Beschreibung

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung großflächiger Atmosphärendruck-Plasmen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung großflächiger Atmosphärendruckplasmen. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf die zugehörige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Volumen mit einem hohen Gasdurchsatz sowie großflächige technische Oberflächen lassen sich bisher nur unzureichend mit Plasmen behandeln, um Gas- bzw. Oberflächeneigenschaften in gezielter Weise zu verändern. Für solche Aufgaben werden großvolumige Plasmareaktoren bzw. solche mit großem Plasma ^¬ querschnitt benötigt, die aus Kostengründen bei Atmosphären ^¬ druck arbeiten sollten.

Bekannte Plasmareaktoren erzeugen reaktive Gaskomponenten, die in industriellen Prozessen zur änderung der Gaszusammensetzung, z. B. für die Abgasreinigung, oder der Eigenschaften von Oberflächen z . B für eine Oberflächenfunktionalisierung, beispielsweise bei Textilien, eingesetzt werden. Andere An ^¬ wendungsbereiche betreffen das Abscheiden von funktionalen Schichten, z. B. als Wasserdampfsperre oder dgl ..

Als großvolumige Plasmaquellen bzw. solche mit großem Querschnitt, z. B. für die Behandlung von Textilien, stehen heute vorwiegend Niederdruckplasmaquellen zur Verfügung, da bei höheren Drucken als typischerweise 1 mbar Entladungen bevorzugt lokalisiert brennen. Bekannte Quellen sind Hochvakuum-Plasma ^¬ quellen beispielsweise auf Magnetronbasis zur Abscheidung me ^¬ tallischer oder anderer anorganischer Schichten. Insbesondere sind eine Vielzahl von Radiofrequenz (RF) - und Mikrowellen- Plasmaquellen bekannt, mit denen im Niederdruckbereich Ober- flächenfunktionalisierung, Schichtabscheidung, Schichtabtragung bzw. Oberflächenreinigung, sowie Gasphasen-Plasmachemie betrieben werden. Viele dieser Quellen arbeiten auch oder so-

gar vorwiegend mit Zusätzen von Reaktionsgasen, oftmals auch mit teuren Trägergasen wie Edelgase. All diesen Quellen ist gemeinsam, das die notwendigen, sehr aufwändigen Vakuumapparaturen und Gasbeimischungen zu hohen Betriebskosten führen, was bei vielen industriellen Prozessen unerwünscht ist.

Zur Erhöhung des Durchsatzes, zur Verringerung der Betriebskosten, und zur Realisierbarkeit mancher Prozesse ist es da ^¬ her vorteilhaft oder sogar unabdingbar, dass die Plasmaerzeugung und Plasmaapplikation bei Atmosphärendruck, gegebenenfalls mit Luft als Trägergas, stattfindet.

Problematisch ist bei Letzterem die Gefahr, dass das erwünschte großvolumige Glimmentladungsplasma in das uner ^¬ wünschte, auf kleine Volumenbereiche begrenzte Bogenplasma umschlägt, wenn man die Stromstärke erhöht. Um dies zu ver ^¬ hindern, sind verschiedene technische Realisierungsmöglichkeiten entwickelt worden. Gemäß J. Phys . D: Appl . Phys . , 26

(1993) , 1630-1637 wird eine stabile atmosphärische Entladung bei Verwendung einer Gleichspannung von bis zu 20 kV durch eine Kombination aus einem sehr großen transversalen Gasfluss

(70 bis 200 m/s) und der Verwendung einer aus einer Vielzahl von jeweils über einen hochohmigen Widerstand angeschlossenen Nadelelektroden bestehenden Kathode erzielt. Ebenfalls mit Gleichspannung arbeitet ein in Appl. Phys. Lett . 68 (1996), 13 beschriebenes Verfahren, das als Kathode eine flächenhafte Anordnung von Mikro-Hohlkathodenentladungen einsetzt.

Eine alternative Methode gemäß J. Phys. D: Appl. Phys., 26 (1993), 889 verwendet Wechselspannung und ein dielektrisches Material auf mindestens einer Elektrode. In IEEE Trans, on Plasma Sei., 28 (2000), 189 - 200 wird ein großvolumiges at ^¬ mosphärisches Plasma erzeugt, indem eine Kapillarelektrode aus dielektrischem Material verwendet wird. Dabei wird ober ^¬ halb einer Grenzfrequenz der anregenden Wechselspannung ein sog. Kapillar-Plasma-Jet zusätzlich zum diffusen Plasma er ^¬ zeugt, der die Strom- und Elektronendichte drastisch erhöht. Gemäß IEEE Trans, on Plasma Sei., 30 (2002), 158 - 159 wird

in einem Atmosphärendruckreaktor eine Elektrode, die mit einem Material mit hohem elektrischem Widerstand belegt ist, verwendet. Dadurch wird der übergang zu einer Bogenentladung verhindert. Die Entladung lässt sich mit Gleichspannung oder auch mit Wechselspannung betreiben.

Gemeinsam bei den bekannten Technologien ist das kleine, typischerweise bei einigen 10 cm ³ liegende Plasmavolumen. Ein weiteres Verfahren, das mit einem sog. „atmospheric glow di- scharge plasma" arbeitet, wird im US-Patent 5 414 324, und in IEEE Trans on Plasma Sei., 24 (1996), 1188 - 1191 beschrie ^¬ ben. Hierbei wird eine Wechselspannung mit einer Amplitude zwischen 1 und 5kV und einer Frequenz von typisch einigen kHz bis zu einigen 10 kHz, d.h. Radiofrequenz, verwendet. Die erreichbaren Plasmadichten sind auch hier wegen des bei höheren Stromdichten erfolgenden Umschlags in eine lokalisierte Ent ^¬ ladung stark eingeschränkt.

Anwendungen solcher Plasmen sind für unterschiedliche industrielle Bereiche bekannt: Insbesondere zum Bereich der plas ^¬ machemischen Abgasreinigung, z. B. in Verbrennungskraftwerken wird auf Proceedings IEEE Power Modulator Conference 2002, Hollywood, CA, USA (2002) verwiesen. Zum Bereich der Verbrennungsmotoren wird auf Applied Physics Letters (1996), vol. 68, no . 26, p. 3719-21, auf Plasma Chem. Plasma Proc. 21 (2001), p. 107-137 sowie auf „Digest of Technical Papers", llth IEEE International Pulsed Power Conference, Baltimore, MD, USA, 29 June-2 JuIy, 1997, p. 103-8, vol. 1 verwiesen. Der Bereich der Reinigung von Abluft, die z. B. mit Kohlenwasserstoffen, wie z. B. Lösungsmitteln, verunreinigt ist, wird schließlich in J. of Electrostatics, 57 (2003), 293-311 abgehandelt .

Bekannte Plasmaquellen zur Realisierung solcher großvolumiger oder großflächiger Plasmen sind wechselspannungsbetriebene AC) Koronaplasmen bei einigen kV bis zu wenigen 10 kV Betriebsspannung. Dazu werden gemäß „Digest of Technical Pa ^¬ pers", 14th IEEE International Pulsed Power Conference, Dal-

las, TX, USA (2003) , Impulskoronaplasmen, die mit aufwändig zu erzeugenden Hochspannungsimpulsen von einigen 10 kV betrieben werden, sowie gemäß der US 5 414 324 A und der WO 04/101 891 Al RF-betriebene Hochdruck-Glimmentladungen mit Betriebsspannungen von einigen 100 V bis zu wenigen Kilovolt verwendet .

Stand der Technik sind weiterhin dielektrische Barriereent ^¬ ladungen, die mit Wechselspannung oder Hochspannungsimpulsen im Bereich einiger kV bis zu mehreren 10 kV betrieben werden und bei der Oberflächenaktivierung z. B. in der Textilindustrie und der Kunststofffolienverarbeitung eingesetzt werden .

Großvolumige DC-Koronaentladungen sind vor allem aus dem Bereich der Rauchgasreinigung bekannt: Dazu wird auf die Mono ^¬ graphie „Entstaubung industriellere Gase mit Elektrofiltern", VEB Deutscher in Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, 1969 und „Handbook of Electrostatic Processes", J. -S. Chang, A. J. Kelly, J.M. Crosley (editors) , Marcel Dekker, New York, 1995.

Bei letzterer Anwendung wird ein großvolumiges Koronaplasma in einer Draht-Platte-Anordnung mit allerdings sehr geringer Leistungsdichte erzeugt. Die Leistungsdichte insbesondere bei dem dem Stand der Technik entsprechenden - DC-Betrieb ist hier allerdings nicht ausreichend, um plasmachemische Prozes ^¬ se einzuleiten, vielmehr werden Rauchgasteilchen elektrisch geladen und elektrostatisch abgeschieden. Es ist bekannt, dieser DC-Entladung Hochspannungsimpulse mit Pulswiederholra ^¬ ten von wenigen 10 Hz zu überlagern, um die Staubabscheidung über eine stärkere Partikelaufladung zu verbessern, was in IEEE Trans, on Industry Appl . , 24 (1988), 708-716 und in IEEE Trans, on Ind. Appl., 2_2, no.l, (1986), 86-90 beschrieben ist. Allerdings geht dieser Effekt wegen der bei höheren Im ^¬ pulswiederholraten auftretenden Raumladungseffekte schnell in Sättigung bzw. er kann die Staubabscheidung sogar verschlechtern. Die bei großtechnischen Anlagen erforderlichen hohen

Impulsströme begrenzen zudem die technisch machbaren minimalen Impulsdauern auf Werte über 30 μs bis hin zu einigen 100 μs, so dass hier keine hohen Plasmadichten zu erzielen sind.

Um die sehr aufwändige Erzeugung von Hochspannungsimpulsen hoher Amplitude und Spitzenleistung zu umgehen, ist aus 16th Intern. Symp. on Plasma Chemistry (ISPC 16), Taormina, Italy, June 22 - 27, 2003 auch eine Problemlösung mit DC-überlage- rung bekannt. Dadurch wird eine deutliche Verbesserung der Energieeinkopplung erzielt. In der beschriebenen Anordnung wird jedoch mit einer nur vergleichsweise geringen Gleichspannung im Vergleich zur Durchschlagsspannung sowie im Vergleich zur angelegten Hochspannungs-Impulsamplitude gearbei ^¬ tet. Aufgrund der begrenzten Leistungsfähigkeit von Hochfre ^¬ quenzgeneratoren ist jedoch auch eine solche Anlage nur geeignet, mittelgroße Volumina mit Plasmen zu füllen. Insbeson ^¬ dere ist bei dem beschriebenen Reaktorsystem ausschließlich eine gute Volumenreaktion, jedoch keine gute Ankopplung insbesondere an zu bearbeitende Oberflächen möglich.

Allen bekannten Problemlösungen ist gemeinsam, dass sie entweder keine hohen Leistungsdichten homogen in großen Volumina zu erzeugen vermögen (RF- Mikrowellenanregung, dielektrische Batterieentladung) , oder aber in inhomogene Plasmen übergehen (AC-, DC-Korona, Hochdruckglimmentladung) . Mit gepulsten Koronaplasmen werden zwar die höchsten Energiedichten erzielt, allerdings ist der technische Aufwand zur Erzeugung von Hoch ^¬ spannungsimpulsen hoher Leistung und hoher Pulswiederholrate sehr hoch, so dass die Kosten für entsprechende Verfahren und Anlagen entsprechend hoch sind.

Von obigem Stand der Technik ausgehend ist es Aufgabe der Er ^¬ findung, das Verfahren zur Erzeugung großflächiger Atmosphärenplasmen zu verbessern und zugehörige, universell einsetzbare Vorrichtungen anzugeben.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Abfolge der Maßnah ^¬ men gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Eine zugehörige Vorrich ^¬ tung ist im Patentanspruch 12 angegeben. Weiterbildungen des Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung, insbesondere für unterschiedliche technische Anwendungen, sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine darauf beruhende Apparatur, mit deren Hilfe ökonomisch großvolumige Plasmen oder Plasmen großen Querschnitts mit hoher Leistungsdichte hergestellt werden können, wobei die Plasmadichte mög ^¬ lichst homogen über das gesamte Reaktorvolumen bzw. den Reaktorquerschnitt verteilt sein soll. Vorteilhaft ist bei der Erfindung, dass einer technisch einfach zu bewerkstelligenden DC-Koronaentladung intensive, kurz dauernde Hochspannungsimpulse mit hoher Impulswiederholrate von einigen 10 Hz bis zu mehreren kHz überlagert werden.

überraschenderweise wird bei letzterer Betriebsweise ein äu ^¬ ßerst homogenes, großvolumiges Plasma mit hoher Leistungs ^¬ dichte erzeugt, ohne dass es zu den bei DC- und AC-betriebe- nen Koronaentladungen bekannten Plasmaeinschnürungen kommt. Wegen der Verwendung einer DC-Spannung kann mit erheblich verringerten Impulsamplituden gegenüber einem vergleichbaren reinen Impulsbetrieb gearbeitet werden. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird bei der neuen Problemlösung eine DC- Spannung von solcher Höhe eingesetzt, dass eine stabile DC- Koronaentladung im Reaktorvolumen gerade aufrecht erhalten wird, während beim Stand der Technik mit 15 kV bei einem Re ^¬ aktordurchmesser von 160 mm die Einsatzspannung einer Koronaentladung deutlich unterschritten wird. Zweck der Gleichspannung ist hier, eine Verbesserung der Impedanzanpassung des Plasmas an den Impulsgenerator zu erzielen, um die Leistungseinkopplung während eines einzelnen Impulses in das Plasma zu optimieren .

Bei der Erfindung wird durch die überlagerung sehr kurzer Impulse von wenigen Mikrosekunden. vorzugsweise sogar weniger

als einer Mikrosekunde bis herab zu 100 Nanosekunden, vor ^¬ teilhafterweise vermieden, dass es zum Aufbau eines elek ^¬ trischen Durchschlags in der Anordnung kommen kann, durch welchen die homogene Plasmadichteverteilung zeitlich und räumlich stark gestört würde. Mit Hilfe einer Steuerung der Pulswiederholrate kann so zusätzliche zu den anderen Steuer ^¬ parametern Gleichspannung und Amplitude des Hochspannungsimpulses die Energiedichte und somit der geforderte Prozess in einer bisher nicht bekannten Art und Weise feinst abgestuft gesteuert werden.

Beim Stand der Technik gemäß Conf. Rec. of the 1986 IEEE IAS Annual Meeting, Denver, CO, USA, Sept. 28 - Oct . 3, 1986, vol. 2 (1986), 1183 - 1190 werden dagegen Gleichspannungen mit Impulsüberlagerung zum Abbau von SO2, NOx und Staub aus Kraftwerksabgasen verwendet, wobei eine DC-Spannung im Bereich der Koronaeinsatzspannung eingesetzt wird. Dadurch werden die Anforderungen an die Elektronik zur Erzeugung der Hochleistungs-Hochspannungsimpulse für den Einzelimpuls ver ^¬ ringert. Weiterhin werden bei obigem Stand der Technik. Gleichspannungen mit Impulsüberlagerung verwendet, um die Anforderung an die Pulsgeneratoramplitude zu reduzieren. Dort wird V(DC) < V (onset) gewählt, damit nicht Energie durch Be ^¬ schleunigung von Ionen unnötig verbraucht wird. Beiden Arbei ^¬ ten ist gemeinsam, dass im Wesentlichen die Anforderungen an den Einzelimpuls verringert werden, wogegen bei der hier vorliegenden Erfindung durch Verwendung einer hohen Impulswiederholrate auch bei Gleichspannungen unterhalb der DC-Koro- naeinsatzspannung noch eine erhebliche Restionisierung vorliegt und somit die Anforderungen an die Impulsamplitude wei ^¬ ter verringert werden können.

Insbesondere kann ein erheblicher Anteil der in den Reaktor eingekoppelten Leistung dadurch auch durch die impulsunterstützte DC-Korona bereitgestellt werden, so dass sich die na ^¬ türliche Grenze der Leistungseinkopplung einer DC-Koronaent- ladung um über eine Größenordnung erhöhen lässt, ohne dass es zum Funkendurchschlag kommt. Beispielsweise konnte dadurch

die maximal mögliche Leistungseinkopplung in einen Platte- Drahtgitter-Platte-Reaktor um einen Faktor 3,5 gegenüber dem reinen DC-Betrieb gesteigert werden. Daneben kann bei der Erfindung bei vorzugsweiser Einkopplung über die Hochspannungsimpulse die Impulsamplitude erheblich geringer gehalten werden bei gleicher Leistungsdichte, wenn eine Gleichspannung knapp an der Einsatzgrenze der DC-Koronaentladung verwendet wird. Dies hat insbesondere dann Vorteile, wenn auf minimalen Energiebedarf der Anlage geachtet werden muss, da eine Im ^¬ pulskoronaentladung in einem solcherart betriebenen Reaktor einen um den Faktor 3- bis 4 fach höheren Wirkungsgrad beispielsweise für die Erzeugung von Ozon aufweist wie eine DC- Koronaentladung .

Der einfachste Fall eines solcherart betriebenen Koronareak ^¬ tors ist z. B. eine ebene Draht-Platte-Anordnung, bei dem einem Gleichspannungsfeld am Draht oder mehreren parallelen Drähten eine Impulsspannung überlagert wird, so dass mit Hil ^¬ fe der gepulsten Spannung eine sehr gleichförmige, groß- volumig bzw. über große Querschnitte homogene Plasmaerzeugung ermöglicht wird. Typische Abstände in gasförmigen Medien, insbesondere mit Luft als Arbeitsgas, sind im Bereich von ei ^¬ nigen Millimetern bis zu wenigen Zentimetern.

Die DC-Spannungen sind typischerweise bei einigen Kilovolt bis zu einigen 10 kV, mit gemittelten elektrischen Feldstärken im Bereich von 10 bis 20 kV/cm. Die Amplitude der Hochspannungsimpulse ist vergleichbar mit der angelegten DC-Span- nung, d.h. die räumlich gemittelte elektrische Feldstärke der Impulse allein liegt ebenfalls im Bereich von typischerweise 10 kV/cm bis zu einigen 10 kV/cm. Sie ist insbesondere auch abhängig von der verwendeten DC-Komponente, aber auch von der Impulswiederholrate. Bei höheren Impulswiederholraten werden für die gleiche Leistungseinkopplung niedrigere Amplituden benötigt .

Mit den angegebenen Problemlösungen können die technischen Anforderungen an die Leistungsimpulstechnik zur Herstellung

der Hochleistungs-Hochspannungsimpulse erheblich gesenkt wer ^¬ den, so dass auch der Einsatz von Impulsgeneratoren mit Halbleitertechnik ermöglicht wird, wogegen beim Stand der Technik gemäß Winands et al . , 16th Intern. Symp. on Plasma Chemistry (ISPC 16), Taormina, Italy, June 22 - 27, 2003 nach wie vor kurzlebige und wartungsaufwändige Funkenstrecken als Schalt ^¬ elemente benötigt werden.

Insgesamt ist es mit der erfindungsgemäßen Betriebsweise mög ^¬ lich, sehr hohe Plasmadichten und damit sehr hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten mit minimalem Aufwand umzusetzen. Besonders vorteilhaft ist eine Anordnung aus einer ersten Plat ^¬ te, einem Drahtgitter und einer zweiten Platte, wie sie aus elektrostatischen Staubfiltern bekannt ist, wobei die Anordnung parallel zu den Platten vom gasförmigen Arbeitsmedium durchströmt wird.

Neben ebenen Anordnungen, wie z. B. bei Anlagen zur Plasmaaktivierung von Kunststoff- oder Blechbahnen, sind auch nahezu beliebig gekrümmte Anordnungen vorstellbar, solange die Feldverteilung entlang der gekrümmten Plattenoberfläche annähernd homogen gehalten werden kann. Dadurch kann die aktive Oberfläche des Plasmas der zu bearbeitenden Oberfläche opti ^¬ mal angepasst werden, z. B. im Bereich von Transportrollen etc.. Auch einzeln zu bearbeitende Werkstücke mit komplexen Oberflächengeometrien können so im Batchverfahren behandelt werden .

Auch die bekannten konzentrischen Koronareaktoren mit einem oder mehreren Drähten oder einer Drahtspirale innerhalb eines längs durchströmten Rohres oder einer als Außenleiter dienenden Drahtanordnung können erfindungsgemäß mit der beschriebe ^¬ nen Betriebsweise benutzt werden. Anstelle metallischer Dräh ^¬ te, Platten und Gitter sind bei der Erfindung auch andere gut leitfähige, chemisch inerte Wertstoffe wie z. B. Kohlefasern, Kohlefaserfilze, -gewebe, Graphit oder vergleichbare Elektro ^¬ den aus glasartigem Kohlenstoff einsetzbar. Sollen Oberflächen von Werkstücken mit dem Plasma beaufschlagt werden, so

können bei dünnen Werkstücken diese in den Plasmareaktor selbst eingebracht werden. Selbst schlecht leitende oder iso ^¬ lierende Werkstücke können verwendet werden, da durch die Kombination aus DC- und Impulsbetrieb der Plasmareaktor z. T. wie ein DBD-Reaktor („p_ielectric Barrier p_ischarge") arbei ^¬ tet. Größere Werkstücke können am Strömungsauslass angeordnet sein. Alternativ können auch eine oder beide der Elektrodenplatten gasdurchlässig sein, so dass ein dahinter liegendes Werkstück durch Diffusion der im Plasma erzeugten reaktiven Komponenten an seiner Oberfläche bearbeitet werden kann.

In einer anderen Ausführungsform können an Stelle der Platten, eventuell auch anstelle der Drähte, Metallgitter mit ge ^¬ ringem Strömungswiderstand eingesetzt und die Anordnung senk ^¬ recht zur Oberfläche dieser Gitter vom Arbeitsgas durchströmt werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn ein be ^¬ sonders niedriger Strömungswiderstand zur Beherrschung großer Volumenströme gefordert wird.

Als Arbeitsgase kommen sowohl natürliche Luft bzw. Abluft etc. zur Verwendung als auch beliebige Gasgemische von Luft mit geeigneten Beimischungen. Alternativ können auch nahezu beliebige andere Trägergase, z. B. reiner Stickstoff oder Edelgase, in Kombination mit geeigneten Reaktionsgasen eingesetzt werden, um die geforderten chemischen Reaktionen bzw. Reaktionspartner im Gasvolumen oder an Werkstückoberflächen durch plasmachemische Reaktionen zu erzeugen.

Neben der Behandlung von Volumengasströmen können auch Oberflächen mit dem Plasma zum Zweck der Aktivierung, Funktio- nalisierung, Reinigung oder Beschichtung behandelt werden. Insbesondere können die zu behandelnden Oberflächen eine Relativbewegung zum Elektrodensystem durchführen, um so z. B. Bahnen von Werkstoffen (Kunststofffolien, Textilien, Papier, Metallfolien, -bleche, etc) mit dem Plasma zu behandeln. In spezifischen Beispielen kann das Werkstück selbst Teil des Reaktors sein und so z. B. eine der Elektrodenplatten bilden. Dies ist insbesondere bei gut leitfähigen Werkstoffen wie me-

tallisch beschichteten Kunststoffen, Geweben, Papier, aber auch bei Metallfolien und -blechen möglich. Das Werkstück stellt dann in vorteilhafter Weise die geerdete Elektrode des Hochspannungssystems dar. Dadurch ist auch ein Einsatz in Batchprozessen, wie z. B. in der Automobilbranche üblich, möglich. Insbesondere kann die Form des Elektrodensystems dem des zu behandelnden Teils, z. B. einem Karosserieteil, geo ^¬ metrisch angepasst sein, so dass das Werkstück selbst wieder Teil des Plasmareaktoren ist, wodurch eine besonders intensi ^¬ ve Kopplung des Plasmas an die zu behandelnde Werkstückober ^¬ fläche erfolgt .

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den weiteren Patentansprüchen .

Es zeigen

Figur 1 eine Schaltung zur Erzeugung einer Gleichspannung und dieser Gleichspannung überlagerter gepulster Spannung,

Figur 2 eine graphische Darstellung des Spannungsverlaufes am Reaktor bei kombiniertem DC- und Impulsbetrieb,

Figur 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Platte-Draht-Platte-Reaktor in der Endansicht des Reaktors,

Figur 4 eine Seitenansicht des Drahtrahmens des Reaktors ge ^¬ mäß Figur 3,

Figur 5 eine Anordnung von Elektroden zur Bearbeitung von flexiblen Materialbahnen,

Figur 6 eine Anordnung von Elektroden für ebene Materialbahnen und

Figur 7 eine Anordnung mit zwei durchlässigen Gitterelektroden, die von einem Gas durchströmt werden und einem darunter liegenden zu bearbeitenden Werkstück.

Gleiche Teile sind in den einzelnen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren werden teilweise gemeinsam beschrieben.

Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild zur Betriebsweise eines Re ^¬ aktors. Mit 1 ist eine Quelle für eine Gleichstrom (DC) -Span ^¬ nung bezeichnet, wobei der Quelle 1 ein Vorwiderstand mit Wi ^¬ derstandswert R _s vorgeschaltet ist. Mit 3 ist eine Spannungs ^¬ quelle für eine Impulsspannung bezeichnet, der ein Vorwiderstand mit Widerstandswert R _v und ein Kondensator mit Kapazi ^¬ tät Cs vorgeschaltet ist. Die Zweige für die Gleichspannung und für die Impulsspannung sind einander parallel geschaltet. Es ist ein Messgerät 6 zur Messung der Reaktorspannung U _R vorhanden .

Mit 10 und 20 sind zwei plattenförmige Elektroden bezeichnet, die in konstantem Abstand zueinander angeordnet sind. Mit 30 ist eine durchlässige bzw. poröse Innenelektrode bezeichnet.

Die beiden Elektroden 10 und 20 sind mit Erdpotential verbun ^¬ den. Die mittlere Elektrode 30 liegt auf Hochspannungspoten ^¬ tial. Durch die punktierte Darstellung wird verdeutlicht, dass die Elektrode 30 „porös" bzw. gasdurchlässig ist.

In Figur 2 ist der Spannungsverlauf bei einem Reaktor gemäß Figur 1 mit kombiniertem DC- und Impulsbetrieb dargestellt. Auf der Abszisse ist die Zeit in Mikrosekunden dargestellt und auf der Ordinate die Spannung in kV. Die Einheiten sind willkürlich gewählt. Mit 21 ist das Niveau der Gleichspannung als Parallele zur Abszisse dargestellt. 22 zeigt die Impuls ^¬ spannung, welche der Gleichspannung überlagert ist. Es sind einzelne Impulse mit einer Breite im Bereich von < 1 μs bis einige Mikrosekunden vorhanden, wobei die einzelnen Impulse eine stark ansteigende Flanke und eine weniger schnell abfal ^¬ lende Flanke aufweisen. Die Impulswiederholrate liegt typisch zwischen 10 Hz und 10 kHz. Dabei haben die einzelnen Impulse eine solche Amplitude, dass über die vorgegebene Gleichspan ^¬ nung hinaus eine vorgegebene Energiedichte erreicht wird. Wie

erwähnt, ist die Pulsanstiegszeit dabei kurz im Vergleich zur Pulsabfallszeit. Durch eine solche Art der Impulse wird er ^¬ reicht, dass elektrische Durchschläge, die zu räumlichen und zeitlichen Störungen in der homogenen Plasmadichteverteilung führen würden, vermieden werden.

In den Figuren 3 und 4 sind die wesentlichen Teile eines Plasmareaktors 100 schematisch dargestellt. In diesem Fall besteht der Plasmareaktor 100 aus zwei Platten-Elektroden 10 und 20 entsprechend der Figur 1, wobei zwischen die beiden Platten zumindest ein Draht als gasdurchlässige Elektrode 30 angeordnet ist.

Im Einzelnen ist in Figur 3 die Endansicht des Reaktors 100 gezeigt. Ersichtlich ist ein Rahmen 35, der mechanisch zwischen die beiden Platten 10 und 20 eingebracht und als Hoch ^¬ spannungselektrode ausgebildet ist.

Der Drahtrahmen 35 wird anhand der Darstellung gemäß Figur 4 verdeutlicht: Es ist ersichtlich, dass im Drahtrahmen 35 Einzeldrähte 31, 31' , 31' ' , ..., 31n' gespannt sind, so dass sich die geforderte Gasdurchlässigkeit der Elektrode sowie eine nahezu homogene Feldverteilung im Fernbereich ergibt.

Konkrete Ausführungen eines Plasmagenerators für spezifische Anwendungen ergeben sich aus den Figuren 5 bis 7. Speziell in Figur 5 ist eine gekrümmte Draht-Platte-Anordnung eines Koro ^¬ nareaktors dargestellt, wobei die gekrümmte Anordnung an eine Transportrolle angepasst ist. Damit ist die Bearbeitung von flexiblem Bandmaterial, wie insbesondere Textilien oder Kunststoffen, möglich.

Im Einzelnen ist in Figur 5 eine gekrümmte Platte mit 51 be ^¬ zeichnet. Die Platte 51 ist Segment eines offenen Zylinders. Im Abstand zur gekrümmten Zylinderplatte 51 ist eine Rolle 52 aus massivem Material angeordnet, welche die Gegenelektrode darstellt. Es wird somit eine Elektrodenanordnung mit kon-

stantem Abstand gebildet, in welcher mittig einzelne Drähte 53 bis 53' bis 53n' angeordnet sind.

Bei der Anordnung gemäß Figur 5 stellt die zylindrische Plat ^¬ te 51 die erste geerdete Reaktorelektrode dar, während die Massivrolle 52 als Transportrolle die zweite geerdete Reak ^¬ torelektrode ist. An die Drähte 53 bis 53n' wird die Hoch ^¬ spannung angelegt. über die zweite geerdete Reaktorelektrode 52 läuft das zu bearbeitende Material und wird somit jeweils von dem zwischen den beiden Elektroden 51 und 52 gebildeten Plasma beaufschlagt.

Eine entsprechende Anordnung mit speziell ebenen Platten ^¬ elektroden ist in Figur 6 dargestellt. Es sind wiederum 61 und 62 zwei massive Plattenelektroden in festem Abstand vorhanden, wobei mittig eine Hochspannungselektrode 63 verläuft. Auf der unteren geerdeten Plattenelektrode 62 ist ein Werkstück 65 beweglich angeordnet. Dieses Werkstück 65 kann beispielsweise eine ebene, nicht-flexible Materialbahn sein. Mit einem Pfeil 64 wird die Relativbewegung zwischen Werkstück 65 und der kompletten Reaktoranordnung verdeutlicht.

In Figur 7 ist gezeigt, dass ein Plasmareaktor gasdurchläs ^¬ sige Gitterelektroden 71 und 72 haben kann. An den Gitterelektroden 71 und 72 liegt die Gleichspannung mit überlagerter Impulsspannung an, wozu ein Netzteil 73 vorhanden ist. Unterhalb der zweiten Gitterelektrode 72 befindet sich ein Werkstück 75, das als Einzelwerkstück ausgebildet sein kann, aber ggf. auch als in horizontaler Richtung verlaufender Bandoberfläche gewählt werden könnte. Die Gasflussrichtung verläuft entsprechend dem Pfeil 74 in vertikaler Richtung, und zwar transversal durch die gitterartigen Elektroden 71 und 72 hindurch.

Mit letzterer Anordnung ist bei transversalem Gasfluss eine indirekte Bearbeitung der Oberfläche des Werkstückes 75 mög ^¬ lich.

Die Anordnungen gemäß den Figuren 5 bis 7 zeigen also unterschiedliche konstruktive Ausbildungen für jeweils spezifische Anwendungsfälle, wobei die konstruktiven Merkmale auch in an ^¬ deren Kombinationen verknüpfbar sind. Insgesamt ergeben sich dadurch nahezu beliebige Anwendungsmöglichkeiten des beschriebenen Plasmagenerators.

In den Figuren 3 bis 7 bestehen die Drähte, Platten und/oder Gitter vorteilhafterweise aus gut leitfähigen, chemisch inerten Werkstoffen. Neben metallischen Materialien kommen dafür insbesondere leitfähige Keramiken oder Gläser in Frage. Auch metallkeramische Werkstoffe (sog. Cermets) oder Werkstoffe auf der Basis von Kohlenstoff sind einsetzbar.

Die technischen Vorteile der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele von Plasmareaktoren sind insbesondere in der hohen Plasmadichte und Leistungsdichte - und zwar auch bei Atmosphärendruck - zu sehen. Es ergeben sich äußerst homogene Plasmen, wobei erheblich verringerte Anforderungen an die Impulsamplitude durch die Verwendung der DC-Komponente zu stel ^¬ len sind.

Da bei den vorstehend beschriebenen Beispielen jeweils einfa ^¬ che Geometrien vorliegen, lassen sich diese durch leichte Skalierbarkeit bis hin zu industriellen Prozessen bzw. großen Massen und Werkstoffflüssen ausdehnen. Eine besondere Anwendung ist bei so genannten Inline-Prozessen - wie beispielsweise in der Textil-, Metall-, Kunststoff- und/oder Papier ^¬ branche - zu sehen, wobei jeweils eine hervorragende geomet ^¬ rische Anpassbarkeit gegeben ist.

Der Aufbau der vorstehend beschriebenen Plasmageneratoren zeichnet sich weiterhin durch Modularität aus, wobei mehrere einfach zu regelnde Steuergrößen gegeben sind. Dies sind die DC-Spannung, die Pulsspannung und die Pulswiederholrate. Wei ^¬ terhin lässt sich eine von der DC-Spannung unabhängige Steuerung für die Leistungsdichte über die Pulsamplitude realisie ^¬ ren. Damit ist eine erheblich höhere Leistungseinkopplung als

im AC-, RF- oder DC-Betrieb durch die gepulste Beaufschlagung mit Hochspannungsimpulsen möglich.

Durch die Pulsbeaufschlagung ergeben sich insgesamt erheblich homogenere Plasmen als im AC-, RF- oder DC-Betrieb. Dadurch ist ein deutlich verringerter Bedarf an Impulsamplitude gegenüber dem reinen Impulsbetrieb möglich, womit verringerte technische Anforderungen an die Impulstechnik verknüpft sind. Dabei ist vorteilhaft, dass beim beschriebenen Plasmareaktor störende Durchschläge vermieden werden, da extrem kurze Im ^¬ pulse kleiner als 1 μs, insbesondere bis in den Nanosekunden- bereich, verwendet werden können.

Bei den beschriebenen Anordnungen sind als Arbeitsgase belie ^¬ bige Gasgemische einsetzbar. Dadurch ergibt sich ein breiter Einsatzbereich, beispielsweise für die Gasphasen-Plasma ^¬ chemie, für die Oberflächenchemie oder ganz allgemein für Oberflächenmodifikationen. Es lässt sich eine Funktionalisie- rung, eine Schichtabscheidung oder ein ätzen und Reinigen von Werkstücken realisieren. Neben der reinen Oberflächenmodifikation lassen sich bei entsprechender Konsistenz des Bear- beitungsgutesauch Volumeneffekte realisieren.

Durch die „quasi"-DC-Entladung ergibt sich in allen Fällen eine besonders hohe Leistungseinkopplung schon bei relativ geringen Pulsamplituden von wenigen kV bis 10 kV bei gleichzeitig sehr guter Regelbarkeit über die Impulswiederholrate. Durch die impulsüberlagerte DC-Entladung ist die Leistungs ^¬ einkopplung auch bei höheren Pulsamplituden von einigen 10 kV bei gleichzeitig sehr guter Regelbarkeit über die Impulswie ^¬ derholrate, Impulsamplitude und den DC-Anteil durchführbar.

Insgesamt können mit dem erfindungsgemäßen Plasmareaktor nicht nur leitfähige, sondern auch isolierende Werkstücke be ^¬ arbeitet werden, wobei hier der Effekt der dielektrischen Barriereentladung genutzt wird. Dabei können solche Werkstü ^¬ cke auch komplex geformt sein, wobei sich apparativ eine An ^¬ passung der Reaktorgeometrie anbietet.