DE1464755C - Vorrichtung zum Erzeugen eines Pias mastrahls mittels einer Hochfrequenz Gas entladung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Er- frequenz-Gasentladühg (Hochfrequenz-Plasmagenezeugen eines Plasmastrahls mittels einer Hoch- rätor), ύ

frequenz-Gasentladung mit einer in Form eines spitz Abb. 2 bis 4 "Spektren von Entladungsplasmen zulaufenden Stabes geformten, innen gekühlten ^n- verschiedener Hochfrequenz-Bogenentladungsgeneraregungselektrode aus Metall, die axial in einem vom 5 toren, wobei sich Abb. 2 auf den Fall der Verwenzu ionisierenden Gas durchströmten Zylinder unter- dung einer Wolframelektrode, A b b. 3 auf den Fall

gebracht ist. der Verwendung einer Kupferelektrode und A b b. 4

Bei den bekannten derartigen Vorrichtungen, wie ebenfalls auf eine Wolframelektrode bezieht,

sie etwa in der Zeitschrift »Elektronische Rund- Abb. 5 das Spektrum des in der vorliegenden schau«, 1959, Nr. 11, S. 404 bis 406, beschrieben io Vorrichtung erzeugten Entladungsplasmas, bei dem

sind, besteht die Anregungselektrode aus Hartmetall, eine Aluminiumelektrode verwendet wird, und

etwa Wolframoder Molybdän: Derartige Hartmetall- A b b. 6 ein Beispiel für ein Plasmaspektrum, das

elektroden haben aber, abgesehen von den hohen durch eine Gleichstrom-Bogenentladung erzeugt

Herstellungskosten, den wesentlichen Nachteil, daß worden ist.

während ihres Betriebs an ihrer Oberfläche eine ver- 15 Eine Hochfrequenz-Bogenentladung kann so ergleichsweise starke Metallabdampfung auftritt. Dieser zeugt werden, daß Elektroden, die an einer Hochsogenannte ZersjtiJubungseffekt bewirkt eine schnelle spannung hoher Frequenz liegen, in einem Gasstrom Elektrodenabnutzung und damit eine kurze Lebens;- angeordnet werden. Bei einem derartigen Entladungsdauer dieser Elektroden, generator besteht im allgemeinen das wesentlichste Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, Anregungs- ao Problem in der Gefahr einer Elektrodenkorrosion, elektrodenι der ejrwähnten Art zu schaffen, die bei Tritt eine Elektrodenkorrosion auf, so vermag sie geringen Herstellungskosten eine hohe Lebensdauer eine Instabilität der elektrischen Entladung zu veraufweisen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß da- Ursachen. Demgemäß wird beispielsweise im Fall durch gelöst, daß die Anregungselektroden zumindest eines Plasmastrahlgenerators mit Gleichstrom-Bogenan den Stellen, wo sie mit dem Plasma in Berührung 25 entladung als die Entladung aufrechterhaltendes Gas kommen, aus Aluminium bestehen. . ein Edelgas, als Kathodenmetall Wolfram und als Durch die Verwendung von Aluminium an Stelle Anodenmetall Kupfer verwendet, wobei die Elekeines hochschmelzenden Metalls werden mehrere troden zum Schutz gegen Korrosion mit Wasser getechnische Vorteile erzielt. Der bei Wolfram- und kühlt werden. Ausgedehnte Versuche des Erfin-Molybdänelektroden auftretende Zerstäubungseffekt 30 ders haben jedoch ergeben, daß diese Maßnahme ist bei einer Aluminiumelektrode wesentlich vermin- für Hochfrequenz-Bogenentladungen unwirksam ist. dert, die Elektrodenabnutzung damit beträchtlich Wenn nämlich das Bogenentladungspiasma einer kleiner. Außerdem bildet sich bei der Verwendung spektroskopischen Untersuchung unterworfen wird, einer Aluminiumelektrode während des Betriebs an ,, so tritt.bei Verwendung von Wolfram als Elektrodender Oberfläche eine dünne Oxydschicht, die äußerst 35 metall· ein Wolframspektrum gemäß den Abb. 2 hitzebeständig ist und damit eine Abnutzung der und 4 auf, urtd zwar auch dann, wenn ein Wolfram Elektrode vermindert. Ferner kann eine Aluminium- verwendet wird, das sehr schwer zu verdampfen ist. elektrode wesentlich wirkungsvoller gekühlt werden, Andererseits ist ein Kupferspektrum gemäß Abb. 3 da Aluminium eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit auf- festzustellen, und zwar auch dann, wenn Kupfer weist. Schließlich ist Aluminium wesentlich billiger 40 hoher Wärmeleitfähigkeit als Elektrodenmetall verals beispielsweise Wolfram oder Molybdän und kann wendet wird und für eine genügende Wasserkühlung außerdem wesentlich einfacher bearbeitet werden, gesorgt ist. Aus diesen Tatsachen ergibt sich, daß womit die Herstellung der Elektroden vereinfacht und ein wesentlicher Unterschied zwischen einer Hochverbilligt wird. frequenz-Bogenentladung und einer Gleichstrom-

Bei Vorrichtungen zum -Erzeugen einer Gleich- 45 Bogenentladung besteht und*ebenfalls zwischen den Stromentladung über einen von zwei. Elektroden ge~> eigentlichen Entladüngserscheinungen selbst. Üb-

bildeten Spalt ist zwar als Elektrodenmaterial unter licherweise nimmt ein durch Gleichstrom-Bogen-

anderem auch Aluminium vorgeschlagen worden, so entladung erzeugtes Plasma einen Zustand ein, der

in der USA,-Patentschrift.2422324-und der fran- dem Zustand thermischen Gleichgewichtes ^ange-

zösischen Patentschrift 408 933. Diese Vorschläge 50 nähert ist, und die Gastemperatur im Plasma sowie

basieren jedoch nicht auf den besonderen Eigen- die Elektronen-und Ionentemperatur liegt zwischen

schäften von Aluminium bei Gasentladungen und 7000 und 8000⁰G.'Dagegen ist die Gastemperatur

vermögen die überraschende neue Wirkung der An- in der Hochfreqüeriz-Bbgenentlädung bemerkenswert

regungselektroden aus; Aluminium für^Plasmaerzeuger niedrig. Diese Tatsache durfte sich darin bestätigen,

schon deshalb nicht nahezulegen, ■■ da die bei der 55 daß im Spektraibild , bei spektroskopischer Ünter-

Plasmaerzeugung so "wesentliche%hd vorteilhafte suchung einer Gleichstrom-TBogenentladung und einer

Bildung eines Oxydfilms bei--·;einer Gleichstrom- Hochfrequenz-Bogenentladung ^■' -unter Verwendung

entladung nachteilig ist, d.h., die Gleichstromelek- des gleichen Stickstoffgases: als Ehtladungsgas ein

trode einen hohen Gleichstromwiderstand erhält, mit deutlicher Unterschied festgestellt werden konnte,

der Folge einer Überhitzung der Elektrode. Die bei 60 Werden ein durch eine Gleichstrom-Bogenentladung

Gleichstromentladungen bekannten Techniken konn- erzeugtes Spektrum gemäß Abb. 6 und ein durch

ten somit für die Lösung der erfindungsgemäß ge- Hochfrequenz-Bogenentladung erzeugtes Spektrum

stellten Aufgabe kein Vorbild darstellen. gemäß A bb. 5 miteinander verglichen, so ist zu er-

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung kennen, daß die Intensität der Stickstoff-Molekularnäher erläutert. 65 bande im ersteren Fall schneller abnimmt als im letz-

In der Zeichnung zeigt; : teren Fall. Dies bestäügt$d^-die Gastem^

Abb. 1 einen Querschnitt durch eine Vorrichtung Fall·der Hochfrequenz-Bogenentladung niedriger ist

zumErzeugen einesiPlasmastrahls mittels einer Hoch- als die Gastemperatur Sim- Fall einer Gie'ichstroiii-

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.

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.

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.

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.

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 Erregerquellc 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 Abb. 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.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   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, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungselektrode (1) zumindest an den Stellen, wo sie mit dem Plasma in Berührung kommt, aus Aluminium besteht.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen