AT263166B - Anordnung zur Herstellung eines Plasmastrahles - Google Patents

Description

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  Anordnung zur Herstellung eines Plasmastrahles 
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   Zusätzlich können noch die verschiedensten Anordnungen, welche das Plasmaerzeugungsgerät vereinfachen oder zu einer besseren Ausnutzung des Plasmas führen, Anwendung finden. 



   Zum Beispiel ist es vorteilhaft, wenn der Lichtbogen um die etwa in Richtung der Plasmaflamme verlaufende Achse des Raumes eine im wesentlichen rotierende Bewegung entlang eines Kegelmantels   vollführt,   da hiedurch seine Weglänge vergrössert wird, was eine grössere Wahrscheinlichkeit von
Zusammenstössen mit Gasmolekülen ergibt. Dies führt zu einer besseren Ausnutzung des Plasmas im
Hinblick auf die Energie. 



   Auch kann eine stärkere Querschnittsveränderung der Plasmaflamme durch zusätzliche elektrische und/oder magnetische Felder vorgenommen werden. 



   Als gasförmige Medien haben sich besonders Edelgase, insbesondere Argon, sowie Stickstoff,   CO,   gasförmige Kohlenwasserstoffe, insbesondere Methan, oder Wasserstoffe einzeln, im Gemisch miteinander oder im Gemisch mit Luft bewährt. 



   Besonders vorteilhaft ist es, wenn anfangs bis zum Zünden der Plasmaflamme Argon zugeführt und nach dem Zünden Argon in steigendem Masse durch Zufuhr von Stickstoff bzw. eines Gemisches aus
Stickstoff und Kohlendioxyd ersetzt wird, wobei jedoch die Gesamtzufuhr an gasförmigem Medium mindestens gleich bleibt. 



   Der Druck, mit welchem das Plasmagas dem Brenner zugeführt wird, beträgt vorzugsweise 1, 1 bis
2, 5 atü. 



   Eine bevorzugte Anordnung besteht beispielsweise in einem zylindrischen, an einem Ende durch einen Isolierkörper verschlossenen Brennerrohr-3-, in dem sich als eine lichtbogenspeisende Elektrode eine etwa axial verlaufende, stabförmige Elektrode aus thoriertem Wolfram befindet. 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 als zweite lichtbogenspeisende Elektrode eine röhrenförmige   Elektrode --5-- eingesetzt   ist. Die Innenfläche der Elektrode--5--, die ebenfalls aus thoriertem Wolfram besteht, fluchtet mit der Innenwand des Brennerrohres--3--.

   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. 



   In einer andern Ausführungsform kann   z. B.   das   Brennerrohr --3-- 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   --l-- ersetzt   werden. 



   Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform wird dann erreicht, wenn das Brennerrohr aus einem magnetischen Werkstoff besteht. Bei dieser Ausführungsform wird gleichfalls die Weglänge des Lichtbogens durch die Ablenkung vergrössert, was eine grössere Wahrscheinlichkeit von Zusammenstössen mit Gasmolekülen ergibt. 



   Bei dieser Ausführungsform dient eine der beiden Elektroden als zusätzliche Ladungsträgerquelle. 



  Diese Elektrode, die vorzugsweise aus thoriertem Wolfram besteht, wird durch den elektrischen Lichtbogen erhitzt. Die zusätzliche Elektronenemission, welche den quasineutralen Zustand des Plasmas im Lichtbogenbereich beseitigt, kommt dadurch zustande, dass infolge der besonderen Lage der beiden Elektroden zueinander die elektrischen Feldlinien des Lichtbogens zur Strömungsrichtung des Plasmas geneigt sind. Hiedurch werden die im Plasma enthaltenen Elektronen nach aussen in Richtung auf die Rohrwandung abgedrängt, während die positiven Ionen sich in Achsennähe vor der stabförmigen Elektrode anreichern. Diese positive Saugladung veranlasst die stabförmige Elektrode, zusätzliche Elektronen zu emittieren. Der tatsächlich vorhandene Ladungsträgerüberschuss (Raumladungsdichten von etwa 1019 Elektronen) wurde mit Hilfe einer Sonde gemessen. 



   Die beschriebene Ablenkung der geladenen Teilchen im elektrischen Feld sowie der Einfluss einer Saugladung auf die Elektronenemission, stellen bereits bekannte physikalische Tatsachen dar, die im Falle der   erfindungsgemässen   Anordnung ausgenutzt werden. Bei einer Umpolung der Elektroden durch das Wechselfeld ist die Trägheit der Elektronen-Ionenrekombination um Grössenordnungen grösser als die der Gleichverteilung der Elektronen und Ionen nach der Maxwell-Statistik. Daraus ergibt sich, dass die Ionenwolke vor der stabförmigen Elektrode auch während der negativen Halbwelle erhalten bleibt. 



   Ebenso können Brennerarten, bei welchen die Fokussierung des Plasmastrahles auf herkömmliche 

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 Weise durch Düsen erfolgt, mit mindestens einer zusätzlichen Ladungsträgerquelle ausgestattet werden, welches den quasineutralen Zustand des Plasmas in Teilbereichen desselben beseitigt, wobei sich die schon beschriebenen Vorteile ergeben. Hiebei kann gleichfalls eine der oben beschriebenen Techniken angewendet werden. 



   Es ist bereits ein Plasmaerzeuger bekannt, in welchem ein Lichtbogen und eine elektronische Ladungsträgerquelle vorhanden sind. Doch ist im vorbekannten Fall nur fallweise eine einzige Ladungsträgerquelle vorhanden, da ausdrücklich gesagt wird, dass die Kathode kein Elektronenstrahler sein muss, was nur bedeutet, dass sie ein Elektronenstrahler sein kann. Da die zweite Elektrode positiv ist, kann vom Vorhandensein einer zusätzlichen Ladungsträgerquelle keine Rede sein, selbst dann nicht, wenn die Kathode ein Elektronenstrahler sein sollte. Auch ist dieser vorbekannte Plasmaerzeuger nicht so konstruiert, dass die Kathode durch eine entstehende   Saugladung veranlasst   würde, zusätzliche Elektronen zu emittieren. Das erzeugte Plasma ist quasineutral.

   Aus diesem Grund muss auch mit Gleichstrom gearbeitet werden, da keine überbrückung der negativen Halbwelle erfolgt, wie sie durch die Erfindung ermöglicht wird. 



   Bei der Verwendung von Wechselstrom ergibt sich vor allem der grosse Vorteil des Fortfalls des für den Gleichstrombetrieb erforderlichen Gleichrichters, wodurch eine ausserordentliche Vereinfachung im Betrieb und beim Transport des Gerätes sowie eine nicht unbedeutende Kostensenkung bei der Plasmaerzeugung ermöglicht wird. 



   Gegenstand der Erfindung ist daher eine Anordnung zur Herstellung eines Plasmastrahles, bei welcher ein ionisierbares gasförmiges Medium durch einen Raum geführt ist, in welchem eine elektronische Ladungsträgerquelle und mindestens ein Lichtbogen vorhanden ist, und die Erfindung besteht darin, dass die den Lichtbogen speisenden Elektroden an eine Wechselstromquelle angeschlossen sind und dass im Lichtbogenraum mindestens eine zusätzliche Ladungsträgerquelle vorhanden ist oder durch eine geeignete Anordnung der Elektroden eine zusätzliche Emission von Ladungsträgern durch mindestens eine der Elektroden erzwungen wird, derart, dass der quasineutrale Zustand des Plasmas in Teilbereichen desselben beseitigt wird. 



   PATENTANSPRÜCHE : 
1. Anordnung zur Herstellung eines Plasmastrahles, bei welcher ein ionisierbares gasförmiges Medium durch einen Raum geführt ist, in welchem eine elektronische Ladungsträgerquelle und mindestens ein 
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 Elektroden an eine Wechselstromquelle angeschlossen sind und dass im Lichtbogenraum mindestens eine zusätzliche Ladungsträgerquelle vorhanden ist oder durch eine geeignete Anordnung der Elektroden eine zusätzliche Emission von Ladungsträgern durch mindestens eine der Elektroden erzwungen wird, derart, dass der quasineutrale Zustand des Plasmas in Teilbereichen desselben beseitigt wird.

Claims (1)

1. 2. Anordnung zur Herstellung eines Plasmastrahles nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n - zeichnet, dass als zusätzliche Ladungsträgerquelle ein im erhitzten Zustand Elektronen emittierendes Material verwendet wird.

   3. Anordnung zur Herstellung eines Plasmastrahles nach den Ansprüchen 1 und 2, EMI3.2 thoriertes Wolfram verwendet wird.

   4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine zusätzliche an sich bekannte Düse, mittels welcher eine Formung des Plasmastrahles erfolgt. EMI3.3 lichtbogenerzeugenden Elektroden zueinander eine solche Lage einnehmen, dass die Strömungsrichtung des Plasmas sich mit den elektrischen Feldlinien des bzw. der Lichtbogen schneidet und mindestens eine der drei Einflussgrössen a) Stromstärke für den Lichtbogen b) Menge des zugeführten Mediums c) Art des zugeführten Mediums veränderbar ist.

   6. Anordnung nach den Ansprüchen 4 und 5, gekennzeichnet durch zusätzliche elektrische und/oder magnetische Felder, durch welche eine zusätzliche Querschnittssteuerung des mittels Wechselstrom erzeugten Plasmastrahles ermöglicht wird.

   7. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3,5 und 6, gekennzeichnet durch ein zylindrisches, an einem Ende durch einen Isolierkörper (2) verschlossenes Brennerrohr (3), mindestens ein <Desc/Clms Page number 4> in das Brennerrohr (3) mündendes Zuführungsrohr (4) für das gasförmige Medium sowie zwei einen Lichtbogen speisende und gleichzeitig im erhitzten Zustand Elektronen emittierende Elektroden (1) und (5), vorzugsweise aus thoriertem Wolfram, deren eine (5) rohrförmig ausgebildet und in eine sich über den ganzen Innenumfang des Brennerrohres erstreckende Ausnehmung eingesetzt ist, derart, dass ihre EMI4.1 Bereich der rohrförmigen Elektrode (5) erstreckt sowie durch Stromzuführungen (6) für die beiden Elektroden. EMI4.2