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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Plasma in
einer Vakuumkammer mit Hilfe von elektromagnetischen Wechselfeldern,
wobei ein stabförmiger
Leiter innerhalb eines Rohres aus isolierendem Werkstoff sich in
die Vakuumkammer erstreckt und der Innendurchmesser des Isolierrohres
größer als
der Durchmesser des Leiters ist, wobei das Isolierrohr zumindest
an einem Ende in der Wand der Vakuumkammer gehalten und gegenüber deren
Außenfläche abgedichtet
ist und der Leiter zumindest an einem Ende jeweils an eine Quelle
zur Erzeugung der elektromagnetischen Wechselfelder angeschlossen
ist.
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Eine
bekannte Vorrichtung zur Erzeugung von Plasma (
DE 195 03 205 C1 ) ermöglicht es,
in einem begrenzten Betriebsbereich (Prozeßbereich, Gasdruck, Mikrowellenleistung)
Plasmen für
Oberflächenbehandlun gen
und Beschichtungstechnik zu erzeugen. Die bekannte Vorrichtung besteht
im wesentlichen aus einem in einer Vakuumprozeßkammer installierten zylindrischen
Glasrohr und einem darin befindlichen metallisch leitenden Rohr,
wobei im Innenraum des Glasrohrs Atmosphärendruck herrscht. Mikrowellenleistung
wird beidseitig durch zwei Einspeisungen und zwei metallische Koaxialleitungen, bestehend
aus Innenleiter und Außenleiter,
durch die Wände
der Vakuumprozeßkammer
eingeleitet. Der fehlende Außenleiter
der Koaxialleitung innerhalb der Vakuumprozeßkammer wird durch eine Plasmaentladung
ersetzt, die bei hinreichenden Zündbedingungen
(Gasdruck) durch die Mikrowellenleistung gezündet und aufrechterhalten wird,
wobei die Mikrowellenleistung aus den beiden metallischen Koaxialleitungen
und durch das Glasrohr in die Vakuumprozeßkammer austreten kann. Das
Plasma umschließt das
zylinderförmige
Glasrohr von außen
und bildet zusammen mit dem Innenleiter eine Koaxialleitung mit
sehr hohem Dämpfungsbelag.
Bei feststehender, beidseitig eingespeister Mikrowellenleistung
kann der Gasdruck der Vakuumprozeßkammer so eingestellt werden,
daß das
Plasma augenscheinlich gleichmäßig entlang
der Vorrichtung dort brennt, wo innerhalb der Vakuumprozeßkammer
der Außenleiter
der Koaxialleitung fehlt.
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Bekannt
ist eine Vorrichtung für
die Sterilisation mittels Plasma (
WO 95/26121 A1 ). Diese Vorrichtung besitzt
eine Sterilisationskammer und eine Einrichtung zum Erzeugen von
Plasma. Ferner weist die Vorrichtung eine Quelle für ein Gasgemisch
auf und einen Einlass für
die Gasmischung. Weiterhin vorgesehen ist eine Kammer zur Erzeugung
eines Plasmas aus der Gasmischung, wobei diese Kammer einen Gasauslass
besitzt, der mit der Sterilisationskammer in Verbindung steht.
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Des
Weiteren sind eine Quelle sowie ein Verfahren zur Erzeugung von
hochdichtem Plasma bekannt (
US
5 397 962 A ). Die Quelle besitzt eine Kammer für die Erzeugung
von Plasma, die über
Gaseinlässe
verfügt.
Um die Kammer für
die Erzeugung des Plasmas ist ein, Magnet angeordnet, der ein axiales Magnetfeld
in der Kammer erzeugt. Mehrere Rahmen antennen sind in der Kammer
angeordnet, um ein zweites Magnetfeld zu erzeugen, wobei dieses zweite
Magnetfeld induktiv mit dem Plasma gekoppelt ist. Dabei sind die
Rahmenantennen derart angeordnet, dass das zweite Magnetfeld relativ
zum axialen Magnetfeld und der Kammer zur Erzeugung des Plasmas
rotiert.
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Ferner
ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von Plasma in einem Unterdruckbehälter mit
Hilfe von elektromagnetischen Wechselfeldern bekannt (
DE 196 28 949 A1 ). Dabei
ist ein stabförmiger
Leiter innerhalb eines Rohres aus isolierendem Werkstoff durch den
Unterdruckbehälter
geführt,
wobei der Innendurchmesser des Rohres größer als der Durchmesser des
Leiters ist, wobei das Rohr an beiden Enden durch Wände des
Unterdruckbehälters
gehalten und gegenüber
den Wänden
an seiner Außenfläche abgedichtet
ist. Der Leiter ist dabei an beiden Enden an Quellen zur Erzeugung
der elektromagnetischen Wechselfelder angeschlossen. Mehrere aus
je einem stabförmigen
Leiter und einem Rohr bestehende Vorrichtungen sind in dem Unterdruckbehälter angeordnet.
Es ist zur Zuführung
der elektromagnetischen Wechselfelder zu den Leitern mehrerer jeweils
nebeneinander liegender Rohre an jeweils einem der Enden ein Verteiler
mit einem Eingang, mit sich verzweigenden Koaxialleitungen und mit
Ausgängen vorgesehen,
die jeweils mit einem Leiter verbunden sind.
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Bekannt
ist weiterhin eine Vorrichtung zur lokalen Erzeugung eines Plasmas
in einer Behandlungskammer mittels Mikrowellenanregung (
DE 41 36 297 A1 ),
die durch einen in eine Wand einbaubaren Flansch oder die Wand selbst
in einen äußeren und
einen inneren Teil unterteilt ist, wobei am äußeren Teil eine Mikrowellen-Erzeugungseinrichtung
angeordnet ist, deren Mikrowellen über eine Mikrowellen-Einkoppeleinrichtung
zum inneren Teil hingeführt werden,
wobei die Mikrowellen-Einkoppeleinrichtung einen durch den Flansch
hindurchführenden äußeren Führungshohlleiter
aus isolierendem Material aufweist, in dem ein Innenleiter aus Metall
verläuft,
wobei die Mikrowellen von der Mikrowellen-Erzeugungseinrichtung in den Innenleiter
eingekoppelt werden.
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Die
vorliegende Erfindung geht von der Erzeugung großflächiger, technischer, mit hochfrequenten
elektromagnetischen Wellen (insbesondere Mikrowellen) geheizter
Plasmen für
die Beschichtung oder Behandlung von Oberflächen aus.
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Prinzipiell
können
Plasmaprozeßsysteme, deren
Plasmen mit hochfrequenten elektromagnetischen Wellen erzeugt und
unterhalten werden und für
die gilt, daß die
Wellenlängen
der Wellen in etwa so groß sind
wie die linearen Abmessungen der Plasmaentladungsgefäße, in zwei
Klassen eingeteilt werden: resonante und nicht resonante Systeme,
die beide im allgemeinen inhärente,
komplementäre
Vorteile und Nachteile besitzen.
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1. Resonante Systeme
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Vorteil:
Durch die Bildung stehender Wellen erfährt das elektrische Wechselfeld
eine Amplitudenerhöhung
bis hin zum doppelten Wert einer fortlaufenden Welle gleicher Leistung.
Dies führt
i. a. zur oft gewünschten
Erhöhung
der Plasmadichte und der Elektronentemperatur in Plasmen und der
damit verbundenen Geschwindigkeitserhöhung von Plasmaprozessen. Das
bedeutet im Idealfall eine Verdoppelung der Leistungsfähigkeit
eines resonanten Systems gegenüber
einem nicht resonanten bei gleicher eingespeister elektromagnetischer
Leistung.
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Nachteil:
Mit der Ausbildung stehender Wellen sind i. a. unerwünschte,
zeitlich stabile, periodische Schwankungen (mit halber Wellenlänge) der örtlichen
Plasmaprozeßgleichmäßigkeit
verbunden. Insbesondere wenn die Grundresonanz oder eine der ersten
Oberschwingungen benutzt werden sollen, kann die Abstimmung des
Senders auf die Struktur nicht unerheblichen technischen Aufwand
erfordern.
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2. Nicht resonante Systeme
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Vorteil:
Die Verwendung von Systemen mit fortlaufenden Wellen zeigt keine
periodische Schwankungen in der Plasmaprozeßgleichmäßigkeit, da es im Idealfall
nicht zur Ausbildung von Stehwellenfeldern kommt. Technischer Aufwand
für eine resonante
Abstimmung entfällt.
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Nachteil:
Die für
die Effizienz von Plasmaprozessen wichtige Feldstärke der
elektrischen Wechselfelder kann i. a. nicht über den voreingestellten Wert
hinaus gesteigert werden. Es muß durch
optimale Leistungsabsorption sichergestellt werden, daß keine
Stehwellenfelder entstehen können.
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Es
besteht generell der Wunsch, die Vorteile von beiden Funktionsprinzipien
in einer technischen Lösung
unter Vermeidung der damit verbundenen Nachteile zu vereinigen.
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Es
liegt in der komplementären
Natur des Gegenstandes, daß dieses
Problem generell nicht, in einigen Spezialfällen jedoch lösbar ist.
Für das grundlegende
Funktionieren von Plasmaquellen, die mit hochfrequenten elektromagnetischen
Wechselfeldern betrieben werden, ist die angestrebte Lösung i.
a. nicht entscheidend, denn derzeitige Plasmaquellen dieser Art
basieren auf jeweils einem der beiden Prinzipien. Die angestrebte
ideale Kombination beider Prinzipien führt nicht zu einer neuartigen
technischen Lösung,
sondern verbessert in bestimmten Fällen die Ausnutzung der von
Hochfrequenzsendern an die Plasmaquelle abgegebenen Leistung und
wird zusätzlich
zu einer merkbaren Erhöhung von
Plasmadichten und -temperaturen bei großflächigen Anwendungen führen.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Plasmaquellen, deren Hochfrequenzleitungs-
und deren Leistungsübertragungsstruktur
an die Plasmen dem Prinzip der Leitungswellen zugeordnet werden
können.
Diese Wellen haben i. a. vernachlässigbar geringe elektrische
oder magnetische Komponenten in Wellenausbreitungsrichtung, sind
also näherungsweise
transversale elektromagnetische Wellen (TEM). (Die Erfindung betrifft
jedoch keine Wellenleitungsstrukturen, die auf dem Prinzip der transversal elektrischen
oder transversal magnetischen Hohlleiterwellen (TE oder TM) basieren.)
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Planare
Plasmaquellen, deren Funktionsweise auf dem Patent
DE 195 03 205 C1 und/oder
der Offenlegungsschrift
DE
41 36 297 A1 beruhen, haben sich bereits im Einsatz sehr
gut bewährt
und zeigen im Betrieb Eigenschaften, die sie sehr für die Verwendung
in Produktionsanlagen empfehlen. Die maßgebliche Wellenleitungsstruktur
zur Übertragung von
Hochfrequenzleistung auf die Plasmaentladung besteht in diesen Plasmaquellen
aus einer Anzahl parallel angeordneter Koaxialleitungen, deren Innenleiter
aus elektrisch leitfähigen
Material (Metall) und deren Außenleiter
aus zylindrisch geformtem Plasma besteht.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen besonders
leistungsfähige
Vorrichtung der in frage stehenden Art unter Zugrundele gung der
beiden oben erwähnten
Funktionsprinzipien zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß der
stabförmige
Leiter in Richtung auf sein freies Ende zu von einem Außenleiter
umschlossen ist, der sich vom Generator bis zur Innenwandfläche erstreckt,
wobei im Bereich der Wanddurchführung
der mit dem Generator verbundene stabförmige Leiter und der diesen
umschließende Außenleiter
mit einem eine Umwegleitung bildenden Abzweig versehen sind, wobei
mit dieser Umwegleitung ein zweiter, von einem zweiten Isolierrohr
umschlossener, zum ersten Isolierrohr paralleler, sich in die Vakuumkammer
erstreckender stabförmiger
Leiter verbunden ist, wobei die Länge der Umwegleitung λ/2 beträgt.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform,
bei der das Isolierrohr an beiden Enden in der Wand der Vakuumkammer
gehalten und gegenüber
dieser an seiner Außenfläche abgedichtet
ist und der stabförmige
Leiter mit beiden Enden an Generatoren zur Erzeugung der elektromagnetischen
Wechselfelder angeschlossen ist, wobei jeweils beide Enden des stabförmigen Leiters
von Außenleitern
umschlossen sind und sich jeweils vom Generator bis zur jeweiligen
Innenwandfläche
erstrecken, sind im Bereich der Wanddurchführungen des mit den Generatoren
verbundenen stabförmigen
Leiters und die diesen umschließenden
Außenleiter
jeweils mit einem eine Umwegleitung bildenden Abzweig versehen,
wobei mit diesen Umwegleitungen ein zweiter, von einem zwei ten Isolierrohr
umschlossener, zum ersten Isolierrohr paralleler, sich durch die
Vakuumkammer erstreckender stabförmiger
Leiter verbunden ist, wobei die Länge der Umwegleitungen jeweils λ/2 beträgt.
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Weitere
Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus den Patentansprüchen.
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Die
Erfindung läßt die verschiedensten
Ausführungsmöglichkeiten
zu; einige davon sind in den anhängenden
Zeichnungen rein schematisch dargestellt, und zwar zeigen:
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1 die
elektrischen Felder von zwei Anordnungen von stabförmigen,
von Isolierrohren umschlossenen Leiterpaaren, und zwar bei gleichphasigem
und bei gegenphasigem Betrieb,
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2 eine
Vorrichtung zur Erzeugung von Plasma in einer Vakuumkammer mit einem
Generator, einem Abzweig und zwei in die Vakuumkammer hineinragenden
stabförmigen
Leitern mit diese umschließenden
Quarzröhren,
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3 eine
Vorrichtung zur Erzeugung von Plasma mit zwei Generatoren, zwei
Abzweigungen und zwei sich von Wand zu Wand erstreckenden Leitern
mit diesen umschließenden
Quarzröhren
und
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4 eine
Verzweigungseinheit für
die Spannungserhöhung
zwischen jeweils zwei Doppelvorrichtungen.
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Die
Erfindung ermöglicht
die Anordnung von mindestens zwei Vorrichtungen in näherungsweise paralleler
Ausrichtung, die mit Hochfrequenzleistung gleicher Frequenz gespeist
werden, die in zeitlich fester Phasenbeziehung zueinander stehen.
Dies kann auf zwei Arten erreicht werden, indem jede Vorrichtung
mit individuellen, aber phasengekoppelten Hochfrequenzsendern gleicher
Frequenz betrieben wird, oder die Vorrichtungen werden von einem
einzigen Hochfrequenzsender gespeist, dessen Gesamtleistung über eine
Anzahl von Leistungsteilern auf die Vorrichtungen phasengleich verteilt
werden, wobei letztere Möglichkeit
besonders kostengünstig
ist. Soweit Vorrichtungen nach der
DE 195 03 205 C1 betroffen sind, bezieht
sich die Forderung der phasenfesten Einspeisung von Hochfrequenzwellen
nur jeweils auf eine Seite von mindestens zwei Vorrichtungen (parallel),
nicht jedoch auf zweiseitig eingespeiste, entgegenlaufende Wellen
(antiparallel).
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Werden
zwei parallel angeordnete Vorrichtungen mit phasenfester Hochfrequenzleistung
gleicher Frequenz betrieben und ist der Phasenwinkel 2·n·π (wobei n
= 0, 1, 2, ...), also "gleichphasig", so ergibt sich,
wie 1 zeigt, eine Verteilung des elektrischen Feldes
der Wellen zu einem festen Zeit punkt im Querschnitt. Der größte elektrische
Spannungswert ist V, im Bezug zu irgendeinen Punkt innerhalb oder
außerhalb
der Vorrichtungen. Wird die Doppelvorrichtung jedoch mit phasenfester
Hochfrequenzleistung gleicher Frequenz betrieben und ist der Phasenwinkel
(2·n
+ 1)·π (wobei n
= 0, 1, 2, ...), also "gegenphasig", so ergibt sich
eine Verteilung des elektrischen Feldes der Wellen zu einem festen
Zeitpunkt im Querschnitt wie 1b zeigt.
Der größte elektrische
Spannungswert ist 2·V
zwischen den beiden Leitern, also doppelt so hoch im ersten Fall.
Dieser Sachverhalt gilt unabhängig
davon, ob die Vorrichtungen mit fortlaufenden oder stehenden Wellen
betrieben werden.
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Für die Erzeugung,
Aufrechterhaltung und Intensität
der Plasmaentladung ist die Erhöhung
der elektrischen Spannung von großer Bedeutung. Zum einen kann
durch die Spannungserhöhung
der Betriebsgasdruckbereich der Plasmaquelle erweitert werden, zum
anderen kann die notwendige Hochfrequenzleistung bei vorgegebenen
Betriebsbedingungen in Plasmaquellen reduziert werden.
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In
einer besonders interessanten Ausführung der Plasmaquelle, die
sich aus mehreren, parallel in einer gemeinsamen Ebene angeordneten
Vorrichtungen zusammensetzt, kann die Spannungserhöhung in
einer Art erreicht werden, wie sie in 2 angedeutet
ist. Die rein schematisch dargestellte Vorrichtung besteht in dieser
Ausführungsform
aus den beiden in die Vakuumkammer 3 hineinragenden, druckdicht
an der Kammerwand 6 befestigten Isolierrohren 5, 14 mit
den sich koaxial zu ihnen erstreckenden stabförmigen Leitern 4, 15,
dem den stabförmigen
Leiter 4 umschließenden,
zwischen Generator 8 und der Innenwand 6 vorgesehenen
Außenleiter 12 in
Gestalt eines Metallrohres oder Metallschlauches und dem Abzweig
bzw. der Umwegleitung 13, dessen einer Ast die Länge λ/2 aufweist.
Die Grundlage für die
Spannungserhöhung
bildet ein sogenannter BALUN Transformator in koaxialer Bauform.
Ein BALUN (engl. BALanced-UNbalanced) ist ein Bauteil, das eine
unsymmetrische Leitung in eine symmetrische umsetzt. (Zinke, O.,
Brunswig, H.: Lehrbuch der Hochfrequenztechnik, Band 1, Springer
Verlag, 1973, Seite 100–111
und Johnson, Richard C.: Antenna Engineering Handbook, 3rd Edition, McGraw-Hill Verlag, 1993, Seite 43–23 bis
43–27.)
Die Leistung, mit den Spitzenwerten I für Strom und V für Spannung
gekennzeichnet, wird für
je eine Doppelvorrichtung über
die unsymmetrische Leitung, eine Koaxialleitung bestehend aus einem
Innenleiter und einem auf Erdpotential befindlichen Außenleiter,
zugeführt
und an einer T-Verzweigung am Punkt P1 im Verhältnis 1:1
geteilt. Die maximale Spannung in der unsymmetrischen Leitung ist
gleich V und die Ströme haben
auf den Innenleitern der Doppelvorrichtung jeweils die Werte I/2.
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Das
wesentliche Merkmal der Erfindung in der vorliegenden Ausführung ist
der λ/2
Phasenschieber, in der speziellen Ausführung also das koaxiale Leitungsstück zwischen
den Punkten P1 und P2, das
die Wellen des einen Verzweigungsastes gegenüber dem anderen zusätzlich zurücklegen
müssen und
das nahezu oder gleich der halben Wellenlänge bei der Designfrequenz
sein soll. Da die Phasenfronten beider Verzweigungsäste jeweils
gleichzeitig am Punkt P1 starten, ergibt
sich bei Wegfall der Außenleiter
der koaxialen Leiter der Verzweigungsäste, also bei direkter Wechselwirkung
der beiden Innenleiter miteinander, z. B. an den Stellen P3–P4 (Verbindungslinie senkrecht zur Längsachse
der Vorrichtung), eine Phasenverschiebung der Wellen gegeneinander
um eine halbe Wellenlänge
(umgekehrte Fließrichtung
der Ströme
relativ zueinander), so daß die
Spannung zwischen den beiden Leitern (+V bis –V, s. 1 rechts)
2·V beträgt. Würden die
Wellen des einen Verzweigungsastes keine "Verzögerung" erfahren, wären die
Wellen beider Verzweigungsäste in
Phase (+V bis +V, s. 1 links) und eine Spannungserhöhung würde nicht
erreicht.
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Die
notwendige Phasenverschiebung zwischen den beiden Verzweigungsästen kann
auch durch eine dielektrisch belastete Leitung in einem der Verzweigungsäste oder
andere geeignete Maßnahmen
erreicht werden.
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Die
in 3 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich
von derjenigen nach 2 dadurch, daß die beiden
stabförmigen
Leiter 7, 26 vollständig durch die Vakuumkammer 9 hindurchgeführt sind,
wobei die die Leiter 7, 26 umschließenden Isolierrohre 16, 25 jeweils
mit beiden Enden druckfest mit den einander gegenüberliegenden
Innenwände 22, 22a verbunden
sind. Der stabförmige
Leiter 7 ist mit beiden enden mit Generatoren 18, 19 verbunden, wobei
jeweils in den Leitungsabschnitten zwischen Generator 18 bzw. 19 und
der Innenwand 22 bzw. 22a der Vakuumkammer 9 Abzweige
vorgesehen sind, die die notwendigen Umwegleitungen 23, 26 zum
zweiten stabförmigen
Leiter 26 bilden. Diese Abzweige sind entsprechend der
in 2 dargestellten Ausgestaltung mit Außenleitern 20, 21 versehen,
die sich jeweils von den Generatoren 18 bzw. 19 bis
zur jeweiligen Kammerinnenwand 22 bzw. 22a erstrecken.
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4 zeigt
eine Ausführung,
bei der die Spannungserhöhung
zwischen je zwei Doppelvorrichtungen bei einem Betrieb mit 4 Vorrichtungen
mit einem Hochfrequenzsender erreichbar ist.
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Werden
die Vorrichtungen so betrieben, daß sich Stehwellen entlang der
Vorrichtungen ausbilden können
(insbesondere wenn die Wellenlängen
erheblich kleiner sind als die Abmessungen des Plasmaentladungsgefäßes, z.
B. Mikrowellen), so kann die elektrische Spannung auf den vierfachen
Wert gegenüber
einer mit gleichphasigen Wellen angeregten Mehrfachvorrichtung erhöht werden.
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- 3
- Vakuumkammer
- 4
- stabförmiger Leiter
- 5
- Rohr,
Isolierrohr
- 6
- Kammerwand
- 6a
- Innenwandfläche
- 7
- stabförmiger Leiter
- 8
- Quelle,
Generator
- 9
- Vakuumkammer
- 10
- Wanddurchführung
- 11
- freies
Ende
- 12
- Außenleiter
- 13
- Umwegleitung
- 14
- Isolierrohr
- 15
- stabförmiger Leiter
- 16
- Isolierrohr
- 17
- Kammerwand
- 17a
- Kammerwand
- 18
- Quelle,
Generator
- 19
- Quelle,
Generator
- 20
- Außenleiter
- 21
- Außenleiter
- 22
- Innenwandfläche
- 22a
- Innenwandfläche
- 23
- Umwegleitung
- 24
- Umwegleitung
- 25
- Isolierrohr