenbildung und andere Formen des Zusammenbruch beim Arbeiten mit hohen Leistungen vermieden werden. In der Zeichnung wurden Fokussierungselektroden, Hitzeschirme, Vorrichtungen zum Kühlen des Tiegels, Vorrichtungen zur kontinuierlichen Zufuhr und Abfuhr des behandelten Materials u. dgl., mit welchen sich die vorliegende Erfindung nicht direkt beschäftigt, einfachheitshalber und zum Zwecke der besseren Klarheit weggelassen.
In einer vorzugsweisen Ausführungsform der Einrichtung besteht die Kathode 7 aus einem Draht in Form einer einzigen Schleife aus Wolframdraht bzw. einer Wolframstange ; der durch die Schleife fliessende Strom erhitzt die Kathode bis zu einer Temperatur, bei welcher sie Elektronen emittiert und die Leitungen zur Zufuhr dieses Stroms werden, wie bei 11 symbolisch dargestellt, durch die Seitenwände der Kammer durch Isolationsbuchsen eingeführt. Der Heizstrom der Kathode wird durch einen Heiztransformator 13
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geliefert, welcher bei der gewöhnlichen Anordnung an ein normales Versorgungsnetz mit 60 Hz ange- schlossen ist. Der Heizstrom wird durch eine Sättigungsdrossel 15 geregelt, wie im folgenden beschrieben wird.
Die Hochspannung zwischen der Kathode 7 und der Anode 9 wird durch eine Gleichstromquelle mit konstanter Stromstärke geliefert, wobei die angelegte Gleichspannung proportional dem Widerstand der
Entladungsstrecke zwischen Kathode und Anode ist. In der dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird die verwendete Leistung aus einem kommerzielle Dreiphasennetz mit 60 Perioden/sec entnommen.
Der Strom hieraus wird zunächst einer üblichen Dreiphasenschaltung für konstante Stromstärke zugeführt, vorzugsweise derart, wie sie als"Schaltung für konstanten Strom nach steinmetzw bekamt ist und welche allgemein durch die Bezugszahl 17 angedeutet ist. Diese Schaltung besteht aus drei. im Dreieck geschal- teten Schenkeln, wobei jeder eine Spule 19 in Serie mit einem Kondensator 21 aufweist, deren Serien- resonanz auf die Zufuhrfrequenz abgestimmt ist.
Schematisch sind die Spulen 19 und Kondensatoren 21 einfachheitshalber als variabel eingezeichnet ; in der Praxis werden als Kondensatoren vorzugsweise Kon- densatorbänke mit verschiedenen Anzapfungen verwendet und die Spulen weisen ebenfalls verschiedene Anschlüsse auf, so dass durch Auswahl und Verbindung der geeigneten Anschlüsse die Schenkel abgestimmt und der Ausgangsstrom eingestellt werden kann.
Die Drelphaseneingangsleitungen 23a, 23b und 23c sind mit den Spitzen der Dreieckschaltung verbunden, so dass der Eingangsphasenvektor in der Spule von jedem Schenkel zuerst rotiert, d. h. gegen den Uhrzeigersinn in der Schaltung 17 wie in Fig. 1 illustriert. Die Ausgangsleitungen 25a, 25b und 25c sind an der Verbindung zwischen der Spule und dem Kondensator jedes Schenkels angeschlossen. Wie bekannt, ist die über die Ausgangsleitungen entwickelte Spannung, wenn die gezeigte Schaltung geeignet abgestimmt ist, nahezu proportional der über diese Schenkel verbundenen wirksamen Impedanzen mit der Folge, dass der abfliessende Strom nahezu konstant ist. Für die vorliegenden Zwecke kann er mit hinreichender Genauigkeit als konstant angenommen werden, wie dies auch im folgenden getan wird.
Die Ausgangsleitungen 25 der Schaltung zur Konstanthaltungdes Stromes sind mit der im Dreieck geschalteten Primärwicklung 27 eines Dreiphasentransformators, welcher die Spannung hinaufsetzt, verbunden. Die Sekundärwicklung 29 dieses Transformators ist im gezeigten Beispiel im Stern geschaltet. Die Sekundärwicklung ist mit einer Gleichrichterkolonne verbunden, welche beispielsweise aus sechs Quecksilberdampfgleichrichtern besteht, welche gemeinsam mit dem Bezugszeichen 31 bezeichnet sind. Diese Gleichrichter sind in an sich bekannter Weise mit der Leitung 35 verbunden.
Es existieren auch zahlreiche andere Arten für Versorgungseinrichtungen für konstanten Strom und die Erfindung ist nicht auf die Verwendung irgendeiner besonderen Art beschränkt. Die gezeigte Anordnung wird jedoch infolge ihrer Einfachheit und grossen Wirksamkeit vorzugsweise verwendet. Wenn gewünscht, kann die Stromstärke durch manuelle Verstimmung der Schaltung herabgesetzt werden.
Infolge der Eigenschaften der Schaltung 17, nämlich einen konstanten Strom bel veränderlicher Spannung zu liefern, ist es ersichtlich, dass, wenn die Ausgangsleitung der Gleichrichterkolonne geöffnet wird, die an sie gelieferte Spannung auf sehr hohe Werte steigen kann ; Bei einer derartigen Schaltung, welche an eine 440 V Leitung angeschlossen war, wurde die Ausgangsspannung bei offenem Stromkreis mit 13 kV bestimmt, wobei gefährlich hohe Ströme in der Schaltung zirkulierten. Es wird daher als Sicherheitsmassnahme vorgezogen, Hörnerfunkenstrecken 33 über jede Phase der Sekundärwicklung 29 vorzusehen, welche so eingestellt sind, dass sie bei irgendeinem geeigneten vorherbestimmten Wert der Ausgangsspannung ansprechen.
Bei einem erfindungsgemässen Apparat sind die Funkenstrecken so eingestellt, dass sie bei 7,5 kV ansprechen ; die Gleichrichterschaltung liefert daher am Ausgang einen Gleichstrom mit im wesentlichen konstantem Strom bei Spannungen im Gebiet zwischen praktisch 0 und 10 kV.
Es ist klar, dass keine Einrichtung zur Konstanthaltung des Stroms eine absolute Konstanz des Stroms über eine unbeschränkte Reihe von Impedanzen gewährleisten kann. Praktisch verwendete Einrichtungen zur Stromkonstanthaltung, wie dieser Ausdruck in der Technik verwendet wird, sind durch eine dynami-
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ihres Arbeitsbereiches ist.
Es wird daher eine Stromquelle mit "konstantem Strom", wie die Schaltung 17, von der Entladung durch die Gleichrichterkolonne gesehen den Stromfluss durch die Entladung auf einen bestimmten Maximalwert begrenzen, auch wenn Kathode und Anode kurz geschlossen sind, so dass die Impedanz über die Entladungsstrecke und auch die Spannung darüber 0 erreicht, und wird die Stromstärke innerhalb weniger Prozente dieses Maximums halten, auch wenn sich die wirksame Impedanz der Strecke auf einen solchen Wert erhöht, dass die notwendige Spannung auf mehrere 1000 V ansteigt.
Eine Seite der Gleichrichterkolonne ist geerdet. Die andere Seite ist über die Leitung 35 mit der
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angeschlossenionische Emission gehalten werden, welche ihrerseits vom Kathodenmaterial abhängt.
Die strichlierte Linie C in Fig. 3 zeigt den durch die Stromkonstanthaltungsschaltung 17 gelieferten
Strom, sie hat eine leicht negative Neigung, die leichte Abnahme des Stroms anzeigend, wenn detwirk- same Widerstand über der Entladungsstrecke von Null zu einem relativ hohen Wert steigt. Im vorliegenden Fall sind die Ionenströme im Vergleich mit den Elektronenströmen sehr gering ; es müssen daher der Ver- sorgungsstrom und der Emissionsstrom fast gleich sein. Es ist daher, wenn die Kathodentemperatur der
Kurve A entspricht, der Arbeitspunkt am Schnitt zwischen den Kurven A und C und der Spannungsgradient entspricht der Abszisse vom Punkt X. Bei Zunahme der Kathodentemperatur zu der Temperatur entspre- chend der Kurve B sinkt die Koordinate des Spannungsgradienten zum Punkt Y.
Es bestimmt daher, wenn die andern Faktoren gleichbleiben, die Kathodentemperatur den Spannungsgradienten. In der Praxis blei- ben andere Faktoren nicht lange gleich und die Kathodentemperatur wird zur Regelung und Stabilisierung der Entladung variiert. Die gesamte Kathoden-Anodenspannung stellt sich infolge der Versorgung mit konstantem Strom automatisch selbst auf einen Wert ein, welcher durch den eingestellten Gradienten und die Geometrie der Entladungsstrecke bestimmt wird. Die relativ grossen Spannungsänderungen mit kleinen Änderungen der Kathodentemperatur geben eine kräftige negative Rückwirkung, mit welcher die mittlere Spannung im wesentlichen konstant gehalten werden kann.
Innerhalb des Übersättigungsgebietes erreicht der Spannungsgradient nahe der Kathode die über die Entladungsstrecke angelegte Gesamtspannung dividiert durch den Abstand der Kathode und der virtuellen Anode. Es ist aus den Kurven von Fig. 3 ersichtlich, dass eine Änderung der Kathodentemperatur eine Lageänderung der virtuellen Anode kompensieren und die Spannung (und daher die Leistung) konstant halten kann, da der Strom von vornherein im wesentlichen konstant sein muss.
Die Lage der virtuellen Anode hängt aber (unter andern Faktoren) auch von dem Mass ab, in welchen gasförmige Substanzen aus der Anode frei gesetzt werden, entweder durch Verdampfung des behandelten Materials oder durch Freisetzung von Verunreinigungen. Sie ist daher eine Funktion der Leistung der Entladung (welche sich grösstenteils als Elektronenbeschuss der Anode auswirkt) unter verschiedenen andem Faktoren, einschliesslich der Bauart des Ofens und der Zusammensetzung des Rohmaterials, seines Schmelzpunktes, Dampfdruckes und seiner Reinheit.
Der Nennstrom und die Spannungsverhältnisse sind bestimmte Eigenschaften des jeweiligen zu kontrollierenden Ofens. Um für einen bestimmten Schmelzvorgang stabile Arbeitsbedingungen zu erreichen, kann die Kathodentemperatur zunächst für eine höhere Emission eingestelltwerden als zur Beförderung des durch die Stromkonstanthaltungsschaltung 17 gelieferten Stromes nötig wäre. Am Anfang wird die Entladung durch die Raumladung begrenzt, de. Widerstand der Entladungsstrecke ist hoch und es wird daher die Spannung zwischen Anode und Kathode auch hoch sein. Wenn aus der beschossenen und erhitzten Anode Gase entweichen, bilden sich Ionen, welche den Widerstand der Entladungsstrecke herabsetzen und die Spannung sinkt. Der Heizstrom zur Erhitzung der Kathode kann dann nach und nach vermindert werden, um Spannung und Leistung bei den gewünschten Werten zu halten.
Wenn nun die Spannung (und damit auch die Leistung) unter den gewünschten Wert absinkt, soll die Kathodentemperatur gesenkt werden, um so den Spannungsgradienten und den Widerstand der Entladung zu erhohen ; umgekehrt wenn die Spannung über den gewünschten Wert steigt, soll die Kathodentemperatur erhöht werden. Diese Operation kann nun auf.. die automatische Regelung umgeschaltet werden, wodurch Spannung und Leistung im wesentlichen konstant gehalten werden.
Mit Materialien mit bekannten Eigenschaften können diese Bedingungen von vornherein eingestellt werden und man kann sofort auf automatische Regelung übergehen. Um jedoch eine stabile Behandlung mit höchstmöglicher Leistung von Materialien mit unbekannten Eigenschaften, insbesondere bezüglich deren Gehalt an Verunreinigungen zu erreichen, sind infolge des Einflusses des behandelten Materials auf die Entladung gewöhnlich weitere Einstellungen notwendig.
Die Grössen, welche die Entladung beeinflussen, sind so von verschiedenen Bedingungen abhängig, dass von vornherein keine Arbeitsbedingungen willkürlich festgelegt werden können. Die Dichte und der Druck der Gase an der Anode hängen von der Temperatur der Schmelze, dem geschmolzenen Material und insbesondere von seiner Reinheit ab. Das Verhältnis, in welchem die Kathode durch Strahlung Energie verliert, hängt ebenfalls teilweise von der Anodentemperatur ab und dies beeinflusst wiederum die direkte Heizenergie, welche ihr zugeführt werden muss, um ihre Temperatur zu erhalten.
Eine Entladung mit zu hoher Leistung erhitzt die Schmelze zu schnell, beschleunigt die Freisetzung von Gasen, vergrössert das Volumen des lonenplasmas und vermindert den Zwischenraum zwischen dem lonenplasma und der Kathode, wodurch die Entladung instabil wird und einen Niederspannungsbogen bildet. Zu geringe Leistung hat die gegenteilige Wirkung und die lonendichte kann so gering werden, dass die elektronische Raumladung
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den Strom begrenzt und die Spannung auf zu hohe Werte ansteigt. Es existieren daher für jedes verschiedene Material verschiedene Arbeitsbedingungen, um die gewünschte Behandlungsweise zu erreichen. Diese Albeitsbedingungen müssen experimentell festgelegt werden.
Ausserdem können die Eigenschaften der Schmelze, die Geschwindigkeit der Gasausbrüche, sowie die Grösse des Ionenplasmas während des Verlaufes einer Schmelzbehandlung schwanken. Um die gewünschte Leistung bei konstantem Strom konstant zu halten, muss der mittlere Widerstand der Entladungsstrecke im wesentlichen konstant gehalten werden. Erfindungsgemäss wird der Widerstand der Entladung durch Regelung der Kathodentemperatur, von der die Spannung zwischen Kathode und Anode abhängt, reguliert. Wenn die Spannung abfällt, wird der Heizstrom der Kathode gedrosselt und wenn die Spannung ansteigt, wird der Heizstrom erhöht. Nun ist aber der Heizstrom nicht proportional der Spannung, sondern etwa proportional der algebraischen Summe der Spannung und einer negativen Konstante ungefähr gleicher Grösse.
Mathematisch ausgedrückt bedeutet dies, dass, wenn I den Heizstrom der Kathode und V die Spannung zwischen Kathode und Schmelze bezeichnen, stabile Bedingungen erhalten werden können, wenn der Heizstrom derart kontrolliert wird, dass
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wobei S und K experimentell bestimmte Konstanten sind, welche für verschiedene Materialien verschiedene Werte aufweisen, welche aber noch niemals als Null bestimmt werden konnten. Im allgemeinen ist S nur wenig kleiner, beispielsweise um etwa 5 %, als der mittlere Wert von V.
Es könnte angenommen werden, dass die Regelung um so stabiler sein würde, je schneller der Heiz- strom der Kathode auf Schwankungen der Spannung der Entladung reagieren würde. Dies ist nun tatsächlich nicht der Fall. Die thermische Kapazität der Kathode, welche mit der Anodentemperatur und den andern davon abhängigen Faktoren schwankt, bewirkt Verzögerungen ihrer Reaktion auf Änderungen des Heizstroms, welche wiederum einer Phasenverzögerung in der Rückkopplungsschleife gleichwertig sind, so dass eine zu schnelle Reaktion auf Spannungsschwankungen Instabilität verursachen kann, mit heftigen oszillatorischenÄnderungen der Entladungsspannung.
Auch helfen kurz dauernde Fluktuierungen der Spannung die Entladung zu stabilisieren, beispielsweise können sich öfter kurz dauernde lokalisierte Entladungen zwischen dem Ionenplasma und der Kathode oder andern Teilen der Apparatur entwickeln. Diese lokalisierten Entladungen haben relativ hohe Stromdichten bei niedrigem Widerstand. Sie bewirken einen plötzlichen Abfall der Kathoden-Anodenspannung, wodurch das Löschen der lokalen Entladung erleichtert wird, bevor diese in einen selbsterhaltenden Bogen ausarten. Es wird daher nicht beabsichtigt, alle Spannungsschwankungen zu vermeiden ; es soll lediglich die mittlere Spannung annähernd konstant gehalten werden.
Zusätzlich zu den obigen Faktoren existiert eine Temperaturschwelle, unterhalb welcher die Kathode keine ins Gewicht fallende Anzahl von Elektronen emittiert ; es können aber Sekundäreffekte genügen, die Kathode bei voller Emission zu erhalten, wenn auch der ihr zugeführte Heizstrom an sich nicht hinreichen wurde, sie über die Schwellentemperatur zu erhitzen ; der Widerstand der Kathode schwankt mit derTemperatur und der der Kathode zugeführte Heizstrom kann nicht linear mit dem der Sättigungsdrossel 15 zu- geführten Regelstrom schwanken.
In der Praxis können alle diese miteinander zusammenhängendenFaktoren durch die Einstellung von zwei Arbeitsbedingungen reguliert werden : Der Einstellung einer Vorspannung im Verstärker 47 und der Regulierung des Verstärkungsverhältnisses. Diese Einstellungen werden genauer bei der Beschreibung der in Fig. 2 dargestellten Schaltungen besprochen.
Die Wirkungen dieser Einstellungen sind in Fig. 4 illustriert, worin der Heizstrom in Abhängigkeit von der Spannung zwischen Anode und Kathode aufgetragen ist. Die Kurven D und E dieser Figur zeigen typische Charakteristiken für stabile Arbeitsbedingungen bei der Behandlung von zwei verschiedenen Materialien. Die wichtigen Tatsachen, die bei diesen Kurven beobachtet werden können, sind ihre verschiedenen Steigungen und ihre verschiedenen Schnittpunkte mit der Null-Stromachse. Diese Schnittpunkte sind niemals beim Ursprung, wenn stabile Arbeitsbedingungen erhalten werden sollen. Anders ausgedrückt bedeutet das, dass weder der Heizstrom der Kathode noch die Heizspannung direkt proportional zur Spannung der Entladung ist.
Eine Einrichtung, wodurch alle notwendigen Einstellungen zunächst von Hand aus vorgenommen werden können und bei welchen dann auf automatische Regelung umgeschaltet wird, ist in Fig. 2 dargestellt.
Einfachheitshalber soll jedoch zunächst die automatische Regeleinrichtung beschrieben werden, da die manueLle Regeleinrichtung in gewissem Sinne eine Vorrichtung darstellt, mit welcher die automatische Regelung justiert wird.
Derartige Teile der in Fig. l gezeigten Vorrichtung, welche zur kompletten Beschreibung der zwei-
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ten Figur notwendig sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen. Die Einrichtung, welche sich innerhalb des Blocks 47 von Fig. 1 befindet, ist in Fig. 2 mit den unterbrochenen Linien 47 umrandet. Ebenso ist die Einrichtung innerhalb des Blocks 51 von Fig. 1 mit unterbrochenen Linien 51 in Fig. 2 umrandet.
Die Widerstände 41 und 42, welche einen Spannungsteiler zum Liefern einer günstigen Spannung von ungefähr -200 V proportional zu der wesentlich höheren Kathoden-Anodenspannung bilden, sind in Fig. 2 ganz rechts gezeigt u. zw. sind sie zwischen Erde und der Leitung 35 geschaltet, welche die Hochspannungskraftquelle mit dem Mittelteil der Sekundärwicklung des Heiztransformators 13 verbindet, der die Kathode 7 speist. Die Leitung 53 von der Verbindung zwischen den. Widerständen 41 und 42 führt über ein Kontaktpaar 551 eines automatisch oder vonHand aus zubetätigendenMehrfachumschalters zu einem Ende eines Potentiometers 43.
Das untere Ende dieses Potentiometers führt zu dem Schleifkontakt eines zweiten Potentiometers 57, von welchem ein Ende geerdet ist und das andere Ende zu einer negativen Spannungsquelle, vorzugsweise dem negativen Anschluss einer üblichen Kraftquelle führt.
Die Einstellung des Potentiometers 57 bestimmt die Einstellung der Vorspannung des Verstärkers und bestimmt somit die ungefähre mittlere Spannung zwischen der Kathode 7 und der Schmelze während der automatischen Arbeitsperiode. Diese Vorspannung kann auf irgendeinen Wert zwischen Erdpotential und - 275 V eingestellt werden. Bei der hier beschriebenen Vorrichtung wird sie ungefähr in der Gegend von - 190 V liegen, so dass das Gitter des ersten Verstärkerrohres um umgefähr 10 V negativer ist als seine Kathode, bei normaler Spannung über der Entladungsstrecke des Ofens und ungefähr -200 V in der Leitung 53.
Wenn man den Kathodenheizstrom als Abszisse in Abhängigkeit von der Entladungsspannung als Ordinate aufträgt, wie dies in Fig. 4 gezeigt wird, bestimmt die Einstellung des Potentiometers 57 wirksam die mittlere Spannung über der Entladung, während der automatisch geregelten Arbeitszeit. Die Einstellung des Potentiometerkontaktes 45 bestimmt bei der gleichen Zeichnung die Steigung der Kurve, d. h. das Mass, mit welchem der Heizstrom zunimmt, wenn während der automatischen Arbeitsperiode die Spannung über der Entladung zunimmt.
Der Kontakt des Potentiometers 57 ist direkt mit einer Kathode 581 einer Doppeltriode 59 verbunden, während der Kontakt 45 direkt zum Gitter 601 führt zur Regelung des Stroms in dieser Triode. Die Anode
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welches zwischen der +250 Voltklemme einer Stromquelle und Erde geschaltet ist. Durch diese Anordnung kann die mittlere Anodenspannung der Vakuumröhre eingestellt werden, was gewöhnlich während der Justierung des Verstärkers in der Fabrik getan wird.
Der Spannungsabfall über den Widerstand 61 wird direkt zum Gitter 601 des zweiten Teils der Röhre 59 über den üblichen Schutzwiderstand 65 geführt. Die Kathode 58 des zweiten Röhrenteils ist über einen Kathodenwiderstand 67 mit dem Potentiometer 57 verbunden, wodurch dieser Teil der Röhre 59 alsFolgekathode wirkt.
Die zwischen der Kathode 58% und Erde entwickelte Spannung wird den vier Steuergittern von zwei parallel geschalteten Doppelröhren 69 zugeführt. Die Kathoden dieser Röhren sind direkt geerdet ; ihre Anoden sind, ebenfalls parallel geschaltet, über kleine Schutzwiderstände 71 mit der Regelwicklung 49 der Sättigungsdrossel 15 verbunden. Der durch diese Röhren geregelte Strom wird von einer+200 Voltklemme der gleichen Stromquelle geliefert, wie sie zur Versorgung der andern Betriebsspannungen des Verstärkerkreises gebraucht wird.
Wenn man nun der beschriebenen Schaltung folgt, so ist ersichtlich, dass eine Zunahme des Spannungsabfalls über der Entladungsstrecke innerhalb des Ofens bewirkt, dass das Gitter des ersten Teils der Röhre 59 negativer wird, dadurch der Spannungsabfall über dem Widerstand 61 vermindert und das zweite Gitter positiver wird. Der zweite Röhrenteil, welcher als Folgekathode geschaltet ist, bewirkt wiederum, dass alle Gitter der Röhren 69 positiver werden, verstärkt so den Strom durch diese Röhren und durch die Regelwicklung 49 der Drossel und verstärkt den Kathodenheizstrom, wodurch die Kathodentemperatur erhöht und der Widerstand der Entladungsstrecke erniedrigt wird.
Bei konstanter Stromstärke erniedrigt ein Abfall des Widerstandes in der Entladung die Spannung und es wird so eine negative, stabilisierende Rückkopplungswirkung erreicht, wodurch die mittlere Entladungsspannung und -Leistung im wesentlichen konstant gehalten wird. In gewissem Sinne verändert eine Einstellung des Kontakts 45 die Rückkopplungswir- kung, welche infolge der beträchtlichen Verzögerungszeit und andern komplexen Faktoren weder zu hoch noch zu nieder sein darf, wenn eine stabile Arbeitsbedingung aufrechterhalten werden soll.
Die Spannung an der Kathode 58% des Ausgangsteils der Röhre 59 wird auch über ein zweites Kontaktpaar 55% des automatisch-manuellen Umschalters mit einer Leitung 73 verbunden, welche über einen Re- gulierwidersta ! 1d 75 zur Kathode eines Thyratrons und auch über einen Kondensator 79 zur Erde führt. Die
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Steuerelektrode des Thyratrons ist über einen Strombegrenzungswiderstand 81 mit dem Schleifkontakt eines Potentiometers 83 verbunden, welches in einer Spannungsteilerschaltung zwischen der-275 Voltklemme der Kraftquelle und Erde geschaltet ist. Die Anode des Thyratrons 77 ist direkt geerdet.
In der Praxis kann das Potentiometer 83 die Spannung der Steuerelektrode des Thyratrons 77 über einen Bereich von 50 bis 60 V regulieren, von ungefähr -110 V bis etwa in die Gegend von-160 V. Bei normalen Arbeitsbedingungen addieren sich der positive Spannungsabfall über den Kathodenwiderstand 67 und die negative Spannung von ungefähr -190 V vom Potentiometer 57 algebraisch und machen die Kathode des Thyratrons 77 genügend positiv gegenüber seinem Steuergitter, so dass. das Thyratron nicht leitend bleibt.
Wenn aber die Spannung über der Entladung im Ofen abfällt, so fällt der Strom durch den Widerstand 67 ebenfalls ab und bei einem bestimmten Minimalwert dieses Stromes spricht nach einer Verzögerungszeit, welche durch die Werte des Kondensators 79 und des Widerstandes 75 bestimmt ist, das Thyratron 77 an und schaltet den Widerstand 75 zwischen Erde und den Widerstand 67. Dadurch wird ein Spannungsteiler gebildet, welcher die Kathode 58 und die Gitter der Röhren 69 bei einem hinreichend kleinen negativen Potential hält, so dass ein beträchtlicher Strom durch die Röhren 69 und die Regelwicklung 49 fliessen kann, wodurch wiederum Heizstrom durch die Kathode 7 fliesst, bevor sie unter ihre minimale Emissionstemperatur abkühlen kann.
Durch das Ansprechen des Thyratrons 77 wird auch der über. den Kondensator 79 wirksame Widerstand im wesentlichen auf Null erniedrigt, der Kondensator wird entladen, Kathode und Anode des Thyratrons werden im wesentlichen auf das gleiche Potential gebracht und dadurch wird die Entladung im Thyratron unterbrochen. Wenn zu dieser Zeit der Lichtbogen im Ofen noch nicht unterbrochen ist, wird derKonden- sator über den Widerstand 75 wieder geladen, das Thyratron spricht wiederum an und schliesst bzw. öffnet den Stromkreis über den Kondensator 79 so lang als der Lichtbogen im Ofen fortdauert. Die Röhre 77 wirkt daher etwa wie ein Sägezahnoszillator. Die Frequenz bzw. der Abbruchpunkt können durch Verschiebung der Kontakte am Widerstand 75 und am Potentiometer 83 variiert werden.
Zwischen diesen beiden Einstellungen kann die Zeit, während welcher die Drossel 15 gesättigt ist und somit ihre mittlere Impedanz so eingestellt werden, dass genügend Strom durchfliesst, um die Temperatur der Kathode 7 im Emissionsbereich zu halten. Ausserdem soll darauf hingewiesen werden, dass eine durch den Regulierwiderstand 75 einstellbare Verzögerungszeit zwischen einem Spannungsabfall über der Entladung im Ofen und dem Ansprechen des Thyratrons 77 besteht. Es wird daher der Stromkreis des Thyratrons nicht eingeschaltet, wenn die lokalisierten Entladungen so kurz dauern, dass er nicht benötigt wird.
Der Kern derSättigungsdrossel15 ist. wenn das Thyratron 77 wie oben beschrieben schwingt, niemals völlig gesättigt und die Regelw icklung 49 hat eine beträchtliche Induktivität ; es ist daher der durchgehende Strom eine umgekehrte Funktion der Frequenz. Daher kann der Sättigungsgrad des Drosselkerns durch Einstellung der Frequenz der Thyratronschwingungen, d. h. durch Einstellung des Widerstandes 75 geregelt werden. Dadurch kann der unter derartigen Bedingungen an die Kathode gelieferte Heizstrom so reguliert werden, dass diese auf irgendeine gewünschte Temperatur innerhalb des Arbeitsbereiches erhitzt werden kann, so dass, wenn der Lichtbogen im Ofen den wirksamen Widerstand der Kathoden-Anodenstrecke ab-
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unterbrochenabsinkt, welcher für einen Lichtbogen charakteristisch ist.
Bei diesem Punkt spricht das Thyratron 87 an und lädt den Kondensator 91 über die Wicklung des Relais 89, die Röhre 87 und den Widerstand 88, welche in Serie geschaltet sind, auf. Der letztere Widerstand ist wesentlich kleiner als der Widerstand 92 und ist so eingestellt, dass die Zeitkonstante der aus der Relaiswicklung und dem Kondensator 91 bestehenden
Serienschaltung in der Grössenordnung von 1/60 sec ist. Nach Ansprechen der Röhre 87 schliesst das Relais
89 und betätigt den Magnetschalter 93. Letzterer wird durch die Hauptwechselstromquelle gespeist und schliesst die Kontakte 95, welche wiederum jeden Schenkel der Stromkonstanthaltungsschaltung kurz schliessen, indem sie jedes Paar der Ausgangsleitungen 25a, 25b und 25c, welche in der Figur fragmenta- risch angedeutet sind, miteinander verbinden.
Der Strom fliesst nur so lange in der Spule des Relais 89 bis der Kondensator 91 im wesentlichen auf die 250 V Versorgungsspannung aufgeladen ist, worauf die Ent- ladung durch das Rohr 87 abbricht und das Relais 89 wieder öffnet. Dadurch wird wiederum der Magnet- schalter 93 erregungslos und die Kontakte 95 werden geöffnet, wodurch die Kurzschlüsse der Schenkel der
Stromkonstanthaltungsschaltung aufgehoben werden.
Die Kontakte 95 leiten lediglich den Strom, welcher gewöhnlich zur Transformatorprimärwicklung 27 geleitet wird, infolge der Eigenschaften der Stromkonstanthaltungsschaltung, aber die Spannung über den Gleichtern 31fällt sofort praktisch auf Null und bewirkt den Abbruch des Lichtbogens innerhalb des Ofens.
Dies findet gewöhnlich innerhalb einer halben Periode der 60 Hz Eingangsleistung statt. Durch Einstellen der beiden vom Kondensator 91 abhängigen Zeitkonstanten kann die Zeit, während welcher das Relais 89 geschlossen bleibt, so eingestellt werden, dass sie zwar lang genug ist, um den Abbruch des Lichtbogens innerhalb des Ofens zu gewährleisten, aber nicht länger.
Die Kapazität des Kondensators 91 muss gross genug sein, um genügend Energie aufspeichern zu können, um das Relais 89 während des benötigten Zeitraumes geschlossen zu halten, Dies hängt natürlich von der Empfindlichkeit des Relais ab. Die Werte der
Widerstände 88 und 92 werden entsprechend ausgewählt.
Es ist natürlich ersichtlich, dass auch elektronische Schalter, wie Ignitrons oder Thyratrons an Stelle der hier gezeigten elektromechanischen Relais und Kontaktgeber verwendet werden können und dass die Kurzschlussverbindungen auch über die Sekundärwicklung 29 des Transformators oder zwischen der Leitung 35 und der Erde durchgeführt werden können.
Um den Apparat auf manuelle Regelung umzuschalten, werden die Mehrfachschalter 551 und 552 in die entgegengesetzte Stellung gebracht, als sie in der Zeichnung gezeigt sind. Dadurch wird das Potentiometer 43 von der Verstärkereingangsleitung 53 getrennt und an Stelle dessen mit einem von Hand aus zu betätigenden Regulierwiderstand 97 verbunden, welcher seinerseits mit der-275 Voltklemme der Stromquelle verbunden ist. Die Kathode der Röhre 59 bleibt aber mit dem Potentiometer 57 verbunden, so dass der Strom vom negativen Pol der Stromquelle durch den Widerstand 97 und das Potentiometer 43 zurück zum Potentiometer 57 und dann zur Erde fliesst. Der zum Heizfaden 7 fliessende Heizstrom kann nun durch Veränderung des Schleifkontakts 45 vom Potentiometer 43 manuell geregelt werden.
Der Widerstand 97 ist vorzugsweise entsprechend der Anzeige der Entladungsspannung durch das Voltmeter 39 markiert, so dass der Strom durch das Potentiometer 43 bei einer gegebenen Einstellung der gleiche ist wie bei der angezeigten Spannung bei automatischer Kontrolle. Der Strom durch den Heizfaden 7 kann am Amperemeter 99 im Primärkreis des Transformators 13 abgelesen werden und wenn geeignete Arbeitsbedingungen hergestellt worden sind, kann dieser Strom durch die automatische Einstellung beibehalten werden.
Offensichtlich könnte auch eine völlig separate Regelung zur Regulierung des Kathodenheizstroms verwendet werden, aber obwohl ein derartiger getrennter Regelmechanismus an sich viel einfacher wäre als die Einstellung durch den Verstärker 47, würde er doch das ganze System komplizierter und den Übergang von der manuellen zur automatischen Regelung schwieriger machen.
Wie bereits festgestellt wurde, wird die Vorspannung für die Röhre 59, welche die mittlere Spannung über der Entladung im Ofen während der automatischen Regelung bestimmt, durch das Potentiometer 57 festgelegt und wird gewöhnlich für alle Arbeitsbedingungen sowie für die verschieden behandeltenMateri- alien den geringsten Schwankungen unterliegen. Dieses Potentiometer muss daher selten wieder verstellt werden. Wesentlich kritischer ist die Neigung der Heizstrom-Entladungsspannungskennlinie. Diese wird mit Hilfe des Schleifkontakts 45 des Potentiometers 43 eingestellt. Im vorliegenden Fall wird dies mit Hilfe eines kleinen Elektromotors 101 mit umkehrbare Lauf durchgeführt, welcher zur Betätigung des Kontakts 45 durch Betätigung des einen oder des andern von Druckknöpfen 103 in Tätigkeit gesetzt werden kann.
Es ist ersichtlich, dass die Betätigung vom Kontakt 552 in die manuelle Stellung den Stromkreis der Röhre 77 von der direkten Verbindung mit dem Widerstand 67 trennt, wodurch verhindert wird, dass diese Vorrichtung die automatische Kathodenstromregelung übergeht, wenn Lichtbogenbildung stattfindet. Der
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Stromkreis der Röhre 77 kann durch Betätigen des Druckknopfes 105 wieder hergestellt werden. Vorzugsweise wird der Widerstand 97 so eingestellt, dass er einem Wert der Entladungsspannung entspricht, welche Lichtbogenbildung anzeigen würde. Hierauf wird der Druckknopf 105 niedergedrückt und das Potentiometer 83 eingestellt, bis die Röhre 77 anspricht. Dies wird durch eine plötzliche Zunahme der Anzeige des Ampèremeters 99 von beispielsweise 2 oder 2, 5 Ampere auf 5 oder 6 Ampere angezeigt.
Durch Einstellung des Widerstandes 75 wird dann der Kathodenstrom auf den gewünschten Wert gebracht.
Ähnlich kann es bei Einstellung der Arbeitsbedingungen wünschenswert sein, den Schalter 17 zu öffnen und den Kurzschlusskreis 51 zu unterbrechen, bis eine stabile Tätigkeit erreicht ist. Wenn nun eine Bogenbildung stattfindet, kann diese Bogenentladung durch einfaches Schliessen des Schalters 107 unterbrochen werden.
In der Praxis wurde gefunden, dass eine der grössten Vorteile, welche durch die vorliegende Erfindung vorgesehen werden, in der Tatsache liegt, dass die verschiedenen voneinander abhängigen Faktoren, welche die Stabilität der Entladung erhalten, von Hand aus während eines Versuchsbetriebes eingestellt werden können, bis für jeden spezifischen Fall optimale Betriebsbedingungen gefunden sind, worauf nach und nach, sobald diese bestimmt sind, die Regelung der verschiedenen Betriebsbedingungen der automatischen Regeleinrichtung übergeben werden können.
Ausserdem wird infolge der Reihenfolge, in welcher die Schritte durchgeführt werden, die Gefahr von zerstörenden Spannungen oder Strömen vermieden, welche normalerweise unvermeidbar wären, wenn man grosse Leistungen von einer konstanten Stromquelle oder von einer konstanten Spannungsquelle, wie dies. bisher üblich war, einer Belastung mit unvorhersehbaren Schwankungen des Widerstandes zuführt.
Infolge des beschriebenen Verfahrens kann die auf die geschmolzene Oberfläche des behandelten Materials abgegebene Leistung während langerArbeitsperioden innerhalb : 5% oder weniger konstant gehalten werden, wenn die geschmolzenen Materialien ziemlich rein oder von konstanter Zusammensetzung sind. Diese Konstanz kann erwartet werden, wenn die Entladung verwendet wird, um Metalle, welche bereits im Vakuum geschmolzen und vergossen wurden, wiederum zu schmelzen und weiter zu reinigen.
Wenn das Material der Schmelze ausserordentlich viel Gas enthält, wie beispielsweise einige der Metallschwämme, wie sie von den primären Herstellern derartiger Materialien geliefert werden, ist der Ausdruck "Konstanthaltung der Leistung in der Entladung" lediglich auf die mittlere und nicht auf die momentane Leistung zu beziehen. Es ist häufig eine Eigenschaft derartiger Materialien, dass sie Gaseinschlüsse enthalten, welche in der Entladung in plötzlichen, heftigen Ausbrüchen in Freiheit gesetzt werden.
Wenn ein derartiger Ausbruch stattfindet, kann das Volumen des in Freiheit gesetzten Gases so gross sein, dass der Druck innerhalb des Vakuumbehälters auf einen Wert steigt, bei welchem das gesamte Volumen momentan mit einer Glimmentladung gefüllt ist, auch wenn die zur Evakuierung des Behälters verwendeten Pumpen genügend Kapazität haben, den Druck ausserhalb der Entladungsstrecke bei Bruchteilen eines Mikrons Hg zu halten, wenn das Gas gleichmässig in Freiheit gesetzt wird.
Die Verwendung der üblichen Stromversorgungsarten zur Behandlung derart gasender Materialien mit metastabilenEntladungen der hier behandeltenArt ist unmöglich. Wenn einmal bei einem solchen System sich eine lokalisierte Entladung aufgebaut hat, wird sie von einem Stromstoss gefolgt, welcher schnell einen selbsterhaltendenBogen bilden und die Apparatur ausschalten würde, bis die Trennschalter wiederum geschlossen und das gesamte Verfahren von vorne wieder begonnen werden könnte.
Wenn der Strom in der diffusen Entladung wie hierin begrenzt wird, kann kein solcher Stromstoss stattfinden und in gewöhnlichen Fällen entfernen die Pumpen schnell das in Freiheit gesetzte Gas und irgendeine momentane lokalisierte Entladung bricht von selbst ab. Aber während der Dauer der Entladung mit geringem Widerstand wird die Spannung über sie von beispielsweise 5 bis 6000 V auf etwa in der Grössenordnung von 100 oder auch weniger absinken. Weniger heftige GasÅausbrüche verursachen weniger heftige, aber noch immer wesentliche Schwankungen des Widerstandes der Entladung.
Die Entladung mit niedrigem Widerstand, welche auf einen Gasausbruch folgt, kann über Zeiträume von einem geringen Bruchteil ! einer Sekunde bis zu mehreren Sekunden andauern und im Hinblick aut die thermische Kapazität der Kathode ist ihre Temperatur im Vergleich mit ihrer unmittelbaren Umgebung so hoch, dass es gut möglich ist, dass sie in weniger als 1 sec unter die minimale Emissionstemperatur ab- fällt.
Wenn irgendeine der üblichen Arten von konstanten Stromquellen verwendet wird, und die Entladung wird unterbrochen und dann die Kathode entweder keine oder weniger Elektronen emittiert, als zur Beförderung des konstanten Stromes nötig sind, würde daraus eine so hohe Spannung resultieren, dass diese mehr Zerstörungen anrichten würde als die Kurzschlussströme, welche auftreten. wenn die Versorgung von dem gebräuchlicheren, bisher bekannten System mit konstanter Spannung durchgeführt wird. Bei Durchführung der vorliegenden Erfindung wird. dies vermieden durch Überziehen der negativenRückkopplungsart
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der Regelung, welche die Arbeit bei der Entladung stabil hält, ausser wenn mehr als normale Gasvolumina in Freiheit gesetzt werden.
Wenn daher das behandelte Material derartige Eigenschaften besitzt, dass kon- tinuierliche Stabilität innerhalb sehr enger Grenzen unmöglich wird, so bewirkt die vorliegende Erfindung, dass plötzliche Unterbrechungen des gewünschten Verfahrens nicht zu völligem Zusammenbruch führen und gestattet sofortige Wiedereinstellung von im wesentlichen gewünschten Arbeitsbedingungen und ge- stattet so kommerzielle Schmelz- und Giessverfahren in grossem Massstab mit höheren Leistungen als dies bisher durchführbar war.
Bei der Behandlung von gasenden Materialien, bei welchen die wahrscheinliche Störungsart der Ent- ladung sich von Gasausbrüchen herleitet, kann es wünschenswert sein, den Kurzschlusskreis 51 durch Öffnen des Schalters 107 zu unterbrechen und die letztere Einrichtung von Hand aus und nur dann, wenn die Bogenbildung durch die Tätigkeit der Pumpen nicht unterbrochen wird, zu betätigen. Es kann hinzugefügt werden, dass beim Arbeiten mit derart gasenden Materialien die wirksame Verstärkung des Verstärkers, welche den Heizstrom regelt, vermindert werden sollte, um so die ausserordentlich heftigen Schwankungen der Entladungsspannung zu kompensieren, welche für Materialien dieser Klasse charakteristisch sind.
Die besondere im vorhergehenden beschriebene Apparatur zeigt eine gunstige Möglichkeit zur Durchführung des automatischen Verfahrens und zum Übergang von manueller auf automatische Regelung und umgekehrt. Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung soll jedoch nicht auf diese hier nur beispielsweise angeführte Ausführungsform beschränkt werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Regelung einer elektrischen Entladung zwischen einer Glühkathode und einer durch Elektronenbeschuss erhitzten Anode innerhalb einer evakuierten Strecke, wobei die Entladung unter solchen Bedingungen betrieben wird, dass in Freiheit gesetzte Gase ein lonenplasma bilden können, bei welcher der Kathode ein Heizstrom und der Entladung zwischen der Kathode und Anode ein Gleichstrom zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der der Entladung zugeführte Gleichstrom auf einen im wesentlichen konstanten Wert gehalten und der Kathodenheizstrom kontinuierlich derart nachgestellt wird, dass eine im wesentlichen konstante mittlere Spannung zwischen Kathode und Anode erzielt wird.