Betriebsbedingungen einer Glimmentladung in aggressiven Gasen

27 Pages·1960·2.712 MB·German

by  Prof. Dr. phil. Walter Weizel, Dr. Helmut Herrmann (auth.)

DK 537.525
621.3.032.216
620.193.5
FORSCHUNGSBERICHTE
DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Herausgegeben durch das Kultusministerium
Nr. 871
Prof. Dr. phil. Walter Weizel
Dr. Helmut Herrmann
Institut fUr Glimmentladungsforschung Koln
Betriebsbedingungen einer Glimmentlodung
in oggressiven Gosen
Als Manuskript gedruckt
SPRINGER FACHMEDIEN WIESBADEN GMBH
ISBN 978-3-663-00448-6 ISBN 978-3-663-02361-6 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-02361-6
G 1 ied e r ung
. . . . . . . .
Einftihrung • • • • • • • • • • S. 5
1. Herstellung von Elektroden aus Oxyden S. 7
. . .
2. Die Stromzuftihrung zu den Elektroden S. 9
,. Mechanische Eigenschaften der PreBkărper-Elektroden S. 10
4. Ztindung der Entladung, Vorheizung der Elektroden S. 12
5. Verhalten von Chromoxyd in aggressiven Gasen • s. 13
6. Verhalten von Elektroden aus Fe304 und Sn02 in
. . . .
aggressiven Gasen S. 17
7. Die elektrische Leitfăhigkeit der PreBelektroden ••. S. 18
. . . . . . .
8. der S. 23
Spannungsabhăngigkeit Leitfăhigkeit
9. Minimale Brennspannung •.• s. 24
10. Elektroden aus Silberchlorid • • S. 25
Literaturverzeichnis S. 25
Sei te 3
Einftihrung
Eine Glimmentladung in Edelgasen, Metalldampf, Wasserstoff, Stickstoff,
Ammoniak oder Gemischen dieser Gase zu betreiben und langere Zeit auf
rechtzuerhalten, macht keine besonderen Schwierigkeiten. DaE eine
Glimmentladung in solchen Gasen auch mit groEerer Stromstarke (20 A
und dartiber) stationar brennen kann, haben BERGHAUS und seine Mitarbei
ter zuerst gezeigt.
Die Betriebsbedingungen einer stromstarken Glimmentladung wurden spater
von WEIZEL und BRANDT im einzelnen analysiert. Neue technologische
Probleme tauchen auf, wenn man eine Glimmentladung in anderen Gasen
betreiben will, welche Sauerstoff, Halogene, Kohlenstoff, Schwefel oder
Verbindungen dieser Elemente enthalten. Diese Gase unterscheiden sich
zwar in den Entladungseigenschaften nicht grundlegend von den Edelgasen
und Wasserstoff, wohl aber darin, daE sie Elektroden und GefaEwande
Es sind vier Arten von mit denen
verăndern. hauptsăchlich Vorgăngen,
man sich muS.
beschăftigen
1. Sauerstoff, Halogene und Schwefel, bzw. ihre Verbindung wie Wasser
und Halogen-Wasserstoff greifen Metallelektroden (auch MetallgefaE
wănde) chemisch an und korrodieren sie unter Umstănden bis zur
Zerstorung.
2. Kohlenwasserstoff und andere kohlenstoffhaltige Verbindungen schei
den feste Stoffe an den und den Elektroden in der Ent
GefăEwănden
ladung ab und kannen insbesondere an den Elektroden die Entladungs
verhăltnisse vollstăndig verăndern.
3. Die genannten Gase, welche wir als aggressive bezeichnen wollen,
sich in der Entladung durch chemische Reaktionen mit den
verăndern
Elektroden und so daE nach kurzer Zeit nicht mehr das
GefăEwănden,
eingebrachte Versuchsgas den Entladungsraum ausftillt, sondern nur
noch das Zersetzungsprodukt von ihm. In einigen Fallen verschwindet
das Gas tiberhaupt und der Druck sinkt solange ab, bis die Entladung
nur noch mit kleiner brennt. Die chemische Veranderung
Stromstărke
des Entladungsgases kann man nur hindern bzw. mindern, in dem man
dauernd Gas nachstramen laEt, oder das Gas tiberhaupt in kontinuier
lichem Strom durch die Entladung ftihrt.
4. Chemische Korrosion der Elektroden und Abscheidungen von festen Nie
auf ihnen den Entladungsvorgang erheb
derschlăgen beeintrăchtigen
lich. In manchen bildet sich ein nicht oder schlecht leitender
Făllen
Seite 5
Uberzug. Die Entladung setzt dann nicht mehr gleichmăBig auf der
Elektrode an, sondern wird auf einzelne Stellen zusammengedrăngt und
schlieBlich bei ausreichender Spannung und in
schlăgt Stromstărke
einen Lichtbogen um, der eine oder mehrere Brennflecken auf den
Elektroden bildet.
Abscheidungen von Kohlenstoff oder schwer fltichtigen Kohlenstoffver
bindungen bringen ebenfalls nach kurzer Zeit auf den Elektroden,
insbesondere der Kathode, Stellen hervor, an denen die Entladung
vorzugsweise ansetzt. Auch dies ftihrt zu einem Umschlag
regelmăBig
in den Lichtbogen, wenn gentigend Strom und Spannung zur Verftigung
steht.
Diese Erscheinungen machen es nicht vollig unmoglich, eine Entladung
in aggressiven Gasen zu brennen, sie lassen es aber nicht zu, die
Entladung ohne erhebliche Ănderung ihres Charakters aufrechtzuerhal
ten. Es ist bekannt, daB man eine Entladung in Luft ohne Schwierig
keit betreiben kann. In einem nicht allzu groBen abgeschlossenen
verschwindet allerdings meist der Sauerstoff nach einiger Zeit,
GefăB
meistenteils in den Elektroden, und man hat dann im wesentlichen
eine Stickstoffentladung. Im Wasserdampf wird der Sauerstoff eben
falls von den Elektroden aufgenommen,und es hinterbleibt eine Was
serstoff-Entladung. Dem geringen Vorrat an Sauerstoff ist es in
diesem Falle zu verdanken, daB es nicht zu einer erheblichen Korro
sion kommt. In stromendem Gas ist nach Durchsetzen einer groBeren Gas
menge aber die ernste Korrosion der Elektroden unvermeidlich.
Um eine Entladung im aggressiven Gas Zeit aufrecht
unverăndert lăngere
zuerhalten, muB man das Gas in jedem FalI durch den Entladungsraum
stromen lassen. Zur Vermeidung der Elektroden-Korrosion gibt es zwei
Mi ttel.
1. Man kann die Elektroden aus Materialien herstellen, die vom Entla
dungsgas auch bei brennender Entladung nicht angegriffen werden.
2. Man kann die Elektroden mit einem nicht aggressiven Gas umsptilen,
und das aggressive Gas erst in einer solchen Entfernung von den
Elektroden beimengen, daB es nicht in unmittelbare von den Elek
Năhe
troden gelangt. Dieses zweite Verfahren bedeutet allerdings eine
nicht unbedeutende Modifikation des Zieles, die Entladung im aggres
siven Gas zu betreiben. Die wichtigsten Teile der Entladung,
nămlich
das negative Glimmlicht und das anodische Glimmlicht bilden sich bei
Sei te 6
dieaem Verfahren nicht im aggreasiven Gaa aus. Im aggressiven Gas
hat man nur eine positive oder andere Entladungsteile
Săule sekundăre
vor sich. Die elektrische Leistung wird dann auch nicht im aggres
siven Gas umgesetzt, sondern zum groBen Teil im Schutzgas, das die
Elektroden umspult. SchlieBlich kann man auf diese Weise nicht im
reinen aggressiven Gas arbeiten, sondern ist stets auf Gemische mit
inerten Gasen angewiesen.
Obwohl fur die Entladungen, bei denen die Elektroden von einem Schutz
gas umgeben sind, ein groBes praktisches Interesse besteht, haben wir
uns in dieser Arbeit darauf konzentriert, Elektrodenmaterial zu unter
suchen, das von aggressiven Gasen nicht angegriffen wird, so daB man
in solchen Gasen die Entladung betreiben und untersu
uneingeschrănkt
chen kann. In einigen Metalloxyden, vor allem in Cr203 hatten wir schon
fruher ein Material gefunden, welches sich gegen Sauerstoff widerstands
făhig erwies. Die Leitfăhigkeit des Cr203 reicht wenigstens bei hăheren
Temperaturen aus, um der Entladung den Strom zuzufuhren. Es zeigt sich,
daB Chromoxyd auch gegen die als aggressiv bezeichneten Gase unempfind
lich ist. Auf ihre Brauchbarkeit zur Herstellung von Elektroden wurde
auBerdem CrCI , Fe 0 , Sn0 und AgCI untersucht.
3 3 4 2
1. Herstellung von Elektroden aus Oxyden
Zur Herstellung der Elektroden werden die handelsublichen Oxyde in
Pulverform in einer Presse bei 350 Atm Druck zu einem losen
zunăchst
geformt. Die elektrischen Zufuhrungen werden mit eingepreBt. Auf
Kărper
diese Weise zylindrische, und Elek
kănnen plattenfărmige ringfărmige
troden hergestellt werden. Die PreBform zur Herstellung der Zylinder
hatte die folgenden Abmessungen (s. Abb. 1):
Die Bauhăhe betrăgt 65 mm; der AuBendurchmesser 55 m; die Bohrung 27 mm.
In die Bohrung ist ein Futter aus hartem Material eingepaBt, das oben
eine Offnung van 17 mm und unten eine Offnung von 18 mm hat. Aus der
konischen PreBform sich der besser herausdrucken, da
lăBt PreBkărper
er sich dann leicht von den und beim Herausschieben nicht
Wănden Iăst
verletzt wird. Die PreBfarm wird, wie aus der Abbildung 1 ersichtlich
ist, unten mit einem Deckel, der etwa 8 mm stark ist, verschlassen. Dar
Stempel zum Pressen des Halbleitermaterials in der PreBform hat eine
van 52 mm, und an der drtickenden einen Durchmesser van
Bauhăhe Flăche
16,8 mm. 15 mm van der druckenden FIăche entfernt betrăgt der Durchmesser
7
Seite
nur noch 16 mm. Auf diese Weise wird ein Festfressen des Stempels in
der PreBform vermieden. In den Stempel sind Kanale zur Aufnahme der
elektrischen Zuftihrungen gebohrt. Die Hohe der mit dieser Presse er
zielbaren Halbleiterelektroden betragt 52 mm.
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PreBform fur Zylinder
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A b b i 1 d ung 2
PreBform fur Platten
Zur Herstellung von plattenformigen Elektroden wurde eine ăhnliche
Presse verwendet (s. Abb. 2). Sie hat eine Bauhohe von 80 mm. Der
AuBendurchmesser betragt 110 mm. Die InnenmaBe sind an der oberen Kante
Seite 8
der PreSform 56 mmJ an der unteren Kante der PreBform 58,2 mm. Die
Preaae iat unten mit einem 8 mm atarken Deckel verachloaaen. Der Stem
pel hat eine Hohe von 85 mm und iat zur Aufnahme der elektriachen Zu
leitungen an mehreren Stellen durchbohrt. Die drUckende FIăche dea
Stempels hat einen Durchmeaaer von 56 mm. 20 mm hinter der Stirnflăche
<U3a Stel!lpels iat deraelbe hinterdreht. Die Prease ist wieder konisch
gearbeitet, damit die Plat te beim HerauadrUcken aus der PreSform nicht
verletzt wird.
Zur Herstellung von ringformigen Elektroden kann in die eben beachrie
bene PreSform auf dem VerschluSdeckel ein koniacher, 65 mm hoher zy
lindrischer Metallkorper zentrisch aufgeschraubt werden. Der obere
Durchmesser 20 mm, der untere 17,5 mm. Der Stempel zum Pressen
betrăgt
der Halbleiterelektroden hat jetzt in der Mitte eine Bohrung von
20,5 mm. Dieser ringformige Stempel iat an drei Stellen zur Aufnahme
der elektrischen Zuleitungen durchbohrt.
Es ist nicht die gelieferten Substanzen ohne Vorbereitung
zweckmăSig,
zu verarbeiten, weil man PreSkorper die leicht zerbroseln, oft
erhălt,
schon beim AusstoBen aus der Presse. Chromoxyd Cr203 iat etwas hygro
akopiach und muS in einem Ofen getrocknet werden, bevor man es in die
PreSform gibt. Nach der Vortrocknung sind die PreSkorper gleichmaBiger
und weniger empfindlich. Das Eiaenoxyd Fe 0 muS man vor dem Presaen
3 4
hingegen mit etwa 3 %W asser anfeuchten, dami't es Uberhaupt zusammenhăl t.
Um PreSkorper aus Zinnstein Sn02 herzustellen, haben wir das Oxyd zu
erst gepreSt, die entstandenen, aehr empfindlichen Korper wieder zer
driickt und zum zweiten Mal gepreSt.
Nach dem Pressen wurden die Korper im elektriachen Ofen einige Stunden
auf 11000C erhitzt, um noch in ihnen enthaltene Spuren von Wasser zu
vertreiben, und um ihre mechanische Festigkeit zu verbessern. Hierbei
tritt anscheinend eine leichte Sinterung ein. Gesinterte Korper aua
Chromoxyd nehmen beim Stehen an der Luft in einigen Tagen etwa 1 0/00
an Gewicht zu, waa wir einer Aufnahme an Feuchtigkeit zuschreiben. An
Eisenoxyd konnte hingegen eine Gewichtszunahme nicht festgeatellt wer
den.
2. Die Stromzufiihrung zu den Elektroden
Will man die PreSkorper aus oxydischem Material als Elektroden in einer
Glimmentladung verwenden, so muS man metallische Stromzufiihrungen in
Sei te 9
1
sie einpressen. Es wurde im einfachsten FalI ein Stift aus AluCrO-Draht )
eingepreBt. Wir haben aber auch Elektroden mit zwei oder drei solchen
Stiften, bzw. mit einem eingepreBten Drahtbugel hergestellt. Um die
Leitfăhigkeit der oxydischen Materialien zu untersuchen, wurden in das
Chromoxyd 2 Platinblechscheiben mit angeschweiBter Zu
drahtfărmiger
fuhrung eingepreBt, was keine nennenswerten Schwierigkeiten machte
(s. Abb. 3). In das Eisenoxyd konnten wir keine Platinelektroden ein
fuhren, weil diese sich bei Temperatur in dem Eisenoxyd auf
hăherer
losen. Wir haben stattdessen Zuflihrungen aus Inconel2) benutzt, aber
den Eindruck gewonnen, daB auch dieses Material Bestandteile an das
Eisenoxyd abgibt und dessen Leitfăhigkeit erhoht. Fur den Betrieb einer
Gasentladung scheint dies nicht zu sein, dagegen
schădlich verfăIscht
es die bei hoherer Temperatur. Fur die Messun
Leitfăhigkeitsmessungen
gen an Zinnsteix, Sn02 konnten Zufuhrungen aus Inconel verwendet werden.
3. Mechanische Eigenschaften der
PreBkărper-Elektroden
Die PreBkorper aus Chromoxyd werden nach der Sinterung ziemlich hart
und lassen sich nur noch mit Muhe zerbrechen. Man kann sie aber noch
leicht mechanisch nacharbeiten, z.B. Locher hine in
verhăltnismăBig
bohren oder die Oberflăche abdrehen. Dies ist wichtig, weil man durch
die Nachbearbeitung den die gewlinschte Form geben
Elektrodenkărpern
kann. Eisenoxyd wird sehr hart, so daB eine mechanische Bearbeitung
schwierig ist. Die aus Zinnstein bleiben hingegen
nachtrăglich Kărper
weich und empfindlich und mlissen auch nach der im Ofen
Wărmebehandlung
sehr vorsichtig behandelt werden. Offensichtlich reicht die Temperatur
von 11000C noch nicht aus, um den PreBstucken aus diesem Material einen
besseren Zusammenhalt zu verleihen. Nach dem Stand unse
gegenwărtigen
rer Untersuchungen scheint uns das Chromoxyd wegen seiner guten mecha
nischen Bearbeitbarkeit und seiner Haltbarkeit das geeignetste Elektro
denmaterial fur Glimmentladungen in aggressiven Gasen zu sein. Wir ha
ben deshalb sein Verhalten in verschiedenartigen Entladungen besonders
ausfuhrlich studiert. Die PreBkorper sind noch ziemlich poros. Dies
erkennt man am einfachsten aus einer Dichtebestimmung. Die Korper aus
%; %
Chromoxyd haben eine Bruttodichte von 56 die Eisenkorper von 70
%
und die Zinndioxydkorper von 49 der Dichte der kompakten Substanzen.
% %
1. Lieferer DEW AltenajWestf.; Richtanalyse 26-29 Cr, 4-5 Al;
Rest Fe.
% %
2. Lieferer DEW AltenajWestf.; Richtanalyse: 72 Ni, 6-10 Fe,
% %
14-17 Cr, 1 Mn.
Sei te 10
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