DE1539596B2 - Verfahren zur erzeugung von strahlungsenergie hoher intensitaet - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur D_q = Innendurchmesser des Rohres, welches Erzeugung von Strahlungsenergie hoher Intensität, die Elektroden umgibt,
wobei in einem Entladungsraum mit einem licht- I Fr I = Geschwindigkeit des Gases, welches aus durchlässigen Rohr als Hülle zwischen den an beiden _den Eintrittsöffnungen in den Entladungs-Enden des Rohres befindlichen Elektroden ein Licht- 5 raum einströmt
bogen ausgebildet wird, wobei ein Gas zur Wirbel- , , ' T-^j
bewegung tangential dem Entladungsraum zugeführt 1^1= ^{Große der} f^uf J^er Achse des Entladungswird und wobei das Gas dann durch axial in den Raumes senkrecht stehenden Komponente Elektroden liegende Austrittsöffnungen aus dem _ der Gasgeschwindigkeit F₂-Entladungsraum austritt. ίο ist.

Bei früheren Verfahren zur Herstellung von hoch- Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung intensiver Strahlung mit Hilfe des elektrischen Licht- besteht darin, daß der Austritt des Gases aus dem bogens bildete sich der Lichtbogen zwischen den Entladungsraum durch die Austrittsöffnungen in der beiden Enden einer durchsichtigen Röhre, durch Weise erfolgt, daß das Verhältnis der Querschnittsweiche ein wirbelnder Gasstrom geführt wurde, der 15 fläche des Entladungsraumes zu der Summe der dazu diente, den Lichtbogen zu stabilisieren, die Querschnittsflächen der Austrittsöffnungen zwischen Wandungen der Röhre zu kühlen und das Absetzen 2:1 und 40:1, bevorzugt zwischen 5:1 und 25:1 von Verunreinigungen an der Innenfläche derselben liegt.

zu verhindern. Bei einem dieser Verfahren wurde Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmög-

das Gas an einem Ende der Röhre eingeführt und 20 lichkeiten der neuen Erfindung ergeben sich aus den

am anderen Ende wieder herausgelassen. Bei An- Darstellungen von Ausführungsbeispielen sowie aus

Wendungen, bei denen längere Lichtbögen erforderlich der folgenden Beschreibung. Es zeigt

sind, wurde es schwierig, die wirbelnde Bewegung F i g. 1 den senkrechten Querschnitt einer Vor-

des Gases aufrechtzuerhalten, und es wurde daher richtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß

vorgeschlagen, das Gas an beiden Enden der Röhre 25 der Erfindung,

einzuführen und an einem oder auch an beiden Enden F i g. 2 einen vergrößerten Querschnitt senkrecht desselben wieder abziehen zu lassen. Dies zeigte zur Achse entsprechend der Linie 2-2 der F i g. 1; jedoch den Nachteil, daß die Verunreinigungen in F i g. 3 eine vergrößerte Darstellung ähnlich der Mitte der Röhre, wo die beiden Gasströme F i g. 1 von einem Teil des Endstückes einer tatzusammentrafen, oder in der Nähe dieser Stelle zur 30 sächlich ausgeführten Lichtbogenkammer,
Ausscheidung kamen und hierbei den Strahlungs- Fig. 3a eine ähnliche, jedoch noch stärker vereffekt des Lichtbogens infolge der Verfärbung der größerte Darstellung dieses Endstückes,
Röhre sehr stark verminderten. Ein neueres Ver- F i g. 4 eine graphische Darstellung, welche die fahren führt den wirbelnden Gasstrom von einer Strahlungsintensitäten und die typischen Arbeits-Seite der Röhre ein und läßt ihn an beiden Enden 35 bedingungen für verschiedene Wellenlängen zeigt, wieder austreten. Es ist auch bekannt, das Gas in wie sie von einem Lichtbogen mit Hilfe der Strahder Mitte des Entladungsraumes tangential einzu- lungsquelle nach F i g. 3 hergestellt werden,
führen, wobei der Gasauslaß durch eine axiale Boh- Die Verwendung von rohrförmigen, voneinander rung in einer oder in beiden an den Enden des Ent- auf Abstand angeordneten Elektroden auf beiden ladungsraumes befindlichen Elektroden erfolgt. Bei die- 40 Seiten des Entladungsraumes bewirkt, daß alle Versem Verfahren kann jedoch keine gleichmäßige Wirbel- unreinigungen (die in erster Linie von der Erosion bildung erzielt werden. Weiterhin führen auch bei die- des Elektrodenmaterials herrühren) durch die Aussem Verfahren abgelagerte Verunreinigungen zu einer trittsöffnungen der Elektroden herausgefegt werden, erheblichen Verminderung der Strahlungsintensität. Dies ist vorteilhaft gegenüber der Methode, an Stelle

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mittels 45 von einer der beiden rohrförmigen Elektroden eine

eines stabilen Lichtbogens Strahlungsenergie hoher stabförmige Elektrode zu verwenden, da sich bei

Intensität zu erzeugen. der letzteren Methode die Verunreinigungen an dem

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch Ende des Entladungsraumes ansetzen würden, an gelöst, daß das Gas durch mehrere ringförmig ange- welchem sich die Stabelektrode befindet. Neben der ordnete Eintrittsöffnungen in einen ringförmigen 50 Verwendung von auf Abstand angeordneten rohr-Bereich zwischen einer in den Entladungsraum förmigen Elektroden hat es sich noch als vorteilhaft ragenden Elektrode und der Hülle unter Bedingungen erwiesen, das Gas nur von einem Ende in den Entströmt, die der Gleichung ladungsraum einzuführen. Wenn das Gas von beiden

Seiten eingeführt wird, tritt häufig eine Verunreini-

ftf . D° \XjL- > 0 25 ⁵⁵ 8^unS ^er lichtdurchlässigen Hülle ein, und zwar

Dq ' I Vt\ ' ungefähr in der Mitte zwischen den beiden Elektroden.

Die Einführung des Gases in den Entladungsraum entsprechen, wobei nach dem Verfahren gemäß der Erfindung ergibt

„, ,, , ,. , _. , „ . .. ,_ - . eine Lichtbogenstrahlungsquelle, wobei der Licht-

M_x = Machzahl der Einlaßstromung (Geschwm- _{6o fe ej Stromdichte yo}£ _{mehr als 1000} Amp./ctn*

d.gkeit des Gases das ,η den Entladungs- _auf_{wd def Lichtb sich zur Gänze} -J'_Ent_

raum eintritt, dividiert durch die Schall- _{]adu um selbst b} ⁵ _{efindet und wobei die den}

geschwindigkeit bei der Betriebstempe- _{Lichtbogen umge}bende lichtdurchlässige Hülle prak-

ratur und bei dem m der Eintrittsstelle _tjsch ^ _von ^e _{Verunreinigungen ble}f_{bt und d} ^P _urch

Herrschenden uruckj, 6_{5 dnen kräftigen w}j_rbelnden Gasstrom gekühlt wird.

Dc — zweimal die kürzeste Entfernung zwischen Wie aus F i g. 1 zu ersehen ist, wird der Licht-

der Mittellinie der Eintrittsöffnungen und bogen 10 zwischen einem Paar voneinander entfernt

der Mittellinie des Entladungsraumes, angeordneter Elektroden 12 und 14 gezündet und

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aufrechterhalten, und zwar mittels leitender Verbin- den Wirbel in seiner Achse, also im Zentrum des dung der beiden Elektroden zu einer Stromquelle 16. Entladungsraums, durchdringen muß. Die darauf Die beiden Elektroden werden durch einen Ent- entstehende Einschnürung des Lichtbogens hat zur ladungsraum 18 voneinander getrennt. Der Ent- Folge, daß eine Erhöhung der Stromstärke auch ladungsraum besteht aus einer Hülle 20 aus licht- 5 eine höhere Intensität des Lichtbogens mit sich bringt, durchlässigem Material, z. B. Quarz. Der Entladungs- im Gegensatz zu einer Vergrößerung des Lichtbogenraum kann auch aus zwei konzentrischen, lichtdurch- querschnittes, die eintreten würde, wenn keine Einlässigen Hüllen bestehen, so daß die Wandung einem schnürung vorhanden wäre.

starken Innendruck besser Widerstand leisten kann. Um einen stark wirbelnden, kalten und dichten

Die Elektroden weisen die Austrittsöffnungen 22 und io Gasstrom zu erzielen, muß das Gas in den Ent-

24 auf, die achsengleich angeordnet sind. ladungsraum mit relativ hoher Geschwindigkeit und

Ein geeignetes Gas wird in den Entladungsraum bei relativ hohen Drücken im Entladungsraum ein-

durch die Elektrode 14 eingeführt, und zwar mittels treten. Bei der vorliegenden Erfindung wird dies auf

einer Anzahl von Einlaßbohrungen 26. Die Zuleitung zwei Wegen erreicht:

des Gases zu diesen Bohrungen erfolgt durch den 15 _{L Durch Einführung des} Gases in einer Weise,

ringförmigen Kanal M und einer Zuführungen- _{welche der oben angeführ}t_en Gleichung ent-

rung30, die gleichfalls in der Elektrode angeordnet spricht und

sind. Die Einlaßbohrungen 26 sind so angeordnet, „,,'■,,,, . , . . ,

daß das Gas tangential zur Innenfläche der Elektrode ²· £««* Aufrechterhaltung eines kritischen Ver-

in den Entladungsraum eingeführt wird. Dies wird ₂o hältnisses zwischen dem Querschnitt des Ent-

noch deutlicher dargestellt in F i g. 2 in der Schnitt- ladungsraumes und der Summe der Querschnitte

darstellung entlang der Linie 2-2 der F i g. 1. Wie ^der Austnttsoffnungen 22 und 24.

hieraus zu ersehen, verläßt das Gas den ringförmigen Dieses Verhältnis der Querschnitte bewirkt nicht

Kanal 28 und tritt durch die Bohrungen 26 in den nur eine kräftige Wirbelung, sondern ermöglicht es

Entladungsraum 18 ein. Die Einlaßbohrung 26a z. B. 25 außerdem, den Vorsprung der Lichtbogen innerhalb

führt das Gas in einer Richtung parallel zur Tan- der Austrittsöffnungen 22 und 24 zu halten. Dies

gente, weiche die Innenfläche S der Elektrode 14 verhindert ein Herumtanzen des Lichtbogens, was

im Punkt T berührt, in den Entladungsraum ein. zu Beschädigungen der Apparatur führen könnte.

Diese Art der Gaseinführung veranlaßt das Gas, Die Verfahrensweise der Einführung des Gases

entlang der Innenfläche 21 der Hülle 20, weiche den 30 entsprechend den Angaben der oben angeführten

Entladungsraum 18 umschließt, entlangzuwirbeln. Gleichung gibt die Sicherheit, daß das System der

Diese Wirbelbewegung des Gases gegen die Innen- Gasführung genügend Bewegungsenergie haben wird, fläche 21 der Hülle 20 kühlt diese so intensiv, daß um einen klar erkennbaren Wirbel in der Mittelachse der sonst bestehenden starken Neigung der Quarz- des Entladungsraumes zu bilden, dort, wo der Lichtröhre entgegengewirkt wird, ihre Eigenschaften in- 35 bogen brennt. Diese Bewegungsenergie, zusammen folge des Zusammenwirkens von hohem Druck in mit dem relativ hohen Gasdruck in dem Entladungsdem Entladungsraum und der Hitze, die durch den raum, ist eine weitere Ursache dafür, daß das Gas sehr intensiven Lichtbogen ausgestrahlt wird, zu relativ dicht und kalt an die Hülle des Entladungsverschlechtern. raumes herankommen wird.

Wenn das wirbelnde Gas sich auf das Ende des 4° Um die Aufrechterhaltung der Bewegungsenergie Entladungsraumes zu bewegt, das den Eintritts- in der wirbelnden Strömung zu verbessern, so daß öffnungen gegenüberliegt, so wird ein Teil desselben ein klar erkennbarer Wirbel in der Achse des Entdurch die Austrittsöffnung 22 austreten, während der ladungsraumes entsteht, wird das Verhältnis der Rest seine Bewegungsrichtung ändert und durch die Querschnittsfläche des Entladungsraumes zur Summe Öffnung 24 austritt. Dieses einzigartige System der 45 der Querschnittsflächen der Austrittsöffnungen 22 Mehrfach-Gasführung hat den Vorteil, eine sehr und 24 zwischen 2 und 40 eingehalten, wobei das reine Strahlungsquelle zu ergeben. Praktisch werden Optimum zwischen 5 und 25 liegt. Wenn die Veralle Verunreinigungen (die vorwiegend von Elek- hältniszahl zu niedrig ist, kann unter Umständen trodenerosion herrühren) durch die Austrittsöffnun- für die aus den einzelnen Einlaßbohrungen ausgen 22 und 24 herausgefegt. Ein kleiner Teil der 5° tretenden Gasströme zu wenig Raum vorhanden Verunreinigungen wandert zu den Enden des Ent- sein, um eine glatt wirbelnde Bewegung herzustellen, ladungsraumes und verbleibt dort. Andererseits, wenn die Verhältniszahl zu groß ist,

Mit dem Gasführungssystem, das durch Betriebs- kann genau das Gegenteil eintreten und damit eine

parameter auf Grund dieser Erfindung hergestellt starke Neigung zu Vorgängen vorhanden sein, die

werden kann, wird eine Verunreinigung der licht- 55 zu Energieverlusten führen und zur Verminderung

durchlässigen Hülle im Gebiet zwischen den beiden der Bewegungsenergie der Wirbelung, wenn sich der

Elektroden wirkungsvoll vermieden. Gasstrom spiralförmig der Achse nähert.

Der wirbelnde Gasstrom wirkt in mindestens zwei- Durch die Verwendung der geschilderten Methode fächer Weise einschnürend auf den Lichtbogen; der Gaseinführung, wobei das Gas nur an einem zunächst bietet das Niederdruckgebiet in der Achse 60 Ende eingeführt wird, und unter Beachtung des vordes Entladungsraumes einen bevorzugten Weg für geschriebenen Verhältnisses der Querschnitte wird die Lichtbogenentladung. Weiter besteht eine an- man eine bemerkenswert klare Lichtbogenstrahl ungsdauernde Bewegung des Gases in Richtung zur quelle erhalten, wobei der Lichtbogen eine Strom-Achse über die ganze Länge des Lichtbogens, und dichte von mindestens 1000 Amp./cm² aufweist, diese Bewegung verhindert die Ausdehnung des 65 Die F i g. 3 und 3 a zeigen bevorzugte Ausfüh-Plasmas durch Wärmeübertragung. Da das Gas, rungen von derartigen Strahlungsquellen, weiche bevor es in den Lichtbogen eintritt, als elektrischer diese Erfindung in die Wirklichkeit umgesetzt haben. Isolator wirkt, so folgert daraus, daß der Lichtbogen In der Zeichnung F i g. 3 wird nur ein Ende des

Gerätes gezeigt, da das andere Ende, mit Ausnahme der Gaseinführungsbohrungen, diesem vollkommen gleich ist. In beiden Figuren weist die Elektrode 32 einen Wolframeinsatz 34 auf, der eine bessere Fußpunktfläche für den Lichtbogen darbieten soll. Die Kühlung der Elektrode erfolgt durch Zuführung von Wasser vom Einlaß 34 durch den Ringraum 38, dann durch den ringförmigen Kanal 40 und weiter durch den Auslaß 42. Die rückwärtige Tragkonstruktion des Gerätes wird gleichfalls mittels durchlaufendem Wasser gekühlt, und zwar vom Einlaß 44 durch den Hohlraum 46, worauf das Wasser durch den ringförmigen Kanal 48 wieder austritt. Ein Meßanschluß 50 ist vorgesehen zur Bestimmung des Gasdruckes, wenn das Gas durch die Öffnung 52 austritt.

Der Entladungsraum 18 wird gebildet durch eine Hülle 20 aus durchsichtigem Material, z. B. Quarz. Das Gas wird diesem Entladungsraum zugeführt vom Einlaß 54 über den ringförmigen Kanal 56 und mehreren Eintrittsbohrungen 58. Die Ausführung der Eintrittsbohrungen 58 wurde bereits bei F i g. 2, betreffend die Einlaßbohrung 26a, beschrieben. Hierdurch wird der Gasstrom in wirbelnde Bewegung gebracht, und er setzt diese Bewegung weiter fort entlang der Innenfläche 21 der Hülle 20. Ein Teil des Gases wird dann durch die Austrittsöffnung der Elektrode am entgegengesetzten Ende des Entladungsraumes austreten. Der größere Teil des restlichen Gases wird seine axiale Bewegungsrichtung an einer Stelle in der Nähe des gegenüberliegenden Endes des Entladungsraumes umdrehen und durch die mittlere Austrittsbohrung 52 austreten. Ein kleinerer Teil des Gases wird sich über die ganze Länge des Lichtbogens in der Richtung auf die Achse des Entladungsraumes bewegen und so zur Einschnürung des Lichtbogens beitragen.

Das vorliegende Gerät sorgt ferner auch für den Ausgleich des in dem Entladungsraum 20 herrschenden Druckes, so daß auch höhere Drücke ohne weiteres angewendet werden können. Dies erfolgt durch Zufuhr von Gas vom Einlaß 60 zu dem ringförmigen Kanal 62, von wo es über die ringförmige Zuleitung 66 in eine zweite zylindrische Kammer 64 eintritt, welche den Entladungsraum 18 umschließt. Ebenso wie der Entladungsraum 18 wird die Kammer 64 von einem Rohr 67 aus durchsichtigem Material, z. B. Quarz, umschlossen. Es besteht hier keine Notwendigkeit, dem Gas eine wirbelnde Bewegung zu erteilen. Es ist daher die Zuleitung 66 nicht für diesen Zweck eingerichtet.

■ Das Gas, welches in die Kammer 64 eintritt, fließt zum anderen Ende der Kammer und verläßt diese dann durch passend angeordnete Auslaßöffnungen (nicht gezeigt). In der gleichen Weise kann Gas zu einer dritten Kammer 68 im Wege der Einlaßöffnungen 70 des ringförmigen Kanals 72 und der Einlaßöffnung 74 zugeführt werden. Verständlicherweise sind diese zusätzlichen Kammern nicht in jedem Falle erforderlich, so daß sie manchmal weggelassen ■werden können. Es kann ferner ein flüssiges Kühlmittel, z. B. destilliertes Wasser, an Stelle von Gas für die Kühlung dieser Kammern verwendet werden.

Um die Beschreibung des Gerätes zu vervollständigen, sei erwähnt, daß die Flansche 76 und 78 vorgesehen sind, um das ganze Gerät an einer Tragkonstruktion festschrauben oder in anderer Weise befestigen zu können.

Bei der praktischen Ausführung dieser Erfindung erwiesen sich gewisse Edelgase (Argon, Xenon und Krypton) als besonders geeignet zur Verwendung als Betriebsgas. Diese Edelgase haben ein hohes Atomgewicht, und dies bietet gute Voraussetzungen für den Elektronenübergang, wie es für eine wirkungsvolle ίο Strahlung erforderlich ist. Bei der praktischen Anwendung des Verfahrens kann sowohl Gleichstrom als auch Wechselstrom Verwendung finden.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung von Strahlungsenergie hoher Intensität, wobei in einem Entladungsraum mit einem lichtdurchlässigen Rohr als Hülle zwischen den an beiden Enden des Rohres befindlichen Elektroden ein Lichtbogen ausgebildet wird, wobei ein Gas zur Wirbelbewegung tangential dem Entladungsraum zugeführt wird und wobei das Gas dann durch axial in den Elektroden liegende Austrittsöffnungen aus dem Entladungsraum austritt, dadurchgekennzeichnet, daß das Gas durch mehrere ringförmig angeordnete Eintrittsöffnungen in einen ringförmigen Bereich zwischen einer in den Entladungsraum ragenden Elektrode und der Hülle unter Bedingungen strömt, die der Gleichung

Da

Vt

■ > 0,25

entsprechen, wobei

Mi = Machzahl der Einlaßströmung (Geschwindigkeit des Gases, das in den Entladungsraum eintritt, dividiert durch die Schallgeschwindigkeit bei der Betriebstemperatur und bei dem in der Eintrittsstelle herrschenden Druck),
B₀ — zweimal die kürzeste Entfernung zwischen der Mittellinie der Eintrittsöffnungen und der Mittellinie des Entladungsraumes,
D_s = Innendurchmesser des Rohres, welches

die Elektroden umgibt,

J Vt I = Geschwindigkeit des Gases, welches aus den Eintrittsöffnungen in den Entladungsraum einströmt,

J Vp I = Größe der auf der Achse des Entladungsraumes senkrecht stehenden Komponente der Gasgeschwindigkeit Vt ■

ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Austritt des Gases aus dem Entladungsraum durch die Austrittsöffnungen in der Weise erfolgt, daß das Verhältnis der Querschnittsfläche des Entladungsraumes zu der Summe der Querschnittsflächen der Austrittsöffnungen zwi^ sehen 2 :1 und 40:1, bevorzugt zwischen 5 : 1 und 25 :1, liegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen