DE69809943T2

DE69809943T2 - Glimmentladungs-plasmavorrichung

Info

Publication number: DE69809943T2
Application number: DE69809943T
Authority: DE
Inventors: H. Becker; E. Kunhardt
Original assignee: Stevens Institute of Technology
Current assignee: Stevens Institute of Technology
Priority date: 1997-03-18
Filing date: 1998-03-17
Publication date: 2003-07-17
Anticipated expiration: 2018-03-18
Also published as: EP1012863A4; US5872426A; WO1998042002A1; EP1012863A1; EP1012863B1; US6005349A; ATE229227T1; JP2001527689A; HK1029222A1; AU720025B2; AU6468898A; DE69809943D1; KR20000076338A; CA2284242A1; CA2284242C

Description

Diese Erfindung betrifft allgemeinen gesehen ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Unterdrückung des Übergangs vom Glühen zum Bogen in DC- und RF-Glimmentladungen, und spezifischer gesehen eine Kathodenkonfiguration mit einem durchlöcherten dielektrischen Überzug zum Stabilisieren der Glimmplasmaentladungen.
Ein "Plasma" ist ein teilweise ionisiertes Gas, das aus Ionen, aus Elektronen und aus neutralen Teilchen zusammengesetzt ist. Dieser Zustand der Materie wird erzeugt durch hohe Temperaturen oder durch starke elektrische Felder, die von einem konstanten oder gepulsten DC-Strom (Gleichstrom), AC- Strom (Wechselstrom) oder von zeitveränderlichen elektromagnetischen Feldern [z. B. R. F. (Radiofrequenz) oder Mikrowellen] erzeugt werden. Plasmaentladungen werden erzeugt wenn freie Elektronen durch elektrische Felder auf einem Hintergrund von neutralen Atomen/Molekülen energetisiert werden. Diese Elektronen verursachen Kollisionen zwischen Elektronen - Atomen J Molekülen, welche Energie auf die Atome/Moleküle übertragen und eine Vielzahl von Teilchenarten bilden, die Photonen, metastabile Teilchen, angeregte Atomzustände, freie Radikale, molekulare Bruchstücke, Monomere, Elektronen und Ionen mit umfassen können. Das neutrale Gas wird teilweise (oder vollständig) ionisiert und ist in der Lage Ströme zu leiten. Die Plasmaarten sind chemisch aktiv und/oder sie können physikalisch die Oberfläche der Materialien verändern und sie können daher als die Basis für neue chemische Verbindungen dienen und sie können verwendet werden, um bestehende Verbindungen zu verändern. Plasmaentladungen können auch nützliche Mengen an optischer Strahlung erzeugen und sie können daher für Beleuchtungszwecke eingesetzt werden. Es gibt zusätzlich viele andere Verwendungen für derartige Plasmen. Glimmentladungen und Bogenentladungen erzeugen eine Klasse von Plasmen, die bekannt sind als Plasmen, die durch den Strom aufrechterhalten werden, weil sie infolge des Durchtritts des Stromes durch dieselben aufrechterhalten werden. Solche Plasmen leiten nur weil der Strom durch sie hindurchgeleitet wird, und die Leitfähigkeit fällt schnell ab, wenn die Quelle der Energie für die Ladungsträger entfernt wird.
Übergangspunkte bestehen dort, wo die verschiedenen Eigenschaften der Entladung und der Plasmaentladung sich verändern von den Eigenschaften einer Glimmentladung hin zu den Eigenschaften einer Bogenentladung. Diese Eigenschaften, die einen Bogen von einem Glühen unterscheiden, sind eine hohe Gastemperatur und ein niedriges Kathodenabfallpotential, obwohl es auch möglich ist, eine hohe Gastemperatur verbunden mit einem hohen Kathodenabfallpotential zu haben und umgekehrt.
Der Übergang vom Glühen zum Bogen tritt durch eine Reihe von stabilen oder quasi-stabilen Zuständen hindurch. Der letzte Schritt jedoch von einem abnormalen Glühen zu einem Bogen ist sehr oft ein instabiler Wechsel, da ein sehr großer Abfall des Potentials in dem Reihenwiderstand erforderlich sein würde, um ihn stabil zu machen. Wenn es keinen Reihenwiderstand gibt, dann kann der Übergang sehr schnell stattfinden, ohne dass ein Gleichgewicht in irgendeinem Zwischenzustand erzielt wird. Der Übergang wird schneller in dem Maße wie der Druck des neutralen Hintergrundgases in Richtung hin auf den atmosphärischen Druck ansteigt.
In der Vergangenheit gab es Anstrengungen, Glimmplasmaentladungen auf verschiedenen Wegen zu stabilisieren, wie etwa durch die Verwendung von Quellenfrequenzen über 1 kHz, das Einfugen einer dielektrischen Platte (oder. mehrerer derselben) zwischen zwei Metallelektroden und durch den Einsatz eines das Helium verdünnenden Gases. Zusätzlich erstrecken sich andere Versuche zur Stabilisierung der Glimmplasmaentladungen auf ein Anordnen einer isolierten Platte auf der unteren Elektrode, die Verwendung einer bürstenartigen oberen Elektrode und die Verwendung einer oberen Metallplatte in Kombination mit einer isolierenden Platte auf dem Boden derselben. Es gibt jedoch bestimmte Nachteile im Zusammenhang mit diesen Anforderungen insofern als z. B. Helium teuer ist und als, es physikalische Begrenzungen gibt, die auf der Struktur der Elektroden und der isolierten Platten beruhen.
Vergangene Arbeiten auf diesem Gebiet umfassen eine Reihe von Artikeln von Okazaki, Satiko, et al., und gehen zurück bis in das Jahr 1989 mit dem Artikel von Kanazaw, S., et al., mit dem Titel "Glow Plasma Treatment at Atmospheric Pressure for Surface Modification and Film Deposition," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research (1989) Elsevier Science Publishers, B. V. (North-Holland Physics Publishing Division), welche eine Plasmabehandlung bei atmosphärischem Druck offenbaren zur Stabilisierung des Plasmas durch eine Behandlung in einem Gas, das Kohlenstofftetrafluorid (CF4) enthält, unter Verwendung von Helium als dem Verdünnungsgas und unter Verwendung einer isolierenden Platte auf einer unteren Elektrode und unter Verwendung einer bürstenartigen Elektrode für die obere Elektrode, um eine stabile Entladung bei 3.000 Hz zu erzeugen.
Yokoyama, T., et al., "The improvement of the atmospheric-pressure glow plasma method and the deposition of organic films," Journal of Physics (1990) IOP Publishing, Ltd., offenbart ein verbessertes Verfahren einer Glimmplasmaentladung bei atmosphärischem Druck für die Behandlung von metallischen Substraten, bei welchem die mittlere obere Plattenelektrode verbessert wird durch die Verwendung einer isolierenden Platte, die auf deren Boden angeordnet wird.
Yokoyama, T., et al., "The mechanism of the stabilization of glow plasma at atmospheric pressure", Journal of Physics (1990) IOP Publishing, Ltd., offenbart eine Stabilisierung einer Glimmentladung bei atmosphärischem Druck durch die Steuerung von drei Bedingungen, nämlich die Verwendung einer Hochfrequenzquelle, die Verwendung von Heliumgas für die Verdünnung und die Einfügung einer dielektrischen Platte zwischen die Elektroden.
Okazaki, Satiko, et al., "Appearance of stable glow discharge in air, argon, oxygen, and nitrogen at atmospheric pressure using a 50 Hz source", Journal of Physics, (1993) IOP Publishing, Ltd., offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Stabilisierung einer Glimmentladung, indem man dafür sorgt, dass die Entladung in den frühen Phasen der Kekez-Kurve stattfindet, und bei einer niedrigeren Zündspannung der Entladung durch die Verwendung einer Netzelektrode aus Metalldraht.
Kogoma, Masuhiro, et al., "Raising of ozone formation efficiency in a homogenous glow discharge plasma at atmospheric pressure," Journal of Physics, (1994) IOP Publishing, Ltd., offenbart eine Ozon bildende Vorrichtung zur Erhöhung der Wirkungsgrade der Ozonbildung durch die Verwendung einer homogenen Glimmentladung bei atmosphärischem Druck, um so Ozonwirkungsgrade zu erzielen, die auf etwa 10% in der Luft und auf ein Maximum von etwa 15% in Sauerstoff angesteigen, gegenüber herkömmlichen fadenförmigen Stromentladungen in Gas. Der Anstieg wird auf eine wirkungsvollere Kollision zwischen den Elektronen und den Molekülen zurückgeführt und auf einen geringeren Anstieg der Temperatur als in Entladungsfilamenten einer stillen elektrischen Entladung.
Andere Arbeiten auf diesem Gebiet schließen mit ein das U.S. Patent No. 4,498,551 von Hoag mit dem Titel "Discharge Electrode for a Gas Discharge Device," welches wie eine Nadel gestaltete Elektroden verwendet, die auf wirksame Weise in dem Gasstrom abgekühlt werden und die eine stabile Glimmentladung fördern.
U.S. Patent No. 5,387,842, datiert vom 7. Februar 1995, von Roth, et al., mit dem Titel "Steady- State, Glow Discharge Plasma," und U. S. Patent No. 5,414,324, datiert vom 9. Mai 1995, von Roth, et al., mit dem Titel "One Atmosphere, Uniform Glow Discharge Plasma," offenbaren beide einen stationären Zustand einer Glimmplasmaentladung, die zwischen einem Paar isolierter Metallplattenelektroden erzeugt wird, welche bis zu fünf Zentimeter im Abstand voneinander entfernt angeordnet sind und welche mit einem RMS Potential von 1 bis 5 kV bei 1 bis 100 kHz energetisiert werden. Der Abstand zwischen den Elektroden wird ausgefüllt von einem Edelgas wie Helium, Neon, Argon usw. und er kann auch Luft enthalten. Die Vorrichtung für den Verstärker der Radiofrequenz zur Erzeugung und Aufrechterhaltung einer Glimmplasmaentladung umfasst ein an die Impedanz angepasstes Netzwerk. Der Bogen des elektrischen Feldes ist hoch genug, um die positiven Ionen des Plasmas zwischen den Elektroden einzuschließen, aber nicht so hoch, dass die Elektronen des Plasmas während einer halben Periode der RF- Spannung auch eingeschlossen werden.
Keine dieser vorherigen Anstrengungen offenbart aber alle Vorzüge der vorliegenden Erfindung, auch lehrt der Stand der Technik nicht alle Elemente der vorliegenden Erfindung, genauso wie er sie nicht vorschlägt.
Es ist ein primäres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung für eine Stabilisierung von Glimmplasmaentladungen zu liefern.
Es ist ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Unterdrückung des Übergangs vom Glühen zum Bogen bei Glimmentladungen zu liefern.
Es ist ein zusätzliches Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Stabilisieren von Glimmplasmaentladungen in einem konstanten elektrischen Feld zu liefern.
Es ist sogar noch ein zusätzliches Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Stabilisieren von Glimmplasmaentladungen in zeitveränderlichen elektrischen Feldern zu liefern.
Es ist ein anderes Ziel der Erfindung, eine Kathodenkonfiguration für eine Stabilisierung des Kathodenabfalls in einer Glimmentladung zu liefern.
Es ist ein zusätzliches Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Unterdrückung des Übergangs vom Glühen zum Bogen bei Glimmentladungen zu liefern und zwar für einen weiten Bereich von Betriebsbedingungen und für einen weiten Bereich von Betriebsdrücken.
Es ist ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Metallkathode zu liefern, die mit einem durchlöcherten Dielektrikum überzogen ist zur Unterdrückung des Übergangs vom Glühen zum Bogen und zur Stabilisierung der Glimmentladung.
Es ist auch ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Unterdrückung des Übergangs vom Glühen zum Bogen für einen weiten Bereich von elektrischen Feldstärken zu liefern.
Es ist ein zusätzliches Ziel der vorliegenden Erfindung, die Eigenschaften der Verbrennung von Brennstoff maßzuschneidern durch eine Feldverstärkung mit einer Unterdrückung des Übergangs vom Glühen zum Bogen.
Es ist ein zusätzliches Ziel der vorliegenden Erfindung, die Eigenschaften einer mit Hilfe eines Plasmas unterstützten Materialbearbeitung maßzuschneidern durch eine Unterdrückung des Übergangs vom Glühen zum Bogen bei der Materialbearbeitung.
Es ist ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, den Übergang vom Glühen zum Bogen zu unterdrücken und ein großes Volumen an Plasmabearbeitung bei atmosphärischem Druck zu erlauben.
Es ist ein zusätzliches Ziel der vorliegenden Erfindung, die Komplexität und die Kosten einer Plasmabearbeitung von Materialien zu vermindern.
Es ist sogar ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, die Schadstoffüberwachung zu verbessern durch den Einsatz von Plasmen bei hohen Drücken durch eine Unterdrückung des Übergangs vom Glühen zum Bogen.
Demgemäss liefert ein erster Aspekt der Erfindung eine Vorrichtung für eine Glimmplasmaentladung, wie sie in Anspruch 1 festgelegt worden ist. Bevorzugte Kennzeichen dieses Aspektes der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 6 und 12 bis 15 festgelegt.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung liefert eine Kathode in einer Vorrichtung einer Glimmplasmaentladung, wie sie in Anspruch 7 festgelegt ist. Bevorzugte Kennzeichen dieses Aspektes der Erfindung sind in den Ansprüchen 8 bis 11 festgelegt.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Erzeugung und zur Aufrechterhaltung einer Glimmplasmaentladung geliefert, wie es in Anspruch 16 festgelegt ist. Bevorzugte Kennzeichen dieses Aspektes der Erfindung sind in den Ansprüchen 17 bis 21 festgelegt.
Andere wichtige Ziele und Kennzeichen der Erfindung werden offensichtlich aufgrund der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung, wenn diese im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird, welche folgende Darstellungen zeigen:
Fig. 1 eine auseinandergezogene Perspektivansicht des durchlöcherten Dielektrikums, das eine Kathode einer DC-Ausführung gemäß der vorliegenden Erfindung bedeckt.
Fig. 2 eine schematische Ansicht einer Schaltkreiskonfiguration für die Verwendung mit der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 eine Graphik der Spannung, aufgetragen gegen den Strom, für die Anlegung von Spannung, Glimmspannung und Lichtbogenspannung in Argon bei 5.333 Pa (40 Torr).
Fig. 4 eine Graphik der Spannung, aufgetragen gegen den Strom, für die Anlegung von Spannung, Glimmspannung und Lichtbogenspannung in Argon bei 2.666 Pa (20 Torr).
Fig. 5a und Sb Graphische Darstellungen der Anlegung von Spannung, Glimmspannung und Lichtbogenspannung mit dem durchlöcherten Dielektrikum und ohne dasselbe gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 6a eine Photographie, die eine Bogenentladung zeigt, und Fig. 6b eine Photographie, die eine Glimmentladung zeigt.
Fig. 7 eine ebene Seitenansicht einer anderen Ausführung gemäß der vorliegenden Erfindung für ein RF Feld, in dem durchlöcherte Dielektrika über den beiden Elektroden angeordnet werden.
Die vorliegende Erfindung richtet sich auf ein Verfahren und auf eine Vorrichtung für eine Stabilisierung von Glimmplasmaentladungen durch eine Unterdrückung des Übergangs vom Glühen zum Bogen bei einer Entladung unter DC, RF elektrischem Feld, einem gepulsten DC, einem AC Strom oder bei irgendwelchen anderen Glimmentladungen, welche sich von dem Gebiet des Kathodenabfalls aus entwickelt. Mit Bezug auf Fig. 1 kann man sehen, dass eine neue Kathodenkonfiguration entwickelt worden ist, um den Kathodenabfall zu stabilisieren und um den Übergang vom Glühen zum Bogen für einen weiten Bereich von Betriebsbedingungen zu unterdrücken. Demgemäss kann eine stabile Glimmentladung mit der Kathodenkonfiguration der vorliegenden Erfindung aufrechterhalten werden unter einem sehr weiten Bereich von Betriebsbedingungen (bis hin zu den atmosphärischen Drücken) und unter einem sehr weiten Bereich von elektrischen Feldstärken.
Mit Bezug auf Fig. 1, die eine DC Ausführung zeigt, umfasst die Kathode gemäß der vorliegenden Erfindung, allgemein mit der Referenz 10 bezeichnet, eine Metallkathode 20 (Aluminium, rostfreier Stahl usw.), die mit einem durchlöcherten Dielekrikum 30 überzogen ist, das angeordnet ist um einer oberen Elektrode 40 gegenüber zu liegen. Das durchlöcherte Dielektrikum 30 kann auf der Kathode 20 mit Hilfe einer ringförmigen Einfassung 35 zurückbehalten werden, welche über die Kathode 20 passt und eine Öffnung 36 durch dieselbe aufweist, oder welche ausgebildet sein kann als Teil einer Kappe oder einer Abdeckung für die Kathode 20, oder welche darauf angeordnet sein kann und weiche darauf in Position gehalten werden kann auf irgendeine andere Art und Weise wie dies vom Stand der Technik her bekannt ist.
Es ist wichtig, dass das durchlöcherte Dielektrikum aus irgendeiner gewünschten Art einer dielektrischen Substanz hergestellt werden kann, wie etwa Quarz, Siliziumnitrid, Siliziumkarbid usw., sogar Glas. Das Dielektrikum wird vorzugsweise hergestellt aus einem Material, das hohen Temperaturen standhalten kann. Im Wesentlichen stellt ein durchlöchertes Dielektrikum ein Sieb von Löchern in der Dimension von Mikrometern dar. Der Abstand von Zentrum zu Zentrum zwischen den Löchern ist von derselben Größenordnung der Dimensionen. Die Dimensionen der Löcher sind für besondere Anwendungen kritisch. In Versuchsreihen wie sie hierin später diskutiert werden, wurde ein Dielektrikum mit Löchern von 10 um (10 Mikrometer) und mit einem Abstand von Zentrum zu Zentrum von 12 um (12 Mikrometer) verwendet. Die Dimensionen der Löcher können variieren von 5 bis zu 200 um für den Lochdurchmesser und von zwischen 100 um bis zu 2 mm für die Lochlänge (Dicke des Dielektrikums). Es ist wichtig, dass das Verhältnis des Lochdurchmessers zu der Dicke des Dielektrikums ein bedeutender Faktor ist und etwas darstellt das in Abhängigkeit von der Anwendung gesteuert werden kann. Ein Beispiel für solch ein Verhältnis könnte 10 zu 1 sein, wobei der Lochdurchmesser ein Zehntel der Dicke des Dielektrikums ausmacht.
Das durchlöcherte Dielektrikum kann durch Laserablation hergestellt werden. Rohlinge für dielektrische Platten, die von Norton International hergestellt werden, können benutzt werden, und sie funktionieren in der gewünschten Weise (ein Dielektrikum mit einem Lochdurchmesser von 10 um und eine Lochlänge von 0,6 mm). Der Lochdurchmesser, die Lochlängen, die Lochdichte und das Material können verändert werden, um die Erfindung für eine besondere Anwendung zu optimieren. Irgendein Siliziumkarbidwafer kann durch Laserablation für eine Verwendung in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung durchlöchert werden.
Mit Bezug auf Fig. 2 ist ein Schaltkreis gezeigt, der verwendet worden ist, um Versuche gemäß der vorliegenden Erfindung durchzuführen, welche später diskutiert werden, wobei der Schaltkreis mit der Kathodenkonfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, um eine stabile DC Glimmplasmaentladung zu bewirken. Der Schaltkreis ist bestimmt durch die Gleichung (1):
VG = I&sub1;(R&sub1; + R&sub2;) = 1/R&sub1;(R&sub1; + R&sub2;)V Gleichung (1)
wobei: I&sub2; = 4I
RE &sim; R&sub3;/4 (für R&sub1; < < R&sub3;)
Vg = VG - IgRE
Vd = VG - IdRE
Auf diese Weise können durch die Messung der Spannung V über den Widerstand R&sub1; und des Stromes I durch den Widerstand R&sub1; die Spannung und der Strom durch die Kathode 10 berechnet werden.
Die vorliegende Erfindung erlaubt es, mit DC Glimmentladungen, welche eine gut bekannte Instabilität aufweisen, welche ihrerseits den Betriebsbereich begrenzt, unter einem weit höheren Druck bis hin zu atmosphärischen Drücken zu arbeiten. Demgemäss erlaubt diese Stabilisierung auch Anwendungen unter vielen Aspekten der Materialverarbeitung, der Abhilfeleistung bei Verunreinigungen, der neuen Beleuchtungsgeräte und der durch Entladung vergrößerten Verbrennung.
Das durchlöcherte Dielektrikum, das die Metallkathode bedeckt, stabilisiert das Gebiet des Kathodenabfalls der DC Entladung, indem es die Entladung in eine große Anzahl von getrennten Mikrokanälen aufbricht. Jedes der Löcher, welches das durchlöcherte Dielektrikum umfasst, wirkt als ein getrennter, aktiver, den Strom begrenzender Mikrokanal. Verluste an Teilchen, die auf Wandeffekte und auf das begrenzte Volumen eines jeden Kanals zurückzuführen sind, stellen eine obere Grenze für die elektrische Leitfähigkeit eines jeden Kanals dar, und daher stellen sie eine obere Grenze für die Stromdichte dar, den derselbe tragen kann. Dies verhindert, dass die Stromdichte über den Grenzwert für den Übergang vom Glühen zum Bogen ansteigt.
Außerdem sollte bemerkt werden, dass ein dielektrisches Material direkt in einer geeigneten Geometrie unmittelbar auf eine Kathode aufgetragen werden könnte mittels eines Verfahrens der Dampfbeschichtung oder mittels eines anderen Verfahrens zur Auftragung des Dielektrikums unmittelbar auf die Kathode. Auf diese Weise wird die Kathode selbst eine aktive, den Strom begrenzende Vorrichtung.
Ein Prototyp einer DC Glimmentladungsvorrichtung wurde errichtet unter Verwendung einer Anordnung einer parallelen Plattenelektrode in einer Argonatmosphäre von zwischen 1.333 bis 13.332 Pa (10-100 Torr), um die vorliegende Erfindung zu illustrieren. Bei diesen Drücken können die Phasen des Übergangs vom Glühen zum Bogen leicht gezeigt werden, weil der Übergang ausreichend langsam ist. Der Übergang bei atmosphärischen Drücken findet sehr schnell statt und ist schwierig zu beobachten. Es sollte jedoch herausgestellt werden, dass die vorliegende Erfindung ausgelegt ist, um bei Drücken bis hin zu atmosphärischen Drücken eingesetzt zu werden. Die Merkmale von Strom und Spannung wurden für eine Vielzahl von Betriebsbedingungen mit Einsatz einer metallischen (Al) Standardkathode aufgezeichnet. Die gemessenen Kurven zeigen den gut bekannten ersten Übergang, der dem Durchschlag des Gases bei der Bildung einer stabilen Glimmentladung entspricht, gefolgt von einer erhöhten zweiten Übergangscharakteristik für den Übergang von dem Glimmzustand zu einem Bogen, was einen fadenförmigen (hohe Stromdichte) Kanal erzeugt. Anschließend wurde die herkömmliche Kathode ersetzt durch eine neue Kathodenkonstruktion und dieselben Strom-Spannungskurven wurden aufgezeichnet. Alle Kurven zeigten nur den ersten Übergang zu der stabilen Glüherscheinung bei hohem Strom. Es wurden keine Hinweise auf den vorher beobachteten Übergang vom Glühen zum Bogen unter irgendwelchen Betriebsbedingungen gefunden. Die räumliche Verteilung der Entladung ist auch diffus.
Mit Bezug auf Fig. 3, die eine graphische Darstellung der Spannung gegenüber dem Strom für die angelegte Spannung (VG) ist, werden die Glimmspannung (Vg) und die Lichtbogenspannung (Vd) gezeigt für Argon bei 5.333 Pa (40 Ton). Fig. 4 zeigt eine graphische Darstellung der Spannung, gegenüber dem Strom für die angelegte Spannung (VG), die Glimmspannung (Vg) und die Lichtbogenspannung (Vd) in Argon bei 2.666,44 Pa (20 Torr).
Die Fig. 5a und Fig. 5b sind graphische Darstellungen der angelegten Spannung und der Spannung vom Glühen zum Bogen mit dem durchlöcherten Dielektrikum und ohne das durchlöcherte Dielektrikum gemäß der vorliegenden Erfindung. Diese Figuren zeigen die Stabilisierung der Glimmplasmaentladung. In einem ersten Zustand A gibt es keinen Strom. In dem zweiten Zustand B wird eine Spannung angelegt, aber der Strom bleibt weiterhin bei Null. In einem dritten Zustand C wird eine Glimmentladung erreicht. Wie man aus Fig. 5a sieht, geht die Glimmerscheinung schnell zu dem Bogen D über, während in Fig. 5b das durchlöcherte Dielektrikum den Übergang vom Glühen zum Bogen unterdrückt und die Glimmentladung derart stabilisiert, dass es keinen Bogen gibt.
Fig. 6a ist eine Photographie, die eine Bogenentladung zeigt, welche einen fadenförmigen (hohe Stromdichte) Kanal erzeugt. Fig. 6b ist eine Photographie, die eine Bogenentladung zeigt, welche durch eine gleichmäßige Bogenentladung gekennzeichnet ist.
Fig. 7 ist eine ebene Seitenansicht einer RF Entladungsausführung gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der das durchlöcherte Dielektrikum über den beiden Elektroden angeordnet ist. Wie man sehen kann, sind die Elektroden 120 und 140 beide mit einem durchlöcherten Dielektrikum 130 bedeckt. Weil der Strom sich in einem elektrischen RF Feld selbst umkehrt, muss das durchlöcherte Dielektrikum 130 über den beiden Elektroden 120 und 140 angeordnet sein, weil beide Elektroden abwechselnd als Kathoden dienen. Mit Hilfe dieser Konfiguration kann die Glimmentladung unter breiteren Betriebsbedingungen getragen werden. Solch eine Konfiguration führt zu einer Vorrichtung, die unabhängig ist von der Frequenz und unabhängig von der Größe.
Indem man das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung auf Plasmas von großem Volumen bei atmosphärischen Drücken anwendet, ist es möglich, die während der Verbrennung von Brennstoffen freigesetzte Energie auf Niveaus zu steigern, die um ein Mehrfaches größer sind als der Heizwert des Brennstoffes. Anstrengungen auf diesem Gebiet sind in der Vergangenheit misslungen weil die Verteilung der Energie über ein wesentliches Volumen erforderlich ist und nicht auf einen schmalen Bereich konzentriert werden kann. Wegen des Übergangs vom Glühen zum Bogen hat die Tendenz bestanden Bögen mit einem sehr hohen Energieniveau zu erzeugen, wobei der Rest des Volumens auf einem normalen Verbrennungsniveau blieb. Durch Unterdrückung des Übergangs vom Glühen zum Bogen und durch Stabilisierung des Plasmaglühens überwindet das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung die Begrenzungen der früheren Versuche und führt zu einer Steigerung des Verbrennungsprozesses, was eine wesentlich höhere Energiedichte ergibt als sie vorher erreicht werden konnte.
Zusätzliche Anwendungen der vorliegenden Erfindung können auf dem Gebiet der Verbesserung der Luftverschmutzung auftreten, wo eine Stabilisierung des Übergangs vom Glühen zum Bogen dazu führen kann, dass in Echtzeit eine Zerstörung der Konstituenten der an die Luft abgelassenen Emissionen aus den Produktionsbetrieben stattfindet, was zu einer Abhilfe gegenüber der Boden- und Wasserverschmutzung führt. Durch Unterdrückung des Übergangs vom Glühen zum Bogen und durch Stabilisierung der Glimmentladung schafft die vorliegende Erfindung große Volumen an Plasma, um umweltverschmutzende Abgase mit höheren Wirkungsgraden und unter verringerten Kosten zu zerstören. Da könnten zusätzliche Anwendungen vorhanden sein auf dem Gebiet der Zerstörung der Nebenprodukte der Verbrennung, etwa von NOx und SOx, welche bis jetzt durch gepulste Koronaentladungen und Sperrentladungen zerstört worden sind.
Die vorliegende Erfindung ist zusätzlich anwendbar bei dem Säubern von lithographischen Blechoberflächen bei atmosphärischen Drücken. Zusätzlich kann eine mögliche Nützlichkeit bestehen für die Oberflächenreinigung von großen Bereichen unter atmosphärischem Druck zum Aushärten von Polymerfilmen. Dadurch dass man in der Lage ist, bei einem atmosphärischen Druck zu arbeiten, wird ein großer Vorteil gegenüber den hohen Verfahrenskosten erzielt, die bei einem Vakuumverfahren erforderlich waren. Zusätzlich kann die vorliegende Erfindung verwendet werden für die Vorbehandlung von Halbleitern, von Gläsern und von Polymeren, die verwendet werden sollen für eine direkte Bearbeitung mit einem Metallionenstrahl.
Zusätzlich kann eine Glimmplasmaentladung bei atmosphärischem Druck dazu verwendet werden, um biologisch mit Schadstoffen kontaminierte Oberflächen zu sterilisieren. Gegenwärtige Techniken auf diesem Gebiet verwenden hohe Temperaturen, starke Chemikalien und /oder ultraviolette Strahlung, um mit Schadstoffen belastete Gegenstände zu sterilisieren. Es gibt jedoch mit diesen Ansätzen Probleme und zwar weil die Verfahren zeitintensiv und potentiell gefährlich sind und weil sie zu der Bildung von potentiell gefährlichen Nebenprodukten führen. Es ist bewiesen worden, dass Materialien, die einer Glimmplasmaentladung bei einem Druck von einer Atmosphäre ausgesetzt worden sind, in einer Zeitspanne von unterhalb einer Minute von biologischen Schadstoffen sterilisiert werden können.

Claims

1. Vorrichtung zur Glimmplasmaentladung für die Erzeugung und die Aufrechterhaltung einer Glimmplasmaentladung, die folgende Elemente enthält:

ein Paar Elektroden (20, 40; 120, 140), die einander gegenüberstehend angeordnet sind und die einen Abstand zwischen sich aufweisen;

einen durchlöcherten Nichtleiter (30; 130), der eine große Anzahl von Öffnungen aufweist, der über einer der Elektroden (20; 120) angeordnet ist und den besagten Raum teilweise besetzt; und

ein elektrisches Feld, das zwischen den Elektroden erzeugt wird; in welcher

eine jede der besagten Öffnungen einen in dem Bereich von 5 bis 200 um liegenden Durchmesser aufweist.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, in welcher der Nichtleiter (30; 130) eine zwischen 100 um und 2 mm liegende Dicke aufweist.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, in welcher der Nichtleiter (30; 130) Siliziumnitrid enthält.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, in welcher der Nichtleiter (30; 130) Siliziumcarbid enthält.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, in welcher ein zweiter Nichtleiter (130) über die andere der Elektroden angeordnet wird.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, in welcher der Nichtleiter (30; 130) ein Hochtemperaturnichtleiter ist, der in der Lage ist hohen Temperaturen zu widerstehen.

7. Kathode in einer Vorrichtung zur Glimmplasmaentladung für die Erzeugung und die Aufrechterhaltung einer Glimmplasmaentladung, in welcher die Kathode folgende Elemente enthält:

eine Elektrode (20, 120);

ein den Strom begrenzendes Hilfsmittel, das einen durchlöcherten Nichtleiter (30; 130) mit einer großen Anzahl von Öffnungen enthält, welche zur Begrenzung der mit der Elektrode assoziierten Stromdichte über der Elektrode angeordnet ist; und

Hilfsmittel um die Strombegrenzung auf der Elektrode beizubehalten; in welchem die Öffnungen einen in dem Bereich von 5 bis 200 um liegenden Durchmesser aufweisen.

8. Kathode gemäß Anspruch 7, in welcher das Hilfsmittel zur Strombegrenzung eine zwischen 100 um und 2 mm liegende Dicke aufweist.

9. Kathode gemäß Anspruch 7, in welcher das Hilfsmittel zur Strombegrenzung Siliziumnitrid enthält.

10. Kathode gemäß Anspruch 7, in welcher das Hilfsmittel zur Strombegrenzung Siliziumcarbid enthält.

11. Kathode gemäß Anspruch 7, in welcher das Hilfsmittel zur Strombegrenzung ein Hochtemperaturnichtleiter ist, der in der Lage ist hohen Temperaturen zu widerstehen.

12. Kathode gemäß Anspruch 7, ferner aufweisend eine zweite Elektrode (140) und ein zweites Hilfsmittel zur Strombegrenzung, das einen durchlöcherten Nichtleiter (130) enthält, der über die zweite Elektrode (140) angeordnet ist.

13. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, in welcher die Öffnungen dimensioniert sind, um die Stromdichte zwischen den Elektroden (20, 40; 120, 140) zu begrenzen und davon abzuhalten über einen vorherbestimmten Grenzwert hinaus anzusteigen.

14. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, welche ferner ein Kragenelement (35) aufweist, um den Nichtleiter (30) auf einer der Elektroden (20) zu halten.

15. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, in welcher der Nichtleiter (30, 130) integral mit einer der Elektroden (20; 120) gebildet wird.

16. Verfahren zur Erzeugung und Aufrechterhaltung einer Glimmplasmaentladung, die folgende Schritte enthält:

gegenübergestellte Elektroden (20, 40; 120, 140) in Position bringen in einer einander gegenüberstehenden Beziehung mit einem Abstand zwischen denselben;

einen durchlöcherten Nichtleiter (30, 130) innerhalb des Raumes vorsehen, der eine große Anzahl von Öffnungen aufweist, und

ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden (20, 40; 120, 140) erzeugen; gemäß welchem eine jede der besagten Öffnungen einen in dem Bereich von 5 bis 200 um liegenden Durchmesser aufweist.

17. Verfahren gemäß Anspruch 16, welches ferner den Schritt aufweist einen zweiten durchlöcherten Nichtleiter (130) mit einer großen Anzahl von Öffnungen innerhalb des Raumes vorzusehen; gemäß welchem eine jede der Öffnungen einen in dem Bereich von 5 bis 200 um liegenden Durchmesser aufweist.

18. Verfahren gemäß Anspruch 16, bei welchem der Schrift des Anordnens des durchlöcherten Nichtleiters (30; 130) innerhalb des Raumes ferner den Schritt aufweist den durchlöcherten Nichtleiter (30; 130) auf eine Elektrode (20, 40; 120, 140) zu setzen und den Nichtleiter darauf zurückzuhalten.

19. Verfahren gemäß Anspruch 18, bei welchem der Schritt des Zurückhaltens des Nichtleiters (30) auf einer der Elektroden (20) ferner den Schritt aufweist einen zurückhaltenden Kragen (35) über den Nichtleiter (30) zu setzen.

20. Verfahren gemäß Anspruch 16, bei welchem der Schritt des Anordnens des durchlöcherten Nichtleiters (30; 130) innerhalb des Raumes ferner den Schritt aufweist einen Nichtleiter auf eine der Elektroden (20, 40; 120, 140) zu setzen.

21. Verfahren gemäß Anspruch 20, bei welchem der Schritt des Anordnens des Nichtleiters (30; 130) auf einer der Elektroden (20, 40; 120, 140) eine Dampfbeschichtung einschließt.