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"Verfahren zur Erhöhung der Leitfähigkeit an Oberflächen
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von Isolatoren aus anorganischem Material, wie z.B. Keramik, Glas
etc., oder organischen Materialien, wie z.B. Epoxidharz, andere Gießharze etc.,
und aus Mischungen beider Materialien" Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zur Erhöhung der Leitfähigkeit an Oberflächen von Isolatoren aus anorganischen Materilien,
wie z.B. Keramik, Glas etc., oder organischen Materialien, wie z.B. Epoxidharz,
andere Gießharze etc. und aus Mischungen derselben.
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Isolatoren aus organischen oder anorganischen Materialien besitzen
normalerweise einen spezifischen Volumenwiderstand von ca. 10 14 Ohm cm, so daß
Ableitströme entstehen, die im Normalfall zwar vernachlässigbar sind, unter bestimmten
Voraussetzungen jedoch zur Bildung von Oberflächenladungen führen, z.B. dann, wenn
irgendwelche Unregelmaßigkeiten an der Oberfläche des Isolators vorhanden sind.
Beispielsweise liegen die Ableitströme bei einem Widerstandswert von etwa 10 14
Ohm cm und 300 kV im Nano-Ampere-Bereich. Derartige Unregelmäßigkeiten können beispielsweise
im Material liegen; es können auch Reinigungsmittelreste sein, welche bei einer
Reinigung auf der Isolatoroberfläche zurückgeblieben sind.
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Diese ungleichen Spannungsverteilungen auf der Oberfläche können in
der Folge Entladungen hervorrufen, welche unter Umständen die Zerstörung des Isolators
bewirken können. Dabei ist man bestrebt, entweder das Entstehen von örtlichen Aufladungen
ganz zu vermeiden oder dafür zu sorgen, daß die Ladungen abfließen können.
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Bei Freilufttragisolatoren hat man die äußere Fläche des Isolators
mittels einer halbleitenden Schicht bestrichen, um Ladungen ableiten zu können,
welche sich aufgrund von Verschmutzungen an der Außenfläche des Isolators festgesetzt
haben. Diese halbleitenden Schichten sind beispielsweise Graphit oder dergleichen.
Der Widerstand derartiger halbleitenden Schichten ist bei den derzeit bekannten
Aufbringungsmethoden zu gering; er liegt im Bereich von etwa 10 4 bis 10 5 Ohm.
Diese führt bei den im Anwendungsgebiet bei der Hochspannungsgleichstromübertragung
(HGÜ) vorhandenen Spannungsdifferenzen zwischen dem Innen- und dem Außenleiter zu
Strömen, welche den Isolator zu stark aufheizen, so daß dieser nicht mehr verwendbar
ist.
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Andere Materialien, wie z.B. Metalle, welche mit an sich bekannten
Verfahren aufgebracht werden (mittels Plasmaspritzen, physikalischen oder chemischen
Aufdampfverfahren, Sputtern, Elektrolyse, Elektrophorese, reaktivem Aufdampfen oder
Ionenplattieren sowie Karbonisieren oder Bestrahlung mit Alfa-, Beta-, Gammastrahlung
etc.), sind selbst dann ungünstig, wenn sie lediglich in atomare Dicke auf den Isolator
aufgebracht werden, weil ein zu hoher Strom fließt, so daß der Isolator zu warm
wird. Darüber hinaus ist die Schichtqualität nicht ausreichend, teilweise weil eine
genaue Festlegung der Schichtdicke sehr schwierig und mit sehr hohem Aufwand zu
erzielen ist und teilweise weil die Haftfestigkeit gering ist. Darüber hinaus besteht
die Gefahr einer Strahlenschädigung und - bei organischen Materialien - einer Karbonbildung.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu entwickeln, mittels
dem es möglich ist, die Leitfähigkeit bzw. den Oberflächenwiderstand genau auf den
gewünschten Wert einzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Erzielung
einer gewünschten Leitfähigkeit an der Oberfläche und im oberflächennahen Volumen
Ionen oder Atome mittels gesteuerter, an sich bekannter Ionenimplantation eingebaut
werden.
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Die Ionenimplantation zur Dotierung von Halbleiterelementen ist an
sich bekannt. Man benutzt dabei im allgemeinen einen Ionenerzeuger, in welchem sich
z.B. metallische Därnpfe, nicht kondensierbare Gase oder sonstige Materialien befinden,
welche durch Elektronenstoß ionisiert werden. Die Ionen werden anschließend in einem
Massenspektrometer separiert und auf Energien von 1 bis z.B. 300 keV beschleunigt.
Zur ortsabhängigen Implantation kann einerseits der Ionenstrahl mittels elektrischer
oder elektromagnetischer Felder über die Probe bewegt werden (wobbeln) oder man
kann bei feststehendem Strahl die Probe durch rotierende oder lineare Bewegung örtlich
verändern.
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Bei Halbleitern ist die Implantation ein gängiges Verfahren, zumal
sich die physikalischen Gegebenheiten durch den Bandabstand zwischen dem Leitungsband
und dem Valenzband von ca. 2 eV charakterisieren lassen. Bei Isolatoren dagegen
ist die physikalische Situation anders,-da der Bandabstand von der Größenordnung
von 10 eV und größer ist, so daß aus diesem Grunde eine Übertragung der Erkenntnisse
bei der Dotierung von Halbleiterbauelementen auf die Ionenimplantation von Isolatoren
nicht ohne weiteres möglich ist und deshalb bisher auch keine Beachtung gefunden
hat.
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Im Gegensatz zur Behandlung der Oberfläche mittels der oben genannten
bekannten Verfahren ist es mittels der Ionenimplantation möglich, genau und exakt
gezielt Widerstandswerte bzw.
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Leitfähigkeitswerte an der Oberfläche und/oder im oberflächennahen
Volumen zu erhalten.
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Ein besonders bevorzugter Oberflächenwiderstand beträgt ca.
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10 6 Ohm und größer, wobei man in vorteilhafter Weise einen Wert von
10 9 Ohm einstellen wird. Sinnvollerweise liegt die obere Grenze für den durch Bestrahlung
eingestellten Oberflächenwiderstand im Bereich des natürlichen Widerstandes des
Isolators, da sonst kein wesentlicher Beitrag zur gesamten Leitfähigkeit mehr geliefert
wird. Natürlich ist es denkbar, auch Werte von 10 10 oder 10 12 Ohm einzustellen;
diese sind aber nicht mehr ohne weiteres und mit den derzeitigen Mitteln nur schwierig
zu messen. Mittels dieses Ionenstrahles~ .$ können Isolatoren auf Kunststoffbasis
oder auch auf anorganischer Basis (Al2 03, Keramik, Gläser, Si 02 )behandelt werden.
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Die durch Implantation erzeugte Oberflächenleitfähigkeit ist grundsätzlich
nur gering von der Ionensorte, d.h., ob man beispielsweise Natrium-, Kalium-, Zäsium-Ionen
bzw. Atome implantiert1 und der Energie abhängig, aber erheblich von der Intensität
der Strahlung (Anzahl der Teilchen pro Flächeneinheit) bzw. von der Dauer der Einwirkung.
Bei der Ionenimplantation bildet sich knapp unterhalb der Oberfläche eine Ionenkonzentration,
welche annähernd der Gauß'schein Verteilungskurve folgt. Dies bedeutet, daß in einem
bestimmten Abstand unterhalb der Oberfläche ein Konzentrationsmaximum ist. Die Höhe
dieses Maximums ist mit der Dauer der Einwirkung und die Tiefe mit der Energie,
welche die Ionen besitzen und mit der Ionenart variierbar. Bei verhältnismäßig kleiner
Ionen-Energie ist das Maximum dicht unter der Oberfläche, während bei größerer Energie
das Maximum tiefer im Volumen liegt.
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Es besteht aus diesem Grunde die Möglichkeit, durch Variation im wesentlichen
der Intensität und der Energie und letzlich auch durch Anderung der Ionensorte eine
bestimmte und bestimmbare Ionenkonzentrationsverteilung, ausgehend von der
Oberfläche
nach innen, zu erzielen. Bei zunächst geringer Energie liegt das Maximum, wie oben
erwähnt, dicht unter der Oberfläche; bei Steigerung der Energie kann das Maximum
tiefer in den Isolator verlagert werden, so daß eine Art Summenkurve entsteht, welche
parabelförmig, hyperbelförmig etc. ausgebildet sein kann. Es ist sinnvoll die Summenkurve
so auszubilden, daß sie annähernd senkrecht auf die Oberfläche stößt und grob angenähert
der Hälfte einer Gaußschen Verteilungskurve kurve bzw. einer halben Sinuskurve entspricht.
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Der Anwendungsbereich der Ionenimplantation zum Einbauen von Ionen
in die Oberflächen von Isolatoren ist groß.
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Aus diesem Grunde soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert
und beschrieben werden.
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In der Zeichnung ist ein Isolator in allgemeiner Form und ein scheibenförmiger
Isolator für eine SF6-gekapselte Hochspannungs-Gleichstrom-Ubertragungsleitung dargestellt.
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Es zeigt: Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Isolator, der mit Ionen
beschossen wurde, Fig. 2 einen weiteren Isolator mit einer erwünschten Ionenkonzentrations-Verteilungskurve
und Fig. 3 einen scheibenförmigen Isolator für eine Hochspannungs-Gleichstrom-Ubertragungs-Schaltanlage
und Fig. 4 eine grafische Darstellung der Tangentialfeldstärke über der Oberfläche
des Isolators radial nach außen sowie die Verteilung des Oberflächenwiderstandes
und die Verteilung des Oberflächenleitwertes.
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In der Fig. 1 ist ein Isolator 11 im Schnitt dargestellt, welcher
beispielsweise aus Keramik besteht. Es besteht natürlich auch die Möglichkeit, daß
ein Isolator aus Gießharz oder aus Glas verwendet werden kann. Dieser Isolator 11
ist mittels eines Ionenimplantationsgerätes bestrahlt worden, dergestalt,
daß sich eine Ionenkonzentrations-Verteilungskurve gemäß der Kurve A ergeben hat.
Man erkennt, daß die Kurve angenähert dem Gaußschen Verteilungssatz folgt, so daß
in einem bestimmten Abstand unterhalb der Oberfläche, wobei der Abstand D 1 ist,
ein Maximum der lonenkonzentration liegt.
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Während die Höhe des Maximums abhängig ist von der Dauer, d.h. der
Intensität der lonenstrahlung, und wenig von der Energie, ist die Tiefe D 1 nur
abhängig von der Energie, die die Ionen beim Auftreffen auf die Oberfläche des Isolators
11 besitzen.
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Bei der Kurve A ist diese Energie vergleichsweise gering.
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Bei der Kurve B ist diese Energie erheblich größer. Hier liegt das
Maximum zwar auf der gleichen Höhe, jedoch liegt es im Abstand D 2 unterhalb der
Oberfläche. Um das Maximum etwa auf gleiche Höhe zu bringen, muß sowohl die Energie
als auch die Intensität gesteigert werden. Mittels einer geeigneten Steuerungseinrichtung
des Ionenimplantationsgerätes, welches hier nicht weiter dargestellt ist, kann sowohl
das Maximum als auch der Abstand von der Oberfläche genau auf das gewünschte Maß
eingestetlt werden. Daß das Maximum unterhalb der Oberfläche liegt, hat unter gewissen
Voraussetzungen einen Vorteil, der darin besteht, daß direkt die Oberfläche nicht
mit den Ionen besetzt ist, so daß die Gefahr einer Beschädigung der elektrisch leitfähigen
bzw. elektrisch leitenden Schicht nicht ohne weiteres gegeben ist.
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Die Figur 2 zeigt nun eine Möglichkeit, den Isolator in bestimmter
Weise mit einer leitfähigen Oberflächenschicht zu versehen. Dabei sind, abhängig
von der Intensität bzw.
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der Energie, mehrere Kurven aufgetragen, die Kurve A 1, A 2, A 3,
A 4 und A 5. Während die Kurve A 1 eine Konzentration darstellt, bei der mit vergleichsweise
geringer Energie der Ionen gearbeitet wurde, sind die Kurven A 2, A 3, A 4 und A
5 jeweils mit steigender Energie und steigender Intensität erzielt worden.
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Die Flächen unterhalb der Kurven erzeugen im Integral eine Kurve H,
welche einen optimalen Wert zur Erhöhung der Leitfähigkeit zwecks Ableitung von
Ladungsträgern bzw. Ladungen auf der Oberfläche des Isolators darstellt.
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Will man keine derartige Kurve erzielen, so ist es auch ohne weiteres
möglich, entweder die Kurve A oder die Kurve B gemäß der Figur 1 zu verwenden. Ist
die Fläche unterhalb der Kurve A gleich der Fläche unterhalb der Kurve B, dann erhält
man, wie Versuche ergeben haben, keinen wesentlichen Unterschied in der Leitfähigkeit.
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Wendet man die Erkenntnisse, die bei der Ionenimplantation gefunden
worden sind, auf Isolatoren in Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlagen an,
dann kommt man zu folgenden Ergebnissen: In metallgekapselten, SF6-isolierten Schaltanlagen,
welche im wesentlichen Wechselstrom übertragen, ist eine Ionenimplantation zur Erhöhung
der Leitfähigkeit an der Oberfläche nicht unbedingt erforderlich. Lediglich dann,
wenn man davon ausgeht, daß der Bereich der Schaltanlage zwischen der letzten kabelseitigen
Trennstrecke und dem Kabel einer Kabel-Gleichspannungsprüfung unterzogen wird, wäre
eine Erhöhung der Oberflächenleitfähigkeit der Schottungs- und Tragisolatoren sinnvoll.
Bei Wechselspannung hat man im wesentlichen eine sogenannte kapazitive Steuerung,
d.h., Material und Formgebung des Isolators sowie isolatornahe Elektroden bestimmen
die Feldverteilung am Isolator. Für diese Anlagen besteht deshalb eine geringere
Notwendigkeit, gezielte Oberflächenleitfähigkeiten einzustellen, da Versteuerungen
durch Fremdschichten in gekapselten Anlagen verhältnismäßig selten vorkommen.
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Eine Beeinflussung der Feldverteilung mittels einer ohmschen Steuerung
ist möglich, kann aber unter Umständen gewisse Verlustleistungen mit sich bringen,
so daß dem Wärmeabtransport
Beachtung geschenkt werden müßte.
Aus diesem Grunde ist die Zahl der Anwendungsfälle des erfindungsgemäßen Verfahrens
bei Wechselstrom- übertragenden Schaltanlagen verhältnismäßig gering, während der
Hauptanwendungsfall bei HG0-Anlagen zu sehen ist.
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Bei diesen gekapselten Schaltanlagen, bei denen vorteilhafterweise
Gießharze als Trag- und Schottungsisolatoren benutzt werden, wird die Uberschlagsfestigkeit
dieser Isolatoren durch die Potential- und Feldverteilung bestimmt.
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Diese ergibt sich aus den ohmschen und kapazitiven Eigenschaften der
Isolatoren. Die kapazitive Verteilung ist weitgehend von der Geometrie des Isolators
bestimmt und entsprechend bezüglich der Überschlagsfestigkeit optimiert.
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Mittels der Ionenimplantation können auch die ohmschen Eigenschaften
so eingestellt werden, daß sich eine optimale Potential- und Feldverteilung ergibt.
Betrachtet man beispielsweise einen elektrischen Isolator gemäß der Figur 3, so
soll dieser Isolator einen Innenleiter 31 von einem Kapselungs- bzw. Außenleiter
32 trennen und isolieren.
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Der Isolator besitzt die Bezugsziffer 33. Wie man erkennt, ist die
Dicke des Isolators in axialer Richtung F 1 am Innenradius r 1 annähernd genau so
breit wie die Dicke des Isolators an seinem Radius r 2; die Dicke ist dort mit-F
2 bezeichnet. Etwa an dem mittleren Radius rm beträgt die Dicke des Isolators Fm;
sie ist kleiner als die Werte F 1 und F 2. Wie sich bei Rechnungen herausgestellt
hat, verläuft die Tangentialfeldstärke Et, wenn man von dem Punkt 5 am Fuße des
Isolators in Richtung S fortschreitet, so, wie in der Figur 4 dargestellt. Die Tangentialfeldstärke
Et ist im Bereich SO verhältnismäßig klein und steigt dann rasch an auf einen höheren
Wert und fällt im Bereich des Punktes S2, d.h.
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am äußeren Radius r 2 wieder ab.
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Dieser kapazitiven Steuerung ist sinnvollerweise die ohmsche Steuerung
anzupassen, so daß auch die ohmsche Steuerung annähernd ähnlich verläuft. Dies ist
in der Figur 4 dargestellt mit der Kurve R,. Hier ist der ohmsche Oberflächenwiderstand
aufgetragen über der Strecke S. Man sieht, daß Rg ansteigt von einem niedrigen Wert
am Punkt SO und wieder abfällt auf den annähernd gleichen niedrigen Wer S2. In umgekehrter
Weise verläuft die Oberflächenleitfähigkeit G Um diese Kurven zu erzielen ist es
erforderlich, ausgehend von der Erfindung die Ionenkonzentration so einzustellen,
daß sich die gewünschten Oberflächen-lntiderstandskurven bzw.
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Leitwertskurven ergeben. Dies geschieht dadurch, daß man beispielsweise
Silber-, Mangan-, Kupfer- oder indiumionen im Bereich des inneren Radius mit verhältnismäßig
großer Energie und/oder großer Intensität einbaut und die Energie bzw.
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Intensität stetig bis zum Wert bei S. verringert, annähernd konstant
läßt und dann ab dem Punkt 5a wieder steigert. Diese gewünschte Leitfähigkeit- bzw.
Feld- und Potentialsteuerung kann ohne weiteres mit den an sich bekannten Methoden
zur Ionenimplantation eingestellt werden. Wie weiter oben schon dargestellt, hat
dieses Verfahren den Vorteil, daß die leitfähige Schicht nicht direkt auf der äußeren
Oberfläche liegt, so daß sie auch nicht direkt der äußeren Umgebung mit den Möglichkeiten
zur Verschmutzung und dergleichen ausgesetzt ist.
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Wie Versuche ergeben haben, nimmt der Widerstand RO mit steigender
Tonenkonzentration ab. Dies ist auch klar. Wie sich weiterhin als Versllchen ergeben
hat, liegt ein günstiger Wert etwa zwischen 150 bis 180 A0. Es ist selbstverstandlich
möglich, nicht niir einen Isolator, wie er in der Figur 3 dargestellt ist, in geeigneter
Weise mit Ionen zu versehen, sondern auch Isolatoren anderer Formen. Dabei ist allerdings
zu beachten, daß die lonenkonzentration angenshert - was die Maxima bzw.
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Minima betrifft - umgekehrt zur Verteilung der Tangentialfeldstarke
111er der abgewickelten Oberfläche (radial nach außen) folgen sollte. Bei einem
bekannten Konusisolator ist an bestimmten t}bergangssteilen die Tangenti alfe dstarke
maximal; dort sn]1tn die Minima der Ionenkonzentration, d.h. die Maxima des Oberflächenwiderstandsverlaufes
liegen.
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nur bei einem tbleitstrom von innen nach außen sich die Stroindichte
verringert, ist es nicht notwendig, an allen Stellen, die sich jeweils im annähernd
gleichen Abstand (bei annahernd symmetrischer Tangentialfeldstärkeverteilung) von
Innen- bzw.
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Außenradius befinden auch gleiche Ionenkonzentrationsdichten vorzusehen.
Es ist dann erforderlich, am Innenradius eine höhere Dichte und am Außenradius eine
geringe Dichte zu erzielen.
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Bei der Isolatorausführung gemäß der Figur 3 besteht auch die ítöglichkeit,
nicht nur an den seitlichen Oberflächen Elektronen zu implantieren, sondern auch
an den Oberflächen, die im Bereich der Außenkapselung liegen, d.h. an den Flächen
F 3 und F 4. Es erscheint aber gegenwärtig gerade bei derartigen Isolatoren an diesen
Stellen einfacher, hier eine Beschichtung mittels Leitlack, zum Beispiel Silberlack,
aufzubringen, um an diesen Stellen keine Korona- oder Glimmentladungserscheirning
zu erhalten, sondern um einen satten Stromübergang zwischen der Außenkapselung und
dem Isolator zu erhalten.
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Es besteht nicht mir die Möglichkeit mit der vorliegenden Erfindung
die Leitfähigkeit der Isolatoren zu erhöhen, sondern es
besteht
auch die Möglichkeit, die Erfindung gemäß dem vorliegenden Verfahren dazu zu benutzen,
bestimmte Stellen mit erhöhter Leitfähigkeit zu versehen, z.B. um bestimmte, definierte
Strompfade zu erhalten.