DE1464755B2 - Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmastrahls mittels einer Hochfrequenz-Gasentladung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmastrahls mittels einer Hochfrequenz-Gasentladung mit einer in Form eines spitz zulaufenden Stabes geformten, innen gekühlten Anregungselektrode aus Metall, die axial in einem vom zu ionisierenden Gas durchströmten Zylinder untergebracht ist.

Bei den bekannten derartigen Vorrichtungen, wie sie etwa in der Zeitschrift »Elektronische Rundschau«, 1959, Nr. 11, S. 404 bis 406, beschrieben sind, besteht die Anregungselektrode aus Hartmetall, etwa Wolfram oder Molybdän. Derartige Hartmetaüelektroden haben aber, abgesehen von den hohen Herstellungskosten, den wesentlichen Nachteil, daß während ihres Betriebs an ihrer Oberfläche eine vergleichsweise starke Metallabdampfung auftritt. Dieser sogenannte Zerstäubungseffekt bewirkt eine schnelle Elektrodenabnutzung und damit eine kurze Lebensdauer dieser Elektroden.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, Anregungselektroden der erwähnten Art zu schaffen, die bei geringen Herstellungskosten eine hohe Lebensdauer aufweisen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Anregungselektroden zumindest an den Stellen, wo sie mit dem Plasma in Berührung kommen, aus Aluminium bestehen.

Durch die Verwendung von Aluminium an Stelle eines hochschmelzenden Metalls werden mehrere technische Vorteile erzielt. Der bei Wolfram- und Molybdänelektroden auftretende Zerstäubungseffekt ist bei einer Aluminiumelektrode wesentlich vermindert, die Elektrodenabnutzung damit beträchtlich kleiner. Außerdem bildet sich bei der Verwendung einer Aluminiumelektrode während des Betriebs an der Oberfläche eine dünne Oxydschicht, die äußerst hitzebeständig ist und damit eine Abnutzung der Elektrode vermindert. Ferner kann eine Aluminiumelektrode wesentlich wirkungsvoller gekühlt werden, da Aluminium eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit aufweist. Schließlich ist Aluminium wesentlich billiger als beispielsweise Wolfram oder Molybdän und kann außerdem wesentlich einfacher bearbeitet werden, womit die Herstellung der Elektroden vereinfacht und verbilligt wird.

Bei Vorrichtungen zum Erzeugen einer Gleichstromentladung über einen von zwei Elektroden gebildeten Spalt ist zwar als Elektrodenmaterial unter anderem auch Aluminium vorgeschlagen worden, so in der USA.-Patentschrift 2 422 324 und der französischen Patentschrift 408 933. Diese Vorschläge basieren jedoch nicht auf den besonderen Eigenschaften von Aluminium bei Gasentladungen und vermögen die überraschende neue Wirkung der Anregungselektroden aus Aluminium für Plasmaerzeuger schon deshalb nicht nahezulegen, da die bei der Plasmaerzeugung so wesentliche und vorteilhafte Bildung eines Oxydfilms bei einer Gleichstromentladung nachteilig ist, d. h., die Gleichstromelektrode einen hohen Gleichstromwiderstand erhält, mit der Folge einer Überhitzung der Elektrode. Die bei Gleichstromentladungen bekannten Techniken konnten somit für die Lösung der erfindungsgemäß gestellten Aufgabe kein Vorbild darstellen.

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung zeigt :

A b b. 1 einen Querschnitt durch eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmastrahls mittels einer Hochfrequenz-Gasentladung (Hochfrequenz-Plasmagenerator),

Abb. 2 bis 4 Spektren von Entladungsplasmen verschiedener Hochfrequenz-Bogenentladungsgeneratoren, wobei sich A b b. 2 auf den Fall der Verwendung einer Wolframelektrode, A b b. 3 auf den Fall der Verwendung einer Kupferelektrode und A b b. 4 ebenfalls auf eine Wolframelektrode bezieht,

Abb. 5 das Spektrum des in der vorliegenden

ίο Vorrichtung erzeugten Entladungsplasmas, bei dem eine Aluminiumelektrode verwendet wird, und

A b b. 6 ein Beispiel für ein Plasmaspektrum, das durch eine Gleichstrom-Bogenentladung erzeugt worden ist.

Eine Hochfrequenz-Bogenentladung kann so erzeugt werden, daß Elektroden, die an einer Hochspannung hoher Frequenz liegen, in einem Gasstrom angeordnet werden. Bei einem derartigen Entladungsgenerator besteht im allgemeinen das wesentlichste Problem in der Gefahr einer Elektrodenkorrosion. Tritt eine E'.ektrodenkorrosion auf, so vermag sie eine Instabilität der elektrischen Entladung zu verursachen. Demgemäß wird beispielsweise im Fall eines Plasmastrahlgenerators mit Gleichstrom-Bogenentladung als die Entladung aufrechterhaltendes Gas ein Edelgas, als Kathodenmetall Wolfram und als Anodenmetall Kupfer verwendet, wobei die Elektroden zum Schutz gegen Korrosion mit Wasser gekühlt werden. Ausgedehnte Versuche des Erfinders haben jedoch ergeben, daß diese Maßnahme für Hochfrequenz-Bogenentladungen unwirksam ist. Wenn nämlich das Bogenentladungsplasma einer spektroskopischen Untersuchung unterworfen wird, so tritt bei Verwendung von Wolfram als Elektrodenmetall ein Wolframspektrum gemäß den Abb. 2 und 4 auf, und zwar auch dann, wenn ein Wolfram verwendet wird, das sehr schwer zu verdampfen ist. Andererseits ist ein Kupferspektrum gemäß A b b. 3 festzustellen, und zwar auch dann, wenn Kupfer hoher Wärmeleitfähigkeit als Elektrodenmetall verwendet wird und für eine genügende Wasserkühlung gesorgt ist. Aus diesen Tatsachen ergibt sich, daß ein wesentlicher Unterschied zwischen einer Hochfrequenz-Bogenentladung und einer Gleichstrom-Bogenentladung besteht und ebenfalls zwischen den eigentlichen Entladungserscheinungen selbst. Üblicherweise nimmt ein durch Gleichstrom-Bogenentladung erzeugtes Plasma einen Zustand ein, der dem Zustand thermischen Gleichgewichtes angenähert ist, und die Gastemperatur im Plasma sowie die Elektronen- und Ionentemperatur liegt zwischen 7000 und 8000° C. Dagegen ist die Gastemperatur in der Hochfrequenz-Bogenentladung bemerkenswert

. niedrig. Diese Tatsache dürfte sich darin bestätigen, daß im Spektralbild bei spektroskopischer Untersuchung einer Gleichstrom-Bogenentladung und einer Hochfrequenz-Bogenentladung unter Verwendung des gleichen Stickstoffgases als Entladungsgas ein deutlicher Unterschied festgestellt werden konnte.

Werden ein durch eine Gleichstrom-Bogenentladung erzeugtes Spektrum gemäß A b b. 6 und ein durch Hochfrequenz-Bogenentladung erzeugtes Spektrum gemäß A b b. 5 miteinander verglichen, so ist zu erkennen, daß die Intensität der Stickstoff-Molekularbande im ersteren Fall schneller abnimmt als im letzteren Fall. Dies bestätigt, daß die Gastemperatur im Fall der Hochfrequenz-Bogenentladung niedriger istals die Gastemperatur im Fall einer Gleichström-

bogenentladung. Wie sich aus den Abb. 2 und 4 ergibt, kann jedoch bei Hochfrequenzentladung Wolfram mit sehr niedriger Leuchtcharakteristik leicht erregt werden. Demgemäß kann im Fall der Hochfrequenz-Bogenentladung die auftretende Erregungstemperatur als relativ hoch angenommen werden.

Es wird ein Hochfrequenz-Bogenentladungsgenerator geschaffen, der Elektroden aus im wesentlichen Aluminium aufweist und sich durch eine Vielzahl von Vorteilen auszeichnet, beispielsweise daß die Elektroden keiner Korrosion unterworfen sind, daß die Entladung über einen langen Zeitraum in einem sehr stabilen Zustand gehalten wird und daß die Entladung von keinen Störeffekten begleitet ist.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß Aluminium das geeignetste Material für die Hochfrequenz-Bogenentladung ist. Diese Erkenntnis hat sich als Ergebnis einer Vielzahl von Versuchen mit verschiedenen Elektrodenmaterialien ergeben. Bei einem Hochfrequenz-Bogenentladungsgenerator mit wassergekühlten Aluminiumelektroden tritt keinerlei Korrosion der Elektroden auf, was durch spektroskopische Untersuchungen erhärtet wird, die zeigen, daß keinerlei Aluminiumlinien im Spektrum auftreten, wie aus A b b. 5 hervorgeht.

In Abb. 1 ist ein Beispiel eines Hochfrequenz-Bogenentladungsgenerators dargestellt. Dieser Generator besteht aus einer Aluminiumelektrode 1, einem Elektrodenhalter 2, einer Hochfrequenzstromquelle 3, einem Quarzrohr 4, einem durch die Hochfrequenzentladung erzeugten Plasma 5, einem Einlaß 6 für das die Entladung unterhaltende Gas und einem Einlaß 7 sowie Auslaß 8 für das Kühlwasser. Eine Hochfrequenzspannung von, einigen 1000 Volt wird mit Hilfe der Hochfrequenzstromquelle 3 an die Aluminiumelektrode 1 angelegt, wobei die Elektrode durch Wasserkühlung gegen Erhitzung auf hohe Temperaturen geschützt wird. Das Kühlwasser wird durch den Einlaß 7 eingeführt und durch den Auslaß 8 ausgetragen. Durch den Einlaß 6 wird ein die Entladung unterhaltendes Gas in das Quarzrohr 4 eingeführt und dort an dem spitzen Ende der Elektrode 1 einer Bogenentladung unterworfen, wodurch sich ein Plasma 5 ausbildet.

Im Hochfrequenz-Bogenentladungsgenerator mit aus im wesentlichen Aluminium bestehender Elektrode tritt keinerlei Elektrodenkorrosion auf, der Betrieb ist über einen langen Zeitraum äußerst stabil, und Störeffekte bzw. Rauscheffekte werden vermieden. Aus diesen Gründen kann der vorliegende Generator für verschiedene Zwecke verwendet werden. Beispielsweise kann der Generator als Erregerquelle für die Spektralanalyse und für Messungen angeregter Zustände von Atomen oder Molekülen und verschiedene andere physikalische Werte verwendet werden. Wenn der erfindungsgemäße Generator in einem Spektralanalysator verwendet wird, so ergibt sich der wesentliche Vorteil, daß die charakteristischen Spektrallinien der Probe mit höchster Genauigkeit festgestellt werden können, bei welchem Verfahren die Proben im Fall festen Materials in pulverförmigen Zustand und im Fall flüssigen Materials in nebeiförmigen Zustand versetzt und dann durch den in A b b. 1 gezeigten Einlaß 6 oder durch einen besonderen Probeneinlaß zusammen mit dem eine Entladung unterhaltenden Gas eingeführt werden, worauf das eingeführte Gemisch in einem Entladungsplasma angeregt wird.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmastrahls mittels einer Hochfrequenz-Gasentladung mit einer in Form eines spitz zulaufenden Stabes geformten, innen gekühlten Anregungselektrode aus Metall, die axial in einem vom zu ionisierenden Gas durchströmten Zylinder untergebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungselektrode (1) zumindest an den Stellen, wo sie mit dem Plasma in Berührung kommt, aus Aluminium besteht.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen