DE19816377C2 - Verfahren zur Anregung von Entladungen zwischen wenigstens zwei Hauptelektroden sowie Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anregung von Entladungen zwischen wenigstens zwei Hauptelektroden nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruches 11.

Wird zwischen zwei Elektroden, von denen mindestens eine mit einer isolierenden Schicht bedeckt ist, eine Wechselspannung angelegt, so entsteht bei Erreichen der Zündfeldstärke im Gas zwischen den Elektroden eine dielektrisch behinderte Entladung. Der Stromkreis wird dabei durch den Verschiebungsstrom in den dielektrischen Schichten geschlossen. Bei Gasdrücken oberhalb einiger Hundert hPa und Elektrodenabständen im Bereich einiger Millimeter bis Zen­ timeter teilt sich die Entladung in einzelne Filamente mit Fußpunkt­ durchmessern von einigen Millimetern auf. Die Lebensdauer dieser Mikroentladungen beträgt nur einige Nanosekunden. Bei näherungs­ weise sinusförmigem Verlauf der angelegten Wechselspannung tre­ ten die Filamente zeitlich und räumlich statistisch verteilt auf, jeweils nachdem lokal die Durchbruchsfeldstärke überschritten und die Durchbruchszeit verstrichen ist.

Wird das Wechselspannungssignal durch Hochspannungsimpulse mit einer Anstiegszeit unterhalb der Durchbruchszeit der Mikroentladun­ gen ersetzt, so zünden die Filamente im gesamten Entladungsvolu­ men nahezu gleichzeitig. Jedes Filament weist einen nur sehr kleinen Fußpunkt auf, der zu einem räumlich sehr homogenen Erscheinungs­ bild der Entladung führt. Die mittleren Energien der im Filament er­ zeugten Elektronen sind zudem höher als bei Filamenten mit größe­ ren Fußpunkten. Dieser Zustand wird bei vielen Anwendungen der Barrierenentladung angestrebt. Beispiele sind die Anregung von la­ seraktiven Medien, die Anregung von Excimergasgemischen zur Er­ zeugung nahezu monochromatischer kurzwelliger Strahlung sowie die Erzeugung von Plasmen zur Behandlung von Abgasen in statio­ nären oder mobilen Anlagen.

Neben dem steilen Spannungsanstieg ist eine ausreichende Vorioni­ sierung des Gases zum Zeitpunkt des Hochspannungsimpulses eine weitere Voraussetzung zur Erzielung der gewünschten Entladungs­ homogenität. Als technische Möglichkeiten stehen hierfür beispiels­ weise die Vorionisierung durch UV-Licht, Röntgen- oder Elektronen­ strahlen zur Verfügung. Die letztgenannte Möglichkeit wird beispiels­ weise in TEA-CO₂-Lasern häufig genutzt. Nachteilig ist jeweils der nicht unbeträchtliche technische Aufwand, der zur gleichmäßigen Vorionisierung des gesamten Entladungsvolumens erforderlich ist.

Es ist eine Vorrichtung bekannt, bei der Hochspannungsimpulse er­ zeugt werden. Fig. 1 zeigt ein Impulsenergie-Zeit-Diagramm unter Verwendung einer solchen Vorrichtung. Die jeweiligen Hochspan­ nungsimpulse 1 führen zu einer Erhöhung der Ladungsträger im Gas­ volumen. In Fig. 1 ist die Ladungsträgerdichte mit einer gestrichelten Linie gekennzeichnet. Nach Erzeugung des Hochspannungsimpulses 1 sinkt die Ladungsträgerdichte, bis ein erneuter Hochspannungsim­ puls 1 erzeugt wird. Die nach dem jeweils vorangegangenen Hoch­ spannungsimpuls im Gasvolumen verbleibenden Ladungsträger wer­ den zur Erzielung einer homogenen Barrierenentladung genutzt. Aus der für eine optimale Homogenisierung erforderlichen Ladungsträ­ gerdichte und dem insbesondere durch Gaszusammensetzung und Gasdruck bestimmten zeitlichen Abfall dieser Größe folgt ein eng be­ grenzter Bereich für den erlauben zeitlichen Abstand T₁ der Hoch­ spannungsimpulse 1. Da die Impulsenergie E bezüglich der ge­ wünschten Entladungseigenschaften zu optimieren ist, ist die mittle­ re, in das Entladungsvolumen eingekoppelte elektrische Leistung P = E/T₁ ebenfalls festgelegt. Eine unabhängige Optimierung von Impulsenergie und Impulsabstand, die beispielsweise zur Optimie­ rung des Schadstoffabbaues in Entladungen zur Abgasbehandlung oder zur Maximierung der Verstärkung von Lasermedien wünschens­ wert wäre, ist somit nicht möglich. Wird beispielsweise beim Einsatz gepulster Excimer-Strahlungsquellen in der Druckindustrie eine Syn­ chronisation der Entladungsvorgänge mit dem zeitlich stark variie­ renden Papiervorschub gefordert, so ist eine Vorionisierung des Gas­ volumens durch die verbliebenen Ladungsträger des jeweils vorheri­ gen Hochspannungsimpulses 1 nicht zuverlässig möglich.

Bei der gattungsgemäßen Vorrichtung (DE 37 05 165 A1) sind zwei Hauptelektroden und eine Hilfselektrode vorgesehen, von denen die Hilfselektrode mit einer isolierenden Schicht versehen ist. Mit dieser Vorrichtung werden Entladungen angeregt, wobei zwischen die Elek­ troden Hochspannungsimpulse angelegt werden. Zwischen die eine Hauptelektrode und die Hilfselektrode wird ein Vorimpuls für eine Vorionisation angelegt. Um die Vorimpulse zu erzeugen, ist somit ei­ ne Zusatzeinrichtung in Form der Hilfselektrode und der zugehörigen Ansteuerung notwendig.

Es ist ferner bekannt (US-Z.: M. Trentelman et al.: J. Opt. Soc. Am. B, 12, No. 12, 1995, S. 2494 bis 2500), einen Impulszug mit einem Vorimpuls an Hauptelektroden zu legen.

Es sind ferner Vorrichtungen zur Erzeugung nahezu jedes beliebigen Spannungsverlaufes an den Elektroden einer Gasentladungsvorrich­ tung bekannt (DE 43 11 455 A1).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Verfahren und die gattungsgemäße Vorrichtung so auszubilden, daß ohne Zusatzeinrichtungen zur Vorionisierung die Ausbildung räumlich sehr homogener, gepulst betriebener Barrierenentladungen bei weit­ gehend freier Wahl des Pulsabstandes ermöglicht wird.

Dieser Aufgabe wird beim gattungsgemäßen Verfahren erfindungs­ gemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 und bei der gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 11 gelöst.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden die Vorimpulse zur Vor­ ionisation zwischen die Hauptelektroden gelegt, zwischen die auch die Hochspannungsimpulse angelegt werden. Mit den Vorimpul­ sen werden zunächst nur wenige, statistisch über dem Entladungs­ volumen verteilte Barrierenentladungen erzeugt. Dadurch wird eine optimale Vorionisierung des Gasvolumens ermöglicht, so daß zum Zeitpunkt des nachfolgenden Hochspannungsimpulses eine homoge­ ne räumliche Ladungsträgerverteilung erreicht wird. Dadurch wird ei­ ne hervorragende Entladungshomogenität erreicht. Da die Vorimpul­ se und die Hochspannungsimpulse zwischen den gleichen Elektroden angelegt werden, sind zur Erzeugung der Vorimpulse Zusatzeinrich­ tungen nicht erforderlich. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich darum durch einen einfachen konstruktiven Aufbau aus.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren An­ sprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.

Die Erfindung wird anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Impulsenergie-Zeit-Diagramm einer bekannten Ho­ mogenisierung einer Barrierenentladung,

Fig. 2 ein Impulsenergie-Zeit-Diagramm einer erfindungsgemä­ ßen Homogenisierung einer Barrierenentladung,

Fig. 3 in schematischer Darstellung eine Impulsspannungs­ quelle an einer Barrierenentladung.

Die Vorrichtung zur Homogenisierung gepulster Barrierenentladun­ gen ist hinsichtlich ihres konstruktiven Aufbaus grundsätzlich bekannt und wird darum nur kurz beschrieben. Die Vorrichtung hat zwei Elek­ troden 4, 5 (Fig. 3), von denen mindestens eine mit einer isolieren­ den Schicht 6, 7 (Dielektrikum) bedeckt ist. Zwischen den beiden Elektroden 4, 5 werden Hochspannungsimpulse angelegt, die vor­ zugsweise eine hohe Flankensteilheit haben. Die Elektroden befinden sich in einem Entladeraum 8, der mit Gas oder einem Gasgemisch gefüllt ist. Beim Anlegen der Hochspannungsimpulse zwischen den Elektroden 4, 5 entsteht zwischen den Elektroden 4, 5 im Entlade­ raum 8 eine dielektrisch behinderte Entladung.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Betrieb gepulster Bar­ rierenentladungen wird jedem Hochspannungsimpuls 1 (Fig. 2) ein Vorimpuls 2 vorangestellt. In Fig. 2 ist die Impulsenergie gegen die Zeit einer Barrierenentladung aufgetragen. Die Energie des Vorim­ pulses 2 ist deutlich niedriger als die Energie des Hauptimpulses 1. Die Energie des Vorimpulses 2 kann selbstverständlich auch höher sein, als in Fig. 2 angegeben ist. Ist die Energie des Vorimpulses 2 jedoch deutlich niedriger als diejenige des Hauptimpulses 1, werden zunächst nur wenige, statistisch über dem Entladungsvolumen der Vorrichtung verteilte Barrierenentladungen erzeugt. Die Entladung teilt sich somit in einzelne Filamente auf. Die in diesen Filamenten entstehenden Ladungsträger diffundieren in der Zeitspanne ΔT bis zur Einspeisung des Hauptimpulses in das Entladungsvolumen, d. h. in das Gas oder das Gasgemisch im Entladungsraum. In Fig. 2 ist durch eine gestrichelte Linie die Ladungsträgerdichte im Entladungs­ volumen angegeben. Zu Beginn des ersten Vorimpulses 2 befinden sich im Entladungsvolumen noch keine Ladungsträger. Durch den Vorimpuls 2 werden die Barrierenentladungen erzeugt, so daß die Ladungsträgerdichte ansteigt, wie die gestrichelte Linie in Fig. 2 er­ kennen läßt. Die Größe der Zeitspanne ΔT wird so optimiert, daß ei­ nerseits zum Zeitpunkt des nachfolgenden Hauptimpulses 1 eine möglichst homogene räumliche Ladungsträgerverteilung im Entla­ dungsvolumen erreicht ist, andererseits die Konzentration der La­ dungsträger noch nicht durch Rekombinationsprozesse zu stark ab­ genommen hat. Je nach Gas bzw. Gasgemisch im Entladeraum wird die Impulsenergie der Vorimpulse 2 sowie der Zeitabstand ΔT zwi­ schen dem Vorimpuls 2 und dem Hauptimpuls 1 optimiert. Diese Op­ timierung kann vom Anwender ohne Probleme einfach vorgenommen werden.

In Fig. 2 ist der optimale Bereich 3 der Ladungsträgerdichte mit zwei punktierten Linien angegeben. Die gestrichelte Linie in Fig. 2, welche die Ladungsträgerdichte angibt, läßt erkennen, daß die Ladungsträ­ gerdichte zwischen dem Vorimpuls 2 und dem nachfolgenden Haup­ timpuls 1 nur wenig abnimmt, so daß die gewünschte homogene räumliche Ladungsträgerverteilung zum Zeitpunkt des Hauptimpulses 1 gewährleistet ist. Während des Hauptimpulses 1 nimmt die La­ dungsträgerdichte sehr stark zu und fällt in der Zeit zwischen dem Hauptimpuls 1 und einem nachfolgenden weiteren Vorimpuls 2 wie­ der ab. Durch den Vorimpuls 2 wird eine optimale Vorionisierung des Gasvolumens im Entladeraum für den nachfolgenden Hauptimpuls 1 gewährleistet.

Der zeitliche Abstand T₂ zwischen aufeinanderfolgenden Vorimpulsen 2 ist größer als der zeitliche Abstand T₁ zwischen aufeinanderfolgen­ den Impulsen bei der herkömmlichen Barrierenentladung gemäß Fig. 1. Der Pulsabstand T₂ kann weitestgehend frei gewählt werden, wo­ bei ohne Zusatzeinrichtungen zur Vorionisierung die Ausbildung räumlich sehr homogener, gepulst betriebener Barrierenentladungen ermöglicht wird.

Bei einigen Anwendungen, beispielsweise der Oberflächenmodifizie­ rung durch die Strahlung eines Excimerstrahlers, ist es auch möglich, Impulspakete einzusetzen. Jedes Impulspaket besteht in diesem Fall aus dem Vorimpuls 2 und mehreren nachfolgenden Hauptimpulsen 1. Auch bei einer solchen Ausbildung wird durch den Vorimpuls 2 eine optimale Vorionisierung des Gasvolumens für den nachfolgenden er­ sten Hauptimpuls 1 erreicht. Die nachfolgenden weiteren Hauptim­ pulse 1 des Impulspaketes beziehen ihre Vorionisierung aus den ver­ bleibenden Ladungsträgern des jeweils vorausgegangenen Hauptim­ pulses des Impulspaketes. Die Ladungsträgerdichte zwischen aufein­ anderfolgenden Hauptimpulsen innerhalb des Impulspaketes nimmt zwar ab, jedoch nur in einem solchen Ausmaß, daß das Gasvolumen optimal ionisiert werden kann.

Die Hauptimpulse 1 weisen eine hohe Flankensteilheit auf (Fig. 2). Der zeitliche Abstand ΔT zwischen dem Vorimpuls 2 und dem nach­ folgenden Hauptimpuls 1 ist vorteilhaft kleiner als die Rekombinati­ onszeitkonstante der Ladungsträger im Gasvolumen. Dann ist auf je­ den Fall eine zuverlässige Vorionisierung des Gases oder Gasgemi­ sches in der Weise gewährleistet, daß zum Zeitpunkt des nachfol­ genden Hauptimpulses 1 die Ladungsträger homogen räumlich ver­ teilt sind. Der zeitliche Abstand ΔT ist maximal so groß wie die Re­ kombinationszeitkonstante der Ladungsträger. Für eine optimale Vo­ rionisation reicht es aus, daß die Energie des Vorimpulses 2 deutlich niedriger ist als die Energie des nachfolgenden Hauptimpulses 1. Die Energie des Vorimpulses 2 wird vorteilhaft so gewählt, daß der räum­ liche Abstand der darin entstehenden Filamente kleiner ist als die Diffusionslänge der Ladungsträger im Zeitraum ΔT zwischen dem Vorimpuls 2 und dem nachfolgenden Hauptimpuls 1. Dadurch wird sichergestellt, daß die Konzentration der Ladungsträger in diesem Zeitraum ΔT nicht durch Rekombinationsprozesse so stark abnimmt, daß der nachfolgende Hauptimpuls 1 keine räumlich homogenen, ge­ pulst betriebenen Barrierenentladungen mehr ermöglicht. Die Polari­ tät des Vorimpulses 2 ist bevorzugt entgegengesetzt zur Polarität des Hauptimpulses 1. Dadurch kann sehr einfach der Aufbau von Ober­ flächenladungen auf den dielektrisch beschichteten Elektrodenober­ flächen vermieden werden.

Der Vorimpuls 2 kann auch als kurzer Wellenzug mit sinusförmigem Signalverlauf gebildet Werden.

Als optimal geeignete Prozeßenergiequelle wird eine transistorisierte Impulsspannungsquelle mit gekoppelten Speicherkreisen verwendet, wie sie in der DE-43 11 455 C2 beschrieben ist.

Diese Energiequelle dient zur Erzeugung von Spannungs- oder Strompulsen und hat einen Ener­ giespeicher, der durch gekoppelte Schwingkreise gebildet ist. Sie weisen jeweils eine Induktivität auf. Zur Energieeinkopplung in jeden Schwingkreis ist jeweils eine mit einer jeweiligen Induktivität magne­ tisch gekoppelte Hilfsinduktivität vorgesehen. Außerdem ist für jeden Schwingkreis eine eigene Ansteuer- und Energieeinkopplungsschal­ tung mit Schaltelementen vorgesehen, mit denen in die Schwingkrei­ se Energie so eingekoppelt werden kann, daß die Amplituden der Spannungsverläufe an den Schwingkreiskapazitäten bzw. der Strom­ verläufe durch die Schwingkreisinduktivitäten Fourrierkoeffizienten einer Entwicklung des geforderten Ausgangssummensignals nach den Resonanzfrequenzen der Schwingkreise entsprechen. Die Aus­ gangssignale der einzelnen Schwingkreise werden zu einem Aus­ gangssummensignal addiert. Die Spannungsamplitude in jedem Schwingkreis kann über das Windungsverhältnis zwischen der jewei­ ligen Hilfs- und der Schwingkreisinduktivität eingestellt werden. In jedem Schwingkreis sind damit Spannungsamplituden darstellbar, die schon über der maximalen Sperrspannung der Schaltelemente lie­ gen. Die Summenspannung über allen Schwingkreisen kann daher auch bei Verwendung von Halbleiter-Schaltelementen mit maximalen Sperrspannungen um 1 kV bei über 100 kV liegen. Durch die phasen­ richtige Überlagerung mehrerer Sinusschwingungen mit unterschied­ lichen Frequenzen wird die Erzeugung äußerst steilflankiger Impulse mit Amplituden bis in den 100 kV-Bereich ermöglicht. Durch die Nut­ zung nur eines oder einiger Speicherkreise ist die Darstellung nahezu beliebiger Zeitverläufe und Amplituden des Vorimpulses 2 ohne jegli­ chen technischen Zusatzaufwand möglich.

In den Entladungsfilamenten der Vorimpulse 2 entstehen Ladungs­ träger, die in das gesamte Entladungsvolumen diffundieren. Dadurch wird eine optimale Vorionisation für die angestrebte Homogenität der durch den Hauptimpuls 1 erzeugten Entladung gewährleistet.

Die Anstiegszeit der Hauptimpulse 1 liegt unterhalb der Durchbruchs­ zeit der Mikroentladungen. Dadurch zünden die Filamente im ge­ samten Entladungsvolumen nahezu gleichzeitig. Jedes Filament weist einen nur sehr kleinen Fußpunkt auf, der zu einem räumlich sehr homogenen Erscheinungsbild der Entladung führt. Die mittleren Energien der im Filament erzeugten Elektronen sind höher als bei Filamenten mit größeren Fußpunkten. Dies ist bei vielen Anwendun­ gen der Barrierenentladung vorteilhaft. Beispiele hierfür sind die An­ regung von laseraktiven Medien, die Anregung von Excimergasgemi­ schen zur Erzeugung nahezu monochromatischer kurzwelliger Strahlung sowie die Erzeugung von Plasmen zur Behandlung von Abgasen in stationären oder mobilen Anlagen. Mit den beschriebenen Vorrichtungen können die Impulsenergie und der Impulsabstand un­ abhängig voneinander optimiert werden. Es ist damit beispielsweise vorteilhaft möglich, den Schadstoffabbau in Entladungen zur Abgas­ behandlung oder zur Maximierung der Verstärkung von Lasermedien sehr einfach zu optimieren. Mit den beschriebenen Vorrichtungen ist beispielsweise beim Einsatz gepulster Excimer-Strahlungsquellen in der Druckindustrie eine Synchronisation der Entladungsvorgänge mit dem zeitlich stark variierenden Papiervorschub problemlos möglich.

Claims (12)

1. Verfahren zur Anregung von Entladungen zwischen wenigstens zwei Hauptelektroden, von denen mindestens eine mit einer iso­ lierenden Schicht versehen ist, wobei zwischen die Hauptelek­ troden Hochspannungsimpulse angelegt werden und wobei einer bestimmten Anzahl von Hochspannungsimpulsen jeweils ein Vor­ impuls vorangestellt wird, der zusammen mit der jeweiligen An­ zahl von Hochspannungsimpulsen ein Impulspaket bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorimpulse (2) zur Vorionisati­ on zwischen die Hauptelektroden (4, 5) gelegt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Impulspaket nur einen Hoch­ spannungsimpuls (1) aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Impulspaket mehrere Hoch­ spannungsimpulse (1) aufweist, wobei dem ersten Hochspan­ nungsimpuls (1) des Impulspaketes der Vorimpuls (2) vorange­ stellt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zeitliche Abstand (ΔT) zwi­ schen dem Vorimpuls (2) und dem nachfolgenden Hochspan­ nungsimpuls (1) des Impulspaketes höchstens gleich, vorzugs­ weise kleiner ist als die Rekombinationszeitkonstante der La­ dungsträger.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie des Vorimpulses (2) kleiner ist als die Energie des nachfolgenden Hochspannungsim­ pulses (1).

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie des Vorimpulses (2) so gewählt wird, daß der räumliche Abstand der darin entstehenden Filamente kleiner ist als die Diffusionslänge der Ladungsträger im Zeitraum (ΔT) zwischen dem Vorimpuls (2) und dem nachfol­ genden Hochspannungsimpuls (1).

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorimpuls (2) und der nachfol­ gende Hochspannungsimpuls (1) jedes Impulspaketes unter­ schiedliche Polaritäten haben.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorimpuls (2) als kurzer Wel­ lenzug aus Sinusschwingungen gebildet ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungsimpulse (1) mit hoher Flankensteilheit erzeugt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß durch phasenrichtige Überlagerung mehrerer Sinusschwingungen mit unterschiedlichen Frequenzen Hochspannungsimpulse (1) mit hoher Flankensteilheit erzeugt werden.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit wenigstens zwei Hauptelektroden, mit mindestens einem Entladungsraum, in dem sich ein Gasvolumen befindet, und mit einer Ansteuerschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung vor einem Hoch­ spannungsimpuls (1) eines Impulspaketes einen Vorimpuls (2) erzeugt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung miteinander ge­ koppelte Speicherkreise aufweist.