DE1224412B - Vorrichtung und Verfahren zum Zuenden einer elektrodenlosen Hochfrequenz-Gasentladung mit induktiver Anregung - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Zuenden einer elektrodenlosen Hochfrequenz-Gasentladung mit induktiver Anregung

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DE1224412B
DE1224412B DEU9899A DEU0009899A DE1224412B DE 1224412 B DE1224412 B DE 1224412B DE U9899 A DEU9899 A DE U9899A DE U0009899 A DEU0009899 A DE U0009899A DE 1224412 B DE1224412 B DE 1224412B
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Harry John Hedger
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES -00TIW PATENTAMT Int. CL:
H05h
AUSLEGESCHRIFT
Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:
Deutsche Kl.: 21 g -24/01
U 9899 VIII c/21 g
19. Juni 1963
8. September 1966
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Zünden einer elektrodenlosen Hochfrequenz-Gasentladung mit induktiver Anregung in einem Plasmagenerator, der ein Rohr aufweist, durch welches ein Gasstrom geleitet wird, sowie eine dieses Rohr umgebende Induktionsspule, die mit dem Ausgang eines Hochfrequenzgenerators verbunden ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Zündung einer Gesamtladung unter Verwendung der vorstehend genannten Vorrichtung.
Ein bekannter induktionsgekoppelter Plasmagenerator arbeitet in der Weise, daß ein Gasstrom, der sich zweckmäßig in einem Rohr befindet, durch eine Induktionsspule geleitet wird, welche mit dem Ausgang eines Hochfrequenzgenerators verbunden ist. Im Nachstehenden soll ein derartiger Plasmagenerator mit »Plasmagenerator der beschriebenen Art« bezeichnet werden. Das Gas kann einen Druck von etwa einer Atmosphäre haben, und in einem typischen Fall kann der Generator ungefähr 6 kW bei einer Frequenz ao von 2,4 MHz liefern, was ausreicht, um in einem Gas, wie beispielsweise Argon, das durch ein Rohr von 25,4 mm Innendurchmesser strömt, ein Plasma zu bilden und aufrechtzuerhalten.
Um die Plasmaentladung in einem derartigen as Plasmagenerator zu zünden, ist es erforderlich, eine Masse aus Graphit oder einem ähnlichen hitzebeständigen leitenden Material in das Feld der Spule einzuführen und es dann wieder zu entfernen, wenn sich die Plasmaentladung bildet. Es hat den Anschein, daß die Graphitmasse durch die Spule erhitzt wird und eine genügend große Anzahl von Ionen unter den Spannungsgefällen im Spulenfeld erzeugt, um die Plasmaentladung in Gang zu bringen, die sich dann infolge der sehr hohen Temperatur von selbst aufrechterhält. Für viele Zwecke ist es nicht zweckmäßig, wenn man den Graphit aus der Nachbarschaft der Plasmaentladung, nachdem diese eingesetzt hat, entfernt, und demzufolge ist es Aufgabe der Erfindung, eine Alternativausführungsform für das Zünden von Plasmaentladungen der vorstehend beschriebenen induktionsgekoppelten Gattung zu schaffen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Vorrichtung zum Zünden, wie sie eingangs bezeichnet wurde, erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der 45-Generator einen elektrisch leitenden Körper aufweist, der innerhalb des Rohres im Gasstrom stromaufwärts der Induktionsspule des Generators angeordnet ist, und daß eine Vorrichtung zum Verbinden des leitenden Körpers mit demjenigen Ende der Spule, welches vom leitenden Körper am weitesten entfernt liegt, vorgesehen ist.
Vorrichtung und Verfahren zum Zünden einer
elektrodenlosen Hochfrequenz-Gasentladung
mit induktiver Anregung
Anmelder:
United Kingdom Atomic Energy Authority,
London
Vertreter:
Dipl.-Ing. E. Schubert, Patentanwalt,
Siegen, Eiserner Str. 227
Als Erfinder benannt:
Harry John Hedger, London
Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 20. Juni 1962 (23 703)
Der leitende Körper kann so angeordnet sein, daß er unmittelbar oder über einen Abschnitt einer zweiten Spule, die in Reihe mit der Induktionsspule geschaltet ist, mit dem Ende der Induktionsspule zu verbinden ist. Zweckmäßig besteht der leitende Körper aus Wolfram oder Kohlenstoff.
Es ist zu beachten, daß die Plasmageneratoren, auf welche sich die Erfindung bezieht, praktisch bei Atmosphärendruck arbeiten, und so ist es normal, daß das Rohr, in welchem die Plasmaentladung erzeugt wird, im wesentlichen senkrecht angeordnet ist, denn sonst könnten die sehr hohen Temperaturen, welche dabei auftreten, ein Schmelzen des Rohres zur Folge haben, und demzufolge verläuft die Achse der Induktionsspule, die normalerweise das Rohr umgibt, ebenfalls senkrecht. Demzufolge kann der elektrisch leitende Körper senkrecht über der Induktionsspule angeordnet werden.
Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß der leitende Körper genügend weit von der Induktionsspule entfernt angeordnet werden kann, um zu verhindern, daß ein Entfernen desselben bei gezündeter Plasmaentladung erforderlich wird. Es wird als wahrscheinlich angesehen, daß eine Entladung zwischen dem elektrisch leitenden Körper und dem oberen Teil des Feldes, welches von der Spule erzeugt wird, etwa in der Art einer kapazitiven Entladung erfolgt
609 659/294-
und daß durch diese^ Entladung genügend Ionen erzeugt werden, um das ifiduktionsgekoppelte Plasma zu erzeugen.
Es hat sich außerdem herausgestellt, daß durch die Erfindung das Zünden und Aufrechterhalten.; der Plasmaentladung in größeren Rohren erfolgen' kann, als es bisher bei dem gleichen Hochfrequenzgenerator möglich war, und die folgenden Tabellen sollen über die Ergebnisse von Vergleichsversuchen Auf-Schluß geben. ' . ' " ' \ Λ
Mindestzünderforderhisse des induktionsgekoppelten Plasmas
Innendurchmesser und Art des Rohres
Bekannte Vorrichtungen
vor dem Starten
V1 V2 I C
V1
nach dem Starten
V2 C
25,4 τητη ; luftgekühlt ...
25.4 mm, wassergekühlt
31,8 mm, luftgekühlt ...
63.5 mm, Mtgekühltv,-..
4,2 7,0
1,0
1,2
1,8
2,0
4,0
6,8
1,9
>4
Überlastung beim Zünder
nicht in Gang gebracht
3,6
19,6
Vorliegende Vorrichtung
Innendurchmesser und Art des.Rohres
r dein Start en C V1 nach dem Starten C
V2 0,7 1,8 V2 0,98
3,2 0,72 2,5 3,1 1,6
4,2 0,62 1,5 4,2 1,1
3,22 0,38 1,2 3,1 0,55
2,6 2,6
25,4 mm, luftgekühlt ...
25.4 mm, wassergekühlt
31,8 mm;,;' luftgekühlt;.-'..
63.5 mm, luftgekühlt ...
0,9
3,6
1,57
0,35
worm
F1 = Scheitelwert der Hochfrequenzspannung in Kilovolt an der Spule unter Verwendung eines Kapazitäts- und Widerstandsspannungsteilers; Harmonische werden als vernachlässigbar angenommen,
V2 = Gleichspannung im Leistungsnetz in Kilovolt,
~ C .== Gesamt-Anodengleichstrom in Ampere,
P = Zusatzleistung in Kilowatt, die den Oszillatorröhren infolge Vorhandenseins von Plasma übermittelt wird.
Daß derleitende Körper mit einer Abgriffstelle an einer weiteren Spule verbunden werden kann, die in Reihe mit der Induktionsspule geschaltet ist, ist deshalb von Bedeutung, weil in vielen Fällen die Induktionsspule als Schwingkreisspule des Radiofrequenzgenerators wirkt, und die sehr starke Kopplung in der Induktionsspule im Fall einer Plasmaentladung kann Schwierigkeiten im Betrieb des Hochfrequenzgenerators verursachen. Wenn die Belastung des Hochfrequenzgenerators aber durch zwei in Reihe geschaltete Spulen erfolgt, dann wird es ohne die vorliegende Vorrichtung schwierig das Plasma zu erzeugen, und zwar wegen der niedrigeren Spannung, welche an der Induktionsspule auftritt.
Die Erfindung wird nunmehr an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung näher erläutert, und zwar zeigt
■ Fig. 1 einen schematischen Schnitt, welcher den zugeordneten elektrischen Steuerkreis unter Verwendung einer einzigen Spule darstellt, während
F i g. 2 eine schematische Wiedergabe der Vorrichtung unter Verwendung von zwei Spulen ist. > Um zunächst F i g. 1 zu behandeln, so weist der dort gezeigte Plasmagenerator ein senkrechtes Kiesel· erderohr 1 auf, welches sich an seinem unteren Ende glocken- bzw. trichterförmig erweitert. Das Rohr 1 ist über den größeren Teil seiner Länge von einem Wassermantel 2 umgeben, welcher Einfluß- und Ausflußrohre 3 bzw. 4 hat, wobei die Wasserumhüllung 2 ebenfalls glockenförmig ausgebildet ist, um so der Form des Rohres 1 zu entsprechen.
' Eine Spule 5 aus hohlem Kupferrohr umgibt den Wassermantel 2, wobei die Spule 5 unmittelbar über dem glockenförmigen unteren Ende der Wasserumhüllung 2 angeordnet ist. Zwar sind nur fünf Windungen gezeigt; doch wird eine größere Zahl von Windungen vorgezogen, wobei zehn Windungen eine zweckmäßige Anzahl sind. Die Enden 6 und 7 der Spule 5 sind durch Leitungen 8 und 9 mit einem geeigneten Hoch- bzw. Radiofrequenzgenerator 10 verbunden. Ebenfalls mit den Enden 6 und 7 der Spule 5 sind Wassereinlaß- und -auslaßverbindungen 11 und 12 verbunden, so daß Kühlwasser der Spule 2 zugeliefert werden kann.
Am oberen Ende des Rohres 1 ist ein Stopfen 13 abdichtend vorgesehen, wobei dieser Stopfen 13 eine Axialbohrung hat, in welcher eine Messingbuchse 14 abgedichtet sitzt, die mit kleinem Abstand über der Spule 5 endigt und an ihrem unteren Ende eine Wolframsonde 15 aufweist. An ihrem oberen Ende ist die Buchse 14 über einen Schalter 16 mit dem unteren Ende 6 der Spule 5 verbunden. Ein Kieselerderohr 17 führt koaxial durch die Buchse 14 und endigt im Bereich des oberen Endes 7 der Spule 5.
Das Rohr 17 ist mit der Büchse 14 abgedichtet und kann mit einem vibrierenden Trichter (nicht gezeigt) verbunden sein, welcher in Pulverform das Material enthalten kann, das in dem Plasma zu behändem ist. Das Rohr 17 ist mit einem Seitenarm 18 versehen, durch welchen ein geeignetes Gas, beispielsweise Argon, einzuführen und mit dem Pulver zu mischen ist, bevor es in das Plasma geleitet wird. Der Stopfen 13 trägt außerdem eine Gaseinlaßverbindung 19, durch welche das das Plasma erzeugende Gas geleitet wird. Es kann auch als zweckmäßig betrachtet
werden, einen Gaseinlaßanschluß 20 nach dem oberen Ende des Rohres 1 über der Wasserumhüllung 2 vorzusehen, wobei das Gas durch den Anschluß 20 strömt und einen Mantel zwischen dem Plasma und dem Rohr 1 bildet.
Um die Vorrichtung zu verwenden, wird der Gasstrom durch die Verbindungen 18, 19 und 20 angestellt und der Strom von Kühlwasser durch die Wasserumhüllung 2 und die Spule 5 in Gang gesetzt. Die Radiofrequenzzufuhr zur Spule 5 wird dann angestellt, und die Entladung wird durch vorübergehendes Schließen des Schalters 16 in Gang gebracht. Wenn der Schalter 16 geschlossen ist, wird die Sonde 15 mit dem unteren Ende 6 der Spule 5 elektrisch verbunden, und die Entladung wird sehr rasch in Gang gebracht. Wenn das Plasma einmal aufgebaut ist, kann die Verbindung zwischen der Sonde 15 und der Spule 5 unterbrochen werden, und der Schalter 16 ist daher geöffnet. Das Schließen und Öffnen des Schalters 16 kann dann von Hand erfolgen oder es kann vorgezogen werden, dies automatisch auszuführen, in welchem Fall eine Fotozelle auf den Bereich des Generators, in welchem das Plasma induziert werden soll, fokussiert oder ausgerichtet wird, wobei eine derartige Fotozelle mit dem Schalter 16 auf solche Weise elektrisch verbunden wird, daß die Zunahme der Intensität der Erleuchtung der Zelle, welche durch Beginn des Plasmas verursacht wird, den Schalter 16 zum Öffnen bringt.
In F i g. 2 ist der Generator in einfacher schematischer Form gezeigt, wobei die Bauweise im einzelnen die gleiche wie diejenige des vorstehend beschriebenen Generators ist und wobei gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Die Spule 5, welche als Schwingkreisspule des Radiofrequenzgenerators 10 wirkt, ist in Reihe mit einer zweiten Spule 21 geschaltet. Die Spule 21 kann aus zwei oder drei Windungen von 228,6 bis 305 mm Durchmesser bestehen. Sie trägt dazu bei, die Frequenz konstant zu halten, wenn eine starke Ankopplung in der Spule 5 infolge des Vorhandenseins der Plasmaentladung erfolgt. Die leitende Sonde 15 ist über den Schalter 16 mit einem Abgriff an der Spule 21 verbunden, wobei der Abgriff sich in einer solchen Stellung befindet, daß eine geeignete Spannung für das Einleiten der Plasmaentladung erhalten wird. Diese Vorrichtung wird so betrieben, wie es in bezug auf einen Plasmagenerator, der nur eine Spule hat, beschrieben ist.
Es verdient beachtet zu werden, daß die Anordnung mit einer unterteilten Spule zweckmäßig in Generatoren mit größerem Durchmesser von beispiels-weise 50,8 mm verwendet wird, während die Anordnung mit einer einzigen Spule bei den kleineren Generatoren angewandt werden kann.

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zum Zünden einer elektrodenlosen Hochfrequenz-Gasentladung mit induktiver Anregung in einem Plasmagenerator, der ein Rohr aufweist, durch welches ein Gasstrom geleitet wird, sowie eine dieses Rohr umgebende Induktionsspule, die mit dem Ausgang eines Hochfrequenzgenerators verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator einen elektrisch leitenden Körper (14, 15) aufweist, der innerhalb des Rohres (1) im Gasstrom stromaufwärts der Induktionsspule (5) des Generators angeordnet ist, und daß eine Vorrichtung (16) zum Verbinden des leitenden Körpers (14, 15) mit demjenigen Ende (6) der Induktionsspule, welches vom leitenden Körper am weitesten entfernt liegt, vorgesehen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch leitende Körper (14, 15) unmittelbar mit dem Ende der Induktionsspule (5) verbunden ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch leitende Körper (14,15) mit dem genannten Ende der Induktionsspule (5) über einen Abschnitt einer zweiten Spule (21) verbunden ist, die in Reihe mit der Induktionsspule (5) geschaltet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch leitende Körper (14, 15) aus Wolfram oder Kohlenstoff besteht.
5. Verfahren zum Zünden einer Plasmaentladung unter Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch leitende Körper (14, 15) mit der Induktionsspule (5) nur kurzfristig elektrisch verbunden wird, um die Entladung einzuleiten.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
609 659/294 8.66 ® Bundesdruckerei Berlin
DEU9899A 1962-06-20 1963-06-19 Vorrichtung und Verfahren zum Zuenden einer elektrodenlosen Hochfrequenz-Gasentladung mit induktiver Anregung Pending DE1224412B (de)

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