DE1208428B - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung einer elektrischen Entladung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

H05b

Deutsche Kl.: 21h-16/60

Nummer: 1208 428

Aktenzeichen: St 15697 VIII d/21 h

Anmeldetag: 19. Oktober 1959

Auslegetag: 5. Januar 1966

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung einer elektrischen Entladung zwischen emer Glühkathode und einer durch Elektronenbeschuß erhitzten Anode innerhalb einer evakuierten Strecke, wobei die Entladung unter solchen Bedingungen betrieben wird, daß in Freiheit gesetzte Gase ein Ionenplasma bilden können, bei welcher der Kathode ein Heizstrom und der Entladung zwischen der Kathode und der Anode ein Gleichstrom zugeführt wird. Derartige elektrische Entladungen werden z. B. zum Erhitzen, Schmelzen und für andere Behandlungen von Materialien in einem Hochvakuum durch Elektronenbeschuß verwendet. Hauptaufgabe der Erfindung ist es, die in emer derartigen Entladung entwickelte Leistung und die über dieser Entladung entwickelte Spannung innerhalb gewünschter Grenzen zu halten, unabhängig von Schwankungen der Arbeitsbedingungen, wie sie durch unregelmäßige Freisetzung von Gasen oder Dämpfen aus dem behandelten Material oder durch andere mögliche Schwankungen hervorgerufen werden können. Weiter bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens.

Von einem Massenspektrometer zur Analyse einer Gasmischung her ist es bekannt, den für eine genaue Analyse des Gases erzeugten, von einem Heizdraht emittierten Elektronenstrom konstant zu halten, und zwar mittels eines Steuergitters, dem die verstärkte Differenz zwischen einem dem Elekronenstrom proportionalen Signal und einer Vorspannung oder einem Bezugssignal zugeleitet wird. Bei einem Vakuumofen ist jedoch die Ionisation viel stärker, so daß ein solches Gitter hier nicht angewendet werden kann. Im übrigen handelt es sich hierbei lediglich um eine Maßnahme zum Konstanthalten des Elektronenstromes, was für sich allein aber noch nicht die Gewähr gibt, daß genügend Leistung entwickelt wird, um einen Vakuumofen in Tätigkeit zu halten. Besonders die Bildung eines Überschusses von Ionen kann den Widerstand des Entladungsweges in einem solchen Ausmaß vermindern, daß Spannung und Leistung auf sehr geringe Werte absinken, während der Strom konstant bleibt.

Zur Regelung des Spannungsabfalles über einer Gleichstrom-Gasentladung in einem Vakuumofen ist es bereits bekannt, eine fremdbeheizte Kathode vorzusehen, deren Heizstrom in Abhängigkeit von dem Spannungsabfall über der Entladung regelbar ist. Hierbei wird der Kathode ein Heizstrom geliefert, der proportional der gesamten Spannung zwischen Kathode und Anode gehalten wird. Als Bezugskon-Verfahren und Vorrichtung zur Regelung einer
elektrischen Entladung

Anmelder:

Stauffer Chemical Company,

New York., N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. Dr. jur. V. Busse, Patentanwalt,

Osnabrück, Möserstr. 20-24

Als Erfinder benannt:

Charles W. Hanks,

Charles d' A. Hunt, Orinda;

David A. Vance, Lafayette, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. ν. Amerika vom 27. Oktober 1958
(769927)

stante (Bezugsspannung) ist dabei lediglich eine Spannung von O Volt vorgesehen und möglich; hiermit lassen sich jedoch erfolgreiche Schmelzprozesse im großen Maßstab nicht für längere, ununterbrochene Zeiträume durchführen.

Um die gewünschte Stabilisierung zu erreichen und den Ofen in ununterbrochenem Betrieb halten zu können, wird bei einem Verfahren zur Regelung einer elektrischen Entladung zwischen einer Glühkathode und einer durch Elektronenbeschuß erhitzten Anode innerhalb einer evakuierten Strecke, wobei die Entladung unter solchen Bedingungen betrieben wird, daß in Freiheit gesetzte Gase ein Ionenplasma bilden können, bei welcher der Kathode ein Heizstrom und der Entladung zwischen der Kathode und Anode ein Gleichstrom zugeführt wird, erfindungsgemäß der der Entladung zugeführte Gleichstrom auf einen im wesentlichen konstanten Wert gebalten und der Kathodenheizstrom kontinuierlich auf einen Wert eingeregelt, der proportional ist der Differenz zwischen der Spannung über der Entladung und einer konstanten Bezugsspannung.

Das Verfahren wird zunächst dadurch begonnen, daß genügend elektrische Leistung direkt von einer Stromquelle zu einer Glühkathode geführt wird, um diese auf eine Temperatur zu erhitzen, bei welcher sie genügend Elektronen emittiert, um den Strom

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3 4

entsprechend der in der Hauptentladung bei der ge- Regelung bevorzugt. Unter Berücksichtigung der wünschten Arbeitsspannung geforderten Leistung letzteren Gesichtspunkte wird daher auch eine Vorzu tragen. Wenn die gewünschte Emission erreicht richtung zur automatischen Durchführung des erist, wird Spannung an den Kathoden-Anoden-Kreis findungsgemäßen.Regelverfahrens angegeben,
angelegt, um die Entladung zu bewirken. Hierauf 5 Die folgende genaue Beschreibung der Erfindung wird der Strom bei dem erreichten Wert im wesent- wird durch die Zeichnungen erläutert. Es bedeutet liehen konstant gehalten; zunächst wird die Span- hierin

nung über der Entladungsstrecke höher sein als die Fig. 1 ein Diagramm, teilweise schematisch und

normale Arbeitsspannung, aber sie wird nach und teilweise in Blockform, einer Vorrichtung gemäß nach in dem Maß, in dem sich das behandelte Ma- io der vorliegenden Erfindung,
terial erhitzt, fallen, und infolge der Entwicklung Fig. 2 einen teilweisen Schaltplan, welcher be-

von Gasen und von Sekundärelektronenemission stimmte Einrichtungen die in Fig. 1 in Blockform bildet sich eine Ionisationszone. Zu diesem Zeit- symbolisiert wurden, näher kennzeichnet;
punkt erhöht der Ionenbeschuß der Kathode und F i g. 3 illustriert die allgemeine Beziehung

auch andere Vorgänge, insbesondere Schwankungen 15 zwischen Emissionsstrom und Spannungsgradient in der Verteilung des elektrischen Feldes, die Elek- an einer heißen Kathode;

tronenemission. Wenn Gleichgewichtsbedingungen F i g. 4 illustriert die allgemeine Beziehung, welche,

erreicht sind, wird gemäß der Erfindung der Ka- zwischen Kathoden- oder Heizstrom und angelegter thodenheizstrom kontinuierlich auf einen Wert ein- Hochspannung zur stabilen Durchführung der Begeregelt, der proportional ist der Differenz zwischen 20 handlung von verschiedenen Materialien einzuhaldem Spannungsabfall über der Entladung und einer ten ist;

konstanten Bezugsspannung. Genauer gesagt wird Fig. 5 illustriert eine angenäherte Spannungsver-

der Emissionsstrom bei der Stromquelle reguliert, teilung zwischen Kathode und Anode,
um so wesentliche Schwankungen des Entladungs- F i g. 1 zeigt ein stark vereinfachtes Diagramm,

stroms zu verhindern, und die Kathodentemperatm 25 teilweise schematisch und teilweise in Blockform, wird separat reguliert; um den ■ Spannungsgradienten welches die Regelelemente eines Systems für einen an der Kathode so -zu regem, daß der mittlere Hochvakuum-Elektronenbeschußofen in Überein-Widerstand der Entladungsstrecke und die mittlere Stimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt. In an der Anode abgegebene Leistung im wesentlichen diesem Diagramm wird der Ofen durch eine Vakonstant gehalten werden. 30 kuumkammer 1 symbolisiert, welche über eine Lei-

Jede Kathodenkonstruktion hat eine bestimmte - tang 3 durch geeignete Pumpen 5 auf einen absothermische Kapazität,;, und es besteht eine gewisse luten Druck in der Größenordnung von 1 Mi-Verzögerungszeit.; zwischen Schwankungen der zu- krön Hg oder weniger evakuiert ist.
geführten Leistung sowohl direkt von der Strom- Die Entladung innerhalb des Ofens findet von

quelle als auch indirekt von der Entladung und 35 einer Glühkathode? zu einer Anode9 statt, welche Schwankungen des Emissonsstromes. Im allgemeinen aus einem Schmelzsumpf des behandelten Materials wird erne Abnahme des Widerstandes der Entla- bestehen kann, der sich in einem leitenden Tiegel dungsstrecke, welche. beispielsweise durch einen 10 befindet und über die metallischen Wände der plötzlichen Gasausbruch aus der Schmelze verur- Vakuumkammer elektrisch geerdet ist. Die von der sacht wird, durch eine Reduktion des der Kathode 40 Kathode emittierten Elektronen werden durch die zugeführten Heizstromes ausgeglichen, um dadurch zwischen Kathode und Anode bestehende Spannung die Kathodentemperatur zu vermindern und den zu hohen Geschwindigkeiten beschleunigt und be-Spannungsgradienten an der Kathode zu erhöhen.· schießen und erhitzen die geschmolzene Oberfläche Wenn daher ein Lichtbogen auftritt, kann der Heiz- des Materials innerhalb des Tiegels 10. Die von der strom der Kathode praktisch bis Null -reduziert 45 Schmelze entwickelten Gase werden ionisiert und werden, und wenn .der Lichtbogen lang genug bilden ein Plasma (ein hochleitender ionisierter andauert, kann sich die Kathode bis unterhalb Körper mit im wesentlichen neutraler Ladung), weider minimalen Emissionstemperatur abkühlen. ches sich von der Schmelze nach außen erstreckt. Wenn dann der Lichtbogen zusammenbricht, wird Der hauptsächliche Spannungsabfall herrscht der Widerstand der Entladungsstrecke sehr, hoch 50 zwischen der Kathode und dem Plasma, und der sein, die angelegte Hochspannung ,wird auf einen Hauptgegenstand der Erfindung ist es, die Entlazu hohen Wert steigen, und ein neuer Lichtbogen dung so zu regeln, daß der Widerstand dieser Zone wird gezündet. Gemäß einer anderen Ausführungs- mit hoher Spannung genügend hoch bleibt und form der vorliegenden Erfindung werden derartige daß eine Bogenbildung und andere Formen des Oszillationsbedingungen durch geregelte Zufuhr yon 55 Zusammenbruches beim Arbeiten mit hohen Lei-Heizstrom zur Kathode, während der Lichtbogen stangen vermieden werden. In der Zeichnung wurbrennt, vermieden. - den Fokussierungselektroden, Hitzeschirme, Vor-

Das erfindungsgemäße Regelverfahren kann ganz richtungen zum Kühlen des Tiegels, Vorrichtungen oder teilweise manuell durchgeführt werden. Für zur kontunuierlichen Zufuhr und Abfuhr des beMaterialien mit anfänglich unbekannter Qualität 60 handelten Materials u. dgl., mit welchen sich die oder unbekannten Eigenschaften werden, zunächst vorliegende Erfindung nicht direkt beschäftigt, einoptimale Bedingungen durch manuelle Regelung fachheitshalber und zum Zwecke der besseren Klarfestgelegt und diese dann auf eine automatische Re- heit weggelassen.

gelungsvorrichtung übertragen. Dauernde manuelle In einer vorzugsweisen Ausführungsform der EinRegelung ist im Prinzip zwar möglich, sie ist aber 65 richtung besteht die Kathode? aus einem Draht in kostspielig und wird mit Zunahme der zu regehiden '· Form einer einzigen Schleife aus Wolframdraht bzw: Anlage an Größe und.Kapazität immer schwieriger, einer , Wolframstange; der durch . die Schleife so daß man bei größeren- Anlagen eine automatische fließende Strom erhitzt die Kathode bis zu einer

Temperatur, bei welcher sie Elektronen emittiert, und die Leitungen zur Zufuhr dieses Stromes werden, wie bei 11 symbolisch dargestellt, durch die Seitenwände der Kammer durch Isolationsbuchsen eingeführt. Der Heizstrom der Kathode wird durch einen Heiztransformator 13 geliefert, welcher bei der gewöhnlichen Anordnung an ein normales Versorgungsnetz mit 60 Hz angeschlossen ist. Der Heizstrom wird durch eine Sättigungsdrossel 15 geregelt, wie im folgenden beschrieben wird.

Die Hochspannung zwischen der Kathode 7 und der Anode 9 wird durch eine Gleichstromquelle mit konstanter Stromstärke geliefert, wobei die angelegte Gleichspannung proportional dem Widerstand der Entladungsstrecke zwischen Kathode und Anode ist. In der dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird die verwendete Leistung aus einem kommerziellen Dreiphasennetz mit 60 Perioden/Sek. entnommen. Der Strom hieraus wird zunächst einer üblichen Dreiphasenschaltung für konstante Stromstärke zugeführt, vorzugsweise derart, wie sie als »Schaltung für konstanten Strom nach Steinmetz« bekannt ist und welche allgemein durch die Bezugszahl 17 angedeutet ist. Diese Schaltung besteht aus drei im Dreieck geschalteten Schenkeln, wobei jeder eine Spule 19 in Serie mit einem Kondensator 21 aufweist, deren Serienresonanz auf die Zufuhrfrequenz abgestimmt ist. Schematisch sind die Spulen 19 und Kondensatoren 21 einfachheitshalber als variabel eingezeichnet; in der Praxis werden als Kondensatoren vorzugsweise Kondensatorbänke mit verschiedenen Anzapfungen verwendet, und die Spulen weisen ebenfalls verschiedene Anschlüsse auf, so daß durch Auswahl und Verbindung der geeigneten Anschlüsse die Schenkel abgestimmt und der Ausgangsstrom eingestellt werden kann.

Die Dreiphaseneingangsleitungen 23 a, 23 b und 23 c sind mit den Spitzen der Dreieckschaltung verbunden, so daß der Eingangsphasenvektor in der Spule von jedem Schenkel zuerst rotiert, d. h. gegen den Uhrzeigersinn in der Schaltung 17, wie in Fig. 1 illustriert. Die Ausgangsleitungen25a, 25b und 25 c sind an der Verbindung zwischen der Spule und dem Kondensator jedes Schenkels angeschlossen. Wie bekannt ist die über die Ausgangsleitungen entwickelte Spannung, wenn die gezeigte Schaltung geeignet abgestimmt ist, nahezu proportional der über diese Schenkel verbundenen wirksamen Impedanz mit der Folge, daß der abfließende Strom nahezu konstant ist. Für die vorliegenden Zwecke kann er mit hinreichender Genauigkeit als konstant angenommen werden, wie dies auch im folgenden getan wird. Die Ausgangsleitungen 25 der Schaltung zur Konstanthaltung des Stromes sind mit der im Dreieck geschalteten Primärwicklung 27 eines Dreiphasentransformators, welcher die Spannung hinaufsetzt, verbunden. Die Sekundärwicklung 29 dieses Transformators ist im gezeigten Beispiel im Stern geschaltet. Die Sekundärwicklung ist mit einer Gleichrichterkolonne verbunden, welche beispielsweise aus sechs Quecksilberdampfgleichrichtern besteht, welche gemeinsam mit dem Bezugszeichen 31 bezeichnet sind. Diese Gleichrichter sind in an sich bekannter Weise mit der Leitung 35 verbunden.

Es existieren auch zahlreiche andere Arten für Versorgungseinrichtungen für konstanten Strom, und die Erfindung ist nicht auf die Verwendung irgendeiner besonderen Art beschränkt. Die gezeigte Anordnung wird jedoch infolge ihrer Einfachheit und großen Wirksamkeit vorzugsweise verwendet. Wenn gewünscht, kann die Stromstärke durch manuelle Verstimmung der Schaltung herabgesetzt werden. Infolge der Eigenschaften der Schaltung 17, nämlich einen konstanten Strom bei veränderlicher. Spannung zu liefern, ist es ersichtlich, daß, wenn die Ausgangsleitung der Gleichrichterkolonne geöffnet wird, die an sie gelieferte Spannung auf sehr hohe

ίο Werte steigen kann. Bei einer derartigen Schaltung, welche an eine 440-V-Leitung angeschlossen war, wurde die Ausgangsspannung bei offenem Stromkreis mit 13 kV bestimmt, wobei gefährlich hohe Ströme in der Schaltung zirkulierten. Es wird daher als Sicherheitsmaßnahme vorgezogen, Hörnerfunkenstrecken 33 über je Phase der Sekundärwicklung 29 vorzusehen, welche so eingestellt sind, daß sie bei. irgendeinem geeigneten vorherbestimmten Wert der Ausgangsspannung ansprechen. Bei einem erfindungsgemäßen Apparat sind die Funkenstrecken so eingestellt, daß sie bei 7,5 kV ansprechen; die Gleichrichterschaltung liefert daher am Ausgang einen Gleichstrom mit im wesentlichen konstantem Strom bei Spannungen im Gebiet zwischen prak-

tisch 0 und 10 kV.

Es ist klar, daß keine Einrichtung zur Konstanthaltung des Stromes eine absolute Konstanz des Stromes über eine unbeschränkte Reihe von Impedanzen gewährleisten kann. Praktisch verwendete Einrichtungen zur Stromkonstanthaltung, wie dieser Ausdruck in der Technik verwendet wird, sind durch

eine dynamische Impedanz

j π

gekennzeichnet,

welche relativ viel höher als ihre wirksame Impedanz j innerhalb ihres Arbeitsbereiches ist. Es wird daher eine Stromquelle mit »konstantem Strom«, wie die Schaltung 17, von der Entladung durch die Gleichrichterkolonne gesehen den Stromfluß durch die Entladung auf einen bestimmten Maximalwert begrenzen, auch wenn Kathode und Anode kurzgeschlossen sind, so daß die Impedanz über die Entladungsstrecke und auch die Spannung darüber Null erreicht, und wird die Stromstärke innerhalb weniger Prozente dieses Maximums halten, auch wenn sich die wirksame Impedanz der Strecke auf einen solchen Wert erhöht, daß die notwendige Spannung auf mehrere tausend Volt ansteigt. Eine Seite der Gleichrichterkolonne ist geerdet.

Die andere Seite ist über die Leitung 35 mit dei Sekundärwicklung des Heiztransformators 13 und dadurch mit der Kathode 7 verbunden. Für Kontrollzwecke und um die manuelle Regelung zu erleichtern, ist vorzugsweise in der Erdungsleitung der Gleichrichterkolonne ein Amperemeter 37 vorgesehen, um den Entladungsstrom anzuzeigen. Ein Voltmeter 39 in Serie mit einem außen angeschlossenen Vorschaltwiderstand 40 verbindet zum gleichen Zweck die Leitung 35 mit der Erde.

Ebenfalls zwischen der Leitung 35 und der Erde liegt ein Spannungsteiler mit einem hohen Widerstandswert, welcher aus dem Widerstand 41 in Serie mit dem Potentiometer 42 besteht. Die Leitung 53, welche an der Verbindung zwischen den EIementen 41 und 42 angeschlossen ist, nimmt vom Spannungsteiler eine geringe Spannung, im allgemeinen ungefähr 200 V, proportional zu der Spannung über der Entladung im Ofen ab und führt sie

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zu einem Regelverstärker 47 für Gleichstrom, welcher, wie im folgenden erklärt wird, einstellbar beeinflußt werden kann. Der Ausgangsstrom vom Verstärker 47 führt zu einer Wicklung 49 der Sättigungsdrossel 15 und gibt an sie einen Strom ab, welcher in direktem Verhältnis zu der Spannung über der Entladungsstrecke innerhalb des Ofens steht. Bei Zunahme dieses Stromes nimmt die Sättigung des Kerns zu, der effektive Blindwiderstand der Drossel nimmt ab, und dadurch erhöht sich die zugeführte elektrische Energie zur Erhitzung der Kathode 7 und somit auch deren Temperatur. Eine Abnahme der Spannung hat natürlich die entgegengesetzte Wirkung.

Die Bedingungen innerhalb der Entladungsstrecke sind nicht nur komplex, sondern schwanken von Moment zu Moment, und zwar wenigstens teilweise infolge von Schwankungen des Volumens und der Stellung des Ionenplasmas. Durch Betrachtungen der F i g. 3 bis 5 können einige nähere Erklärungen der Natur der durch die Kathodentemperatur ausgeübten Kontrolle gegeben werden.

Fig. 5 zeigt die ungefähre Spannungsverteilung zwischen Kathode und Anode. Das aus der geschmolzenen Anode in Freiheit gesetzte Gas wird ionisiert und bildet direkt an der Anode ein Ionenplasma mit niedrigem Widerstand. Infolge seiner guten elektrischen Leitfähigkeit ist der Spannungsabfall über dieses Plasma nur sehr gering, und seine äußere Oberfläche, welche sich fest auf gleichem Potential wie die geschmolzene Anode befindet, bildet eine virtuelle Anode, welche die von der Kathode emittierten Elektronen anzieht. Zwischen Kathode und Plasma ist der Widerstand des gasförmigen Mediums relativ hoch, und hier herrscht auch der größte Teil des Spannungsabfalls über der Entladung. In der Praxis dehnt sich das Plasma aus und zieht sich wieder zusammen, und wenn die Entladungsspannung und daher auch die Leistung konstant gehalten wird, ist es erforderlich, daß der Spannungsgradient nahe der Kathode entsprechend schwanken muß.

Die in F i g. 3 dargestellten Kurven sind einigermaßen ähnlich den bekannten Strom-Spannungs-Kurven einer Diode, und zwar im Stromsättigungsgebiet, und stellen natürlich nur grobe Annäherungen dar im Hinblick auf die sehr komplexe Natur der betrachteten Erscheinungen. Die Stromstärken sind als Ordinaten aufgetragen. Da aber Größe und Lage des Ionenplasmas, welches eine virtuelle Anode darstellt, schwanken und dabei sowohl die Lage als auch die tatsächliche Länge der Entladungsstrecke durch das Gebiet mit relativ hohem Widerstand schwankt, ist an den Abszissen der Spannungsgradient in unmittelbarer Nachbarschaft der Kathode und nicht die gesamte Spannung über die Entladung aufgetragen. Der Gradient schwankt als direkte nichtlineare Funktion der gesamten Spannung und als umgekehrte nichtlineare Funktion der Länge der Zone mit hohem Widerstand zwischen Kathode und Plasma.

Entsprechend dieser Erklärung der Bedeutung der Kurven schwankt der Kathodenemissionsstrom mit dem Spannungsgradienten an der Kathode in ungefähr der gezeigten Weise. Im Gebiet der" Begrenzung durch die Raumladung beträgt der Gradient an der Kathode im wesentlichen Null, oder er ist leicht negativ. Wenn der Strom erhöht wird, wird der im allgemeinen als Sättigung bezeichnete Punkt erreicht, bei welchem fast alle von der Kathode emittierten Elektronen zur Anode transportiert werden. Wenn nun die angelegte Spannung weiterhin erhöht wird, oder der Abstand zwischen der Kathode und der virtuellen Anode vermindert wird, kann sehr nahe an der Kathode ein positiver Spannungsgradient erhalten werden, und dadurch kann auch infolge von verschiedenen kompliziert von-

ID einander abhängigen Faktoren, welche hier nicht näher beschrieben zu werden brauchen, eine geringe, aber deutliche Zunahme des Stromes über den sogenannten Sättigungswert erreicht werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Kathode in diesem Gebiet der Übersättigung betrieben. Natürlich tritt Zusammenbruch und Bogenbildung auf, wenn dies zu weit betrieben wird und der Spannungsgradient zu groß wird.
Der Emissionsstrom schwankt auch als Funktion

zo der Kathodentemperatur. In F i g. 3 bezieht sich die Kurvet auf eine Kathodentemperatur, während sich die Kurve B auf eine andere, etwas höhere Kathodentemperatur bezieht. Wenn die Kathode zu kalt wird, findet in dem hier zu betrachtenden Vakuum keine wesentliche Emission statt, bis der Spannungsgradient so hoch wird, daß dadurch ein fast augenblicklicher Zusammenbruch verursacht wird. Es muß daher die Kathode oberhalb der Minimaltemperatur für thermionische Emission gehalten werden, welche ihrerseits vom Kathodenmaterial abhängt.

Die strichlierte Linie C in F i g. 3 zeigt den durch die Stromkonstanthaltungsschaltung 17 gelieferten Strom; sie hat eine leicht negative Neigung, die.

leichte Abnahme des Stromes anzeigend, wenn der wirksame Widerstand über der Entladungsstrecke von Null zu einem relativ hohen Wert steigt. Im vorliegenden Fall sind die Ionenströme im Vergleich mit den Elektronenströmen sehr gering; es müssen daher der Versorgungsstrom und der Emissionsstrom fast gleich sein. Es ist daher, wenn die Ka-. thodentemperatur der Kurve A entspricht, der Arbeitspunkt am Schnitt zwischen den Kurven- und C, und der Spannungsgradient entspricht der Abszisse vom Punkt X. Bei Zunahme der Kathodentemperatur zu der Temperatur entsprechend der Kurve B sinkt die Koordinate des Spannungsgradienten zum Punkt Y. Es bestimmt daher, wenn die anderen Faktoren gleichbleiben, die Kathodentemperatur den Spannungsgradienten. In der Praxis bleiben andere Faktoren nicht lange gleich, und die Kathodentemperatur wird zur Regelung und Stabilisierung der Entladung variiert. Die gesamte Kathoden-Anoden-Spannung stellt sich infolge der Versorgung mit konstantem Strom automatisch selbst auf einen Wert, welcher durch den eingestellten Gradienten und die Geometrie der Entladungsstrecke bestimmt wird. Die relativ großen Spannungsänderungen mit kleinen Änderungen der Kathodentemperatur geben eine kräftige negative Rückwirkung, mit welcher die mittlere Spannung im wesentlichen konstant gehalten werden kann.

Innerhalb des Übersättigungsgebietes erreicht der Spannungsgradient nahe der Kathode die über die Entladungsstrecke angelegte Gesamtspannung dividiert durch den Abstand der Kathode und der virtuellen Anode. Es ist aus den Kurven von Fig. 3 ersichtlich, daß eine Änderung der Kathodentempe-

ίο

ratur 'eine Lageänderung der virtuellen Anode kompensieren und die Spannung (und"^ daher, die Leistung) konstant halten kann,- da der Strom'. von vornherein.im wesentlichen konstant sein muß. ■

Die Lage der virtuellen Anode' hängt aber (unter anderen Faktoren) auch von dem Maß ab, in welchen gasförmige Stubstanzen aus der Anode "freigesetzt werden, entweder durch Verdampfung des behandelten Materials oder durch Freisetzung "von

vergrößert das Volumen des Ionenplasmas und vermindert den Zwischenraum zwischen dem .Ionenplasma und der Kathode, ^wodurch die Entladung instabil wird und einen Niederspannungsbogen 5 bildet. Zu geringe Leistung hat* die gegenteilige Wirkung, und die Ionendichte kann so goring werden, daß die elektronische Raumladung den Strom begrenzt und die Spannung au£zu hohe Werte ansteigt. Es existieren daher für jedes verschiedene

Verunreinigungen. Sie ist daher eine Funktion, der ιοί Material verschiedene Arbeitsbedingungen, um die Leistung der Entladung (welche sichgrößtenteils als gewünschte Behandlungsweise^T:rzu erreichen. Diese Elektronenbeschuß der Anode auswirkt) unter ver_: Arbeitsbedingungen müssen experimentell festgelegt schiedenen anderen Faktoren einschließlich der Bau- werden. ^;l

art des Ofens und der Zusammensetzung des Roh- Außerdem können die Eigenschaften der Schmelze,

materials, seines" Schmelzpunktes, Dampfdruckes _l5 die Geschwindigkeit der Gasäüsbrüche ■ sowie die und seiner Reinheit. ■ " " Größe des Ionenplasmas während des Verlaufs

Der Nennstrom'-und die Spannurigsverhältnisse _emer Schmelzbehandlung schwanken. Um die Leisindbestimmte Eigenschaften des jeweiligen zu kon- stung innerhalb gewünschter^Grenzen zu halten, trollierenden Ofens. Um für einen bestimmten _wu-d die. Kathodentemperatur durch Regelung des Schmelzvorgang stabile Arbeitsbedingungen zu'er- _ao Kathodenheizstromes eingesteift, wodurch die zwit _ _ ι j._ ™·_,,_-_,_^ . , !__,. c.. S₀J_16n Kathode und Anode liegende Spannung be

einflußt wird. Wenn die Spannung abfällt, wird der Heizstrom der Kathode gedrosselt, und wenn die Spannung ansteigt, wird der Heizstrom erhöht. Nun,

Anfang wird die Entladung durch die Raumladung ₂₅ ist aber der Heizstrom nicht proportional der Spanbegrenzt, der Widerstand der Entladungsstrecke ist _nungj sondern etwa proportional der algebraischen hoch, und es wird daher die Spannung zwischen Summe und einer negativen Konstante ungefähr Anode und Kathode auch hoch sein. Wenn aus der gleicher Größe. Mathematisch ausgedrückt bedeutet beschossenen und erhitzten Anode Gase entweichen, dies daß, wenn I den Heizstrom der Kathode und V bilden sich Ionen, welche den Widerstand der Ent- 30 die Spannung zwischenKathodeündSchmelzebezeichladungsstrecke herabsetzen, und die Spannung sinkt. _ηε^ stabile !Bedingungen erhalten werden können, Der Heizstrom zur Erhitzung der Kathode kann _werm der Heizstrom derart kontrolliert wird, daß dann nach und nach vermindert werden, um Spannung und Leistung bei den gewünschten Werten zu

halten. Wenn nun die Spannung (und damit auch _{35 wo}bei S und K experimentell bestimmte Konstanten

sind, welche für verschiedene Materialien verschiedene Werte aufweisen, welche aber noch niemals als Null bestimmt werden konnten. Im allgemeinen

reichen, kann die Kathodentemperatur zunächst für eine höhere Emission eingestellt werden,. als zur Beförderung des durch die Stromkonstanthaltüngsschaltung 17 gelieferten Stromes nötig wäre. Am

die Leistung) unter den gewünschten Wert absinkt, soll die Kathodentemperatur gesenkt werden, um so den Spannungsgradienten und den Widerstand der Entladung zu erhöhen; umgekehrt, wenn die Spanist S nur wenig kleiner, beispielsweise um etwa 5%,

nung über den gewünschten Wert steigt, soll die ₄₀ als der mittlere Wert von V.

Kathodentemperatur erhöht werden. Diese Opera- Es könnte angenommen werden, daß die Rege-

tion kann nun auf die automatische Regelung umgeschaltet werden, wodurch Spannung und Leistung im wesentlichen konstant gehalten werden.

lung um so stabiler sein würde., je schneller der Heizstrom der Kathode auf Schwankungen der Spannung der Entladung reagieren würde. Dies ist

Mit Materialien mit bekannten Eigenschaften kön- _{45 Q}un tatsächlich nicht der Fall. Die thermische Kanen diese Bedingungen von vornherein eingestellt· pazität der Kathode, welche mit der Außentempewerden, und man kann sofort auf automatische Re- _rat_ur und den anderen davon abhängigen Faktoren gelung übergehen. Um jedoch eine stabile Behänd- schwankt, bewirkt Verzögerungen ihrer Reaktion lung mit höchstmöglicher Leistung von Materialien _auf Änderungen des Heizstromes, welche wiederum mit unbekannten Eigenschaften, insbesondere bezug- ₅₀ einer Phasenverzögerung in der Rückkopplungslich deren Gehalt an Verunreinigungen zu erreichen, schleife gleichwertig sind, so daß eine zu schnelle sind infolge des Einflusses des behandelten Mate- Reaktion auf Spannungsschwankungen Instabilität rials auf die Entladung gewöhnlich weitere Ein- verursachen kann mit heftigen oszillatorischen Anstellungen notwendig. derungen der Entladungsspannung. Auch helfen Die Größen, welche die Entladung beeinflussen, ₅₅ ^_urz dauernde Fluktuierungen der Spannung die sind so von verschiedenen Bedingungen abhängig, Entladung zu stabilisieren, beispielsweise können daß von vornherein keine Arbeitsbedingungen will- sich öfter kurz dauernde lokalisierte Entladungen kürlich festgelegt werden können. Die Dichte und zwischen dem Ionenplasma und der Kathode oder der Druck der Gase an der Anode hängen von der anderen Teilen der Apparatur entwickeln. Diese Temperatur der Schmelze, dem geschmolzenen Ma- 6o lokalisierten Entladungen haben relativ hohe Stromterial und insbesondere von seiner Reinheit ab. Das dichten bei niedrigem Widerstand. Sie bewirken Verhältnis, in welchem die Kathode durch Strahlung einen plötzlichen Abfall der Kathoden-Anoden-Energie verliert, hängt ebenfalls teilweise von der Spannung, wodurch das Löschen der lokalen Ent-Anodentemperatur ab, und dies beeinflußt wiederum ladung erleichtert wird, bevor diese in einen selbstdie direkte Heizenergie, welche ihr zugeführt werden 65 erhaltenden Bogen ausarten. Es wird daher nicht muß, um ihre Temperatur zu erhalten. Eine Ent- beabsichtigt, alle Spannungssohwankungen zu verladung mit zu hoher Leistung erhitzt die Schmelze meiden; es soll lediglich die mittlere Spannung anzu schnell, beschleunigt die Freisetzung von Gasen, nähernd konstant gehalten werden.

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Il I²

Zusätzlic,h zu :dera-obigen. Faktoren ejdsiiejt ejnß ist und d.a_;s andere Εηφ .zu einer negativen Span-

T^mper^toKchwellei, unterljalb welcher ,die i^gjtjpde, nungsquelie.,' vorzugsweise 4Φϊα~ negativen Anschluß

keine ins Geyricht%feide- Anzahl· yqn ^lektjionen ejne~r fliehen .Kr^i(JUeIIe₂ fühit, * " - ' ,

emittiert; es können\aber Sekundäreffekie' genpge.?}· Die Ejpsteljung .dej ^;Pptejj;ti9jjieter^ $f bestiinm,i

die Kathode bei voller Emission zu ,erhgltpn, wenn _;5 die^Ems^lung-Jer Vorspannung des Verstärkers

auch der ihr zugeführte Heizsteom an sieji inifih'tjtin- " und 6esthnmE _spmit dje ungefärirg:" initJL&re Span-

reichen würde, sie über die ,SchWeUentemperatur zu nung zwischen 4^er K^ode? und der Scjmielzie

erhitzen· der Widerstand der Kathode schwankt .mit während der automatischen Ärbeitsperiode, Diese

der Temperatur., und der der f^athofie zugeführt^ Vorspannung kann auf irgendeinen Wert zwischen'

Heizstrom kann flichtjijiear niit-4em derSäitiguügs- iß Eg4p£teMaJ^u|td:_: —^yi.V^emgestettt^wenien. Bei

drossel 15 zugeführten' Regelstrpmschwanken." "'". * der hier beschriebenen ypfriclitung wird sie unge-

In der Praxis können alle diese miteinander zu- fähr in der Gegend von _—l°Ö V liegen, sp daß das sammenhängenden Faktoren durch die Einsteilung Gitter des ersten Verstärkerrohres um ungefähr 10 V von zwei Arbeitsbedingungen reguliert werden: der nfgatiyer, ist als '.seineKathode" be;" normaler Span-Einstellung ,einer Vorspannung im Verstärker47 13 nung über'<|er Entladungssijrecke 4ss Ofens und und der Regulierung des Verstärkungsverhältnisses. ' ungefähr —200 V in der Leitung 53.'Wenn man den Diese Einsteilungen werden geiler bei der. fre- K.athp.denheizstr_;pm ajs Abszisse -in Abhängigkeit Schreibung der in Fig. 2 dargesteliten Schaltungen vpn der EEtladungsspannung als Ordinate auftragt, besprochen. wie dies in Fig. 4 gezeigt wird, bes/timmt die ]Sm-

Die Wirkungen ,dieser Einstellungen sind in F ig. 4 ao stellung des Potentiometers 57 wirksam die mittlere

illustriert;, worin der Heizstrom in Abhängigkeit von Spannung über der Entladung während der aiito-

der Spannung zwischen Anode und Kathode auf- matiseh geregejien Arbeitszeit. Die EinsteEung des

getragen ist. pie Kurven Z) und £ dieser Figur zei- Pptentiometerkontaktes 45 bestimmt bei der gleichen

gen typische Charakteristiken-für stabile Arbeits- Zgjchming die. Steigung der Kurve, d.h. das Maß,_

bedingungen bei dpr Behandlung vpn zwei verschie- 25 mit welchem der Heizstrom zunimmt, wenn während

denen Materialien. Die wichtigen Tatsachen, die hej der automatischen Arbeitsperiode die Spannung

diesen Kurven beobachtet werden können, sind ihre über der Entladung zunimmt.,

verschiedenen Steigungen und ihre verschiedenen* Dej Kontakt .des Pptentipmeters 57 ist direkt mit

S.chnittpunkte mit 4er Nuli-Stiomachse.. Diese einer Kathode SiS₁ einer poppeltripde 59 verbunden,

Schnittpunkte sind niemals bejm Ursprung, wenn 30 während der "Kpntakt 45 direkt zum Gitter 6,O₁ führt

stabile Arbeitsbedingungen ,erhalten werden sollen. zur Regelung des Stromes in dieser Triode. Die

Anders ausgedrückt bedeutet das, daß weder det. Anode "des .gleichen Rphrenteils führt über einen

Heizstrom der Kathode noch die Heizspannung di- Last^derstand SL zu dem Schleifkontakt eines

rekt proportional zur Spannung der Entladung ist. Potentiometers 63, welches ,zwischen die +250-V-

Eine Einrichtuog, wodurch alle notwendigen Ein- 35 Klemme.einer Stromquelle und Erde geschaltet ist. Stellungen zunächst von Hand aus vorgenommen Durch diese Anordnung kann die mittlere Anodenwerden können und bei welchen dann am automat spannung der Vakuumröhre eingestellt werden, was tische Regelung umgeschaltet wird^ ist in Fig. 2 gewöhnlieh währendI der Justierung des Verstärkers dargestellt. EinfaGhheitshalber soll jedoci. zunächst in der Fabrik ,getan wird.

die automatische Regeleinrichtung beschrieben wer- 40 Der Spannungsabfall über den Widerstand 61

dgn, da die manuelle Regeleinrichtung in gewissem wird direkt zum Gitter 6O₂ des zweiten Teils der

Sinne eine Vorrichtung darstellt, mit welcher die Rphjre 59 über den üblichen Schutzwiderstand 65

automatische Regelung justiert wird. geführt. Die Kathode 5,8₂ des zweiten Röhrenteiis

Derartige Teile der in Fig. 1 gezeigten Vorrich- ist über einen Kathodenwiderstand ,67 mit dem

rung, welche zur kompletten Beschreibung der zwei- 45 Potentiometer 57 verbunden, wodurch dieser Teil

ten Figur notwendig sind, sind mit den gleichen der Röhre 59 als Folgekathode wirkt.

Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen. Die Einrieb- Die zwischen der Kathode 58₂ und Erde ent-

tung, welche sich innerhalb des Blocks 47 von wickelte Spannung wird den vier Steuergittern von

Fig. 1 befindet, ist in Fig.-2 mit den unterbroehe- zweiparallelgeschaltetenPoppelröhren69 zugeführt,

nen Linien 47 umrandet. Ebenso ist die Einrichtung 5° Die Kathoden dieser Röhren sind direkt geerdet;

innerhalb des Blocks 51 von Fig. 1 mit unter- ihre Anoden sind, ebenfalls parallel geschalte^ über

brochenen Linien 51 in F i g. 2 ujnrandet - kleine Schutzwiderstände 71 mit der Regelwicklung

Die Widerstände 41 und 42, welche einen Span- 49 der Sättigungsdrossel 15 verbunden. Der durch

nungsteiler zum Liefern einer günstigen Spannung diese Röhren geregelte ~ Strom wird von einer

von ungefähr —200 V proportional zu der wesent- 55 +200-V-Klemme der gleichen Stromquelle geliefert,

lieh höheren Kathoden-Anoden-Spannung bilden, wie sie zur Versorgung der anderen Betriebsspan-

sind in F ig. 2 ganz rechts gezeigt, und zwar sind! nungen des Verstärkerkreises gebraucht wird,

sie zwischen Erde und der Leitung 35 geschaltet, Wenn man nun der beschriebenen Schaltung folgt,

welche die Hochspannungskraftquelle mit dem sp ist ersichtlich, daß .eine Zunahme des Spannungs-

MAtteltefiL der Sekundäjwicidung des Heiztransfor- 69 abfalls über .der Entladungsstrecke innerhalb des

matorsl3 verbindet, der die Kathode 7 speist. Die Ofens bewirkt, daß das Gitter des ersten Teils der

Leitung 53 vpji der Verbindung zwischen den Widern. Röhre 59 negativer wird, dadprcti der Spannungs-

ständen 41 und 42 führt über ein Kontaktpaar .SS_x _ abfall über dem Widerstand 61 verrnindert und das

eines automatisch oder von Hand aus zu betätigen- zweite Gitter positiver wird. Der zweite Röhrenteil,"

den Mehrfachumschalters zu einejn Ende eines^.65 welcher als Fplgekathade gesch4tet ist,, bewirkt

Potentiometers 43. Das untere Ende dieses Potentio- wiederum^ daß "alle Gitter der Röhren 69 positiver

meters führt zu dem Schleifkontakt eines zweite» werden, verstärkt so den Strom durch diese Röhren

Potentiometers 57, von welchem ein Ende geerdet , und durch die RegeiwicMung 49 der Örossel und

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verstärkt den Kathodenheizstrom, wodurch die takte am Widerstand 75 und am Potentiometer 83

Kathodentemperatur erhöht und der Widerstand der variiert werden. Zwischen diesen beiden Einstellun-

Entladungsstrecke erniedrigt wird. Bei konstanter gen kann die Zeit, während welcher die Drossel 15

Stromstärke erniedrigt ein Abfall des Widerstandes gesättigt ist, und somit ihre mittlere Impedanz so

in der Entladung die Spannung, und es wird so eine 5 eingestellt werden, daß genügend Strom durchfließt,

negative, stabilisierende Rückkopplungswirkung er- um die Temperatur der Kathode 7 im Emissions-

reicht, wodurch die mittlere Entladungsspannung bereich zu halten. Außerdem soll darauf hingewiesen

und -leistung im wesentlichen konstant gehalten werden, daß eine durch den Regulierwiderstand 75

wird. In gewissem Sinne verändert eine Einstellung einstellbare Verzögerungszeit zwischen einem Span-

des Kontaktes 45 die Rückkopplungswirkung, welche io nungsabfall über der Entladung im Ofen und dem

infolge der beträchtlichen Verzögerungszeit und an- Ansprechen des Thyratrons 77 besteht. Es wird

deren komplexen Faktoren weder zu hoch noch zu daher der Stromkreis des Thyratrons nicht einge-

niedrig sein darf, wenn eine stabile Arbeitsbedin- schaltet, wenn die lokalisierten Entladungen so kurz

gung aufrechterhalten werden soll. dauern, daß er nicht benötigt wird.

Die Spannung an der Kathode 58₂ des Ausgangs- 15 Der Kern der Sättigungsdrossel 15 ist, wenn das

teils der Röhre 59 wird auch über ein zweites Kon- Thyratron 77, wie oben beschrieben, schwingt, nie-

t aktpaar 55₂ des automatisch-manuellen Umschalters mais völlig gesättigt, und die Regelwicklung 49 hat

mit einer Leitung 73 verbunden, welche über einen eine beträchtliche Induktivität; es ist daher der

Regulierwiderstand 75 zur Kathode eines Thyratrons durchgehende Strom eine umgekehrte Funktion der

und auch über einen Kondensator 79 zur Erde 20 Frequenz. Daher kann der Sättigungsgrad des

führt. Die Steuerelektrode des Thyratrons ist über Drosselkerns durch Einstellung der Frequenz der

einen Strombegrenzungswiderstand 81 mit dem Thyratronschwingungen, d. h. durch Einstellung des

Schleifkontakt eines Potentiometers 83 verbunden, Widerstandes 75, geregelt werden. Dadurch kann

welches in einer Spannungsteilerschaltung zwischen der unter derartigen Bedingungen an die Kathode

der — 275-V-Klemme der Kraftquelle und Erde 25 gelieferte Heizstrom so reguliert werden, daß diese

geschaltet ist. Die Anode des Thyratrons 77 ist auf irgendeine gewünschte Temperatur innerhalb

direkt geerdet. des Arbeitsbereiches erhitzt werden kann, so daß,

In der Praxis kann das Potentiometer 83 die Span- wenn der Lichtbogen im Ofen den wirksamen nung der Steuerelektrode des Thyratrons 77 über Widerstand der Kathoden-Anoden-Strecke absenkt, einen Bereich von 50 bis 60 V regulieren, von un- 30 diese hinreichend nahe bei dem normalen Arbeitsgefähr—110 V bis etwa in die Gegend von—160 V. wert ist und die Spannung über ihr nicht bis zu Bei normalen Arbeitsbedingungen addieren sich der einem so hohen Wert ansteigt, daß dadurch der positive Spannungsabfall über den Kathodenwider- Bogen im Ofen wieder gebildet wird oder die stand 67 und die negative Spannung von ungefähi Hörnerfunkenstrecken in der Stromversorgung an-—190 V vom Potentiometer 57 algebraisch und 35 sprechen und dadurch möglicherweise die Hauptmachen die Kathode des Thyratrons 77 genügend stromquelle abgeschaltet werden muß, um die Arpositiv gegenüber seinem Steuergitter, so daß das beitsbedingungen wiederherzustellen.
Thyratron nichtleitend bleibt. Wenn aber die Span- Wenn ein sich erhaltender Lichtbogen entstanden nung über der Entladung im Ofen abfällt, so fällt ist, welcher den normalen Arbeitsstrom der Schalder Strom durch den Widerstand 67 ebenfalls ab, 40 tung 17 verbraucht, ist es klar, daß zusätzliche Mittel und bei einem bestimmten Minimalwert dieses Stro- vorgesehen werden müssen, um ihn abzubrechen, mes spricht nach einer Verzögerungszeit, welche Dies kann natürlich so durchgeführt werden, daß durch die Werte des Kondensators 79 und des die Verbindung mit der Stromkonstanthaltungs-Widerstandes 75 bestimmt ist, das Thyratron 77 an schaltung 17 unterbrochen wird. Vorzugsweise wer- und schaltet den Widerstand 75 zwischen Erde und 45 den jedoch unerwünschte Schwingungen nach dem den Widerstand 67. Dadurch wird ein Spannungs- Wiedereinschalten des Stromes vermieden. Es sollen teiler gebildet, welcher die Kathode 58«, und die auch normale Arbeitsbedingungen so bald wie mög-Gitter der Röhren 69 bei einem hinreichend kleinen Hch nach Unterbrechung eines Lichtbogens wiedernegativen Potential hält, so daß ein beträchtlicher hergestellt werden. Eine Möglichkeit, dies zu erStrom durch die Röhren 69 und die Regelwicklung 50 reichen, ist in F i g. 2 rechts dargestellt.
49 fließen kann, wodurch wiederum Heizstrom Ein Potentiometerschleifkontakt 85 führt vom durch die Kathode 7 fließt, bevor sie unter ihre Widerstand 42 auf der Seite des niederen Potentials minimale Emissionstemperatur abkühlen kann. der Spannungsteüerschaltung zum Steuergitter eines

Durch das Ansprechen des Thyratrons 77 wird Thyratrons 87. Die Kathode dieses Thyratrons ist auch der über den Kondensator 79 wirksame Wider- 55 über einen Regulierwiderstand 88 geerdet. Seine stand im wesentlichen auf Null erniedrigt, der Kon- Anode führt zur Wicklung eines Relais 89 und densator wird entladen, Kathode und Anode des weiter durch einen Kondensator 91 zu der+250-V-Thyratrons werden im wesentlichen auf das gleiche Klemme der Stromquelle des Verstärkers. Der Kon-Potential gebracht, und dadurch wird die Entladung densator 91 ist durch einen hochohmigen Widerim Thyratron unterbrochen. Wenn zu dieser Zeit 60 stand 92 überbrückt, welcher einen derartigen Wert der Lichtbogen im Ofen noch nicht unterbrochen aufweist, daß die Zeitkonstante der Kondensatorist, wird der Kondensator über den Widerstand 75 Widerstands-Kombination in der Größenordnung wieder geladen, das Thyratron spricht wiederum an von einer Sekunde liegt.

und schließt bzw. öffnet den Stromkreis über den Der Potentiometerkontakt 85 wird auf einen

Kondensator 79 so lange, wie der Lichtbogen im 65 Punkt eingestellt, bei welchem das Thyratron 87

Ofen fortdauert. Die Röhre 77 wirkt daher etwa nichtleitend gehalten wird, bis die Spannung zwi-

wie ein Sägezahnoszillator. Die Frequenz bzw. der sehen Kathode und Anode des Ofens auf den niede-

Abbruchpunkt können durch Verschiebung der Kon- ren Wert absinkt, welcher für einen Lichtbogen

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charakteristisch ist. Bei diesem Punkt spricht das 57 und dann zur Erde fließt. Der zum Heizfaden 7

Thyratron 87 an und lädt den Kondensator 91 über fließende Heizstrom kann nun durch Veränderung

die Wicklung des Relais 89, die Röhre 87 und den des Schleifkontaktes 45 vom Potentiometer 43 ma-

Widerstand 88, welche in Serie geschaltet sind, auf. nuell geregelt werden.

Der letztere Widerstand ist wesentlich kleiner als 5 Der Widerstand 97 ist vorzugsweise entsprechend der Widerstand 92 und ist so eingestellt, daß die der Anzeige der Entladungsspannung durch das Zeitkonstante der aus der Relaiswicklung und dem Voltmeter 39 markiert, so daß der Strom durch das Kondensator 91 bestehenden Serienschaltung in der Potentiometer 43 bei einer gegebenen Einstellung Größenordnung von Veo Sekunde ist. Nach An- der gleiche ist wie bei der angezeigten Spannung bei sprechen der Röhre 87 schließt das Relais 89 und io automatischer Kontrolle. Der Strom durch den betätigt den Magnetschalter 93. Letzterer wird durch Heizfaden 7 kann am Amperemeter 99 im Primärdie Hauptwechselstromquelle gespeist und schließt kreis des Transformators 13 abgelesen werden, und die Kontakte 95, welche wiederum jeden Schenkel wenn geeignete Arbeitsbedingungen hergestellt worder Stromkonstanthaltung kurzschließen, indem sie den sind, kann dieser Strom durch die automatische jedes Paar der Ausgangsleitungen 25 a, 25 b und 15 Einstellung beibehalten werden. Offensichtlich 25 c, welche in der Figur fragmentarisch angedeutet könnte auch eine völlig separate Regelung zur sind, miteinander verbinden. Der Strom fließt nur Regulierung des Kathodenheizstromes verwendet so lange in der Spule des Relais 89, bis der Konden- werden, aber obwohl ein derartiger getrennter Regelsator 91 im wesentlichen auf die 250-V-Versorgungs- mechanismus an sich viel einfacher wäre als die Einspannung aufgeladen ist, worauf die Entladung 20 stellung durch den Verstärker 47, würde er doch durch das Rohr 87 abbricht und das Relais 89 das ganze System komplizierter und den Übergang wieder öffnet. Dadurch wird wiederum der Magnet- von der manuellen zur automatischen Regelung schalter 93 erregungslos, und die Kontakte 95 wer- schwieriger machen.

den geöffnet, wodurch die Kurzschlüsse der Sehen- Wie bereits festgestellt wurde, wird die Vorspan-

kel der Stromkonstanthaltungsschaltung aufgehoben 25 nung für die Röhre 59, welche die mittlere Spannung

werden. über die Entladung im Ofen während der automa-

Die Kontakte 95 leiten lediglich den Strom, wel- tischen Regelung bestimmt, durch das Potentiometer eher gewöhnlich zur Transformatorprimärwicklung 57 festgelegt und wird gewöhnlich für alle Arbeits-27 geleitet wird, infolge der Eigenschaften der bedingungen sowie für die verschieden behandelten Stromkonstanthaltungsschaltung, aber die Spannung 30 Materialien den geringsten Schwankungen unterüber den Gleichrichtern 31 fällt sofort praktisch auf liegen. Dieses Potentiometer muß daher selten Null und bewirkt den Abbruch des Lichtbogens wieder verstellt werden. Wesentlich kritischer ist die innerhalb des Ofens. Dies findet gewöhnlich inner- Neigung der Heizstrom-Entladungsspannungs-Kennhalb einer halben Periode der 60-Hz-Eingangs- linie. Diese wird mit Hilfe des Schleifkontaktes 45 leistung statt. Durch Einstellen der beiden vom 35 des Potentiometers 43 eingestellt. Im vorliegenden Kondensator 91 abhängigen Zeitkonstanten kann Fall wird dies mit Hilfe eines kleinen Elektromotors die Zeit, während welcher das Relais 89 geschlossen 101 mit umkehrbarem Lauf durchgeführt, welcher bleibt, so eingestellt werden, daß sie zwar lang ge- zur Betätigung des Kontaktes 45 durch Betätigung nug ist, um den Abbruch des Lichtbogens innerhalb des einen oder des anderen von Druckknöpfen 103 des Ofens zu gewährleisten, aber nicht langer. Die 40 in Tätigkeit gesetzt werden kann.
Kapazität des Kondensators 91 muß groß genug Es ist ersichtlich, daß die Betätigung vom Konsein, um genügend Energie aufspeichern zu können, takt 55₂ in die manuelle Stellung den Stromkreis um das Relais 89 während des benötigten Zeit- der Röhre 77 von der direkten Verbindung mit raumes geschlossen zu halten. Dies hängt natürlich dem Widerstand 67 trennt, wodurch verhindert wird, von der Empfindlichkeit des Relais ab. Die Werte 45 daß diese Vorrichtung die automatische Kathodender Widerstände 88 und 92 werden entsprechend stromregelung übergeht, wenn Lichtbogenbildung ausgewählt. stattfindet. Der Stromkreis der Röhre 77 kann durch

Es ist natürlich ersichtlich, daß auch elektro- Betätigen des Druckknopfes 105 wiederhergestellt

nische Schalter, wie Ignitrone oder Thyratrone, an werden. Vorzugsweise wird der Widerstand 97 so

Stelle der hier gezeigten elektromechanischen Relais 50 eingestellt, daß er einem Wert der Entladungsspan-

und Kontaktgeber verwendet werden können und nung entspricht, welche Lichtbogenbildung anzeigen

daß die Kurzschlußverbindungen auch über die würde. Hierauf wird der Druckknopf 105 niederge-

Sekundärwicklung 29 des Transformators oder zwi- drückt und das Potentiometer 83 eingestellt, bis die

sehen der Leitung 35 und der Erde durchgeführt Röhre 77 anspricht. Dies wird durch eine plötzliche

werden können. 55 Zunahme der Anzeige des Amperemeters 99 von

Um den Apparat auf manuelle Regelung umzu- beispielsweise 2 oder 2,5 Ampere auf 5 oder schalten, werden die Mehrfachschalter 5S₁ und 55₂ 6 Ampere angezeigt. Durch Einstellung des Widerin die entgegengesetzte Stellung gebracht, als sie in Standes 75 wird dann der Kathodenstrom auf den der Zeichnung gezeigt sind. Dadurch wird das gewünschten Wert gebracht.
Potentiometer 43 von der Verstärkereingangsleitung 60 Ähnlich kann es bei Einstellung der Arbeitsbe-53 getrennt und an Stelle dessen mit einem von dingungen wünschenswert sein, den Schalter 107 zu Hand aus zu betätigenden Regulierwiderstand 97 öffnen und den Kurzschlußkreis 51 zu unterbrechen, verbunden, welcher seinerseits mit der —275-V- bis eine stabile Tätigkeit erreicht ist. Wenn nun eine Klemme der Stromquelle verbunden ist. Die Ka- Bogenbildung stattfindet, kann diese Bogenentladung thode der Röhre 59 bleibt aber mit dem Potentio- 65 durch einfaches Schließen des Schalters 107 untermeter57 verbunden, so daß der Strom vom nega- brachen werden.

tiven Pol der Stromquelle durch den Widerstand 97 In der Praxis wurde gefunden, daß einer de:

und das Potentiometer 43 zurück zum Potentiometer größten Vorteile, welche durch die vorliegende Er-

Claims (1)

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findung vorgesehen werden, in der Tatsache liegt, niger absinken. Weniger heftige Gasausbrüche ver-

daß die verschiedenen voneinander abhängigen Fak- Ursachen weniger heftige, aber noch immer wesent-

toren, welche die Stabilität der Entladung erhalten, liehe Schwankungen des Widerstandes der Ent-

von Hand aus während eines Versuchsbetriebes ein- ladung.

gestellt werden können, bis für jeden spezifischen 5 Die Entladung mit niedrigem Widerstand, welche Fall optimale Betriebsbedingungen gefunden sind, auf einen Gasausbruch folgt, kann über Zeiträume worauf nach und nach, sobald diese bestimmt sind, von einem geringen Bruchteil einer Sekunde bis zu die Regelung der verschiedenen Betriebsbedingun- mehreren Sekunden andauern, und im Hinblick auf gen der automatischen Regeleinrichtung übergeben die thermische Kapazität der Kathode ist ihre Temwerden können. Außerdem wird infolge der Rei- io peratur im Vergleich mit ihrer unmittelbaren Umhenfolge, in welcher die Schritte durchgeführt wer- gebung so hoch, daß es gut möglich ist, daß sie in den, die Gefahr von zerstörenden Spannungen oder weniger als einer Sekunde unter die minimale Strömen vermieden, welche normalerweise unver- Emissionstemperatur abfällt. Wenn irgendeine der meidbar wären, wenn man große Leistungen von üblichen Arten von konstanten Stromquellen vereiner konstanten Stromquelle oder von einer kon- 15 wendet wird und die Entladung wird unterbrochen stanten Spannungsquelle, wie dies bisher üblich und dann die Kathode entweder keine oder weniger war, einer Belastung mit unvorhersehbaren Schwan- Elektronen emittiert, als zur Beförderung des konkungen des Widerstandes zuführt. stanten Stromes nötig sind, würde daraus eine so Infolge des beschriebenen Verfahrens kann die hohe Spannung resultieren, daß diese mehr Zerauf die geschmolzene Oberfläche des behandelten 20 störungen anrichten würde als die Kurzschlußströme, Materials abgegebene Leistung während langer welche auftreten, wenn die Versorgung von dem ge-A rbeitsperioden innerhalb ± 5 °/o oder weniger kon- bräuchlicheren, bisher bekannten System mit konstant gehalten werden, wenn die geschmolzenen Ma- stanter Spannung durchgeführt wird. Bei Durchterialien ziemlich rein oder von konstanter Zusam- führung der vorliegenden Erfindung wird dies vermensetzung sind. Diese Konstanz kann erwartet wer- 25 mieden durch Überziehen der negativen Rückkoppden, wenn die Entladung verwendet wird, um Me- lungsart der Regelung, welche die Arbeit bei der talle, welche bereits im Vakuum geschmolzen und Entladung stabil hält, außer wenn mehr als norvergossen wurden, wiederum zu schmelzen und wei- male Gasvolumina in Freiheit gesetzt werden. Wenn ter zu reinigen. daher das behandelte Material derartige Eigenschaf-Wenn das Material der Schmelze außerordentlich 30 ten besitzt, daß kontinuierliche Stabilität innerhalb viel Gas enthält wie beispielsweise einige der Metall- sehr enger Grenzen unmöglich wird, so bewirkt die schwämme, wie sie von den primären Herstellern vorliegende Erfindung, daß plötzliche Unterbrechunderartiger Materialien geliefert werden, ist der Aus- gen des gewünschten Verfahrens nicht zu völligem druck »Konstanthaltung der Leistung in der Ent- Zusammenbruch führen, und gestattet sofortige ladung« lediglich auf die mittlere und nicht auf die 35 Wiedereinstellung von im wesentlichen gewünschten momentane Leistung zu beziehen. Es ist häufig Arbeitsbedingungen und gestattet so kommerzielle eine Eigenschaft derartiger Materialien, daß sie Gas- Schmelz- und Gießverfahren in großem Maßstab mit einschlüsse enthalten, welche in der Entladung in höheren Leistungen, als dies bisher durchführbar plötzlichen, heftigen Ausbrüchen in Freiheit gesetzt war.

werden. Wenn ein derartiger Ausbruch stattfindet, 40 Bei der Behandlung von gasenden Materialien, kann das Volumen des in Freiheit gesetzten Gases bei welchen die wahrscheinliche Störangsart der so groß sein, daß der Druck innerhalb des Vakuum- Entladung sich von Gasausbrüchen herleitet, kann behälters auf einen Wert steigt, bei welchem das es wünschenswert sein, den Kurzschlußkreis 51 gesamte Volumen momentan mit einer Glimment- durch Öffnen des Schalters 107 zu unterbrechen und ladung gefüllt ist, auch wenn die zur Evakuierung 45 die letztere Einrichtung von Hand aus und nur des Behälters verwendeten Pumpen genügend Kapa- dann, wenn die Bogenbildung durch die Tätigkeit zität haben, den Druck außerhalb der Entladungs- der Pumpen nicht unterbrochen wird, zu betätigen, strecke bei Bruchteilen eines Mikrons Hg zu halten, Es kann hinzugefügt werden, daß beim Arbeiten wenn das Gas gleichmäßig in Freiheit gesetzt wird. mit derart gasenden Materialien die wirksame Ver-Die Verwendung der üblichen Stromversorgung- 50 Stärkung des Verstärkers, welche den Heizstrom arten zur Behandlung derart gasender Materialien regelt, vermindert werden sollte, um so die außermit metastabilen Entladungen der hier behandelten ordentlich heftigen Schwankungen der Entladungs-Art ist unmöglich. Wenn einmal bei einem solchen spannung zu kompensieren, welche für Materialien System sich eine lokalisierte Entladung aufgebaut dieser Klasse charakteristisch sind,
hat, wird sie von einem Stromstoß gefolgt, welcher 55 Die besondere, im vorhergehenden beschriebene schnell einen selbsterhaltenden Bogen bilden und die Apparatur zeigt eine günstige Möglichkeit zur Apparatur ausschalten würde, bis die Trennschalter Durchführung des automatischen Verfahrens und wiederum geschlossen und das gesamte Verfahren zum Übergang von manueller auf automatische von vorn wieder begonnen werden könnte. Regelung, und umgekehrt. Der Gegenstand der vorWenn der Strom in der diffusen Entladung wie 60 liegenden Erfindung soll jedoch nicht auf diese hier hierin begrenzt wird, kann kein solcher Stromstoß nur beispielsweise angeführte Ausführungsform bestattfinden, und in gewöhnlichen Fällen entfernen schränkt werden,
die Pumpen schnell das in Freiheit gesetzte Gas,

und irgendeine momentane lokalisierte Entladung Patentansprüche:

bricht von selbst ab. Aber während der Dauer der 65 1. Verfahren zur Regelung einer elektrischen

Entladung mit geringem Widerstand wird die Span- Entladung zwischen einer Glühkathode und

nung über sie von beispielsweise 5 bis 6000V auf einer durch Elektronenbeschuß erhitzten Anode

etwa in der Größenordnung von 100 oder auch we- innerhalb einer evakuierten Strecke, wobei die

Entladung unter solchen Bedingungen betrieben wird, daß in Freiheit gesetzte Gase ein Ionenplasma bilden können, bei welcher der Kathode ein Heizstrom und der Entladung zwischen der Kathode und Anode ein Gleichstrom zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der der Entladung zugeführte Gleichstrom auf einen im wesentlichen konstanten Wert gehalten und der Kathodenheizstrom kontinuierlich auf einen Wert eingeregelt wird, der proportional ist der Differenz zwischen der Spannung über der Entladung und einer konstanten Bezugsspannung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die konstante Bezugsspannung ungefähr 5% kleiner ist als die Spannung über die Entladung.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der konstante Strom nach Auftreten eines Licht- ao bogens, der die gewünschte Entladung überbrückt, in an sich bekannter Weise unterbrochen wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, welche eine Glühkathode, die sich zusammen mit einer durch Elektronenbeschuß erhitzten Anode in einem Vakuumbehälter befindet, eine stromkonstante Gleichstromquelle, die der Entladung zwischen Kathode und Anode einen Gleichstrom konstanter Stärke zuführt, und eine Heizstromquelle zur Zufuhr von Heizstrom zur Glühkathode, um diese auf die Elektronenemissionstemperatur zu erhitzen, umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß Schaltelemente (41, 42, 53) vorgesehen sind, die ein erstes elektrisches Signal hervorrufen, welches mit der Spannung über der Entladung schwankt, und daß Schaltelemente (57) vorgesehen sind, die eine Vorspannung hervorrufen, die zur Differenzbildung zu dem erwähnten ersten Signal dient, wobei ein Verstärker (59, 69) angeschlossen ist, der die Differenz zwischen dem erwähnten ersten Signal und der erwähnten Vorspannung verstärkt, um ein Regelsignal hervorzurufen, und daß schließlich Regeleinrichtungen (15) angeschlossen sind, die den Kathodenheizstrom in Abhängigkeit vom Regelsignal automatisch einstellen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung aus einer Sättigungsdrossel besteht, die eine Spule mit veränderlicher Impedanz, die zwischen die Kathodenheizstromquelle und die Glühkathode geschaltet ist, und eine Regelspule besitzt, die zum Empfang des Regelsignals mit dem Verstärker verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 und/oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode geerdet ist und die Schaltung zur Erzeugung des ersten Signals aus einem Spannungsteiler besteht, der zwischen Kathode und Erde geschaltet ist, daß die Einrichtung zum Hervorrufen der Vorspannung aus einer negativen Spannungsquelle und einem einstellbaren Potentiometer besteht, welches zwischen die Spannungsquelle und Erde geschaltet ist, und daß der Verstärker aus einem direkt gekoppelten Differentialverstärker mit zwei Eingängen besteht, wovon einer mit dem Spannungsteiler und der andere mit dem Potentiometer verbunden ist.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Kippgenerator aufweist, enthaltend ein Thyratron, eine Vorrichtung, die im Normalzustand das Thyratron über den Grenzpunkt vorspannt, um den Generator außer Tätigkeit zu halten, Anschlüsse zur Abschaltung dieser Vorrichtung, um den Oszillator bei anomalem Abfallen der Spannung zwischen Kathode und Anode einzuschalten; und eine Vorrichtung zum Aufrechterhalten der Heizstromzufuhr zur Glühkathode, während der Generator in Betrieb ist, wodurch die Kathode bei einer Elektronen emittierenden Temperatur gehalten wird, bis nach dem Auftreten des Lichtbogens die normalen Bedingungen wiederhergestellt sind.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem eine Vorrichtung zum automatischen Kurzschließen der Stromversorgung bei Abnahme der Spannung zwischen Kathode und Anode auf einen in bezug auf die mittlere Spannung zwischen diesen niederen Wert aufweist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschriften Nr. 2554902, 2792500.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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