DE1464755B2

DE1464755B2 - Device for generating a plasma jet by means of a high-frequency gas discharge

Info

Publication number: DE1464755B2
Application number: DE19631464755
Authority: DE
Inventors: Manabu Odawara; Murayama Seiichi Tokio; Yamamoto (Japan)
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1962-07-09
Filing date: 1963-07-05
Publication date: 1970-09-10
Also published as: FR1362349A; DE1464755A1; GB1036113A; US3536948A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmastrahls mittels einer Hochfrequenz-Gasentladung mit einer in Form eines spitz zulaufenden Stabes geformten, innen gekühlten Anregungselektrode aus Metall, die axial in einem vom zu ionisierenden Gas durchströmten Zylinder untergebracht ist.The invention relates to a device for generating a plasma jet by means of a high-frequency gas discharge with an internally cooled excitation electrode shaped in the form of a tapering rod made of metal, housed axially in a cylinder through which the gas to be ionized flows is.

Bei den bekannten derartigen Vorrichtungen, wie sie etwa in der Zeitschrift »Elektronische Rundschau«, 1959, Nr. 11, S. 404 bis 406, beschrieben sind, besteht die Anregungselektrode aus Hartmetall, etwa Wolfram oder Molybdän. Derartige Hartmetaüelektroden haben aber, abgesehen von den hohen Herstellungskosten, den wesentlichen Nachteil, daß während ihres Betriebs an ihrer Oberfläche eine vergleichsweise starke Metallabdampfung auftritt. Dieser sogenannte Zerstäubungseffekt bewirkt eine schnelle Elektrodenabnutzung und damit eine kurze Lebensdauer dieser Elektroden.In the case of the known devices of this type, such as those in the magazine "Electronic Rundschau", 1959, No. 11, pp. 404 to 406, the excitation electrode consists of hard metal, such as tungsten or molybdenum. However, apart from the high ones, such hard metal electrodes have Manufacturing costs, the main disadvantage that during their operation on their surface a comparatively strong metal evaporation occurs. This so-called atomization effect causes a rapid Electrode wear and thus a short service life for these electrodes.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, Anregungselektroden der erwähnten Art zu schaffen, die bei geringen Herstellungskosten eine hohe Lebensdauer aufweisen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Anregungselektroden zumindest an den Stellen, wo sie mit dem Plasma in Berührung kommen, aus Aluminium bestehen.The object of the invention is therefore to create excitation electrodes of the type mentioned that are used in have a long service life at low manufacturing costs. This object is achieved according to the invention solved that the excitation electrodes at least at the points where they come into contact with the plasma come, made of aluminum.

Durch die Verwendung von Aluminium an Stelle eines hochschmelzenden Metalls werden mehrere technische Vorteile erzielt. Der bei Wolfram- und Molybdänelektroden auftretende Zerstäubungseffekt ist bei einer Aluminiumelektrode wesentlich vermindert, die Elektrodenabnutzung damit beträchtlich kleiner. Außerdem bildet sich bei der Verwendung einer Aluminiumelektrode während des Betriebs an der Oberfläche eine dünne Oxydschicht, die äußerst hitzebeständig ist und damit eine Abnutzung der Elektrode vermindert. Ferner kann eine Aluminiumelektrode wesentlich wirkungsvoller gekühlt werden, da Aluminium eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit aufweist. Schließlich ist Aluminium wesentlich billiger als beispielsweise Wolfram oder Molybdän und kann außerdem wesentlich einfacher bearbeitet werden, womit die Herstellung der Elektroden vereinfacht und verbilligt wird.By using aluminum instead of one refractory metal, several technical advantages achieved. The atomization effect that occurs with tungsten and molybdenum electrodes is significantly reduced in the case of an aluminum electrode, which means that electrode wear is considerable smaller. In addition, when an aluminum electrode is used, it forms during operation the surface a thin oxide layer, which is extremely heat-resistant and therefore a wear and tear of the Electrode decreased. Furthermore, an aluminum electrode can be cooled much more effectively, because aluminum has a very good thermal conductivity. After all, aluminum is much cheaper than, for example, tungsten or molybdenum and can also be machined much more easily, with which the production of the electrodes is simplified and cheaper.

Bei Vorrichtungen zum Erzeugen einer Gleichstromentladung über einen von zwei Elektroden gebildeten Spalt ist zwar als Elektrodenmaterial unter anderem auch Aluminium vorgeschlagen worden, so in der USA.-Patentschrift 2 422 324 und der französischen Patentschrift 408 933. Diese Vorschläge basieren jedoch nicht auf den besonderen Eigenschaften von Aluminium bei Gasentladungen und vermögen die überraschende neue Wirkung der Anregungselektroden aus Aluminium für Plasmaerzeuger schon deshalb nicht nahezulegen, da die bei der Plasmaerzeugung so wesentliche und vorteilhafte Bildung eines Oxydfilms bei einer Gleichstromentladung nachteilig ist, d. h., die Gleichstromelektrode einen hohen Gleichstromwiderstand erhält, mit der Folge einer Überhitzung der Elektrode. Die bei Gleichstromentladungen bekannten Techniken konnten somit für die Lösung der erfindungsgemäß gestellten Aufgabe kein Vorbild darstellen.In devices for generating a direct current discharge via one of two electrodes Gap has been proposed as an electrode material, including aluminum, see above in U.S. Patent 2,422,324 and French Patent 408,933. These proposals however, are not based on the special properties of aluminum for gas discharges and are able to achieve the surprising new effect of the excitation electrodes made of aluminum for plasma generators If only for that reason it should not be suggested, since the one that is so essential and advantageous in plasma generation Formation of an oxide film in a direct current discharge is disadvantageous, d. i.e., the DC electrode receives a high DC resistance, with the consequence of overheating of the electrode. The at Direct current discharges known techniques could thus be used for the solution of the inventively provided Do not set a role model for the task.

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung näher erläutert.The invention will now be explained in more detail with reference to the drawing.

In der Zeichnung zeigt :In the drawing shows:

A b b. 1 einen Querschnitt durch eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmastrahls mittels einer Hochfrequenz-Gasentladung (Hochfrequenz-Plasmagenerator), A b b. 1 shows a cross section through a device for generating a plasma jet by means of a high-frequency gas discharge (High frequency plasma generator),

Abb. 2 bis 4 Spektren von Entladungsplasmen verschiedener Hochfrequenz-Bogenentladungsgeneratoren, wobei sich A b b. 2 auf den Fall der Verwendung einer Wolframelektrode, A b b. 3 auf den Fall der Verwendung einer Kupferelektrode und A b b. 4 ebenfalls auf eine Wolframelektrode bezieht,Fig. 2 to 4 spectra of discharge plasmas from various high-frequency arc discharge generators, where A b b. 2 in the case of using a tungsten electrode, A b b. 3 on the case the use of a copper electrode and A b b. 4 also relates to a tungsten electrode,

Abb. 5 das Spektrum des in der vorliegendenFig. 5 the spectrum of the in the present

ίο Vorrichtung erzeugten Entladungsplasmas, bei dem eine Aluminiumelektrode verwendet wird, undίο device generated discharge plasma, in which an aluminum electrode is used, and

A b b. 6 ein Beispiel für ein Plasmaspektrum, das durch eine Gleichstrom-Bogenentladung erzeugt worden ist.A b b. 6 shows an example of a plasma spectrum generated by a direct current arc discharge has been.

Eine Hochfrequenz-Bogenentladung kann so erzeugt werden, daß Elektroden, die an einer Hochspannung hoher Frequenz liegen, in einem Gasstrom angeordnet werden. Bei einem derartigen Entladungsgenerator besteht im allgemeinen das wesentlichste Problem in der Gefahr einer Elektrodenkorrosion. Tritt eine E'.ektrodenkorrosion auf, so vermag sie eine Instabilität der elektrischen Entladung zu verursachen. Demgemäß wird beispielsweise im Fall eines Plasmastrahlgenerators mit Gleichstrom-Bogenentladung als die Entladung aufrechterhaltendes Gas ein Edelgas, als Kathodenmetall Wolfram und als Anodenmetall Kupfer verwendet, wobei die Elektroden zum Schutz gegen Korrosion mit Wasser gekühlt werden. Ausgedehnte Versuche des Erfinders haben jedoch ergeben, daß diese Maßnahme für Hochfrequenz-Bogenentladungen unwirksam ist. Wenn nämlich das Bogenentladungsplasma einer spektroskopischen Untersuchung unterworfen wird, so tritt bei Verwendung von Wolfram als Elektrodenmetall ein Wolframspektrum gemäß den Abb. 2 und 4 auf, und zwar auch dann, wenn ein Wolfram verwendet wird, das sehr schwer zu verdampfen ist. Andererseits ist ein Kupferspektrum gemäß A b b. 3 festzustellen, und zwar auch dann, wenn Kupfer hoher Wärmeleitfähigkeit als Elektrodenmetall verwendet wird und für eine genügende Wasserkühlung gesorgt ist. Aus diesen Tatsachen ergibt sich, daß ein wesentlicher Unterschied zwischen einer Hochfrequenz-Bogenentladung und einer Gleichstrom-Bogenentladung besteht und ebenfalls zwischen den eigentlichen Entladungserscheinungen selbst. Üblicherweise nimmt ein durch Gleichstrom-Bogenentladung erzeugtes Plasma einen Zustand ein, der dem Zustand thermischen Gleichgewichtes angenähert ist, und die Gastemperatur im Plasma sowie die Elektronen- und Ionentemperatur liegt zwischen 7000 und 8000° C. Dagegen ist die Gastemperatur in der Hochfrequenz-Bogenentladung bemerkenswertA high frequency arc discharge can be generated using electrodes connected to a high voltage high frequency are arranged in a gas stream. In such a discharge generator, there is generally the most essential Problem with the risk of electrode corrosion. If electrode corrosion occurs, it can causing electrical discharge instability. Accordingly, for example, in the case a DC arc discharge plasma jet generator as the discharge sustaining gas a noble gas, tungsten as the cathode metal and copper as the anode metal, with the electrodes be cooled with water to protect against corrosion. Extensive attempts by the inventor have found, however, that this measure is ineffective for high frequency arcs. Namely, when the arc discharge plasma is subjected to a spectroscopic examination, when using tungsten as the electrode metal, a tungsten spectrum as shown in Fig. 2 occurs and 4, even if a tungsten which is very difficult to evaporate is used. On the other hand, a copper spectrum according to A b b. 3 determine, even if copper high thermal conductivity is used as the electrode metal and for sufficient water cooling is taken care of. From these facts it can be seen that there is an essential difference between a high frequency arc discharge and a direct current arc discharge and also between the actual discharge phenomena themselves. Usually a plasma generated by direct current arc discharge assumes a state that the state of thermal equilibrium is approximated, and the gas temperature in the plasma as well the electron and ion temperature is between 7000 and 8000 ° C. The gas temperature is on the other hand remarkable in high frequency arc discharge

. niedrig. Diese Tatsache dürfte sich darin bestätigen, daß im Spektralbild bei spektroskopischer Untersuchung einer Gleichstrom-Bogenentladung und einer Hochfrequenz-Bogenentladung unter Verwendung des gleichen Stickstoffgases als Entladungsgas ein deutlicher Unterschied festgestellt werden konnte.. low. This fact should be confirmed in the fact that in the spectral image upon spectroscopic examination a direct current arc discharge and a high frequency arc discharge using of the same nitrogen gas as the discharge gas, a clear difference could be found.

Werden ein durch eine Gleichstrom-Bogenentladung erzeugtes Spektrum gemäß A b b. 6 und ein durch Hochfrequenz-Bogenentladung erzeugtes Spektrum gemäß A b b. 5 miteinander verglichen, so ist zu erkennen, daß die Intensität der Stickstoff-Molekularbande im ersteren Fall schneller abnimmt als im letzteren Fall. Dies bestätigt, daß die Gastemperatur im Fall der Hochfrequenz-Bogenentladung niedriger istals die Gastemperatur im Fall einer Gleichström-If a spectrum generated by a direct current arc discharge according to A b b. 6 and one through High frequency arc generated spectrum according to A b b. 5 compared with each other, it can be seen that the intensity of the nitrogen molecular band decreases faster in the former than in the latter Case. This confirms that the gas temperature is lower than that in the case of the high frequency arc discharge the gas temperature in the case of a cocurrent

bogenentladung. Wie sich aus den Abb. 2 und 4 ergibt, kann jedoch bei Hochfrequenzentladung Wolfram mit sehr niedriger Leuchtcharakteristik leicht erregt werden. Demgemäß kann im Fall der Hochfrequenz-Bogenentladung die auftretende Erregungstemperatur als relativ hoch angenommen werden.arc discharge. As can be seen from Figs. 2 and 4, however, tungsten can be used in the event of high-frequency discharge can be easily excited with a very low luminous characteristic. Accordingly, in the case of the high frequency arc discharge the occurring excitation temperature can be assumed to be relatively high.

Es wird ein Hochfrequenz-Bogenentladungsgenerator geschaffen, der Elektroden aus im wesentlichen Aluminium aufweist und sich durch eine Vielzahl von Vorteilen auszeichnet, beispielsweise daß die Elektroden keiner Korrosion unterworfen sind, daß die Entladung über einen langen Zeitraum in einem sehr stabilen Zustand gehalten wird und daß die Entladung von keinen Störeffekten begleitet ist.A high frequency arc generator is provided which essentially consists of electrodes Has aluminum and is characterized by a number of advantages, for example that the Electrodes are not subject to corrosion that the discharge over a long period of time in a is kept very stable and that the discharge is not accompanied by any disturbance effects.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß Aluminium das geeignetste Material für die Hochfrequenz-Bogenentladung ist. Diese Erkenntnis hat sich als Ergebnis einer Vielzahl von Versuchen mit verschiedenen Elektrodenmaterialien ergeben. Bei einem Hochfrequenz-Bogenentladungsgenerator mit wassergekühlten Aluminiumelektroden tritt keinerlei Korrosion der Elektroden auf, was durch spektroskopische Untersuchungen erhärtet wird, die zeigen, daß keinerlei Aluminiumlinien im Spektrum auftreten, wie aus A b b. 5 hervorgeht.The invention is based on the knowledge that Aluminum is the most suitable material for high frequency arc discharge is. This knowledge has emerged as the result of a large number of tests with different electrode materials. at a high-frequency arc generator with water-cooled aluminum electrodes does not occur Corrosion of the electrodes, which is corroborated by spectroscopic studies that show that no aluminum lines appear in the spectrum, as shown in A b b. 5 emerges.

In Abb. 1 ist ein Beispiel eines Hochfrequenz-Bogenentladungsgenerators dargestellt. Dieser Generator besteht aus einer Aluminiumelektrode 1, einem Elektrodenhalter 2, einer Hochfrequenzstromquelle 3, einem Quarzrohr 4, einem durch die Hochfrequenzentladung erzeugten Plasma 5, einem Einlaß 6 für das die Entladung unterhaltende Gas und einem Einlaß 7 sowie Auslaß 8 für das Kühlwasser. Eine Hochfrequenzspannung von, einigen 1000 Volt wird mit Hilfe der Hochfrequenzstromquelle 3 an die Aluminiumelektrode 1 angelegt, wobei die Elektrode durch Wasserkühlung gegen Erhitzung auf hohe Temperaturen geschützt wird. Das Kühlwasser wird durch den Einlaß 7 eingeführt und durch den Auslaß 8 ausgetragen. Durch den Einlaß 6 wird ein die Entladung unterhaltendes Gas in das Quarzrohr 4 eingeführt und dort an dem spitzen Ende der Elektrode 1 einer Bogenentladung unterworfen, wodurch sich ein Plasma 5 ausbildet.In Fig. 1 is an example of a high frequency arc generator shown. This generator consists of an aluminum electrode 1, an electrode holder 2, a high frequency power source 3, a quartz tube 4, a plasma 5 generated by the high frequency discharge, an inlet 6 for the gas maintaining the discharge and an inlet 7 and outlet 8 for the cooling water. A high frequency voltage of, a few 1000 volts is applied to the aluminum electrode with the aid of the high-frequency power source 3 1, the electrode being protected against heating to high temperatures by water cooling. The cooling water is introduced through inlet 7 and discharged through outlet 8. Through the inlet 6 is a Discharge maintaining gas introduced into the quartz tube 4 and there at the pointed end of the electrode 1 subjected to an arc discharge, whereby a plasma 5 is formed.

Im Hochfrequenz-Bogenentladungsgenerator mit aus im wesentlichen Aluminium bestehender Elektrode tritt keinerlei Elektrodenkorrosion auf, der Betrieb ist über einen langen Zeitraum äußerst stabil, und Störeffekte bzw. Rauscheffekte werden vermieden. Aus diesen Gründen kann der vorliegende Generator für verschiedene Zwecke verwendet werden. Beispielsweise kann der Generator als Erregerquelle für die Spektralanalyse und für Messungen angeregter Zustände von Atomen oder Molekülen und verschiedene andere physikalische Werte verwendet werden. Wenn der erfindungsgemäße Generator in einem Spektralanalysator verwendet wird, so ergibt sich der wesentliche Vorteil, daß die charakteristischen Spektrallinien der Probe mit höchster Genauigkeit festgestellt werden können, bei welchem Verfahren die Proben im Fall festen Materials in pulverförmigen Zustand und im Fall flüssigen Materials in nebeiförmigen Zustand versetzt und dann durch den in A b b. 1 gezeigten Einlaß 6 oder durch einen besonderen Probeneinlaß zusammen mit dem eine Entladung unterhaltenden Gas eingeführt werden, worauf das eingeführte Gemisch in einem Entladungsplasma angeregt wird.In the high-frequency arc discharge generator with an electrode consisting essentially of aluminum there is no electrode corrosion, operation is extremely stable over a long period of time, and disruptive effects or noise effects are avoided. For these reasons, the present generator can be used for various purposes. For example, the generator can be used as an excitation source for spectral analysis and for measurements of excited states of atoms or molecules and various other physical values can be used. If the generator according to the invention in a Spectral analyzer is used, there is the essential advantage that the characteristic spectral lines the sample can be determined with the highest accuracy, with which method the Samples in the case of solid material in a powdery state and in the case of liquid material in a foggy state and then through the in A b b. 1 inlet 6 or through a special sample inlet together with the one discharge entertaining gas are introduced, whereupon the introduced mixture in a discharge plasma is stimulated.

Claims

Claim:

Device for generating a plasma jet by means of a high-frequency gas discharge with an internally cooled excitation electrode shaped in the form of a tapering rod made of metal, housed axially in a cylinder through which the gas to be ionized flows is, characterized in that the excitation electrode (1) at least at the points where it comes into contact with the plasma, is made of aluminum.

1 sheet of drawings