Verfahren zur Durchführung von Prozessen mittels elektrischer Glimmentladungen Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung von Prozessen mittels einer elek trischen Glimmentladung in einem Entladungsgefäss mit Anschlüssen für die Abführung und Zuführung von Gasen.
Bei der betriebsmässigen Durchführung von der artigen technischen Glimmentladungsprozessen sind gelegentliche Schwierigkeiten entstanden und uner wünschte Unstabilitäten der Entladung beobachtet worden. Dabei hat sich auch gezeigt, dass die einzel- nen Massnahmen, beispielsweise die Wahl des Gas druckes, nicht nur den angegebenen Gesichtspunkten entsprechend gewählt, sondern mit allen anderen ge troffenen Massnahmen in einem ziemlich verwickelten Zusammenhang stehen müssen.
Die nähere Unter suchung dieser Verhältnisse hat zu der Erkenntnis geführt, dass die im Patent Nr. 355233 erläuterten Massnahmen zur Einleitung und Durchführung der artiger Glimmentladungsprozesse zwar notwendig, aber nicht in jedem Falle hinreichend sind.
Die vorliegende Erfindung bezweckt die Schaffung einer einheitlichen technischen Regel, der sich alle Bestimmungsgrössen zur Einleitung und Durchführung derartiger technischer Glimmentladungsprozesse in klarer Weise unterordnen. Für das erfindungsgemässe Verfahren ist kennzeichnend, dass in unmittelbarer Umgebung mindestens der am Prozess beteiligten Flächen ein Gasentladungszustand hergestellt und aufrechterhalten wird, bei dem überall der von den Flächen emittierte Elektronenstrom seitens des Ionen stromes zu den betreffenden Flächen mehr als kom pensiert wird, damit ein Übergang in unstabile Be reiche der Entladungskennlinie und eine Kontraktion der Entladung auf einen Brennfleck vermieden wird.
Vorzugsweise wird für wesentlich unter 0,1 mA/cm2 liegende Elektronenstromdichten der am Prozess be teiligten Flächen ein Ionenstrom von mindestens 0,1 mA eingestellt, damit auch bei örtlich begrenzten Überhitzungen an den Flächen und dadurch ver ursachten lokalen Erhöhungen der Elektronenstrom dichte die genannte Überkompensation gewährleistet ist, so dass ein Kathodenfall bei einer Gesamtent ladungsspannung grösser als etwa 100 Volt aufrecht erhalten wird.
Die Erfindung ist nachstehend in einigen Ausfüh- rungbeispielen des Verfahrens und an Hand der Fig. 1 bis 6 der beigefügten Zeichnungen näher erläu tert. Hierbei zeigen: Fig. 1 eine typische Strom-Spannungskennlinie üblicher Glimmentladungen, im Vergleich mit einer nach einem Ausführungsbeispiel :
des erfindungsge mässen Verfahrens erzielbaren Kennlinie, Fig. 2 ein Diagramm von thermischen Emissions strömen 1e, abhängig von der absoluten Temperatur, Fig. 3 eine Photographie des Inneren eines Ent ladungsgefässes mit einer Molybdänröhre als Kathode, zwecks Wiedergabe des Entladungs-Endzustandes eines nach einem Ausführungsbeispiel des erfindungs gemässen Verfahrens durchgeführten Prozesses, Fig. 4 ein Diagramm über den hier interessieren den Verfahrensbereich in einem speziellen Koordi- natensystem, Fig. 5 und 6 je eine Photographie des Inneren des Rezipienten einer Versuchsanordnung, welche im Schweizer Patent 1\1r. 355233, Fig.
8, erläutert ist, sowohl zu Beginn als auch am Ende des AnJaufvor- ganges.
Es ist bekannt, dass die Strom-Spannungs-Kenn- linie einer elektrischen Glimmentladung bisher be kannter Art einen Bereich konstanter Betriebsspan- nung und ,einen nach höheren Stromwerten sich hieran anschliessenden Bereich steigender Betriebsspannung aufweist, wobei sich an den letzteren Bereich bei einer weiteren Stromsteigerung ein fallender Kenn- linienteil anschliesst, in dessen unterem Bereich die Entladung in eine Bogenentladung übergeht.
Im Strom-Spannungsdiagramm der Fig. 1 zeigt die Kennlinie 65 den typischen Verlauf von Glimmentla- dungen bei Gleichspannung gemäss dem bisherigen Stand der Technik und Wissenschaft (siehe z. B. Dosse, Mierdel, Der elektrische Strom im Hoch vakuum und in Gasen Hirzel 1945, Seite 317, sowie Loeb Fundamental Process of electrical Discharges in Gases Verlag Wiley 1947, Seite 606 bis 608).
Der normale Bereich X der Entladung endet bei jenem Strom, bei dem die spannungführenden Elektro denteile vollständig von Glimmlicht bedeckt sind. Bei einer weiteren Spannungssteigerung nimmt Spannung und Entladungsstromstärke zu, wobei die grösser wer dende Spannung, die sich bekanntlich weitgehend auf den sogenannten Kathodenfall unmittelbar vor der negativen Elektrode konzentriert, bewirkt, dass die positiven Gasionen mit gesteigerter kinetischer Energie auf die Elektrodenfläche auftreffen.
Bei Gleichspan nungsbetrieb tritt dies an der Kathode dauernd auf, während b. -i Wechselspannungsbetrieb jede Elektrode während je einer Halbperiode zur Kathode wird. Im Kathodenfallraum stellt sich bei ungestörter Glimm- entladung ein Gleichgewichtszustand zwischen dem Ionenstrom zur Elektrodenfläche und den dort ausge lösten Elektroden ein. Die bei einer Spannungs steigerung zunehmende Energie der aufprallenden Ionen bewirkt eine Erhitzung der betreffenden Elek trode, was zu einer thermischen Elektronenemission des Elektrodenmetalls führt.
Dieser thermische Emis sionsstrom aus Elektronen und andere bisher erst wenig geklärte Emissionsvorgänge an der Elektro de in Wechselwirkung mit der benachbarten Gas schicht, können zu einer Kontraktion der Entladung auf einen Brennfleck und zur Zündung eines Licht bogens zwischen der Elektrode und der nächstgele genen Gegenelektrode führen. Dieser Übergang in die Bogenentladung entspricht ungefähr dem Punkt 67 der Kennlinie 65, der stets dort gelegen ist, wo der Glimmentladungs-Kathodenfall durch die Elektronen emission des Elektrodenmetalls weitgehend zum Ver schwinden gebracht ist. Die Gesamtentladungsspan nung der Bogenentladung ist stets weniger als die Hälfte der Glimmentladungsspannung bei Betrieb im normalen Bereich der Kennlinie.
Es sei hier ausdrück lich darauf hingewiesen, dass die physikalischen Ver hältnisse bei energiereichen Glimmentladungen noch nicht restlos geklärt sind. Beispielsweise besteht die Möglichkeit, dass vor der thermischen auch eine andere Emission stattfindet, etwa eine Sekundärelek tronenemission, 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 charakte ristisch ist, wie für die auf einen Brennfleck kontra hierte Bogenentladung.
Die obengenannte Erläuterung des Übergangs von einer Glimm- in eine Bogenentla dung stellt eine der Erklärungsmöglichkeiten nach dem derzeitigen Stand .der Technik dar, dient aber für das vorliegende Verfahren, das aus experimen tellen 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 Punkten der Elektro denflächen ergibt und keine gleichmässigen, reprodu- zierbaren Prozesse der hier behandelten Art ermög licht. Dem Bestreben zur Steigerung der Energie dicht.- der Glimmentladungen war also bisher eine Grenze gesetzt durch die hierbei auftretende Erwär mung der Elektroden und deren thermische Elektro denemission, die unweigerlich zu einem Übergang in eine Bogenentladung mit mehr oder weniger ausge prägter 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 Vergan genheit nicht möglich gewesen, bei einer Steigerung des Energie-Umsatzes der Glimmentladung, den un stabilen Übergangsbereich der Entladungskennlinie von der Glimm- zur Bogenentladung zu vermeiden. Es gelingt zwar, durch Probieren der günstigen Ein- stelllungen einen stabilen Betrieb durchzuführen, jedoch ist die Auffindung einer richtigen Einstellung schwierig und eine gewisse Unsicherheit unvermeid lich.
Das vorliegende Verfahren ermöglicht dagegen nunmehr jede erwünschte Vergrösserung des Energie- Umsatzes der Glimmentladung bis zu beliebigen Tem peraturen an den am Prozess beteiligten Elektroden flächen, unter Gewährleistung einer stetig verlaufen den, 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 che misch reinen Stoffe abhängig von der Temperatur genau bekannt.
Gelingt es nun, bei einer vorgegeb - nen erwünschten Temperatur der am Prozess betei ligten Flächen, in deren unmittelbaren Umgebung einen Gasentladungszustand herzustellen und aufrecht zuerhalten, bei welchem der zur Kathode fliessende positive Ionenstrom über den für das Entladungs gleichgewicht erforderlichen Wert hinaus grösser, vorzugsweise sogar ein Vielfaches des von den be treffenden Flächen emittierten Elektronenstromes ist, so tritt, wie die Erfahrung gezeigt hat, keine Tendenz zum Übergang in eine Bogenentladung auf.
Die zu erwartende thermische Elektronenemission der am Prozess beiteiligten Flächen muss also für die praktisch vorkommenden Prozesse aus dem jeweiligen Material und der erwünschten Temperatur im voraus ungefähr abgeschätzt werden. Dann muss der Ge samtstrom der Gasentladung auf mindestens den dop pelten Wert vorzusweise aber einen wesentlich höhe- Z, ren Wert dieses abgeschätzten Emissionsstromes ein gestellt werden.
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), Molyb dän (Mo), Thorium (Th) und Bariumoxyd (BaO) im Diagramm gemäss Fig. 2 abhängig von der absoluten Temperatur T aufgetragen. Wie bekannt, tritt bei chemisch reinen Metallen ein merklicher Emissions strom erst bei relativ hohen Temperaturen über etwa 1000' K auf, während bei Metalloxyden und gewissen Legierungen eine um mehrere Grössenordnungen höhere thermische Emission feststellbar ist.
Nun muss aber berücksichtigt werden, dass in der Praxis die glimmtechnischen Prozesse fast ausschliesslich an Legierungen oder wenigstens oberflächlich nicht che misch reinen Werkstücken vorzunehmen sind, bei Reduktionen und Schmelzprozessen sogar Metall oxyde behandelt werden müssen. Dementsprechend kann bei der Abschätzung des eventuell möglichen maximalen thermischen Emissionsstromes 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 maxi mal möglichen Emissionsstromes 1, 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 betei ligten Flächen als möglicher Emissionsstrom einzu setzen ist, um eventuell lokale, mit starker Emission verbundene Oberflächenmängel unwirksam zu ma chen. Für Prozesse, bei denen Metalle und Metall Legierungen (mit Ausnahme von Thorium und Legie rungen, die einen grösseren Prozentsatz von Thorium enthalten) bei über etwa 1500 K behandelt werden, wird Ie gemäss der Linie 68b :geschätzt.
Wird dabei der Gesamtstrom 1 mindestens doppelt so gross wie der für die betreffende Temperatur T aus Linie 68b sich ergebende Wert 1" gemacht, so kann eine stabile Glimmentladung für jede beliebige Temperatur ge währleistet werden. Bei Prozessen, bei denen Metall oxyde an den am Prozess beteiligten Flächen vorhan den sind, empfiehlt es sich, mit mindestens einem Emissionsstrom Ie entsprechend dem Verlauf der Geraden 68c zu rechnen und dementsprechend den Gesamtstrom I mindestens doppelt so gross wie den für die betreffende Temperatur T aus Linie 68c sich ergebenden Wert Ie zu machen.
Es sei aber darauf hingewiesen, dass diese für 1, empfohlenen Kalkula tionswerte nur als Anhaltspunkte für die praktische Verfahrensdurchführung gedacht sind, also keines wegs behauptet werden soll, dass diese Kalkulations werte mit den tatsächlichen Werten von Ie überein stimmen. In der Regel werden vielmehr diese Kalku lationswerte weit über den tatsächlich sich ergebenden Werten von 1, liegen.
Diese Kalkulationswerte stellen jedoch Erfahrungswerte dar, bei deren Zugrunde legung und -entsprechender Bemessung des Gesamt- stromes in mindestens doppelter Höhe von diesen Kalkulationswerten man Glimmentladungen in Kenn linienbereichen und unter Betriebsbedingungen stabil aufrechterhalten kann, bei denen Glimmentladungen bisher unbekannt waren. Die Neuartigkeit dieses Ent ladungsbereiches ergibt sich auch aus der Beobach tung, dass hierbei der Anteil an atomaren Gasen in der Glimmentladungszone wesentlich grösser ist, als er innerhalb der bekannten Entladungsbereiche erzielbar, ist.
Die Einstellung des erforderlichen Gesamtstromes erfolgt vor allem durch Steigerung des Gasdruckes im Entladungsgefäss, der stets -so gross sein muss, dass der Ionenstrom gleich oder grösser als der geschätzte Wert Ie ist.
Dabei ist die erforderliche Betriebsspan nung stets innerhalb der in Fig. 1 eingezeichneten Grenzwerte U1 = 100 V und U2 =<B>1800</B> V :gelegen, meist sogar im Bereich von U3 = 200 V bis U4 = 900 V, so dass die vorliegende Entladungs- technik als ein Gebiet stromstarker 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 Ionendichten vor sich gingen. Ein Beispiel für einen .derartigen Glimmentladungs- prozess zeigt die Photographie in Fig. 3, die durch ein Beobachtungsfenster in der Wandung eines Metallrezipienten während des Betriebes aufgenom men wurde.
Hierbei ist die eine Elektrode ein Molyb dänrohr von .etwa 4,5 mm .er und 50 mm Länge, also 14 cm2 Oberfläche, und :die andere Elektrode ein in etwa 40 mm Abstand hiervorn befindlicher Wolf rambolzen. Die 50 Hz Wechselspannung an den Elektroden beiträgt etwa 700 Volt und der Rezipient enthält Wasserstoff mit einem Druck von 9 mm Hg.
Das Molybdänrohr weist im Entladungsendzustand eine Temperatur von etwa 2000 C, auf, bei einer Energiedichte .entsprechend einer Abstrahlung von etwa 50 Watt/cm2 an der Aussenfläche von 7 cm2, also einer Gesamtleistung von etwa 350 Watt. Bei der genannten Temperatur ist für Molybdän der ther mische 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 Emissions strom.
Bei diesem Gasentladungszustand in der un mittelbaren Umgebung :der Molybdänrohr-Oberfläche ist stabile Glimmentladung vorhanden, welche die sehr hohe Energiedichte von :etwa 50 Watt/cm2 Ober fläche ergibt. Eine Tendenz zum Übergang in eine Bogenentladung besteht trotz der starken thermischen Emission nicht.
Es bereitet keine Schwierigkeiten, mit weiterer Drucksteigerung und geringer Span nungserhöhung den Energie-Umsatz an der Wolfram drahtoberfläche derart zu steigern, dass das Molyb- dänrohr schmilzt (etwa 2700 C), ohne dass die Glimmentladung unstabil wird.
Da der Ionenstrom bei dem vorliegenden Ver fahren, wie oben bereits erwähnt, grösser als der emittierte Elektronenstrom sein muss, dieser aber seinerseits vom Material und von der Temperatur der am Prozess beteiligten Flächen abhängt, kann bei Materialien mit starker thermischer Emission der Fall eintreten, dass der unbedingt notwendige Ionen strom den Prozessflächen eine grössere Energie zu führt,
als zur Aufrechterhaltung der dort erwünschten Temperatur erforderlich ist. Dies würde also dazu führen, dass die Temperatur an den am Prozess be teiligten Flächen steigt, was höhere thermische Emis sion ergäbe und eine Erhöhung des notwendigen Ionenstromes bedingen würde - somit ist hierbei ohne besondere Massnahmen .ein stationärer Ent- ladungs-Endzustand nicht erzielbar.
Die in solchen Fällen erforderliche Massnahme besteht in einer impulsartigen Steuerung der elektri schen Energiezufuhr derart, dass ein Betriebszustand mit dem vollen Ionenstrom, und ein anderer Betriebs zustand mit verringerter Energiezufuhr aber genügend niedriger Spannung periodisch aufeinander folgen. Wie die Erfahrung zeigt, lässt sich hierbei ein Um schlag in eine Bogenentladung vermeiden.
Auf diese Weise kann erreicht werden, dass einerseits der für die Wärmebilanz massgebende zeitliche Mittelwert des Energie-Umsatzes der jeweils erwünschten Tempera tur an den am Prozess beteiligten Flächen angepasst wird, anderseits aber während der Betriebsperioden mit voller Energiezufuhr der zur Gewährleistung eines -stabilen Betriebes erforderliche Ionenstrom bei behalten werden kann.
Bei dem vorliegenden Verfahren kann also der Gasdruck<I>p</I> und auch die Spannung <I>U</I> an der Ent ladungsstrecke nicht willkürlich gewählt werden, son dern es sind korrespondierende Werte einzustellen, um einen stabilen Entladungszustand gewährleisten zu können. Dies kommt im Diagramm nach Fig. 4 zum Ausdruck, in welchem als Abszisse
EMI0004.0035
und als Ordinate
EMI0004.0037
aufgetragen sind.
Im Diagramm nach Fig. 4 sind als Beispiele die Arbeitskennlinien für die in der nachstehenden Ta belle aufgeführten Prozesse enthalten, wobei die ersten drei Prozesse .sowohl in bezug auf Stabilität wie auch auf Wirtschaftlichkeit als wenig günstig festgestellt wurden.
EMI0004.0041
Gesamtstrom- <SEP> Ionenstrom Prozessfläche <SEP> Gasdruck <SEP> Betriebsspannung
<tb> Nr. <SEP> in <SEP> cm= <SEP> Gasart <SEP> in <SEP> mm <SEP> Hg <SEP> in <SEP> Volt <SEP> Stromart <SEP> dichte <SEP> i <SEP> dichte
<tb> in <SEP> mA/cm2 <SEP> in <SEP> mA/cm2
<tb> 70 <SEP> 650 <SEP> H2 <SEP> 1,2 <SEP> 540...1040 <SEP> Gleichstrom <SEP> 0,7 <SEP> ... <SEP> 8 <SEP> 0,68... <SEP> 5,6
<tb> 71 <SEP> 4000 <SEP> N2 <SEP> + <SEP> H2 <SEP> 0,75 <SEP> 370 <SEP> <B>...</B> <SEP> 680 <SEP> Gleichstrom <SEP> 0,4 <SEP> <B>...</B> <SEP> 7,1 <SEP> 0,39 <SEP> <B>...</B> <SEP> 4,4
<tb> 72 <SEP> 650 <SEP> H2 <SEP> 1,4 <SEP> 510...1040 <SEP> Gleichstrom <SEP> 1,2 <SEP> ... <SEP> 5,3 <SEP> 1,14...
<SEP> 4,3
<tb> 73 <SEP> 4000 <SEP> N2 <SEP> + <SEP> H2 <SEP> 6 <SEP> 250 <SEP> <B>...</B> <SEP> 600 <SEP> Gleichstrom <SEP> 0,43 <SEP> <B>...</B> <SEP> 18 <SEP> 0,42 <SEP> <B>...</B> <SEP> 11,5
<tb> 74 <SEP> 650 <SEP> H2 <SEP> 11 <SEP> 350... <SEP> 500 <SEP> Gleichstrom <SEP> 1,3 <SEP> <B>... <SEP> <I>15,5</I></B> <SEP> 1,23...12,1
<tb> 75 <SEP> 650 <SEP> H2 <SEP> 5,5 <SEP> 240... <SEP> 560 <SEP> Gleichstrom <SEP> 1,3 <SEP> <B>... <SEP> 12,5</B> <SEP> 1,2 <SEP> ...
<SEP> 9,6
<tb> 76 <SEP> 34000 <SEP> N2 <SEP> + <SEP> H2 <SEP> 5 <SEP> 320 <SEP> <B>...</B> <SEP> 425 <SEP> Gleichstrom <SEP> 0,4 <SEP> <B>...</B> <SEP> 2,1 <SEP> 0,39 <SEP> <B>...</B> <SEP> 1,96
<tb> 77 <SEP> 100 <SEP> H2 <SEP> 30 <SEP> 590 <SEP> Wechselstrom <SEP> 44,3 <SEP> 38,2
<tb> 78 <SEP> 100 <SEP> H2 <SEP> 45 <SEP> 700 <SEP> Wechselstrom <SEP> 58,6 <SEP> 49,1
<tb> 79 <SEP> 50 <SEP> H2 <SEP> 75 <SEP> 610 <SEP> Wechselstrom <SEP> <B>1</B>70 <SEP> 134 Günstige Beispiele für das vorliegende Verfahren kennzeichnen sich durch
EMI0004.0043
Innerhalb dieses, im Diagramm durch die Linien 80 bzw.
81 angedeuteten Bereiches liegen sämtliche Arbeitskennlinien oder Kenndaten der gemäss den oben beschriebenen Regeln durchführbaren Glimm entladungsprozesse. Der in den Beispielen 73 bis 79 umfasste Bereich umfasst dabei eine Leistung der Entladung von 200 bis 30000 Watt, und eine Strom- dichte i von 0,4 bis 170 mA/cm2. Sämtliche angege benen Kennlinien 70 bis 76 wurden experimentell ermittelt, und die Prozesse entsprechend den Bei spielen 77, 78, 79 stellen mit hohem Leistungs umsatz durchgeführte Schmelzprozesse dar.
Es sei noch ausdrücklich erwähnt, dass auch inner- halb der für das vorliegende Verfahren geltenden und oben angegebenen Grenzen, für den Gasdruck p günstigere und ungünstigere Werte existieren, nicht in bezug auf Stabilität, wohl aber in bezug auf den Wirkungsgrad der Prozesse, also deren Wirtschaft- lichkeit.
Die oben angegebene Regel - Ionenstrom stets grösser :als Elektronen-Emissionsstrom - zur Vermei dung unstabiler Bereiche der Entladungskennlinie, gilt natürlich nicht nur für den Entladungs-End- zustand, sondern muss auch während des Anlaufvor gangs berücksichtigt werden. Natürlich ist bei Beginn des Anlaufvorgangs, infolge der meist niedrigen Temperatur der am Prozess beteiligten Flächen, die reguläre thermische Elektronenemission gering, so dass die angegebene Regel normalerweise einfach eingehalten werden kann.
Jedoch isst hier zu beachten, dass neben der regulären thermischen Elektronen emission häufig ein starker Elektronenstrom von ein zelnen oxydierten oder sonstwie verunreinigten Ober flächenpunkten emittiert werden kann.
Derartige spontan und an verschiedenen Stellen gleichzeitig auftretende Elektronenemissionen können derartige Stromdichten besitzen, dass trotz eines Ionen stromes von z. B. 0,1 mA/cm2, an der betreffenden Stelle die Feldverteilung im Kathodenfallraum weit gehend gestört wird, was leicht zu örtlich begrenzter Bogenladung führen könnte, würden beim Anlauf vorgang nicht die besonderen Massnahmen getroffen (Syrienimpedanz im Speisestromkreis, trägheitslose Steuerung zur Strombegrenzung).
Ein Beispiel für die Erscheinungen beim Anlauf vorgang in einem zylindrischen Metallrezipienten von etwa 350 mm lichter Weite zeigen die hier darge stellten Fig. 5 und 6, und zwar für die Oberflächen behandlung eines im Rezipienten isoliert aufgehängten Stahlrohres von etwa 20 mm lichter Weite, 70 mm Aussendurchmesser und 2400 mm Länge.
Bei dieser Versuchsanordnung, welche im Schweizer Patent Nr. 355233 anhand von Fig. 8 beschrieben wurde, ist ein Metalldraht gespannt aufgehängt. Am oberen Ende ist senkrecht oberhalb des Rohres ein schräg gestellter Spiegel angeordnet, über den durch ein Beobachtungsfenster am oberen Ende des Rezipienten das Rohr und die Innenwand des Rezipienten wäh rend des Betriebes beobachtet werden können. Die Aufgabe besteht nun darin, die energiereiche Ent ladung weitgehend auf die Innen- und Aussenseite des Rohres zu konzentrieren.
Zu Beginn des Anlaufvorgangs bei dieser Ver suchsanordnung bietet das Innere des Rezipienten das in Fig. 5 wiedergegebene Bild. Es ist ersichtlich, dass einzelne Stellen der Aussenseite des Rohres un regelmässige Glimmentladungserscheinungen zeigen, einige davon mit starker Emission, was Entladungs bahnen zwischen dem Rohr und der Innenwandung des Rezipienten ergibt.
Stark emittierende .Stellen würden ohne die oben genannten Massnahmen im Speisestromkreis ziemlich sicher zu Bogenentladun gen zwischen dem Rohr und der Rezipientenwandung führen. Die stark emittierenden Stellen der Wandung des Rohres rühren von Verunreinigungen, Oxyd schichten oder anderen Mängeln der Oberfläche her und wandern in unregelmässiger Weise über dessen ganze Aussenseite.
Am Ende des Anlaufzustandes zeigt sich dagegen das in Fig. 6 wiedergegebene Bild. Die Glimmentla dung ist nunmehr weitgehend auf das Rohr konzen triert und an der Innenwandung des Rezipienten sind nur noch Glimmspuren (Anodenlichter) sichtbar.
Die Glimmentladung hat ihren Endzustand mit vorgege- benem Ionenstrom erreicht, wobei im vorliegenden Fall das Stahlrohr eine Temperatur von 510 'C aufweist und mit einer Energiedichte von etwa 1,5 Watt/cm2 an der gesamten Oberfläche betrieben wird. Die wäh rend des Anlaufvorgangs im Speisestromkreis liegende Serienimpedanz ist ausgeschaltet.
Die Summe aller Impedanzen im Speisestromkreis soll nach Erreichen des Entladungs-Endzustandes nicht mehr als höch stens 30 4, vorzugsweise weniger als 10-0/a der Impe danz sämtlicher Entladungsstrecken, .gemessen an den Anschlüssen der Versuchseinrichtung betragen.
Inder Praxis hat es sich als zweckmässig heraus gestellt, wenn der Anlaufvorgang in zwei Abschnitten mit unterschiedlichem Betrieb des Entladungsgefässes, beispielsweise des Rezipienten der Versuchseinrich- tung, erfolgt.
Beim einen dieser zeitlich aufeinander- folgenden zwei Abschnitte wird durch geeignete Wahl des Druckes und der Spannung eine wenigstens teil weise Konzentration der Glimmentladung auf die spannungsbeanspruchten Flächen der Stromdurch- führungen bewirkt.
Beim anderen Abschnitt wird eine Glimmentladung erzeugt, die möglichst alle anderen spannungführenden Teile innerhalb des Entladungs gefässes gleichmässig überzieht.
Da natürlich die zu behandelnden Werkstücke und deren Halterungen stets mit den Stromzuführungen verbunden sind, ist die Beeinflussung der Ausbreitung und des Energie- Umsatzesder Glimmentladung zwecks Dumchführung der beiden Abschnitte des Anlaufvorganges nur durch geeignete Einstellung des Druckes im Entladungs- gefäss und der an den <RTI
ID="0005.0082"> Stromzuführungen liegenden Spannung möglich. Diese unterschiedlichen Betriebs daten werden zwar nacheinander eingestallt, jedoch ist nicht in allen Fällen eine scharfe Trennung der in beiden Abschnitten erfolgenden Behandlungen möglich und notwendig.
Zur Erzielung einer Glimmentladung an den span nun:gsbeanspruchten Flächen der Stromdurchführun- gen der Versuchsanordnung sind deshalb wesentlich andere Betriebsdaten .des Entladungsgefässes erforder- lich, weil an derartigen Stromdurchführungen. meist besondere Mittel vorgesehen sind,
um bei den nor malen Betriebsdaten des Erntladungs-Endzustandes diese spannungsbeanspruchten Flächen von Glimm- entladungen. möglichst frei zu halten. Solche Mittel bestehen beispielsweise in einem .engen, die Strom durchführung konzentrisch umgebenden Spaltsystem vor dem Isolator.
Ist ein bestimmter Betriebsdruck vorgesehen, so kann die Spaltbreite gering genug gemacht werden, dass im Spaltinneren nur noch eine sogenannte behinderte Glimmentladung entstehen kann, deren Energiedichte wesentlich niedriger als diejenige -einer normalen Glimmentladung ist.
Um also eine stärkere Glimmentladung in einem derartigen Spaltsystem, dessen Wandungen stets Flächen mit hoher Spannungsbeanspruchung darstellen, zu er- zwingen, muss der Druck im Enthadungsgefäss gestei gert werden, normalerweise über den für den Ent- ladungs-Endzustand vorgesehenen Druck hinaus.
Der erforderliche Druck für diesen Abschnitt des Anlauf vorgangs ist weitgehend durch die geometrische Ge stalt und die Dimensionen des Spaltsystems bestimmt.
Besitzen die Werkstücke und das Gefäss normale Zimmertemperatur, dann gelingt durch Einstellung eines genügend hohen Druckes im Entladungsgefäss tatsächlich ;eine weitgehende Konzentration der Glimmentladung auf die Stromdurchführungen und deren Spaltsystem.
Die Betriebsspannung wird dabei auf einen Wert eingestellt, der zur Erzielung eines Temperaturanstiegs an den spannungbeanspruchten, den Spalt begrenzen den Flächen ausreicht.
Durch die Wirkung der ' Glimmentladung mit ihrem Ionenbombardement und die zumindest ober- flächliche Erwärmung der spannungsbeanspruchten Flächen werden andenselben alle Mängel beseitigt, die wie etwa eine Gasabgabe, Verdampfung, Elektro nenemission und dergleichen zu Unregelmässigkeiten der Entladung Anlass geben.
Dieser Abschnitt des Anlaufvorgangs wird jedenfalls so lange fortgesetzt, bis dies erreicht ist, was - wie die Erfahrung zeigt stets gelingt.
Der andere Abschnitt des Anlaufvorgangs kann dann -gemäss den im Patent Nr. 355233 enthaltenen Angaben durchgeführt werden. Bei allen .beschrie benen, Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfin dung bildenden Verfahren werden stets auch die Merkmale des Patentanspruches des Patentes Num mer 355233 beachtet.