CH373484A - Process for carrying out processes by means of electrical glow discharges - Google Patents

Process for carrying out processes by means of electrical glow discharges

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CH373484A
CH373484A CH1218754A CH1218754A CH373484A CH 373484 A CH373484 A CH 373484A CH 1218754 A CH1218754 A CH 1218754A CH 1218754 A CH1218754 A CH 1218754A CH 373484 A CH373484 A CH 373484A
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CH1218754A
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German (de)
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Berghaus Bernhard
Bucek Hans
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Berghaus Elektrophysik Anst
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Description

  

  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.



  Method for carrying out processes by means of electrical glow discharges The present invention relates to a method for carrying out processes by means of an electric glow discharge in a discharge vessel with connections for the discharge and supply of gases.



  Occasional difficulties arose during the operational implementation of the technical glow discharge processes and undesirable instabilities of the discharge were observed. It has also been shown that the individual measures, for example the choice of gas pressure, not only have to be selected according to the criteria given, but also have to be in a rather intricate relationship with all other measures taken.

   A closer examination of these conditions has led to the realization that the measures explained in patent no. 355233 for initiating and carrying out such glow discharge processes are necessary, but not sufficient in every case.



  The present invention aims to create a uniform technical rule to which all determinants for initiating and carrying out such technical glow discharge processes are clearly subordinate. It is characteristic of the method according to the invention that a gas discharge state is produced and maintained in the immediate vicinity of at least the surfaces involved in the process, in which everywhere the electron flow emitted by the surfaces is more than compensated by the ion flow to the surfaces in question, so that a transition in unstable Be rich in the discharge characteristic and a contraction of the discharge on a focal point is avoided.



  Preferably, an ion current of at least 0.1 mA is set for electron current densities of the surfaces involved in the process, which are significantly below 0.1 mA / cm2, so that the above-mentioned overcompensation even with localized overheating of the surfaces and local increases in the electron current density caused by this is guaranteed, so that a cathode drop is maintained at a total discharge voltage greater than about 100 volts.



  The invention is explained in more detail below in a few exemplary embodiments of the method and with reference to FIGS. 1 to 6 of the accompanying drawings. 1 shows a typical current-voltage characteristic curve of conventional glow discharges, in comparison with one according to an exemplary embodiment:

  of the process according to the invention achievable characteristic, Fig. 2 is a diagram of thermal emission streams 1e, depending on the absolute temperature, Fig. 3 is a photograph of the interior of a discharge vessel with a molybdenum tube as a cathode, for the purpose of reproducing the final state of discharge according to an embodiment of the process carried out according to the invention, FIG. 4 shows a diagram of the process area of interest here in a special coordinate system, FIGS. 5 and 6 each show a photograph of the interior of the recipient of an experimental arrangement, which is described in the Swiss patent 1 \ 1r. 355233, Fig.

   8, is explained, both at the beginning and at the end of the start-up process.



  It is known that the current-voltage characteristic of an electrical glow discharge of the type known up to now has a range of constant operating voltage and a range of rising operating voltage following higher current values, the latter range being followed by a further increase in current a falling part of the characteristic curve follows, in the lower part of which the discharge changes into an arc discharge.



  In the current-voltage diagram of FIG. 1, the characteristic curve 65 shows the typical course of glow discharges with direct voltage according to the prior art and science (see, for example, Dosse, Mierdel, The electric current in high vacuum and in gases Hirzel 1945 , Page 317, and Loeb Fundamental Process of electrical Discharges in Gases Verlag Wiley 1947, pages 606 to 608).



  The normal range X of the discharge ends at the current at which the live electrode parts are completely covered by glow light. With a further increase in voltage, the voltage and discharge current increase, with the increasing voltage, which is known to be largely concentrated on the so-called cathode drop immediately in front of the negative electrode, causes the positive gas ions to hit the electrode surface with increased kinetic energy.

   With DC voltage operation, this occurs constantly at the cathode, while b. -i AC voltage operation, each electrode becomes a cathode for one half cycle. In the case of an undisturbed glow discharge in the cathode drop space, an equilibrium is established between the ion current to the electrode surface and the electrodes released there. The energy of the impacting ions, which increases with an increase in voltage, causes the electrode in question to heat up, which leads to thermal electron emission from the electrode metal.

   This thermal emission flow of electrons and other so far poorly understood emission processes at the electrode in interaction with the neighboring gas layer can lead to a contraction of the discharge on a focal point and to the ignition of an arc between the electrode and the nearest counter-electrode. This transition into the arc discharge corresponds approximately to the point 67 of the characteristic curve 65, which is always located where the glow discharge cathode fall is largely caused to disappear by the electron emission of the electrode metal. The total discharge voltage of the arc discharge is always less than half the glow discharge voltage when operating in the normal range of the characteristic.

   It should be expressly pointed out here that the physical conditions for high-energy glow discharges have not yet been fully clarified. For example, there is the possibility that another emission takes place before the thermal one, such as a secondary electron emission, a field emission, etc. Also, arc discharges without a pronounced focal spot have already been described in the literature, but for which the operating voltage, which is much lower than the glow discharge voltage, is just as characteristic is the same as for the arc discharge contracted onto a focal point.

   The above explanation of the transition from a glow to an arc discharge represents one of the possible explanations according to the current state of the art, but serves only as a working hypothesis for the present method, which was developed from experimental investigations.



  For technical processes using glow discharges, the transition to an arc discharge must be avoided under all circumstances, as this always results in local overheating at individual points on the electrode surfaces and does not enable uniform, reproducible processes of the type discussed here. The endeavor to increase the energy of the glow discharges was therefore previously limited by the heating of the electrodes and their thermal electrode emission, which inevitably led to a transition to an arc discharge with a more or less pronounced contraction of the discharge Electrode areas with a simultaneous drop in the discharge voltage to values mostly well below 100 volts.

   It has therefore not been possible in the past to avoid the unstable transition region of the discharge characteristic from the glow to the arc discharge when the energy conversion of the glow discharge increases. Although it is possible to achieve stable operation by trying out the favorable settings, it is difficult to find the correct setting and a certain degree of uncertainty is inevitable.



  The present method, on the other hand, now enables any desired increase in the energy conversion of the glow discharge up to any temperature on the electrode surfaces involved in the process, while ensuring a steadily running, constantly rising characteristic, as indicated by 66 in FIG. This is made possible by the fact that the electron emission of all metals and their compounds has a certain value that cannot be exceeded for any temperature. For most chemically pure substances, the emission per unit area is precisely known as a function of temperature.

   If it is now possible to establish and maintain a gas discharge state in their immediate vicinity at a specified desired temperature of the surfaces involved in the process, in which the positive ionic current flowing to the cathode is greater, preferably even greater than the value required for the discharge equilibrium is a multiple of the electron current emitted by the surfaces concerned, as experience has shown, there is no tendency to transition into an arc discharge.



  The expected thermal electron emission of the surfaces involved in the process must therefore be estimated in advance for the practically occurring processes from the respective material and the desired temperature. Then the total current of the gas discharge must be set to at least twice the value, but preferably a significantly higher value of this estimated emission current.



  The thermal emission current Ie can be calculated for chemically pure metals and metal compounds using the so-called Richardson formula and, for example, for platinum (Pt), tungsten (Wo), molybdenum (Mo), thorium (Th) and barium oxide (BaO) in the diagram according to Fig. 2 plotted as a function of the absolute temperature T. As is known, with chemically pure metals a noticeable emission current occurs only at relatively high temperatures above about 1000 K, while with metal oxides and certain alloys a thermal emission which is several orders of magnitude higher can be determined.

   However, it must now be taken into account that in practice the glowing processes are to be carried out almost exclusively on alloys or at least not superficially chemically pure workpieces; in the case of reductions and melting processes, even metal oxides must be treated. Accordingly, when estimating the possible maximum thermal emission current, the values for chemically pure metals cannot be assumed.



  In the diagram of FIG. 2, three straight lines 68a, 68b, 68c are entered, which are used to estimate the maximum possible emission current 1 for processes according to the present method. The line 68a represents the minimum current Ie, which is to be used as a possible emission current even at any low temperature of the surfaces involved in the process in order to make any local surface defects associated with high emissions ineffective. For processes in which metals and metal alloys (with the exception of thorium and alloys which contain a larger percentage of thorium) are treated at above about 1500 K, Ie is estimated according to line 68b:.

   If the total current 1 is made at least twice as large as the value 1 "resulting from the relevant temperature T from line 68b, then a stable glow discharge can be guaranteed for any temperature. In processes in which metal oxides are connected to the process involved surfaces are available, it is advisable to calculate with at least one emission current Ie corresponding to the course of the straight line 68c and accordingly to make the total current I at least twice as large as the value Ie resulting for the temperature T in question from line 68c.

   It should be noted, however, that these calculation values recommended for 1 are only intended as a guide for the practical implementation of the process, i.e. it should by no means be claimed that these calculation values agree with the actual values of Ie. As a rule, these calculation values will rather be far above the actual values of 1.

   However, these calculation values represent empirical values which, based on and appropriate measurement of the total current at at least twice the amount of these calculation values, allow glow discharges to be maintained stably in characteristic curve areas and under operating conditions where glow discharges were previously unknown. The novelty of this discharge area also results from the observation that the proportion of atomic gases in the glow discharge zone is significantly greater than can be achieved within the known discharge areas.



  The setting of the required total current takes place primarily by increasing the gas pressure in the discharge vessel, which must always be large enough that the ion current is equal to or greater than the estimated value Ie.

   The required operating voltage is always within the limit values U1 = 100 V and U2 = <B> 1800 </B> V: shown in FIG. 1, mostly even in the range from U3 = 200 V to U4 = 900 V, see above that the present discharge technology can be described as an area of high-current, low-voltage glow discharges.

   This glow discharge area thus differs fundamentally from the previously proposed glow discharge processes with a few thousand volts, which always took place with lower ion densities. An example of such a glow discharge process is shown in the photograph in FIG. 3, which was taken through an observation window in the wall of a metal receptacle during operation.

   Here, one electrode is a molybdenum tube approx. 4.5 mm. And 50 mm long, i.e. 14 cm2 surface area, and: the other electrode is a mincer bolt located about 40 mm in front of it. The 50 Hz alternating voltage at the electrodes contributes about 700 volts and the recipient contains hydrogen with a pressure of 9 mm Hg.

    In the final discharge state, the molybdenum tube has a temperature of about 2000 C, with an energy density corresponding to a radiation of about 50 watts / cm2 on the outer surface of 7 cm2, i.e. a total power of about 350 watts. At the temperature mentioned, the thermal emission current for molybdenum according to FIG. 2 is about 4 mA / cm2, a total of about 56 mA. In contrast, the total current that heats up the molybdenum tube is around 500 mA, i.e. about ten times the size of the emission current.

   With this gas discharge state in the immediate vicinity: the molybdenum tube surface, there is a stable glow discharge, which results in the very high energy density of: approx. 50 watt / cm2 surface. Despite the strong thermal emission, there is no tendency to transition into an arc discharge.

   There is no difficulty in increasing the energy conversion on the tungsten wire surface with a further increase in pressure and a slight increase in voltage so that the molybdenum tube melts (approx. 2700 C) without the glow discharge becoming unstable.

        Since the ion current in the present process, as already mentioned above, must be greater than the emitted electron current, but this in turn depends on the material and the temperature of the surfaces involved in the process, it can happen with materials with strong thermal emission that the absolutely necessary ion current leads to a greater amount of energy in the process surfaces,

       than is necessary to maintain the desired temperature there. This would lead to a rise in the temperature of the surfaces involved in the process, which would result in higher thermal emissions and an increase in the necessary ion current - a stationary end-of-discharge state cannot be achieved without special measures.



  The measure required in such cases consists of a pulse-like control of the electrical energy supply in such a way that one operating state with the full ion current and another operating state with reduced energy supply but sufficiently low voltage periodically follow one another. As experience shows, this avoids a sudden change in an arc discharge.

   In this way, it can be achieved that, on the one hand, the temporal mean value of the energy conversion of the respectively desired temperature, which is decisive for the heat balance, is adapted to the surfaces involved in the process, but on the other hand, during the operating periods with full energy supply, the necessary to ensure stable operation Ion current can be maintained at.



  With the present method, the gas pressure <I> p </I> and also the voltage <I> U </I> on the discharge path cannot be chosen arbitrarily, but corresponding values have to be set in order to ensure a stable discharge state to be able to. This is expressed in the diagram according to FIG. 4, in which the abscissa
EMI0004.0035
   and as the ordinate
EMI0004.0037
   are applied.



  The diagram according to FIG. 4 contains the working characteristics for the processes listed in the table below as examples, the first three processes being found to be less favorable in terms of both stability and economy.

    
EMI0004.0041
  
    Total current <SEP> ion current process area <SEP> gas pressure <SEP> operating voltage
<tb> No. <SEP> in <SEP> cm = <SEP> Type of gas <SEP> in <SEP> mm <SEP> Hg <SEP> in <SEP> Volt <SEP> Type of current <SEP> density <SEP> i <SEP> density
<tb> in <SEP> mA / cm2 <SEP> in <SEP> mA / cm2
<tb> 70 <SEP> 650 <SEP> H2 <SEP> 1.2 <SEP> 540 ... 1040 <SEP> direct current <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> Direct current <SEP> 0.4 <SEP> <B> ... </B> <SEP> 7.1 <SEP> 0.39 <SEP> <B> ... </B> <SEP> 4, 4th
<tb> 72 <SEP> 650 <SEP> H2 <SEP> 1.4 <SEP> 510 ... 1040 <SEP> direct current <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> direct current < 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> direct current <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> direct current <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> direct current < 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> alternating current <SEP> 44.3 <SEP> 38.2
<tb> 78 <SEP> 100 <SEP> H2 <SEP> 45 <SEP> 700 <SEP> alternating current <SEP> 58.6 <SEP> 49.1
<tb> 79 <SEP> 50 <SEP> H2 <SEP> 75 <SEP> 610 <SEP> alternating current <SEP> <B> 1 </B> 70 <SEP> 134 Favorable examples for the present method are characterized by
EMI0004.0043
  
     Within this, in the diagram by the lines 80 resp.

   81 all the operating characteristics or characteristics of the glow discharge processes that can be carried out in accordance with the rules described above are located in the area indicated. The range encompassed in Examples 73 to 79 includes a discharge power of 200 to 30,000 watts and a current density i of 0.4 to 170 mA / cm2. All of the specified characteristics 70 to 76 were determined experimentally, and the processes in accordance with examples 77, 78, 79 represent melting processes carried out with high output.



  It should also be expressly mentioned that even within the limits specified above for the present process, there are more favorable and less favorable values for the gas pressure p, not with regard to stability, but certainly with regard to the efficiency of the processes, i.e. their Economics.



  The rule given above - ion current always greater than electron emission current - to avoid unstable areas of the discharge characteristic, of course not only applies to the final discharge state, but must also be taken into account during the start-up process. Of course, at the start of the start-up process, due to the mostly low temperature of the surfaces involved in the process, the regular thermal electron emission is low, so that the specified rule can usually be easily observed.

   However, it should be noted here that, in addition to the regular thermal electron emission, a strong electron current can often be emitted from individual oxidized or otherwise contaminated surface points.



  Such electron emissions occurring spontaneously and at different points at the same time can have such current densities that despite an ion current of z. B. 0.1 mA / cm2, the field distribution in the cathode drop space is largely disturbed at the point in question, which could easily lead to locally limited arc charging if the special measures were not taken during the start-up process (Syria impedance in the supply circuit, inertia-free control for current limitation) .



  An example of the phenomena during the start-up process in a cylindrical metal receptacle of about 350 mm clear width is shown in FIGS. 5 and 6 presented here, specifically for the surface treatment of a steel pipe of about 20 mm clear width, 70 mm, suspended in isolation in the recipient Outside diameter and 2400 mm length.

   In this test arrangement, which was described in Swiss Patent No. 355233 with reference to FIG. 8, a metal wire is suspended taut. At the upper end, an inclined mirror is arranged vertically above the tube through which the tube and the inner wall of the recipient can be observed during operation through an observation window at the upper end of the recipient. The task now is to concentrate the high-energy discharge largely on the inside and outside of the pipe.



  At the beginning of the start-up process in this test arrangement, the interior of the recipient offers the image shown in FIG. It can be seen that individual points on the outside of the tube show irregular glow discharge phenomena, some of them with strong emissions, which results in discharge paths between the tube and the inner wall of the recipient.

   Strongly emitting points would, without the above measures in the supply circuit, lead to arc discharges between the tube and the recipient wall. The highly emitting points on the wall of the tube are caused by impurities, oxide layers or other surface defects and migrate in an irregular manner over the entire outside.



  At the end of the start-up state, however, the picture shown in FIG. 6 is shown. The glow discharge is now largely concentrated on the tube and only glowing traces (anode lights) are visible on the inside wall of the recipient.

   The glow discharge has reached its final state with a specified ion current, whereby in the present case the steel tube has a temperature of 510 ° C. and is operated with an energy density of approximately 1.5 watt / cm2 over the entire surface. The series impedance in the supply circuit during the start-up process is switched off.

   The sum of all impedances in the supply circuit should not be more than maximum 30 4, preferably less than 10-0 / a of the impedance of all discharge paths, measured at the connections of the test device after reaching the end of discharge.



       In practice it has been found to be useful if the start-up process takes place in two sections with different operation of the discharge vessel, for example the recipient of the test device.

       In one of these two sections that follow one another in time, an at least partial concentration of the glow discharge on the stressed areas of the power feedthroughs is brought about by a suitable choice of pressure and voltage.

   In the other section, a glow discharge is generated which, as far as possible, evenly covers all other live parts within the discharge vessel.

   Since, of course, the workpieces to be treated and their holders are always connected to the power supply, the influence on the spread and the energy conversion of the glow discharge for the purpose of dumming the two sections of the start-up process is only possible by setting the pressure in the discharge vessel and the pressure on the RTI appropriately

   ID = "0005.0082"> Lying voltage possible. These different operating data are stored one after the other, but a clear separation of the treatments taking place in both sections is not possible and necessary in all cases.



  In order to achieve a glow discharge on the areas of the current feedthroughs in the test arrangement that are now under stress, significantly different operating data of the discharge vessel are required because such current feedthroughs. usually special funds are provided,

   In the normal operating data of the final discharge state, these stressed areas of glow discharges. as free as possible. Such means consist, for example, in a narrow gap system in front of the insulator that concentrically surrounds the current implementation.

   If a certain operating pressure is provided, the gap width can be made small enough that only a so-called hindered glow discharge can arise in the gap interior, the energy density of which is significantly lower than that of a normal glow discharge.

   In order to force a stronger glow discharge in such a fissure system, the walls of which always represent surfaces with high voltage stress, the pressure in the discharge vessel must be increased, normally beyond the pressure intended for the final discharge state.

   The pressure required for this section of the startup process is largely determined by the geometric shape and the dimensions of the gap system.

         If the workpieces and the vessel have normal room temperature, then by setting a sufficiently high pressure in the discharge vessel, the glow discharge can be largely concentrated on the current feedthroughs and their gap system.



  The operating voltage is set to a value that is sufficient to achieve a temperature increase at the stressed, the gap limit the surfaces.



       Through the effect of the glow discharge with its ion bombardment and the at least superficial heating of the stressed surfaces, all deficiencies are eliminated that give rise to irregularities in the discharge, such as gas release, evaporation, electron emission and the like.

   In any case, this section of the start-up process is continued until this is achieved, which - as experience shows, always succeeds.



  The other section of the start-up process can then be carried out in accordance with the information contained in Patent No. 355233. In all .beschrie enclosed, exemplary embodiments of the present inven tion forming method, the features of the claim of patent number 355233 are always observed.

 

Claims (1)

PATENTANSPRUCH Verfahren zur Durchführung von Prozessen mit tels einer elektrischen Glimmentladung in einem Ent ladungsgefäss mit Anschlüssen für die Abführung und Zuführung von Gasen, dadurch gekennzeichnet, dass in unmittelbarer Umgebung mindestens der am Prozess beteiligten Flächen ein Gasentladungszustand herge stellt und aufrechterhalten wird, bei .dem überall der von den Flächen emittierte Elektronenstrom seitens des Ionenstromes zu den betreffenden Flächen mehr .als kompensiert wird, damit ein Übergang in unstabile Bereiche : PATENT CLAIM A method for carrying out processes by means of an electrical glow discharge in a discharge vessel with connections for the discharge and supply of gases, characterized in that a gas discharge state is established and maintained in the immediate vicinity of at least the surfaces involved in the process, at all times the electron flow emitted from the surfaces by the ion current to the surfaces concerned is more than compensated for, so that a transition into unstable areas: der Entladungskennlinie sowie eine Kontraktion der Entladung auf einem Brennfleck vermieden wird. UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass ein Gesamtstrom im Entladungs- Endzustand eingestellt wird, der eine Ionenstrom dichte ergibt, die bis zu Temperaturen von 60011K grösser als 0,1 mA/cm2 und bei höheren Tempera turen als 600 K grösser als der durch die Gerade 68c in dem in Fig.2 dargestellten Diagramm Ie = Ie (n gegebene Wert ist. the discharge characteristic and a contraction of the discharge on a focal spot is avoided. SUBClaims 1. The method according to claim, characterized in that a total current is set in the final discharge state, which results in an ion current density that is greater than 0.1 mA / cm2 up to temperatures of 60011K and greater than 600 K at higher temperatures than the value given by the straight line 68c in the diagram Ie = Ie (n. 2. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass ein Gesamtstrom im Entladungs- Endzustand eingestellt wird, der eine Ionenstrom- dichte ergibt, die bis zu Temperaturen von 1460o K grösser als 0,1 mA/cm2 und bei höheren Tempera turen als 14601>K grösser als der durch die Gerade 68b :in dem in Fig. 2 dargestellten Diagramm Ie - Ie (Z3 gegebene Wert ist. 3. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch ge- kennzeichnet, dass eine Gesamtspannung an der Ent ladungsstrecke eingestellt wird, die wenigstens im Entladungs-Endzustand zwischen den Werten von 100 Volt und 1800 Voltgelegen ist (Fig. 1). 4. 2. The method according to claim, characterized in that a total current is set in the final discharge state, which results in an ion current density that is greater than 0.1 mA / cm2 up to temperatures of 1460o K and temperatures higher than 14601> K is greater than the value given by the straight line 68b: in the diagram Ie - Ie (Z3 shown in FIG. 2. 3. Method according to claim, characterized in that a total voltage is set on the discharge path that is at least in The discharge end state is between the values of 100 volts and 1800 volts (Fig. 1). Verfahren nach Unteranspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gesamtspannung eingestellt wird, die zwischen den Werten 200 Volt und 900 Volt gelegen ist (Fig. 1). 5. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass der Gasdruck p im Entladungs gefäss, die Gesamtspannung U an der Entladungs strecke und die Gesamtstromdichte i der am Prozess beteiligten Flächen derart voneinander abhängig ge wählt werden, dass mindestens von einer bestimmten Näherung zum Entladungs-Endzustand an in einem Diagramm der Abhängigkeit EMI0006.0062 die Betriebskennlinie des Glimmentladungsprozesses innerhalb des Bereiches gelegen ist, Method according to dependent claim 3, characterized in that a total voltage is set which is between the values 200 volts and 900 volts (Fig. 1). 5. The method according to claim, characterized in that the gas pressure p in the discharge vessel, the total voltage U on the discharge path and the total current density i of the surfaces involved in the process are selected depending on each other in such a way that at least a certain approximation to the discharge Final state on in a diagram of the dependency EMI0006.0062 the operating characteristic of the glow discharge process is located within the range, der alle Werte kleiner als EMI0006.0063 umfasst (Fig.4). 6. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass im Entladungs-Endzustand die Summe aller Impedanzen in den Speisestromkreisen der Entladungsstrecken niedriger als 30% des Wider standswertes der Entladungsstrecken selbst gehalten wird. of all values less than EMI0006.0063 includes (Fig. 4). 6. The method according to claim, characterized in that in the discharge end state the sum of all impedances in the supply circuits of the discharge paths is kept lower than 30% of the resistance value of the discharge paths themselves. 7. Verfahren nach Unteranspruch 6, dadurch gekennzeichnet, d;ass die genannte Summe aller Impe- danzen niedriger als 10,% des Widerstandswertes der Entladungsstrecken selbst gehalten wird. 7. The method according to dependent claim 6, characterized in that said sum of all impedances is kept lower than 10.% of the resistance value of the discharge paths themselves. B. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch .ge kennzeichnet, :dass der Anlaufvorgang in mehreren zeitlichen Abschnitten vorgenommen wird, darunter mindestens einen Abschnitt, bei dem durch Wahl von Druck und Spannung eine weitgehende Konzen tration der Glimmentladung auf die spannungsbe anspruchten Flächen der Stromdurchführungen er folgt, und ferner mindestens einen anderen Abschnitt, bei dem eine Glimmentladung an möglichst allen anderen spannungsführenden Bauelementen hervor gerufen wird. 9. B. The method according to claim, characterized .ge: that the start-up process is carried out in several temporal segments, including at least one segment in which the choice of pressure and voltage results in an extensive concentration of the glow discharge on the voltage-stressed areas of the power feedthroughs , and also at least one other section in which a glow discharge is caused on all other live components. 9. Verfahren nach Unteranspruch 8 in einem Entladungsgefäss, in welchem bei Stromdurchführun gen zur Erschwerung der Ausbildung von Glimment- ladungen beim Betriebsdruck ein Spaltsystem vorge sehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass im erstgenann ten Abschnitt des Anlaufvorgangs der Druck auf einen Wert gesteigert wird, der mindestens in einem Teil des Spaltsystems eine Glimmentladung gewähr leistet. 10. Method according to dependent claim 8 in a discharge vessel, in which a cracking system is provided in the case of current lead-throughs to hinder the formation of glow discharges at operating pressure, characterized in that in the first-mentioned section of the start-up process the pressure is increased to a value that is at least in a part of the fission system ensures a glow discharge. 10. Verfahren nach Unteranspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass .die an den Stromdurchführun gen wirkende Spannung gesteigert wird, bis der Ener gie-Umsatz in der Glimmentladung eine Erhitzung zumindest der das Spaltsystem begrenzenden Flächen bewirkt. 11. Verfahren nach Unteransprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass .der Anlaufvorgang zeit lich so lange ausgedehnt wird, bis an allen span- nungsbeanspruchten Flächen, einschliesslich denjenigen ,des Spaltsystems, alle zu Unregelmässigkeiten der Glimmentladung Anlass gebende Mängel der Ober fläche beseitigt sind. Method according to dependent claim 9, characterized in that .the voltage acting on the power feedthroughs is increased until the energy conversion in the glow discharge causes at least the surfaces delimiting the gap system to be heated. 11. The method according to subclaims 9 and 10, characterized in that .the start-up process is extended so long until all surface imperfections which give rise to irregularities in the glow discharge have been eliminated on all stressed surfaces, including those of the gap system .
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