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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer physikalisch
und chemisch aktiven Umgebung in Form eines Plasmastrahls, der die
Umsetzung und die orientierte Übertragung
von elektromagnetischer Energie in deren verschiedenen Formen mittels
eines Plasmas des Plasmastrahls zu einem behandelten Objekt erlaubt.
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Um
eine physikalisch und chemisch aktive Umgebung herzustellen, die
für die
Behandlung von Objekten oder chemischen Verbindungen verwendet wird,
wird gegenwärtig
ein breites Spektrum an Entladungen verwendet, die in verschiedener Weise
auf der Basis von elektromagnetischer Energie erzeugt werden und
die wiederum das aktivierte Medium oder direkt die behandelten Objekte
beeinflussen.
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Aus
der
CZ 246982 ist ein
Verfahren zur räumlich
orientierten, chemischen Aktivierung eines Arbeitsgases durch Plasma
in einem Bereich bekannt, der zwischen dem Strahl, dem über ein
Anpassungsglied Energie von einer Hochfrequenzenergiequelle (HF-Quelle)
mit einem unsymmetrischen Ausgang zugeführt wird, und einer geerdeten
Elektrode liegt, die am zweiten Ausgang der oben genannten HF-Quelle
angeschlossen ist. Die Verwendung dieses Verfahrens ist begrenzt
auf nur niedrige Drucke, ein gasförmiges Arbeitsmedium und eine
externe Plasmaumgebung.
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Aus
der PV 03925-90.J CZ mit der Priorität vom 9. September 1990 und
aus der WO 95/11322 sind Abänderungen
des vorstehend erwähnten
Verfahrens bekannt, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Erzeugung
der Entladung, die das durch den Strahl strömende Arbeitsgas aktiviert,
bereits innerhalb der hohlen Elektrode in Form einer so genannten
Hochfrequenzhohlkathode stattfindet. Bei der WO 95/11322 ist im
Gegensatz zur PV 03925-90.J CZ das Verhältnis von abwechselnden Entladungen
und Nichtentladungen dazu verwendet, das Material der Elektrode
zu zerstäuben,
während bei
der PV 03925-90.J CZ ein Dauermagnet zur Orientierung plasmachemischer
Prozesse verwendet wird, der axial symmetrisch außerhalb
des Strahls angeordnet ist. Diese beiden Verfahren sind nur auf niedrige
Drucke, ein gasförmiges
Arbeitsmedium und eine externe Plasmaumgebung begrenzt.
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Gemäß der WO
96/16531 wird das Plasma unter niedrigem Druck in einem gasförmigen Arbeitsmedium
mittels der so genannten HF-Hohlkathode mit linearer Geometrie erzeugt,
und die plasmachemischen Prozesse ereignen sich unter der Wirkung eines
zusätzlichen
Magnetfelds mit einer nicht axialen Symmetrie von Dauermagneten
oder Elektromagneten.
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Aus
der SE 9302222-6 ist eine Modifikation der vorhergehenden Patente
bekannt, bei der die hohle Elektrode von einer Mikrowellenquelle
gespeist wird.
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Der
Hauptnachteil der oben genannten Verfahren und Vorrichtungen zur
Durchführung
der Verfahren besteht darin, dass sie nur auf geringe Drucke bis
zu 102-3 Pa, auf ein gasförmiges Arbeitsmedium und
auf eine äußere Plasmaumgebung
beschränkt sind.
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Aus
der Jpn. J. Appl. Phys. 33 (1994), L 197, ist ein Verfahren zur
Erzeugung eines HF-Plasmas unter atmosphärischem Druck bekannt. In diesem Fall
wird die HF-Entladung
nicht in einer Elektrode mit einer hohlen Geometrie erzeugt, sondern
mittels einer kompakten Nadelelektrode, die in eine dielektrische
Röhre eingefügt ist,
die nur vom Arbeitsmedium im gasförmigen Zustand durchflossen
wird. Der Nachteil dieses Verfahrens und dieser Vorrichtung besteht
darin, dass die Entladung auf der vollen Nadelelektrode erzeugt
wird, durch die die plasmachemischen Prozesse der Aktivierung des
strömenden Arbeitsmediums
nicht so wirksam wie im Fall der Entladung in einer hohlen Elektrode
sind. Die Nadelelektrode ist nur in einem Medium anwendbar, das
durch die gasförmige
Phase gebildet wird, wobei ein ausgerichteter Reaktionskanal gebildet
wird, der ein weiteres Objekt oder Arbeitsmedium aktivieren kann.
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Im
Artikel Plasma Sources Sci. Technol., 1997, S. 468–477, ist
ein Verfahren zur Erzeugung einer Hochdruckentladung desjenigen
Typs beschrieben, der eine hohle Gleichstromkathode in einem Gas
ohne ein Fließen
durch das Regimen beschrieben. Die Vorrichtung besteht aus zwei
Elektroden, von denen die Kathode einen Hohlraum mit zylindrischer
Symmetrie mit einem Innendurchmesser von etwa 0,2 bis 0,7 mm aufweist
und von der Anode getrennt ist, die mit der hohlen Kathode unmittelbar
mittels einer Schicht aus dielektrischem Material verbunden ist.
Es liegt daher kein Plasmastrahl vor, weil nur Gas ohne Strömung durch
das Regimen verwendet wird. Die Vorrichtung wird nicht für die Aktivierung oder
Anpassung an ein weiteres, akti viertes Arbeitsmedium oder Objekt
verwendet, und die Elektroden werden nur von einer Gleichstromquelle
gespeist.
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Aus
der
CZ 282566 B6 und
den Sitzungsberichten des Symp. der Plasma-Physik und -Technologie,
Prag, 1997, S. 144–146,
ist ein Verfahren zur Erzeugung einer Raumkoronaentladung in Wasser oder
Wasser mit Mischungen zwischen den Elektroden bekannt, an die eine
Impulsspannung angelegt wird, wobei das Verfahren durch die Tatsache
gekennzeichnet ist, dass die Stärke
des elektrischen Felds in der Nähe
von mindestens einer der Elektroden durch eine partielle Abdeckung
dieser Elektrode mittels eines festen und/oder gasförmigen Dielektrikums
ansteigt, und dass auf der Elektrodenfläche Spots für den Kontakt des Elektrodenmaterials,
des festen und/oder gasförmigen
Dielektrikums und/oder Wassers gebildet werden (der so genannten „triple points" von verschiedenen
Dielektrizitätskonstanten). Die
Vorrichtung zur Durchführung
dieses Verfahrens besteht aus einem großen, zylindrischen Metallreaktor,
der gleichzeitig die eine Elektrode bildet, die von dem genannten,
flüssigen
Medium langsam durchflossen wird. Die zweite, stabförmige Elektrode
ist in der Reaktorachse längs
angeordnet. Das Verfahren zur Erzeugung der Entladung kann nur in
wässrigem Medium
durchgeführt
werden. Die Vorrichtung nimmt viel Raum ein und arbeitet nur, wenn
eine sehr wirksame Impulsquelle mit elektrischer Gleichstromenergie
(in der Größenordnung
von einigen zehn MW in einem Impuls gemäß den Sitzungsberichten des
18. Symp. der Plasma-Physik und -Technologie, Prag, 1997, S. 144–146) verwendet
wird.
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Aus
der WO 94/14303 A1 ist ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1 bekannt. Das die Dichte der elektromagnetischen Energie örtlich erhöhende Element
erzeugt einen Plasmastrahl außerhalb
der hohlen Kathode an deren Mündung. Das
Arbeitsmedium besteht nur aus einer Gasmischung. Das erzeugte Plasma
besteht aus Teilchen, die eine hohe Energie aufweisen, und die in
den Molekülen
verborgene Energie ist sehr klein.
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Aus
der
US 5 361 016 ist
einer Vorrichtung zur Plasmaerzeugung bekannt, die das Plasma mittels
Mikrowellen erzeugt und die ein magnetisches Feld in einem gasförmigen Medium
bei niedrigem Druck und einer Leistung von 1 bis 30 kW oder mehr verwendet.
Das Plasmarohr hat die Form eines Resonators für Mikrowellen mit einem Innendurchmesser
von einigen Zentimetern. Aus der
EP
0 408 841 ist ein Anpassungsglied zum Messen und Einstellen der
Lastimpedanz des Plasmas bekannt. Diese beiden Dokumente offenbaren
eine Impedanzanpassung, eine Beschränkung auf magnetische Felder und
eine manuelle oder mechanische Steuerung des Plasmas.
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Aus
der
EP 0 673 186 A ist
eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls bekannt, die
eine hohle Elektrode und ein Element, nämlich die Spitze der negativen
Elektrode in Verbindung mit einer Düse, aufweist, die die Dichte
der elektromagnetischen Energie örtlich
erhöhen,
um eine zugespitzten Plasmakanal zu erzeugen. Die Düse ist eine
hohle Elektrode, die eine Anode ist. Im Hohlraum der hohlen Elektrode
ist eine zweite Elektrode angeordnet, die nur eine Gleichstromkathode
ist. Das Plasma wird mittels einer Spule erzeugt, die außerhalb
der dielektrischen, hohlen Elektrode angeordnet ist. Zur Aufrechterhaltung
des Plasmazustands kann eine niedrige Spannung von 20–50 V und
eine niedrige Leistung in der Größenordnung
von 1 kW verwendet werden. Nur für
die Zündung
des Plasmas ist ein verminderter Gasdruck von 100–200 Pa
erforderlich.
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Alle
diese Verfahren sind mit einer aktuellen und hochspezifischen Anordnung
der Plasmaerzeugungsvorrichtung und mit hochspezifischen Arbeitsbedingungen
(Arbeitsumgebung, Medium, Druck, Temperatur, Frequenz der elektromagnetischen
Erregungsenergie, Ausgangsleistung der Energiequelle usw.) eng verbunden.
Die praktisch verwendeten Einrichtungen sind gewöhnlich hochspezialisiert, räumlich groß und erfordern
einen dichten Raum (beispielsweise Vakuumeinrichtungen) oder einen hohen
Energieverbrauch (beispielsweise Plasmatrons mit einigen zehn kW)
oder ein Verfahren zur Entladungserzeugung (beispielsweise eine
Impulskorona mit einigen zehn kW bis Mw in einem Impuls). Bisher
hat keine Möglichkeit
bestanden, gezielte, auf geringen Raum gerichtete, genügend feine,
doch wirksame, flache oder räumlich
kleine Anpassungen der Objekte unter hohem Druck (insbesondere in
freier Atmosphäre
oder in einem flüssigen
Medium) zu schaffen, die mittels einer einzigen Vorrichtung im ganzen
Frequenzspektrum der Quellenspannung durchgeführt werden.
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Die
genannten Nachteile werden mit einem Verfahren und einer Vorrichtung
zur Erzeugung einer physikalisch und chemisch aktiven Umgebung mittels
eines Plasmastrahls gemäß den Ansprüchen 1 und
5 vermieden. Von mindestens einer äußeren Quelle, die eine Leistung
von etwa 100–103 W
und eine Spannungsamplitude in der Größenordnung von 101–104 V mit der Möglichkeit der Modulation dieser Spannung
in einem Frequenzbereich von SS, NF, HF oder Mikrowellen (VHF) aufweist,
wird elektromagnetische Energie mindestens einer hohlen Kathode
zugeführt,
die vom Strom des Arbeitsmediums durchflossen wird, in dem ein elektromagnetisches
Feld in Längs-
und/oder Querrichtung des Kathodenhohlraums gebildet wird, und zur
gleichen Zeit werden freie Ladungsträger durch die Wirkung der die
Dichte der elektromagnetischen Energie örtlich erhöhenden Elemente und der Zusammenstoßvorgänge der
Teilchen im Arbeitsmedium und auf der Fläche der hohlen Kathode erzeugt,
durch die innerhalb der Kathodenhohlräume eine starke Entladung oder
ein System aus primären
und fadenförmigen
Entladungen mit ihren eigenen Innenströmungen erzeugt wird, wobei
diese Entladungen durch die Strömung
durch das Arbeitsmedium getragen werden, allmählich aktiviert werden und
damit das Plasma bilden, zusammen mit der strömenden und weiter aktivierenden
Arbeitsmediumströmung
durch die hohle Kathode und im äußeren Medium
bei einer Unterschall- oder Überschallgeschwindigkeit
mit gleichzeitiger Erzeugung eines zugespitzten Reaktionskanals
unter einem Druck von 103–106 Pa.
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Die Übertragung
der elektromagnetischen Energie in die durch das Arbeitsmedium getragene Entladung
ist gut angepasst.
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Das
Arbeitsmedium und das äußere Medium sind
ein Gas, eine Flüssigkeit
oder eine Mischung aus beiden oder eine Mischung aus festen Teilchen und
Gas, Flüssigkeit
oder einer Mischung aus Gas und Flüssigkeit.
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Der
Vorgang der Plasmaerzeugung und die Aktivierung des Arbeitsmediums
werden vorteilhafterweise zusammen durchgeführt und durch ein weiteres
magnetisches Feld gesteuert, das von einem Permanentmagnet und/oder
von einem Elektromagnet oder von einem System aus Permant- und Elektromagneten
gebildet wird.
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Der
Plasmastrahl zur Erzeugung einer physikalisch und chemisch aktiven
Umgebung gemäß der Erfindung
wird durch mindestens eine hohle Kathode aus einem leitenden oder
leitenden und dielektrischen Material mit mindestens einem die Dichte
der elektromagnetischen Energie örtlich
erhöhenden Element
in der hohlen Elektrode gebildet, das durch ein Bauelement und/oder
durch ein physikalisches Element, das in Quer- und/oder Längsrichtung
bezüglich
des strömenden
Arbeitsmediums arbeitet, und ferner durch mindestens eine Quelle
elektromagnetischer Energie gebildet, die über ein System aus Regel, Übersetzungs-
und Übertragungselementen mit
dem leitenden Teil der hohlen Kathode verbunden ist.
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Das
Bauelement besteht aus einer rauen Fläche des Elektrodenmaterials
und/oder des Hohlraums und/oder eines Vorsprungs und/oder einer Stelle
im Elektrodenhohlraum und/oder von Öffnungen und/oder Schlitzen
in der hohlen Elektrode und/oder einem Kontaktplatz des leitenden
Teils der Elektrode mit dielektrischem Material.
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Das
physikalische Element wird aus einer Gruppe ausgewählt, die
aus einer Hilfselektrode mit unterschiedlichem Potential zur hohlen
Elektrode und/oder einer Quelle aus elektrisch geladenen Teilchen
oder Teilchen, die auf höhere
Energieniveaus der erregten Teilchen erregt sind, und/oder einer Quelle
aus Photonen oder Teilchen mit hohen Energien, die in Quer- und/oder
Längsrichtung
bezüglich des
strömenden
Arbeitsmediums arbeiten.
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In
vorteilhafter Weise ist ein Magnet und/oder ein Elektromagnet innerhalb
oder außerhalb
der hohlen Elektrode angeordnet.
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Die
hohle Elektrode ist an einem nichtleitenden Halter befestigt, der
eine manuelle oder mechanische Handhabung erlaubt.
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Auf
diese Weise ist es möglich,
vier grundsätzliche
Arten von hochvariablen und dynamischen, einpoligen (Speisung der
Elektrode mit HF-Energie) oder zweipoligen (elektrische Energiequelle
ohne Bandbegrenzung) Hochdruckentladungen oder Entladungssystemen
herzustellen, die miteinander verbunden werden können und aus dem Hohlraum des Plasmastrahls
oder der Mündung
von Wänden
dieses Hohlraums ausgeblasen und in die äußere Umgebung gerichtet werden
können.
Diese grundsätzlichen
Arten von Entladungen sind folgende:
- 1. Eine
Hochdruckentladung oder ein System von Entladungen, die innerhalb
der hohlen Elektrode erzeugt wird bzw. werden, die ein Bestandteil
des Plasmastrahls ist und/oder diesen bildet, und die aus der Elektrode
oder aus den Wänden
der Elektrodenmündung
und/oder aus einem System aus Hohlräumen der Elektroden (multizellulare
Entladung) geblasen werden. Diese Entladung oder dieses System von
Entladungen kann durch zwei Begrenzungszustände gekennzeichnet werden:
- a) der Plasmastrahl wird im Elektrodenhohlraum nur am negativen
Teil der Spannungsamplitude an der Elektrode erzeugt (die hohle
Elektrode ist die Kathode, ab einer Frequenz von etwa 1 kHz wird
das Plasma im Elektrodenhohlraum ständig gehalten);
- b) das Plasma wird im Elektrodenhohlraum aktiv erzeugt, unabhängig von
der Spannungsamplitude an der Elektrode (beispielsweise durch die
genannten Elemente, die die Dichte der elektromagnetischen Energie örtlich erhöhen).
- 2. Eine „schwere" Hochdruckentladung
oder ein System von Entladungen, die aus der hohlen Elektrode geblasen
wird bzw. werden, von der sie mindestens teilweise durch eine Schicht
aus dielektrischem Material getrennt ist bzw. sind, oder die aus
den Wänden
der Elektrodenmündung und/oder
dem System aus Elektrodenhohlräumen ausgeblasen
wird bzw. werden.
- 3. Eine Hochdruckentladung oder ein System aus Entladungen,
die mit den Entladungen der Arten 1 und 2 verbunden ist bzw. sind
und durch dielektrische Elemente der hohlen Elektrode erzeugt wird bzw.
werden, erfolgt durch:
- c) Polarisation und/oder Ansammlung der Polarisationsladung
an den Wänden
und Kanten des dielektrischen Rohrs oder anderer dielektrischer Elemente
des Elektrodenstrahls,
- d) Erhöhung
der Dichte der elektromagnetischen Energie an den Übergängen des
leitenden Materials zum Dielektrikum (und/oder zum dielektrischen
Material verschiedener, dielektrischer Konstanten).
- 4. Eine Hochdruckentladung oder ein System aus Entladungen,
die mit den Entladungen 1 bis 3 außerhalb der hohlen Elektrode
in der Außenumgebung
oder mit dem Flackern des in den Entladungen 1 bis 3 erzeugten Plasmas
verbunden ist bzw. sind.
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Die
Erhöhung
und die dauernde Erzeugung der einzelnen Entladungen oder Systeme
von Entladungen mittels der oben genannten Vorrichtung findet unter
Erfüllung
der folgenden Aufbau-, Arbeits- und Existenzbedingungen statt:
- 1. Die Erhöhung
der ersten Entladeart findet unter der Bedingung statt, dass die
mittlere, freie Elektronenflugbahn im vorgegebenen Arbeitsmedium unter
dem vorgegebenen Druck im Wesentlichen niedriger als die und/oder
vergleichbar mit den kleinsten Dimensionen des Plasmastrahlhohlraums
und/oder des Entladungsraums außerhalb der
Mündung
dieses Hohlraums ist und dass daneben die Gleichstrom- oder NF-Speisung
des Plasmastrahls unter der Annahme stattfindet, dass die kleinste
Dimension des Querschnitts des Elektrodenhohlraums größer als
die Minimalentfernung des negativen, sichtbaren Strahlung von der
Kathode ist.
- 2. Die zweite Entladungsart ist nicht durch eine gegenseitige
Beziehung der mittleren, freien Elektronenflugbahn im vorgegebenen
Arbeitsmedium unter dem vorgegebenen Druck zur kleinsten Dimension
des Hohlraumquerschnitts des Plasmastrahls beschränkt, wobei
dieser Querschnitt den Innenentladungsraum und/oder Entladungsräume außerhalb
der Elektrodenmündung
beschränkt,
gerade wenn die so genannte „schwere" Entladungsart innerhalb
der hohlen Elektrode verwendet wird, d. h., wenn der Innenentladungsraum
vom leitenden Teil des Elektrodenhohlraums durch eine Schicht aus
dielektrischem Material, insbesondere für die Übertragung von Hochfrequenzenergie,
getrennt ist.
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Die
ausgeblasene Entladung oder das ausgeblasene System von Entladungen
von der Mündung
des Elektrodenstrahls kann sogar trotz der ersichtlich verschiedenen
Arten teilweise dadurch gekennzeichnet werden, dass die Temperatur
der neutralen Teilchen im Plasma an die Rotationstemperatur der
OH-Moleküle
angenähert
ist, die sich zwischen 300 und 1000 K gemäß der gewählten Aufbauvariante, dem verwendeten
Arbeitsmedium und dem Anwendungsverfahren ändert.
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Unter
niedrigem Druck (etwa 100–103 Pa) in einer gasförmigen oder plasmatischen Umgebung erfolgen
diese Entladungen stetig in einigen bekannten Arten von Entla dungen,
die aus dem Plasmastrahl mit hohler Geometrie (eine hohle Kathode usw.)
ausgeblasen werden.
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Das
Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung sind in jedem
Medium und unter jedem Druck anwendbar. Sie können folgendermaßen verwendet
werden:
- 1. in gezielter Weise für die Aktivierung
und Modifikation von Gas, Flüssigkeit,
Mischungen aus Gas und Flüssigkeit,
mitgerissene Staubteilchen oder kleine Objekte, die durch den Plasmastrahl strömen;
- 2. für
die Modifikation von Objektflächen;
- 3. für
die Volumenmodifikation der behandelten Objekte;
- 4. für
die Modifikation von eingetauchten oder verteilten Miniobjekten
oder -zusammensetzungen, die in den behandelten Objekten vorhanden
sind;
- 5. für
die Aktivierung eines weiteren Arbeitsmediums, das in der Folge
die behandelten Objekte und/oder Zusammensetzungen beeinflusst;
- 6. für
die Änderung
des Plasmamaterials oder dessen Teile;
- 7. für
die plasmachemische Synthese von Zusammensetzungen im festen, flüssigen,
gasförmigen, plasmatischen
oder gemischten Zustand;
- 8. die Anwendung der Erfindung ist auch bei biologischen Objekten
(insbesondere bei dem HF-Verfahren zur Erzeugung der Entladung)
und bei anderen Anwendungen möglich.
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Bei
der manuellen Arbeit mit dem Plasmastrahl ist eine sofortige und
direkte Prüfung
der plasmachemischen Prozesse und deren Wirkungen auf das behandelte
Objekt möglich,
was ausgeschlossen oder beträchtlich
begrenzt ist, wenn das Objekt in einem plasmachemischen Reaktor
angeordnet wird.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Die
Zeichnungen zeigen in
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1 das
Prinzip eines Plasmastrahls zur Erzeugung einer physikalisch und
chemisch aktiven Umgebung und gleichzeitig das einfachste Beispiel eines
vorteilhaften Aufbaus der Vorrichtung,
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3–10, 12 und 16 zwei
verschiedene Aufbauten einer hohlen Elektrode,
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2, 11 und 13a, b, c einfache Plasmastrahlarten und
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14 und 15 Aufbauvarianten
des Plasmastrahls.
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Beispiele
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Beispiele der Aubauversion
einer hohlen Kathode und grafische Darstellung des Plasmastrahls.
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Eine
grundsätzliche
Aufbauvariante einer hohlen Kathode 1 ist ein hohler Zylinder
mit mindestens einem Element, das die Dichte der elektromagnetischen
Energie örtlich
erhöht
und das beispielsweise ein Aufbauelement 12 ist, das durch
die raue Fläche
des Hohlraums 13 der Elektrode 1 oder durch eine
beispielsweise in 5 dargestellte Nase oder eine
Stelle oder durch Öffnungen
oder Schlitze gebildet wird, die in der in 4 gezeigten,
hohlen Kathode 1 angeordnet sind.
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Ein
Element, das die Dichte der elektromagnetischen Energie örtlich erhöht, kann
auch ein physikalisches Element 17 sein, das im Hohlraum 13 der Elektrode 1 eingesetzt
ist (10b, d, 12b, 15).
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Eine
weitere Aufbauvariante ist auf den vorhergehenden Varianten gegründet. Die
grundsätzliche
Variante der hohlen Elektrode 1 wird durch dielektrische
Teile vervollständigt.
Die Innen- oder Außenwände der
Elektrode(n) 1 sind mindestens teilweise mit einer Schicht
aus dielektrischem Material 18 und/oder von einem System
aus vollen und/oder hohlen und/oder porösen, dielektrischen Materialien bedeckt,
die die elektrisch leitenden Teile 19 umgeben, oder sie
sind innerhalb ihrer Hohlräume
angeordnet, wie es in den 12a,
b gezeigt ist, in denen 18 das dielektrische Material und 19 der
elektrisch leitende Teil ist.
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Die
hohle Elektrode 1 wird durch ein System aus Hohlräumen in
der Elektrode 1 gebildet, wie es in den 6, 7 gezeigt
ist. Gemäß 7 sind
die vom Arbeitsmedium durchströmten
Hohlräume 13 durch
Räume zwischen
porösem
Material 16 gebildet, das elektrisch leitend oder nichtleitend
ist und das als Kugeln oder als Netz ausgebildet sein kann. Die
Hohlräume 13 der
Elektrode 1 kann auch durch eine zu einer Spirale gewundene
Platte oder durch ein System aus Zylindern oder deren Teile gebildet sein,
die ineinander angeordnet sind, wie es in den 8, 9a,
b dargestellt ist, die nebenbei bemerkt in Längsrichtung zueinander verschoben
sein können,
wobei die in der Mitte gelegenen Zylinder nicht hohl zu sein brauchen
(ein voller Punkt).
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Eine
weitere Aufbauvariante besteht aus einem System von Segmenten 15,
die einen Hohlraum 13 oder Hohlräume 13 der Elektrode 1 bilden,
wie es in den 10a–d dargestellt ist. Die einzelnen
Segmente 15 können
durch dielektrisches Material 18 (10c,
d) voneinander getrennt sein, oder sie können frei zusammengesetzt (10a, b) und nur durch das Arbeitsmedium voneinander
getrennt sein. Die Aufbaulösung
der in 16 dargestellten, hohlen Elektrode 1 weist
ein Bündel
oder Büschel
aus feinen Fasern 29 oder ein Bausch aus nichtorganischen
oder organischen Materialien, wie Glas, Metall, Keramik, Baumwolle,
Pferdehaare, synthetische Fasern usw., die über das isolierende, dielektrische Material 18 an
der Elektrode 1 befestigt sind, oder eine andere Einrichtung
auf, mit der es möglich
ist, die Fläche
des plasmabehandelten Objekts, beispielsweise eines Bleistifts oder
eines Gravierwerkzeugs, zu modifizieren.
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Beispiel 1 (keine Ausführung der
vorliegenden Erfindung und nicht beansprucht)
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Die
einfachste Aufbauvariante, die dem Plasmastrahl ausgesetzt wird,
ist in 1 für
den Fall dargestellt, in dem die Umgebung des Plasmastrahls sich
im gasförmigen
oder plasmatischen Zustand unter einem Druck, der größer als
etwa 103 Pa ist, und/oder sich in der freien Atmosphäre oder
unter einem Druck befindet, der größer als der atmosphärische Druck
ist. Die Elektrode 1 hat die Form eines Hohlzylinders mit
einer konischen Verengung und mit einem Element 14, das
die Dichte der elektromagnetischen Energie örtlich erhöht, wobei das Element durch
scharte Kanten der Hohlraummündung 13 der Elektrode 1 gebildet
ist. Diese Art wird vorzugsweise bei einem System mit einer äußeren Gegenelektrode verwendet,
oder sie dient als physikalisches Element 17 zur Erzeugung
der Entladung innerhalb des Hohlraums 13 und ferner der
Elektrode 1.
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An
die hohle Elektrode 1, durch die das Arbeitsgas 5 strömt, ist über ein
Impedanzanpassungsglied 4, das aus einem System aus regelnden, übersetzenden
und übertragenden
Elementen besteht, eine SS-, NF- HF- oder VHF-Quelle 3 angeschlossen.
Die hohle Elektrode 1 ist an einem bewegungsfähigen Halter 2 aus
dielektrischem Material durch Mittel befestigt, mit denen es möglich ist,
den Plasmastrahl leicht zu steuern. Am Ort der Mündung der hohlen Elektrode 1 erhöht sich
die Dichte der elektromagnetischen Energie erheblich, wobei die
Mündung mit
einem Potential durch Abstreifen der Raumladung von den Wänden und
Stellen (Punkten) der Elektrode 1 mittels des strömenden Arbeitsmediums 5 versehen
wird, so dass die Möglichkeit
einer leichten Zündung
einer Entladung 7 an der Mündung der Elektrode 1 geschaffen
wird. Die Entladung 7 dringt in die Änderung des negativen Stroms
der Quellenspannungsamplitude oder in deren negativen Impuls zum
Hohlraum 13 der Elektrode 1 ein, wo sie einen hochintensiven
Typ einer Entladung 6 erzeugt. Die Entladungen 6 und 7 aktivieren
das strömende
Medium 5. Das in dieser Weise erzeugte Plasma 8 strömt durch
den Hohlraum 13 der Elektrode 1 und durch deren
Mündung
in die äußere Umgebung,
in der es einen spitz zulaufenden Reaktionskanal 9 bildet,
in dem das Arbeitsgas 5 wiederum aktiviert wird, wobei es
gleichzeitig die Anpassung der Objekte in der äußeren Umgebung erlaubt. Die
ursprünglichen
Zusammenwirkungsprozesse 10, die als Rückkopplung markiert sind, beeinflussen
die Plasmaerzeugung in geeigneter Weise.
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Beispiel 2
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Der
in 2 gezeigte Plasmastrahl besteht aus einem System
aus hohlen Elektroden 1, von denen mindestens eine die
Quelle der physikalisch und chemisch aktiven Umgebung und mindestens
eine mechanisch oder unmittelbar manuell mittels des Halters 2 steuerbar
ist. Auf der Basis eines Zusammenstoßes von zwei oder mehreren
Reaktionskanälen 9 der
einzelnen, hohlen Elektroden 1 ergibt sich ein Reaktionskanal 9 mit
Bildungen aus strömendem Plasma
(gewöhnlich
sehr viel voluminöser
als die primären
Reaktionskanäle),
das erneut oder weiterhin das zugeführte Arbeitsmedium 5 aktiviert.
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Beispiel 3
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11 zeigt
eine schematische Zeichnung eines Plasmastrahls, wenn das Material
der Elektrode 1 durch das strömende Medium 5 gekühlt wird, das
vorteilhafterweise nach der Erfüllung
seiner Kühlfunktion
für die
darauf folgende Aktivierung in einigen der Domänen der physikalisch und chemisch aktivierten
Umgebung 6 und 7 oder für die Bildung der Form des
Reaktionskanals 9 benutzt wird.
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Ein
Teil des Plasmastrahls aller oben angeführter Varianten kann ein Permanentmagnet 20 und/oder
ein Elektromagnet oder ein System dieser Magneten sein, das außerhalb
des Plasmastrahls (13a–c) angeordnet ist, der an
der Bildung teilnimmt und den Prozess der Plasmaerzeugung steuert.
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Beispiel 4 (keine Ausführung der
vorliegenden Erfindung und nicht beansprucht)
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Eine
weitere Aufbauvariante mit einer Kombination von leitendem und dielektrischem
Material ist in 14 dargestellt und kann in jedem
Arbeitsmedium im gasförmigen
Zustand oder in Kombination mit einer losen Mischung und/oder mit
kleinen Tröpfchen
oder Dämpfen
einer Flüssigkeit
verwendet werden, ohne eine Gegenelektrode unter einem Druck von
103–106 Pa benutzen zu müssen.
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Die
Elektrode 1 besteht aus Ta, Mo, Pt, Ni, Stahl oder anderen
Metallen oder Nichtmetallen, die physikalisch und chemisch widerstandsfähige, elektrisch
leitende Materialien in Form einer hohlen Nadel sind, deren Mantel
ein Aufbauelement in Form einer Öffnung
ist. Die Elektrode 1 ist in einem Trägerteil 21 eingesetzt,
das mit der Quelle 3 über
ein Impedanzanpassungsglied 4 verbunden ist und der das
Arbeitsgas 5 von einer Speisequelle zugeführt wird,
wobei die Quelle 3 beispielsweise HF-Energie (13,56 MHz, 10–500 W)
abgibt. Dieses Trägerteil 21 ist
an einem nichtleitenden Halter 2 über dessen beweglichen und
drehbaren Teil 22 befestigt. Die Elektrode 1 ist
mit einem konzentrischen, isolierenden, aus Quarzglas bestehenden
Haarröhrchen 23 abgedeckt,
mit der Möglichkeit
der Steuerung der Eintauchtiefe der hohlen Elektrode 1 in
das Haarröhrchen 23,
und gleichzeitig wird die Elektrode 1 mit einem Permanentmagnet 20 mit
der Möglichkeit
der unabhängigen,
vertikalen Bewegung durch Befestigen am Trägerteil 21 über das
dielektrische Material 18 koaxial verschoben.
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Das
Arbeitsmedium 5 strömt
einerseits in der Elektrode 1 und andererseits durch das
Aufbauelement 12, durch das es in den Raum zwischen der Elektrode 1 und
der Wand des Haarröhrchens 23 strömt, so dass
das Haarröhrchen 23 gekühlt werden kann.
Auf der Basis der physikalischen Prozesse an der Mündung der
hohlen Elektrode 1 wird eine intensive HF-Entladung 6 im
Hohlraum der Elektrode 1 eingeleitet, und zwar vom Typ
einer virtuellen, hohlen Hochdruckkathode, die von ihrer Mündung aus
ausgeblasen wird und die danach durch das Haarröhrchen aus Quarzglas 23 und
durch das von den Magneten 20 erzeugte Magnetfeld geformt
wird. In den Entladungen 6 und 7 wird das Arbeitsmedium 5 dauernd
aktiviert. Das so strömende
Plasma 8 bildet einen zugespitzten Reaktionskanal 9 in
der äußeren Umgebung.
Bei Anwendungen unter der Stufe der Flüssigkeit, im Raum zwischen
der Wand des Haarröhrchens 23 und
der Elektrode 1, wird eine ergänzende HF-Entladung 24 erzeugt
(kapazitiv gekoppelt über
die Wand des dielektrischen Rohrs mit der Flüssigkeit), die die Aktivierung
des durch diesen Raum strömenden
Arbeitsmediums 5 veranlasst. Am Ausgang der Elektrode 1 bilden
das Arbeitsmediumgas (5), das in den Entladungen 6, 7 und 24 aktiviert
wird, und das sich ergebende, herausragende Entladung 25 zusammen
einen Reaktionskanal 9.
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Beispiel 5 (keine Ausführung der
vorliegenden Erfindung und nicht beansprucht)
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Ein
weiterer, vorteilhafter Aufbau ist die in 12b gezeigte
Variante, bei der auf dem dielektrischen Material 18 in
Form eines Haarröhrchens
aus Quarzglas mit einem Innendurchmesser von etwa 0,01–5 mm eine
leitende Schicht 19 (Grafit, Kupfer usw.) von der Außenseite
her aufgebracht ist. Auf die leitenden Schicht 19 gelangt
von der Quelle (5–50
W, 13,56 MHz) über
die Anpassungsglieder HF-Energie. Die Entladung wird durch die hohe
Dichte der elektromagnetischen Energie an der Mündung der Elektrode nahe dem
Rand der die hohle Elektrode 1 bildenden, leitenden Schicht 19 eingeleitet
und in den Hohlraum 13 gezogen, der durch das dielektrische
Material 18 gebildet wird. Diese Aufbauvariante eignet sich
für die
Aktivierung eines gasförmigen
Mediums oder einer Mischung aus Gas und Flüssigkeit (Aerosol), insbesondere
für sehr örtliche
Behandlungen von Objektflächen
oder die Behandlung eines Mikrovolumens einer Flüssigkeit unter einem Druck
von 103–106 Pa.
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Diese
Variante kann mit einem physikalischen Element 17 kombiniert
werden, das im Hohlraum des dielektrischen Materials 18 angeordnet
ist und das beispielsweise aus Wolfram- oder Stahl- oder Kupferdraht
besteht, der quer und/oder längs
in den Hohlraum 13 eingefügt ist (und der sich auf einem
anderen Potential als die hohle Elektrode 1 befindet).
Damit ist es möglich,
auch ein flüssiges
Arbeitsmedium mit dem Plasma zu aktivieren.
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Beispiel 6
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Eine
weitere, aktuelle Variante ist in 15 gezeigt.
Sie kann in jeder der oben genannten, äußeren Umgebungen und unter
Verwendung jedes Arbeitsmediums unter einem Druck von 103–106 Pa angewendet werden. In die eine beliebige
Form aufweisende Elektrode 1, die mit der SS-, NF-, HF-
oder VHF-Energie liefernden Quelle 3 über das Impedanzanpassungsglied 4 verbunden
ist und die vom Medium 5 durchströmt wird, ist ein geeignetes,
physikalisches Element 17 von der Seite eingesetzt, die
in den Hohlraum 13 der Elektrode 1 eindringt.
Im dargestellten Fall ist eine zusätzliche Elektrode 26 mit
einem anderen Potential als die Elektrode als physikalisches Element 17 gewählt. Diese
zusätzliche
Elektrode 26 besteht aus Molybdän-, Wolfram- und/oder Stahldraht
oder einem Grafitstab und ist vom Material der Elektrode 1 durch
das Haarröhrchen 27 aus Quarzglas,
Keramik oder Teflon getrennt. Zwischen der Fläche der Hohlraumwand 13 der
Elektrode 1 und der Stelle der zusätzlichen Elektrode 26 tritt
in der strömenden
Umgebung des Arbeitsmediums 5 ein merkliches Potentialgefälle auf,
aufgrund dessen die primäre
Anfangsentladung erzeugt wird (im gegebenen Fall ein Bogen oder
eine Korona 28), die wiederum die intensive Entladung 6 im
Hohlraum 13 einleitet. Eine zweite intensive Entladung
des Typs mit einer virtuellen, hohlen Hochdruckkathode 6 und/oder
mit einer flackernden, primären
Entladung 28, die durch die Strömung des aktivierten Arbeitsmediums 5 getragen
wird, geht von der Mündung
der Elektrode 1 aus und flackert oder geht in einen anderen
Typ der Entladung 7 in der äußeren Umgebung über. Die
Strömung
des aktivierten Arbeitsmediums 5 zusammen mit dem strömenden Plasma
bilden in der äußeren Umgebung
den zugespitzten Reaktionskanal 9.
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Beispiel 7
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Die
Plasmastrahlen können
für eine
Feinbearbeitung von Einzelheiten nach einer mechanischen oder Laserbearbeitung,
für eine
Feinbearbeitung oder Schaffung von Einzelheiten bei Schmuck-, Goldschmiede-
und Glaswaren oder bei Kunst- und Restaurierungsarbeiten, insbesondere
beim Entfernen, Sprühen
oder Reparieren von Gemälden, Schriften
oder einer Schutzschicht auf Objekten und/oder bei der Wiederherstellung
und Konservierung dieser Objekte verwendet werden.
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Bruchstücke von
sehr korrodiertem, archäologischen
Glas mit örtlichen
Schichten von Ablagerungen mit einer Stärke bis zu 1 mm und Schichten aus
hydriertem Silikonoxid mit einer Stärke von 20–200 μm mit einer wesentlichen Darstellung
von verschiedenen, abgelagerten Verbindungen, die eine starke Färbung bis
zur Undurchsichtigkeit des Materials bewirken, wurden in eine 1%-ige
Materiallösung aus
Komplexon III (C10H14O8N2Na2·2H2O) in destilliertem Wasser gegeben und der
Wirkung der Vorrichtung ausgesetzt. Nacheinander wurden bei einem Druck
von etwa 103 Pa und höher die folgenden Varianten
des Arbeitsmediums geprüft:
Ar, N2, Ar + N2, Ar + H2,
Ar + SF6, Ar + C3F8, Ar + C4F8 usw. Die von der HF-Energiequelle abgegebene
Ausgangsleistung betrug 50–200
W (13,56 MHz), und die Anwendungszeit betrug Minuten. Die archäologischen
Glasbruchstücke
wurden in allen geprüften
Fällen
nach Anwendung der Vorrichtung gereinigt.
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Die
Analysen der Bruchstücke
nach der Anwendung des oben beschriebenen Verfahrens wurden mit
einem Abtastelektronenmikroskop mit einer Energieverteilungs- und Wellenverteilungsanalysator durchgeführt und
zeigten, dass das Wesentliche der erhaltenen Reinigungswirkung,
die sich aus der Transparentmachung der Glasbruchstücke ergab, eine
bemerkenswerte Verminderung der Verbindungen, die Fe, Mn, Ca, P,
K und andere Verbindungen enthielten, aus den Korrosionsschichten
war, dass es aber eine geringe Anreicherung der Gelschicht durch Na
gab. Die Anwendung von insbesondere SF6 als Mischungsteil
des Arbeitsgases erlaubte eine deutliche Verminderung der Porosität der Fläche der
Gelschichten durch deren Glättung
mittels Ätzvorgängen.
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Bei
der Anwendung des Verfahrens überschritten
die beobachtete Gesamtgeschwindigkeit und der Gesamtwirkungsgrad,
aber auch die Feinheit der Reinigung der Fläche des korrodierten Glases (einschließlich der
Lokalisierungsmöglichkeit
der Behandlung der Bruchstückfläche) viele
Male die Wirkungen der bekannten Anwendung durch das Plasma in nichtaktivierter
Flüssigkeit.
Diese Tatsache rührt
von dem ganz, unterschiedlichen Mechanismus der physikochemischen
Reaktionen her, die in Kontakt mit dem aktivierten Medium oder der
Entladung mit der Flüssigkeit
und gleichzeitig mit der Objektfläche auftreten.
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Die
Erfindung kann insbesondere in Laboratorien der physikalischen und
chemischen Richtung, im Materialkundezweig, in der Mikroelektronik,
Elektrotechnik, in der chemischen, Textil-, Glasherstellungs- und
Kosmetikindustrie, in der Medizin, in der Ökologie, zur Restaurierung
und Konservierung von Objekten des Kulturguts, bei Kunstaktivitäten usw. verwendet
werden. Bei der Anwendung der Erfindung im Fall der Verwendung von
Hochfrequenzenergie (Frequenzen höher als 1 MHz) droht keinem Betreiber
oder möglichen,
lebenden Anwendungsobjekt eine ernsthafte Verletzung durch die Elektrizität, aber
die Erfindung sollte nicht in Gegenwart von Personen mit Herzschrittmachern
angewendet werden.