WO2010112378A1 - Verfahren und strahlgenerator zur erzeugung eines gebuendelten plasmastrahls - Google Patents

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WO2010112378A1
WO2010112378A1 PCT/EP2010/053816 EP2010053816W WO2010112378A1 WO 2010112378 A1 WO2010112378 A1 WO 2010112378A1 EP 2010053816 W EP2010053816 W EP 2010053816W WO 2010112378 A1 WO2010112378 A1 WO 2010112378A1
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voltage
working gas
generator according
electrode
electrodes
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PCT/EP2010/053816
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Inventor
Michael Bisges
Uwe Hartmann
Holger Schneidereit
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Reinhausen Plasma Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
    • H05H1/36—Circuit arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/42—Plasma torches using an arc with provisions for introducing materials into the plasma, e.g. powder, liquid

Definitions

  • the invention relates to a beam generator for generating a collimated plasma beam by arc discharge with supply of a flowing working gas with two in the flow of the working gas in spaced-apart electrodes and a voltage source for generating a voltage between the electrodes. Moreover, the invention relates to a method for producing a collimated plasma jet.
  • Plasma jet is used in which a plasma jet is generated by applying a voltage in a nozzle tube between two electrodes by means of a non-thermal discharge from a working gas.
  • the working gas is preferably under atmospheric pressure.
  • air is used as the working gas.
  • EP 0 761 415 B9 and DE 195 32 412 C2 disclose a generic jet generator for producing a collimated plasma jet, which has a cup-shaped housing made of plastic with a lateral supply for the working gas. In the housing coaxially a nozzle tube made of ceramic is held. In the interior of the pot-shaped housing, a pin electrode made of copper is centrally arranged, which protrudes into the nozzle tube.
  • the outer circumference of the nozzle tube is surrounded outside the cup-shaped housing by a jacket of electrically conductive material, which forms a ring electrode at the free end of the nozzle tube.
  • the ring electrode at the same time limits a nozzle opening whose diameter is smaller than the inner diameter of the nozzle tube, so that a certain constriction is achieved at the outlet of the nozzle tube.
  • a disadvantage of the known jet generator is the high thermal load of the surfaces to be treated.
  • the voltage source requires a very high ignition voltage in the order of 10 to 30 kV.
  • Another disadvantage is the low efficiency. This is due in particular to a low degree of ionization in the plasma.
  • the working gas exiting the jet generator has a high temperature, while the electrons have a fairly low temperature.
  • engineered non-thermal plasmas usually have a low degree of ionization.
  • the invention is based on the object to provide a beam generator of the type mentioned, in particular a non ⁇ thermal plasma with low temperatures of the Beam generator emerging plasma jet generated. Furthermore, a compact design of the beam generator is desired. Finally, a method is to be specified with which a particular non-thermal plasma can be produced with low temperatures of the plasma jet.
  • the voltage source generates a voltage pulse with an ignition voltage for the arc discharge and a pulse frequency, the arc between two consecutive
  • the bundled plasma jet in the flowing working gas is generated by an arc discharge.
  • the arc represents a gas discharge between the two spaced-apart electrodes to which a sufficiently high voltage is applied to generate by impact ionization required for the gas discharge high current density.
  • the gas discharge forms the plasma in which the heavy particles are partially ionized.
  • the ignition voltage is the electrical voltage required to initiate the gas discharge between the two electrodes.
  • the ignition voltage is generated by the voltage source or derived from the voltage source from a primary source.
  • DC and AC voltage sources but preferably DC voltage sources, come into consideration for the invention.
  • the decisive factor is that the voltage source generates a voltage pulse which causes the arc to extinguish between two consecutive voltage pulses. It is meant by voltage pulse that of The voltage emitted voltage first from a lower value, preferably zero, starting from a maximum value which is greater than or equal to the ignition voltage increases and a short time later back to the lower value, preferably zero, decreases.
  • the periodic sequence of voltage pulses is called the voltage pulse.
  • each voltage pulse the voltage falls far below the required ignition voltage, so that with each voltage pulse of the arc extinguished until the ignition voltage is reached again in the next voltage pulse and a new arc discharge takes place between the electrodes.
  • a low temperature of the effluent working gas from the jet generator is generated at high electrode temperatures.
  • the sudden discharge of the electrons when the high ignition voltage is reached generates a large number of highly accelerated electrons in the plasma which have a high electron temperature.
  • After reaching or exceeding the ignition voltage flows between the two electrodes for a very short period of time from one nanosecond to 1000 nanoseconds a current with a maximum current intensity of 10 to 1000 amperes.
  • the resulting high current density has a positive effect on the so-called pinch effect.
  • the pinch effect refers to the contraction of the high electric current plasma into a thin, compressed plasma tube or filament due to the interaction of the plasma stream with the magnetic field generated by it.
  • the voltage source is designed to generate a pulse frequency of the voltage pulse, preferably in a range between 10 kHz to 100 kHz, in particular in a range between 20 kHz to 70 kHz. At these pulse rates is ensure that the plasma generation and the plasma jet are not interrupted. By this measure, an uninterrupted activation and coating, in particular with powder, of substrate surfaces can be carried out with the jet generator according to the invention.
  • the maintenance of the plasma jet despite extinction of the arc with simultaneously very low heat load of the substrate surface is preferably achieved with pulse frequencies in the range between 20 kHz to 70 kHz.
  • the distance between the electrodes of the jet generator and the pressure of the working gas is determined so that the aforementioned currents in the plasma are achieved at ignition voltages between 2 kV to 10 kV.
  • the basis for determining the electrode spacing is the Paschen
  • the ignition voltage is a function of the product of the gas pressure of the working gas and the impact distance, that is the distance between the electrodes.
  • the working gas used preferably air
  • the voltage pulses generated by the voltage source may be the same or alternating.
  • a preferred embodiment of the voltage source is characterized in that the voltage source has a power supply unit with a connection for an output voltage and two outputs for the voltage converted in the power supply unit, wherein at least one capacitor is connected in parallel with the outputs and connected to the power supply unit via at least one resistor connected is.
  • one of the outputs can be connected to ground potential and the common ground can be used as reference potential and connection for the capacitor.
  • the power supply is an assembly that converts the input voltage provided by the power supply network into the output voltage required by the beam generator.
  • the circuit of capacitor and resistor forces the extinction of the arc, in which the power output from the power supply is stored in the capacitor.
  • the power delivered by the power supply is initially stored by the capacitor until the ignition voltage for the arc discharge is reached. Upon reaching the ignition voltage, it comes to gas discharge and the energy stored in the capacitor flows within a nanosecond to 1000 nanoseconds with a high current intensity of 10 amps to 1000 amps. Due to the at least one charging resistor, via which the at least one capacitor is connected to the power supply, not enough current flows to maintain the fed from the capacitor arc. As a result, the arc extinguishes automatically and the charging of the capacitor for the next voltage pulse starts again.
  • the power supply of the voltage source is preferably designed as a switching power supply.
  • the switching power supply is characterized by the fact that, in contrast to conventional power supplies with 50- or 60-Hz transformer, the mains voltage is converted into an AC voltage much higher frequency and finally rectified after the transformation.
  • the operation of the transformer with higher frequency has the consequence that at the same
  • the capacitor of the voltage source can be in the form of a shielded cable, in which an electrical line connecting the first electrode to the voltage source is surrounded by an insulator which covers at least part of an electrically conductive shield, which is part of the electrically conductive Connection between the voltage source and the other electrode is, wherein the shield encloses an outer insulator.
  • the capacitance of the capacitor is preferably in a range of 1 nF to 200 ⁇ F
  • a compact design of the jet generator at the same homogeneous flow of the working gas is achieved in that an electrode is formed as a pin electrode and an electrode as an annular electrode, concentric with the pin electrode is a hollow cylindrical, opposite the pin electrode insulated jacket of electrically conductive material is arranged at the a front side, the annular electrode is arranged, which defines a nozzle opening whose diameter is smaller than the diameter of the hollow cylindrical shell and on whose opposite end side, the supply is arranged for the working gas.
  • the jet generator according to the invention has as a means for generating a turbulent flow of the working gas a sleeve inserted in the hollow cylindrical shell surrounding the pin electrode of electrically insulating material, on the surface of which at least one web designed as a helix is arranged between the inner wall of the hollow cylindrical shell and the surface of the sleeve forms a channel for the working gas.
  • a sleeve inserted in the hollow cylindrical shell surrounding the pin electrode of electrically insulating material, on the surface of which at least one web designed as a helix is arranged between the inner wall of the hollow cylindrical shell and the surface of the sleeve forms a channel for the working gas.
  • the residence time of the working gas at the same flow rate due to the shorter flow path through the jet generator is shorter, whereby the cooling effect of the working gas is amplified.
  • the residence time of the working gas is the same
  • the sleeve forming the duct for the working gas fixes the pole electrode in the electrically conductive jacket and ensures the required electrical separation between the pole electrode and the jacket.
  • the sleeve is not only easy to install, but also leads to the desired compact dimensions of the pin-shaped jet generator.
  • the radiation generator according to the invention can be used for activating and coating substrate surfaces using a plasma jet, if at least one inlet for the introduction of powders with particle sizes of 10 nm to 100 ⁇ m is arranged in the region of the nozzle opening.
  • the electrons of the plasma jet sputter the powder particles fed in and melt them due to the still relatively high temperature there, in particular the high electron temperature, of the plasma. Due to the energy consumption for the melting and on the way of the plasma to the nozzle opening, it comes to a cooling, so that the fine-grained, the coating of the substrate surface forming powder relatively cool reaches the substrate surface.
  • the inventive Beam generator is therefore especially for
  • Substrate surfaces suitable.
  • the inlets for the powder are located on a conically tapering in the direction of the annular electrode portion of the hollow cylindrical shell of the jet generator.
  • the substrate temperature increase during and after the coating process with the fine-grained powder is well below 100 degrees Celsius. Nevertheless, a good adhesion of the applied powder is achieved when using the jet generator according to the invention.
  • the substrate surface needs no special pretreatment. The surface cleaning is carried out by the plasma jet of the jet generator itself.
  • the powders are, for example, metals, ceramics, thermoplastics or else mixtures thereof, which are applied as functional layers , for example protective, wear or insulating layers.
  • Figure 1 is a schematic representation of a first embodiment of an inventive
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of a jet generator according to the invention
  • FIG. 3 shows a third exemplary embodiment of a jet generator according to the invention
  • Figure 4 is a schematic representation of the course of voltage and current of the voltage source of a beam generator according to the invention and Figure 5 shows a fourth embodiment of a beam generator according to the invention for powder coating of substrate surfaces.
  • the beam generator (1) for generating a collimated plasma jet (2) comprises two electrodes (4, 5) arranged in the flow of a working gas (3) and a voltage source (6) for generating a voltage between the electrodes (4, 5).
  • the working gas (3) is channeled in a hollow cylindrical jacket (7).
  • the electrodes (4, 5) at a distance (8) are arranged to each other.
  • the voltage source (6) has a switched-mode power supply (9) with a connection (10) for the input voltage, in particular the mains voltage, and two outputs (11, 12) for the voltage converted in the switched-mode power supply (9). Parallel to the outputs (11, 12), a capacitor (13) is connected, which is connected to the switching power supply (9) via a resistor (14), also referred to as a charging resistor.
  • the line voltage applied to the connection (10) is first rectified by a rectifier (15). Subsequently, the DC voltage from an inverter (16), also referred to as an inverter, converted into an AC voltage much higher frequency before it is fed to the primary winding of a transformer (17). The on the secondary side of the transformer (17) tapped, compared to the mains voltage higher voltage is fed to a further rectifier (18) rectifying the transformed AC voltage.
  • an inverter (16) also referred to as an inverter
  • Figure 4 shows in the left half of a voltage / time diagram, the expression of a voltage pulse (21) and in a current / time diagram shown below the course of the adjusting in the plasma current of the beam generator (1).
  • the power delivered by the switching power supply (9) is first stored by the capacitor (13) until the ignition voltage (19) for the. Between the electrodes (4, 5)
  • Forming the arc between the electrodes (4, 5) is applied.
  • the ignition voltage (19) is reached, the air gap (8) between the electrodes (4, 5) becomes conductive and the entire energy stored in the capacitor (13) flows within approximately 10 ns, as can be seen from the current.
  • the resistor (14) of the switching power supply (9) does not flow enough charge to maintain the arc.
  • the resistor (14) is to be dimensioned such that less power flows from the switched-mode power supply to the capacitor (13) than simultaneously flows out via the arc between the electrodes (4, 5). This has the consequence that the arc between each two successive voltage pulses extinguished before it is ignited again with the reaching of the ignition voltage (19) in the next voltage pulse (21).
  • the pulse frequency is preferably in a range between 1 kHz to 100 kHz, in the illustrated embodiment at 60 kHz.
  • FIG. 2 shows a further exemplary embodiment of a jet generator (1) according to the invention.
  • a first electrode is designed as a pin electrode (22), while the second electrode arranged at a spacing (8) is designed as an annular electrode (23).
  • the jacket (7) of electrically conductive material is arranged concentrically with the pin electrode (22) and insulated from the pin electrode (22). At the end face opposite the annular electrode (23), the feed (24) for the working gas (3) is arranged.
  • the supply for the working gas (3) has a sleeve (25) of electrically insulating material which is inserted into the hollow cylindrical jacket (7) and has a pin electrode (22) on the surface of which a web (26) designed as a helix is arranged. between the inner wall (27) of the hollow cylindrical shell (7) and the surface (28) of the sleeve (25) forms a channel for the working gas (3).
  • the working gas passing through the helix thus enters the annulus in a turbulent flow
  • FIG. 3 a shows a jet generator (1) according to FIG. 2, in which the switched-mode power supply (9) is indicated merely by a symbol for the sake of clarity.
  • the capacitor is, as can be seen from Figure 3 b, in this
  • the shield (32) in turn encases an outer insulator (33).
  • FIG. 5 shows a jet generator (1) according to FIGS. 2 and 3, which is intended for coating a substrate surface (35) with fine-grained powders.
  • the hollow cylindrical shell (7) has an end face conically tapered in the direction of the annular electrode (23) portion (36) in which two inlets (37) are arranged. At each of the two inlets (37) sets a line (38) for the fine-grained powder to which a powder / gas stream (39) is supplied.
  • the powder particles (40) enter the plasma jet (2), with which they leave the jet generator (1) through the ring electrode (23).
  • the jet generator (1) is moved in the direction (42) with the nozzle opening (41) aligned with the substrate surface (35), the powder particles (40) are deposited on the substrate surface (35).
  • Substrate surface deposited layer (43) is indicated in Figure 5.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls in einem strömenden Arbeitsgas durch Lichtbogenentladung zwischen zwei im Strom des Arbeitsgases im Abstand zueinander angeordneten Elektroden, wobei ein Spannungspuls mit einer Pulsfrequenz und einer Zündspannung für die Lichtbogenentladung erzeugt wird, der den Lichtbogen zwischen zwei aufeinander folgenden Spannungsimpulsen jeweils verlöschen lässt.

Description

Verfahren und Strahlgenerator zur Erzeugung eines gebündelten Plasmastrahls
Die Erfindung betrifft einen Strahlgenerator zur Erzeugung eines gebündelten Plasmastrahls durch Lichtbogenentladung unter Zufuhr eines strömenden Arbeitsgases mit zwei im Strom des Arbeitsgases im Abstand zueinander angeordneten Elektroden sowie einer Spannungsquelle zur Erzeugung einer Spannung zwischen den Elektroden. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung eines gebündelten Plasmastrahls.
Wenn Werkstückoberflächen beschichtet, lackiert oder geklebt werden sollen, ist häufig eine Vorbehandlung erforderlich, durch die Verunreinigungen von der Oberfläche entfernt werden und/oder durch die die Molekülstruktur so verändert wird, dass die Oberfläche mit Flüssigkeiten, wie Kleber, Lacken und dergleichen besser benetzt werden kann.
Zur Oberflächenbehandlung- und -reinigung kommen Strahlgeneratoren zur Erzeugung eines gebündelten
Plasmastrahls zum Einsatz, bei denen unter Anlegen einer Spannung in einem Düsenrohr zwischen zwei Elektroden mittels einer nicht-thermischen Entladung aus einem Arbeitsgas ein Plasmastrahl erzeugt wird. Dabei steht das Arbeitsgas vorzugsweise unter atmosphärischem Druck. In bevorzugter Weise wird Luft als Arbeitsgas verwendet.
Die Vorbehandlung und Reinigung mittels Plasma hat zahlreiche Vorteile, von denen insbesondere der hohe Entfettungsgrad, die Umweltfreundlichkeit, die Eignung für nahezu sämtliche Materialien, die geringen Betriebskosten sowie die hervorragende Integration in die unterschiedlichen Fertigungsabläufe hervorzuheben sind. Aus der EP 0 761 415 B9 sowie der DE 195 32 412 C2 ist ein gattungsgemäßer Strahlgenerator zur Erzeugung eines gebündelten Plasmastrahls bekannt, der ein topfförmiges Gehäuse aus Kunststoff mit einer seitlichen Zufuhr für das Arbeitsgas aufweist. In dem Gehäuse ist koaxial ein Düsenrohr aus Keramik gehalten. Im Inneren des topfförmigen Gehäuses ist mittig eine Stiftelektrode aus Kupfer angeordnet, die in das Düsenrohr hineinragt. Der äußere Umfang des Düsenrohrs ist außerhalb des topfförmigen Gehäuses von einem Mantel aus elektrisch leitendem Material umgeben, der am freien Ende des Düsenrohres eine Ringelektrode ausbildet. Die Ringelektrode begrenzt zugleich eine Düsenöffnung, deren Durchmesser kleiner als der Innendurchmesser des Düsenrohres ist, so dass am Auslass des Düsenrohrs eine gewisse Einschnürung erreicht wird.
Ein Nachteil des bekannten Strahlgenerators besteht in der hohen thermischen Belastung der zu behandelnden Oberflächen. Die Spannungsquelle benötigt eine sehr hohe Zündspannung in einer Größenordnung von 10 bis 30 kV. Nachteilig ist auch der geringe Wirkungsgrad. Verantwortlich hierfür ist insbesondere ein geringer Ionisierungsgrad im Plasma. Darüber hinaus weist das aus dem Strahlgenerator austretende Arbeitsgas eine hohe Temperatur auf, während die Elektronen eine recht geringe Temperatur aufweisen. Für den Betrieb von Strahlgeneratoren zur Oberflächenbehandlung wird jedoch die Erzeugung nichtthermischer Plasmen angestrebt, bei denen die Elektronen eine viel höhere Temperatur als die Schwereteilchen (Moleküle, Atome, Ionen) aufweisen. Technisch hergestellte, nicht- thermische Plasmen haben jedoch üblicherweise einen geringen Ionisierungsgrad.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen Strahlgenerator der eingangs erwähnten Art zu schaffen, der insbesondere ein nicht¬ thermisches Plasma mit geringen Temperaturen des aus dem Strahlgenerators austretenden Plasmastrahls erzeugt. Des Weiteren wird eine kompakte Bauform des Strahlgenerators angestrebt. Schließlich soll ein Verfahren angegeben werden mit dem sich ein insbesondere nicht-thermisches Plasma mit geringen Temperaturen des Plasmastrahls erzeugen lässt.
Diese Aufgabe wird beim Strahlgenerator der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, dass die Spannungsquelle einen Spannungspuls mit einer Zündspannung für die Lichtbogenentladung und einer Pulsfrequenz erzeugt, der den Lichtbogen zwischen zwei aufeinander folgenden
Spannungsimpulsen jeweils verlöschen lässt. Ein Verfahren zur Erzeugung eines nicht-thermischen Plasmas mit geringen Temperaturen des Plasmastrahls ergibt sich aus den Merkmalen der Ansprüche 15 und 16.
Der gebündelte Plasmastrahl in dem strömenden Arbeitsgas wird durch eine Lichtbogenentladung erzeugt. Der Lichtbogen stellt eine Gasentladung zwischen den beiden im Abstand zueinander angeordneten Elektroden dar, an denen eine ausreichend hohe Spannung anliegt, um durch Stoßionisation die für die Gasentladung erforderliche hohe Stromdichte zu erzeugen. Die Gasentladung bildet das Plasma in dem die Schwereteilchen teilweise ionisiert sind.
Die Zündspannung ist die elektrische Spannung, die erforderlich ist, um die Gasentladung zwischen den beiden Elektroden einzuleiten. Die Zündspannung wird von der Spannungsquelle erzeugt oder von der Spannungsquelle aus einer Primärquelle abgeleitet. Für die Erfindung kommen grundsätzlich Gleich- und Wechselspannungsquellen, vorzugsweise jedoch Gleichspannungsquellen in Betracht. Entscheidend ist jedoch, dass die Spannungsquelle einen Spannungspuls erzeugt, der den Lichtbogen zwischen zwei aufeinander folgenden Spannungsimpulsen jeweils verlöschen lässt. Dabei ist mit Spannungsimpuls gemeint, dass die von der Spannung abgegebene Spannung zunächst von einem unteren Wert, vorzugsweise Null, ausgehend auf einen Höchstwert, der größer oder gleich der Zündspannung ist, ansteigt und kurze Zeit später wieder auf den unteren Wert, vorzugsweise Null, absinkt. Die periodische Folge von Spannungsimpulsen wird als Spannungspuls bezeichnet.
Während jedes Spannungsimpulses fällt die Spannung weit unter die erforderliche Zündspannung, so dass mit jedem Spannungsimpuls der Lichtbogen verlöscht, bis im nächsten Spannungsimpuls die Zündspannung wieder erreicht wird und eine neue Lichtbogenentladung zwischen den Elektroden erfolgt. Durch das mit jedem Spannungsimpuls erzwungene Verlöschen des Lichtbogens wird bei hohen Elektrodentemperaturen eine geringe Temperatur des ausströmenden Arbeitsgases aus dem Strahlgenerator erzeugt. Durch das schlagartige Abfließen der Elektronen beim Erreichen der hohen Zündspannung wird eine große Zahl hochbeschleunigter Elektronen im Plasma generiert die eine hohe Elektronentemperatur aufweisen. Nach Erreichen bzw. Überschreiten der Zündspannung fließt zwischen den beiden Elektroden für einen sehr kurzen Zeitraum von einer Nanosekunde bis 1000 Nanosekunden ein Strom mit einer maximalen Stromstärke in Höhe von 10 bis 1000 Ampere. Die hieraus resultierende hohe Stromdichte wirkt sich positiv auf den so genannten Pinch-Effekt aus. Der Pinch-Effekt bezeichnet das Zusammenziehen des von einem hohen elektrischen Strom durchflossenen Plasmas zu einem dünnen, komprimierten Plasmaschlauch oder -faden in Folge der Wechselwirkung des Plasmastroms mit dem von ihm erzeugten Magnetfeld.
Die Spannungsquelle ist zur Erzeugung einer Pulsfrequenz des Spannungspulses, bevorzugt in einem Bereich zwischen 10 kHz bis 100 kHz, insbesondere in einem Bereich zwischen 20 kHz bis 70 kHz ausgebildet. Bei diesen Pulsfrequenzen ist sichergestellt, dass die Plasmaerzeugung und der Plasmastrahl nicht unterbrochen werden. Durch diese Maßnahme kann eine unterbrechungsfreie Aktivierung und Beschichtung, insbesondere mit Pulver, von Substratoberflächen mit dem erfindungsgemäßen Strahlgenerator vorgenommen werden. Die Aufrechterhaltung des Plasmastrahls trotz Verlöschen des Lichtbogens bei gleichzeitig sehr geringer Wärmebelastung der Substratoberfläche wird vorzugsweise mit Pulsfrequenzen in dem Bereich zwischen 20 kHz bis 70 kHz erreicht.
Der Abstand zwischen den Elektroden des Strahlgenerators und der Druck des Arbeitsgases wird so bestimmt, dass die vorgenannten Stromstärken im Plasma bei Zündspannungen zwischen 2 kV bis 10 kV erreicht werden. Die Grundlage für die Ermittlung des Elektrodenabstandes ist das Paschen-
Gesetz, wonach die Zündspannung eine Funktion des Produktes aus dem Gasdruck des Arbeitsgases und der Schlagweite, das heißt dem Abstand zwischen den Elektroden ist. Abhängig von der Form der sich gegenüberstehenden Elektroden sowie dem verwendeten Arbeitsgas, vorzugsweise Luft, müssen
Korrekturparameter bei der Berechnung berücksichtigt werden.
Die von der Spannungsquelle erzeugten Spannungsimpulse können gleich- oder wechselgerichtet sein.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Spannungsquelle ist dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle ein Netzteil mit einem Anschluss für eine Ausgangsspannung und zwei Ausgänge für die im Netzteil umgesetzte Spannung aufweist, wobei parallel zu den Ausgängen mindestens ein Kondensator geschaltet ist, der mit dem Netzteil über mindestens einen Widerstand verbunden ist. Wahlweise kann dabei einer der Ausgänge mit Erdpotential verbunden sein und die gemeinsame Erde als Bezugspotential und Anschluss für den Kondensator verwendet werden. Das Netzteil ist dabei eine Baugruppe, die die vom Stromnetz bereitgestellte Eingangsspannung in die von dem Strahlgenerator benötigte Ausgangsspannung umsetzt.
Die Schaltung aus Kondensator und Widerstand erzwingt das Verlöschen des Lichtbogens, in dem die von dem Netzteil abgegebene Leistung in dem Kondensator zwischengespeichert wird. Die von dem Netzteil abgegebene Leistung, wird zunächst von dem Kondensator gespeichert, bis die Zündspannung für die Lichtbogenentladung erreicht wird. Beim Erreichen der Zündspannung kommt es zur Gasentladung und die im Kondensator gespeicherte Energie fließt innerhalb von einer Nanosekunde bis 1000 Nanosekunden mit einer hohen Stromstärke in Höhe von 10 Ampere bis 1000 Ampere ab. Durch den mindestens einen Ladewiderstand, über den der mindestens eine Kondensator mit dem Netzteil verbunden ist, fließt nicht genügend Strom nach, um den aus dem Kondensator gespeisten Lichtbogen aufrecht zu erhalten. In Folge dessen erlischt der Lichtbogen selbstständig und die Aufladung des Kondensators für den nächsten Spannungsimpuls beginnt erneut.
Im Interesse einer kompakten Bauform und einer weiteren Steigerung des Wirkungsgrades des erfindungsgemäßen Strahlgenerators ist das Netzteil der Spannungsquelle vorzugsweise als Schaltnetzteil ausgebildet. Das Schaltnetzteil zeichnet sich dadurch aus, dass abweichend zu herkömmlichen Netzteilen mit 50- bzw. 60-Hz-Transformator die Netzspannung in eine Wechselspannung wesentlich höherer Frequenz umgewandelt und nach der Transformation schließlich wieder gleichgerichtet wird. Der Betrieb des Transformators mit höherer Frequenz hat zur Folge, dass bei gleicher
Leistung die Masse des Transformators deutlich verringert werden kann. In Folge dessen sind Schaltnetzteile bei gleicher Leistung kompakter und leichter. Des Weiteren ist deren Wirkungsgrad höher als der konventioneller Netzteile. Besonders Platz sparend lässt sich der Kondensator der Spannungsquelle in Form eines abgeschirmten Kabels ausführen, in dem eine die erste Elektrode mit der Spannungsquelle verbindende elektrische Leitung von einem Isolator umgeben wird, den zumindest auf einer Teillänge eine elektrisch leitende Abschirmung ummantelt, die Bestandteil der elektrisch leitenden Verbindung zwischen der Spannungsquelle und der weiteren Elektrode ist, wobei die Abschirmung ein äußerer Isolator ummantelt.
Die Kapazität des Kondensators liegt vorzugsweise in einem Bereich von 1 nF bis 200 μF
Eine kompakte Bauform des Strahlgenerators bei gleichzeitig homogener Strömung des Arbeitsgases wird dadurch erreicht, dass eine Elektrode als Stiftelektrode und eine Elektrode als ringförmige Elektrode ausgebildet ist, konzentrisch zu der Stiftelektrode ein hohlzylindrischer, gegenüber der Stiftelektrode isolierter Mantel aus elektrisch leitendem Material angeordnet ist, an dessen einer Stirnseite die ringförmige Elektrode angeordnet ist, die eine Düsenöffnung begrenzt, deren Durchmesser kleiner als der Durchmesser des hohlzylindrischen Mantels ist und an dessen gegenüberliegender Stirnseite die Zufuhr für das Arbeitsgas angeordnet ist.
Eine weitere Reduktion der Temperatur des Arbeitsgases kann durch Strömungsoptimierung erreicht werden. Aus diesem Grund weist der erfindungsgemäße Strahlgenerator als Mittel zur Erzeugung einer Wirbelströmung des Arbeitsgases eine stirnseitig in den hohlzylindrischen Mantel eingesetzte, die Stiftelektrode umgebende Hülse aus elektrisch isolierendem Material auf, an deren Oberfläche mindestens ein als Wendel ausgestalteter Steg angeordnet ist, der zwischen der Innenwand des hohlzylindrischen Mantels und der Oberfläche der Hülse einen Kanal für das Arbeitsgas bildet. Durch die Steigung des wendeiförmigen Stegs kann wirksam die Temperatur des Plasmastrahls beeinflusst werden. Eine größere Steigung kühlt den Plasmastrahl stärker ab, während eine geringere Steigung zu einem wärmeren Plasmastrahl führt. Bei einer größeren Steigung ist die Verweildauer des Arbeitsgases bei gleicher Strömungsgeschwindigkeit aufgrund des kürzeren Strömungsweges durch den Strahlgenerator kürzer, wodurch die Kühlwirkung des Arbeitsgases verstärkt wird. Bei geringerer Steigung des als Wendel ausgestalteten Steges ist die Verweildauer des Arbeitsgases bei gleicher
Strömungsgeschwindigkeit aufgrund des längeren Strömungsweges durch den Strahlgenerator länger, wodurch die Kühlwirkung des Arbeitsgases reduziert wird.
Die den Kanal für das Arbeitsgas ausbildende Hülse fixiert zugleich die Stiftelektrode in dem elektrisch leitenden Mantel und gewährleistet die erforderliche elektrische Trennung zwischen Stiftelektrode und Mantel. Die Hülse ist nicht nur montagefreundlich, sondern führt darüber hinaus zu den angestrebten kompakten Abmessungen des stiftförmigen Strahlgenerators .
Der erfindungsgemäße Strahlungsgenerator lässt sich zur Aktivierung und Beschichtung von Substratoberflächen unter Verwendung eines Plasmastrahls einsetzen, wenn im Bereich der Düsenöffnung mindestens ein Einlass für die Einspeisung von Pulvern mit Partikelngrößen von 10 nm bis 100 μm angeordnet ist. Die Elektronen des Plasmastrahls zersputtern die eingespeisten Pulverpartikel und schmelzen diese aufgrund der dort noch relativ hohen Temperatur, insbesondere der hohen Elektronentemperatur, des Plasmas auf. Durch den Energieverbrauch für das Aufschmelzen und auf dem weiteren Weg des Plasmas zur Düsenöffnung kommt es zu einer Abkühlung, so dass das feinkörnige, die Beschichtung der Substratoberfläche bildende Pulver relativ kühl auf die Substratoberfläche gelangt. Der erfindungsgemäße Strahlgenerator ist daher insbesondere auch für
Pu1verbeschichtungsverfahren temperaturempfindlicher
Substratoberflächen geeignet.
Vorzugsweise befinden sich die Einlasse für das Pulver an einem sich konisch in Richtung der ringförmigen Elektrode verjüngenden Abschnitt des hohlzylindrischen Mantels des Strahlgenerators. Die Substrattemperaturerhöhung liegt während und nach dem Beschichtungsprozess mit dem feinkörnigen Pulver deutlich unterhalb von 100 Grad Celsius. Gleichwohl wird bei Verwendung des erfindungsgemäßen Strahlgenerators eine gute Haftung des aufgetragenen Pulvers erreicht. Die Substratoberfläche bedarf keiner speziellen Vorbehandlung. Die Oberflächenreinigung erfolgt durch den Plasmastrahl des Strahlgenerators selbst. Bei den Pulvern handelt es sich beispielsweise um Metalle, Keramiken, Thermoplaste oder auch deren Mischungen, die als Funktionsschichten, wie beispielsweise Schutz-, Verschlei߬ oder Isolierschichten aufgetragen werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
Strahlgenerators,
Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Strahlgenerators,
Figur 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Strahlgenerators,
Figur 4 eine schematische Darstellung des Verlaufs von Spannung und Strom der Spannungsquelle eines erfindungsgemäßen Strahlgenerators sowie Figur 5 ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Strahlgenerators zur Pulverbeschichtung von Substratoberflächen.
Der erfindungsgemäße Strahlgenerator (1) zur Erzeugung eines gebündelten Plasmastrahls (2) umfasst zwei im Strom eines Arbeitsgases (3) angeordnete Elektroden (4, 5) sowie eine Spannungsquelle (6) zur Erzeugung einer Spannung zwischen den Elektroden (4, 5) . Das Arbeitsgas (3) wird in einem hohlzylindrischen Mantel (7) kanalisiert. In dem von dem Mantel (7) umschlossenen Hohlraum sind die Elektroden (4, 5) im Abstand (8) zueinander angeordnet.
Die Spannungsquelle (6) weist ein Schaltnetzteil (9) mit einem Anschluss (10) für die Eingangsspannung, insbesondere die Netzspannung, und zwei Ausgänge (11, 12) für die im Schaltnetzteil (9) umgesetzte Spannung auf. Parallel zu den Ausgängen (11, 12) ist ein Kondensator (13) geschaltet, der mit dem Schaltnetzteil (9) über einen Widerstand (14), auch als Ladewiderstand bezeichnet, verbunden ist.
In dem Schaltnetzteil (9) wird die am Anschluss (10) anliegende Netzspannung zunächst von einem Gleichrichter (15) gleichgerichtet. Anschließend wird die Gleichspannung von einem Wechselrichter (16), auch als Inverter bezeichnet, in eine Wechselspannung wesentlich höherer Frequenz umgewandelt, bevor diese der Primärwicklung eines Transformators (17) zugeführt wird. Die an der Sekundärseite des Transformators (17) abgegriffene, gegenüber der Netzspannung höhere Spannung wird einem weiteren Gleichrichter (18) zugeführt, der die transformierte Wechselspannung gleichrichtet.
Die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Strahlgenerators (1) wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Figur 4 näher erläutert : Figur 4 zeigt in der linken Bildhälfte in einem Spannungs- /Zeitdiagramm die Ausprägung eines Spannungsimpulses (21) sowie in einem darunter dargestellten Strom-/Zeitdiagramm den Verlauf des sich im Plasma einstellenden Stromes des erfindungsgemäßen Strahlgenerators (1).
Die von dem Schaltnetzteil (9) abgegebene Leistung wird zunächst von dem Kondensator (13) gespeichert, bis zwischen den Elektroden (4, 5) die Zündspannung (19) für die
Ausbildung des Lichtbogens zwischen den Elektroden (4, 5) anliegt. Beim Erreichen der Zündspannung (19) wird die Luftstrecke (8) zwischen den Elektroden (4, 5) leitfähig und die gesamte in dem Kondensator (13) gespeicherte Energie fließt innerhalb von etwa 10 ns, wie aus dem Strom-
/Zeitdiagramm in Figur 4 ersichtlich, ab. Dabei bricht die Spannung zwischen den Elektroden (4, 5) zusammen und fällt auf einen unteren Wert nahe 0 Volt ab.
Mit Erreichen der Zündspannung (19) fließt ein Maximalstrom (20) in dem Lichtbogen zwischen den Elektroden (4, 5) . Durch den Widerstand (14) fließt von dem Schaltnetzteil (9) nicht genügend Ladung nach, um den Lichtbogen aufrecht zu erhalten. Hierzu ist der Widerstand (14) so zu bemessen, dass weniger Leistung vom Schaltnetzteil zum Kondensator (13) fließt, als gleichzeitig über den Lichtbogen zwischen den Elektroden (4, 5) abfließt. Dies hat zur Folge, dass der Lichtbogen zwischen zwei aufeinander folgenden Spannungsimpulsen jeweils verlöscht, bevor er mit dem Erreichen der Zündspannung (19) im nächsten Spannungsimpuls (21) wieder gezündet wird. Die Pulsfrequenz liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 1 kHz bis 100 kHz, im dargestellten Ausführungsbeispiel bei 60 kHz.
Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Strahlgenerators (1) . Soweit dieser mit dem Strahlgenerator (1) nach Figur 1 übereinstimmt, wird auf die dortigen Ausführungen Bezug genommen. Unterschiede ergeben sich hinsichtlich der Anordnung der Elektroden innerhalb des Mantels (7) . Eine erste Elektrode ist als Stiftelektrode (22) ausgebildet, während die im Abstand (8) dazu angeordnete zweite Elektrode als ringförmige Elektrode (23) ausgebildet ist. Der Mantel (7) aus elektrisch leitendem Material ist konzentrisch zu der Stiftelektrode (22) angeordnet und gegenüber der Stiftelektrode (22) isoliert. An der der ringförmigen Elektrode (23) gegenüberliegenden Stirnseite ist die Zufuhr (24) für das Arbeitsgas (3) angeordnet. Die Zufuhr für das Arbeitsgas (3) weist eine stirnseitig in den hohlzylindrischen Mantel (7) eingesetzte, die Stiftelektrode (22) halternde Hülse (25) aus elektrisch isolierendem Material auf, an deren Oberfläche ein als Wendel ausgestalteter Steg (26) angeordnet ist, der zwischen der Innenwand (27) des hohlzylindrischen Mantels (7) und der Oberfläche (28) der Hülse (25) einen Kanal für das Arbeitsgas (3) bildet. Das die Wendel durchlaufende Arbeitsgas tritt damit in einer Wirbelströmung in den Ringraum zwischen
Stiftelektrode (22) und Innenwand (27) des Mantels (7) ein. Diese Wirbelströmung führt zu einer besonders vorteilhaften Bündelung und Kanalisierung des Plasmastrahls (2), der sich entlang der Stiftelektrode (22) in Richtung der ringförmigen Elektrode (23) durch diese hindurch erstreckt.
Figur 3 a zeigt einen Strahlgenerator (1) entsprechend Figur 2, bei dem das Schaltnetzteil (9) der Übersichtlichkeit halber lediglich durch ein Symbol angedeutet ist. Der Kondensator wird, wie aus Figur 3 b erkennbar, bei diesem
Ausführungsbeispiel dadurch gebildet, dass eine die Elektrode (22) mit dem Schaltnetzteil (9) verbindende elektrische Leitung (29) von einem Isolator (30) umgeben wird, den zumindest auf einer Teillänge (31) eine elektrisch leitende Abschirmung (32) umgibt, die Bestandteil der elektrisch leitenden Verbindung zwischen dem Schaltnetzteil (9) und der weiteren Elektrode (23) ist. Die Abschirmung (32) ummantelt wiederum ein äußerer Isolator (33) .
In Figur 3 c ist die durch die Abschirmung (32) und die elektrische Leitung (29) gebildete Kapazität (34) als
Ersatzschaltbild dargestellt. Es ist erkennbar, dass durch das teilweise abgeschirmte Kabel parallel zu den Ausgängen des Schaltnetzteils ein Kondensator liegt, der mit dem Schaltnetzteil (9) über den Widerstand (14) verbunden ist.
Figur 5 zeigt schließlich einen Strahlgenerator (1) entsprechend Figuren 2 und 3, der für eine Beschichtung einer Substratoberfläche (35) mit feinkörnigen Pulvern bestimmt ist. Der hohlzylindrische Mantel (7) weist stirnseitig einen sich konisch in Richtung der ringförmigen Elektrode (23) verjüngenden Abschnitt (36) auf, in dem zwei Einlasse (37) angeordnet sind. An jedem der beiden Einlasse (37) setzt eine Leitung (38) für das feinkörnige Pulver an, der ein Pulver- /Gasstrom (39) zugeführt wird. Über die Einlasse (37) gelangen die Pulverpartikel (40) in den Plasmastrahl (2), mit dem sie durch die Ringelektrode (23) den Strahlgenerator (1) verlassen. In dem der Strahlgenerator (1) mit auf die Substratoberfläche (35) ausgerichteter Düsenöffnung (41) in Richtung (42) bewegt wird, werden die Pulverpartikel (40) auf der Substratoberfläche (35) abgeschieden. Die auf der
Substratoberfläche abgeschiedene Schicht (43) ist in Figur 5 angedeutet .
Bezugszeichenliste
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Claims

Patentansprüche
1. Strahlgenerator zur Erzeugung eines gebündelten
Plasmastrahls durch Lichtbogenentladung unter Zufuhr eines strömenden Arbeitsgases mit zwei im Strom des Arbeitsgases im Abstand zueinander angeordneten Elektroden sowie einer Spannungsquelle zur Erzeugung einer Spannung zwischen den Elektroden, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle (6) einen Spannungspuls mit einer Zündspannung (19) für die
Lichtbogenentladung und einer Pulsfrequenz erzeugt, der den Lichtbogen zwischen zwei aufeinander folgenden Spannungsimpulsen (21) jeweils verlöschen lässt.
2. Strahlgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsfrequenz in einem Bereich zwischen 10 kHz - 100 kHz liegt.
3. Strahlgenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsfrequenz in einem Bereich zwischen 20 kHz - 70 kHz liegt.
4. Strahlungsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach Erreichen der Zündspannung (19) zwischen den beiden Elektroden (4,5) in einem Zeitraum von 1 ns - 1000 ns ein Strom mit einer maximalen Stromstärke (20) in Höhe von 10 A- 1000 A fließt.
5. Strahlungsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündspannung (19) zwischen 1 kV - 10 kV beträgt.
6. Strahlungsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle (6) ein Netzteil mit einem Anschluss (10) für eine Eingangsspannung und zwei Ausgängen (11,12) für die im Netzteil umgesetzte Eingangsspannung aufweist, wobei parallel zu den Ausgängen mindestens ein Kondensator (13) geschaltet ist, der mit dem Netzteil über mindestens einen Widerstand (14) verbunden ist.
7. Strahlungsgenerator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Netzteil ein Schaltnetzteil (9) ist .
8. Strahlgenerator nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine der die Elektroden (22,23) mit dem Netzteil (9) verbindenden elektrischen Leitungen (29) von einem Isolator (30) umgeben wird, den zumindest auf einer Teillänge (31) eine elektrisch leitende Abschirmung (32) ummantelt, die Bestandteil der anderen elektrisch leitenden Verbindung zwischen dem Netzteil (9) und der weiteren Elektrode (23) ist, wobei die Abschirmung (32) ein äußerer Isolator (33) ummantelt.
9. Strahlgenerator nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität des Kondensators (13,29,30,32) im Bereich von 10 nF - μF 200 liegt
10. Strahlungsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrode als Stiftelektrode (22) und eine Elektrode als ringförmige Elektrode (23) ausgebildet ist,
- konzentrisch zu der Stiftelektrode (22) ein hohlzylindrischer, gegenüber der Stiftelektrode isolierter Mantel (7) aus elektrisch leitendem
Material angeordnet ist, an dessen einer Stirnseite die ringförmige Elektrode (23) angeordnet ist, die eine Düsenöffnung (41) begrenzt, deren Durchmesser kleiner als der Durchmesser des hohlzylindrischen Mantels ist und an dessen gegenüberliegender Stirnseite die Zufuhr (24) für das Arbeitsgas (3) angeordnet ist.
11. Strahlungsgenerator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr (24) für das Arbeitsgas (3) Mittel zur Erzeugung einer Wirbelströmung des Arbeitsgases aufweist.
12. Strahlgenerator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung einer Wirbelströmung des Arbeitsgases (3) eine stirnseitig in den hohlzylindrischen Mantel (7) eingesetzte, die Stiftelektrode (22) halternde Hülse (25) aus elektrisch isolierendem Material umfassen, an deren Oberfläche (28) mindestens ein als Wendel ausgestalteter Steg (26) angeordnet ist, der zwischen der Innenwand (27) des hohlzylindrischen Mantels (7) und der Oberfläche (28) der Hülse (25) einen Kanal für das Arbeitsgas (3) bildet.
13. Strahlungsgenerator nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Düsenöffnung
(41) mindestens ein Einlass (37) für die Einspeisung eines Pulvers angeordnet ist.
14. Strahlungsgenerator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der hohlzylindrische Mantel (7) stirnseitig einen sich konisch in Richtung der ringförmigen Elektrode (23) verjüngenden Abschnitt (36) aufweist und jeder Einlass (37) in diesem Abschnitt (36) angeordnet ist.
15. Verfahren zur Erzeugung eines Plasmastrahls in einem strömenden Arbeitsgas durch Lichtbogenentladung zwischen zwei im Strom des Arbeitsgases im Abstand zueinander angeordneten Elektroden, wobei ein Spannungspuls mit einer Zündspannung für die Lichtbogenentladung und einer Pulsfrequenz erzeugt wird, der den Lichtbogen zwischen zwei aufeinander folgenden Spannungsimpulsen jeweils verlöschen lässt.
16. Verfahren zur Erzeugung eines Plasmastrahls in einem strömenden Arbeitsgas durch Lichtbogenentladung zwischen zwei in Strömungsrichtung des Arbeitsgases hintereinander angeordneten Elektroden, wobei ein Spannungspuls mit einer Zündspannung für die Lichtbogenentladung und einer Pulsfrequenz erzeugt wird, der den Lichtbogen zwischen zwei aufeinander folgenden Spannungsimpulsen jeweils verlöschen lässt.
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