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Beschreibung
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Verfahren und Vorrichtung zur Verdampfung eines Kathodenmaterials
mittels eines Lichtbogens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verdampfung eines
Kathodenmaterials mittels eines Lichtbogens sowie eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens.
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Für viele Anwendungen, beispielsweise in bestimmten Lasertypen und
in der Lichtbogenchemie, erzeugt man mittels eines zwischen einer Anode und einer
Kathode brennenden Lichtbogens Metallatom- und Metallionenplasmen. Die Metallatome
und Metallionen werden dabei durch den Lichtbogen aus der Kathode freigesetzt.
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Bei bekannten Anordnungen ist der Kontaktbereich zwischen Kathode
und Lichtbogen jedoch sehr begrenzt, so daß die Erzeugung des Metallatom- und Metallionenplasmas
nur in einem räumlich sehr eng begrenzten Bereich erfolgt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren vorzuschlagen, mit dessen
Hilfe mittels eines Lichtbogens in wesentlich effektiverer Weise aus einer Kathode
Metallatome und Metallionen zur Erzeugung entsprechender Plasmen freigesetzt werden
können.
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Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen
Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man die Kathode in ein Magnetfeld bringt,
dessen Magnetfeldlinien an der Oberfläche der Kathode bogenförmig verlaufen und
einen magnetischen Tunnel bilden und daß man im kathodenseitigen Ansatzpunkt des
Lichtbogens das Magnetfeld B und/oder die Lichtbogenstromstärke i und/oder den Druck
PF derart wählt, daß der kathodenseitige Ansatzpunkt entgegen der Richtung der Lorentz-Kraft
verschoben wird (retrograde motion).
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Die Möglichkeit, daß sich der kathodenseitige Ansatzpunkt eines Lichtbogens
unter bestimmten Bedingungen entgegen der Richtung der Lorentz-Kraft bewegt, ist
an sich bereits bekannt. Es hat sich jedoch nunmehr überraschenderweise herausgestellt,
daß diese Bewegung des kathodenseitigen Ansatzpunktes entgegen der Richtung der
Lorentz-Kraft durch eine bestimmte Anordnung des Magnetfeldes gelenkt werden kann.
Der kathodenseitige Ansatzpunkt bewegt sich nämlich bei einer Magnetfeldausbildung,
bei der die Magnetfeldlinien auf der Kathodenoberfläche einen sogenannten magnetischen
Tunnel" ausbilden, längs dieses Tunnels in seinem Inneren, so daß der gesamte Lichtbogen
im Inneren des Tunnels unmittelbar angrenzend an die Kathodenoberfläche geführt
ist, falls der magnetische Tunnel sich ebenfalls parallel zur Kathodenoberfläche
erstreckt. Auf diese Weise erhält man gegebenenfalls sehr lange Bereiche des Lichtbogens
in unmittelbarer Nachbarschaft des Kathodenmaterials, und die Freisetzung von Metallatomen
und Metallionen aus der Kathodenoberfläche kann über einen erheblichen Teil der
Bogenlänge erfolgen, also über einen räumlich wesentlich größeren Bereich als bei
bisher bekannten Verfahren.
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Um den Effekt der retrograde motion zu erzielen, wird gemäß der Erfindung
so verfahren, daß man das Magnetfeld B, die Stromstärke i des Bogens und den Druck
PF am kathodenseitigen Ansatzpunkt derart wählt, daß die folgende Beziehung gilt:
x > Y (1), wobei folgende Definitionen gelten:
und
wobei a und PK Materialkonstanten des Kathodenmaterials und F eine Konstante der
verwendeten Elektrodengeometrie ist, während PF den Gasdruck im kathodennahen Bereich
angibt.
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Bei einer bestimmten Elektrodenanordnung mit bestimmten Materialkonstanten
müssen daher lediglich das Magnetfeld B, die Stromstärke des Lichtbogens i und der
Gasdruck PF im kathodennahen Bereich so aufeinander abgestimmt werden, daß die retrograde
motion auftritt. Man erreicht dann, daß der kathodenseitige Ansatzpunkt bei geeigneter
Ausbildung des Magnetfeldes in Form eines magnetischen Tunnels in der beschriebenen
Form längs der Kathodenoberfläche verläuft, und zwar bewegt er sich ausgehend vom
kleinsten Abstand zwischen Anode und Kathode an der Kathode entgegen der Richtung
der Lorentz-Kraft.
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Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung
dieses Verfahrens zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung mit einer ausgedehnten
Kathode
und einer Anode erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß längs eines Oberflächenabschnittes
der Kathode ein magnetischer Tunnel ausgebildet ist.
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Diese Ausgestaltung des Magnetfeldes wirkt als Führung des durch den
Effekt der retrograde motion bewegten Lichtbogens und zwingt den Lichtbogen in einen
Verlauf längs der Kathodenoberfläche.
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Vorteilhaft ist es, wenn sich die Kathode im Streufeld eines Magneten
befindet, da dieses Streufeld bogenförmige Feldlinien aufweist, die einen magnetischen
Tunnel ausbilden.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen,
daß die Kathode die Form eines Ringes hat und der magnetische Tunnel längs des Umfanges
verläuft.
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Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn mehrere Kathodenringe in
axialer Richtung hintereinander angeordnet sind.
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Die Anode kann bei einer solchen Anordnung für alle Kathodenringe
ein einziger, parallel zur Längsachse der Anordnung verlaufender Stab sein.
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Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen: Fig.
1 eine Teilansicht einer erfindungsgemäßen Plasmaquelle im Längsschnitt und Fig.
2 eine Schnittansicht längs Linie 2 - 2 in Fig. 1.
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Die in der Zeichnung dargestellte Plasmaquelle umfaßt eine Anzahl
ringförmiger Kathoden 1, die koaxial nebeneinander angeordnet und durch zwischen
ihre Stirnseite eingelegte Isolierscheiben 2 elektrisch voneinander isoliert sind.
Die Kathoden 1 und die Isolierscheiben 2 bilden zusammen ein rohrförmiges Gefäß.
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Auf der Außenseite sind die ringförmigen Kathoden 1 von ringförmigen
Permanentmagneten 3 umgeben, die in axialer Richtung magnetisiert sind. Die Permanentmagnete
haben in axialer Richtung etwa dieselbe Ausdehnung wie die Kathoden, sind jedoch
diesen gegenüber versetzt angeordnet, so daß ein Luftspalt 4 zwischen benachbarten
Permanentmagneten etwa in der Mitte einer ringförmigen Kathode angeordnet ist. Durch
die axiale Magnetisierung und den Luftspalt zwischen benachbarten Permanentmagneten
befindet sich so die Kathode im Streufeld 5 benachbarter Permanentmagnete. Die Feldlinien
dieses Streufeldes verlaufen bogenförmig nach innen und bilden auf der Innenseite
der ringförmigen Kathoden 1 einen magnetischen Tunnel 6 aus, der an der Innenseite
der Kathoden 1 in einer Axialebene vollständig umläuft. Ein solcher magnetischer
Tunnel 6 ist dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldlinien aus der Oberfläche
der Kathode austreten, oberhalb der Kathodenoberfläche bogenförmig verlaufen und
an anderer Stelle wieder in die Kathodenoberfläche eintreten. Der Raum zwischen
den Magnetfeldlinien und der Kathodenoberfläche kann dann als magnetischer Tunnel
bezeichnet werden.
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Ferner befindet sich in dem durch die Kathoden und die Isolierscheiben
gebildeten rohrförmigen Innenraum 7 eine parallel zur Längsachse desselben verlaufende
stabförmige Anode 8, die allen Kathodenringen 1 gemeinsam ist.
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Im Betrieb der erfindungsgemäßen Plasmaquelle werden die Anode 8 und
alle Kathoden 1 in nicht dargestellter Weise mit einer geeigneten Spannungsquelle
verbunden. Dadurch entsteht zwischen der Anode 8, die im Innenraum 7 außer der Mitte
anqeordnet ist, und der Kathode ein Lichtbogen 9#, und zwar an der Stelle des kleinsten.
Abstandes. zwischen# Anode und. Ringkathode.
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Bei geeigneter Wahl des von den Permanentmagneten erzeugten Magnetfeldes
B, des Lichtbogenstromes i und des Druckes PF im Bereich des kathodenseitigen Ansatzpunktes
des Lichtbogens tritt der Effekt der retrograden Bewegung auf, d.h. der kathodenseitige
Ansatzpunkt wandert entgegen der Richtung der Lorentz-Kraft an der Innenwand der
jeweiligen Kathode 1 entlang. Die Wanderung erfolgt dabei im Inneren des magnetischen
Tunnels 6. Dieser führt nicht nur an den kathodenseitigen Ansatzpunkt des Lichtbogens,
sondern er zwingt den sich daran anschließenden Bereich des Lichtbogens ebenfalls
in das Innere des magnetischen Tunnels. Aufgrund dieser Effekte erhält man schließlich
eine Lichtbogenkonfiguration, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. Der Lichtbogen
geht von der Anode aus, nähert sich bald der Innenfläche der Kathode 1 und verläuft
dann an dieser Kathodeninnenfläche entlang über einen erheblichen Teil des Kathodenumfanges.
Die Länge dieses Lichtbogens hängt von der Spannung zwischen Anode und Kathode ab,
denn bei Überschreiten einer bestimmten Länge des Lichtbogens reißt dieser ab.
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Nach dem Abreißen bildet sich sofort an der Stelle des kleinsten Abstandes
zwischen Kathode und Anode erneut ein Lichtbogen aus, der wieder im magnetischen
Tunnel über einen wesentlichen Teil des Kathodenumfanges geführt wird.
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Ein solcher an die Innenseite der Ringkathode angeschmiegter Lichtbogen
bildet sich zwischen der Anode und jeder Kathode
aus. Auf diese
Weise erhält man im Inneren des durch die Kathodenringe und die Isolierscheiben
gebildeten rohrförmigen Gefäßes eine Vielzahl von Bereichen, in denen Lichtbogen
in engem Kontakt mit der Kathodenfläche stehen. Längs dieser Bereiche erfolgt die
Plasmaerzeugung, d.h. man erzielt mit dieser Anordnung eine wesentlich verstärkte
Plasmaerzeugung im Vergleich mit herkömmlichen Vorrichtungen, bei denen der Lichtbogen
lediglich im Bereich des anodenseitigen Ansatzpunktes mit der Kathode in Berührung
trat.
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Um statt der üblicherweise erreichten Lorentz-Verschiebung des Lichtbogens
im kathodenseitigen Ansatzpunkt die gewünschte retrograde motion zu erreichen, müssen
das Magnetfeld im anodenseitigen Ansatzpunkt, der Druck im Bereich des anodenseitigen
Ansatzpunktesund der Strom des Lichtbogens bestimmte Bedingungen erfüllen. Wenn
zwischen dem Magnetfeld B, der Lichtbogenstromstärke i und dem Druck PF im Bereich
des kathodenseitigen Ansatzpunktes die Beziehung
gilt, dann bewegt sich der kathodenseitige Ansatzpunkt entgegen der Richtung der
Lorentz-Kraft, man erhält also eine retrograde Bewegung.
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In dieser Beziehung sind a und PK Materialkonstanten des Kathodenmaterials,
die Größe g ist im wesentlichen eine Konstante der verwendeten Geometrie und umfaßt
unter anderem den Elektrodenabstand sowie den Strömungswiderstand des Bogens im
Gas.
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Im folgenden werden für einige Werte von # die zugehörigen Werte der
Materialkonstanten a und PK für verschiedene Kathodenmaterialien angegeben: Tabelle
1
Metall Hg 5,51 Zn 117 Pb 38,-5 Al 706 Sn 181 Ni 416 Ti 415 Mo 445 Tabelle 2
Metall Hg 0,041 Zn 2,03 Pb 0,445 Al 3,81 Sn 1 ,10 Ni . 1,95 Ti 2,34 Mo . 1,61
Bei
einer gegebenen Anordnung mit gegebenem Kathodenmaterial genügt es also, entweder
das Magnetfeld B groß genug und/oder den Lichtbogenstrom i und/oder den Druck PF
klein genug zu wählen, um den Effekt der retrograden Bewegung zu erzielen.
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