DE1514101B2 - Hochfrequenz Plasmagenerator - Google Patents

Description

so daß eine aus einem dichten Strom ionisierten Gases (Ionen und Elektronen) bestehende Plasmaflamme entsteht, die durch die offene Stirnfläche des Entladungsgefäßes in die Außenluft austritt.

Es ist ein Plasmagenerator bekannt (»Elektronische Rundschau«, 11, 1959, S. 404 bis 406), der eine Nachweisanordnung für die Messung des Lastreflexionsfaktors besitzt. Dieser Plasmagenerator besteht aus einem Koaxialentladungsgefäß, das mittels eines die Nachweisanordnung enthaltenden Koaxialwellenleiters mit einer Hochfrequenzenergiequelle verbunden ist. Die Messung des Lastreflexionsfaktors erfolgt dabei innerhalb des Anschlußwellenleiters mittels einer geschlitzten Meßleitung. Da die Anschlußleitung über eine Anpassungsverzweigung an das Entladungsgefäß angekoppelt und der Leitungsweg bis zur Plasmaelektrode relativ lang ist, werden auf diesem Weg größere Dämpfungen auftreten, so daß die Verhältnisse innerhalb der Anschlußleitung an der Stelle der geschlitzten Meßleitung unübersichtlich sind. Es ist insbesondere nicht zu entnehmen, wo und nach welchen Gesichtspunkten die Ankopplungsstelle angeordnet wird. Es ist auch keine von der Nachweisanordnung betätigte Zündeinrichtung vorgesehen. Eine solche Anordnung hat unter anderem den Nachteil, daß bei einem zufälligen Verlöschen der Plasmaentladung infolge einer beliebigen Störung die Belastung plötzlich verschwindet und folglich eine Schädigung oder gar eine Zerstörung der Hochfrequenzspannungsquelle eintreten kann (Seite 405; Zeile 4, 5). Außerdem muß die Zündung der Plasmaentladung durch manuelle Bedienung des Zündleiters vorgenommen werden, indem dieser an die Elektrodenspitze angenähert und nach der Zündung der Entladung in die Ausgangsstellung zurückbewegt wird. Dies ist außerordentlich umständlich und erfordert ein hohes Maß an Geschick.

In dem »Taschenbuch der Hochfrequenztechnik«, 1962, S. 467, 468, sind verschiedene Kopplungsanordnungen für Hohlraumresonatoren beschrieben. Darin ist jedoch keine Kopplungsanordnung gezeigt, die durch ihre besondere Ausbildung speziell in der vorliegenden Anordnung geeignet verwendet werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Nachweisanordnung in einem Hochfrequenz-Plasmagenerator, die eine genaue und automatische Überwachung des Brennzustandes des Plasmas gestattet, um den Generator in einfacher Weise mit großer Genauigkeit zu steuern und vor Schäden zu schützen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Bereich eines Knotens der bei Fehlen der Plasmaentladung im Koaxialentladungsgefäß auftretenden stehenden Welle eine Sonde der Nachweisanordnung durch den Außenleiter des Koaxialentladungsgefäßes hindurchreicht und eine Stromnachweisvorrichtung mit der Sonde verbunden ist für den Nachweis des im Koaxialentladungsgefäß fließenden und von der Sonde abgetasteten elektrischen Stromes.

Weiter kann eine Plasmaentladungszündeinrichtung mit einem an die Entladungselektrodenspitze reichenden, gegen dieselbe federgespannten Zündleiter und mit einem Rückstellelement für den Zündleiter vorgesehen sein, das auf den in der Sonde fließenden Strom anspricht.

Darüber hinaus kann auch eine Schutzschaltung für die Hochfrequenzspannungsquelle angeordnet werden, wobei an die Plasmanachweisschaltung ein Relais mit Ruhekontakt und Arbeitskontakt angeschlossen ist, welch letzterer in dem Stromkreis eines verzögerten Relais liegt, und wobei ein Arbeitskontakt des verzögerten Relais in Reihe mit dem Ruhekontakt in dem Stromkreis eines Schaltrelais liegt, dessen Ruhekontakt in die Spannungszuleitung für die Hochfrequenzspannungsquelle eingefügt ist. ίο Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil besteht insbesondere darin, daß sich die Meßgröße dadurch, daß beim Zünden des Plasmas die stehende Welle sehr stark gedämpft wird und folglich die Feldstärke an der Stelle der Sonde stark zunimmt, sehr stark ändert, wodurch eine genaue und sehr empfindliche Messung des Brennzustandes des Plasmas gewährleistet ist. Da sich das Erlöschen der Plasmaentladung mit dieser Vorrichtung mit großer Sicherheit sofort erfassen läßt, kann auch die Speisespannung für die Hochfrequenzspannungsquelle beim Verlöschen der Entladung sofort abgeschaltet werden, wodurch die Spannungsquelle geschützt wird.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, »5 daß bei einem zufälligen Verlöschen der Plasmaentladung die Zündeinrichtung sofort wieder automatisch betätigt wird, wodurch der Entladungsvorgang ohne wesentliche Unterbrechung automatisch aufrechterhalten wird und ein überlastungsfreier Betrieb der Hochfrequenzspannungsquelle gewährleistet ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 und 2 jeweils vereinfachte Seiten- und Stirnansichten der wesentlichen Bauteile einer bevorzugten Ausführungsform eines Hochfrequenz-Plasmagenerators,

Fig. 3 eine geschnittene Seitenansicht im Ausschnitt längs der Linie IH-III in Fig. 2 zur Darstellung des Koaxialentladungsgefäßes und eines Teils des Rechteckwellenleiters,

Fig. 4 ein Schaltbild des Stromkreises für die automatische Zündeinrichtung,

F i g. 5 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Schutzschaltung für die Hochfrequenzspannungsquelle und

Fig. 6 ein Schaltbild, teilweise in Blockform, einer automatischen Steuerschaltung. Zu dem in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellten Hochfrequenz-Plasmagenerator gehören im wesentlichen eine Hochfrequenzspannungsquelle 1 mit einer Hochfrequenzoszillatorröhre, beispielsweise einem Magnetron, ein als Hochfrequenzübertragungsweg dienender Wellenleiter 2, in dem dargestellten Beispiel ein Rechteckwellenleiter, und ein Koaxialwellenleiter 3, der als Entladungsgefäß und gleichzeitig als Hochfrequenzübertragungsweg dient.

Die Außenwandung des Koaxialwellenleiters 3 besteht aus einem rohrförmigen Außenleiter 8_a und einer rohrförmigen Verlängerung 10 aus einem Isolatorstoff, die durch den Rechteckwellenleiter 2 hindurchreicht. Ein Innenleiter 8 liegt koaxial innerhalb des Außenleiters 8_a und dessen Verlängerung 10 und endigt oben in eine Entladungselektrode 9. Der Koaxialwellenleiter 3 besitzt bodenseitig einen Entladungsgaseinlaß 4.

Der Koaxialwellenleiter 3 besitzt ferner eine Ent-

ladungszündeinrichtung 6, die sich in der Nähe der äußersten Entladungselektrodenspitze 9 befindet, sowie eine Nachweisanordnung 7 zur Erfassung des Entladungszustandes.

Der als Hochfrequenzübertragungsweg dienende Wellenleiter 2 ist nicht unbedingt ein Rechteckwellenleiter, es ist auch ein Wellenleiter jeder anderen Form brauchbar, der sich an den Koaxialwellenleiter 3 ankoppeln läßt, damit Hochfrequenzleistung in die Plasmaentladung an der Entladungselektrodenspritze 9 eingespeist wird.

Beim Betrieb dieses Hochfrequenz-Plasmagenerators fließt Hochfrequenzleistung (zwischen einigen hundert Watt bis zu einigen kW bei einer Frequenz zwischen einigen hundert MHz bis zu einigen tausend MHz) von der Hochfrequenzspannungsquelle 1 durch den Rechteckwellenleiter 2 und tritt in das Entladungsgefäß ein, das aus dem senkrecht in den Wellenleiter eingesetzten Koaxialwellenleiter 3 besteht, damit in dem Innenleiter 8 des Koaxialwellenleiters 3 ein Hochfrequenzstrom erregt wird. Dieser Hochfrequenzstrom führt zur Ausbildung eines elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes innerhalb des Koaxialwellenleiters 3, und in der Elektrode 9 am Ende des Innenleiters 8 wird eine Hochfrequenz-Hochspannung erregt.

Sobald dann ein geeignetes Entladungsgas (beispielsweise Argon, Stickstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Luft, Helium, Stadtgas oder Propan) durch den Einlaß 4 in das Entladungsgefäß eingeleitet wird, nähert man mittels einer Entladungszündeinrichtung 6. einen Zündleiter der Elektrodenspitze 9, was weiter unten im einzelnen erläutert wird, so daß sich zwischen dem Zündleiter und der Elektrodenspitze eine Hochfrequenzentladung ausbildet. Sobald die Entladung in dieser Weise gezündet ist, bleibt sie bestehen, auch wenn der Zündleiter von der Elektrodenspitze in seine Ausgangsstellung zurückgezogen wird. Diese Hochfrequenzbogenentladung führt zu einer fortgesetzten Ionisation des Entladungsgases, das unter Bildung einer Plasmaflamme 5 in die Außenluft austritt.

Da die so erzeugte Plasmaflamme eine sehr hohe Temperatur besitzt (zwischen 5000 und 20 000° C), ist sie für zahlreiche, oben bereits genannte Anwendungen brauchbar.

Wenn beispielsweise diese Plasmaflamme als Wärmequelle für die Strahlungsanregung von spektralanalytischen Proben dienen soll, wird zuerst jede Probe auf die Elektrodenspitzen 9 aufgebracht oder als Lösung zubereitet, die nach Zersprühen zusammen mit dem Entladungsgas durch den Einlaß 4 in das Plasma 5 geführt wird. Die Probe erfährt in dem Hochtemperaturplasma 5 eine Dissoziation, und es werden die Linienspektren der elementaren Bestandteile der Probe emittiert. Durch Ausmessen dieser Linienspektren kann sodann die Zusammensetzung der Probe analysiert werden.

Nach F i g. 3 ist innerhalb des Koaxialentladungsgefäßes 3 eine aus dem einfallenden und reflektierten Wellen zusammengesetzte stehende Welle vorhanden, und der Reflexionsgrad der einfallenden Welle variiert entsprechend dem Vorhandensein oder Fehlen des Entladungsplasmas 5. Durch Einführen einer Sonde 11 in den Innenraum des Koaxialentladungsgefäßes bei einem Knotenpunkt der stehenden Welle zu einem Zeitpunkt, wo keine Plasmaentladung auftritt, und durch Ermittlung der elektrischen Feldstärke an dem Sondeneinführungspunkt mittels des durch die Sonde 11 fließenden elektrischen Stromes ist es deshalb möglich, das Vorhandensein oder das Fehlen der Plasmaentladung festzustellen. Weiterhin können durch Abgabe geeigneter, von dieser Stromänderung abhängiger Signale der Zündvorgang und eine Schutzschaltung für die Hochfrequenzspannungsquelle ausgelöst werden.

In dem Ausführungsbeispiel nach der F i g. 3 besteht die Nachweisanordnung 7 für den Entladungszustand aus einem Koaxialresonator 12, aus dem eine Sonde 11 in den Innenraum des Entladungsgefäßes hineinragt.

Ein in dieser Sonde 11 fließender Strom wird zu dem Innenleiter 13 des Koaxialresonators 12 weitergegeben und über eine Auskoppelschleife 14 abgenommen, die an eine in einem Isolatorteil 15 sitzende Kristalldiode 16 angeschlossen ist. Die Kristalldiode 16 richtet diesen Strom gleich, der über die Koaxialausgangsklemmen 17 abgegeben wird.

Die Sonde 11 kann an einer beliebigen Stelle innerhalb des Koaxialentladungsgefäßes eingeführt werden, insbesondere geeigneterweise an einem Knotenpunkt der stehenden Welle. Ein solcher Punkt wird in dem erfindungsgemäßen Plasmagenerator der unten beschriebenen Art verwendet.

Solange die Hochfrequenzspannungsquelle 1 Leistung liefert und an der Elektrode 9 eine Hochfrequenzspannung anliegt, jedoch eine Plasmaentladung noch nicht gezündet ist, wird das Hochfrequenzfeld an der offenen Stirnfläche des Entladungsgefäßes 3 reflektiert, und innerhalb des Entladungsgefäßes 3 bildet sich eine stehende Welle aus. Da die Sonde 11 in einem Knotenpunkt dieser stehenden Welle liegt, fließt kein Strom durch die Sonde 11, und infolgedessen fließt kein Ausgangsstrom durch die Ausgangsklemmen 17, bis eine Plasmaentladung gezündet wird. Hierbei entspricht der Knotenpunkt der stehenden Welle einem Punkt minimaler Spannung der stehenden Welle.

Wenn dann eine Plasmaentladung 5 vorhanden ist, wird die Hochfrequenzleistung in diesem Plasma 5 aufgezehrt und die Reflexion an der offenen Stirnfläche des Entladungsgerätes stark herabgesetzt.

Folglich tritt am Ort der Sonde 11 ein elektrisches Feld auf, so daß innerhalb der Sonde 11 ein Hochfrequenzstrom fließt.

Dieser Strom fließt durch den Innenleiter 13 des Koaxialresonators 12 und erregt denselben, so daß sich innerhalb desselben ein elektromagnetisches Hochfrequenzfeld ausbildet. Dieses elektromagnetische Hochfrequenzfeld induziert in der Auskoppelschleife 14 einen Hochfrequenzstrom, der durch die Kristalldiode 16 gleichgerichtet wird, so daß man an der Koaxialausgangsklemme 17 eine Ausgangsgleichspannung abnehmen kann.

Wenn also die Plasmaentladung 5 nicht vorhanden ist, ist auch an den Ausgangsklemmen 17 keine Ausgangsspannung vorhanden. Somit kann man durch das Vorhandensein bzw. Fehlen dieses Ausgangsstromes das Vorhandensein bzw. Fehlen der Plasmaentladung erfassen. Zudem kann dieser Strom zur Auslösung verschiedener automatischer Steuer- und Schaltvorgänge dienen.

Ein Anwendungsbeispiel dieser Nachweisanordnung 7 für den Entladungszustand ist in der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform zur Verwendung in Verbindung mit einer

automatischen Plasmaentladungszündeinrichtung erläutert.

Nach F i g. 3 besteht die Entladungszündeinrichtung 6 aus einer Betätigungsvorrichtung, die einen Zündleiter 30 mit einer Nadelspitze gegen die Elektrodenspitze 9 hin und von derselben weg bewegt. Der Zündleiter 30 wird mittels einer Feder 28 ständig in Richtung auf die Elektrode 9 hin gespannt und ist so ausgerichtet, daß die Nadelspitze an die Elektrodenspitze 9 angenähert bzw. mit derselben in Berührung gebracht werden kann. Die Betätigungsvorrichtung ist so aufgebaut, daß der Zündleiter 39 nur dann von der Elektrodenspitze 9 abgezogen wird, wenn ein scheibenförmiger, auf dem Zündleiter 30 sitzender Anker 29 von einem Elektromagneten 27 angezogen wird, der seinerseits zwecks Überwindung der Federspannung durch eine Spule 26 erregt wird. Die Spule 26 wird über die Anschlußklemmen 24 und 25 mit Strom versorgt.

Infolge dieser Anordnung der Entladungszündeinrichtung wird der Elektromagnet 27 unmittelbar nach Zündung der Entladung erregt und zieht den Zündleiter 30 von der Elektrode 9 ab, wenn bei in der Nähe der Elektrode 9 befindlichem oder an derselben anliegendem Zündleiter 30 eine Hochfrequenzspannung in die Elektrodenspitze eingespeist wird.

Für den in F i g. 4 gezeigten Schaltkreis zur automatischen Betätigung des vorstehend beschriebenen Entladungszündvorganges ist eine Gleichspannungsquelle 22 zur Versorgung der Erregungsspule 26 des Elektromagneten 27 zum Anzug des Zündleiters 30 vorgesehen, und ein Relais 20 mit einem Ein-Aus-Schaltkontakt 21 dient zum Abschalten und Durchschalten dieses Stromkreises. Der Ausgangsstrom der Koaxialausgangsklemmen 17 der Entladungsnachweisanordnung 7 wird über ein Koaxialkabel 18 in das Relais 20 eingespeist, das durch diesen Strom erregt wird. Falls der Ausgangsstrom der Ausgangsklemmen 17 zu niedrig ist, kann man einen Verstärker 19 vorsehen.

In diesem Schaltkreis wird das Relais 20 jeweils dann erregt, wenn ein Ausgangsstrom zwischen den Klemmen 17 fließt und den Kontakt 21 zum Anzug bringt, so daß die Erregerspule 26 des Elektromagneten durchflutet wird. Solange also keine Plasmaentladung vorhanden ist, ist der Relaiskontakt 21 abgefallen. Folglich wird der Elektromagnet 27 nicht erregt, und der Zündleiter 30 befindet sich infolge der Wirkung der Feder 28 in der Nähe oder in Berührung mit der Elektrode 9.

Wenn bei Verwendung einer Entladungszündeinrichtung der oben beschriebenen Art die Hochfrequenzspannungsquelle erregt wird und eine Hochfrequenz-Hochspannung in der Elektrodenspitze 9 induziert wird, springt ein Lichtbogen zwischen der Elektrode 9 und dem Zündleiter 30 über, und eine Hochfrequenzentladung wird gezündet. Sobald damit eine Plasmaentladung erzeugt wird, fließt ein Strom in der Sonde 11, und das Relais 20 spricht im Sinne einer Erregung des Elektromagneten 27 an, damit der Zündleiter 30 von der Elektrode 9 abgezogen wird. Wenn die Plasmaentladung 5 einmal in dieser Weise erzeugt ist, verlöscht sie nicht mehr, auch nicht nach Zurückziehung des Zündleiters, sondern bleibt infolge der hohen Eigenleitfähigkeit des Plasmas stationär.

Wenn zur Betriebsunterbrechung dieses Plasmagenerators die erzeugte Plasmaentladung willkürlich gelöscht werden soll, wird die Hochfrequenzenergiezufuhr von der Hochfrequenzspannungsquelle 1 zu dem Entladungsgefäß abgeschaltet. Gleichzeitig mit dem Verlöschen der Entladung hebt der Relaiskontakt 21 ab, und der Zündleiter 30 wird wieder in Zündstellung gebracht.

Zu anderen Zeitpunkten als der Entladungsunterbrechung kann ein unerwartetes Vorkommnis (beispielsweise eine plötzliche Änderung der Ausgangsleistung der Hochfrequenzspannungsquelle) zu einem unerwünschten Verlöschen der Entladung führen. In einem solchen Fall bewegt sich der Zündleiter 30 ebenfalls in seine Zündstellung, und der Zündvorgang wiederholt sich automatisch. Sobald dann der Generator wieder seinen Normalzustand erreicht hat, wird die Plasmaentladung sofort wiedergezündet. Manchmal kann die Ursache der Entladungslöschung so außergewöhnlicher Art sein, daß der Generator nicht leicht in seinen Normalzustand zurückfindet, und auch durch Wiederholung des Zündvorgangs kann die Plasmaentladung nicht erzeugt werden. Beispielsweise kann ein Ausfall in dem Entladungsgaszufuhrteil auftreten und den Entladungsgasstrom unterbrechen, oder auch eine un-

s5 gewöhnliche Steigerung der Gasströmung kann die Erzeugung der Entladung verhindern.

In einem solchen Fall arbeitet die Hochfrequenzspannungsquelle 1 im Leerlauf, und die Hochfrequenzenergie wird zumeist völlig reflektiert. Nach Rückkehr in die Spannungsquelle 1 verwandelt sie sich in Joulesche Wärme. Wenn dieser Zustand eine gewisse Zeit andauert, besteht die Gefahr, daß die Hochfrequenzspannungsquelle eine Schädigung erleidet, beispielsweise ein Durchbrennen der Heizung oder ein Schmelzen von Glasteilen. Nach der vorliegenden Erfindung läßt sich jedoch die Hochfrequenzspannungsquelle 1 gegen solche Beschädigungen auf folgende Weise schützen.

Bei einem Ausführungsbeispiel einer Schutzschaltung für die Spannungsquelle 1 sind nach F i g. 5 Eingangsklemmen 23 vorgesehen, die an eine Wechselspannungsquelle von Netzfrequenz angeschlossen werden, ferner Ausgangsklemmen 31 für eine Gleichhochspannung zur Erregung der Hochfrequenzspannungsquelle 1 (beispielsweise in Form eines Magnetrons mit geerdeter Anode) sowie die Koaxialanschlußklemmen 17 der beschriebenen Nachweisanordnung 7 für den Entladungszustand. In dieser Schaltung liegt eine zwischen den Klemmen 31 vorherrschende Gleichhochspannung zwischen Anode und Kathode des nicht dargestellten Magnetrons an, so daß die Spannungsquelle erregt wird und arbeitet. Diese Schaltung arbeitet in folgender Weise.

Zunächst wird dauernd eine Eingangswechselspannung von Netzfrequenz an die Eingangsklemmen 23 angelegt. Zur Zündung wird ein Druckknopfschalter 32 niedergedrückt, so daß das Relais 33 im Sinne eines Anzugs der Kontakte 34 und 35 anspricht. Der Kontakt 34 dient als Selbsthaltekontakt für das Relais 33, und gleichzeitig liegt infolge des Anzugs des Kontaktes 35 die Eingangswechselspannung an der Primärseite eines Hochspannungstransformators 50 an, so daß zwischen den Klemmen 31 eine Gleichhochspannung erzeugt wird, die zur Erregung der Hochfrequenzspannungsquelle 1 dient.

Wenn im weiteren die Plasmaentladung 5 gezündet ist, wird an den Koaxialausgangsklemmen 17 ein

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Ausgangsgleichstrom abgegeben, durch den ein Relais 36 erregt wird und einen Arbeitskontakt 37 anzieht sowie einen Ruhekontakt 38 abhebt. Der Anzug des Kontaktes 37 führt zur Erregung eines langsam ansprechenden oder verzögerten Relais 39, dessen Kontakt 40 angezogen wird, doch da der Kontakt 38 vor dem Anzug des Kontaktes 40 völlig abgehoben ist, fließt kein Strom durch ein Schaltrelais 41, das mit dem Arbeitskontakt 40 in Reihe liegt und dessen Ruhekontakt 42 in leitendem Zustand bleibt.

Die Plasmaentladung bleibt bestehen, wobei sich die Schutzschaltung in dem beschriebenen Zustand befindet. Wenn jedoch die Plasmaentladung infolge einer der oben beschriebenen Ursachen verlöscht, verschwindet der Ausgangsstrom der Koaxialausgangsklemmen 17, und es fließt kein Strom mehr durch das Relais 36, so daß der Ruhekontakt 38 mit dem Gegenkontakt in Anlage kommt und der Arbeitskontakt 37 abhebt.

Da jedoch das Relais 39 verzögert anspricht, wird das Abheben des Kontaktes 40 bis nach Schließen des Ruhekontaktes 38 verzögert. Demzufolge wird das Schaltrelais 41 während der Dauer zwischen dem Leitendwerden des Ruhekontaktes 38 und dem Abheben des Kontaktes 40 erregt und hebt den Ruhekontakt 42 ab. Folglich wird das Selbsthalterelais 33 stromlos, und die Kontakte 34 und 35 fallen ab. Dadurch wird die Leistungszufuhr für die Hochfrequenzspannungsquelle 1 abgeschaltet, und die Spannungsquelle wird dadurch vor einem Leerlaufbetrieb geschützt.

Da bei Verwendung der Schaltung nach F i g. 5 ein automatischer Schutz der Spannungsquelle 1 bei Verlöschen der Entladung erfolgt, ist die Benutzung der oben beschriebenen Entladungszündeinrichtung nicht erforderlich. Wenn bei der Schaltung nach Fig. 5 die Entladung willkürlich unterbrochen werden soll, wird die Wechselspannungszufuhr zu den Eingangsklemmen 23 unterbrochen.

Während die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele Fälle betreffen, wo eine automatische Entladungszündeinrichtung und eine Schutzschaltung für die Hochfrequenzspannungsquelle jeweils unabhängig voneinander benutzt werden, kann man dieselben selbstverständlich auch kombiniert anwenden. Ein Ausführungsbeispiel für eine derartige Schutzschaltung zur automatischen Steuerung ist in dem Schaltbild der Fig. 6 dargestellt.

Innerhalb dieser Schaltung ist ein Gleichhochspannungsgerät 43 mit Wechselstromnetzeinspeisung zur Erzeugung einer Gleichhochspannung vorgesehen. Dieses Gerät 23 besitzt Wechselspannungseingangsklemmen 23, die mit einer nicht dargestellten Netzspannungsquelle verbunden werden können, und Ausgangsklemmen 31 zur Abgabe einer Gleichhochspannung, die an Anode und Kathode eines nicht dargestellten Magnetrons mit geerdeter Anode angeschlossen werden, das als Hochfrequenzspannungsquelle dient.

Zu dem Steuerkreis dieser Schutzschaltung nach F i g. 6 gehören ein an die Ausgangsklemmen 17 angeschlossenes und von denselben erregtes Relais R_A, dessen einer Arbeitskontakt r_{a t} zur Schaltung des Erregungsstromkreises der Elektromagnetenspule 26 dient, ferner zwischen den Eingangsklemmen 23 und dem Gerät 43 parallel zu den Netzspannungszuleitungen eingeschaltete Relais R₁₁, R_c, R_D, R_E und R_F, die jeweils mehrere im folgenden noch beschriebene Kontakte haben. Die Relais R_c, R₀ und R_E sprechen langsam bzw. verzögert an. Ein Motor 44 liegt ebenfalls parallel zu den Netzspannungszuleitungen, und ein Drehschalter ist antriebsmäßig mit dem Motor 44 gekoppelt. Dieser Steuerkreis arbeitet in folgender Weise.

Wenn zunächst keine Plasmaentladung 5 erzeugt wird, erscheint keine Ausgangsspannung an den

ίο Koaxialausgangsklemmen 17 der Entladungszustandsnachweisanordnung 7, und das Relais R_A wird nicht erregt. Folglich ist der Arbeitskontakt r„ _t des Relais R_A abgehoben, so daß kein Strom durch die an die Klemme 24 und 25 angeschlossene Elektromagnetenspule 26 fließt. Deshalb ist der Zündleiter 30 nach F i g. 3 unter dem Druck der Feder 28 in einer Stellung in der Nähe der Elektrode 9. Da ferner auch das Relais R_B unerregt ist, ist der Arbeitskontakt r_b j abgehoben, und damit arbeitet die Hoch- frequenzspannungsquelle 1 nicht. Der Plasmagenerator befindet sich in ausgeschaltetem Zustand.

Nunmehr wird der Steuerkreis zur Zündung der Plasmaentladung in folgender Weise betätigt. Als ' erstes wird der Druckknopfschalter 46 niedergedrückt, so daß das Relais R_B erregt wird und den Arbeitskontakt r_{b l} und gleichzeitig den Selbsthaltekontakt r_{b 2} anzieht. Folglich wird die Netzwechselspannung in das -Gerät 43 eingespeist, dessen Gleichhochspannung die Hochfrequenzspannungsquelle 1 erregt, so daß eine Hochfrequenzhochspannung in der Elektrodenspitze 9 (Fig. 3) induziert wird.

Da sich zu diesem Zeitpunkt der Zündleiter 30 in der Nähe der Elektrode 9 befindet, springt zwischen denselben ein Lichtbogen über, und eine Hochfrequenzplasmaentladung 5 wird erzeugt. Während dieses Zeitabschnitts wird selbstverständlich ununterbrochen Entladungsgas durch den Einlaß 4 in das Entladungsgefäß eingeleitet.

Nach Erzeugung der Plasmaentladung 5 fließt ein Strom durch die Sonde 11, und eine Ausgangsgleichspannung wird an den Koaxialausgangsklemmen 17 erzeugt. Erforderlichenfalls kann diese Ausgangsspannung mittels eines Verstärkers 19 verstärkt ( werden und in das Relais R_A zwecks Erregung desselben eingespeist werden. Dasselbe zieht die Arbeitskontakte r_av r_a„ und r_a4 an und läßt die Ruhekontakte r_as und r_a5 abfallen. Der Anzug des Kontaktes r_al ermöglicht eine Erregung der Elektromagnetenspule 26 durch eine Spannungsquelle 22, damit der Zündleiter 30 von der Elektrode 9 weggezogen wird. Wie bereits gesagt, brennt jedoch die Plasmaentladung 5 stationär.

Der Anzug des Kontaktes r_a , führt zur Erregung des verzögerten Relais R_c und zum Anzug der Arbeitskontakte r_c j und r_{c 2}, wobei der Kontakt r_{c ί} als Selbsthaltekontakt für das Relais R_c dient. Da das Relais R _c verzögert anspricht, wird der Kontakt r_c2 erst nach völligem Abheben des Kontaktes r„ ₃ angezogen. Folglich wird das Relais R₀ nicht erregt, und die Plasmaentladung brennt in diesem im folgenden als »Entladungszustand F₁« bezeichneten Zustand des Steuerkreises stationär weiter.

Wenn die Plasmaentladung aus einem beliebigen Grund verlöscht, verschwindet die Ausgangsspannung der Klemmen 17, und das Relais R_A wird stromlos, so daß alle Kontakte r_av r_a2, r_av r„₄ und T₁₁. in Ruhestellung zurückkehren. Das heißt,

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die Kontakte r_al, r_a2 und r_ai fallen ab, und die jeweils nach einer Zündung wieder verlöscht, wird Kontakte r_a% und r_as kommen in Durchlaßstellung. das Relais R_A vor Trennung des Selbsthaltekreises Infolge des Abhebens des Kontaktes r_{a 1} wird die des verzögerten Relais R_E mittels des Drehschalters Elektromagnetenspule 26 stromlos, und der Zünd- 45 stromlos, so daß der Ruhekontakt r_{a 5} in Durchleiter 30 nähert sich wieder zwecks Wiederzündung S laßzustand kommt. Dadurch wird das Relais R_F erder Plasmaentladung der Elektrode 9. In diesem regt, und der Ruhekontakt r, innerhalb der Speise-Augenblick führt das Zurückfallen des Ruhe- Spannungszuleitung des Gerätes 43 wird abgehoben. kontaktesr_O3 in leitende Stellung zu einer Erregung Dadurch wird die Spannungsversorgung der Hochdes verzögerten Relais R_D, was zum Anzug des frequenzspannungsquelle 1 unterbrochen, und die Selbsthaltekontaktes r_{d x} und gleichzeitig zum Anzug io Hochfrequenzspannungsquelle wird hierdurch gegen der Arbeitskontakte r_d2 und r_d3 führt. einen Leerlaufbetrieb geschützt. Gleichzeitig werden Wenn in diesem Zeitpunkt des Wiederzündens alle Relais stromlos, und der Steuerkreis stellt sich der Plasmaentladung der Plasmagenerator wieder in in den genannten Ruhezustand ein.
seinen normalen Arbeitszustand zurückkehrt, wird Wenn nach Beseitigung der Ursache dieses regeldie Plasmaentladung 5 wieder gezündet, und das 15 widrigen Zustandes des Plasmagenerators die Relais R_A wird von neuem erregt, so daß die Kon- Plasmaentladung von neuem gezündet werden soll, takte r_av r_a2 und r_ai anziehen und die Kontakte r_a3 ist es lediglich erforderlich, den Druckknopfschalter und r_as abfallen. Infolge des Anzugs des Kontaktes 46 niederzudrücken.

Ta₁ wird der Zündleiter 30 wieder von der Elek- Wenn die Plasmaentladung unabhängig von einer

trode 9 abgezogen, und entsprechend dem neuer- ao regelwidrigen Arbeitsweise des Plasmagenerators

liehen stationären Brennzustand der Plasmaentla- willkürlich gelöscht werden soll, um den Plasma-

*"\ dung führt der Anzug des Kontaktes r_{a 4} zu einer generator stillzusetzen, wird ein Leistungstrenn-

' Erregung des verzögerten Relais R_E, so daß sein schalter, beispielsweise ein handbetätigter Schalter

Ruhekontakt r_{e t} abfällt und die Arbeitskontakte r_{e 2}, 47, geöffnet.

r_e3 und r_ei angezogen werden. Der Kontakt r_e, 35 Wie man an Hand der vorstehenden Beschreidient als Selbsthaltekontakt für das Relais R_E, und bung hinsichtlich bevorzugter Ausführungsformen der Abfall des Kontaktes r_{e t} macht das verzögerte der Erfindung erkennt, erfolgen Zündung, Brenn-Relais R_D stromlos, so daß dessen Kontakte r_{d v} r_{d 2} steuerung und Wiederzündung der Plasmaentladung und r_d% in Ruhestellung zurückgehen. des Plasmagenerators nach der Erfindung automa-Zu diesem Zeitpunkt ist das Relais R_F nicht er- 30 tisch, und die Stillsetzung des Generators kann in regt, da der Kontakt r_e3 erst nach Abfallen des einfacher Weise durchgeführt werden. Demzufolge Kontaktes r_{a 5} angezogen wird, jedoch wird der Mo- wird die Betriebsweise des Generators stark vereinter 44 infolge des Anzugs des Kontaktes r_{e 4} in Gang facht, und außerdem wird die erzeugte Plasmagesetzt. Wenn dann die Entladung im Normal- entladung stabil.

zustand stationär bleibt, dreht sich der mit dem 35 Wenn dann eine regelwidrige Arbeitsbedingung Motor 44 gekoppelte Drehschalter 43 und unter- innerhalb des Plasmagenerators auftritt, so daß die bricht den Selbsthaltestromkreis des Relais R_E, das Entladung in der Wiederzündphase nicht gezündet dadurch stromlos wird. Infolgedessen kehren die werden kann, wird die Leistungszufuhr für die Hoch-Kontakte r_ev r_e2, r_e3 und r_ei in ihre Ruhezustände frequenzspannungsquelle 1 automatisch abgeschaltet, zurück, und die "Anordnung stellt sich in den Ent- 40 und dadurch wird verhindert, daß die Hochfrequenzladungszustand P₁ ein. Auf diese Weise laufen Zün- Spannungsquelle längerdauernd im Leerlauf arbeitet, dung, stationäres Brennen und Wiederzündung der Dadurch wird eine schwerwiegende Schädigung Plasmaentladung automatisch ab. der Hochfrequenzspannungsquelle verhindert, und

^ Wenn andererseits die Arbeitsbedingungen des gleichzeitig wird die Verlustleistung herabgesetzt. Plasmagenerators völlig regelwidrig werden und 45 Somit ist der erfindungsgemäße Hochfrequenzwenn sich der Wiederzündvorgang wiederholt, wobei entladungs-Plasmagenerator für die zahlreichen oben keine Plasmaentladung erzeugt wird bzw. dieselbe aufgezählten Verwendungen sehr vorteilhaft.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1 2 Reihe liegenden Ruhekontakt (ra 5) des Plasma- _ ... nachweisrelais (RA) im Schaltrelaiskreis enthält. Patentansprüche: v

1. Hochfrequenz-Plasmagenerator mit einer 5

Hochfrequenzspannungsquelle, einem Koaxialentladungsgefäß aus einem koaxial angeordneten

Innen- und Außenleiter in Form eines Koaxialwellenleiters mit mindestens einer, gegen die Die Erfindung bezieht sich auf einen Hoch-Atmosphäre hin offenen Stirnfläche, wobei der io frequenz-Plasmagenerator mit einer Hochfrequenz-Innenleiter eine an der offenen Stirnfläche Spannungsquelle, einem Koaxialentladungsgefäß aus endende nadeiförmige Spitze hat, einen Wellen- einem koaxial angeordneten Innen- und Außenleiter leiter zur Übertragung der Hochfrequenzenergie in Form eines Koaxialwellenleiters mit mindestens von der Hochfrequenzspannungsquelle in das einer, gegen die Atmosphäre hin offenen Stirnfläche, Koaxialentladungsgefäß und einer Nachweis- 15 wobei der Innenleiter eine an der offenen Stirnfläche anordnung für die übertragene Hochfrequenz- endende nadeiförmige Spitze hat, einem Wellenleiter energie, dadurch gekennzeichnet, daß zur Übertragung der Hochfrequenzenergie von der im Bereich eines Knotens der bei Fehlen der Hochfrequenzspannungsquelle in das Koaxial-Plasmaentladung im Koaxialentladungsgefäß auf- entladungsgefäß sowie einer Nachweisanordnung tretenden stehenden Welle eine Sonde (11) der 20 für die übertragene Hochfrequenzenergie.
Nachweisanordnung (7) durch den Außenleiter Bei einem derartigen Hochfrequenz-Plasmagene-(8 a) des Koaxialentladungsgef äßes (3) hindurch- rator wird in einem geeigneten Entladungsstrom eine reicht und eine Stromnachweisvorrichtung (12 Hochfrequenzentladung erzeugt, wodurch das Ent- (( bis 18) mit der Sonde (11) verbunden ist für ladungsgas ionisiert und eine Plasmaflamme aus den Nachweis des im Koaxialentladungsgefäß 25 ionisiertem Gas von außerordentlich hoher Tempe-(3) fließenden und von der Sonde abgetasteten ratur erhalten wird,
elektrischen Stromes. Da die in einem derartigen Plasmagenerator er-

2. Hochfrequenz-Plasmagenerator nach An- zeugte Plasmaflamme eine sehr hohe Temperatur Spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde besitzt, wird sie in weitem Umfang verwendet, bei-

(11) als Innenleiter in einen Koaxialresonator 30 spielsweise als Wärmequelle für verschiedene Be-

(12) hineinragt, in dem eine mit einer Diode arbeitungsverfahren, wie Schneiden, Schweißen, (16) verbundene Auskoppelschleife (14) ange- Schmelzen und Verdampfungsniederschlagsbildung ordnet ist. von Metallen oder für die Kristallherstellung, für

3. Hochfrequenz-Plasmagenerator nach An- zahlreiche chemische Hochtemperaturreaktionen und spruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine 35 zur Aufheizung spektralanalytischer Proben, um eine Plasmaentladungszündeinrichtung (6) mit einem angeregte Emission derselben zu erhalten.

an die Entladungselektrodenspitze (9) reichenden, Ein Hochfrequenz-Plasmagenerator der genannten

gegen dieselbe federgespannten Zündleiter (30) Art umfaßt im wesentlichen ein rohrförmiges als

und mit einem Rückstellelement (26) für den Durchleitung für das Entladungsgas dienendes Ent-

Zündleiter (30), das auf den in der Sonde (11) 40 ladungsgefäß mit mindestens einer in die Außenluft

fließenden Strom anspricht. . mündenden offenen Stirnfläche, einer koaxial darin

4. Hochfrequenz-Plasmagenerator nach An- angeordneten Elektrode, deren Entladungsspitze spruch 3, gekennzeichnet durch ein in dem Aus- gegen die offene Stirnfläche gerichtet ist, wobei zwigangskreis der Plasmanachweisschaltung (14, 16) sehen der Innenwandung des Entladungsgefäßes und liegendes Relais (20), dessen Arbeitskontakt (21) 45 der Elektrode ein ringförmiger Strömungsweg für in dem Stromkreis der Rückstellspule (26) liegt, das Entladungsgas gebildet wird, ferner eine Einlaßdie mit einem den Zündleiter (30) tragenden einrichtung für das Entladungsgas, damit dasselbe Anker (29) zusammenwirkt. gegen die Entladungselektrodenspitze, dieselbe um-

5. Hochfrequenz-Plasmagenerator nach einem gebend, strömt und aus der offenen Stirnfläche in der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch 50 die Außenluft austritt, sowie eine Einspeisungseine Schutzschaltung für die Hochfrequenz- einrichtung für die Hochfrequenzleistung in das Spannungsquelle (1), wobei an die Plasma- Entladungsgefäß, damit eine Hochfrequenz-Hochnachweisschaltung ein Relais (36) mit Ruhe- spannung in der Entladungselektrodenspitze induziert kontakt (38) und Arbeitskontakt (37) angeschlos- wird.

sen ist, welch letzterer in dem Stromkreis eines 55 Beim Betrieb des beschriebenen Generators wird

verzögerten Relais (39) liegt, und wobei ein Ar- in der Entladungselektrodenspitze eine Hoch-

beitskontakt (40) des verzögerten Relais in Reihe frequenz-Hochspannung induziert, wobei das Ent-

mit dem Ruhekontakt (38) in dem Stromkreis ladungsgas in diesem Betriebszustand ununterbrochen

eines Schaltrelais (41) liegt, dessen Ruhekontakt die Entladungselektrodenspitze umströmt. Dann

(42) in die Spannungszuleitung für die Hoch- 60 wird mittels einer geeigneten Zündung, beispiels-

frequenzspannungsquelle eingefügt ist. weise durch Nähern eines Zündleiters an die Elek-

6. Hochfrequenz-Plasmagenerator nach einem trodenspitze eine Hochfrequenzentladung an der der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, Elektrodenspitze erzeugt, damit das Entladungsgas daß die eine automatische Steuerschaltung ein durch diese Hochfrequenzentladung ionisiert wird verzögertes Relais (R₁,) mit über einen Arbeits- 65 und sich eine sogenannte Hochfrequenzplasmakontakt (r₍,₄) betätigten Drehschalter (45) im entladung ausbildet. Das ununterbrochen strömende Selbsthaltekreis und mit einem Arbeitskontakt Entladungsgas wird innerhalb des Plasmas auf eine (r_c3) im Schaltrelaiskreis sowie einen dazu in hohe Temperatur erhitzt und fortwährend ionisiert,