DE2530851A1 - Heizelement, insbesondere zum erzeugen von molekularstrahlen - Google Patents

Description

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i|10-2H.il53P 10. 7. 1975

Commissariat i I¹Energie Atomique, Paris (Frankreich)

Heizelement, insbesondere zum Erzeugen von Molekularstrahlen

Die Erfindung betrifft ein Heizelement, insbesondere zum Erzeugen von Molekularstrahlen, das die Erhitzung einer im Umlauf befindlichen Gasströmung auf eine sehr hohe Temperatur in der Größenordnung von 3000 K ermöglicht. Sie findet insbesondere Anwendung bei Experimentalgeräten zum Erzeugen von Molekularstrahlen durch Extrahieren und Transportieren des axialen Teils eines aus einer Düse stammenden Uberschallstrahls in ein gutes Vakuum mittels geeigneter Trennwände (Blenden, Kollimatoren), die eine Reihe von benachbarten Kammer trennen, in denen das Vakuum immer höher wird. In solchen Geräten kann der Heizofen dazu dienen, die Erzeugungstemperatur des Gases in der Düse von 300 bis 3000 ⁰K und folglich die den Molekularstrahl bildende Energie der Moleküle proportional zu dieser Temperatur kontinuierlich zu verändern. Durch Kombinieren dieses Erhitzungseffekts mit dem aerodynamischen Beschleunigungseffekt, der sich natürlich in einem Uberschallstrahl bildet, der einen hohen Anteil eines leichten Trägergases (Wasserstoff oder Helium) enthält, ist es möglich, Molekularstrahlen zu erzeugen, deren kinetische Energien z.B. in dem

410-(B534O-3PB)Lpt

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besondere interessanten Bereich von 0,05 bis 40 eV liegen.

Strahlen dieser Energie sind von sehr großem Interesse in der Grundlagenforschung und der angewandten Forschung. Dieser Energiebereich entspricht in der Tat den Energien, die beim größten Teil der physikochemischen Prozesse der Anregung, Ionisation und Dissoziation und auch bei den Wechselwirkungen zwischen Gasen und Feststoffen wirksam sind. Dieser Heizofen kann ebenfalls in unterschiedlichen Bereichen, etwa den Windkanaluntersuchungen, den aerodynamischen Lasern usw., angewandt werden.

Bisher erfolgte das Erhitzen von in Umlauf befindlichem Gas durch den Joule-Effekt durch kleine rohrförmige Behälter hindurch aus im allgemeinen Wolfram, deren Seitenwände als Heizwiderstände dienten. Das Gas erreicht die Rohre, läuft kontinierulich in diesen um und tritt in Form eines Uberschallstrahls durch eine kleine öffnung aus, die die Rolle einer Düse spielt.

Derartige Vorrichtungen weisen mehrere Nachteile auf: Es besteht die Gefahr, daß die zur Bildung des MolekularStrahls unerläßlichen Ausrichtungen durch Dehnungseffekte stark gestört werden, die den Ort der Auslaßöffnung der Düse verändern, überdies können die Abmessungen dieser öffnung nicht verändert werden, wie es manchmal erforderlich ist, dies gemäß der Art des Gases auszuführen, ohne die ganze Anordnung der Vorrichtung zu wechseln. Es ist tatsächlich sehr schwierig, ein abnehmbares Teil an einem Wolframrohr zu befestigen, clas ^egen der extremen Brüchigkeit des Wolframs· sehr schwierig zu bearbeiten ist. überdies kann der unter Vakuum gesetzte rohrförmige Behälter vor allem bei hoher Temperatur nur ziemlich geringe Drücke aushalten. Derartige Systeme können nicht für Generatoren von Molekularstrahlen verwendet werden, die mit einem sehr hohen Erzeugungsdruck in der Höhe

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von IO Torr arbeiten.

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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Heizofen zu schaffen, der beim Umlauf der Gasströmung in Nähe des Austritts der Gase die Kombination eines Temperatureffekts mit einem Pumpeffekt ermöglicht, wodurch die der Quadratwurzel der absoluten Temperatur proportionale Geschwindigkeit des Strahls beträchtlich erhöht wird.

2ür Lösung dieser Aufgabe ist der insbesondere zum Erzeugen von Molekularstrahlen verwendete Heizofen gekennzeichnet durch wenigstens ein elektrisches Widerstands-Heizelement, das itt Berührung mit einer zuerst außen dann innen umlaufenden Gasströmung steht, durch wenigstens einen das Heizelement umgebenden ringförmigen und koaxialen Wärmeschild, durch wenigstens einen Kühlkreis, der mit einem Fluidumlauf arbeitet und den Wärmeschild sowie die Enden des Heizelements umgibt, durch ein dichtes tragendes Gehäuse, das von der Gasströmung gespeist wird und mit dem äußeren Bereich des Heizelements in Verbindung steht, durch einen eine Düse bildenden Deckel, der in das Gehäuse eingeschraubt und von einer Austrittsöffnung durchbohrt ist, die gegenüber dem offenen Ende des Heizelements angeordnet ist, von wo aus die heißen Gase austreten, durch feine Pumpeinrichtung, die an den ringförmigen Umfangsteil eines Zwischenraums angeschlossen ist, der zwischen dem offenen Ende des Heizelements und dem Deckel enthalten ist, und durch eine Strömversorgung für das Heizelement.

Bei einer bevorzugten Aueführungsform der Erfindung erfolgt die Stromrücklei'tung über ein an Masse angeschlossenes metallenes Rohr.

Das rohrförmige Heizelement besteht aus Wolfram oder Graphit oder jedem anderen Widerstandselement mit hohem Schmelzpunkt, das gegenüber dem Gas oder der heißen Mischung inert ist, z.B. aus Tantal, Molybdän, Niob, Rhenium usw.

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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht des betrachteten Heizofens;

Fig. 2 einen Längsschnitt des Heizelements, der Wärmeschilde und der Kühlvorrichtungen ein Graphitelement verwendenden Heizofens nach der Erfindung;

Fig. 3 einen Längsschnitt einer bevorzugten Ausführungsform eines ein Wolframelement verwendenden Heizofens nach der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein tragendes Gehäuse 1 dargestellt, in dem ein Heizofen 2 angebracht ist, dessen Einzelheiten in Verbindung mit Fig. und 3 erklärt werden. Dieses Gehäuse 1 ist an seinem in der Zeichnung rechten Ende von einem isolierenden Flansch 3 verschlossen, der das Ende des Heizofens 2 trägt und an seinem links gelegenen Ende eine rohrförmige Verlängerung 4 aufweist. Die Verlängerung 4 ist für das Durchqueren einer Hülse 6 vorgesehen, die mit einer Wand 5 eines das Gehäuse 1 enthaltenden Vakuumbehälters fest verbunden ist. Die Wand 5 und die Hülse 6 sind in Fig. 1 strichpunktiert dargestellt. Die rohrförmige Verlängerung 4 ist an ihrem dem Gehäuse 1 gegenüberliegenden Ende fest mit einer hohlen Buchse 1 verbunden, die mittels einer Mutter 8 am Ende der Verlängerung 4 festgelegt ist. Die Buchse 7 weist eine Verschlußplatte aus elektrisch isolierendem Material auf, die durch Schrauben 10 mit dieser Buchse fest verbunden ist. Die Buchse 7 weist in ihrer Seitenwand eine Öffnung 11 auf, die das Einleiten einer Druckgasstr'ömung in die rohrförmige Verlängerung 4, durch deren Ende und in das Gehäuse 1 ermöglicht. Die Druckgasströmung ist beim betrachteten Beispiel, bei dem der Heizofen nach der Erfindung an einem Gerät zum Erzeugen eines Gasstrahls verwendet wird, ein reines Gas, ein in einem leichten Gas verdünntes Gas oder eine gasförmige Mischung. Das durch die Öffnung 11 in die Buchse 7

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eingeführte Gas läuft somit in einem Ringraum 12 zwischen der Innenwand der Verlängerung 4 und einem metallischen Rohr 13 um, das dazu dient, dem später beschriebenen Widerstands-Heizelement des Heizofens den erforderlichen elektrischen Strom zuzuführen. Das Rohr 13 ist an seinem in der Zeichnung linken Teil fest mit einer Hülse 14 verbunden, die die Verschlußplatte 9 durchquert, die die Buchse 7 abschließt und in der Weise angeordnet 1st, daß sie leicht die eventuellen Wärmedehnungsunterschiede zwischen dieser Buchse 7 und dem Rohr 13 aufnehmen kann, und zwar dank dem Einbau eines Federelements 15 zwischen der Verschlußplatte 9 und einem Bund 16 der Hülse 14. Eine Dichtung 17 ermöglicht das Verschieben der Hülse 14, ohne die Abdichtung gegenüber dem Innenraum der Buchse 7 zu unterbrechen. Im Rohr 13 ist ein koaxiales zweites Rohr 18 angebracht, das seinerseits von einem Kabel 19 durchquert wird, das mit einer in Fig. 1 nicht dargestellten Thermoelementsonde vereinigt ist, die eine Kontrolle in der Weise, daß bestimmte Punkte, die ohne Zerstörungsgefahr des Heizofens nicht erhitzt werden könnten, sicher auf etwa 200 °C nicht überschreitenden Temperaturen bleiben.

Die Stromzuführung erfolgt über eine Leiterlitze 20, die an das Ende der Hülse 14 angeschlossen ist, die ihrerseits in elektrischer Berührung mit dem Rohr 13 steht. Um schließlich die innere Kühlung des Rohrs 13 zu ermöglichen, wird ein zwischen dem Rohr 13 und dem Rohr 18 begrenzter Ringraum 21 von einem Kühlwasserkreis durchströmt. Dieser Kühlwasserkreis wird in das Gerät über einen an der Hülse 14 befestigten Anschluß 22a eingeführt, tritt .im Rohr 18 durch an dessen entgegengesetztem Ende vorgesehene Öffnungen 23 und kehrt dann zur Hülse 14 zurück, um aus diesem über einen zweiten Anschluß 22b auszutreten. Isolierende Ringe 4 sind vorteilhaft zwischen dem Rohr 13 und der rohrförmigen Verlängerung 4 angebracht, die ihrerseits zusammen mit dem Gehäuse 1 geerdet ist. Der Verlauf des Gases folgt dem Pfeil 200.

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Fig. 2 zeigt in größerem Maßstab die Einzelheiten des das Erhitzen des Gases ausführenden Heizofens 2. Dieser Heizofen setzt sich hauptsächlich aus einem Widerstands-Heizelement zusammen, das aus einem Rohr 24 aus Graphit besteht, auf dessen Außenseite eine Spirale bzw. ein schraubenförmiger Vorsprung 25 gearbeitet ist. Außerhalb des Rohrs 24 ist koaxial zu diesem ein zweites Rohr 26 aus Graphit angebracht, dessen Verlängerung 27 mit einem spitz profilierten Teil 27a endet, der unter Zentrierung der Rohre 24 und 26 in eine konische Ausnehmung 13a eines Teils 13b eingreifen kann, das am Ende des Rohrs 13 befestigt ist und mit dem das koaxial hierzu angebrachte weitere Rohr 18 fest verbunden ist. Das Rohr 24 aus Graphit weist an seinem rechts gelegenen Ende einen Kopf 28 mit einer Quererweiterung auf, die sich entlang ihrer Achse mit einem kleinen Rohr 29 aus Graphit verlängert. In dieses Rohr strömt das aus dem Rohr 24 austretende Gas, nachdem es zuerst in einem schraubenförmigen Zwischenraum zwischen dem Rohr 24 und der Innenwand des das Rohr 24 umgebenden Rohrs 26 umgelaufen ist, und strömt dann im umgekehrten Sinn in den inneren Teil 32 des Rohrs 24, wobei die Bereiche 31 und 32 aufgrund von Durchtrittslöchern 33 durch die Oberfläche des Rohrs 24 miteinander in Verbindung stehen.

Auch noch koaxial zu den Rohren 24 und 26 enthält das Gerät ein drittes rohrförmiges Element bzw. Rohr 34, dessen dem Kopf 28 entgegengesetzte Verlängerung fest mit einem das entsprechende Ende der Rohre 13 und 18 teilweise umgebenden Rohrstück 36 verbunden sind. Insbesondere durch die Anbringung von Ringen 36 ist eine geeignete elektrische Isolierung zwischen dem den Strom zu den Rohren 24 und 26 leitenden Rohr 13 und dem Rohrstück 35 vorgesehen. Die Ringe 36 werden von längsgerichteten Durchtritten 36a durchquert, die das Gas in den Heizofen 2 eindringen lassen.

Das über die öffnung 11 in den Ringraum 12 (Fig. 1) zugeführte Gas mündet in das Gehäuse 1 ein und füllt dann über die Durchtritte 36a und 37 den zwischen den Rohren 26 und begrenzten Ringraum 26a. Dieses Gas wird am Ende des Rohrs 26

S 0 9 8 8 6 / 1 η U

. ? R 3 Π R 5 1

wieder im schraubenförmigen Zwischenraum 31 aufgenommen, durchquert danach die Durchtrittslöcher 33 und durchströmt dann von neuem im umgekehrten Sinn den inneren Teil 32 des Rohrs 24, bevor es schließlich in Berührung mit dem Kopf 28 kommt, von wo aus es über die öffnung 30 des kleinen Rohrs 29 austritt.

Um dann zu vermeiden, daß die vom umlaufenden und in Berührung mit dem heizenden Rohr 24 befindlichen Gas aufgenommene Wärme nicht durch Strahlung und Konvektionen mit der Außenseite verloren geht, ist der Heizofen 2 nach der Erfindung mit einer Wärmeschutzvorrichtung versehen. Zu diesem Zweck ist das Rohrstück 35 fest mit einem querverlaufenden Flansch 38 verbunden, der gegenüber den Rohren 26 und 34 die Anbringung eines tragenden isolierenden Teils 39 für eine Reihe von zylindrischen koaxialen Schilden bzw. Wärmeschilden ermöglicht, die entsprechend mit 40, 41, 42 und 43 bezeichnet sind. Diese Wärmeschilde werden an ihrem entgegengesetzten Ende überdies von einem dem Teil 39 gleichartigen Teil 44 gehalten. Der äußerste Wärmeschild 43 ist seinerseits von einerHülle bzw. einem Gehäuse 35 umgeben, dag außen einen schraubenförmigen Vorsprung 46 aufweist, der mit einem koaxialen Gehäuse 47 einen durchlaufenden schraubenförmigen Durchtritt begrenzt, in dem ein Kühlwasserkreis hergestellt werden kann. Das Gehäuse 47 weist eine Endplatte 48 auf, die den Heizofen 2 abschließt und von Leitungen 49 durchquert wird, von denen in Fig. 2 nur eine einzige erscheint und in Fig. 1 mehrere schematisch dargestellt sind. Diese Leitungen 49 sind an einen gemeinsamen Sammelbehälter 50 für die Zufuhr von Wasser angeschlossen. Dieser Sammelbehälter 50 ist seinerseits über eine Rohrleitung 51 an einen Speisekreis angeschlossen. Das im Sammelbehälter 50 über die Leitungen 49 entnommene Wasser mündet hinter dem Flansch 38 und läuft im zwischen den Gehäusen 45 und 47 begrenzten schraubenförmigen Durchtritt um, bevor es schließlich über eine Auslaßrohrleitung 52 entleert wird. Der gesamte Heizofen 22 ist schließlich mittels des mit dem Gehäuse 1 fest verbundenen Flansches 30 durch

η 9 R R fi/ 1 η /, /,

— ρ _

Befestigungsschrauben 53 befestigt, die das Verspannen von isolierenden Zwischenstücken 54 und von Dichtungen 55 und 56 zwischen dem Flansch 3 und dem dichten Gehäuse 1 ermöglichen.

Um außer der in der oben angegebenen Weise erfolgenden Kühlung der Wärmeschilde 40-43 im zentralen Teil des Heizofens 2 ebenfalls die Kühlung des Kopfs 28 des Heizelements 24 sicherzustellen, umfaßt das Gerät einen zweiten Kühlkreis, der von dem oben beschriebenen unabhängig ist und im wesentlichen ein geschlossenes Gehäuse 57 aufweist,-das gegenüber dem Rohr 34 mittels eines Bundes 58 positioniert ist, der an einem Vorsprung 59 dieses Rohrs 34 anliegt. Der innere Bereich 60 dieses Gehäuses 57 wird überdies von einem Aufsatz bzw. Deckel 62 mit einer Austrittsöffnung 63 für den erzeugten Gasstrahl begrenzt. Die Speisung des Bereiche 60 mit Wasser erfolgt über eine Eintrittsrohrleitung 64, während dessen Entleerung über eine Rohrleitung 65 erfolgt. Die beiden verwendeten Kühlkreise sind vorteilhaft außerhalb des Heizofens 2 mit gemeinsamen Speise- und Entleerungsleitungen 66 bzw. 67 verbunden, wie im einzelnen in Fig. 1 im größeren Maßstab dargestellt. Diese Leitungen 66 und 67 sind an der Außenseite der Wand 5 über Anschlüsse 68 und 69 mit einer nicht dargestellten Speisestation verbunden.

Wie bereits ausgeführt, erfolgt die Stromversorgung der heizenden Rohre 24 und 26 über die Leiterspeiselitze 20, die Hübe 14 und das Rohr 13. Die Stromrückführung erfolgt dann über das Gehäuse 1 des Geräts selbst und insbesondere über die Gehäuse 45 und 47, die ein Verbindungsteil 70 mit einer metallenen Leiterspeiselitze 71 aufweisen, die ihrerseits an die Masse des Geräts angeschlossen ist. Weitere Leiterspeiselitzen für einen Anschluß an Masse, etwa insbesondere die bei 72 dargestellte, sind an den Speiseleitungen 66 und 67 vorgesehen, wobei die Leiterspeiselitze 71 gegebenenfalls mittels eines von der Speiseleitung 66 getragenen Verbindungsansatzes 73 über den Kühlkreis an Masse angeschlossen ist.

2 5 3 η 8 5 1

Die Ausrüstung des Geräts wird durch Thermoelementsonden, etwa 74 und 75, vervollständigt, die eine Kontrolle in der Weise ermöglichen, daß bestimmte Stellen, die nicht ohne Gefahr für den Heizofen erhitzt werden könnten, auf niedrigeren Temperaturen von etwa 200 ⁰C bleiben.

Der Heizofen ist mit einer kleinen Rohrleitung 82 versehen, die in den Raum zwischen dem Ende des Heizelements 24 und dem Deckel 62 mündet. Eine in Fig. 2 nicht dargestellte Pumpeinrichtung ist an diese Rohrleitung 82 angeschlossen und gestattet ein Pumpen der Gase in diesen Raum. Dieses Pumpen in den Raum verbessert die Vorrichtung beträchtlich, hauptsächlich die wirksame Temperatur des durch die Austrittsöffnung 63 des Deckels 62 hindurchtretenden GasStroms.

Der Betrieb des Heizofens nach der Erfindung ergibt sich leicht aus dem folgenden. Das über den Ringraum 12 zwischen der Verlängerung 4 und dem Rohr 13 in das Gehäuse 1 eingeleitete Gas dringt über die Durchtritte 37 in den von den Rohren 26 und 34 begrenzten Bereich ein, kommt unter vorherigem Bestreichen der äußeren Fläche bei 26a in Berührung mit dem Heizelement, durchströmt dann den schraubenförmigen Zwischenraum 31 und kommt schließlich nach Durchqueren der Durchtrittslöcher 33 über den Bereich 32 zu dessen gegenüberliegendem Ende zurück. Das auf diese Weise auf hohe Temperatur gebrachte Gas tritt dann über die Öffnung 30 des kleinen Rohrs 29 und dann über die durch den Deckel 62 verlaufende Austrittsöffnung 63 aus. Es ist zu bemerken, daß der innerhalb des.Gehäuses 1 gelegene Bereich aufgrund der durch die Dichtungen 55 und 56 hergestellten Abdichtung dauernd vom Gasaustritt isoliert ist. Der Erzeugungsdruck des Gases wird beim Eintritt in das Gerät und in den Heizofen beim beschriebenen Beispiel mit 2 Bar gewählt, was aber durchaus höher liegen kann.

Der über die Leiterspeiselitze 20 ankommende zum Erhitzen erforderliche elektrische Strom wird über die Hülse 14 zum Rohr 13

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und dann über über die Berührung der Teile 13a und 27a zum heizenden Rohr 24 übertragen. Aufgrund des Widerstands der Rohre und 26 erzeugt ^der elektrische Strom eine starke Temperaturerhöhung der vom Gas durchströmten Rohre in der oben angegebenen Weise. Die Stromrückleitung zur Masse erfolgt nach dem Durchfließen der Rohre 24 und 26 über das Rohr 34, wobei die Gehäuse 45 und 47 und das Gehäuse 1 gemeinsam an die Leiterspeiselitze 71 angeschlossen sind. Dagegen ist das Rohr 13 von der Masse isoliert durch das Zwischenstück 56 aus einem geeigneten Material, z.B. Celoron (WZ), und ebenfalls durch den Flansch 3, der vorteilhaft aus Altuglass(WZ) hergestellt ist. Die Wärmeschilde 40-43 ermöglichen einen wirksamen Schutz gegenüber der Strahlung der heizenden Rohre 24 und 26. Diese Wärmeschilde sind vorteilhaft aus Molybdän hergestellt und geeignet durch die isolierenden Teile 39 und 44 zentriert, die aus Aluminiumoxyd gebildet sind. Die Kühlung der verschiedenen Teile des Heizofens wird durch die dargestellten Kreise erzielt. Der erste umfaßt den Sammelbehälter 50 und die Leitungen 49 für die Kühlung des zentralen Teils. Der zweite wird durch sein Gehäuse 57 gebildet, das den Schutz des Kopfs 28 des Heizelements 24, 26 gestattet, durch den das auf hohe Temperatur gebrachte Gas austritt. Der dritte schließlich ist um das Rohr 13 für die Stromspeisung herum vorgesehen und ermöglicht den Schutz dieses Rohrs über dem Bereich 21, vgl. Fig. 1.

Die verschiedenen verwendeten Thermoelemente ermöglichen schließlich die Kontrolle, daß verschiedene zerbrechliche Teile des Heizofens kalt bleiben, insbesondere der Teil hinter dem Heizelement durch die mit dem Kabel 19 vereinigte Thermoelementsonde, am Austritt des Heizelements durch die Thermoelementsonde 75 und schließlich im mittleren Bereich durch die Thermoelementsonde 74.

Die folgende Tabelle läßt die Wirksamkeit des Pumpens klar erscheinen, das über die Rohrleitung 82 im ringförmigen Umfangsb.ereich zwischen dem Ende des Heizelements 24, 26 und dem Deckel 2

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- li -

ausgeführt wird, und zeigt die erhaltenen Temperaturen mit und ohne dieses Pumpen, wobei die übrigen Parameter konstant bleiben.

ρ,-	1	! !	Durchmesser	!	erzielte	Temperatur	mit Pumpen
uras	!	der öffnung 63	1	ohne Pumpen	!	1380 °K
I Stick-1 stoff 1	0,25 mm	1 1 1	560 °K	1 1	1600 °K
Wasser-1 stoff j	0,25 mm	1	510 °K	!	2100 °K
Argon	0,25 mm	1	950 0K	1

Diese Heizofenart gestattet dank der Kombination ihrer Elemente die Vermeidung der Nachteile der bisherigen Heizöfen:

a) Die Gesamtanordnung des Heizofens ist in einem Gehäuse bei Umgebungstemperatur enthalten aufgrund einer z.B. wassergekühlten Verkleidung und aufgrund der Verwendung eines guten Leiters, etwa des Kupfers. Eine derartige Kühlung wird bis zur Austrittsöffnung der Düse ausgeführt, wobei diese Austrittsöffnung an einem kleinen Teil (Deckel 62) gelegen ist, der an dem den Behälter bildenden gekühlten Kupferblock verschraubt ist. Auf diese Weise kann sich in den zur Bildung von Molekularstrahlen erforderlichen Ausrichtungen keine Störung eines MolekularStrahls hoher Qualität bilden.

b) Es ist leicht, die Abmessungen der Austrittsöffnung zu ändern (ihren Durchmesser im Fall eines Drehsystems), da der Deckel 26, an dem die öffnung 63 angebracht ist, leicht abnehmbar ist.

R Π 9 R ft fi / 1 η /. >

c) Die Drücke wirken ebenso gut innerhalb wie außerhalb der rohrförmigen Heizwiderstände. Das gleiche gilt für das Kühlgehäuse mit Ausnahme der Nähe der Düse. Auf diese Weise kann der Heizofen sehr hohe Drücke ertragen, da alle Wände des Behälters, auf die sie wirken, Umgebungstemperatur aufweisen, was die Verwendung von nichtrostendem Stahl gestattet.

Ein neues und bemerkenswertes Element der Erfindung ist das Pumpen im ringförmigen ümfangsbereich unmittelbar stromauf der Austrittsöffnung 63 des Deckels 62. Wie bereits ausgeführt, verbessert dieses Pumpen in hohem Maß die Qualitäten des Heizofens und insbesondere die Temperatur des den Uberschallstrahl bildenden axialen Stroms. Es gibt in diesem Stadium keine Theorie, die in eindeutiger Weise die sehr wirksame Rolle dieses Pumpens erklären könnte. Es kann jedenfalls auf verschiedene Arten interpretiert werden, und zwar entweder daß das auf den Umfang der Gasströmung wirkende Pumpen auf diese Weise die kältesten Teile der Gasströmung beseitigt, wobei die Umfangsteile vorher in Berührung mit den gekühlten Wänden standen, was die mittlere Temperatur erhöht, oder daß das Pumpen die Verweilzeit des aus dem Heizelement austretenden Gases und folglich die Austauschvorgänge ' mit den kalten Wänden beträchtlich vermindert, oder daß die Druckverminderung im Zwischenraum zwischen dem Heizelement 24, 26 und dem Deckel 62 die Wärmeleitfähigkeit des Gases vermindert und somit die Kühlung beim Durchtritt des Gases in diesen kritischen Teil des Behälters verhindert.

Ee wurde angegeben, daß die Wirksamkeit des Pumpens umso größer war, je kleiner der Durchmesser der Austrittsöffnung 63 des Deckels 62 ist.

In Fig. 3 ist ein Schnitt einer bevorzugten Ausführungsform des Heizofens nach der Erfindung dargestelt. Diese Variante ergibt Gasaustrittstemperaturen, die über denjenigen des ersten Heizofens liegen. Dieser Heizofen weist die allgemeine Anordnung des vorhergehenden Heizofens auf unter Austausch der Elemente

R 0 3 R ß R / 1 η Λ /,

? 5-3 η 8 S 1

und 26 aus Graphit gegen Wolfram. Der im äußeren Gehäuse 1 enthaltene Heizofen z.B. aus nichtrostendem Stahl für einen besseren Widerstand gegenüber hohen Drücken endet am Deckel 62, der von der Austrittsöffnung 63 durchbohrt ist, durch die das Gas gemäß dem Pfeil 79 entleert wird. Dieser Ofen enthält einen äußeren Zylinder 102 und einen Zentrierzylinder 103, der durch einen Wasserkreis gekühlt wird, der gemäß dem Pfeil 105 eindringt und nach dem Durchlaufen des Zwischenraums zwischen den beiden Zylindern oder Behältern 102 und 103 gemäß dem Pfeil 106 über eine Rohrleitung 107 wieder austritt. Der Zentrierzylinder 103 enthält das Heizsystem für in Umlauf befindliches Gas. Dieses Heizsystem besteht wenigstens aus einem Wärmeschild, das von öffnungen durchbohrt ist, durch die das im Behälter 102 enthaltene Gas gemäß dem Pfeil 110 eindringt. Der z.B. aus Molybdän bestehende Wärmeschild 40 gestattet gleichzeitig den Durchtritt von kalten Gasen und deren Vorerhitzung. Der rohrförmige Wärmeschild 40 wird an einem Ende von einem isolierenden Ring 109 gehalten, der durchbohrt ist, um den Zutritt von im Gehäuse 1 enthaltenem Gas zu ermöglichen. Am anderen Ende des Wärmeschilds 40 befestigen und zentrieren isolierende Ringe ein erstes Rohr 26 aus Wolfram, das mit einem ebenfalls aus Wolfram bestehenden zweiten Rohr 24 die Heizwiderstandsanordnung des Heizofens bildet. Diese beiden Rohre sind über einen leitenden Ring 112 aus Wolfram elektrisch miteinander verbunden und werden am anderen Ende von einem isolierenden Ring 113 gehalten. Diese beiden Verbindungsringe ermöglichen eine geeignete Abdichtung. Die beiden Rohre aus Wolfram sind auf der Anordnung von Flanschen durch Konen 114 und 115 verspannt, wobei der letztere durch einen Ring 116 elektrisch isoliert ist. Der Strom kommt an einem Konus 123 über ein gekühltes Kupferrohr an, wie es beim Heizofen der Fig. 2 der Fall war. Die Stromrückleitung erfolgt ebenfalls vorteilhaft über Masse wie beim Heizofen der Fig. 2.

In Fig. 3 erfolgt das Hilfspumpen durch einen in Nähe des Austritts des Rohrs 24 gelegenen Ringraum. Das bei 83 gepumpte

H 0 9 8 'B 6 / 1 η U

7 5 3 η 8 5

Gas wird durch die Rohrleitung 82 entleert. Thermoelemente und 101 ermöglichen eine Kontrolle in der Weise, daß bestimmte Stellen durchaus auf Temperaturen in Nähe der Umgebungstemperaturen bleiben oder etwa 200 C nicht überschreiten.

Alle Wasser-, Strom-, Gas- und Thermoelementanschlüsse erfolgen zur Rückseite des Heizofens hin und innerhalb eines das Gehäuse 1 verlängernden Rohrs. Auf diese Weise kann der Heizofen vollständig zusammengebaut werden, bevor er an einem Molekularstrahlgenerator angebracht wird.

Die folgende Tabelle vergleicht die mit und ohne Hilfspumpen erhaltenen Temperaturen, wobei alle übrigen Parameter konstant bleiben.

Durchmesser der
Öffnung 63 des
Deckels 62

0,25 mm

Gas

IArgon

!Argon

! 1

.Argon ,

.Wasserstoff j

.Wasserstoff .

Wasserstoff ,

erzielte Temperatur

, ohne Pumpen

1300 °K 1600 °K

670 ⁰K

900 °K

1200 °K

1420 °K

mit Pumpen

2600 ⁰K 3000 ⁰K

2700 °K 1720 °K 2200 °K 2450 ⁰K

5 0 9 B fi f. / 1 Π 4 Z,

Claims (7)

1. ? Fi 3 η 8 5 1

   Ansprüche

   fI Λ Heizofen,insbesondere zum Erzeugen von Molekularstrahlen, ge- ^ lennzejchnet durch wenigstens ein elektrisches Widerstands-Heizelement (24, 26), das in Berührung mit einer zuerst außen, dann innen umlaufenden Gasströmung steht, durch wenigstens einen das Heizelement (24, 26) umgebenden ringförmigen und koaxialen Wärmeschild (40-43), durch wenigstens einen Kühlkreis, der mit einem Fluidumlauf arbeitet und den Wärmeschild (40-43) sowie die Enden des Heizelements (24, 26) umgibt, durch ein dichtes tragendes Gehäuse (1), das von der Gasströmung gespeist wird und mit dem äußeren Bereich des Heizelements (24, 26) in Verbindung steht, durch einen eine Düse bildenden Deckel (62), der in das Gehäuse (1) eingeschraubt und von einer Austrittsöffnung (63) durchbohrt ist, die gegenüber dem offenen Ende des Heizelements (24, 26) angeordnet ist, von wo aus die heißen Gase austreten, durch eine Pumpeinrichtung, die an den ringförmigen Umfangsteil eines Zwischenraums angeschlossen ist, der zwischen dem offenen Ende des Heizelements (24, 26) und dem Deckel (62) enthalten ist, und durch eine Stromversorgung (19, 20) für das Heizelement (24, 26).
2. 2. Heizofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgung (19, 20) ein Rohr (13) enthält, das an einem Ende mit dem Heizelement (24, 26) und am anderen Ende mit einer elektrisch leitenden Hülse (14) in Verbindung steht, die an eine Leiterspeiselitze (20) angeschlossen ist.
3. 3. Heizofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromrückleitung über ein an Masse angeschlossenes metallenes Rohr (34) erfolgt, das das Heizelement (24, 26) umgibt und am Gehäuse (1) befestigt ist.

   η 9 R a κ /1 η /, /,

   75 3 0-8 51
4. 4. Heizofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (24, 26) aus einem Rohr (24) aus Graphit besteht, der außen einen von einem zweiten konzentrischen Rohr (26) bedeckten schraubenförmigen Vorsprung (25) aufweist.
5. 5. Heizofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (24, 26) aus wenigstens einem Rohr aus Wolfram besteht.
6. 6. Heizofen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) das Heizelement (24, 26), die Wärmeschilde (40-43) und den Kühlkreis mittels eines elektrisch isolierenden Flansches (3) trägt, der den Boden des Behälters (1) unter Zwischenschaltung von elektrisch isolierenden Zwischenstücken (54) und von Dichtungen (55, 56) schließt.
7. 7. Heizofen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Wärmeschilde (40-43) von isolierenden Teilen (39, 44) getragen wird, die den oder die Wärmeschilde (40-43) gegenüber*dem Heizelement (24, 26) zentrieren.

   S (1 R R B Π / 1 Π /, k