DE102009015510B4

DE102009015510B4 - Verfahren und Strahlgenerator zur Erzeugung eines gebündelten Plasmastrahls

Info

Publication number: DE102009015510B4
Application number: DE102009015510A
Authority: DE
Inventors: Michael Bisges; Uwe Hartmann; Holger Schneidereit
Original assignee: Reinhausen Plasma GmbH
Current assignee: Maschinenfabrik Reinhausen GmbH
Priority date: 2009-04-02
Filing date: 2009-04-02
Publication date: 2012-09-27
Anticipated expiration: 2029-04-03
Also published as: CN102379163B; EP2415331A1; JP2012522888A; KR20120004972A; CN102379163A; JP5871789B2; DE102009015510A1; WO2010112378A1; EP2415331B1; KR101308884B1

Abstract

Strahlgenerator (1) zur Erzeugung eines gebündelten Plasmastrahls (2) durch Lichtbogenentladung unter Zufuhr eines strömenden Arbeitsgases (3) mit einer Stiftelektrode (22); einer ringförmigen Elektrode (23), welche an einer Stirnseite eines konzentrisch zu der Stiftelektrode (22) angeordneten, hohlzylindrischen, elektrisch leitenden Mantels (7), welcher von der Stiftelektrode (23) isoliert ist, angeordnet ist; und einer Spannungsquelle (6) zur Erzeugung einer periodischen Folge von Spannungsimpulsen (21) zwischen den Elektroden (22, 23), wobei die Spannungsimpulse derart sind, dass der Lichtbogen zwischen zwei aufeinander folgenden Spannungsimpulsen (21) jeweils verlischt; gekennzeichnet durch eine die Stiftelektrode (22) umgebende Hülse (25) aus elektrisch isolierendem Material, welche an einer Oberfläche wenigstens einen wendelförmigen Steg (26) aufweist, wobei der Steg (26) zwischen der Innenwand (27) des hohlzylindrischen Mantels (7) und der Oberfläche (28) der Hülse (25) einen Kanal für das Arbeitsgas (3) bildet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Strahlgenerator zur Erzeugung eines gebündelten Plasmastrahls durch Lichtbogenentladung unter Zufuhr eines strömenden Arbeitsgases mit zwei im Strom des Arbeitsgases im Abstand zueinander angeordneten Elektroden sowie einer Spannungsquelle zur Erzeugung einer Spannung zwischen den Elektroden. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung eines gebündelten Plasmastrahls.
Wenn Werkstückoberflächen beschichtet, lackiert oder geklebt werden sollen, ist häufig eine Vorbehandlung erforderlich, durch die Verunreinigungen von der Oberfläche entfernt werden und/oder durch die die Molekülstruktur so verändert wird, dass die Oberfläche mit Flüssigkeiten, wie Kleber, Lacken und dergleichen besser benetzt werden kann.
Zur Oberflächenbehandlung- und -reinigung kommen Strahlgeneratoren zur Erzeugung eines gebündelten Plasmastrahls zum Einsatz, bei denen unter Anlegen einer Spannung in einem Düsenrohr zwischen zwei Elektroden mittels einer nicht-thermischen Entladung aus einem Arbeitsgas ein Plasmastrahl erzeugt wird. Dabei steht das Arbeitsgas vorzugsweise unter atmosphärischem Druck. In bevorzugter Weise wird Luft als Arbeitsgas verwendet.
Die Vorbehandlung und Reinigung mittels Plasma hat zahlreiche Vorteile, von denen insbesondere der hohe Entfettungsgrad, die Umweltfreundlichkeit, die Eignung für nahezu sämtliche Materialien, die geringen Betriebskosten sowie die hervorragende Integration in die unterschiedlichen Fertigungsabläufe hervorzuheben sind.
Aus der EP 0 761 415 B9 sowie der DE 195 32 412 C2 ist ein gattungsgemäßer Strahlgenerator zur Erzeugung eines gebündelten Plasmastrahls bekannt, der ein topfförmiges Gehäuse aus Kunststoff mit einer seitlichen Zufuhr für das Arbeitsgas aufweist. In dem Gehäuse ist koaxial ein Düsenrohr aus Keramik gehalten. Im Inneren des topfförmigen Gehäuses ist mittig eine Stiftelektrode aus Kupfer angeordnet, die in das Düsenrohr hineinragt. Der äußere Umfang des Düsenrohrs ist außerhalb des topfförmigen Gehäuses von einem Mantel aus elektrisch leitendem Material umgeben, der am freien Ende des Düsenrohres eine Ringelektrode ausbildet. Die Ringelektrode begrenzt zugleich eine Düsenöffnung, deren Durchmesser kleiner als der Innendurchmesser des Düsenrohres ist, so dass am Auslass des Düsenrohrs eine gewisse Einschnürung erreicht wird.
Ein Nachteil des bekannten Strahlgenerators besteht in der hohen thermischen Belastung der zu behandelnden Oberflächen. Die Spannungsquelle benötigt eine sehr hohe Zündspannung in einer Größenordnung von 10 bis 30 kV. Nachteilig ist auch der geringe Wirkungsgrad. Verantwortlich hierfür ist insbesondere ein geringer Ionisierungsgrad im Plasma. Darüber hinaus weist das aus dem Strahlgenerator austretende Arbeitsgas eine hohe Temperatur auf, während die Elektronen eine recht geringe Temperatur aufweisen. Für den Betrieb von Strahlgeneratoren zur Oberflächenbehandlung wird jedoch die Erzeugung nicht-thermischer Plasmen angestrebt, bei denen die Elektronen eine viel höhere Temperatur als die Schwereteilchen (Moleküle, Atome, Ionen) aufweisen. Technisch hergestellte, nicht-thermische Plasmen haben jedoch üblicherweise einen geringen Ionisierungsgrad.
Die nachveröffentlichte deutsche Patentanmeldung DE 10 2009 004 968 A1 offenbart einen Strahlgenerator zur Erzeugung eines Plasmastrahls durch Lichtbogenentladung unter Zufuhr eines Arbeitsgases. Der Strahlgenerator weist eine Stiftelektrode und einen konzentrisch zur Stiftelektrode angeordneten hohlzylindrischen Mantel aus elektrisch leitendem Material auf. Ferner ist eine stirnseitig in den hohlzylindrischen Mantel eingesetzte, die Stiftelektrode umgebende Hülse aus elektrisch isolierendem Material vorgesehen, an deren Oberfläche mindestens ein als Wendel ausgestalteter Steg angeordnet ist, der zwischen der Innenwand des hohlzylindrischen Mantels und der Oberfläche der Hülse einen Kanal für das Arbeitsgas bildet.
Die europäische Patentschrift EP 0 963 140 B1 betrifft ein Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung zur Erzeugung von Plasma mittels eines Lichtbogens zwischen einer Anode und einer Kathode. Der Lichtbogen wird dabei mit Spannungsimpulsen betrieben, wobei in den Pausen zwischen diesen Spannungsimpulsen die an der Strecke Anode-Kathode anliegende Spannung unter die Brennspannung des Lichtbogens abgesenkt wird, so dass der Lichtbogen in diesen Pausen erlischt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen Strahlgenerator der eingangs erwähnten Art zu schaffen, der insbesondere ein nicht-thermisches Plasma mit geringen Temperaturen des aus dem Strahlgenerators austretenden Plasmastrahls erzeugt. Des Weiteren wird eine kompakte Bauform des Strahlgenerators angestrebt.
Diese Aufgabe wird beim Strahlgenerator der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, dass die Spannungsquelle einen Spannungspuls mit einer Zündspannung für die Lichtbogenentladung und einer Pulsfrequenz erzeugt, der den Lichtbogen zwischen zwei aufeinander folgenden Spannungsimpulsen jeweils verlöschen lässt.
Der gebündelte Plasmastrahl in dem strömenden Arbeitsgas wird durch eine Lichtbogenentladung erzeugt. Der Lichtbogen stellt eine Gasentladung zwischen den beiden im Abstand zueinander angeordneten Elektroden dar, an denen eine ausreichend hohe Spannung anliegt, um durch Stoßionisation die für die Gasentladung erforderliche hohe Stromdichte zu erzeugen. Die Gasentladung bildet das Plasma in dem die Schwereteilchen teilweise ionisiert sind.
Die Zündspannung ist die elektrische Spannung, die erforderlich ist, um die Gasentladung zwischen den beiden Elektroden einzuleiten. Die Zündspannung wird von der Spannungsquelle erzeugt oder von der Spannungsquelle aus einer Primärquelle abgeleitet. Für die Erfindung kommen grundsätzlich Gleich- und Wechselspannungsquellen, vorzugsweise jedoch Gleichspannungsquellen in Betracht. Entscheidend ist jedoch, dass die Spannungsquelle einen Spannungspuls erzeugt, der den Lichtbogen zwischen zwei aufeinander folgenden Spannungsimpulsen jeweils verlöschen lässt. Dabei ist mit Spannungsimpuls gemeint, dass die von der Spannungsquelle abgegebene Spannung zunächst von einem unteren Wert, vorzugsweise Null, ausgehend auf einen Höchstwert, der größer oder gleich der Zündspannung ist, ansteigt und kurze Zeit später wieder auf den unteren Wert, vorzugsweise Null, absinkt. Die periodische Folge von Spannungsimpulsen wird als Spannungspuls bezeichnet.
Während jedes Spannungsimpulses fällt die Spannung weit unter die erforderliche Zündspannung, so dass mit jedem Spannungsimpuls der Lichtbogen verlöscht, bis im nächsten Spannungsimpuls die Zündspannung wieder erreicht wird und eine neue Lichtbogenentladung zwischen den Elektroden erfolgt. Durch das mit jedem Spannungsimpuls erzwungene Verlöschen des Lichtbogens wird bei hohen Elektrodentemperaturen eine geringe Temperatur des ausströmenden Arbeitsgases aus dem Strahlgenerator erzeugt. Durch das schlagartige Abfließen der Elektronen beim Erreichen der hohen Zündspannung wird eine große Zahl hochbeschleunigter Elektronen im Plasma generiert die eine hohe Elektronentemperatur aufweisen. Nach Erreichen bzw. Überschreiten der Zündspannung fließt zwischen den beiden Elektroden für einen sehr kurzen Zeitraum von einer Nanosekunde bis 1000 Nanosekunden ein Strom mit einer maximalen Stromstärke in Höhe von 10 bis 1000 Ampere. Die hieraus resultierende hohe Stromdichte wirkt sich positiv auf den so genannten Pinch-Effekt aus. Der Pinch-Effekt bezeichnet das Zusammenziehen des von einem hohen elektrischen Strom durchflossenen Plasmas zu einem dünnen, komprimierten Plasmaschlauch oder -faden in Folge der Wechselwirkung des Plasmastroms mit dem von ihm erzeugten Magnetfeld.
Die Pulsfrequenz des Spannungspulses liegt bevorzugt in einem Bereich zwischen 1 kHz bis 100 kHz, insbesondere in einem Bereich zwischen 20 kHz bis 70 kHz.
Der Abstand zwischen den Elektroden des Strahlgenerators und der Druck des Arbeitsgases wird so bestimmt, dass die vorgenannten Stromstärken im Plasma bei Zündspannungen zwischen 2 kV bis 10 kV erreicht werden. Die Grundlage für die Ermittlung des Elektrodenabstandes ist das Paschen-Gesetz, wonach die Zündspannung eine Funktion des Produktes aus dem Gasdruck des Arbeitsgases und der Schlagweite, das heißt dem Abstand zwischen den Elektroden ist. Abhängig von der Form der sich gegenüberstehenden Elektroden sowie dem verwendeten Arbeitsgas, vorzugsweise Luft, müssen Korrekturparameter bei der Berechnung berücksichtigt werden.
Die von der Spannungsquelle erzeugten Spannungsimpulse können gleich- oder wechselgerichtet sein.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Spannungsquelle ist dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle ein Netzteil mit einem Anschluss für eine Ausgangsspannung und zwei Ausgänge für die im Netzteil umgesetzte Spannung aufweist, wobei parallel zu den Ausgängen mindestens ein Kondensator geschaltet ist, der mit dem Netzteil über mindestens einen Widerstand verbunden ist. Wahlweise kann dabei einer der Ausgänge mit Erdpotential verbunden sein und die gemeinsame Erde als Bezugspotential und Anschluss für den Kondensator verwendet werden. Das Netzteil ist dabei eine Baugruppe, die die vom Stromnetz bereitgestellte Eingangsspannung in die von dem Strahlgenerator benötigte Ausgangsspannung umsetzt.
Die Schaltung aus Kondensator und Widerstand erzwingt das Verlöschen des Lichtbogens, in dem die von dem Netzteil abgegebene Leistung in dem Kondensator zwischengespeichert wird. Die von dem Netzteil abgegebene Leistung wird zunächst von dem Kondensator gespeichert, bis die Zündspannung für die Lichtbogenentladung erreicht wird. Beim Erreichen der Zündspannung kommt es zur Gasentladung und die im Kondensator gespeicherte Energie fließt innerhalb von einer Nanosekunde bis 1000 Nanosekunden mit einer hohen Stromstärke in Höhe von 10 Ampere bis 1000 Ampere ab. Durch den mindestens einen Ladewiderstand, über den der mindestens eine Kondensator mit dem Netzteil verbunden ist, fließt nicht genügend Strom nach, um den aus dem Kondensator gespeisten Lichtbogen aufrecht zu erhalten. In Folge dessen erlischt der Lichtbogen selbstständig und die Aufladung des Kondensators für den nächsten Spannungsimpuls beginnt erneut.
Im Interesse einer kompakten Bauform und einer weiteren Steigerung des Wirkungsgrades des erfindungsgemäßen Strahlgenerators ist das Netzteil der Spannungsquelle vorzugsweise als Schaltnetzteil ausgebildet. Das Schaltnetzteil zeichnet sich dadurch aus, dass abweichend zu herkömmlichen Netzteilen mit 50- bzw. 60-Hz-Transformator die Netzspannung in eine Wechselspannung wesentlich höherer Frequenz umgewandelt und nach der Transformation schließlich wieder gleichgerichtet wird. Der Betrieb des Transformators mit höherer Frequenz hat zur Folge, dass bei gleicher Leistung die Masse des Transformators deutlich verringert werden kann. In Folge dessen sind Schaltnetzteile bei gleicher Leistung kompakter und leichter. Des Weiteren ist deren Wirkungsgrad höher als der konventioneller Netzteile.
Besonders Platzsparend lässt sich der Kondensator der Spannungsquelle in Form eines abgeschirmten Kabels ausführen, in dem eine die erste Elektrode mit der Spannungsquelle verbindende elektrische Leitung von einem Isolator umgeben wird, den zumindest auf einer Teillänge eine elektrisch leitende Abschirmung ummantelt, die Bestandteil der elektrisch leitenden Verbindung zwischen der Spannungsquelle und der weiteren Elektrode ist, wobei die Abschirmung ein äußerer Isolator ummantelt.
Die Kapazität des Kondensators liegt vorzugsweise in einem Bereich von 1 nF bis 200 μF Eine kompakte Bauform des Strahlgenerators bei gleichzeitig homogener Strömung des Arbeitsgases wird dadurch erreicht, dass eine Elektrode als Stiftelektrode und eine Elektrode als ringförmige Elektrode ausgebildet ist, konzentrisch zu der Stiftelektrode ein hohlzylindrischer, gegenüber der Stiftelektrode isolierter Mantel aus elektrisch leitendem Material angeordnet ist, an dessen einer Stirnseite die ringförmige Elektrode angeordnet ist, die eine Düsenöffnung begrenzt, deren Durchmesser kleiner als der Durchmesser des hohlzylindrischen Mantels ist und an dessen gegenüberliegender Stirnseite die Zufuhr für das Arbeitsgas angeordnet ist.
Eine weitere Reduktion der Temperatur des Arbeitsgases kann durch Strömungsoptimierung erreicht werden. Aus diesem Grund weist der erfindungsgemäße Strahlgenerator als Mittel zur Erzeugung einer Wirbelströmung des Arbeitsgases eine stirnseitig in den hohlzylindrischen Mantel eingesetzte, die Stiftelektrode umgebende Hülse aus elektrisch isolierendem Material auf, an deren Oberfläche mindestens ein als Wendel ausgestalteter Steg angeordnet ist, der zwischen der Innenwand des hohlzylindrischen Mantels und der Oberfläche der Hülse einen Kanal für das Arbeitsgas bildet. Durch die Steigung des wendelförmigen Stegs kann wirksam die Temperatur des Plasmastrahls beeinflusst werden. Eine größere Steigung kühlt den Plasmastrahl stärker ab, während eine geringere Steigung zu einem wärmeren Plasmastrahl führt. Bei einer größeren Steigung ist die Verweildauer des Arbeitsgases bei gleicher Strömungsgeschwindigkeit aufgrund des kürzeren Strömungsweges durch den Strahlgenerator kürzer, wodurch die Kühlwirkung des Arbeitsgases verstärkt wird. Bei geringerer Steigung des als Wendel ausgestalteten Steges ist die Verweildauer des Arbeitsgases bei gleicher Strömungsgeschwindigkeit aufgrund des längeren Strömungsweges durch den Strahlgenerator länger, wodurch die Kühlwirkung des Arbeitsgases reduziert wird.
Die den Kanal für das Arbeitsgas ausbildende Hülse fixiert zugleich die Stiftelektrode in dem elektrisch leitenden Mantel und gewährleistet die erforderliche elektrische Trennung zwischen Stiftelektrode und Mantel. Die Hülse ist nicht nur montagefreundlich, sondern führt darüber hinaus zu den angestrebten kompakten Abmessungen des stiftförmigen Strahlgenerators.
Der erfindungsgemäße Strahlungsgenerator lässt sich zur Aktivierung und Beschichtung von Substratoberflächen unter Verwendung eines Plasmastrahls einsetzen, wenn im Bereich der Düsenöffnung mindestens ein Einlass für die Einspeisung von Pulvern mit Partikelgrößen von 10 nm bis 100 μm angeordnet ist. Die Elektronen des Plasmastrahls zersputtern die eingespeisten Pulverpartikel und schmelzen diese aufgrund der dort noch relativ hohen Temperatur, insbesondere der hohen Elektronentemperatur, des Plasmas auf. Durch den Energieverbrauch für das Aufschmelzen und auf dem weiteren Weg des Plasmas zur Düsenöffnung kommt es zu einer Abkühlung, so dass das feinkörnige, die Beschichtung der Substratoberfläche bildende Pulver relativ kühl auf die Substratoberfläche gelangt. Der erfindungsgemäße Strahlgenerator ist daher insbesondere auch für Pulverbeschichtungsverfahren temperaturempfindlicher Substratoberflächen geeignet.
Vorzugsweise befinden sich die Einlässe für das Pulver an einem sich konisch in Richtung der ringförmigen Elektrode verjüngenden Abschnitt des hohlzylindrischen Mantels des Strahlgenerators. Die Substrattemperaturerhöhung liegt während und nach dem Beschichtungsprozess mit dem feinkörnigen Pulver deutlich unterhalb von 100 Grad Celsius. Gleichwohl wird bei Verwendung des erfindungsgemäßen Strahlgenerators eine gute Haftung des aufgetragenen Pulvers erreicht. Die Substratoberfläche bedarf keiner speziellen Vorbehandlung. Die Oberflächenreinigung erfolgt durch den Plasmastrahl des Strahlgenerators selbst. Bei den Pulvern handelt es sich beispielsweise um Metalle, Keramiken, Thermoplaste oder auch deren Mischungen, die als Funktionsschichten, wie beispielsweise Schutz-, Verschleiß- oder Isolierschichten aufgetragen werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Strahlgenerators,
2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Strahlgenerators,
3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Strahlgenerators,
4 eine schematische Darstellung des Verlaufs von Spannung und Strom der Spannungsquelle eines Strahlgenerators sowie
5 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Strahlgenerators zur Pulverbeschichtung von Substratoberflächen.
Der Strahlgenerator 1 zur Erzeugung eines gebündelten Plasmastrahls 2 umfasst zwei im Strom eines Arbeitsgases 3 angeordnete Elektroden 4, 5 sowie eine Spannungsquelle 6 zur Erzeugung einer Spannung zwischen den Elektroden 4, 5. Das Arbeitsgas 3 wird in einem hohlzylindrischen Mantel 7 kanalisiert. In dem von dem Mantel 7 umschlossenen Hohlraum sind die Elektroden 4, 5 im Abstand 8 zueinander angeordnet.
Die Spannungsquelle 6 weist ein Schaltnetzteil 9 mit einem Anschluss 10 für die Eingangsspannung, insbesondere die Netzspannung, und zwei Ausgänge 11, 12 für die im Schaltnetzteil 9 umgesetzte Spannung auf. Parallel zu den Ausgängen 11, 12 ist ein Kondensator 13 geschaltet, der mit dem Schaltnetzteil (9) über einen Widerstand (14), auch als Ladewiderstand bezeichnet, verbunden ist.
In dem Schaltnetzteil 9 wird die am Anschluss 10 anliegende Netzspannung zunächst von einem Gleichrichter 15 gleichgerichtet. Anschließend wird die Gleichspannung von einem Wechselrichter 16, auch als Inverter bezeichnet, in eine Wechselspannung wesentlich höherer Frequenz umgewandelt, bevor diese der Primärwicklung eines Transformators 17 zugeführt wird. Die an der Sekundärseite des Transformators 17 abgegriffene, gegenüber der Netzspannung höhere Spannung wird einem weiteren Gleichrichter 18 zugeführt, der die transformierte Wechselspannung gleichrichtet.
Die Arbeitsweise des Strahlgenerators 1 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 4 näher erläutert:
4 zeigt in der linken Bildhälfte in einem Spannungs-/Zeitdiagramm die Ausprägung eines Spannungsimpulses 21 sowie in einem darunter dargestellten Strom-/Zeitdiagramm den Verlauf des sich im Plasma einstellenden Stromes des Strahlgenerators 1.
Die von dem Schaltnetzteil 9 abgegebene Leistung wird zunächst von dem Kondensator 13 gespeichert, bis zwischen den Elektroden 4, 5 die Zündspannung 19 für die Ausbildung des Lichtbogens zwischen den Elektroden 4, 5 anliegt. Beim Erreichen der Zündspannung 19 wird die Luftstrecke 8 zwischen den Elektroden 4, 5 leitfähig und die gesamte in dem Kondensator 13 gespeicherte Energie fließt innerhalb von etwa 10 ns, wie aus dem Strom-/Zeitdiagramm in 4 ersichtlich, ab. Dabei bricht die Spannung zwischen den Elektroden 4, 5 zusammen und fällt auf einen unteren Wert nahe 0 Volt ab.
Mit Erreichen der Zündspannung 19 fließt ein Maximalstrom 20 in dem Lichtbogen zwischen den Elektroden 4, 5. Durch den Widerstand 14 fließt von dem Schaltnetzteil 9 nicht genügend Ladung nach, um den Lichtbogen aufrecht zu erhalten. Hierzu ist der Widerstand 14 so zu bemessen, dass weniger Leistung vom Schaltnetzteil zum Kondensator 13 fließt, als gleichzeitig über den Lichtbogen zwischen den Elektroden 4, 5 abfließt. Dies hat zur Folge, dass der Lichtbogen zwischen zwei aufeinander folgenden Spannungsimpulsen jeweils verlöscht, bevor er mit dem Erreichen der Zündspannung 19 im nächsten Spannungsimpuls 21 wieder gezündet wird. Die Pulsfrequenz liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 1 kHz bis 100 kHz, im dargestellten Ausführungsbeispiel bei 60 kHz.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Strahlgenerators 1. Soweit dieser mit dem Strahlgenerator 1 nach 1 übereinstimmt, wird auf die dortigen Ausführungen Bezug genommen. Unterschiede ergeben sich hinsichtlich der Anordnung der Elektroden innerhalb des Mantels 7. Eine erste Elektrode ist als Stiftelektrode 22 ausgebildet, während die im Abstand 8 dazu angeordnete zweite Elektrode als ringförmige Elektrode 23 ausgebildet ist. Der Mantel 7 aus elektrisch leitendem Material ist konzentrisch zu der Stiftelektrode 22 angeordnet und gegenüber der Stiftelektrode 22 isoliert. An der der ringförmigen Elektrode 23 gegenüberliegenden Stirnseite ist die Zufuhr 24 für das Arbeitsgas 3 angeordnet. Die Zufuhr für das Arbeitsgas 3 weist eine stirnseitig in den hohlzylindrischen Mantel 7 eingesetzte, die Stiftelektrode 22 halternde Hülse 25 aus elektrisch isolierendem Material auf, an deren Oberfläche ein als Wendel ausgestalteter Steg 26 angeordnet ist, der zwischen der Innenwand 27 des hohlzylindrischen Mantels 7 und der Oberfläche 28 der Hülse 25 einen Kanal für das Arbeitsgas 3 bildet. Das die Wendel durchlaufende Arbeitsgas tritt damit in einer Wirbelströmung in den Ringraum zwischen Stiftelektrode 22 und Innenwand 27 des Mantels 7 ein. Diese Wirbelströmung führt zu einer besonders vorteilhaften Bündelung und Kanalisierung des Plasmastrahls 2, der sich entlang der Stiftelektrode 22 in Richtung der ringförmigen Elektrode 23 durch diese hindurch erstreckt.
3a zeigt einen Strahlgenerator 1 entsprechend 2, bei dem das Schaltnetzteil 9 der Übersichtlichkeit halber lediglich durch ein Symbol angedeutet ist. Der Kondensator wird, wie aus 3b erkennbar, bei diesem Ausführungsbeispiel dadurch gebildet, dass eine die Elektrode 22 mit dem Schaltnetzteil 9 verbindende elektrische Leitung 29 von einem Isolator 30 umgeben wird, den zumindest auf einer Teillänge (31) eine elektrisch leitende Abschirmung 32 umgibt, die Bestandteil der elektrisch leitenden Verbindung zwischen dem Schaltnetzteil 9 und der weiteren Elektrode 23 ist. Die Abschirmung 32 ummantelt wiederum ein äußerer Isolator 33.
In 3c ist die durch die Abschirmung 32 und die elektrische Leitung 29 gebildete Kapazität 34 als Ersatzschaltbild dargestellt. Es ist erkennbar, dass durch das teilweise abgeschirmte Kabel parallel zu den Ausgängen des Schaltnetzteils ein Kondensator liegt, der mit dem Schaltnetzteil 9 über den Widerstand 14 verbunden ist.
5 zeigt schließlich einen Strahlgenerator 1 entsprechend 2 und 3, der für eine Beschichtung einer Substratoberfläche 35 mit feinkörnigen Pulvern bestimmt ist. Der hohlzylindrische Mantel 7 weist stirnseitig einen sich konisch in Richtung der ringförmigen Elektrode 23 verjüngenden Abschnitt 36 auf, in dem zwei Einlässe 37 angeordnet sind. An jedem der beiden Einlässe 37 setzt eine Leitung 38 für das feinkörnige Pulver an, der ein Pulver-/Gasstrom 39 zugeführt wird. Über die Einlässe 37 gelangen die Pulverpartikel 40 in den Plasmastrahl 2, mit dem sie durch die Ringelektrode 23 den Strahlgenerator 1 verlassen. In dem der Strahlgenerator 1 mit auf die Substratoberfläche 35 ausgerichteter Düsenöffnung 41 in Richtung 42 bewegt wird, werden die Pulverpartikel 40 auf der Substratoberfläche 35 abgeschieden. Die auf der Substratoberfläche abgeschiedene Schicht 43 ist in 5 angedeutet.
Bezugszeichenliste

1: Strahlgenerator
2: Plasmastrahl
3: Arbeitsgas
4: Elektrode
5: Elektrode
6: Spannungsquelle
7: Mantel
8: Abstand
9: Schaltnetzteil
10: Anschluss
11: Ausgang
12: Ausgang
13: Kondensator
14: Widerstand
15: Gleichrichter
16: Wechselrichter
17: Transformator
18: Gleichrichter
19: Zündspannung
20: Maximalstrom
21: Spannungsimpuls
22: Stiftelektrode
23: ringförmige Elektrode
24: Zufuhr für Arbeitsgas
25: Hülse
26: Steg
27: Innenwand
28: Oberfläche
29: elektrische Leitung
30: Isolator
31: Teillänge
32: Abschirmung
33: äußerer Isolator
34: Kapazität
35: Substratoberfläche
36: konischer Abschnitt
37: Einlass
38: Leitung
39: Pulver-/Gasstrom
40: Pulverpartikel
41: Düsenöffnung
42: Richtung
43: abgeschiedene Schicht

Claims

Strahlgenerator (1) zur Erzeugung eines gebündelten Plasmastrahls (2) durch Lichtbogenentladung unter Zufuhr eines strömenden Arbeitsgases (3) mit einer Stiftelektrode (22); einer ringförmigen Elektrode (23), welche an einer Stirnseite eines konzentrisch zu der Stiftelektrode (22) angeordneten, hohlzylindrischen, elektrisch leitenden Mantels (7), welcher von der Stiftelektrode (23) isoliert ist, angeordnet ist; und einer Spannungsquelle (6) zur Erzeugung einer periodischen Folge von Spannungsimpulsen (21) zwischen den Elektroden (22, 23), wobei die Spannungsimpulse derart sind, dass der Lichtbogen zwischen zwei aufeinander folgenden Spannungsimpulsen (21) jeweils verlischt; gekennzeichnet durch eine die Stiftelektrode (22) umgebende Hülse (25) aus elektrisch isolierendem Material, welche an einer Oberfläche wenigstens einen wendelförmigen Steg (26) aufweist, wobei der Steg (26) zwischen der Innenwand (27) des hohlzylindrischen Mantels (7) und der Oberfläche (28) der Hülse (25) einen Kanal für das Arbeitsgas (3) bildet.
Strahlgenerator (1) nach Anspruch 1, wobei eine Pulsfrequenz in einem Bereich zwischen 10 kHz–100 kHz liegt.
Strahlgenerator (1) nach Anspruch 2, wobei die Pulsfrequenz in einem Bereich zwischen 20 kHz–70 kHz liegt.
Strahlgenerator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Zündspannung (19) zwischen 1 kV–10 kV beträgt.
Strahlgenerator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Spannungsquelle (6) ein Netzteil (9) mit einem Anschluss (10) für eine Eingangsspannung und zwei Ausgängen (11, 12) für die im Netzteil (9) umgesetzte Eingangsspannung aufweist, wobei parallel zu den Ausgängen mindestens ein Kondensator (13) geschaltet ist, der mit dem Netzteil (9) über mindestens einen Widerstand (14) verbunden ist.
Strahlgenerator (1) nach Anspruch 5, wobei das Netzteil ein Schaltnetzteil (9) ist.
Strahlgenerator (1) nach Anspruch 5 oder 6, wobei eine der die Elektroden (22, 23) mit dem Netzteil (9) verbindenden elektrischen Leitungen (29) von einem Isolator (30) umgeben wird, den zumindest auf einer Teillänge (31) eine elektrisch leitende Abschirmung (32) ummantelt, die Bestandteil der anderen elektrisch leitenden Verbindung zwischen dem Netzteil (9) und der weiteren Elektrode (23) ist, wobei die Abschirmung (32) ein äußerer Isolator (33) ummantelt.
Strahlgenerator (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Kapazität des Kondensators (13, 29, 30, 32) im Bereich von 10 nF–200 μF liegt.
Strahlgenerator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei – die ringförmige Elektrode (23) eine Düsenöffnung (41) begrenzt, deren Durchmesser kleiner als der Durchmesser des hohlzylindrischen Mantels (7) ist, und wobei, – an einer der ringförmigen Elektrode (23) gegenüberliegender Stirnseite des hohlzylindrischen Mantels (7) die Zufuhr (24) für das Arbeitsgas (3) angeordnet ist.
Strahlgenerator (1) nach Anspruch 9, wobei im Bereich der Düsenöffnung (41) mindestens ein Einlass (37) für die Einspeisung eines Pulvers angeordnet ist.
Strahlgenerator (1) nach Anspruch 10, wobei der hohlzylindrische Mantel (7) stirnseitig einen sich konisch in Richtung der ringförmigen Elektrode (23) verjüngenden Abschnitt (36) aufweist und jeder Einlass (37) in diesem Abschnitt (36) angeordnet ist.