<Desc/Clms Page number 1>
Anordnung zur düsenlosen Herstellung eines Plasmastrahles
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur düsenlosen Herstellung eines Plasmastrahles unter Verwendung eines ionisierbaren gasförmigen Mediums.
Üblicherweise entsteht ein Plasma aus einem Neutralgas durch ionisierende Reaktionen, insbesondere durch Einwirkung des elektrischen Lichtbogens.
Unter Plasma versteht man ein Gas, das neben neutralen Atomen und Molekülen Elementarteilchen im angeregten Zustand, sowie Ionen und Elektronen, also positive und negative Ladungsträger enthält.
Bisweilen wird der Plasmazustand auch als vierter Aggregatzustand bezeichnet, weil er sich durch manche Eigenschaften wesentlich von den drei bekannten Aggregatzuständen der Materie unterscheidet.
Die Energie, die notwendig ist, um ein Gas in den Plasmazustand zu überführen, wird bei den meisten Plasmabrennern von einem Gleichstromlichtbogen geliefert. Nach erfolgter Zündung bildet sich der Lichtbogen zwischen zwei Elektroden.
Die anregenden Primärelektronen werden im wesentlichen durch die starke Erhitzung der Kathode geliefert. Mit steigender Temperatur der Kathode steigt die Menge der von der Kathode emittierten Elektronen. Die durch diese Glühelektronenemission zusätzlich in das Plasma eingebrachten Elektronen werden von der Stromquelle nachgeliefert.
Als Kathodenmaterial wird meist Wolfram verwendet. Durch einen Zusatz von einigen Prozent Thoriumoxyd zum Wolfram wird die Elektronenaustrittsarbeit verringert.
Bei der Herstellung eines Plasmas wurden bisher Vorrichtungen mit den Lichtbogen verengenden Durchlässen oder Düsen verwendet, wobei der Lichtbogen und ein Gasstrom durch diese Düsen hindurchgeführt wurden und sich darin zu einem einheitlichen Plasma vereinigten. Vielfach wurde eine solche Düse auch als Anode verwendet.
In der Düse wird der Plasmastrahl fokussiert. Bei dieser Fokussierung wirken die geometrische Form der Düse, der magnetische Pinch-Effekt und das von der Seite zuströmende kalte Gas zusammen. Durch diese Fokussierung oder Einschnürung des Plasmastrahleserhöhen sich Stromdichte, Temperatur und Geschwindigkeit des Gases.
Bei den Temperaturen des Plasmas war eine ständige Kühlung des Brenners, insbesondere der Elektroden notwendig. Es waren etwa 0,5 l Wasser/min und kW erforderlich. Mehr als 3/4 dieser Menge wurden für die Kühlung der Anode, d. h. der als Anode ausgebildeten Düse verwendet. In vielen Fällen musste das Kühlwasser einem geschlossenen, mit destilliertem Wasser arbeitenden Kreislauf entnommen werden, da zu besorgen war, dass etwaige Ablagerungen im Inneren des Kühlsystems des Brenners zu Verstopfungen oder zu einer störenden Schichtenbildung führen könnten.
Der Aufbau der bekannten Brenner mit einer Düse war daher kompliziert und störungsanfällig.
Es wurde nun gefunden, dass diese Nachteile vermieden werden können, wenn bei einer z. B. aus der deutschen Auslegeschrift 1153463 bekannten Anordnung zur düsenlosen Herstellung eines Plasmastrahles, bei welcher ein ionisierbares gasförmiges Medium durch einen Raum geführt ist, in welchem mindestens ein Lichtbogen zwischen mindestens einer Kathode und mindestens einer Anode brennt und in welchem mindestens eine elektronische Ladungsträgerquelle vorhanden ist, in welchem Raum unter Ein-
<Desc/Clms Page number 2>
fluss von Lichtbogen und Ladungsträgerquelle das den Strahl bildende Plasma gebildet ist, welches anschliessend einer düsenlosen Austrittsöffnung zugeführt ist, erfindungsgemäss durch Wahl der erforderlichen Betriebsverhältnisse im Lichtbogenraum ein einen Ladungsträgerüberschuss aufweisendes Plasma gebildet ist,
wobei die Strömungsrichtung dieses Plasmas sich mit den elektrischen Feldlinien des bzw. der Lichtbogen schneiden und die drei Einflussgrössen a) Stromstärke des bzw. der Lichtbogen b) Art des zugeführten Mediums c) Menge des zugeführten Mediums veränderbar sind, wodurch durch Veränderung einer, mehrerer oder aller der drei Grössen eine düsenlose Querschnittsteuerung des Plasmastrahles ermöglicht ist.
Diese an sich sehr komplexen Verhältnisse können in schematisch vereinfachter Weise durch die bekannte Wechselwirkung zwischen elektrischen Ladungen und Feldkräften dargestellt werden. Der Grund für die Einschnürung des Plasmastrahles sind Kraftkomponenten, die auf die Ionen senkrecht zu deren
EMI2.1
elektrischen Ladung abhängt, ergibt sich daraus, dass der Durchmesser des austretenden Plasmastrahles in einfacher und reproduzierbarer Weise durch Änderung der Stromstärke des Lichtbogens sowie der Art und Menge des durchströmenden plasmabildenden Gases geregelt werden kann. Vorzugsweise kann eine der beiden Elektroden als Ladungsträgerquelle dienen.
Diese Elektrode, die vorzugsweise aus thoriertem Wolfram besteht, wird durch den elektrischen Lichtbogen erhitzt und emittiert zusätzlich Elektronen, die nicht durch Raumladungen kompensiert werden und die vom austretenden Plasma mitgeführt werden.
Eine vorzugsweise Anordnung ist gekennzeichnet durch ein zylindrisches, an einem Ende durch einen Isolierkörper verschlossenes Brennerrohr, das an seinem offenen Ende in einer sich über den ganzen Innenumfang des Brennerrohres erstreckenden Ausnehmung eine rohrartige Elektrode, vorzugsweise aus thoriertem Wolfram, trägt, deren Innenfläche mit der Innenfläche des Brennerrohres fluchtet, eine durch den Isolierkörper geführte, sich im wesentlichen axial durch das Brennerrohr bis etwa in den Bereich der rohrförmigen Elektrode erstreckende weitere Elektrode, vorzugsweise aus thoriertem Wolfram, mindestens ein in das Brennerrohr mündendes Zufihrrohrfür das gasförmige Medium, sowie durch Stromzuführungen für die beiden Elektroden.
Eine beispielsweise Ausführung sei an Hand der Zeichnung näher erläutert.
In einem zylindrischen Brennerrohr 3 befindet sich eine etwa axial verlaufende stabförmige Elektrode 1 aus thoriertem Wolfram. Diese Elektrode ist durch einen Isolierkörper 2 geführt, der das Brennerrohr 3 an einem Ende verschliesst. Am andern Ende des Rohres 3 befindet sich eine um den ganzen Innenumfang des Rohres laufende, zylindrische Ausnehmung, in die eine röhrenförmige Elektrode 5 eingesetzt ist. Die Innenfläche der Elektrode 5, die ebenfalls aus thoriertem Wolfram besteht, fluchtet mit der Innenwand des Brennerrohres 3. Die lichte Weite ist somit über die ganze Länge des Brennerrohres im wesentlichen gleich. Es gibt keine verengenden Durchlässe oder Düsen. Am Brennerrohr 3 ist seitlich ein Gaszuführungsrohr 4 angesetzt. Dieses Rohr kann tangential oder radial angesetzt sein.
Wenn das Brennerrohr 3 aus einem leitenden Material, z. B. Stahl, besteht, befindet sich eine der Stromzuleitungen 6 am Rohr 3 und eine an der Elektrode 1.
Im Rahmen der Erfindung sind auch noch andere Ausführungsformen möglich. So kann z. B. das Brennerrohr als Elektrode dienen. In diesem Fall ist natürlich die Ausnehmung an der Rohrinnenseite nicht nötig. Das Brennerrohr kann aber auch aus einem nichtleitenden Material bestehen. Dann muss eine der Stromzuführungen 6 an der Elektrode 5 vorgesehen werden. Der Isolierkörper 2 kann dann entfallen und durch einen beliebigen, gegebenenfalls stromleitenden Rohrabschluss oder durch eine entsprechende Erweiterung der Elektrode 1 ersetzt werden.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform wird dann erreicht, wenn das Brennerrohr aus einem magnetischen Werkstoff besteht. Bei dieser Ausführung wird die Weglänge des Lichtbogens durch die Ablenkung vergrössert, was eine grössere Wahrscheinlichkeit von Zusammenstössen mit Gasmolekülen ergibt. Dies führt zu einer besseren Ausnutzung der Energie des Lichtbogens im Hinblick auf die Bildung des Plasmas. Bei dieser Ausführung ist ausserdem eine leichtere Zündbarkeit des Lichtbogens gegeben.
Das Gemeinsame an diesen Ausführungsformen besteht darin, dass infolge der Anordnung von Kathode und Anode zueinander das elektrische Feld und somit die Richtung der Erstreckung des Lichtbogens gegen die Strömungsrichtung des plasmabildenden Gases geneigt wird. Es lässt sich auf einfache Weise zeigen,
<Desc/Clms Page number 3>
dass durch diese einfache Massnahme die radialen Kraftkomponenten beträchtlich vergrössert werden. Ein äusserlich ähnlich aufgebauter Plasmaerzeuger ist bereits bekannt, doch handelt es sich hiebei um einen Typ, bei welchem ein kontinuierlicher Plasmastrahl nur mittels eines starken, sich in axialer Richtung erstreckenden Magnetfeldes, welches ein Maximum innerhalb des Anodenraumes besitzt, aufrecht erhalten werden kann. Derartige äussere Einrichtungen sind im Falle der Erfindung nicht oder nur hilfsweise vorgesehen.
Ohne das Feldstärkemaximum kann aber in dem Raum, durch welchen das ionisierbare Gas geführt wird, kein Lichtbogen aufrecht erhalten werden. Auch eine Fokussierung des Plasmastrahles mit Hilfe von Eigenfeldern ist bei der vorbekannten Einrichtung nicht möglich, da das axiale Magnetfeld den Teilchen eine im wesentlichen axiale Richtung in Spiralbahnen um die Feldlinien aufzwingt. Ausserdem ist das mittels dieser Einrichtung erzeugte Plasma quasineutral, obwohl die Kathode ein Elektronenstrahler sein kann. Der Grund hiefür dürfte in den ausserordentlich langen Elektronenbahnen zu suchen sein, welche durch die besondere Bauweise bedingt sind und zu einer Kompensation des Ladungsüberschusses durch Eigenfelder führen.
Die erfindungsgemässe Anordnung wird nun so gehandhabt, dass ein gasförmiges Medium durch das Gaszuführungsrohr eingeleitet wird. Als gasförmige Medien haben sich besonders Edelgase, insbesondere Argon, ferner Stickstoff, gasförmige Kohlenwasserstoffe, insbesondere Methan, sowie Wasserstoff, einzeln, im Gemisch miteinander oder im Gemisch mit Luft bewährt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn anfangs bis zum Zünden der Plasmaflamme Argon zugeführt wird und nach dem Zünden Argon in steigendem Masse durch Stickstoff ersetzt wird, wobei jedoch die Gesamtzufuhr des gasförmigen Mediums mindestens gleich bleiben soll.
Die Flamme ist nicht fokussiert. Das Plasma ist anfangs quasineutral, d. h. es besitzt zunächst eine gleiche Anzahl von positiven und negativen Ladungen. Der Lichtbogen erwärmt die Elektroden. Nach einiger Zeit werden bei der Verwendung von Gleichstrom von der als Kathode geschalteten Elektrode Elektronen emittiert. Diese Elektronen werden vom austretenden Plasma mitgeführt und vorerst nicht durch Raumladungen kompensiert. Der quasineutrale Zustand des Plasmas wird dadurch beseitigt. Im Plasma wurden beispielsweise Raumladungsdichten von etwa 1019 Elektronen/cm* gemessen.
Der bei der erfindungsgemässen Vorrichtung zwischen den beiden Elektronen, die vorzugsweise aus thoriertem Wolfram, beispielsweise mit einem Gehalt von etwa 1 bis 50/0 Thoriumoxyd, bestehen, brennende Lichtbogen beginnt nach kurzer Zeit eine im wesentlichen rotierende Bewegung um die Längsachse des Brennerrohres und damit um die Längsachse der Elektrode 1 auszuführen. Diese Rotation führt dazu, dass der Lichtbogen auf eine grosse Zahl von Gasmolekülen einwirkt und die Energie des Lichtbogens in einem viel grösseren Masse für die Bildung des Plasmas ausgenutzt werden kann, als dies bei bekannten Verfahren bisher der Fall war.
Der so ausgebildete, nicht fokussierte Plasmastrahl kann nun ohne Anwendung mechanischer Mittel nur durch Veränderung einer oder mehrerer der drei Einflussgrössen : Stromstärke für den Lichtbogen, Menge und Art des zugeführten gasförmigen Mediums, fokussiert werden, wie in den folgenden Beispielen dargelegt ist.
Beispiel l : Die bei Zufuhr von Argon und einer Stromstärke von 40 A gebildete Plasmaflamme wird bei einer Erhöhung der Stromstärke für den Lichtbogen auf etwa 80 A auf etwa den halben Durchmesser eingeschnürt.
Beispiel 2 : Dem Brennerrohr wird Argon mit einem Ausströmdruck von 0, 3 atü zugeführt. In einer Entfernung von 25 mm vom Ende des Brennerrohres beträgt der Durchmesser des Plasmastrahles 25 mm. Eine Erhöhung der Menge des zugeführten Argons entsprechend einem Ausströmdruck von 0, 7 atü führt zu einer Fokussierung des Plasmastrahles auf einen Durchmesser von 15 mm, gemessen in einem Abstand von 25 mm vom Ende des Brennerrohres.
Beispiel 3 : Wird bei den in Beispiel 2 angegebenen Bedingungen (Argonausströmdruck 0,3 atü) ein Teil des Argons durch Stickstoff ersetzt, so dass die Ausströmdrucke von Argon 0,2 atü und von Stick- stoff etwa 0, 1 atü betragen, sowird der Durchmesser der Plasmaflamme von 25 mm auf i5 mm fokussiert, beide Durchmesser gemessen in 25 mm Abstand vom Ende des Brennerrohres.
Natürlich kann zusätzlich zu der oben beschriebenen Fokussierung noch eine weitere Fokussierung der Plasmaflamme durch die Einwirkung von zusätzlichen elektrischen und/oder magnetischen Feldern erfolgen. In diesem Fall sind dann ausserhalb des Brennerrohres an sich bekannte Mittel zur Erzeugung von magnetischen und bzw. oder elektrischen Feldern angeordnet.