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Hohlkathodenverfahren

Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik

Hohlkathoden Rundquelle in Betrieb

Hohlkathoden-Glimmentladung

Gasentladungs-Plasmen entstehen, wenn an ein Gasvolumen bei Atmosphärendruck oder bei Niederdruck eine elektrische Spannung angelegt wird. Dabei wird das Gas teilweise ionisiert, es entstehen Ionen und freie Elektronen. Gasentladungs-Plasmen finden an sehr verschiedenen Stellen der Technik Verwendung, beispielsweise in Lichtquellen, aber auch in der Werkstofftechnologie und der Oberflächentechnik. Die Produktivität plasmagestützter technischer Prozesse korreliert oft direkt mit der erreichbaren Plasmadichte, also mit der Konzentration freier Ionen und Elektronen im Gasvolumen. Plasmen von sehr hoher Dichte entstehen bei Bogenentladungen, welche stets mit hoher Stromstärke (oft einige hundert Ampere), aber geringer Spannung (einige 10 Volt) brennen. Allerdings neigt dieser Entladungstyp stark zur Selbstfokussierung.

Räumlich sehr gleichmäßig ausgebreitete Plasmen lassen sich bequem durch Glimmentladungen erzeugen. Diese erfordern einige hundert Volt, die Stromdichten betragen einige 10 mA. Die Plasmadichte ist hier jedoch eher gering und liegt meist im Bereich von 109 cm-3 bis maximal 1011 cm-3.

Mit dem speziellen Typ der Hohlkathoden-Glimmentladung lassen sich dagegen Werte erreichen, die bei gleichem Druck um bis zu drei Größenordnungen höher liegen.

Eine gewöhnliche Glimmentladung wird zur Hohlkathoden-Glimmentladung, wenn man der Kathode die Gestalt eines Hohlkörpers gibt. Dann können aus rein geometrischen Gründen deutlich weniger Ionen und Elektronen aus dem Plasma durch Diffusion zu den Wänden des Vakuumgefäßes und dortige Rekombination verloren gehen. Außerdem gewinnt der Ionisationsmechanismus an Effizienz, da die Verweildauer der Ionen im Bereich des negativen Glimmlichtes infolge einer veränderten Potentialverteilung deutlich reduziert ist. Die Kombination beider (und weiterer) Effekte nennt man den Hohlkathodeneffekt.

Hohlkathoden-Glimmentladungen lassen sich problemlos zünden, brennen sehr stabil und stellen nur geringe Ansprüche an Stromversorgung und Vakuumsystem.

Die Hohlkathoden-Glimmentladung ist nicht zu verwechseln mit der Hohlkathoden-Bogenentladung (HKB, Hollow Cathode Arc Discharge, HCA), die in der Beschichtungstechnik an einigen Stellen ebenfalls eine wichtige Rolle spielt. Bei der HKB werden die Elektronen durch einen Kathodenbogen erzeugt, und zwar meist durch thermische Emission aus der sehr heißen Kathodenfläche. Diese Entladung ist also wie jede Bogenentladung durch niedrige Spannung und hohe Stromstärke gekennzeichnet und dient nicht der Kathodenzerstäubung, sondern wird als Elektronen- oder als Plasmaquelle eingesetzt, beispielsweise als Elektronenquelle direkt für das Verdampfen oder für die Dampfaktivierung beim Elektronenstrahlbedampfen.

Bilder

Zuletzt aktualisiert am: 2013-09-22 21:57:42 CEST
Quelle: http://hohlkathoden.fraunhofer.de/de/grundlagen/hohlkathoden-glimmentladung/
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