DE911873C - Verfahren und Vorrichtung zur Durchfuehrung technischer Prozesse mittels Gas-, vorzugsweise Glimmentladungen - Google Patents

Description

Es ist bekannt, daß bei bestimmten Formen von Gas-, insbesondere Glimmentladungen, wie sie zur Durchführung technischer Prozesse Anwendung finden, Plasmaschwingungen auftreten. Unter technischen Prozessen sind dabei auf physikalischen Vorgängen, wde Diffusionen, z. B. Chrom in Stahloberflächen, Entkohlung usw., auf chemischen Vorgängen, wie Reaktionen (Synthesen), und auf physikalisch-chemischen Vorgängen, z. B. Nitrierung von Stahl, Karburierung usw., beruhende Maßnahmen zu verstehen. Mit idem Namen Plasma wird bekanntlich ein Gemisch aus teilweise und vollständig !ionisierten Gasmolekülen, Elektronen und Sekundärelektronen bezeichnet, das den Raum zwischen Kathodenglimmlicht und Anodenglimmhaut erfüllt. Plasmaschwingungen treten im übrigen außer bei der Glimmentladung auch im Niederdruckbogen auf. Außer von der Form der Entladung stehen die Plasmaschwingungen in Abhängigkeit von der auftretenden Temperatur, dein Abstand und der Formgebung der Elektroden usw., während ihre Frequenz in erster Linie von der Dichte der Ladungsträger in der elektrischen Gasentladung abhängig ist. In bestimmten, näher untersuchten Fällen war festzustellen, daß die auftretenden Frequenzen etwa proportional der Quadratwurzel aus der Ionen- bzw. Elektronendichte sind. Die Faktoren, die zur Entstehung und Beeinflussung von Schwingungen dieser Art führen, sind überaus zahlreich und dazu noch unÜbersicht-

Hch, so daß der Stand der Wissenschaft und Technik noch keine Mittel und Möglichkeiten erkennen läßt, mit deren Hilfe es gelingen könnte, die Plasmaoszillationen unmittelbar nach ihrem Auftreten und ihrer Frequenz bei der Entstehung zu beherrschen, womit ohr Auftreten zunächst als gegeben hinzunehmen ist. Dazu kommt, daß die gegebenenfalls wirksamen Mittel, wie Wahl des Elektrodenabstandes, des Gasdruckes und der Temperatur usw., sowie die Möglichkeiten der Beeinflussung ihres gegenseitigen funktionellen Zusammenhanges bei der Durchführung technischer Prozesse a priori ausscheiden, weil hier das gewünschte Enderzeugnis 'bzw. das Werkstück maßgebend und bestimmend für die Gesamtgestaltung des Arbeitsverfahrens sind.

Demgegenüber ist es gerade für die Durchführung derartiger technischer Produktionen und Betriebsverfahren kennzeichnend, daß schon !bei sehr ao geringen Unterdrücken, wie man sie bei anfänglichen praktischen Arbeiten in Größenordnungen von Bruchteilen eines Millimeters bis zu höchstens 3 mm Hg Unterdruck anwendete, hohe spezifische Belastungen an der Werkstückoberfläche mit einem entsprechenden Energieumsatz auftreten. Nachdem man aber neuerdings zu erheblich höheren Drücken überging, bestand Veranlassung, die Energieverhältnisse im Gasentladiungsraum näheren Untersuchungen zu unterziehen, also festzustellen, ob die eingeleitete elektrische Energie sich in gewünschter Weise möglichst vollständig in Gasentladungsenergie so umsetzt, daß diese für die durchzuführenden Prozesse nutzbar wird. Dabei wurde die überraschende Feststellung gemacht, daß z. B. ibei Behandlung von Maschinenteilen bestimmter Form in weit höherem Ausmaß, als Überlegung und Rechnung oder Abweichungen in der Zusammensetzung der Materialien usw. vermuten lassen, Ausfälle auftreten, als deren Ursache Hochfrequenzschwingungen, hervorgerufen durch Plasmaoszillationen, erkannt wurden. Eine Zufallsbeobachtung kam hierbei noch zur Hilfe, als bei Übergang zu noch energiereicheren Umsetzungen mit Hilfe aines Impulsbetriebes zufällig als Resonator wirkende Teile im Gasentladungsraum ein Verhalten zeigten, das nur auf energiereiche Schwingungen sehr hoher Frequenz, verursacht durch die auftretende hohe Elektronenkonzentration, zurückgeführt werden kann. In der Tat ist nach Gewinnung dieser aufschlußreichen Erkenntnis einzusehen, daß die auftretenden Erscheinungen, wie stehende Wellen, Hohlraumresonanzen usw. an Werkstücken, sowie in ungünstigsten Fällen die Hochfrequenzleistung, die als merklicher Energieentzug aus der in den Gasentladungsraum eingeleiteten elektrischen Gesamtleistung auftreten kann, sich schädlich für die Durchführung der Prozesse auswirken, müssen, insbesondere wenn man es zuläßt, daß weitere Teile des Entladungsraumes oder mit ihm in Verbindung stehende Leitergebilde außerhalb des eigentlichen Entstehungsgebietes der Oszillationen durch Resonanzvorgänge zu intensiven Hochfrequenzschwingungen angeregt werden. Dazu kommt, daß die Schwingungen nur in relativ seltenen und nicht ohne weiteres beherrschbaren Fällen den technischen Prozeß .als solchen (begünstigen werden, da es immer von der jeweiligen Lage und Gestaltung der Werkstücke und einer großen unübersichtlichen Zahl weiterer Gegebenheiten und Vorgänge sowie deren funktionellen Verknüpfungen abhängen wird, ob sich beispielsweise als Folge der Plasmaoszillationen auftretende Ladungsträger höherer Energie bei der Ionisierung eines Behandlungsgases an der Werkstückoberfläche für das Gesamtverfahren nutzbringend auswirken, oder, was viel wahrscheinliicher ist, due Wirtschaftlichkeit und den Gesamtwirkungsgrad des Verfahrens empfindlich herabsetzen. Es handelt sich dabei nicht nur darum, daß Ladungsträger mit einer vom normalen Mittelwert abweichenden Energie auftreten und somit unkontrollierbare Wirkungen hervorrufen können, sondern es wird auch noch ein weiterer Unsdcherheitsgrad bei der technischen Behandlung von Werkstücken dadurch hervorgerufen, daß die Verteilung der Ladungsträger über das Werkstück nicht mehr homogen, sondern entweder örtlich konzentriert, an anderen Stellen aber auch wieder stark vermindert auftritt. Beispielsweise kann bei Nitrierung eines Werkstückes der Fall eintreten, daß normal nitrierte, d. h. äußerst harte Oberflächenteiile mit weniger harten oder unverändert gebliebenen Werkstoffteilen .abwechseln. Wenn die Werkstücke, etwa durch größere Längenerstreckung oder andere hierfür geeignete Formgebung, durch auftretende Schwingungen zu Resonanz angeregt werden können, so tritt als weiterer Umstand hinzu, daß auch an Stellen, an denen die Ladungsträger nicht unmittelbar durch Plasmaoszillation beeinflußt werden, Unregelmäßigkeiten in der Behandlung der Werkstückoberfläche auftreten können, falls etwa die Möglichkeit zur Ausbildung stehender Wellen mit Spannungsknoten 'und -bauchen gegeben ist. Nur in bestimmten und nicht allgemein anwendbaren Fällen dürfte es möglich sein, die in den auftretenden Ladungsträgern enthaltene höhere Energie am Werkstück zu einer gesteigerten Wirkung nutzbar zu machen.

Wenn in diesem Zusammenhang vom Gesamtwirkungsgrad des Verfahrens gesprochen wird, so ist dieser dahin zu verstehen, daß nicht nur im üblichen Sinne die elektrischen Leistungsfaktoren, sondern auch die möglichen Ausfälle bezüglich des Endproduktes zu berücksichtigen sind.

Schließlich ist zu beachten, daß sich unkontrollierte Hochfrequenzwellen auch auf den Raum außerhalb der zur Durchführung technischer Prozesse mittels Gasentladungen dienenden Geräte und Einrichtungen, sowie Anlagen fortpflanzen und durch ihre gegebenenfalls über die gesamte Betriebszeit ausgedehnte Wirkung nicht überseh- und beherrschbare, störende Beeinflussungen ihrer nicht lebenden und bei Ultrakurzwellen z. B. auch ihrer lebenden Umgebung hervorrufen können.

Ausgehend von diesen Beobachtungen und Erkenntnissen kennzeichnet sich das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren zur Durchführung tech-

nischer Prozesse mittels Gas-, vorzugsweise Glimmentladungen dadurch, daß die den Ladungsträgern in der Gasatmosphäre mitgeteilte Energie mittels Verringerung der Auswirkungen im Entladungsraum auftretender Hochfrequenzschwingungen in erhöhtem Maße für die Durchführung der technischen Prozesse selbst nutzbar gemacht wird. Diese Nutzbarmachung wird zunächst durch eine Verfahrensführung verwirklicht, bei der die

ίο Auswirkungen im Entladungsraum auftretender Hochfrequenzschwingungen völlig beseitigt werden. Doch bedarf es in den meisten Fällen nacht eines derart weit getriebenen Aufwandes, sondern man wird sich praktisch damit begnügen können, die Er-Streckung im Entladungsraum auftretender Hochfrequenzschwingiungen rein räumlich auf die außerhalb des Entstehungsgebietes letzterer befindliche Umgebung auf ein die Nutzbarmachung der den Ladungsträgern .in der Gasatmosphäre mitgeteilten

ao Energie gewährleistendes Maß zu vermindern, diese Erstreckung im Sonderfall völlig zu beseitigen. Dabei kann die bis zu den Begrenzungen des Entladungsraumes reichende Umgabung von der außerhalb derartiger Begrenzungen liegenden Umgebung unterschieden werden, wobei das erfindungsgemäß gekennzeichnete Verfahren in jedem der beiden Fälle Anwendung zu finden vermag.

Die Hochfrequenztechnik verfügt über eine Reihe von Verfahrensmaßnahmen, mit deren Hilfe die gekennzeichneten Verfahren im einzelnen ausgeführt werden können. Mindestens eines der folgenden Mittel kann dabei zur Anwendung kommen, um die verfahrensgemäß vorgeschlagene Durchführung technischer Prozesse in Gasentladungen zu gewährleisten. Dazu dienen Bemessung und WaW der elektrischen Eigenschwingungen aller in der Anlage auftretenden schwingungsfähigen Gebilde nicht übereinstimmend mit den durch die Plasmaoszillationen gegebenen Frequenzen sowie möglichste Erhöhung der Dämpfung aller dieser Gebilde, weiter der möglichst vollständige Abschluß der unmittelbaren Umgebung des Entstehungsortes der Schwingungen im Sinne eines Faradayschen Käfigs, wozu kapazitive und ohmsche Überbrückungen der in Frage kommenden Teile sowie auch Kurzschlußverbindungen zwischen denselben gehören, und Abriegelung von aus dem Entladungsgefäß austretenden Hochfrequenzschwingungen -gegen weitere Ausbreitung auf die Umgebung durch Anwendung von Siebmiitteln in den elektrischen Verbindungen unter gleichzeitiger Schaffung von potentialdefinierenden Bezugspunkten.

Im einzelnen ist zunächst das Verfahren zu nennen, Resonanzlagen zwischen den Hochfrequenzschwingungen und durch Anregung entstehungs- oder steigerungsfä'bigen Schwingungen zu vermeiden bzw. wesentlich einzuschränken; denn außerhalb des 'Entstehungsgebietes der Plasmaoszillation liegen in jedem Falle schwingungsfähige Gebilde, unter denen notwendige Begrenzungen des Entladungsraumes, etwa in Form der Wandungen des Gasentladungsgefäßes, seiner Grundplatte bei der aus praktischen Gründen stets erforderlichen Mehrteiligkeit usw., in erster Linie zu nennen sind. Zu erwähnen sind weiter aber auch alle elektrisch wirksamen Teile, die in derartigen Entladungsgefäß en anzuordnen sind, wiedie Stromeinführungen bzw. die Elektroden, das Werkstück selbst, seine Abschirmungen, seine Kühl- und Heizmäntel, Stützen und Aufhängungen für das Werkstück usw.

Weitere Möglichkeiten sind der für Hochfrequenz kapazitive Kurzschluß und/oder die Verbindung über ohmsche Widerstände, so daß vorzuschlagen ist, spannungsführende oder auch nur voneinander isolierte Teile kapazitiv kurzzuschließen und/oder elektrische Widerstände zwischen 'ihnen vorzusehen. Das wird zunächst zweckmäßig in bezug auf Stromzu- und -abführungen durchzuführen sein, da diese durch die Wandungen des Gasentladungsgefäßes führenden, kurz als Durchführung zu bezeichnenden Teile die Hochfrequenz nach außen leiten und überdies als Resonatoren wirken könnten. Was für die Durchführung ausgeführt worden ist, gilt sinngemäß für alle spannungsführenden Schaltelemente, d. h. für alle Teile des Gasentladungsgefäßes, die mit einer Elektrode verbunden sind oder als solche wirken. Auch das Werkstück ist mit einer der Elektroden, meistens mit der Kathode verbunden und in diesem Falle mit negativem Glimmlicht überzogen. Hier nehmen die auftretenden Belastungen in Abhängigkeit von den obwaltenden Arbeitsbedingungen je Flächeneinheit unter Umständen äußerst hohe Beträge an, womit die Ladungsträgerkonzentrationen die zum Auftreten der Hochfrequenz vor allem kurzer Wellenlängen führende Werte erreichen. So wurde beispielsweise das Auftreten sehr energiereicher Schwingungen im Zentimeterwellenge'biet festgestellt. Aus diesen Beobachtungen und Tatsachenlagen ergeben sich naturgemäß die Grundlagen der Dimensionierung der Mittel und ihre jeweils zweckmäßige Auswahl und Anordnung, die zur Durchführung der dargestellten Verfahrenseinzelheiten dienen und auf die noch einzugehen sein wird. In jedem Falle ist dabei dem Umstand Beachtung zu schenken, daß die Schwingungszahlen der Hochfrequenz durch Belastungsänderungen und alle weiteren Einflüsse auf die Änderungen der Ionen- und Elektronendichte variabel sind.

Zur Anwendung von einzuschaltenden elektrischen Widerständen stehen ebenfalls eine Reihe von Möglichkeiten zur Verfügung, vor allem naturgemäß die Verwendung üblicher Draht-, Masse- oder Schichtwiderstände. Außer diesen sind jedoch anmittelbar gegebene Konstruktionsteile der Anlage als Widerstände zu verwenden, z. B. Verbindungswege der meistens als Kühlmittel, aber auch als Heizmittel Verwendung findenden Wärmetauschmittel für die Wandungen des Gasentladungs- iao gefäßes, die aber auch zur Kühlung der Elektroden selbst vorhanden sind bzw. zur Verfügung stehen. In weiterer Durchführung des Erfindungsgedankens wird daher vorgeschlagen, spannungsführende Leiter und/oder nur voneinander isolierte Teile über sie berührende Ströme eines Warmetausch-

mittels elektrisch zu verbinden, soweit dieses elektrische Leitfähigkeit geeigneter Größe besitzt. Durchweg sind Kathoden, mitunter auch Anoden wegen ihrer erhebliehen thermischen Belastungen kühlmittelbespült, so daß es sich als besonders vorteilhaft ergibt, Leiter und gegebenenfalls isolierte Teile über denselben, sie nacheinander 'berührenden Strom eines Wärmetauschmittels elektrisch zu, verbinden.

ίο Um die auftretenden Hochfrequenzen in ihrer Auswirkung auf das Entladungsgefäß zu beschränken, sind als weitere Mittel die Verbindung von Teilen gleichen Potentials über metallische Leiter sowie die Verbindung von Leitern verschiedenen Potentials über Widerstände zu erwähnen. Dort, wo bereits Überbrückungen durch Kapazitäten bestehen, ergibt sich unter Umständen die Notwendigkeit zur Anordnung von zusätzlichen Dämpfungswiderständen. Schwieriger ist die Anao Ordnung und Bemessung von Widerständen zwischen Teilen mit höhen Spannungsiunterschieden. Hierbei bewährt sich besonders die vorher beschriebene Ausbildung der Kühlmittelwege als elektrische Verbindungen, da etwa in diesen Widerständen auftretende Wärmemengen im Kühlmittel selbst entstehen und abgeführt werden.

Durch Maßnahmen der angegebenen Art wird das Innere des Gasentladungsgefäßes, der Gasentladungsraum, weitestgehend abgeschlossen als eine Art Faradayscher Käfig ausgebildet. Zur Erzielung eindeutiger Potentialverhältnisse gegenüber der Umgebung kann darüber hinaus eine einwandfreie Erdung geeigneter Massepunkte verwirklicht werden, mindestens jedoch eine Anlegung von Stromquelle und Begrenzungen des Gasentladungsraumes an einen gemeinsamen elektrischen Bezugspunkt, als dessen Sonderfall die erwähnte Erdung zu nennen ist. Der Bezugspunkt kann aber auch so ausgebildet werden, daß fallweise positiver oder negativer Pol des Stromübertragungssystems an die Gerätemasse gelegt werden können. Ebenso kann es zweckmäßig sein, die Stromquelle zu symmetrieren und die Mitte der Spannungsquelle zum Bezugspunkt zu machen. In diesem Falle gelten die vorgeschlagenen Maßnahmen auch für alle potentialführenden Punkte der Stromquelle selbst, d. h. es sind die Enden derselben mittels Kondensatoren für Hochfrequenz gegen den Bezugspunkt kurzzuschließen. Auch die sonst bekannten Siebmittel, um Hochfrequenz von den Stromzuführungen bzw. von dem gesamten Stromversorgungssystem fernzuhalten, werden angewendet. Dazu dient die Einschaltung von ohmschen oder induktiven Widerständen in die Zuleitungen zum Entladungsraum. Diese müssen naturgemäß entsprechend den auftretenden Strömen bemessen werden und bringen außerdem noch den Vorteil, daß einerseits die gegebenenfalls in der Stromquelle selbst auftretenden Hochfrequenzen, wie sie beispielsweise Quecksilberdampfgleichrichter erzeugen, nicht in den Entladungsraum hinein gelangen, während andererseits die eingeschalteten Widerstände und Drosselspulen neben der Auswirkung als wirksame Hochfrequenzwiderstände vorteilhaft als Beruhigungswiderstände für die Gasentladung zu benutzen sind. Die für die Dimensionierung maßgebenden Gesichtspunkte bedürfen als normale elektro- bzw. 'hochfrequenztechnische Maßnahmen'keiner weiteren Erörterung.

Die Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens kennzeichnen sich durch Anordnung von Mitteln zur Verringerung der Auswirkungen im Entladungsraum auftretender Hochfrequenzschwingungen.

Diese Mittel können zunächst durch eine Hohlraumresonanzen unterdrückende Ausbildung des Entladungsgefäßes verwirklicht werden, wobei sich asymmetrische Ausbildung des letzteren und asymmetrische Anordnung elektrisch wirksamer Teile im Innern desselben als besonders geeignet anbieten. Vorteilhaft ist auch das Verlassen sterometrisch einfacher Ausbildungen desselben bzw. die Vermeidung geometrisch einfacher Formgebungen seiner Wandflächen. Diese Formgebung des Gasentladungsgefäßes ist wirksam, weil dadurch z. B. parallele und sich -im Abstand einer halben Wellenlänge oder einem Vielfachen davon gegenüberstehende Wandteile vermieden werden und die Anregungsmöglichkeit zur Resonanz in einer E-oder H-Wellen-Konfiguration als Hohlraumschwingung weitgehend gedämpft werden kann. So können Versteifungsrippen, die zur Aufnahme des äußeren Atmosphärendruckes vorgesehen werden, durch ungleichmäßige Ausbildung und Anordnung, zu verwirklichen etwa durch wechselnde Abstände, zur Erreichung des genannten Zieles beitragen. Konische Formgebungbei runden oder nicht parallele Wandführung bei quaderförmigen Gefäßen sind weitere Mittel; sie werden außerdem vorteilhaft noch zusätzlich unsymmetrisch ausgebildet. Dasselbe gilt für die Anordnung elektrisch wirksamer Teile überhaupt, wie für etwa asymmetrische Elektrodenanordnungen und -ausbildungen. Die Verhältnisse im Innenraum des Entladungsgefäßes ändern sich außerdem von Fall zu Fall durch die Anordnung und Einbringung der Werkstücke, deren gegenseitige und Relativlage zu den Wandungen des Entladungsgefäßes, so daß als einfachster Fall bereits die asymmetrische Lage des Werkstückes selbst in Betracht zu ziehen ist.

Kapazitive Kurzschlüsse sind in üblicher Weise durch die Schaltmaßnahme der Überbrückung von elektrischen Leitungen und Teilen des Entladungsgefäßes bzw. des Stromversorgungssystems durch Kondensatoren zu verwirklichen. Infolge der auftretenden, teilweise sehr hohen Frequenzen ist auf induktionsfreie Ausbildung der Kondensatoren zu achten, außerdem auf deren Spannungsfestigkeit, da neben der Hochfrequenz Spannungen in der Größenordnung mehrerer Kilovolt an den Elektroden angewendet werden. Um die HF-Schwingungen möglichst nahe ihrem Entstehungsgebiet unwirksam zu machen, hat sich als besonders wirkungsvoll und baulich einfach die Ausbildung der Stromdurchführungen selbst als Kapazität zwischen Wandung und Leiter erwiesen. Zu diesem Zweck werden die

meist zylindrischen Außenflächen des stromführenden Leiters in möglichst kleinem Abstand durch entsprechende Gegenflächen der anderen Elektrode umgeben, als die meist die Wandung des Gasentladungsgefäßes erscheint. Zur Vergrößerung der Kapazität werden außerdem in Stromleiterrichtung gemessene Längen dieser in kleinem Abstand gegenüberstehenden Flächen möglichst groß gewählt. In Anbetracht der Größenordnung der auch bis in ίο Gebiete der Ultrahochfrequenz auftretenden Schwin» gungen sind Abstände und sonstige Dimensionen der kapazitätsibildenden Flächen sowie 'der Leiterteile usw. so zu wählen, daß die Ausbildung von Schwingungszuständen an diesen Teilen sowie in Zwischenräumen, die zu einer Auskopplung, von Hochfrequenzenergie nach außen führen können, mit Sicherheit zu vermeiden ist.

Die Entladungsgefäße bestehen durchweg aus zwei und mehr Teilen, um die Zugänglichkeit in ao das Innere zwecks Auswechslung der Charge oder des zu behandelnden Werkstückes leichter zu ermöglichen. Auch sind Türen oder Deckel für Schleusen, Mannlöcher usw. vorgesehen. Die brauchbarste technische Lösung zur gegenseitigen Abdichtung dieser Teile ist die Dichtung mittels in Nuten eingelegter Profildichtungen, meistens aus Gummi, die z. B. gegen eine Planfläche gepreßt werden. Derartige Teile müssen elektrisch verbunden werden, damit sie einerseits ein definiertes, meist jedoch gleiches elektrisches Potential führen, andererseits um die Ausbildung hochfrequenter stehender Wellen an solchen elektrisch isolierten Teilen zu vermeiden.

Um einwandfreie Verhältnisse bezüglich der Hochfrequenz zu schaffen, ist eine Überbrückung mit elektrischen Leitern meist an mehreren entsprechend verteilten Stellen nötig. Außerdem sind sowohl Teile des Gasentladungsgefäßes als auch die Elektroden wassergekühlt, d. h. doppelwandig ausgeführt. Die Wasserführung wird derart ausgebildet, daß nacheinander die Teile vorteilhaft in der Reihenfolge vom heißesten zum kältesten Teil in den gleichen Kühlmittelstrom eingeschaltet sind. Der Teil, an dem die größte abzuführende Wärmemenge entwickelt wird, ist im allgemeinen der Kathodenträger; anschließend werden nacheinander die einzelnen Teile des Gasentladungsgefäßes durchströmt. Die Wassersäulen in den einzelnen Leitungen werden zweckmäßig zur Überbrückung der Potentialdifferenzen herangezogen, wobei die Wasserleitungen naturgemäß nicht aus Metall bestehen dürfen, sondern Isolierstoffe, wie Gummischlauchverbindungen, enthalten müssen. Vorteilhaft wird die Kühlmittelversorgung von Anode und Kathode nicht getrennt vorgenommen, etwa mit getrennten, elektrisch (isoliert aufgestellten Pumpen und ihren Antrieben, sondern die Flüssigkeitsbrücken werden als Verbindungswiderstände geschaltet. Es hat sich als günstig erwiesen, keine größeren Umwege der Kühlwasserschläuche zwischen Teilen unterschiedlicher Spannung vorzu-. sehen, da die in der Kühlflüssigkeit auftretenden Verluste aus der speisenden Stromquelle hinreichend klein gegenüber der umgesetzten Gesamtleistung in der Größenordnung mehrerer Kilowatt sind.

Die Zeichnung zeigt eine Reihe von Ausf ührungsmöglichkeiten der Erfindung an Beispielen von Ausbildungen des Entladungsgefäßes sowie an Schaltungen elektrischer Art und Kühlwasserführungen.

Fig. ι gibt schematisch eine erfindüngsgemäß getroffene Ausbildung des Entladungsgefäßes wieder; Fig. 2 zeigt asymmetrische Ausbildungen von Elektroden, die Anordnung von Kondensatoren und die Gestaltung der Stromzuführungswege;

Fig. 3 stellt die erfindüngsgemäß getroffene Ausbildung einer Durchführung hoher Kapazität dar, während

Fig. 4 die erfindungsgemäß vorgeschlagene Kühlmittelführung unter Bildung ohmscher Widerstände veranschaulicht.

Fig. ι veranschaulicht eine die Ausbildung stabiler Schwingungszustände dämpfende Ausbildung des Entladungsgefäßes i, das zu diesem Zweck als bei 2 schräg begrenzter, bei 3 und 4 konisch zulaufender, hutförmiger Hohlkörper ausgebildet ist, der nicht oder nur in extremen Fällen als Hohlraumresonator wirken kann. Das wird auch durch Anordnung von Verstärkungsrippen 5 bis 8 bedingt, die mit verschiedener Breite und mit verschiedenen Abständen verwirklicht worden sind, und durch die Anbringung der Innenteile weiter unterstützt.

Fig. 2 gibt eine Anordnung wieder, bei der asymmetrische Elektroden 9, 10 und 11 zu erkennen sind, die ebenfalls eine Neigung des Entladungsgefäßes ι zur Hohlraumresonanz unterdrücken oder gar völlig beseitigen. Das Werkstück ist mit 12 bezeichnet, während 13 und 14 ,Stromdurchführungen im Sinne der Erfindung sind. Kondensatoren 15 bis 17 erzeugen zwischen den spannungsführenden Leitern 18 und 19 für Hochfrequenz kapazitive Kurzschlüsse. Zur Erzielung eindeutiger Potentialverhältnisse ist 'bei 20 eine Verbindung der Masse des Rezipienten mit dem Bezugspunkt 2Ί des Stromlieferungssystems 22 vorgenommen, wobei die Spannungsquelle 22 beispielsweise symmetriert angenommen ist. Das ist jedoch nicht unbedingtes Erfordernis, wie bei dem ebenfalls verwirklichbaren Bezugspunkt 213 erkennbar ist. Auch das andere Ende der (Stromquelle kann ebenso als Bezugspunkt gewählt werden, in gleicher Weise etwa auch die Punkte 30 oder 3,1 des Stromversorgungssystems. In allen Fällen ist es zur Erzielung eindeutiger Verhältnisse gegenüber der Umgebung vorteihaft, den Bezugspunkt an Erde zu legen. Auch die Pole des Stromlieferungssystems 212 sind bei 24 und 25 mittels Kondensatoren für Hochfrequenz kurzgeschlossen; gegebenenfalls wären diese z. B. an den Bezugspunkt 23 in gleicher Weise anzuschließen. Außerdem finden weitere Siebmittel, wie Widerstände 26 und 27 und Drosselspulen 28 und 29, in den Zuleitungen 30 und 31 zum Entladungsgefäß Anwendung, um zu verhüten, daß in der Stromquelle auftretende Hochfrequenz Zugang zu dem Entladungsgefäß findet, und umgekehrt. Alternativ

können Drosseln allein oder Widerstände allein oder auch nur in einer der Zuleitungen verwendet werden, wobei diese wirksamen Hochfrequenzwiderstände als Beruhigungsmittel für die Gasentladung Verwendung finden.

Fdg. 3 zeigt eine erfindungsgemäß getroffene Ausbildung einer Stromdurchführung als Kondensator schematisch in vergrößerter Darstellung. Man erkennt bei 12 das Werkstück, bei 32 den Stromanschluß, bei 33 den Isolator, bei 34 'die Grundplatte des Entladungsgefäßes, bei 35 einen mit den Wandungen des Gasentladungsgefäßes 1 elektrisch verbundenen Teil, bei 36 den inneren Teil der Stromdurchführung und bei 37 den kapazitiven Abschirmspalt selbst. Es sind naturgemäß weitgehende Variationen möglich; z. B. wird der Teil 35 durch die Wand 34 nach unten verlängert, um den stromführenden Mittelteil auch außerha-llh des Entladungsgefäßes noch zu umfassen. Der Isolator 33 rückt dadurch an das äußerste Ende der Anordnung. Ebenso kann der kapazitive Spalt 37 noch über die obere Fläche von Teil 36 vergrößert werden durch Übergreifen des Teiles 35 usw.

In Fdg. 4 schließlich ist dargestellt, wie mit ohmsehen Widerständen, die durch einen Wärmetauschmittel'strom gebildet werden, die Überbrückung spannungsführender Teile zu erreichen ist. Das Kühlmittel tritt bei 37 in einen KühlmittelzufLußstutzen der Stromdurchführung 13 ein, die aus dem inneren Kühlrnittelzuflußrohr 38 und einem Mantelrohr 39 zusammengesetzt ist, die beide zusammen gleichzeitig die Kathode bilden, weiter aus dem Isolator 33 und dem kapazitiven Abschirmspalt 37 besteht. Das aus dem Mantelrohr zurückströmende Kühlmittel gelangt in den Stutzen 40, um über den Gummischlauch 41 der doppehvandigen Begrenzung des Entladungsgefäßes 1 zugeführt zu werden. Aus dem Hohlraum 42 der Doppehvandung 1 gelangt das Kühlmittel über die der Einfachheit wegen auch als Gummischlauch ausgebildete Verbindung 43 -in den Hohlraum 44 der doppelwandigen Grundplatte 34, um aus dieser 'bei 45 abzufließen. Auf der Grundplatte 34 ruhen die Wandungen 1 des Gasentladungsgefäßes über Gummiprofildichtungen 46 auf. Die Teile 1 und 34 sind .über Leitungen 47, 48 direkt elektrisch verbunden, da sie durch die Gummidichtung 46 isoliert sind, ©er Kondensator 16 überbrückt die z. B, anodische Grundplatte 34 und das Kathodensystem 40, 13 kapazitiv für Hochfrequenz. Wie ersichtlich, überbrückt die Schlauchverbindung 41 den auf Kathodenpotential befindlichen Durchführungskomplex 13 und das als Anode geschaltete Entladungsgefäß 1 ibzw. gleichzeitig die direkt verbundene Grundplatte 34. Es besteht also außer dem Kondensator ιό auch noch eine ohmsche Verbindung zwischen Anode und Kathode über die Flüssigkeitssäule im Schlauch 41. Es ergibt sich dadurch nicht nur der Vorteil, daß die im Verbindungs Stromkreis eventuell auftretende Wärme sofort abgeführt wind, sondern auch eine wesentliche Vereinfachung im Kühlkreislauf. Als elektrische Schaltkombination ergibt sich außerdem auf diese Weise ein stark gedämpftes Leitergebilde.

Somit ist erkennbar, daß die in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Maßnahmen die Auswirkungen im Entladungsraum auftretender Hochfrequenzschvringml·- gen wesentlich vermindern. Durch teilweise oder Gesamtvere.inigung der veranschaulichten Maßnahmen kann eine praktische Beseitigung der Auswirkungen der im Entladungsraum auftretenden Hochfrequenzschwingungen erreicht werden. Zum mindesten ist jedoch die Herabsetzung der Auswirkung der im Entladungsraum auftretenden Hochfrequenzschwingungen auf die außerhalb des Entstehungsgebietes letzterer befindliche Umgebung auf die Nutzbarmachung der den Ladungsträgern mitgeteilten Energie weitgehend zu erreichen, wobei unter Umgebung 'sowohl der im Entladungsgefäß liegende Raum außerhalb des unmittelbaren Entstehungsgebiietes der Hochfrequenzschwingungen als auch der Raum außerhalb der Gefäßwandungen zu verstehen ist.

Claims (27)

1. PATENTANSPRÜCHE: _g

   ι. Verfahren zur Durchführung technischer Prozesse mittels Gas-, vorzugsweise Glimmentladungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsträgern in der Gasatmosphäre mitge- go teilte Energie mittels Verringerung der Auswirkungen im Entladungsraum auftretender Hochfrequenzschwingungen in erhöhtem Maße für die Durchführung technischer Prozesse selbst nutzbar gemacht wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Erstreckung im Entladungsraum auftretender Hochfrequenzschwingungen auf die außerhalb des Entstehungsgebietes letzterer befindliche Umgebung ver- mindert wird,
3. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erstreckung im Entladungsraum auftretender Hochfrequenzschwingungen auf dieauß erhalb des Entstehungsgebietes¹ letzterer befindliche, bis zur Begrenzung des Entladungsraumes reichende Umgebung vermindert wird.
4. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erstreckung dm Entladungsraum auftretender Hochfrequenzechwdngungen auf die außerhalb der Begrenzung des Entladungsraumes liegende Umgebung vermindert wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Beseitigung der Auswirkungen im Entladungsraum auftretender Hochfrequenzschwdngungen.
6. 6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch Vermeidung <von Resonanzlagen zwischen auftretenden Hochfrequenzschwingungen und durch Anregung entstehungs- oder ;verstärkungsfähigen Schwingungen.
7. 7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche ι bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß

   spannungsführende Leiter und/oder isolierte Teile kapazitiv für Hochfrequenz kurzgeschlossen werden.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Stromzu- und -abführungen gegeneinander kapazitiv für Hochfrequenz kurzgeschlossen werden.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß spannungsführende Leiter gegen Begrenzungen des Entladungsraumes kapazitiv für Hochfrequenz kurzgeschlossen werden.
10. 10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Widerstände zwischen spannungsführende Leiter geschaltet werden.
11. ΙΊ. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß spannungsführende Leiter und/oder isolierte Teile über sie berührende Ströme eines Wärmetauschmittels elektrisch verbunden werden.
12. 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß spannungsführende Leiter und/oder isolierte Teile über denselben, sie nacheinander berührenden Strom eines Wärmetauschmittels elektrisch verbunden werden.
13. 13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß Stromquelle und Begrenzung 'des Gasentladungsraumes an einen gemeinsamen elektrischen Bezugspunkt .angelegt werden.
14. 14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß Siebtnittel in die Verbindungswege zwischen Stromquelle und Entladungsraum gelegt werden.
15. 15. Vorrichtung zur Durchführung von Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche ι bis 14, gekennzeichnet durch Anordnung von Mitteln zur Verringerung der Aus-Wirkungen im Entladungsraum auftretender Hochfrequenzschwingungen.
16. 16. Vorrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine Hohlraumresonanzen dämpfende Ausbildung des Gasentladungsgefäßes.
17. 17. Vorrichtung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch eine asymmetrische Ausbildung des Gasentladungsgefäßes.
18. 18. Vorrichtung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch eine asymmetrische Anordnung elektrisch wirksamer Teile im Gasentladungsgefäß.
19. 19. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 18, gekennzeichnet durch Anordnung von Kondensatoren zwischen Stromleitern und/oder isolierten Teilen.
20. 20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromdurchführung als zwischen St rom leitern wirksamer Kondensator ausgebildet ist.
21. 21. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromdurchführung als zwischen Stromleitern und Wandungen des Gasentladungsgefäßes wirksamer Kondensator ausgebildet ist.
22. 22. Vorrichtung nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch eine in Stromleiterrichtung gemessene Länge der kleinen Abstand aufweisenden Kondensatorflächen, bei der Hochfrequenzschwingungen der höchsten auftretenden Frequenz gegen Austritt aus dem Gasentladungsgefäß gesperrt sind.
23. 23. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 22, gekennzeichnet durch Anordnung von Kondensatoren zwischen Stromleitern und Wandungen des Gasentladungsgefäßes.
24. 24. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 23, ,gekennzeichnet durch Anordnung dhmscher Widerstände zwischen Teilen verschiedenen Potentials.
25. 25. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 24, gekennzeichnet durch elektrische Verbindungen zwischen Teilen gleichen Potentials.
26. 26. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß Stromquelle und Gasentladungsgefäß an einen gemeinsamen elektrischen Bezugspunkt angeschlossen sind.
27. 27. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 26, gekennzeichnet durch Anordnung von elektrischen Siebmitteln in den Stromverfoindungswegen zwischen Gasentladungsgefäß und Stromquelle.

    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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