DE2525401A1 - Strahlungsquelle hoher intensitaet - Google Patents

Description

MÜLLER-BORE · GROENfNG DEUFHL · SCHÖN ■ HERTEL

BRAUNSCHWEIG · MÜNCHEN ■ KÖLN

Dr. W. Müller-Borö ■ Braunschwelg H. Groenlng, Dipl.-Ing. · München Dr. P. Deufel, Dipl.-Chem. · München Dr. A. Schön, Dipl.-Chem. · München Werner Hertel, Dipl.-Phys. · Köln

Hl/C 29o5

Canadian Patents and Development Limited

Ottawa, Ontario, Canada

Strahlungsquelle hoher Intensität

•Die Erfindung betrifft elektrische Bogenstrahlungsquellen hoher Intensität und bezieht sich insbesondere auf Strahlungsquellen, welche lange stabilisierte Bogen aufweisen.

Herkömmliche Strahlungsquellen mit einem stabilisierten Bogen hoh'er Intensität weisen ein Druckgefäß auf, von welchem ein Teil durchlässig ist, wobei eine Anode und eine Kathode koaxial innerhalb des Gefässes angeordnet sind. Ein träges Gas wie Argon wird durch das Gefäß bei etwa 4- Atm. durchgeführt, und es wird ihm eine Radialgeschwindigkeit erteilt, so daß es einen Wirbel bildet, der den Bogen zwischen der Kathode und der Anode begrenzt und stabilisiert. Gewöhnlich wird ein äußerer durchlässiger Mantel vorgesehen, so daß eine durchlässige Kühlflüssigkeit zwischen der äußeren Oberfläche des Gefässes und dem äußeren Mantel zirkulieren kann, um die durch den Bogen erzeugte starke Wärme zu überwinden. Eine alternative Kühlmethode ist in der US-Patentschrift 3 ,366 815 beschrieben, welche für die Union Carbide Corp. als Anmelderin am 30. 1. 1968 erschienen

509881/0371

Büro Mönchen: 8 München 86 . Slebertetr. 4 · Postfach 860720 · K«bel: Muebopat München - Tel« 5-22050. 5-22659 · Telefon.(088) 471079

ist und auf den Erfinder J. E. Anderson zurückgeht. Bei dieser Methode wird eine geringe Menge einer Flüssigkeit in die Bogenkammer eingeführt und gleichförmig über die innere Wandoberfläche verteilt, indem ein Gas verwirbelt wird, um einen dünnen Film zu bilden. Me Einrichtung verwendet einen solchen Flüssigkeitsfilm ausschließlich zu dem Zweck der Kühlung des festen äußeren Mantels und zur Absorption von nicht erwünschter Strahlung. Bei dieser und bei anderen herkömmlichen Einrichtungen sind große Gasströmungen erforderlich, um die Bogensäule zu begrenzen und zu stabilisieren, und es ist außerdem eine Bogenkammer mit verhältnismäßig großem Durchmesser notwendig. Somit besteht eine der größeren Aufwendungen in der Lampe in dem Gasrezirkulationssystern oder für das Gas selbst, wenn es nicht rezirkuliert wird. Außerdem hat die Bogenentladung in diesen Einrichtungen eine negative dynamische Impedanz und erfordert daher stromgesteuerte Energiequellen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Strahlungsquelle mit hoher Intensität zu schaffen, die eine Bogenentladung mit einer positiven dynamischen Impedanz aufweist.

Zur .Lösung dieser Aufgabe dienen die im Patentbegehren niedergelegten Merkmale..

Gemäß der Erfindung wird der Vorteil erreicht, daß eine Strahlungsquelle hoher Intensität geschaffen wird., die einen stabilisierten Bogen aufweist, der im Verhältnis zu seinem Durchmesser lang ausgebildet ist.

Weiterhin wird geaäö der Erfindung der Vorteil erreicht, daß die Strahlungsquelle ein hochwirksames Kühlsystem für den Bogen selbst ebenso wie für den festen Mantel hat.

509881/0371

Weiterhin ist es gemäß der Erfindung vorteilhaft, daß eine Strahlungsquelle mit festen Elektroden verwendet wird.

Weiterhin wird gemäß der Erfindung auch eine verbesserte Entladungszündschaltung verwendet.

Weiterhin wird gemäß der Erfindung auch eine Strahlungsquelle mit einem besonders guten Strahlungswirkungsgrad erreicht.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle besteht darin, daß die Elektroden und die Bogenkammer eine besonders lange Lebensdauer haben.

Gemäß der Erfindung zeichnet sich das zur Lösung der Aufgabe vorgesehene Strahlungsquellensystem allgemein dadurch aus, daß ein Paar von Elektroden vorgesehen sind, die koaxial an jedem Ende einer einzelnen zylindrischen durchlässigen Bogenkammer angeordnet sind und zwischen denen ein Lichtbogen gezündet und aufrechterhalten werden kann. Eine Flüssigkeit wie Wasser zirkuliert durch die Bogenkammer, und zwar mit einer Tangentialgeschwindigkeit, um eine Flüssigkeitswirbelwand im Inneren der' Kammer zu erzeugen, damit der Bogenumfang gekühlt wird und auf diese Weise durch Begrenzung des Bogens eine positive dynamische Impedanz des Bogens erzeugt wird. Zusätzlich stabilisiert eine Säule aus einem trägen Gas, welches durch die Länge der Kammer injiziert wird, die Bogenentladung.

Die Anodenanordnung kann eine ringförmige Begrenzung aufweisen, welche vor der Anodenoberfläche angebracht ist, die der Kathode zugewandt ist, um benachbart zu der Anodenoberfläche eine

509881/0371

Gasexpansionskammer zu bilden oder eine Expansionskammer um die Anode herum, und zwar in der Weise, daß das Gas und die Flüssigkeit expandieren und ihre Wirbelbewegung verlieren können, so daß der Bogen an der Anodenoberfläche nicht langer durch Verwirbelung stabilisiert ist.

Schließlich ist eine dreistufige Zünd- und Energieversorgungsschaltung parallel zu den Elektroden angeordnet. Sie weist eine Impulsschaltung auf, welche dazu dient, die Bogenentladung an den festen Elektroden auszulösen, und weiterhin eine programmierte Kondensatorbank, welche dazu dient, den Bogen bis zu der Zeit zu unterhalten, zu welcher die Hauptenergieversorgung mit ihrer besonders hohen Induktivität einen ausreichenden Strom liefert, um den Bogen zu unterhalten.

509881/0371

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung, das erfindungsgemäße Strahlungsquellensystem,

Fig. 2 im Querschnitt eine Strahlungsquelle gemäß der Erfindung,

Fig. 3 eine Start- und Leistungsschaltung für die Strahlungs quelle,

Fig. 4(a) und 4(b) jeweils eine grafische Darstellung der Spannungen bzw. Ströme, welche von der Start- und der Leistungsschaltung gemäß Fig. 3 geliefert werden,

Fig. 5 und 6 zwei Typen von Kondensatorbänken für die Start- und Leistungsschaltung gemäß Fig. 3, und

Fig. 7 ini Querschnitt eine weitere Strahlungsquelle gemäß der Erfindung.

Die dynamische Impedanz eines Bogens bzw. Lichtbogens ist als das Verhältnis der inkrementalen Veränderung in der Bogenspannung definiert, welche aus einer inkrementalen Veränderung im Strom ergibt. In allen Bogen bzw. Lichtbogen, bei welchen ein Virbelgas verwendet wird, um den Bogen zu stabilisieren und zu begrenzen, ist eine negative dynamische Impedanz zu beobachten. Dies ist zu sehen, wenn die Auswirkung einer geringen Stromvergrößerung auf den Bogen betrachtet wird. Der höhere Strom erzeugt eine höhere Stromdichte, welche die Bogensäule

509881/0371

aufheizt. Der Bogen mit einer höheren Temperatur hat nicht nur einen geringeren spezifischen Widerstand, sondern aufgrun.d der verstärkten Aufheizung des Bogenumfanges wird der Durchmesser des Bogens größer. Dieser größere Durchmesser und der geringere spezifische Widerstand kombinieren sich in der Weise, daß die Gesamtimpedanz der Entladung derart vermindert wird, daß der Spannungsabfall zwischen den Elektroden bei angehobenem Strom tatsächlich absinkt. Diese Situation bleibt solange bestehen, bis der Bogendurchmesser am Anwachsen gehindert wird. Um einen Bogen zu erhalten, welcher eine positive dynamische Impedanz aufweist, ist es daher erforderlich, den Bogendurchmesser zu begrenzen.

Das Prinzip der Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle hoher Intensität wird anhand der Fig. 1 schematisch erläutert. Die Quelle 1 weist eine einzige zylindrische Bogenkammer 2 mit auf Abstand angeordneten Elektroden 3 und 4 auf, welche an jedem Ende koaxial angeordnet sind. Die Kammer 2 ist aus einem Material wie beispielsweise Quarz oder Pyrex hergestellt, welches für die Strahlung des Bogens durchlässig ist. Eine Energieversorgungsquelle 5 für einen hohen Strom ist an die Elektroden angeschlossen. Über eine Flüssigkeitspumpe und einen Wärmetauscher 5 strömt eine Flüssigkeit in das eine Ende der Bogenkammer 2 ein derart, daß ein Flüssigkeitswirbelzylinder 7 innerhalb der Bogenkammer 2 erzeugt wird. Durch eine weitere Pumpe kann auch ein Kühlmittel durch die Elektroden 3 und 4- hindurchgefördert werden, um ihre Temperatur auf einem hinreichend niedrigen Wert zu halten. Eine Gaspumpe 8 fördert ein träges Gas 9 wie Argon durch die Bogenkammer 2, und zwar bei einem größeren Druck als dem atmosphärischen Druck, vorzugsweise zwischen 2 und 50 Atmosphären. Das Gas kann entweder in der einen oder in der anderen Richtung durch die Kammer 2

509881/0371

hindurchgeführt werden. Die Wirbelflüssigkeit erteilt dem in die Kammer eintretenden Gas eine Wirbelbewegung, obwohl zusätzliche Maßnahmen getroffen werden können, um das Gas von vornherein beim Eintreten konzentrisch mit der Flüssigkeit zu verwirbeln.

Der Flüssigkeitswirbelzylinder oder die -wand 7 kühlt den Umfang der Gassäule, durch welche sich der Bogen entlädt. Dieser Kühleffekt begrenzt den Bogendurchmesser. Eine Zunahme im Bogenstrom heizt den Bogen auf, da jedoch die Flüssigkeitswand den Bogenumfang kühlt, entsteht ein steilerer Temperaturgradient am Bogenumfang, und der Bogen kann sich nicht ausdehnen. Dieser feste Durchmesser verleiht dem Bogen eine positive dynamische Impedanz von etwa 0,005 "bis 0,1 Ohm/cm. Da das Gas nicht dazu verwendet wird, den Bogen zu begrenzen, sondern lediglich zu seiner Stabilisierung, kann weiterhin eine geringe Gasströmung verwendet werden.

Für einen Betrieb mit hoher Leistung muß der innere Durchmesser des Flüssigkeitszylinders 7 klein sein, um den Bogen zu begrenzen und um eine ausreichende Tangentialgeschwindigkeit zu haben, damit eine gleichförmige Flüssigkeitswand über die gesamte Kammer 2 aufrechterhalten wird, die nicht nennenswert durch die Gassäule gestört wird. Andererseits benötigt das Gas nur eine ausreichende Strömung, um den Bogen zu stabilisieren,

Die Strahlungsquelle gemäß der Erfindung weist zahlreiche Vorteile auf:

1. Die Strahlungsquelle hat eine positive dynamische Impedanz, und daher kann die Einrichtung für die Energieversorgung und für die Regelung hinsichtlich Gewicht und Kosten wesentlich günstiger sein.

509881/0371

2. Die weitere UV- und IR-Strahlung werden durch die verhältnismäßig dicke Flüssigkeitswand 7 absorbiert, so daß die Menge der Strahlung vermindert wird, welche durch die Kammerwand 2 absorbiert wird.

J. Die innere Oberfläche der Kammerwand 2 absorbiert Energie, da diese Oberfläche jedoch in enger Berührung mit der Flüssigkeit swand 7 mit starker Strömung steht, ist die Wärmeabfuhr außerordentlich wirksam. In Lampen bzw. Röhren mit zwei Mänteln wird die innere Oberfläche der inneren Röhre aufgeheizt, während die äußere Oberfläche gekühlt wird. Dadurch entstehen Wärme spannungen, und es wird die Möglichkeit geschaffen, daß die innere Oberfläche wesentlich heißer werden kann. Diese Bedingungen führen dann zu einem Versagen der inneren Röhre und damit zu einem Versagen der Lampe.

4. Die durch den Gaswirbel bestehende Reibung wird vermindert, so daß ein besserer Wirbel über, einen längeren Bogen bestehen bleibt. Dies tritt auf, weil die Flüssigkeit 7 und das Gas 9 im selben Sinne rotieren und die Reibung an einer Grenzfläche zwischen einer Flüssigkeit und einem Gas auftritt, anstatt an einer Grenzfläche zwischen einem festen Körper und einem Gas. Der massive Flüssigkeitswirbel zeigt die Tendenz, den Gaswirbel zu beeinflussen, anstatt von diesem beeinflußt zu werden.

5. Aufgrund der Dicke der Flüssigkeitswand 7 und ihrer Geschwindigkeit wird irgendwelches Material, welches von den Elektroden 3 und 4 verdampft, durch die Flüssigkeitswand 7 abgeführt, und somit tritt keine Abdunklung der festen Kammerwände auf. Auf diese Weise wird die Strahlungsleistung über die Betriebszeit konstant gehalten.

6. Aufgrund der raschen Bewegung der Flüssigkeit 7 durch die Kammer erfährt die Flüssigkeit keine große Temperaturerhöhung, und demgemäß ist ihre Kühlwirkung auf die Bogensäule über die gesamte Länge der Entladung im wesentlichen konstant. Dies erzeugt gleichförmige Bogenbedingungen, welche in einer räumlichen

509881/0371

Gleichförmigkeit in der Emission der Quelle ihren Niederschlag finden.

7. Aufgrund der Dicke und aufgrund der raschen Bewegung der Flüssigkeitswand 7 kann diese höheren Flüssen standhalten. Die Kammer 2 kann daher einen kleinen Durchmesser haben, wodurch wiederum das Volumen vermindert wird, welchesdurch Wirbelgas gefüllt ist, und wodurch das Volumen des zirkulierten Gases um einen Faktor von mehr als 20 vermindert werden kann. Die kleinere Kammer 2 gestattet auch die Herstellung einer Lampe mit geringeren Gesamtabmessungen, wodurch eine wirtschaftlichere Herstellung von Reflektoren mit hohem Wirkungsgrad ermöglicht wird. Zum Beispiel braucht der Durchmesser der Kammer 2 2,54· cm (1") für Kammern bis zu 1,8 m (6-) Länge nicht zu überschreiten. Normalerweise sind die Kammern jedoch etwa 10,16 bis 30,48 cm lang (4" bis 12"), was von der Leistung abhängt, so daß durchmesser von etwa 1,90 bis 2,54 cm (3/4·" bis 1") verwendet werden. Der Innendurchmesser der Flüssigkeitswand 7 innerhalb der Kammer würde etwa 1,27 bis 1,90 cm (i/2ⁿ bis 3/4") betragen, und der Durchmesser der Bogensäule würde etwa 4,8 bis 9,6 mm (3/16" bis 3/8") betragen, was von der benötigten Leistung abhängt.

Die Fig. 2 zeigt im Querschnitt eine Konfiguration, welche die Bogenkammer und die Elektroden gemäß der Erfindung annehmen können. Diese Ausführungsform besteht aus einer zylindrischen Bogenkammer 22, die aus Quarz, Pyrex oder einem anderen Material mit einer ausreichenden Festigkeit besteht, um den inneren Drücken und Temperaturen standzuhalten, und welches für die Bogenstrahlung durchlässig ist. Eine Kathodenanordnung 23 ist an einem Ende der Kammer 22 angeordnet, und eine Anodenanordnung 24 ist an dem anderen Ende der Kammer 22 angebracht, um auf Abstand voneinander angeordnete koaxiale Elektroden

509881/0371

vorzusehen, zwischen denen ein Lichtbogen aufrechterhalten wird. · .

Die Kathodenanordnung 23 hat eine Hohlelektrode 25, die üblicherweise aus einem leitenden Material wie Kupfer hergestellt ist, wobei die Kathodenoberfläche 26 aus thoriertem Wolfram besteht. Ein Kühlmittel zirkuliert durch den Innenraum der Elektrode 25 in beliebiger herkömmlicher Weise, wie es durch den Einlaßpfeil 27 und den Auslaßpfeil 28 angedeutet ist. Das träge Gas, welches entweder Argon, Krypton, Xenon oder dergleichen sein kann, kann von dem einen Ende oder von dem anderen Ende in die Bogenkammer 22 eingeführt werden, vorzugsweise ist die Anordnung jedoch derart getroffen, daß das Gas durch die Kathodenanordnung 23 eingeführt wird. Obwohl das Gas aufgrund der Flüssigkeitswirbelwand in der Kammer eine Wirbelbewegung ausführen würde, ist vorzugsweise vorgesehen, dem Gas eine Anfangstangentialgeschwindigkeit zu erteilten. Dies wird in der Kathodenanordnung 23 dadurch erreicht, daß eine ringförmige Gaskammer 29 vorgesehen wird, die konzentrisch zu der Elektrode 25 angeordnet ist und in welche das Gas durch den Einlaß 30 eingeführt wird. Das Gas wird dann unter Druck durch eine oder mehrere Gasdüsen 31 hindurchgeleitet _y wodurch eine hohe Tangentialgeschwindigkeit erreicht. Die Hülse 32 führt das Wirbelgas in die Kammer 22, wo es zu der Anodenanordnung 24- strömt. Schließlich enthält die Kathodenanordnung eine ringförmige Austrittskammer 33 > in welche die Wirbelflüssigkeit hineinströmt, wenn sie die Bogenkammer 22 verläßt. Die geringe Eestwirbelbewegung der Flüssigkeit unterstützt es dabei, durch den Auslaß 34· auszutreten und zu einem Wärmetauscher, einer Deionisierungseinrichtung und einer (nicht dargestellten)Pumpe zurückzukehren. Der größte !Teil der Kathodenanordnung kann aus einem leitenden Material wie Kupfer hergestellt

50988170371

sein, mit Ausnahme der Kathodenoberfläche 26. Die Anodenanordnung 24 weist eine Hohlelektrode 35 auf, die eine konusförmig ausgebildete Anodenoberfläche 36 hat und aus einem leitenden Material wie Kupfer hergestellt ist. Die Elektrode 35 &at weiterhin einen Anodenstecker 49, der gewöhnlich aus thoriertem Wolfram besteht, und zwar in de'r Mitte der Anodenoberfläche Ein Kühlmittel wird durch den Innenraum der Elektrode 35 in. beliebiger herkömmlicher Art hindurchgeführt, wie es durch die Einlaßpfeile 37 und die Auslaßpfeile 38 angedeutet ist. Die Anodenanordnung weist weiterhin eine ringförmige Kammer 39 auf, in welche ein Kühlmittel durch den Einlaß 40 unter Druck eingeführt wird. Das Kühlmittel bildet einen Wirbel, der ausreichend schnell ist, um die Form eines Hohlzylinders 42 anzunehmen, welcher die Innenseite der Kammer 22 auskleidet, bevor der Austritt in die Kathodenanordnung 23 erfolgt. Die in einem" solchen System verwendete Flüssigkeit wäre normalerweise Wasser, es können jedoch auch andere Flüssigkeiten verwendet werden, welche einen geringen Dampfdruck und/oder einen weiten Betriebstemperaturbereich aufweisen. Schließlich weist die Anodenstruktur eine ringförmige Gasaustrittskammer 43 auf, um das Gas aufzunehmen, wenn es die Bogenkammer 22 verläßt. Das Gas wird durch einen Auslaß 44 hinausgedrückt, um anschließend direkt rezirkuliert zu werden oder um über einen (nicht dargestellten) Wärmetauscher geführt zu werden, und zwar zu dem Einlaß 30 in der Kathodenanordnung 23.

Während das Kühlmittel und das Gas in einer Wirbelbewegung durch die Kammer'22 hindurchgeführt werden, wird ein Gleichspannungs- oder ein Wechselspannungs-Bogen gezündet und zwischen der Kathode 25 und der Anode 35 aufrechterhalten. Der Bogen wird durch die Flüssigkeitswand begrenzt und durch den Gaswirbel stabilisiert, wodurch eine Strahlung hoher Intensität erzeugt wird, welche durch den Flüssigkeitswirbel 42 und die durchlässige Kammer 22 sichtbar wird.

509881/0371

Um die Lebensdauer der Kathodenoberflache 36 zu erhöhen, wird eine Bogenbegrenzung 45 vor der Anode 35 angebracht, um eine Gasentspannungskammer 46 zwischen der Begrenzung und der Anodenoberfläche 36 zu bilden. Die Begrenzung 45 bestimmt den Durchmesser der Bogensäule am Ende der. Bogenkammer 22. Die auf diese Weise gebildete Kammer 46 bewirkt, daß das Gas beim Eintritt entspannt wird, wodurch es seine Wirbelbewegung verliert, was zu einem nicht-verwirbelten, stabilisierten Bogen an der Anodenoberfläche 36 führt. Die Begrenzung 45, welche ebenfalls aus Kupfer hergestellt ist, das eine thorierte Wolframinnenoberfläche 47 aufweist, ist vorzugsweise elektrisch gegenüber der Anode 35 isoliert, braucht jedoch nicht isoliert zu sein, wenn die Innenoberfläche 47 eine ausreichend geringe Länge aufweist. Diese Anode weist eine hohe Lebensdauer bei hoher Leistung auf, weil die thermische Belastung über eine große Oberfläche verteilt ist, wodurch eine wirksamere Kühlung ermöglicht wird. Obwohl die ringförmige Begrenzung 45 eine direkte Strahlung aufnimmt und auch eine bestimmte Wärme aus dem Gas abführt, trägt sie den Anodenstromfleck nicht. Die Anodenoberfläche 36 trägt die Strombelastung, die Wirkungen sind jedoch vermindert, da auf dieser Oberfläche keine Wirbelstabilisierung vorhanden ist. Da hier keine Wirbelsbabilisierung vorhanden ist, kann sich ein größerer Anodenfleck ausbilden und auch auf einem ringförmigen Weg rotieren, so daß die Stromdichte vermindert ist, wodurch auch die thermische Belastung herabgesetzt wird.

Zusätzlich kann ein Eisenstecker 48 hinter dem Anodenstecker 49 verwendet werden, um das Einführen eines magnetischen leides zu erleichtern, was dazu führt, daß ein magnetischer Druck in der Weise auf den Bogen wirkt, daß der Bogen in einer Bewegung auf einem ringförmigen Weg auf der Anodenoberfläche gehalten wird, und zwar in herkömmlicher Weise.· Da der Bogenfuß in Bewegung ist, ist die Belastung eines bestimmten Teils der

509881/0371

Anode geringer. Lies führt zu einer stark erhöhten Lebensdauer.

Die Kathode 25 projiziert normalerweise in die Kammer 22, wie es in der Fig. 2 dargestellt ist. Es kann jedoch eine der Begrenzung 41 ähnliche Anordnung vor der Kathode 25 angebracht werden, so daß der Bogen einen größeren Teil der Oberfläche überdeckt, was für einen Wechselspannungs-Bogenbetrieb erwünscht wäre.

Es hat sich gezeigt, daß eine Strahlungsquelle der oben beschriebenen Art eine Strahlungsausbeute von mehr als 40 Lumen pro Watt bei 140 kW aufweist. Weiterhin können durch Veränderung der Bogenparameter Spitzenausgangsleistungen im sichtbaren Bereich oder im Bereich einer anderen Wellenlänge erzeugt werden.

Ein langer Hochdruckbogen wird gewöhnlich dadurch gezündet, daß die Elektroden in einem Gaswirbel momentan berührt werden. Dies hat die Nachteile, daß die Gaswirbelstabilisierung gestört wird und oft eine empfindliche Beschädigung der Elektroden auftritt. Bewegbare Elektrodensysteme haben sich ebenfalls als unbefriedigend erwiesen, wenn nicht überhaupt als unmöglich, und zwar am oberen Ende eines Leuchtturms mit einer Höhe von etwa 60 m (200 Fuß).

Bei dem vorliegenden Strahlungsquellensystem wird eine dreistufige Bogenzünd- und Energiezuführungsschaltung der in der Fig. 3 dargestellten Art verwendet, welche eine Spannung unter einem Strom an die Bogenentladung liefert, wie es in den Fig. 4 (a) und 4 (b) veranschaulicht ist. Ein anfänglicher Zusammenbruch des Bogenspaltes 31 wird durch einen Hochspannungsimpuls von etwa 30 000 bis 50 000 V herbeigeführt, welcher etwa 0,5 Mikrosekunden Dauer hat, und dieser Impuls wird durch eine Pulsschaltung 52 erzeugt. Da diese Impulsdauer für die Hauptleistungsversorgung 53 nicht ausreichend ist, welcher eine starke

509881/0371

Induktivität eigen ist, um den Bogen zu übernehmen und aufrechtzuerhalten, ist die Pulsschaltung derart ausgebildet, daß eine entsprechend programmierte Kondensatorbank 54 mit einer geringen Induktivität über den Schalter 55 parallel zum Bogen 41 entladen wird. Die Kondensatorbank 5^- unterhalt einen ausreichenden Strom im Bogen, um den Bogen so lange aufrecht zu erhalten, bis die Haupt Versorgung übernehmen kann, wie sie in der Fig. 4 (a) dargestellt ist. Eine Diode 56 dient dazu, um einen Gegenstrom in der Kondensatorbank 54 in die Haupt Versorgung 55 zu blockieren, und sie muß somit einem Gegenstrom standhalten, welcher der maximalen Spannung auf der Kondensatorbank 54 entspricht. Weiterhin muß sie dazu in der Lage sein, einen Bogenstrom. bis zu 100 Ampere zu führen. Wenn der Bogen mit der Hauptenergieversorgung betrieben wird, wird ein Schalter 57 geschlossen und ein Schalter 55 ist geöffnet, so daß der Hauptstrom jetzt auf die volle Leistung gesteigert werden kann, weil er im Bypass an der Diode 56 vorbeigeführt wird, und an der Pulsschaltung 52, so daß eine Beschädigung dieser Bauteile vermieden ist.

Die^ programmierte Kondensatorbank kann viele Formen annehmen, es ist jedoch erforderlich, daß sie eine geringe Induktivität hat und dazu in der Lage ist, den Bogen über Perioden von 1 msec bis 100 »see bei einem Anfangsstrom von 20 bis 200 Ampere aufrecht zu erhalten, was von der Größe der Strahlungsquelle abhängt. Die Fig. 5 und 6 veranschaulichen den Typ der Kondensatorbänke, welcher zum Starten und für die Leistungsversorgungsschaltung verwendet werden kann. Gemäß Fig. 5 weist die Bank 60 eine Hochspannungsversorgung 61 auf, welche die Serienwiderstände 62 und 63 speist und die Parallelkondensatoranordnung 24 auflädt.· In der Fig. 6 ist die Hochspannungsversorgung 61 wiederum mit den Widerständen 62 und 63 verbunden, zwischen denen eine Heine von Serienspulen 64, 65 und 66 angeordnet sind.

509881/0371

Eine Ladung wird dann auf den Parallelkondensatoren 67, 68, 69 und 70 aufrechterhalten,"bis sie über den Lichtbogen entladen werden, und zwar über die Pulsierschaltung, wie es anhand der Pig. 3 erläutert wurde.

Die Fig. 7 zeigt einen Querschnitt einer zweiten Konfiguration, welche die Bogenkammer und die Elektroden gemäß der Erfindung annehmen können. Sie weist eine zylindrische Bogenkammer 71 auf, weiterhin eine Kathodenanordnung 72, welche an einem Ende der Kammer 71 angebracht ist und eine Anodenanordnung 73» welche an dem anderen Ende der Kammer 71 angebracht ist, um auf Abstand voneinander angeordnete koaxiale Elektroden darzustellen, zwischen denen eine Bogenentladung aufrechterhalten wird.

Die Kathodenanordnung 72 hat eine Hohlkupferelektrode 74-einer Kathodenoberfläche 75 aus thoriertem Wolfram. Ein Kühlmittel zirkuliert durch den Innenraum der Elektrode 74- in beliebiger bekannter Weise, wie es durch den Einlaßpfeil 76 und die Auslaßpfeile 77 dargestellt ist. Ein träges Gas wie Argon wird in die Kathodenanordnung 72 durch den Einlaß 78 eingeführt und durch eine oder mehrere Einlaßdüsen 79 hindurchgedrückt, um dem Gas eine Tangentialgeschwindigkeit zu verleihen. Die'Kathodenanordnung weist weiterhin eine ringförmige Kammer

80 auf, in welche eine Flüssigkeit oder Druck durch den Einlaß

81 eingeführt wird. Die Flüssigkeit geht durch tangentiale Düsen

82 hindurch, um einen Wirbel zu bilden, der ausreichend schnell ist, um die Form einer hohlzylindrisch geformten Wand innerhalb der Kammer 71 einzunehmen. Die Anodenanordnung weist eine Hohlkupferelektrode 83 mit einer Anodenoberfläche 84 aus reinem Wolfram oder aus Wolframlegierungen wie thoriertem Wolfram auf. Ein Kühlmittel zirkuliert durch den Innenraum der Elektrode 83 in beliebiger bekannter Weise, wie es durch den Einlaßpfeil 85 und die Auslaßpfeile 86 veranschaulicht ist.

6098 8 1 /0371

Die Anodenanordnung 73 weist weiterhin eine expandierende Kammer 87 auf, welche uhl die Elektrode 83 herum am Ende der Kammer 71 angeordnet ist. Die expandierende Kammer 87 erlaubt es, mit dem Flüssigkeitswirbel und dem Gaswirbel zu expandieren, bevor die Anodenoberfläche 84 den Bogen in die Lage versetzt, zu expandieren, bevor er die Anode erreicht. Ein Auslaß 88 ermöglicht es dem Gas, die Anodenanordnung 73 zu verlassen. Die Flüssigkeit sammelt sich in einer Flüssigkeitsspeicherkammer 89, die einen Auslaß 90 aufweist, von welchem die Flüssigkeit durch einen geeigneten Wärmetauscher hindurch abgepumpt und nachfolgend zur Rezirkulation gebracht wird.

- Patentansprüche -

509881/0371

Claims (13)

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Erzeugung einer Strahlung mit hoher Intensität, dadurch gekennzeichnet, daß eine langgestreckte zylindrische Bogenkammer vorgesehen ist, welche einen durchlässigen Teil aufweist, daß weiterhin eine erste und eine zweite auf Abstand angeordnete Elektrodeneinrichtung vorgesehen sind, welche koaxial innerhalb der Kammer angeordnet sind und zwischen denen eine Bogenentladung hervorgerufen werden kann, daß weiterhin eine Einrichtung vorhanden ist, welche dazu dient, eine zylindrische Flüssigkeitswand innerhalb der Kammer zu erzeugen, um einen Bogen mit einer positiven dynamischen Impedanz zu liefern, und zwar durch Begrenzung der Bogenentladung aufgrund der Kühlung des Umfanges der Bogenentladung, und daß eine Einrichtung vorhanden ist, welche dazu dient, ein träges Gas in die Kammer einzuführen, um die Bogenentladung zu stabilisieren.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsanordnung eine in der Nähe der ersten Elektrodeneinrichtung angeordnete Einrichtung aufweist, welche dazu dient, um der in die Kammer eintretenden Flüssigkeit eine Wirbelbewegung zu erteilen, und daß sie weiterhin eine Einrichtung aufweist, welche in der Nähe der zweiten Elektrode angeordnet ist und dazu dient, die die Kammer verlassende Flüssigkeit aufzunehmen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasinjektionseinrichtung eine Einrichtung aufweist, welche dazu dient, das Gas durch den Innenraum der zylindrischen Flüssigkeitswand zirkulieren zu lassen.

50 988 1/0371

4-, Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasinjektionseinrichtung eine Einrichtung aufweist, welche dazu dient, das Gas durch den Innenraum der zylindrischen Flüssigkeitswand zu wirbeln.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszuführungseinrichtung eine Düseneinrichtung aufweist, welche in der Nähe der einen Elektrodeneinrichtung angeordnet ist und dazu dient, dem in die Kammer eintreten den Gas eine Wirbelbewegung zu erteilen, und daß sie weiterhin eine Einrichtung aufweist, welche in der Nähe der anderen Elektrodeneinrichtung angeordnet ist, und welche dazu dient, das die Kammer verlassende Gas aufzunehmen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5₅ dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit und das Gas konzentrisch verwirbelt sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas innerhalb der Kammer einen Druck aufweist, der dem atmosphärischen Druck entspricht oder darüber liegt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Elektrodeneinrichtungen größer ist als der fünffache Durchmesser der Bogensäule.

9· Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser der Kammer zwischen etwa 6,3 bis 25₅4-" bis 1") liegt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit Wasser ist.

5098 8 1/0371

11. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch, gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Elektrodeneinrichtungen eine ringförmige Begrenzungseinrichtung aufweist, welche in koaxialer Anordnung benachbart zu der Oberfläche der einen Elektrodeneinrichtung derart angeordnet ist, daß zwischen der. Oberfläche und der Begrenzung eine Gasentspannungskammer bzw. Gasexpansionskammer gebildet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrodeneinrichtung eine Gasentspannungskammer aufweist, welche um die zweite Elektrode angeordnet ist, um den Flüssigkeitswirbel und den Gaswirbel expandieren zu lassen, damit für die Bogenentladung die Möglichkeit geschaffen ist, an der zweiten Elektrodenoberfläche zu expandieren.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des Lichtbogens folgende Teile aufweist:

eine Impulsschaltungseinrichtung, welche derart ausgebildet ist, daß sie die Lichtbogenentladung zündet, "eine Kondensatorbankeinrichtung, welche derart ausgebildet ist, daß sie den Lichtbogen für eine vorgegebene Zeit unterhalt , und

eine Hauptenergieversorgungseinrichtung, welche derart ausgebildet ist, daß sie den Lichtbogen unterhalt.

509881 /0371

Leerseite