DE1514101C3 - 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 Schaden 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

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

F i g. 3 eine geschnittene Seitenansicht im Ausschnitt längs der Linie III-III in F i g. 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 S. 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

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automatischen Plasmaentladungszündeinrichtung er- gelöscht werden soll, wird die Hochfrequenzenergie-

läutert. zufuhr von der Hochfrequenzspannungsquelle 1 zu

Nach F i g. 3 besteht die Entladungszündeinrich- dem Entladungsgefäß abgeschaltet. Gleichzeitig mit rung 6 aus einer Betätigungsvorrichtung, die einen dem Verlöschen der Entladung hebt der Relais-Zündleiter 30 mit einer Nadelspitze gegen die Elek- 5 kontakt 21 ab, und der Zündleiter 30 wird wieder in trodenspitze 9 hin und von derselben weg bewegt. Zündstellung gebracht.

Der Zündleiter 30 wird mittels einer Feder 28 stan- Zu anderen Zeitpunkten als der Entladungsunterdig in Richtung auf die Elektrode 9 hin gespannt brechung kann ein unerwartetes Vorkommnis (bei- und ist so ausgerichtet, daß die Nadelspitze an die spielsweise eine plötzliche Änderung der Ausgangs-Elektrodenspitze 9 angenähert bzw. mit derselben in io leistung der Hochfrequenzspannungsquelle) zu einem Berührung gebracht werden kann. Die Betätigungs- unerwünschten Verlöschen der Entladung führen, vorrichtung ist so aufgebaut, daß der Zündleiter 30 In einem solchen Fall bewegt sich der Zündleiter 30 nur dann von der Elektrodenspitze 9 abgezogen wird, ebenfalls in seine Zündstellung, und der Zündwenn ein scheibenförmiger, auf dem Zündleiter 30 Vorgang wiederholt sich automatisch. Sobald dann sitzender Anker 29 von einem Elektromagneten 27 15 der Generator wieder seinen Normalzustand erreicht angezogen wird, der seinerseits zwecks Überwindung hat, wird die Plasmaentladung sofort wiedergezündet, der Federspannung durch eine Spule 26 erregt wird. Manchmal kann die Ursache der Entladungs-Die Spule 26 wird über die Anschlußklemmen 24 löschung so außergewöhnlicher Art sein, daß der und 25 mit Strom versorgt. Generator nicht leicht in seinen Normalzustand zu-

Infolge dieser Anordnung der Entladungszünd- 20 rückfindet, und auch durch Wiederholung des Zündeinrichtung wird der Elektromagnet 27 unmittelbar Vorgangs kann die Plasmaentladung nicht erzeugt nach Zündung der Entladung erregt und zieht den werden. Beispielsweise kann ein Ausfall in dem Zündleiter 30 von der Elektrode 9 ab, wenn bei in Entladungsgaszufuhrteil auftreten und den Entder Nähe der Elektrode 9 befindlichem oder an der- ladungsgasstrom unterbrechen, oder auch eine unselben anliegendem Zündleiter 30 eine Hochfrequenz- 35 gewöhnliche Steigerung der Gasströmung kann die spannung in die Elektrodenspitze eingespeist wird. Erzeugung der Entladung verhindern.

Für den in F i g. 4 gezeigten Schaltkreis zur auto- In einem solchen Fall arbeitet die Hochfrequenzmatischen Betätigung des vorstehend beschriebenen Spannungsquelle 1 im Leerlauf, und die Hoch-Entladungszündvorganges ist eine Gleichspannungs- frequenzenergie wirdTzümeist völlig reflektiert. Nach quelle 22 zur Versorgung der Erregungsspule 26 des 30 Rückkehr in die Spannungsquelle 1 verwandelt sie Elektromagneten 27 zum Anzug des Zündleiters 30 sich in Joulesche Wärme. Wenn dieser Zustand eine vorgesehen, und ein Relais 20 mit einem Ein-Aus- gewisse Zeit andauert, besteht die Gefahr, daß die Schaltkontakt 21 dient zum Abschalten und Durch- Hochfrequenzspannungsquelle eine Schädigung erschalten dieses Stromkreises. Der Ausgangsstrom leidet, beispielsweise ein Durchbrennen der Heizung der Koaxialausgangsklemmen 17 der Entladungs- 35 oder ein Schmelzen von Glasteilen. Nach der vornachweisanordnung 7 wird über ein Koaxialkabel 18 liegenden Erfindung läßt sich jedoch die Hochin das Relais 20 eingespeist, das durch diesen Strom frequenzspannungsquelle 1 gegen solche Beschädierregt wird. Falls der Ausgangsstrom der Ausgangs- gungen auf folgende Weise schützen,
klemmen 17 zu niedrig ist, kann man einen Ver- Bei einem Ausführungsbeispiel einer Schutzschalstärker 19 vorsehen. 40 rung für die Spannungsquelle 1 sind nach F i g. 5

In diesem Schaltkreis wird das Relais 20 jeweils Eingangsklemmen 23 vorgesehen, die an eine dann erregt, wenn ein Ausgangsstrom zwischen den Wechselspannungsquelle von Netzfrequenz ange-Klemmen 17 fließt und den Kontakt 21 zum Anzug schlossen werden, ferner Ausgangsklemmen 31 für bringt, so daß die Erregerspule 26 des Elektro- eine Gleichhochspannung zur Erregung der Hochmagneten durchflutet wird. Solange also keine 45 frequenzspannungsquelle 1 (beispielsweise in Form Plasmaentladung vorhanden ist, ist der Relaiskontakt eines Magnetrons mit geerdeter Anode) sowie die 21 abgefallen. Folglich wird der Elektromagnet 27 Koaxialanschlußklemmen 17 der beschriebenen nicht erregt, und der Zündleiter 30 befindet sich Nachweisanordnung 7 für den Entladungszustand. In infolge der Wirkung der Feder 28 in der Nähe oder dieser Schaltung liegt eine zwischen den Klemmen in Berührung mit der Elektrode 9. 50 31 vorherrschende Gleichhochspannung zwischen

Wenn bei Verwendung einer Entladungszünd- Anode und Kathode des nicht dargestellten Magne-

einrichtung der oben beschriebenen Art die Hoch- trons an, so daß die Spannungsquelle erregt wird

frequenzspannungsquelle erregt wird und eine Hoch- und arbeitet. Diese Schaltung arbeitet in folgender

frequenz-Hochspannung in der Elektrodenspitze 9 Weise.

induziert wird, springt ein Lichtbogen zwischen der 55 Zunächst wird dauernd eine Eingangswechsel-Elektrode 9 und dem Zündleiter 30 über, und eine spannung von Netzfrequenz an die Eingangsklemmen Hochfrequenzentladung wird gezündet. Sobald damit 23 angelegt. Zur Zündung wird ein Druckknopfeine Plasmaentladung erzeugt wird, fließt ein Strom schalter 32 niedergedrückt, so daß das Relais 33 im in der Sonde 11, und das Relais 20 spricht im Sinne Sinne eines Anzugs der Kontakte 34 und 35 aneiner Erregung des Elektromagneten 27 an, damit 60 spricht. Der Kontakt 34 dient als Selbsthaltekontakt der Zündleiter 30 von der Elektrode 9 abgezogen für das Relais 33, und gleichzeitig liegt infolge des wird. Wenn die Plasmaentladung 5 einmal in dieser Anzugs des Kontaktes 35 die Eingangswechselspan-Weise erzeugt ist, verlöscht sie nicht mehr, auch nung an der Primärseite eines Hochspannungstransnicht nach Zurückziehung des Zündleiters, sondern formators 50 an, so daß zwischen den Klemmen 31 bleibt infolge der hohen Eigenleitfähigkeit des 65 eine Gleichhochspannung erzeugt wird, die zur ErPlasmas stationär. regung der Hochfrequenzspannungsquelle 1 dient.

Wenn zur Betriebsunterbrechung dieses Plasma- Wenn im weiteren die Plasmaentladung 5 gezündet

generators die erzeugte Plasmaentladung willkürlich ist, wird an den Koaxialausgangsklemmen 17 ein

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 Schütz der Spannungsquelle 1 bei Verlöschen der Entladung erfolgt, ist die Benutzung der oben beschriebenen Entladungszündeinrichtung nicht erforderlich. Wenn bei der Schaltung nach F i g. 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 x} zur Schaltung des Erregungsstromkreises der Elektromagnetenspule 26 dient, ferner zwischen den Eingangsklemmen 23 und dem Gerät 43 parallel zu den Netzspannungszuleitungen eingeschaltete Relais R₁₃, R_c, R_n, R_E und R_F, die jeweils mehrere im folgenden noch beschriebene Kontakte haben. Die Relais R'_c, R_D 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_{a 1} 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 R₈ 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 x} 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 r₀₄ an und läßt die Ruhekontakte r_a3 und r_ar> abfallen. Der Anzug des Kontaktes r_ai 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 1} 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_az angezogen. Folglich wird das Relais R₀ nicht erregt, und die Plasmaentladung brennt in diesem im folgenden als »Entladungszustand P₁ « 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_a„, r_av r_ai und r_a. in Ruhestellung zurückkehren. Das heißt,

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die Kontakte r_av r_a2 und r_fl4 fallen ab, und die jeweils nach einer Zündung wieder verlöscht, wird Kontakte r_{a 3} und r_{a 5} kommen in Durchlaßstellung. das Relais R_A vor Trennung des Selbsthaltekreises Infolge des Abhebens des Kontaktes r_{a x} 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 5 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_a3 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 1} und gleichzeitig zum Anzug io Hochfrequenzspannungsquelle wird hierdurch gegen der Arbeitskontakte r_d2 und r_ds 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 regel-

die 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_fl3 ist es lediglich erforderlich, den Druckknopfschalter

und r_a5 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-

g"\ 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_ez und r_ei angezogen werden. Der Kontakt r_e2 as Wie man an Hand der vorstehenden Beschrei-

dient als Selbsthaltekontakt für das Relais R_E, und bung hinsichtlich bevorzugter Ausführungsformen

der Abfall des Kontaktes r_{e x} macht das verzögerte der Erfindung erkennt, erfolgen Zündung, Brenn-

Relaisi?£, stromlos, so daß dessen Kontakte r_dv r_d2 steuerung und Wiederzündung der Plasmaentladung

und r_rf3 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_es erst nach Abfallen des einfacher Weise durchgeführt werden. Demzufolge Kontaktes r_a5 angezogen wird, jedoch wird der Mo- wird die Betriebsweise des Generators stark vereintor 44 infolge des Anzugs des Kontaktes r_ei 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_c2, 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 (r„,) des Plasma- .. , nachweisrelais (R.) im Schaltrelaiskreis enthält. Patentansprüche:

1. Hochfrequenz-Plasmagenerator mit einer 5

Hochfrequenzspannungsquclle, 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, d a d u r c h 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-PIasmagene-(8 a) des Koaxialentladungsgefäßes (3) hindurch- rator wird in einem geeigneten Entladungsstrom eine reicht und eine Stromnachweisvorrichtung (12 Hochfrequenzentladung erzeugt, wodurch das Entbis 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 Verdampfungsniederschlagsbildüng 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 spektralanaly^ischer 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 Innenwsndung 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 Zündleitcrs an die Elek-

6. Hochfrequenz-Plasmagenerator nach einem trodenspitze eine Hochfrequenzentladung an der der Ansprüche I 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_t,,) betätigten Drehschalter (45) im entladung ausbildet. Das ununterbrochen strömende Selbsthaltckreis und mit einem Arbeitskontakt Entladungsgas wird innerhalb des Plasmas auf eine (/·,,.,) im Schaltrelaiskreis sowie einen dazu in hohe Temperatur erhitzt und fortwährend ionisiert,