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Einrichtung zur selbsttätigen Regelung der Glimmentladung in Entladungsgefäßen
für technische Prozesse, beispielsweise zur Oberflächenbehandlung von Werkstücken
Bei der praktischen Verwendung von Glimmentladungen in einem evakuierten Entladungsgefäß,
beispielsweise bei der Oberflächenbehandlung von in das Gefäß eingebrachten Körpern,
ferner auch bei gewissen Formen der Kathodenzerstäubung ist es wichtig, die Ausdehnung
der Glimmhaut innerhalb gewisser Grenzen zu halten. Da die Größe und Verteilung
der Glimmhaut eine Funktion des Gasdruckes im Entladungsgefäß ist, könnte man deshalb
Regler vorsehen, welche den Gasdruck im Gefäß ganz oder nahezu konstant halten.
Diese Maßnahme würde indessen nicht ausreichend sein, weil die Ausdehnung und Größe
der Glimmhaut nicht nur vom Druck, sondern auch von anderen Einflüssen abhängt,
beispielsweise von der Elektrodentemperatur und dem durch das Gefäß fließenden Strom.
Schwankungen dieser Größen äußern sich in Anderungen der Ausbreitung der Glimmhaut
auch dann, wenn der Gasdruck konstant gehalten werden würde. Man muß deshalb die
Entladung fortwährend beobachten und, wenn die Glimmhaut sich unzulässig stark ändert,
den Druck neu einstellen. Das ist schwierig und unbequem und überdies nicht zuverlässig,
da die Güte der Regelung von menschlicher Aufmerksamkeit abhängt.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Änderungen in der Ausbreitung
der Glimmhaut unmittelbar selbst als steuernde Größe zu benutzen.
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Gemäß der Erfindung wird in dem Entladungsgefäß eine elektrische Sonde
im Plasma der Glimmhaut angeordnet, deren Potentialänderungen bei Änderungen in
der Ausdehnung der Glimmhaut zur Steuerung des Gasdruckes im Entladungsgefäß in
solchem Sinne dienen, daß der Druck bei zunehmender Ausdehnung der Glimmhaut vergrößert
und bei abnehmender Ausdehnung verkleinert wird. Die Sonde taucht deshalb an geeigneter
Stelle in die Entladung, z. B. in das negative Glimmlicht nahe der Kathode oder
auch in die positive Säule. Diese selbsttätigen Druckänderungen wirken somit den
Änderungen in der Ausdehnung der Glimmhaut entgegen und halten sie in engen Grenzen
oder machen sie, wenn die Regelung genügend empfindlich gestaltet wird, praktisch
zu Null.
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Zur Steuerung des Gasdruickes kann man in der vom Entladungsgefäß
zur Pumpe führenden Leitung ein Ventil anordnen, welches durch das Sondenpotential
(vorteilhaft über einen Verstärker oder ein Relais oder beides) geöffnet und geschlossen
wird. Zugleich ist dann das Entladungsgefäß mit einem Gaseinlaß versehen, durch
den über eine Drosselstelle fortwährend Gas eintritt. Die Drosselung ist so bemessen,
daß die in der Zeiteinheit eintretende Gasmenge kleiner ist als die bei offenem
Ventil in der Zeiteinheit abgesaugte Gasmenge.
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Umgekehrt kann man die Anordnung auch so treffen, daß aus dem Entladungsgefäß
ständig Gas über eine Drosselstelle abgesaugt wird, während ein vom Sondenpotential
gesteuertes Ventil in der Gaseinlaßleitung liegt. Die Drosselstelle in der Saugleitung
ist dann so groß gewählt, daß die in der Zeiteinheit abgesaugte Gasmenge kleiner
ist als die durch den Gaseinlaß bei offenem Ventil zuströmende Menge.
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Die beiden obenerwähnten Arten der Steuerung haben den Vorteil großer
Einfachheit und geringen Aufwandes im Aufbau der Anlage. Dafür ist jedoch der Gasverbrauch
verhältnismäßig groß. Der Verbrauch an Gas kann aber wesentlich herabgesetzt werden,
wenn man Ventile, die durch das Sondenpotential gesteuert werden, sowohl in der
Saugleitung als auch in der Gaseinlaßleitung vorsieht. Zieht sich die Glimmhaut
zurück, so wird das Ventil in der Saugleitung geöffnet, dehnt sie sich aus, so öffnet
sich das Ventil im Einlaß. Dabei kann man so verfahren, daß das Saugventil erst
öffnet, wenn die Glimmhaut eine Ausdehnung angenommen hat, die kleiner ist als die
Ausdehnung, bei der das Einlaßventil öffnet. Man läßt also bewußt einen gewissen,
vorteilhaft engen Bereich zu, innerhalb dessen sich die Glimmhaut verändern kann,
ohne daß die Steuerung im einen oder anderen Sinn anspricht, mit dem Vorteil, daß
die Steuerungs- und Schaltorgane sich nicht in fortwährender Bewegung befinden,
sondern
nur dann in Tätigkeit treten, wenn die zulässigen Grenzen
in der Ausdehnung der Glimmhaut über schritten oder unterschritten werden.
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Es ist zweckmäßig, die Steuerung so zu gestalten, daß sie nicht kontinuierlich
arbeitet, sondern die Ventile stets nur entweder voll öffnet oder voll schließt.
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Dies kann in einfacher Weise dadurch erreicht werden. daß man zwischen
der Sonde und einem ihr nachgeschalteten Elektronenverstärker eine Glimmstrecke
mit in Reihe dazu geschaltetem Widerstand anordnet, wobei das Potential, das sich
zwischen Glimmstrecke und Widerstand einstellt, am Gitter des R erstärkers liegt.
Die verlangte augenblickliche L'mschaltung der Ventile kommt dann dadurch zustande.
daß die (;limmstrecke heim Wachsen des Sondenpotentials bei einer bestimmten Spannung
zündet. Zweckmäßig wird eine Glimmstrecke gewählt, hei der Zündspai'nung und Löschspannung
nabe beieinander liegen.
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Die Zeichnung veranschaulicht einige Ausführungsbeispiele der Erfindung,
und zwar zeigt Fig. t einen Längsschnitt durch einen als Entladungsgefäß dienenden
Rohrofen, Fig. 2 ein Schema einer Anlage mit Steuerung der abgesaugten Gasmenge,
Fig. 3 ein Schema einer Anlage mit Steuerung der zugeführten Gasmenge Fig. 4 ein
Schema einer Anlage mit Steuerung der ahgesaugten und der zugeführten Gasmenge und
Fig. 5 eine zur Steuerung der Ventile geeignet Schaltung.
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Der Rohrofen nach Fig. 1 dient zur Behandlung eines Werlistüclies
10 unter hoher Temperatur und niedrigem Druck. Zur Beheizung dient eine Glimmentladung,
die in dem evakuierten Ofen lireniit. Der Ofen besteht aus einem äußeren klantel
11 mit einer Auskleidung 12 aus wärmeisolierendem Stoff und einer inneren Kammer
13 mit zylindrischer Wandung 14, die das Werkstück 10 aufnimmt. An den Enden ist
der Niantel 11 durch Platten 15 und 16 geschlossen.
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Die Kammer 13 ist nach Entfernung eines Deckels 17 von außen zugänglich.
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In einem Ringraum 18 außerhalb der Wandung 14 I)efindet sich eine
gegen die Wandung 14 isolierte zylindrische Anode 19, die über eine Durchführung
20 durch eine Leitung 21 an die positive Klemme einer Gleichstromquelle 22 angeschlossen
ist. Die Kathode wird von der Wandung 14 der Kammer 13 gebildet, so daß die Entladung
im Ringraum 23 brennt. Die Wandung 14 ist über die Gehäuseteile des Ofens durch
eine Leitung 24 mit der negativen Klemme der Stromquelle 22 leitend verbunden. Durch
einen Stutzen 25 kann Gas in den Ringraum 18 eingelassen werden.
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Uher einen Stutzen 26 wird Gas abgesaugt.
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Nahe der eigentlichen Entladungszone, die vom Ringraum 23 gebildet
wird, befindet sich im Ringraum 18 eine elektrische Sonde 27, die an eine Durchführung
28 angeschlossen ist. Brennt die Entladung ausschließlich im Ringraum 23, so liegt
die Sonde außerhalb der Entladungszone und hat eine relativ kleine Spannung gegen
die Kathode. Breitet sich die Entladung aus, so taucht die Sonde in das negative
Gliminlicht, so daß die Spannung zunimmt. Die Zunahme wird dazu benutzt, über den
Druck im Entladungsraum Änderungen in der Ausbreitung der Glimmhaut zu begegnen,
wie im einzelnen weiter unten erläutert werden wird.
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In Fig. 2 ist das Entladungsgefäß 11 mit Anode 19, Kathode 14 und
Sonde 27 schematisch gezeichnet. Die Gleichstromquelle 22 ist mit der Anode 19 direkt
und mit der Kathode 14 über Erde verbunden. Neben
dinge, wie Schutzdrosseln, Schalter
u. dgl., sind fortgelassen. Zwischen der Sonde 27 und Erde liegt ein Ableitwiderstand
29 parallel zum Eingang eines Verstärkers 30, dessen Ausgangsstrom zur Steuerung
eines Relais 31 dient. Das Relais seinerseits schaltet einen elektromagnetischen
Antrieli 32 für ein Ventil 33 in einer Saugleitung 34. durch die mittels einer Pumpe
35 Gas aus dem Entladungsgefäß 11 abgesaugt wird. Ein Gasbehälter36 steht über eine
Gasdrossel 37 durch eine Speiseleitung 38 mit dem Entladungsgefäß in Verhindung.
Der Gasbehälter36 wird aus einem Hauptbellälter 39 über einen Druckregler 40 gespeist,
der den Druck ini Behälter 36 wenigstens ein.igerllaaßen koiistaiit hält. Die Drossel
37 ist so eingestellt, daß die bei offenem Ventil 33 pro Zeiteinheit abgesaugte
Gasmenge stets größer ist als die pro Zeiteinheit durch die Leitung 38 zuströmende
Gasmenge.
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STimmt die Glimmhaut, gleichgültig aus welchen Griinden, an Ausdehnung
zu, so steigen das Sondenpotential und die Spannung am Widerstand 29, die damit
über den Verstärker 30 das Relais 31 und den Antrieb 32 das Ventil 33 schließt.
Dadurch wird die Förderung der Pumpe 35 unterbrochen, während nach wie vor Gas durch
die Gasdrossel 37 in das Gefäß 11 einströmt. Infolgedessen steigt der Druck, so
daß die Ausdehnung der Glimmhaut wieder abnimmt.
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Damit sinkt das Sondenpotential. bis schließlich das Ventil 33 wieder
geöffnet wird, mit der Folge. daß der Druck im Behälter erneut vermindert wird.
Die Glimmhaut nimmt dadurch an Ausdehnung zu, liis das Sondenpotential so groß wird,
daß wieder Schließung des Ventils 33 eintritt und der Regelzyklus sich wiederholt.
Auf diese Weise wird die Ausdehnung der Glimmhaut nach oben und unten hegrenzt.
Durch geeignete Regelsteilheit kann man erreichen, daß die Grenzen nahe beieinander
liegen.
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Bei der Anordnung nach Fig. 3 wird der Gasdruck nicht durch Steuerung
der abgesaugten wiege. sondern dadurch geregelt, daß in der Speiseleitung 38 ein
mit Antrieb 41 versehenes Ventil 42 angeordnet ist.
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Zur Steuerung des Antriebes 41 dient wieder die am Widerstand 29 der
Sonde 27 liegende Spannung über den Verstärker 30 und das Relais 31. In der Saugleitung
34, die die Pumpe 35 mit dem Gefäß 11 verbildet, und in der Speiseleitung 38 liegen
Gasdrosseln 43 und 44, die so eingestellt werden, daß die bei offenem Ventil 42
in der Zeiteinheit zuströmende Gasmenge stets größer ist als die in der Zeiteinheit
von der Pumpe 35 abgesaugte Gasmenge. Die Regelung arbeitet in der Weise, daß das
Ventil 42 selbsttätig geöffnet wird, wenn sich die Glimmhaut über eine obere Grenze
hinaus ausdehnt, und sich wieder schließt, wenn die Glimmhaut sich zurückgezogen
hat.
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Dabei steigt der Gasdruck bei offenem Ventil 42, während er bei geschlossenem
Ventil sinkt.
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Bei der Anordnung nach Fig. 4 ist je ein Steuerventil 45 und 46 in
der Saugleitung 34 und in der Speiseleitung 38 vorgesehen. Ein Verstärker 47 steuert
nach Maßgabe der Spannung am Ableitwiderstand 29 der Sonde 27 die Relais 48 und
49, die die Antriebe 50 und 51 der Ventile 45 und 46 betätigen. Die ein zelnen Steuerelemente
sind so abgestimmt, daß das Ventil 45 liei geschlossenem Ventil 46 selbsttätig geöffnet
wird. wenn die Ausdehnung der Glimmhaut eine zulässige obere Grenze unterschreitet,
während umgekehrt bei geschlossenem Ventil 45 das Ventil 46 geöffnet wird, wenn
die Ausbreitung der Glimmhaut eine zulässige obere Grenze überschreitet. Die Anlage
nach Fig. 4 erfordert zwar größeren Aufwand, hat aber den Vorteil geringeren Gasverbrauchs.
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Der Zweck der Schaltung nach Fig. 5 ist, die Relais und Ventile jeweils
so zu steuern, daß die Ventile stets vollkommen öffnen oder vollkommen schließen.
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Dies wird durch die Anordnung einer Glimmstrecke 52 zwischen der Sonde
27 und dem Ableitwiderstand 29 erreicht. Das Potential an dem nicht geerdeten Ende
des Widerstandes 29 liegt am Steuergitter 53 einer Verstärkerröhre 54 mit Kathodenwiderstand
55 und Spannungsquelle 56 zur Steuerung eines der bereits erwähnten Relais, beispielsweise
des Relais 31 nach Fig. 2. Steigt das Potential der Sonde 27 über die Zündspannung
der Glimmstrecke52, so wird das Potential des Gitters 53 plötzlich erhöht, und das
Relais 31 spricht an. Fällt das Sondenpotential unter die Löschspannung der Glimmstrecke,
so fällt das Potential des Steuergitters 53 plötzlich auf Null, und das Relais 31
fällt ah. Zweckmäßig wird eine Glimmstrecke verwendet, bei der Zündspannung und
Löschspannung nahe beieinander liegen.
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Es ist grundsätzlich gleichgültig, an welcher Stelle im Entladungsraum
die Sonde 27 angeordnet wird, sofern man nur eine Stelle wählt, an der das Sondenpotential
sich entsprechend der Ausbreitung der Glimmhaut ändert. Es ist also nicht erforderlich,
daß die Sonde in das negative Glimmlicht taucht. Vielmehr genügt es beispielsweise
auch, die Sonde in die positive Säule tauchen zu lassen.
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Der in Fig. 2 gezeichnete Regler 40, durch den der Druck im Gasbehälter
36 konstant gehalten wird, kann auch bei den übrigen gezeichneten Anlagen verwendet
werden. Er soll verhindern. daß der Druck im Entladungsgefäß heim Einströmen des
Gases übermäßig stark ansteigt. da ene Glimmentladung gegen f'berschreitung des
Solldruckes verhältnismäßig empfindlich ist.
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PATENTANSPR f CHE 1. Einrichtung zur sellesttätigen Regelung der
Glimmentladung in Entladungsgefäßen für technische Prozesse, beispielsweise zur
Oberflächenl>ebandlung von Werkstücken, durch Steuerung des Gasdruckes, gekennzeichnet
durch eine im Plasma der Glimmhaut angeordnete elektrische Sonde, deren Potentialänderungen
bei Änderungen in der Ausdehnung der Glimmhaut zur Steuerung des Gasdruckes im Entladungsgefäß
in solchem Sinne dienen, daß der Druck bei zunehmender Ausdehnung der Glimmhaut
vergrößert und bei ahnehmender Ausdehnung verkleinert wird.