DE19816377A1 - Verfahren zur Erzeugung von Entladungen zwischen wenigstens zwei Elektroden sowie Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens - Google Patents
Verfahren zur Erzeugung von Entladungen zwischen wenigstens zwei Elektroden sowie Vorrichtung zur Durchführung eines solchen VerfahrensInfo
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Abstract
Das Verfahren dient zur Anregung von Entladungen zwischen zwei Elektroden, von denen eine mit einer isolierenden Schicht versehen ist, wobei zwischen den Elektroden Hochspannungsimpulse angelegt werden. DOLLAR A Um das Verfahren und eine Vorrichtung zu ihrer Durchführung so auszubilden, daß ohne Zusatzeinrichtungen zur Vorionisierung die Ausbildung räumlich sehr homogener, gepulst betriebener Barriereentladungen bei weitgehend freier Wahl des Pulsabstandes ermöglicht wird, sind die Hochspannungsimpulse Teile von Impulspaketen, die jeweils einen Vorimpuls aufweisen, der vom Hochspannungsimpuls vorangestellt ist. Die Vorrichtung, die zwei Elektroden mit einem Entladungsraum aufweist, in dem sich ein Gasvolumen befindet, und die eine Ansteuerschaltung aufweist, erzeugt vor einem Hochspannungsimpuls eines Impulspaketes einen Vorimpuls. DOLLAR A Die Vorrichtung zeichnet sich durch einen einfachen konstruktiven Aufbau aus.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anregung von Entladungen
zwischen wenigstens zwei Elektroden nach dem Oberbegriff des An
spruches 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen
Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruches 10.
Wird zwischen zwei Elektroden, von denen mindestens eine mit einer
isolierenden Schicht bedeckt ist, eine Wechselspannung angelegt, so
entsteht bei Erreichen der Zündfeldstärke im Gas zwischen den
Elektroden eine dielektrisch behinderte Entladung. Der Stromkreis
wird dabei durch den Verschiebungsstrom in den dielektrischen
Schichten geschlossen. Bei Gasdrücken oberhalb einiger Hundert
hPa und Elektrodenabständen im Bereich einiger Millimeter bis Zen
timeter teilt sich die Entladung in einzelne Filamente mit Fußpunkt
durchmessern von einigen Millimetern auf. Die Lebensdauer dieser
Mikroentladungen beträgt nur einige Nanosekunden. Bei näherungs
weise sinusförmigem Verlauf der angelegten Wechselspannung tre
ten die Filamente zeitlich und räumlich statistisch verteilt auf, jeweils
nachdem lokal die Durchbruchsfeldstärke überschritten und die
Durchbruchszeit verstrichen ist.
Wird das Wechselspannungssignal durch Hochspannungsimpulse mit
einer Anstiegszeit unterhalb der Durchbruchszeit der Mikroentladun
gen ersetzt, so zünden die Filamente im gesamten Entladungsvolu
men nahezu gleichzeitig. Jedes Filament weist einen nur sehr kleinen
Fußpunkt auf, der zu einem räumlich sehr homogenen Erscheinungs
bild der Entladung führt. Die mittleren Energien der im Filament er
zeugten Elektronen sind zudem höher als bei Filamenten mit größe
ren Fußpunkten. Dieser Zustand wird bei vielen Anwendungen der
Barrierenentladung angestrebt. Beispiele sind die Anregung von la
seraktiven Medien, die Anregung von Excimergasgemischen zur Er
zeugung nahezu monochromatischer kurzwelliger Strahlung sowie
die Erzeugung von Plasmen zur Behandlung von Abgasen in statio
nären oder mobilen Anlagen.
Neben dem steilen Spannungsanstieg ist eine ausreichende Vorioni
sierung des Gases zum Zeitpunkt des Hochspannungsimpulses eine
weitere Voraussetzung zur Erzielung der gewünschten Entladungs
homogenität. Als technische Möglichkeiten stehen hierfür beispiels
weise die Vorionisierung durch UV-Licht, Röntgen- oder Elektronen
strahlen zur Verfügung. Die letztgenannte Möglichkeit wird beispiels
weise in TEA-CO2-Lasern häufig genutzt. Nachteilig ist jeweils der
nicht unbeträchtliche technische Aufwand, der zur gleichmäßigen
Vorionisierung des gesamten Entladungsvolumens erforderlich ist.
Es ist eine Vorrichtung bekannt, bei der Hochspannungsimpulse er
zeugt werden. Fig. 1 zeigt ein Impulsenergie-Zeit-Diagramm unter
Verwendung dieser Vorrichtung. Die jeweiligen Hochspannungsim
pulse 1 führen zu einer Erhöhung der Ladungsträger im Gasvolumen.
In Fig. 1 ist die Ladungsträgerdichte mit einer gestrichelten Linie ge
kennzeichnet. Nach Erzeugung des Hochspannungsimpulses 1 sinkt
die Ladungsträgerdichte, bis ein erneuter Hochspannungsimpuls 1
erzeugt wird. Die nach dem jeweils vorangegangenen Hochspan
nungsimpuls im Gasvolumen verbleibenden Ladungsträger werden
zur Erzielung einer homogenen Barrierenentladung genutzt. Aus der
für eine optimale Homogenisierung erforderlichen Ladungsträger
dichte und dem insbesondere durch Gaszusammensetzung und Gas
druck bestimmtem zeitlichen Abfall dieser Größe folgt ein eng be
grenzter Bereich für den erlaubten zeitlichen Abstand T1 der Hoch
spannungsimpulse 1. Da die Impulsenergie E bezüglich der ge
wünschten Entladungseigenschaften zu optimieren ist, ist die mittle
re, in das Entladungsvolumen eingekoppelte elektrische Leistung
P = E/T1 ebenfalls festgelegt. Eine unabhängige Optimierung von Im
pulsenergie und Impulsabstand, die beispielsweise zur Optimierung
des Schadstoffabbaues in Entladungen zur Abgasbehandlung oder
zur Maximierung der Verstärkung von Lasermedien wünschenswert
wäre, ist somit nicht möglich. Wird beispielsweise beim Einsatz ge
pulster Excimer-Strahlungsquellen in der Druckindustrie eine Syn
chronisation der Entladungsvorgänge mit dem zeitlich stark variie
renden Papiervorschub gefordert, so ist eine Vorionisierung des Gas
volumens durch die verbliebenen Ladungsträger des jeweils vorheri
gen Hochspannungsimpulses 1 nicht zuverlässig möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße
Verfahren und die gattungsgemäße Vorrichtung so auszubilden, daß
ohne Zusatzeinrichtungen zur Vorionisierung die Ausbildung räumlich
sehr homogener, gepulst betriebener Barrierenentladungen bei weit
gehend freier Wahl des Pulsabstandes ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird beim gattungsgemäßen Verfahren erfindungsge
mäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 und bei
der gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß mit den kenn
zeichnenden Merkmalen des Anspruches 10 gelöst.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird dem Hochspannungsimpuls
jedes Impulspaketes ein Vorimpuls vorgeschaltet. Mit ihm werden zu
nächst nur wenige, statistisch über dem Entladungsvolumen verteilte
Barrierenentladungen erzeugt. Dadurch wird eine optimale Vorioni
sierung des Gasvolumens ermöglicht, so daß zum Zeitpunkt des
nachfolgenden Hochspannungsimpulses eine homogene räumliche
Ladungsträgerverteilung erreicht ist. Dadurch wird eine hervorragen
de Entladungshomogenität erreicht. Zur Erzeugung der Vorimpulse
sind Zusatzeinrichtungen nicht erforderlich. Die erfindungsgemäße
Vorrichtung zeichnet sich somit durch einen einfachen konstruktiven
Aufbau aus.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren An
sprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Die Erfindung wird anhand eines in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 ein Impulsenergie-Zeit-Diagramm einer bekannten Ho
mogenisierung einer Barrierenentladung,
Fig. 2 ein Impulsenergie-Zeit-Diagramm einer erfindungsgemä
ßen Homogenisierung einer Barrierenentladung,
Fig. 3 in schematischer Darstellung eine Impulsspannungs
quelle an einer Barrierenentladung.
Die Vorrichtung zur Homogenisierung gepulster Barrierenentladun
gen ist hinsichtlich ihres konstruktiven Aufbaus grundsätzlich bekannt
und wird darum nur kurz beschrieben. Die Vorrichtung hat zwei Elek
troden 4, 5 (Fig. 3), von denen mindestens eine mit einer isolieren
den Schicht 6, 7 (Dielektrikum) bedeckt ist. Zwischen den beiden
Elektroden 4, 5 werden Hochspannungsimpulse angelegt die vor
zugsweise eine hohe Flankensteilheit haben. Die Elektroden befinden
sich in einem Entladeraum 8, der mit Gas oder einem Gasgemisch
gefüllt ist. Beim Anlegen der Hochspannungsimpulse zwischen den
Elektroden 4, 5 entsteht zwischen den Elektroden 4, 5 im Entlade
raum 8 eine dielektrisch behinderte Entladung.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Betrieb gepulster Bar
rierenentladungen wird jedem Hochspannungsimpuls 1 (Fig. 2) ein
Vorimpuls 2 vorangestellt. In Fig. 2 ist die Impulsenergie gegen die
Zeit einer Barrierenentladung aufgetragen. Die Energie des Vorim
pulses 2 ist deutlich niedriger als die Energie des Hauptimpulses 1.
Die Energie des Vorimpulses 2 kann selbstverständlich auch höher
sein, als in Fig. 2 angegeben ist. Ist die Energie des Vorimpulses 2
jedoch deutlich niedriger als diejenige des Hauptimpulses 1, werden
zunächst nur wenige, statistisch über dem Entladungsvolumen der
Vorrichtung verteilte Barrierenentladungen erzeugt. Die Entladung
teilt sich somit in einzelne Filamente auf. Die in diesen Filamenten
entstehenden Ladungsträger diffundieren in der Zeitspanne ΔT bis
zur Einspeisung des Hauptimpulses in das Entladungsvolumen, d. h.
in das Gas oder das Gasgemisch im Entladungsraum. In Fig. 2 ist
durch eine gestrichelte Linie die Ladungsträgerdichte im Entladungs
volumen angegeben. Zu Beginn des ersten Vorimpulses 2 befinden
sich im Entladungsvolumen noch keine Ladungsträger. Durch den
Vorimpuls 2 werden die Barrierenentladungen erzeugt, so daß die
Ladungsträgerdichte ansteigt, wie die gestrichelte Linie in Fig. 2 er
kennen läßt. Die Größe der Zeitspanne ΔT wird so optimiert, daß ei
nerseits zum Zeitpunkt des nachfolgenden Hauptimpulses 1 eine
möglichst homogene räumliche Ladungsträgerverteilung im Entla
dungsvolumen erreicht ist, andererseits die Konzentration der La
dungsträger noch nicht durch Rekombinationsprozesse zu stark ab
genommen hat. Je nach Gas bzw. Gasgemisch im Entladeraum wird
die Impulsenergie der Vorimpulse 2 sowie der Zeitabstand ΔT zwi
schen dem Vorimpuls 2 und dem Hauptimpuls 1 optimiert. Diese Op
timierung kann vom Anwender ohne Probleme einfach vorgenommen
werden.
In Fig. 2 ist der optimale Bereich 3 der Ladungsträgerdichte mit zwei
punktierten Linien angegeben. Die gestrichelte Linie in Fig. 2, welche
die Ladungsträgerdichte angibt, läßt erkennen, daß die Ladungsträ
gerdichte zwischen dem Vorimpuls 2 und dem nachfolgenden Haup
timpuls 1 nur wenig abnimmt, so daß die gewünschte homogene
räumliche Ladungsträgerverteilung zum Zeitpunkt des Hauptimpulses
1 gewährleistet ist. Während des Hauptimpulses 1 nimmt die La
dungsträgerdichte sehr stark zu und fällt in der Zeit zwischen dem
Hauptimpuls 1 und einem nachfolgenden weiteren Vorimpuls 2 wie
der ab. Durch den Vorimpuls 2 wird eine optimale Vorionisierung des
Gasvolumens im Entladeraum für den nachfolgenden Hauptimpuls 1
gewährleistet.
Der zeitliche Abstand T2 zwischen aufeinanderfolgenden Vorimpulsen
2 ist größer als der zeitliche Abstand T1 zwischen aufeinanderfolgen
den Impulsen bei der herkömmlichen Barrierenentladung gemäß Fig.
1. Der Pulsabstand T2 kann weitestgehend frei gewählt werden, wo
bei ohne Zusatzeinrichtungen zur Vorionisierung die Ausbildung
räumlich sehr homogener, gepulst betriebener Barrierenentladungen
ermöglicht wird.
Bei einigen Anwendungen, beispielsweise der Oberflächenmodifizie
rung durch die Strahlung eines Excimerstrahlers, ist es auch möglich,
Impulspakete einzusetzen. Jedes Impulspaket besteht in diesem Fall
aus dem Vorimpuls 2 und mehreren nachfolgenden Hauptimpulsen 1.
Auch bei einer solchen Ausbildung wird durch den Vorimpuls 2 eine
optimale Vorionisierung des Gasvolumens für den nachfolgenden er
sten Hauptimpuls 1 erreicht. Die nachfolgenden weiteren Hauptim
pulse 1 des Impulspaketes beziehen ihre Vorionisierung aus den ver
bleibenden Ladungsträgern des jeweils vorausgegangenen Hauptim
pulses des Impulspaketes. Die Ladungsträgerdichte zwischen aufein
anderfolgenden Hauptimpulsen innerhalb des Impulspaketes nimmt
zwar ab, jedoch nur in einem solchen Ausmaß, daß das Gasvolumen
optimal ionisiert werden kann.
Die Hauptimpulse 1 weisen eine hohe Flankensteilheit auf (Fig. 2).
Der zeitliche Abstand ΔT zwischen dem Vorimpuls 2 und dem nach
folgenden Hauptimpuls 1 ist vorteilhaft kleiner als die Rekombinati
onszeitkonstante der Ladungsträger im Gasvolumen. Dann ist auf je
den Fall eine zuverlässige Vorionisierung des Gases oder Gasgemi
sches in der Weise gewährleistet, daß zum Zeitpunkt des nachfol
genden Hauptimpulses 1 die Ladungsträger homogen räumlich ver
teilt sind. Der zeitliche Abstand ΔT ist maximal so groß wie die Re
kombinationszeitkonstante der Ladungsträger. Für eine optimale Vo
rionisation reicht es aus, daß die Energie des Vorimpulses 2 deutlich
niedriger ist als die Energie des nachfolgenden Hauptimpulses 1. Die
Energie des Vorimpulses 2 wird vorteilhaft so gewählt, daß der räum
liche Abstand der darin entstehenden Filamente kleiner ist als die
Diffusionslänge der Ladungsträger im Zeitraum ΔT zwischen dem
Vorimpuls 2 und dem nachfolgenden Hauptimpuls 1. Dadurch wird
sichergestellt, daß die Konzentration der Ladungsträger in diesem
Zeitraum ΔT nicht durch Rekombinationsprozesse so stark abnimmt,
daß der nachfolgende Hauptimpuls 1 keine räumlich homogenen, ge
pulst betriebenen Barrierenentladungen mehr ermöglicht. Die Polari
tät des Vorimpulses 2 ist bevorzugt entgegengesetzt zur Polarität des
Hauptimpulses 1. Dadurch kann sehr einfach der Aufbau von Ober
flächenladungen auf den dielektrisch beschichteten Elektrodenober
flächen vermieden werden.
Der Vorimpuls 2 kann auch als kurzer Wellenzug mit sinusförmigem
Signalverlauf gebildet werden.
Als optimal geeignete Prozeßenergiequelle wird eine transistorisierte
Impulsspannungsquelle mit gekoppelten Speicherkreisen verwendet,
wie sie in der DE-C2 43 11 455 beschrieben ist, die ausdrücklich zum
Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird. Diese Energiequelle dient zur
Erzeugung von Spannungs- oder Strompulsen und hat einen Ener
giespeicher, der durch gekoppelte Schwingkreise gebildet ist. Sie
weisen jeweils eine Induktivität auf. Zur Energieeinkopplung in jeden
Schwingkreis ist jeweils eine mit einer jeweiligen Induktivität magne
tisch gekoppelte Hilfsinduktivität vorgesehen. Außerdem ist für jeden
Schwingkreis eine eigene Ansteuer- und Energieeinkopplungsschal
tung mit Schaltelementen vorgesehen, mit denen in die Schwingkrei
se Energie so eingekoppelt werden kann, daß die Amplitude der
Spannungsverläufe an den Schwingkreiskapazitäten bzw. der Strom
verläufe durch die Schwingkreisinduktivitäten Fourrierkoeffizienten
einer Entwicklung des geforderten Ausgangssummensignals nach
den Resonanzfrequenzen der Schwingkreise entsprechen. Die Aus
gangssignale der einzelnen Schwingkreise werden zu einem Aus
gangssummensignal addiert. Die Spannungsamplitude in jedem
Schwingkreis kann über das Windungsverhältnis zwischen der jewei
ligen Hilfs- und der Schwingkreisinduktivität eingestellt werden. In
jedem Schwingkreis sind damit Spannungsamplituden darstellbar, die
schon über der maximalen Sperrspannung der Schaltelemente lie
gen. Die Summenspannung über allen Schwingkreisen kann daher
auch bei Verwendung von Halbleiter-Schaltelementen mit maximalen
Sperrspannungen um 1 kV bei über 100 kV liegen. Durch die phasen
richtige Überlagerung mehrerer Sinusschwingungen mit unterschied
lichen Frequenzen wird die Erzeugung äußerst steilflankiger Impulse
mit Amplituden bis in den 100 kV-Bereich ermöglicht. Durch die Nut
zung nur eines oder einiger Speicherkreise ist die Darstellung nahezu
beliebiger Zeitverläufe und Amplituden des Vorimpulses 2 ohne jegli
chen technischen Zusatzaufwand möglich.
In den Entladungsfilamenten der Vorimpulse 2 entstehen Ladungs
träger, die in das gesamte Entladungsvolumen diffundieren. Dadurch
wird eine optimale Vorionisation für die angestrebte Homogenität der
durch den Hauptimpuls 1 erzeugten Entladung gewährleistet.
Die Anstiegszeit der Hauptimpulse 1 liegt unterhalb der Durchbruchs
zeit der Mikroentladungen. Dadurch zünden die Filamente im ge
samten Entladungsvolumen nahezu gleichzeitig. Jedes Filament
weist einen nur sehr kleinen Fußpunkt auf, der zu einem räumlich
sehr homogenen Erscheinungsbild der Entladung führt. Die mittleren
Energien der im Filament erzeugten Elektronen sind höher als bei
Filamenten mit größeren Fußpunkten. Dies ist bei vielen Anwendun
gen der Barrierenentladung vorteilhaft. Beispiele hierfür sind die An
regung von laseraktiven Medien, die Anregung von Excimergasgemi
schen zur Erzeugung nahezu monochromatischer kurzwelliger
Strahlung sowie die Erzeugung von Plasmen zur Behandlung von
Abgasen in stationären oder mobilen Anlagen. Mit den beschriebenen
Vorrichtungen können die Impulsenergie und der Impulsabstand un
abhängig voneinander optimiert werden. Es ist damit beispielsweise
vorteilhaft möglich, den Schadstoffabbau in Entladungen zur Abgas
behandlung oder zur Maximierung der Verstärkung von Lasermedien
sehr einfach zu optimieren. Mit den beschriebenen Vorrichtungen ist
beispielsweise beim Einsatz gepulster Excimer-Strahlungsquellen in
der Druckindustrie eine Synchronisation der Entladungsvorgänge mit
dem zeitlich stark variierenden Papiervorschub problemlos möglich.
Claims (12)
1. Verfahren zur Anregung von Entladungen zwischen wenigstens
zwei Elektroden, von denen mindestens eine mit einer isolieren
den Schicht versehen ist, wobei zwischen den Elektroden Hoch
spannungsimpulse angelegt werden,
dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungsimpulse (1)
Teile von Impulspaketen sind, die jeweils einen Vorimpuls (2)
aufweisen, der dem Hochspannungsimpuls (1) vorangestellt ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß jedes Impulspaket nur einen
Hochspannungsimpuls (1) aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß jedes Impulspaket mehrere Hoch
spannungsimpulse (1) aufweist, wobei dem ersten Hochspan
nungsimpuls (1) des Impulspaketes der Vorimpuls (2) vorange
stellt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der zeitliche Abstand (ΔT) zwi
schen dem Vorimpuls (2) und dem nachfolgenden Hochspan
nungsimpuls (1) des Impulspaketes höchstens gleich, vorzugs
weise kleiner ist als die Rekombinationszeitkonstante der La
dungsträger.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Energie des Vorimpulses (2)
kleiner ist als die Energie des nachfolgenden Hochspan
nungsimpulses (1).
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Energie des Vorimpulses (2)
so gewählt wird, daß der räumliche Abstand der darin entste
henden Filamente kleiner ist als die Diffusionslänge der La
dungsträger im Zeitraum (ΔT) zwischen dem Vorimpuls (2) und
dem nachfolgenden Hochspannungsimpuls (1).
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der Vorimpuls (2) und der Hoch
spannungsimpuls (1) unterschiedliche Polaritäten haben.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß der Vorimpuls (2) als kurzer Wel
lenzug aus Sinusschwingungen gebildet ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungsimpulse (1) mit
hoher Flankensteilheit erzeugt werden.
10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der
Ansprüche 1 bis 9, mit wenigstens zwei Elektroden, mit minde
stens einem Entladungsraum, in dem sich ein Gasvolumen be
findet, und mit einer Ansteuerschaltung,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung vor einem Hoch
spannungsimpuls (1) eines Impulspaketes einen Vorimpuls (2)
erzeugt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung miteinander ge
koppelte Speicherkreise aufweist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet, daß durch phasenrichtige Überlage
rung mehrerer Sinusschwingungen mit unterschiedlichen Fre
quenzen Hochspannungsimpulse (1) mit hoher Flankensteilheit
erzeugt werden.
Priority Applications (1)
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DE19816377A DE19816377C2 (de) | 1998-04-11 | 1998-04-11 | Verfahren zur Anregung von Entladungen zwischen wenigstens zwei Hauptelektroden sowie Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens |
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DE19816377C2 (de) | 2001-03-08 |
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