DE4303567C2

DE4303567C2 - Herstellung synthetischer Diamanten

Info

Publication number: DE4303567C2
Application number: DE4303567A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dr Ing Stricker
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-02-08
Filing date: 1993-02-08
Publication date: 1995-03-16
Anticipated expiration: 2013-02-09
Also published as: DE4303567A1

Description

Arbeiten von General Electric u. a. ergaben, daß zur Umwandlung von Graphit in Diamant außer hohen Drücken auch hohe Temperaturen erforderlich sind, und daß einatomiger Kohlenstoff bei der Synthese des Diamanten eine Rolle spielt. U.a. sind Arbeiten im Lichtbogen vorteilhaft, weil derselbe extrem hohe Energien liefert, so daß Kohlenstoff beweglich wird und in atomarem Zustand verdampft und damit die Bedingung der Umwandlung so verschiedener Gitter wie sie im Graphit und Diamant enthalten sind, begünstigt wird. Der im Lichtbogen in Dampf bzw. Plasmazustand übergeführte Kohlenstoff wird der Einwirkung magnetischer Felder zugänglich, die kinetische Energie er zeugen, die sich in gesteigerte Hitze- und Druckwirkungen auf das Plasma auswirkt. Die Druckeinwirkung auf das Kohlenstoffplasma ist infolge der geringeren Teilchenzahl pro Volumeneinheit - im Festkörper sind es 10²⁴ Teilchen/cm², im Plasma ca. 10¹⁶ Teilchen/cm³ - um 8 Größenordnungen bedeutend intensiver als auf dem Festkörper.

Kohlenstoffdampf bzw. -plasma entsteht im Hochstromlichtbogen, im dem von der weißglühenden Kathode Elektronen unter der Wirkung des elektrischen Feldes zur Anode fliegen und diese zur Weißglut bringen. Das entstehende Eigenmagnetfeld des Bogens, bedingt durch die hohen Stromstärken, preßt die Bogensäule zusammen, wobei bei den anodischen Ansatzpunkten überhitzte Bezirke entstehen, von denen Kohlenstoffdampfstrahlen zur Kathode übergehen. Bei 3000 K und 10⁻³ atü besteht der Dampf aus fast 100% atomarem Kohlen stoff. Enthalten die Kohleelektroden noch Zusätze von chemischen Elementen, die Energie aus dem Feld aufnehmen können, so gehen auch diese zur Kathode über. Diese Elemente sind größtenteils ionisiert in der Bogensäule enthalten und können demnach magnetische Energie aus dem Eigenfeld des Bogens sowie von außen her durch Anordnung stromdurchflossener Spulen aufnehmen. Die auf genommenen Energien sind zum Teil in den mitgeführten Elementen gespeichert und orientieren sich in ihren Rotationsachsen - den Spins - in Richtung der magnetischen Feldlinien. Bei den entgegengesetzt wirkenden Spins einzelner ionisierter Kohlenstoffatome, die u. a. durch Zusammenstöße neutraler Kohlen stoffatome unter Abtrennung eines Elektrons entstehen, tritt, infolge Koppelung durch Spinresonanz eine Annäherung von Kohlenstoffatomen ein. Dies bedingt eine Verringerung der Netzebenenabstände des Kohlenstoffatoms in die Größenverhältnisse der Zellenkonstanten des Diamanten.

Aufgrund des Verhaltens im Hochstromkohlelichtbogen weise ich auf meine Ver fahrensmöglichkeit hin, die anstelle der Anwendung von Höchstdruckautoklaven für die Erzeugung der äußerst hohen Drücke, die zur Diamantensynthese ange wandt wurden, Kohlenstoff im Plasmazustand (ggfs. Mischungen von Kohlenstoff plasma mit Elementen, die aus dem Feld des Lichtbogens Energie aufnehmen) im Hochstromkohlelichtbogen erzeugt, der starken magnetischen Feldern ausge setzt wird. Hierbei werden unter den hohen Drücken, die durch die Felder ent stehen, gleichzeitig Temperaturen erreicht, die im Bereich der Verdampfungs temperatur des Kohlenstoffs liegen und damit die Voraussetzung für die Diaman tensynthese geschaffen wird.

Durchführung des Verfahrens

Zur Durchführung meines Verfahrens wird ein Hochstromkohlelichtbogen verwendet (Fig. 1), dessen positive Kohle aus Homogenkohle besteht. Diese enthält in der Längsachse (1) schmale Kanäle (2), in die Elemente der Verbindungen von Elementen des Li, Fe, Co, Ni, Mn, Cr, W eingeführt werden können.

Bei den hohen Stromdichten des Hochstromkohlelichtbogens, die nach Zündung des Lichtbogens erreicht wird, gehen Kohlenstoff und die in der Anode enthaltenen, der Brennzone ausgesetzten Elemente in Dampf bzw. plasmaförmigen Zustand zur Kathode (7) über. Der Hochstromkohlelichtbogen brennt im Innern einer Röhre (9) aus Homogenkohle bestehend. Im mittleren Teil der Röhre ist die Wandstärke verringert. An den Rohrenden sind Kupferringe (10) aufgesetzt, die zum Strom anschluß vorgesehen sind. Zur Verminderung von Wärmeverlusten nach außen ist das Heizrohr (9) mit einem Rohr aus feuerfestem Material (11) umkleidet. Der Lichtbogen wird erst gezündet, nachdem das Heizrohr (9) zum Glühen gekommen ist. Die Kohleelektroden (1 u. 7) werden über einen Ring aus feuerfestem Material (8) vorgeschoben, um ein Übergreifen des Hochstromkohlelichtbogens auf den Mantel der Elektroden zu verhindern. Im Kohlerohr (9) gleichsam im Isolierrohr (11) befinden sich Schlitze (12), die genau übereinanderliegen. Die Anordnung be findet sich, durch einen schmalen Zwischenraum (13) getrennt, im Kohlerohr (3). Ebenfalls durch einen Zwischenraum (14) vom Kohlerohr (3) getrennt sind 2 Hoch frequenzspulen (5) und ein Impulstransformator (6) auf dem Magnesitmantel (4) montiert.

Fig. 2 zeigt den Schnitt durch den Impulstransformator (6), der einen be wickelten Eisenkreis darstellt, sowie den Schnitt durch die Brennkammer. Die Bezifferungen bedeuten:

1 = Brennkammer
2 = Schutzrohr dünnwandig aus Wolframoxyd oder Zirkonoxyd
3 = Heizrohr aus Homogenkohle
4 = Heizrohrumkleidung aus feuerfestem Material
5 = Zwischenraum
6 = Kohlerohr
7 = Zwischenraum
8 = Magnesitmantel
9 = Impulstransformator (gestrichelte Linien sind Wicklungen).

Fig. 3 stellt die Schaltung für die beiden Stromspulen (5) und den Im pulstransformator (6) dar.

Die hochfrequenten Schwingungen für die Stromspulen (5) werden durch den Hochfrequenzgenerator (11) erzeugt und heizen das Plasma induktiv auf. Der Anschluß des Impulstransformators (6) erfolgt über den Transformator (12). Der über den Gleichrichter (13) und den Schütz (14) laufende Strom lädt den Kondensator (15) auf, dessen aufgespeicherte Energie über den Schütz (16) auf den Impulstransformator (6) übertragen wird.

Die erzeugten magnetischen Felder wirken auf die im Plasma enthaltenden Elemente diamagnetisch ein, d. h., sie weichen nach Orten geringerer magne tischer Feldstärken aus, sie laufen nach innen, wodurch Temperatur und Drucksteigerung eintreten. Durch das diamagnetische Verhalten des Plasmas wird eine gewisse Stabilisierung des Plasmas erreicht. Da außerdem das Plasma nicht in sich geschlossen ist, sondern an die Kohleelektroden geheftet ist, wird eine zusätzliche Stabilisierung gewährleistet. Um eine Löschung des Lichtbogens, der der Einwirkung der starken magnetischen Felder des Ring transformators ausgesetzt ist, zu vermeiden, ionisieren die Hochfrequenz ströme der Spulen (5) die Dämpfe in der Brennkammer auf gute Leitfähigkeit und werden bei einem eventuellen Erlöschen des Lichtbogens erneut gezündet.

Der Impulstransformator (6) erzeugt durch stoßartige Entladungen des Kon densators (15) äußerst starke magnetische Felder, wodurch die auf das Plasma einwirkende, nach innen laufende Kompressionswelle intensive Druck- und Temperatursteigerungen hervorruft. Anstelle des Kondensators (15) erscheint es zweckmäßig, mehrere parallel geschaltete Kondensatoren zu verwenden (3b), die durch Schaltungsschützen miteinander verbunden sind. Die Einschaltung der Kondensatoren erfolgt hierbei stufenweise über die Schaltschützen 17, 18 und 19, wobei infolge der stufenweisen Erhöhung der Entladungs ströme noch stärkere Kompressionswellen auf das Kohlenstoffplasma einwirken und damit sehr hohe Plasmadrücke - und Temperaturen verfügbar werden.

Außerdem tragen die im Lichtbogenplasma befindlichen Elemente infolge ihrer wirksam werdenden winzigen Elementarmagnete zur Stabilisierung des Spins der ionisierten Kohlenstoffatome bei, die sich in Richtung der magnetischen Feld linien orientieren. Die aus dem Magnetfeld entnommenen Rotationsenergien der Kohlenstoffatome ermöglichen es, daß nach dem Ausschleudern aus dem magneti schen Feld Kohlenstoffatome mit entgegengesetzten Spins sich zusammenlagern. Es wirken, durch die Spinresonanz bedingte Anziehungskräfte zwischen den Ro tationsspins der einzelnen Kohlenstoffatome ein, die miteinander in direkte Wechselwirkung treten und aufgrund der aufgenommenen diskreten Elementarquanten im Gebiet der Gitterkonstanten des Diamanten rotieren, d. h. Elektronen der L-Schale eines zentralen Kohlenstoffatoms koppeln sich mit den p-Elektronen von 4 weiteren Kohlenstoffatomen und führen zu einer Angleichung an die Zellen konstante im Strukturgebiet des Diamanten.

Durch die Kompressionswellen prallen die inneren Plasmawände aufeinander, wodurch das in der Rohrachse konzentrierte, kohlenstoffenthaltende Plasma explodiert. Dadurch bildet sich im Zentrum der Brennkammer ein Vakuum. Die Plasmasäule kann deshalb bei den nachfolgenden Verengungen um so heftiger auf einanderprallen. Die von den Druckwellen nachfolgenden Explosionswellen werden intensiver und schleudern die diamanthaltige Materie durch die Schlitze (12) der Brennkammer und setzen sie an der inneren Kondensationswand des Hohl zylinders (3) ab. Das Kohleheizrohr (9) in Fig. 1 ist aus folgenden Gründen in den Brennraum des Hochstromkohlelichtbogens eingesetzt.

1. Sollte der Lichtbogen infolge Einwirkungen starker äußerer Magnetfelder verlöschen, so tritt wieder Zündung durch die glühenden Rohrwände ein.
2. Energieverluste des Plasmas werden herabgesetzt.
3. Die Rückbildung des ionisierten Plasmas zu neutralen Atomen, Molekülen und Molekülketten wird herabgesetzt, wodurch Umlagerungen im Gitter des Diamanten verbessert werden.

Ausführungsbeispiele

Fig. 4 stellt einen Querschnitt einer anderen Variation des Impuls transformators dar. Der Eisenring ist elliptisch und nur an den schmalen Enden der Ellipse sind bewickelte Eisenkerne als Träger des magnetischen Flusses angebracht.

Die Bezifferungen bedeuten:

1 = Eisenring
2 = Eisenkern
3 = Wicklungen
4 = Brennkammer
5 = Rohrquerschnitte wie in Fig. 2

Anstelle des bewickelten Eisenkerns, wie in Fig. 2 und 4 im Quer schnitt dargestellt wurde, ist eine Anordnung von Magnetpolen, die senk recht zur Brennkammer angebracht sind, äußerst günstig.

Fig. 5 stellt einen Schnitt durch die Brennkammer und die beiden Magnet pole dar.

Die Schaltungsmöglichkeiten der Pole sind folgende:

1. Südpol - Südpol
2. Nordpol - Nordpol
3. Nordpol - Südpol

Fig. 6 zeigt die Brennkammer mit den vier Magnetpolen in perspektivischer Ansicht.

Fig. 7 stellt einen Schnit dar, in dem nur zwei der insgesamt vier Magnetpole erkennbar sind.

Für die Brennkammer ist folgendes vorgesehen:

Um das Innenrohr (9) in Fig. 1 vor Korrosion infolge der hohen Temperatur zu schützen, ist eine Innenauskleidung des Rohres mit einem Stoff aus korrosionsbeständigem Material angebracht. Hierfür ist Wolframoxyd oder Zirkonoxyd brauchbar in Fig. I mit .- .- .- eingezeichnet ohne Bezifferung. Dieses Rohr ist gleichfalls mit länglichen Schlitzen (12) versehen und koinzidiert mit den Schlitzen der Rohre (9) und (11).

Eine weitere Verbesserung betrifft die Kathodenkohle, die bei den hohen Stromstärken infolge der auftretenden negativen Stichflamme brüchig wird. Die Stabilität der Homogenkohle wird erhöht, wenn in einer in der Längs achse mit Bohrungen versehener Kohle Nickeldraht eingeführt wird.

Berechnungsbeispiele

Die Brennkammer nach Fig. 1 wird mit zylinderförmigen Elektroden aus Homo genkohle betrieben, die Anodenkohle mit einem Durchmesser von 25 mm, die Kathodenkohle von 18 mm bei 220 Volt Betriebsspannung und 200 Ampère Lichtbogenstrom (Gleichstrom). Als Stromstoßtransformator ist versuchsweise eine Spule von 5 cm Länge mit 10 000 Windungen Kupferdraht von 2 mm Durch messer vorgesehen. Die Spule hat in diesem Fall keinen Eisenmantel. Der Spulenstrom mit 30 Ampère kann bei den sehr kurzen Entladungszeiten der Kondensatorbatterie wesentlich überschritten werden.

Die Entladung der 1000 Volt Kondensatorbatterie mit 10 parallel geschalteten Blockkondensatoren von zusammen 80 µF ergibt bei einem Spulenstrom von 30 Ampère 10 000 Windungen und 5 cm Länge der Spule.

Dies entspricht einem magnetischen Druck von:

Bei 10¹⁶ Teilchen im Plasma resultiert ein Druck pro Teilchen:

Zum Vergleich ergibt das herkömmliche Verfahren auf den Festkörper bei 10²⁴ Teilchen/ccm und 100 000 atü pro Teilchen:

D.h. die Druckeinwirkungen auf das Plasma sind um einige Größenordnungen höher - auf das einzelne Teilchen umgerechnet - als bei den herkömmlichen Verfahren.

Berechnungsbeispiel für thermische Drücke ohne der durch die Einwirkung des Stromstoßtransformators (6) in Fig. 1 erhaltenen magnetischen Drücke:
Kohlenstoff in Dampf bzw. in Plasmaform hat bei 3000 K und 10¹⁶ Teilchen/ccm einen Druck von 4 × 10⁻³ atü. Bei 11 600 K (Hochstromkohlelichtbogen) ent sprechend der Energie eines Elektronenvolts sind die Druckverhältnisse im Kohlenstoffplasma bei 10⁻¹⁶ Teilchen/ccm ca. 3 × 10⁻² atü.

Vergleicht man diesen Druck mit den auf den Festkörper angewandten Verfahren, die in den Größenordnungen von 10⁵ atü liegen, so würde sich auf das Plasma mit 10⁻¹⁶ Teilchen/ccm ein Druck von:

ergeben.

D.h. die thermischen Plasmadrücke liegen um eine Größenordnung höher, weshalb ihnen im Vergleich zu den konventionellen Verfahren der Vorzug zu geben ist.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung synthetischer Diamanten, dadurch gekennzeichnet, daß Kohlenstoff zusammen mit chemischen Elementen, die die Eigenschaft haben magnetische Energie aufzunehmen, in dampf- bzw. plasma förmigem Zustand übergeführt wird, wobei zur Durchführung des Verfahrens ein Hochstromkohlelichtbogen verwendet wird, dessen Anode (1) aus Homogenkohle besteht und die in der Längsrichtung von schmalen Kanälen (2) durchzogen ist, in die chemische Elemente eingeführt werden können; die Kathode (3), die gleichfalls aus Homogenkohle besteht, hat keine Bohrung und wobei der Hochstromkohlelichtbogen von den beiden Stromspulen (5) und dem Impulstransformator (6) umschlossen ist, die durch stoßartige Entladungen von Kondensatorbatterien mit Strom versorgt werden; die von den Stromspulen erzeugten magnetischen Felder führen dem kohlenstoffhaltigen Plasma kinetische Energie zu, wodurch das Plasma unter Hitze und Druckeinwirkungen zusammengepreßt wird; wobei der Impulstransformator (6) durch stoßartige Entladungen starke magnetische Felder erzeugt, die von den im Plasma mitverdampften Elementen aufgenommen werden; dadurch ergeben sich durch die auf das kohlenstoffhaltige Plasma einwirkende adiabatische Kompressionswelle, die nach innen läuft, intensive Druck- und Temperatursteigerungen, wodurch eine Lockerung der Bindungen der im Plasma befindlichen Kohlenstoffgruppierungen entsteht, die sich zum Teil zum Gitter des Diamanten zusammenfügen, und wobei die den Druckwellen folgenden Stoßwellen nach außen laufen und die gebildeten Diamantkeime an der Innenseite des Rohres (3) absetzen.

2. Verfahren nach Anspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, daß in die schmalen Kanäle der Anodenkohle (1) chemische Elemente eingeführt werden, die die Eigenschaft haben, aus dem Feld magnetische Energie aufzunehmen, wie Lithium, Eisen, Kobalt, Nickel, Chrom und Mangan.

3. Verfahren nach Anspruch 1-2 ist dadurch gekennzeichnet, daß der Hochstromkohlelichtbogen im Innenraum eines zylindrisch ausgebohrten Kohlekörpers (4) brennt, an dessen Außenseite, getrennt durch einen Zwischenraum über einem Mantel aus Magnesit, die Stromspulen (5) und der Impulstransformator sich befinden, und wobei die Anodenkohle gleichfalls schmale Kanäle zur Aufnahme der oben angeführten Elemente enthält, während die Kathodenkohle in diesem Falle keine Bohrung enthält, und wobei sich die diamanthaltigen Niederschläge hierbei im Innern des Kohlekörpers (3) abscheiden.