DE2711827C3

DE2711827C3 - Verfahren zum Betrieb einer zwischen einer Anode und einer Kathode in einem strömenden Gas brennenden Glimmentladung

Info

Publication number: DE2711827C3
Application number: DE2711827A
Authority: DE
Inventors: Richard 7032 Sindelfingen Jacobson; Fritz Dr.-Ing. Dr. 7302 Ostfildern Maisenhaelder; Wilhelm 7000 Stuttgart Schrenk
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1977-03-18
Filing date: 1977-03-18
Publication date: 1979-10-11
Also published as: GB1593466A; US4156828A; FR2384348A1; DE2711827A1; DE2711827B2; BE864403A; FR2384348B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer zwischen einer Anode und einer Kathode in einem strömenden Gas brennenden Glimmentladung, bei dem man das Gas mit hoher Strömungsgeschwindigkeit radial in das Gascntladungsgefäü einführt, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Solche Glimmentladungen können beispielsweise eingesetzt werden, um kontinuierliche Laser hoher Leistungsdichte zu erhalten. Beispielsweise ist ein solcher gasdynamischer CO-Laser bekannt, bei dem das die (jlimmstrccke zwischen Anode und Kathode durchlaufende Gas anschließend au' sehr tiefe Tcmoeraturen abgekühlt wird, wodurch sich die für eine Laserwirkung erforderliche Inversion ergibt. Um die Leistungsdichte derartiger Laser zu steigern, ist Voraussetzung, daß die Leistungsdichte in der Güm-

ί mentladung zur Anregung des Gases möglichst hoch ist Bisher wurde bei ähnlichen in Gasströmungen brennenden Glimmentladungen eine rohrförmige Anode verwendet, wobei das Gas entweder durch das Anodenrohr selbst oder durch radiale Schlitze vor dem

in Anodenrohr in das eigentliche Entladungsrohr eingeführt wurde. Mit solchen Anordnungen ließen sich Leistungsdichten bis ca. 50 W/cm³ erzielen. Derartige Anordnungen sind z. B. bekannt aus:

— I.W.Rich.R.C.Bergmann.J.A.Lordi,
Electrically Excited, Supersonic Flow
Carbon Monoxide Laser, AIAA J. Vol. 13,
No. 1, Jan. 1975.

— H. Brunet.M. Mabru,

Improved Performance of an Electric-Discharge
N2-CO Mixing Laser, J. of Appl. Physics,
Vol. 46, No. 7, July 1975.

- W. LNi gh a n,

Stability of High Power Molecular Laser
Discharges, United Technologies Res. Center,
Rep. 75-19.

- J.W. Daiber,HLM.Thompson,Th.J.Falk,
The Efficiency of CO Vibrational Excitation

in a Self-Sustained CW Glow Discharge,
IEEE J. of (Juantum Electronics, Vol. 12,
No. 11,1976.

Es hat sich bei den bisher bekannten Verfahren zum Betrieb einer Glimmentladung jedoch herausgestellt, daß einer Erhöhung der Leistungsdichte dadurch Grenzen gesetzt sind, daß die Glimmentladung in eine Bogenentladung umschlägt. Dieser Umschlag äußert sich zunächst in einer Anzahl von fadenförmigen Bogenentladungen, die von bestimmten Stellen der Anode ausgehen. Um derartige lok.,;i° Bogenentladungen möglichst zu verhindern, hat man bisher beispielsweise die Breite eines radialen Einlaßspaltes für das strömende Gas mit höchster Präzision eingehalten (vgl. den oben angeführten Artikel von D a i b e r et al. in der Zeitschrift IEEE J. of Quantum Electronics vom U. November 1976). Jedoch konnten auch diese Maßnahmen nicht zu einer über den oben angegebenen Wert hinausgehenden Steigerung der Leistungsdichte führen.

Die vorliegende Erfindung baut nun auf der Erkenntnis auf, daß für das Entstehen der Bogenentladungen lokale Erhitzungen an der Anode, also thermische Instabilitäten, verantwortlich sind und daß bei Beseitigung dieser thermischen Instabilitäten oder Inhomogenitäten die Leistungsdichte einer solchen Glimmentladung erheblich gesteigert werden kann.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, die Leistungsdichte einer Glimmentladung gegenüber bisher bekannten Glimmentladungen deutlich zu erhöhen, indem die Entstehung thermischer Instabilitäten, d. h. lokaler Überhitzungen, im Bereich der Anode vermieden werden.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man als Anode eine im wesentlichen ebene Anode verwendet, deren Ansat/.fläche im wesentlichen senkrecht auf der Entladungsachsc steht, und daß man das Gas derart in das Gasentladungsgefäß einführt, daß es an der ebenen Ansatzfläche der Anode vorbeiströmt.

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Vorzugsweise läßt man das Gas mit Schallgeschwindigkeit einströmen.

Die besondere geometrische Anordnung der Anode im Entladungsgefäß und das an ihrer Ansatzfläche, d. h. ihrer für die Glimmentladung aktiven Fläche, vorLeiströmende Gas führen zu einer sehr effektiven Kühlung an der Anodenoberfläche, wobei die radiale Einführung des Gases und die damit verbundene Verwirbelung desselben im Raum vor der Anodenansatzfläche die Kühlung noch unterstützen.

Dieser Effekt wird mit steigender Strömungsgeschwindigkeit des eingelassenen Gases in zunehmendem Maße wirksam; daher läßt man das Gas vorzugsweise mit Schallgeschwindigkeit einströmen.

Die Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einem eine Anode und eine Kathode enthaltenden, gasdurchströmten Gasentladungsgefäß mit einem Ringspalt, durch den das Gas in das Entladungsgefäß eintritt, dadurch gelöst, daß die Anode eine im wesentlichen ebene, senkrecht auf der Entladungsacn.se stehende Ansatzfläche für die Glimmentladung aufweist und derart angeordnet ist, daß das radial einströmende Gas an dieser Ansatzfläche entlangströmt.

Vorzugsweise ist die Breite des Ringspaltes einstellbar; dadurch kann die Strömungsgeschwindigkeit des an der Ansatzfläche vorbeifließenden Gases eingestellt werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Anode in einer mit dem eigentlichen Entladungsrohr über den Ringspalt in Verbindung stehenden Vorkammer angeordnet ist, weiche einen Einlaß für das einströmende Gas aufweist. Vorteilhafterweise kann die Anode zur Einstellung der Breite des Ringspaltes gegenüber der entladungsrohrseitigen Stirnfläche der Vorkammer verstellbar sein.

Schließlich kann vorzugsweise die Anode in den Bereichen, die nicht als Ansatzfläche für die Glimmentladung dienen, mit einem elektrisch isolierten Überzug versehen sein.

Die nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Die Zeichnung stellt eine schematische Längsschnittansicht des Anodenraumes einer Glimmentladung dar.

Die Glimmentladung wird in eint/n Entladungsgefäß üblicher Bauart durchgeführt, das im wesentlichen ein Entladungsrohr 1 mit einem kreisförmigen Querschnitt sowie eine Kathode und eine Anode 2 umfaßt. In der Figur ist nur das anoden^eitige Ende des Entladungsgefäßes im Längsschnitt dargestellt, kathodenseitig kann das Entladungsgefäß beispielsweise in an sich bekannter Weise in einen Expansionsraum einmünden, in dem das Gas durch Expansion ausreichend abgekühlt wird, um eine für eine Laserwirkung ausreichende Inversion zu erreichen.

Gasdynamische Laser sind jedoch nicht die einzige Anwendungsmöglichkeit für Glimmentladungen erhöhter Leistungsdichte. So werden diese Glimmentladungen beispielsweise auch in der Plasmachemie zur Synthese von organischen und anorganischen Reaktionsprodukten eingesetzt.

Am anodenseitigen Ende ist das Entladungsrohr 1 offen und mündet in eine Vorkammer 3, die über einen Einlaß 4 mit einer in dor Figur nicht dargestellten Quelle für das Betriebsgas verbindbar ist. Die Vorkammer 3 selbst wird durch de¹.: Innenraum eines topfartigen Bauteiles aus einem isolierenden Kunststoffmaterial gebildet, welches am anodenseitigen Ende des Entladungsrohres 1 abgedichtet befestigt ist. Zu diesem Zweck ist um das anodenseitige Ende des Entladungsrohres 1 ein ebenfalls aus einem Kunststoffmaterial bestehender Flanschring 5 gelegt, der gegenüber dem Vorkammerbauteil durch eine Ringdichtung 6 abgedichtet ist Auf der dem Vorkammerbauteil gegenüberliegenden Seite ist ein weiterer, das Entladungsrohr 1 umgebender, am Flanschring 5 mittels einer weiteren Ringdichtung 7 abgedichtet anliegender Haltering 8 aus Aluminium vorgesehen. Die eine Dichtungspackung bildenden Ringe 5 und 8 weisen Bohrungen 9 bzw. 10 auf, durch die eine in das Vorkammerbauteil einschraubbare Schraube 11 hindurchragl, die die Ringe 5 und 8 sowie das Vorkammerbauteil zusammenspannt

Im Innern der Vorkammer 3 ist die Anode 2 zentrisch zum Entladungsrohr 1 derart angeordnet, daß ihre Ansatzfläche 12, d. h. ihre für die Glimmentladung aktive Fläche, senkrecht zur Längsachse des Entladungsrohres steht. Die Anode ^cHbst besteht im wesentlichen aus einer Scheibe i'i ir»it kreisförmigem Querschnitt und einem daran anschließenden, aus dem Vorkammerbauteil durch eine öffnung 15 austretenden Stempel 14, der gegenüber dem Vorkammer bauteil mittels einer Ringdichtung 16 abgedichtet ist. An seinem freien ende 17 trägt der Stempel 14 ein Außengewinde, das in eine am Vorkammerbauteil auf der der Vorkammer 3 gegenüberliegenden Seite anliegende Scheibe 18 eingeschraubt ist. Die Scheibe 18 besteht vorzugsweise aus Aluminium und dient gleichzeitig als Stromzuführung zur Anode.

Durch Verdrehen des Stempels 14 und damit der Anode 2 gegenüber der Scheibe 18 kann der axiale Abstand der Anode 2 vom Entladungsrohr 1 eingestellt werden. Dabei bildet sich zwischen der Anode 2 einerseits und der anodenseitigen Stirnfläche des Entladungsrohres oder des Flanschringes 5 andererseits ein Ringspalt 20 aus, dessen Breite durch Verdrehen der Anode 1 und des Stempels 14 einstellbar ist.

Die Scheibe 13 der Anode ist in den Bereichen, die nirht als aktive Fläche der Glimmentladung, also nicht als Ansatzfläche dienen sollen, mittels eines elektrisch isolierenden Überzuges 21 versehen. Dieser Überzug kann auch zusätzlich, anders wie in der Zeichnung dargestellt, an der Oberfläche de^ Stengels 14 aufgebracht se^;n.

Im Betrieb wird das Betriebsgas durch den Einlaß 4 in die Vorkammer 3 geleitet und gelangt durch den Ringspalt 20 mit großer Geschwindigkeit in das Entladungsrohr 1. Die durch den Ringspalt 20 hindurchtretende Gasströmung streicht an der Ansatzfläche 12 vorbei und erfährt im Bereich dieser Ansa'zfläche eine starke Verwirbelung. Dadurch wird uie Ansatzfläche 12 wirksam gekühlt, lokale Überhitzungen und damit die Ausbildung von Bcgenentladungen werden vermieden.

Diese Kühlung wird mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit des Gases größer. Daher ist man bestrebt, die Strömungsgef .hwindigkeit durch Verkleinerung des Ringspaltes 20 möglichst hoch einzustellen, vorzugsweise läßt man das Gas mit Schallgeschwindigkeit einströmen.

Durch Erhöhung des Gasdruckes in der Vorkammer 3, d. h. also durch Zufuhr des Betriebsgases unter erhöhtem Druck, kann men erreichen, daß der durch den Ringspalt 20 hindurchtretende Gasstrom auch nach dem Durchtritt durch den Ringspalt 20 seine ursprüngliche Richtung beibehält, d. h. sich längs der Ansatzfläche

weilerbewegt, bevor er nach Verwirbelung in Richiung des !Entladungsrohres 1 umgelenkt wird. Durch Wahl des Überdruckes im Vorraum 3 kann man daher die Strömungsverhältnisse im Bereich der Ansat/fläche 12 beeinflussen. Dies gilt insbesondere auch dann, wenn der Überdruck in der Vorkammer 3 gegenüber dem Entladungsrohr 1 so hoch gewählt ist, daß das (ia¹ in jedem Tall mit Schallgeschwindigkeit durch den Ringspalt 20 strömt.

Die im wesentlichen ebene Ansatzfläche der Anode kann auch leicht gewölbt sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

27 Π 827 Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betrieb einer zwischen einer Anode und einer Kathode in einem strömenden Gas brennenden Glimmentladung, bei dem man das Gas mit hoher Strömungsgeschwindigkeit radial in das Gasentladungsgefäß einführt, dadurch gekennzeichnet, daß man als Anode eine im wesentlichen ebene Anode verwendet, deren Ansatzfläche im wesentlichen senkrecht auf der Entladungsachse steht, und daß man das Gas derart in das Gasentladungsgefäß einführt, daß es an der im wesentlichen ebenen Ansatzfläche der Anode vorbeiströmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Gas mit Schallgeschwindigkeit einströmen läßt

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, da3 man das Gas unter einem Druck in das i^ntiauungsgCiau ciniUurt, ucr grower ist, SiS es zur Erreichung der Schallgeschwindigkeit nötig ist.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1,2 oder 3, mit einem eine Anode und eine Kathode enthaltenden, gasdurchströmten Gasentladungsgefäß und mit einem Ringspalt, durch den das Gas in das Entladungsgefäß eintritt, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (2) eine im wesentlichen ebene, senkrecht auf der Entladungsachse stehende Ansatzfläche (12) für die Glimmentla '¹IUg aufweist und derart angeordnet ist, daß das radial einströmende Gas an dieser Ansatzfläche(12) entlangströmt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite de_;, Ringspaltes (20) einstellbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (2) in einer mit dem eigentlichen Entladungsrohr (1) über den Ringspalt (20) in Verbindung stehenden Vorkammer (3) angeordnet ist, welche einen Einlaß (4) für das einströmende Gas aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (2) zur Einstellung der Breite des Ringspaltes (20) gegenüber der entladungsrohrseitigen Stirnfläche der Vorkammer (3) verstellbar ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (2) in den Bereichen, die nicht als Ansatzfläche (12) für die Glimmentladung dienen, mit einem elektrisch isolierenden Überzug (21) versehen ist.