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Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines Niederdrucklichtbogens
mit verbesserter Stabilität Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung
zur Erzeugung von Niederdrucklichtbogen verbesserter Stabilität, insbesondere magnetisch
stabilisierte Niederdrucklichtbogen, vornehmlich eine Vorrichtung zur Erzeugung
eines sehr stabilen Niederdrucklichtbogens für das Metallschmelzen und -raffinieren,
Kristallwachstum, Schweißen sowie chemische Reaktionsförderung.
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Bei herkömmlichen Lichtbogen, d. h. Lichtbogen, die bei Atmosphären-
oder höherem Druck betrieben werden, bleibt der Anodenanschluß des Lichtbogens verhältnismäßig
fest, während der Kathodenanschluß über eine kleine Fläche wandern kann. Bei abnehmendem
Druck nimmt die Fläche der Kathodenwandung zu, und außerdem wird der Anodenanschluß
des Lichtbogens örtlich unstabil mit dem Bestreben, daß er dem immer wandernden
Kathodenanschluß folgt, bis sich die ganze Lichtbogenentladung viele Zentimeter
von der beabsichtigten Stelle wegbewegen kann. Zahlreiche Versuche zur Stabilisierung
dieser Niederdrucklichtbogen wurden schon unternommen; ein Verfahren zum Stabilisieren
solcher Lichtbogen sieht die Anwendung eines Magnetfeldes vor.
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Es ist nun ein Hauptziel der Erfindung, eine Vorrichtung zum magnetischen
Stabilisieren von Niederdrucklichtbogen zu schaffen.
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Ein weiteres Ziel ist, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines
Niederdrucklichtbogens zu schaffen, durch das eine erhöhte Lichtbogenstabilität
verwirklicht wird.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der neuen Erfindung
ergeben sich aus den Darstellungen von Ausführungsbeispielen sowie aus der folgenden
Beschreibung. Es zeigt Fig. 1 eine Ausführungsform der Vorrichtung nach der neuen
Erfindung, Fig. 2 eine bevorzugte Ausführungsform der Kathodenausbildung und Fig.
3 eine wahlweise Ausführungsform des Leistungsversorgungskreises. Gemäß der Fig.1
enthält die Lichtbogenkammer 10 eine Kathode 12, vorzugsweise in länglicher oder
Stabform, eine als Düse ausgebildete Sekundäranode 14 sowie eine Primäranode 16,
vorzugsweise in Becherform. Eine Kraftquelle 18 ist mittels der Leitungen 20 und
22 an die Kathode 12 bzw. die Sekundäranode 14 angeschlossen, während die Kraftquelle
24 über die Leitungen 26 und 28 in Reihe mit der Kraftquelle 18 an die Kathode 12
und die Primäranode 16 angeschlossen ist. Im Betrieb wird die Kammer 10 auf einen
Ausgangsdruck von weniger als etwa 10 mm Quecksilber absolut, vorzugsweise etwa
0,3 mm Quecksilber absolut, evakuiert, indem eine nichtveranschaulichte Vakuumpumpe
über die Evakuierungsleitung 30 angeschlossen wird. Eine kleine Menge eines
Gasstromes, z. B. aus Argon, Stickstoff, Helium oder Wasserstoff wird durch den
Kanal 32
eingeführt und fließt um die Kathode 12 herum und durch den Kanal
34 in der Sekundäranode 14 heraus. Hierauf wird mit Hilfe zweckentsprechender Mittel
ein Sekundärlichtbogen 31 zwischen der Kathode 12 und der sekundären Düsenanode
14 gezündet. Wird zum Zünden des Lichtbogens 31 eine Hochfrequenzentladung benutzt,
wird vorzugsweise anfänglich Argon verwendet und dann auf das gewünschte Brennergas
umgeschaltet (wenn dieses ein anderes als Argon ist), nachdem einmal der Lichtbogen
betriebsbereit geworden ist. Der Kammerdruck wird hiernach auf weniger als 100 Mikron
Quecksilber absolut, vorzugsweise etwa 50 Mikron Quecksilber absolut, vermindert.
Wenn der Druck vermindert wird, sucht sich der Strom aus heißem, ionisiertem Gas
aus der sekundären Düsenanode zu längen, bis er auf die Primäranode trifft. Dieses
erstreckte Plasma dient der Zündung und Aufrechterhaltung eines Primärlichtbogens
36 zwischen der Kathode 12 und der Anode 16. Sobald der Primärlichtbogen 36 besteht,
kann der Kathodengasstrom beendet werden, vorzugsweise wird er aber während des
Betriebes aufrechterhalten, um die Lichtbogenstabilität zu verbessern.
Schließlich
wird der Kammerdruck vorzugsweise auf einen Betriebsdruck von etwa 1 bis 10 Mikron
Quecksilber absolut vermindert. Werden Anlaßhilfsmittel, wie z. B. eine Hochfrequenzentladung,
benutzt, ist es möglich, den Kammerdruck auf 1 bis 10 Mikron zu vermindern, bevor
der Primärlichtbogen 36 gezündet wird. Die oben geschilderte Maßnahme zum Lichtbogenzünden
ist jedoch das derzeit bevorzugte Verfahren.
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Ein Anodengasstrom mit. Gasen derselben Art, wie oben erwähnt, wird
durch den Kanal 38 eingeführt und tritt durch den Becherteil 40 der Primäranode
16 aus. Dieser Anodengasstrom erwies sich, wie gefunden wurde, als notwendig, um
eine Anodenbeschädigung möglichst klein zu halten und eine lange Betriebslebensdauer
aufrechtzuerhalten. Wird kein Anodengasstrom benutzt, nehmen die Ionen des Lichtbogens
im Bereich nahe der Anode ab, so daß eine Raumladung entsteht. Dies bewirkt wiederum,
daß die vom Lichtbogen zur Anode wandernden Elektronen beschleunigt werden und daß
die an die Anode abgegebene Energie so groß wird, daß gegebenenfalls Anodenmaterialien
verdampfen, um die erforderlichen Ionen für einen kontinuierlichen Betrieb zu bilden.
Die ständige Gegenwart einer kleinen Menge ionisierbaren Gases liefert Ionen zur
Neutralisierung der Raumladung und verlangsamt somit eine Anodenbeschädigung. Das
Gas, das in die Lichtbogenkammer sowohl über den Kathoden- als auch den Anodenstrom
zugeführt wird, wird durch die Evakuationsleitung 30 ständig entfernt, so daß sich
das System bei einem konstanten niedrigen Druck stabilisiert, der durch die Gasflußgeschwindigkeit
und die Evakuationsgeschwindigkeit bestimmt. Die Primäranode ist becherförmig; damit
der eingeführte Gasstrom hoch ionisiert wird, bevor er .den Hauptteil des Lichtbogens
36 berührt.
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Wird die vorliegende Erfindung als Wärmequelle, z. B. zum Schmelzen
von Metallen benutzt, wobei dafür gesorgt wird, daß die Primäranode eine geschmolzene
Oberfläche behält, braucht eine solche Primäranode nicht becherförmig zu sein, und
der Anodengasstrom kann entfallen. Dämpfe des Anodenmaterials oder durch das Anodenmaterial
entwickelte Gase lassen sich für die Raumladungsneutralisierung verwenden.
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Die Kathode 12, die sekundäre Düsenanode 14 sowie die becherförmige
Primäranode 16 bestehen vorzugsweise aus hitzebeständigen Metallen, wie z. B. Wolfram
oder Tantal. Die Anoden lassen sich, falls erwünscht, aus Kupfer herstellen, vorausgesetzt,
daß die Wasserkühlung ein Abschmelzen zuverlässig verhindert.
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Der Primärlichtbogen 36 wird in einem Lichtbogen stabilisiert, dessen
Durchmesser mit Hilfe eines starken Magnetfeldes praktisch konstant gehalten und
gebündelt wird, das durch die Lichtbogenkammer parallel zur Lichtbogenachse aufrechterhalten
wird. Erwünscht ist, daß das Magnetfeld durch die ganze Kammer im wesentlichen gleichmäßigen
Querschnitt hat. Wie Fig. 1 zeigt, wird dieses Magnetfeld zweckentsprechend mittels
einer Vielzahl, die Kammer 10 umgebender Elektromagnetfeldwicklungen erzielt. Die
Wicklungen 42 und 44 sind Beispiele solcher Spulen. Die Magnetfeldstärke, parallel
zum Lichtbogen, sollte größer als eeva 50 Gauß, vorzugsweise mehr als etwa 100 Gauß
sein. Es ist aber auch möglich, das Feld aus Feldmagneten 45 und 47 zu gewinnen,
die an den oberen und unteren Enden der Vorrichtung angeordnet sind, wie es die
gestrichelten Linien der Fig. 1 erkennen lassen.
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Um ein Abschmelzen der Vorrichtung infolge der Lichtbogenwärme zu
verhindern, werden mehrere Teile wassergekühlt. Die Lichtbogenkammer 10 wird gekühlt,
indem man Wasser zum Einlaß 46 hinein und dann durch den Kanal 48 sowie den Auslaß
50 herausfließen läßt. Der Kathodenhalter 51 wird durch Wasser gekühlt, das die
Kanäle 52 und 54 durchfließt. Der sekundäre Düsenanodenhalter 53 wird mit Hilfe
von Wasser gekühlt, das die Kanäle 56 und 58 durchfließt. Die becherförmige Primäranode
hat Kühlkanäle 60 und 62.
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Beobachtungen des Lichtbogens während des Betriebes lassen sich durch
die Schaulöcher 64, 66 und 68 ausführen. Die Lichtbogenkammer 10 wird über den Anschluß
70 auf Erdpotential gehalten. Die Primär- und die Sekundäranode sind durch Isolierteile
72 bzw. 74 von der Lichtbogenkammer 10 elektrisch getrennt.
Der Kathodenhalter 51 ist mit Hilfe des Isolators 76 von dem Düsenanodenteil elektrisch
getrennt.
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Der Lichtbogen 36 hat den Charakter als Primärlichtbogen, da er derjenige
Lichtbogen ist, welcher sich als Wärmequelle oder Generator von Hochfrequenzstrahlung
benutzen läßt. Der Sekundärlichtbogen 31 wird völlig innerhalb des Gebildes aus
Kathode 12 und Düsenanode 14 aufrechterhalten. Die Bezeichnungen »Primärlichtbogen«
und »Sekundärlichtbogen« betreffen nur Teile einer einzigen Lichtbogensäule, die
ihren Ursprung an der Kathode 12 hat. Für stabilsten Betrieb mit verhältnismäßig
langen Primärlichtbogenlängen ist es erwünscht, daß das meiste des Stromes zwischen
der Kathode 12 und der sekundären Düsenanode 14 fließt, während ein kleinerer
Teil des Stromes zur Primäranode 16 weiterfließt. Typische Betriebsströme für Betrieb
mit verhältnismäßig kleinem Ausmaß sind 100 Ampere für den Sekundärlichtbogen,
70 Ampere für den Düsenanodenstrom und 30 Ampere für den Primärlichtbogen. Die Aufgabe
des Sekundärlichtbogens ist es, die Kathode gleichmäßig heiß und den Düsenkanal
34 mit Plasma gefüllt zu halten, so daß die Kathode in einem Bereich höheren Drucks
als die primäre äußere Lichtbogensäule arbeiten kann. Die Lichtbogenkathode arbeitet
wirksamer und stabiler, bei Drücken über etwa 1 mm Quecksilber absolut.
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Das folgende Beispiel ist für den Betrieb der neuen Vorrichtung kennzeichnend.
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Die Vorrichtung war gleich der in Fig.1 veranschaulichten und wies
eine 3,2 mm dicke thorierte Wolframkathode von 5,0 cm Länge sowie eine 3,2 mm dicke
Düsensekundäranode aus Wolfram von 1,3 cm Länge sowie eine Primäranode aus Wolfram
mit einem Becherteil von 4,7 mm Durchmesser und 9,5 mm Tiefe auf. Diese Primäranode
besaß einen mittigen Gaskanal von 1,58 mm Durchmesser. Die bogenbildende Spitze
der Kathode befand sich 1,3 cm vom Einlaß zur sekundären Anodendüse entfernt, während
die Primäranode von der Auslaßfläche der Düsenanode 17,7 cm entfernt war. Argongas
mit 2,9 cm-3/Min. floß um die Kathode herum und durch den Düsenkanal heraus, während
Argongas mit 3,4 cm3/Min. durch den primären Anodenkanal eingeführt wurde. Die Elektroden
waren innerhalb einer abgedichteten Kammer angeordnet, und der äußere Lichtbogenbereich
zwischen der Sekundäranode und
der Primäranode wurde auf einen Druck
von 1,2 Mikron Quecksilber absolut gehalten. Ein Lichtbogen von 29 Volt und 70 Ampere
wurde zwischen der Kathode und der Sekundäranode in Betrieb gehalten, während ein
Primärlichtbogen von 58 Volt und 30 Ampere zwischen der Kathode und der Primäranode
bestand. Das Magnetfeld parallel zum Lichtbogen hatte 915 Gauß. Unter diesen Bedingungen
war der Primärlichtbogen, wie beobachtet wurde, gebündelt, stabil und stand verhältnismäßig
lange Zeitspannen in Betrieb, ohne daß Schwankungen der Betriebsbedingungen auftraten.
Magnetohydrodynamische Wellen, die in diesem gebündelten Lichtbogen erzeugt wurden,
ließen sich ebenfalls mit Hilfe von Sonden feststellen, die in der Nachbarschaft
des Primärlichtbogens angeordnet waren.
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Während der mittels dieser Vorrichtung erzielte gebündelte Lichtbogen
in weitem Umfang als Wärmequelle zum Schweißen, Metallschmelzen, Kristallwachsenlassen,
chemische Reaktionsforderung und andere thermische Verfahren benutzt werden kann,
lassen sich, wie weiter gefunden wurde, wichtige technische und wirtschaftliche
Anwendungen auch dadurch verwirklichen, daß der Lichtbogen als Generator von magnetohydrodynamischen
Schwingungen und anderen Arten von Plasmaschwingungen, wie z. B. Elektronen- und
Ionen-Plasmaschwingungen, benutzt wird, die für Nachrichten- oder andere Hochfrequenzanlagen
in Betracht kommen. So wurde gefunden, daß die vorliegende Erfindung zu sinusartigen
Schwingungen führt, die exponentiell gedämpft werden. Frequenzen von etwa 100 bis
etwa 950 Kilohertz wurden dabei beobachtet. Die Frequenz dieser Schwingungen war,
wie ferner gefunden wurde, linear von dem reziproken Wert der Länge der Primärlichtbogensäule
abhängig, was auf das Phänomen einer stehenden Welle schließen läßt. Die exponentielle
Abklingzeit für diese Schwingungen ergab sich unter gewissen Umständen als proportional
zum Quadrat der Primärlichtbogenlänge. Dies zeigt entweder eine Torsionsschwingung
oder eine Transversalschwingung der Lichtbogensäule nach der Art einer angezupften
Saite. Es ist anzunehmen, daß sich die Schwingungen mit Hilfe äußerer Mittel kontinuierlich
oder in geregelten Impulsen erregen lassen.
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Wird ein Kathodenaufbau der in Fig. 1 veranschaulichten Art benutzt,
besteht für Ionen ein Bestreben, von dem Sekundärlichtbogen herauf nahe zum Isolator
76 zu wandern und einen Zusammenbruch der Isolation zwischen dem Kathodenhalter
51 ; und dem Düsenanodenaufbau 53 hervorzurufen. Dies wird gemäß der Fig. 2 auf
zweierlei Weise verhindert. Eine Isolierhülse 78 aus einem Werkstoff, wie z: B.
Quarz, kann um den Kathodenhalter 51 herum angeordnet sein und sich längs der Kathode
12 abwärts ; erstrecken. Dies steigert die Gesamtisolation im Lichtbogengasbereich
zwischen der Kathode 12 und dem Düsenhalter 53. Eine Scheibe 80 aus einem Werkstoff
hohen Schmelzpunkts, wie z. B. Molybdän, wird dann um die Kathode 12 herum angeordnet,
um die Wanderung von Ionen von der Düsenanode 14 herauf zum Kathodenhalter 51 zu
verhindern, was zu einer Beschädigung führen würde. Die Scheibe 80, die im Abstand
von der Elektrode 12 angeordnet ist und elektrisch »schwimmt« oder »schwebt«, wird
zweckmäßigerweise von einer peripheren Nut 82 in der Hülse 78 abgestützt. Statt
dessen ließe sich auch eine Vielzahl von Einkerbungen 82 vorsehen. Diese Vorrichtungskombination
hat eine mindestens um einen Faktor 10 längere Lebensdauer des Kathodenhalters.
Während die Kombination aus Isolatorhülse 78 und Scheibe 80 zu bevorzugen ist, versteht
sich, daß auch schon jedes Teil allein genügen kann und zu besseren Ergebnissen
führt.
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Der in Fig. 1 veranschaulichte elektrische Kreis weist zwei gesonderte
Kraftquellen auf. Dies ist allgemein für eine gesteigerte Lichtbogenstabilität erwünscht.
Es könnte jedoch auch ein anderer Kreis etwa der in Fig. 3 veranschaulichten Art
benutzt werden. Bei diesem abgewandelten Kreis liegt eine einzige Kraftquelle 84
zwischen der Kathode 12 und der Primäranode 16, während die Sekundäranode 14 über
einen Ableitwiderstand 86 an die Kraftquelle angeschlossen ist.