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.