Plasmaphysik Betriebsgerät Plasmaphysik Experimentierset Plasmaphysik Komplettpaket

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1 Plasmaphysik Betriebsgerät Plasmaphysik Experimentierset Plasmaphysik Komplettpaket PHYWE Systeme GmbH & Co. KG Robert-Bosch-Breite 10 D Göttingen Telefon +49 (0) Fax +49 (0) internet Betriebsanleitung Das Gerät entspricht den zutreffenden EG-Rahmenrichtlinien INHALTSVERZEICHNIS 1 SICHERHEITSHINWEISE 1 SICHERHEITSHINWEISE 2 ZWECK UND EIGENSCHAFTEN 3 FUNKTIONS- UND BEDIENELEMENTE 4 BETRIEBSHINWEISE 5 HANDHABUNG 6 TECHNISCHE DATEN 7 LIEFERUMFANG 8 ZUBEHÖR 9 GARANTIEHINWEIS 10 ENTSORGUNG Vor Inbetriebnahme des Gerätes ist die Betriebsanleitung sorgfältig und vollständig zu lesen. Sie schützen sich und vermeiden Schäden an Ihrem Gerät. Verwenden Sie das Gerät nur für den vorgesehenen Zweck. Das Gerät ist nur zum Betrieb in trockenen Räumen, die kein Explosionsrisiko aufweisen, vorgesehen. Vor dem Anlegen der Netzspannung muss sichergestellt werden, dass der Schutzleiter der Versuchsanordnung ordnungsgemäß mit dem Schutzleiter des Netzes verbunden ist. Der Netzstecker darf nur in eine Netzsteckdose mit Schutzleiter eingesteckt werden. Die Schutzwirkung darf nicht durch die Verwendung eines Verlängerungskabels ohne Schutzleiter aufgehoben werden. Achten Sie darauf, dass die auf dem Typenschild der Versuchsanordnung angegebene Netzspannung mit der ihres Stromnetzes übereinstimmt. 1

2 Besteht die Möglichkeit, dass die Schutzerde- Verbindung unterbrochen ist, muss die Versuchsanordnung außer Betrieb genommen werden und gegen versehentliches Wiedereinschalten gesichert werden. Dies gilt auch, wenn die Versuchsanordnung sichtbare Schäden aufweist oder nicht mehr ordnungsgemäß arbeitet. Die Versuchsanordnung ist so aufzustellen, dass Netzschalter bzw. Gerätestecker frei zugänglich sind. Die Lüftungsschlitze der Versuchsanordnung dürfen nicht abgedeckt werden. Verwenden Sie die Versuchsanordnung nur für den dafür vorgesehenen Zweck. Die Versuchsanordnung nicht öffnen. Zur Benutzung der Versuchsanordnung nur mitgelieferte Kabel verwenden. Keine anderen Geräte an die Versuchsanordnung anschließen. Achtung: Vor Lösen, Tausch oder Entfernen jeglicher Kabelverbindungen ist das Gerät vom Netz zu trennen! Bei dem Versuch Oberflächenbehandlung entsteht durch das Plasma Ozon in geringen Konzentrationen (Riechgrenze überschritten). Ab einem Abstand von 10cm zur Elektrode ist der Grenzwert eingehalten. Darüber hinaus wird das Ozon durch die Umgebungsluft ausreichend verdünnt. In kleinen Räumen mit mehreren Versuchsgeräten und längeren Versuchsreihen ist für eine ausreichende Lüftung (z.b. geöffnetes Fenster) zu sorgen. 2 ZWECK UND EIGENSCHAFTEN Das Plasmaphysik Betriebsgerät dient zur Spannungsversorgung des Plasmaphysik Experimentiersets. Das Betriebsgerät verfügt über zwei Experimentiermodifikationen, die für das Experimentierset benutzt werden. Das Experimentierset besteht aus zwei verschiedenen Versuchsaufbauten, die auf einer gemeinsamen Grundplatte montiert sind. Folgende Versuche können durchgeführt werden: 1. Versuch Oberflächenbehandlung mittels Plasma. Eine Entladungselektrode (max. 15 kv) mit festem Abstand (2 mm) dient zur Oberflächenbehandlung verschiedener Trägermaterialien. Dazu wird ein Plasma auf der Probenoberfläche gezündet. Hierbei wird das Benetzungsverhalten der Oberflächen nach verschiedenen Behandlungszeiten untersucht. 2. Versuch Nachweis des Paschen-es. Hierbei wird die Gültigkeit der Formel: U D = f(p s) nachgewiesen, wobei U D die erforderliche Zündspannung, p der Druck und s der Elektrodenabstand ist. Zum Nachweis des Paschen- es wird der Abstand zweier Elektroden (fest und variabel) mit einer Mikrometerschraube variiert. Die Elektroden befinden sich dabei in einer Vakuumkammer mit konstantem Druck (1 hpa bis 10 hpa). Ein Digitalmultimeter mit Haltefunktion misst die erforderlichen Spannungen (0-800 V) zur Zündung eines Plasmas. 3 FUNKTIONS- UND BEDIENELMENTE 3.1 Plasmaphysik Betriebsgerät Das Plasmaphysik Betriebsgerät (Abb. 2 und 3) dient zur Spannungsversorgung des Experimentiersets und verfügt über zwei Experimentiermodifikationen. Folgende Funktions- und Bedienelemente sind zu nennen: Abb. 2: Plasmaphysik Betriebsgerät ( ) - Frontansicht Abb. 3: Plasmaphysik Betriebsgerät ( ) - Rückansicht 7 1 Kontroll-LED (grün) Power Anzeige Betriebsbereitschaft für die Versuche Paschen- und Oberflächenbehandlung 2 Kontroll-LED rot Plasma Discharge Plasma aktiv (Zündspannung erreicht). Versuch Paschen- und Oberflächenbehandlung / 3207 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG Robert-Bosch-Breite 10 D Göttingen 2

3 3 An- / Ausschalter Lautsprecher Abschaltbarer Lautsprecher. Plasma aktiv (Zündspannung erreicht). Versuch Paschen- und Oberflächenbehandlung 4 Drehregler Voltage Variation der Ausgangsspannung zur Erzeugung eines Plasmas. Versuch Paschen- 5 4mm Erdungsbuchse Anschluss einer grün-gelben Verbindungsleitung zur Erdung des Experimentiersets 6 Schalter Betriebsarten Einstellung pulse für Versuch Oberflächenbehandlung oder cont. für Versuch Paschen- 7 Mini DIN Buchse Out Mehrpolige Buchse zum Anschließen der Versuchsaufbauten Paschen- oder Oberflächenbehandlung 8 Starttaste Timer Start Beginn Plasmabehandlung. Versuch Oberflächenbehandlung 9 Drehregler Time Einstellung verschiedener Behandlungszeiten für den Versuch Oberflächenbehandlung. 10 Netzschalter Einschalten des Betriebsgerätes 11 Anschlussstecker Anschluss Betriebsgerät über eine Geräteanschlussleitung zur Spannungsversorgung 230 V inklusive Sicherungshalter 3.2 Plasmaphysik Experimentierset Das Experimentierset (Abb. 4 und Abb. 5) besteht aus zwei Versuchsaufbauten, die gemeinsam auf einer Grundplatte montiert sind. Dazu gehört auf der linken Seite der Grundplatte der Versuch Oberflächenbehandlung (I) und auf der rechten Seite der Versuch Paschen- (II). Folgende Bedienelemente sind zu nennen: Versuch: Oberflächenbehandlung A I C B Versuch: Paschen- Abb. 4: Plasmaphysik Experimentierset ( ) Frontansicht A Hochspannungsgenerator Generator dient zur Erzeugung einer Hochspannung und somit zur Erzeugung eines Plasmas zwischen Entladungselektrode und Grundplatte. Nicht öffnen, Hochspannung! Versuch Oberflächenbehandlung B 4mm Erdungsbuchse Anschluss einer grün-gelben Verbindungsleitung vom Betriebsgerät zur Erdung des Experimentiersets C Entladungselektrode (Keramik) Elektrode zur Oberflächenbehandlung verschiedener Probenkörper mittels Plasma. Die Elektrode besitzt einen fest definierten Abstand (2 mm) zur Grundplatte. Versuch Oberflächenbehandlung II D Mikrometerschraube Variation des Elektrodenabstandes zur Ermittlung unterschiedlicher Zündspannungen. Auflösung 10 µm, 500 µm/u, Verfahrweg max. 6 mm. Versuch Paschen- E Mini DIN Buchse Mehrpolige Buchse zum Anschließen an das Betriebsgerät. Versuch Oberflächenbehandlung F 4 mm Sicherheitsbuchse Anschluss eines Digitalmultimeters zur Messung der Zündspannung. (Messbereich: Gleichspannung V; Haltefunktion). Versuch Paschen- 3

4 D F G H J Benötigte Geräte: o Digitalmultimeter mit Haltefunktion (Messbereich: Gleichspannung V; R i 10 Megaohm) o Vakuumpumpe mit Regelvorrichtung für konstantem Druck (minimaler Betriebsdruck: 1 hpa) o Druckmessgerät (Messbereich: 1 hpa bis hpa) Abb. 5: Plasmaphysik Experimentierset ( ) Rückansicht G Vakuumkammer Variabler Abstand zweier Elektroden (fest und variabel) im Unterdruck (1-10 hpa) zur Ermittlung der Zündspannung. Versuch Paschen- H Sichtfenster Sichtfenster zur Sichtbarmachung des Zündzeitpunktes eines Plasmas. Versuch Paschen- I E Gaseinlass / Gasauslass Anschlüsse für Vakuumpumpe und Druckmessgerät zur Erzeugung eines Vakuums. Versuch Paschen- J Mini DIN Buchse Mehrpolige Buchse zum Anschließen an das Betriebsgerät. Versuch Paschen- 4 BETRIEBSHINWEISE Das Plasmaphysik Betriebsgerät und das Plasmaphysik Experimentierset erfüllen die technischen Anforderungen, die in den aktuellen Richtlinien der Europäischen Gemeinschaft zusammengefasst sind. Die Produkteigenschaften berechtigen zur CE-Kennzeichnung. Folgende Betriebshinweise sind zu beachten: Die Versuchsanordnung kann durch elektrostatische Erscheinungen (z.b. HF, Burst, indirekte Blitzentladungen) beeinflusst werden und somit nicht einwandfrei funktionieren. Hochfrequenzsender nicht in unmittelbarer Nähe betreiben. Die Versuchsanordnung kann Störungen aussenden (Klasse B: EMV). Daher keine empfindlichen Messgeräte in unmittelbarer Nähe betreiben. I Benötigte Proben: o Kunststoffe: PP, PE, PA, PVC (keine leicht entzündlichen Materialien nutzen!) o Metall: Aluminium (keine brennbaren Materialien nutzen!) o Glas o Holz 5 HANDHABUNG Dieser Abschnitt beschreibt die Inbetriebnahme des Betriebsgerätes und vermittelt einen Überblick über die Handhabung der Versuche mittels dieses Experimentiersets. Bitte lesen Sie diesen Abschnitt sorgfältig durch, um Misserfolge oder Fehlbedienungen zu vermeiden. 5.1 Inbetriebnahme Betriebsgerät Zu Beginn ist das Betriebsgerät mit der Geräteanschlussleitung über Anschlussbuchse (11) an die externe Spannungsversorgung 230 V anzuschließen. Vergewissern Sie sich vorher, dass der Netzschalter (10) auf Position Null gestellt ist. Überprüfen sie weiterhin, dass Drehregler (9) und Drehregler (4) auf Linksanschlag stehen. Daraufhin ist die Erdung des Versuchsaufbaus sicherzustellen. Hierzu ist Erdungsbuchse (B) am Versuchsaufbau mit Erdungsanschluss (5) am Betriebsgerät mit grün-gelbem Verbindungskabel zu verbinden. Zur Spannungsversorgung der Versuchsaufbauten (Anschlüsse E oder J) ist das Mini DIN-Kabel mit Anschluss (7) am Betriebsgerät zu verbinden. Achtung: Vor Lösen, Tausch oder Entfernen jeglicher Kabelverbindungen ist das Gerät vom Netz zu trennen! 5.2 Versuch Oberflächenbehandlung Nach Anschluss aller Kabel (siehe Punkt 5.1), ist der Schalter Betriebsarten (6) auf Funktion pulse zu stellen. Das Betriebsgerät kann nun mit Netzschalter (10) aktiviert werden. Wenn LED (1) am Betriebsgerät leuchtet, ist das Gerät einsatzbereit. Nach diesem Schritt kann ein Probenkörper (z.b. Kunststoff/Metall/Glas) unter die Entladungselektrode (C) gelegt werden / 3207 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG Robert-Bosch-Breite 10 D Göttingen 4

5 Achtung: Nur zugelassene Probenkörper mit entsprechender Dicke (max. 1,5 mm) verwenden! Andere Probenkörper können zur Zerstörung der Elektrode führen. Mit Drehregler (9) ist die gewünschte Behandlungszeit auszuwählen und anschließend die Starttaste (8) zu bedienen. Daraufhin erzeugt der Hochspannungsgenerator (A) zwischen der Entladungselektrode (C) und der Grundplatte ein Plasma. Dies wird optisch über eine LED (2) angezeigt. Zusätzlich ertönt ein Warnsignal, welches, je nach Wunsch, mit Schalter (3) abgeschaltet werden kann. Dieser Versuch kann beliebig oft mit verschiedenen Behandlungszeiten und verschiedenen Probenkörpern durchgeführt werden. Nach Beendigung des Versuches ist der Drehregler (9) wieder auf die kleinste Behandlungszeit einzustellen und Netzschalter (10) auf die Position Null zu bringen. Hinweise Zur Reinigung der Entladungselektrode (C) (bei Verschmutzung) kann Alkohol verwendet werden. Die Elektrode vorsichtig und ohne Druck mit einem Tuch reinigen Achtung: Keine spitzen Gegenstände zwischen der Entladungselektrode (C) und Grundplatte einbringen! Dadurch kann die Elektrode (Keramik) beschädigt werden. Dies führt zur Zerstörung der elektrischen Abschirmung. Versuchsanordnung ist dann nicht mehr einzusetzen! Eine defekte Entladungselektrode (C) mit Rissen ist dadurch zu erkennen, dass kein Plasma auf der Oberfläche mehr zündet. Vielmehr ist ein einziger Plasmastrahl (Filament) zu erkennen. Dieser kann Probenkörper (z.b. Kunststoff) zerstören. Die Versuche sind dann nicht mehr durchzuführen. Gerät sofort ausschalten! Bei dem Versuch Oberflächenbehandlung entsteht durch das Plasma Ozon in geringen Konzentrationen (Riechgrenze überschritten). Ab einem Abstand von 10 cm zur Elektrode ist der Grenzwert eingehalten. Darüber hinaus wird das Ozon durch die Umgebungsluft ausreichend verdünnt. In kleinen Räumen mit mehreren Versuchsgeräten und längeren Versuchsreihen ist für eine ausreichende Lüftung zu sorgen. 5.3 Versuch Paschen- Nach Anschluss aller Kabel (siehe Punkt 5.1), ist der Schalter Betriebsarten (6) auf Funktion cont. zu stellen. Über die Anschlüsse (I) wird der Versuchsaufbau mit einer Vakuumpumpe mit Regelvorrichtung für konstantem Druck und Druckmesstechnik bzw. Gaszufuhrleitungen verbunden. Anschließend wird in der Vakuumkammer (G) ein Unterdruck erzeugt. Der optimale Arbeitsbereich liegt bei 3 hpa bis 5 hpa. Achtung: Versuch nur im Druckbereich von 1 hpa bis 10 hpa betreiben! Achtung: Druck während der Messung konstant halten! Über Anschluss (F) ist der Aufbau mit einem Digitalmultimeter mit Haltefunktion zu verbinden. Das Multimeter ist auf den Messbereich V Gleichspannung einzustellen. Das Betriebsgerät kann jetzt mit Schalter (10) aktiviert werden. Wenn LED (1) leuchtet, ist das Gerät einsatzbereit. Zu Beginn wird ein Elektrodenabstand an der Mikrometerschraube (D) gewählt. Achtung: Mikrometerschraube (D) mit Sorgfalt bedienen und somit die Gefahr des Überdrehens vermeiden (nicht <0 mm bzw. nicht >6 mm)! Drehregler (4) wird nun so lange variiert bis die Zündspannung erreicht ist und ein Plasma durch Sichtfenster (H) zu sehen ist. Achtung: Den Drehregler (4) nur langsam betätigen! 5

6 Die Zündung des Plasmas wird optisch durch eine LED (2) und akustisch durch einen Lautsprecher signalisiert. Der Lautsprecher kann bei Bedarf mit Schalter (3) abgeschaltet werden. Daraufhin wird der im Digitalmultimeter gespeicherte Maximalwert abgelesen. Anschließend wird der Drehregler (4) wieder auf Linksanschlag gestellt und die Messung bei gleichem Abstand mehrmals wiederholt. Dieser Vorgang kann mit verschiedenen Elektrodenabständen (0-5 mm) wiederholt und die zugehörigen Zündspannungen aufgenommen werden. Anschließend werden die Spannungen über dem Abstand in einem Diagramm aufgetragen. Der Verlauf sollte den theoretischen Verlauf der Paschenkurve wiedergeben. Nach Beendigung des Versuches Drehregler (4) wieder auf Linksanschlag stellen und Netzschalter (10) auf die Position Null bringen. Hinweise: Um optimale Ergebnisse zu erzielen, sollte der Elektrodenabstand mit der Mikrometerschraube von kleinen nach großen Abständen verändert werden. Im Bereich des Paschenminimums sollte eine kleinere Schrittweite gewählt werden, um dieses möglichst genau zu vermessen. Da die Messwerte gewissen Schwankungen unterliegen (besonders im Bereich des Paschenminimums), sollten mindestens 3, aber besser 5, Messwerte pro Elektrodenabstand nacheinander bestimmt werden. Siehe Tabelle im Anhang. Nach häufiger Anwendung kann es zu Verschmutzungen auf den Elektrodenflächen (fest und variabel) in der Vakuumkammer kommen. Bemerkbar macht sich dies durch extreme Schwankungen der einzelnen Messwerte. Zur Beseitigung der Verschmutzung können die Stirnflächen der Elektroden nach Entfernen des Sichtfensters (H) mit Alkohol gereinigt werden. Bei hartnäckigen Verschmutzungen können die Stirnflächen mit sehr feinem Schleifpapier (Körnung >2.000) behandelt werden. Diese sollten anschließend mit Alkohol gereinigt werden. Nach längerem Nichtgebrauch des Plasma Experimentiersets Versuch Paschen- ist die variable Elektrode mit der Mikrometerschraube vor der Inbetriebnahme mehrmals über den gesamten Messbereich zu verfahren. Nur im ausgeschalteten Zustand ausführen! Beim Plasma Experimentierset Versuch Paschen- wird eine sehr empfindliche Messschaltung zur optischen (LED (2)) bzw. akustischen (Lautsprecher) Signalisierung des Zündzeitpunktes des Plasmas verwendet. Bei maximaler Ausgangsspannung (~800V) kann es in Ausnahmefällen dazu kommen, dass die Messschaltung ohne eine Plasma- Zündung reagiert. Die Funktionsweise des Messaufbaus wird davon nicht beeinträchtigt. 6 TECHNISCHE DATEN 6.1 Plasmaphysik Betriebsgerät Einstellbare Zeiten (s) für Versuch Oberflächenbehandlung: 0,2; 0,5; 1;5; 10; 20; 30; 60 Einstellbare Ausgangsspannung (V) für Versuch Paschen-: Leistungsaufnahme (W): max. 25 Anschlussspannung (V): Netzfrequenz (Hz): 50/60 Abmessungen LxBxH (mm): 194x140x130 Masse (kg): 1,2 6.2 Plasmaphysik Experimentierset Masse (kg): 1,5 Abmessungen LxBxH (mm): 300x90x135 Parameter für Versuch Oberflächenbehandlung Abstand zwischen den Elektroden (mm): 2 (fest) Anwendbarer Druck: Atmosphärendruck Feldstärke (kv/mm): max. 10 Feldfrequenz (Hz): ca. 200 Pulsenergie (mj): max. 5 Parameter für Versuch Paschen- Abstand zwischen den Elektroden (mm): 0 5 (variabel) Auflösung der Mikrometerschraube (µm): 10 Verfahrweg (mm): 0 5 Anwendbarer Druck (hpa): 1 10 Zündspannung (V): mm Sicherheitsbuchsen Ausgangsstrom (ma): max. 2 7 LIEFERUMFANG Das Plasmaphysik Komplettpaket ( ) wird mit folgenden Komponenten geliefert: Plasmaphysik Betriebsgerät ( ) Plasmaphysik Experimentierset ( ) Plasmaphysik Probenset ( ) 8 ZUBEHÖR Für die Versuche zur Oberflächenbehandlung wird lediglich das Plasmaphysik Komplettpaket ( ) benötigt Für die Versuche zum Paschen- werden zusätzlich folgende Artikel benötigt: Digitalmultimeter 2010 Handmessgerät Druck Drucksensor hpa Vakuumpumpe, Drehschieber, einstufig (1x) (1x) (1x) (1x) / 3207 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG Robert-Bosch-Breite 10 D Göttingen 6

7 9 GARANTIEHINWEIS Für das von uns gelieferte Gerät übernehmen wir innerhalb der EU eine Garantie von vierundzwanzig Monaten, außerhalb der EU von zwölf Monaten. Sie umfasst nicht den natürlichen Verschleiß sowie Mängel, die durch unsachgemäße Behandlung entstehen. Der Hersteller kann nur dann als verantwortlich für Funktion und sicherheitstechnische Eigenschaften des Gerätes betrachtet werden, wenn Instandhaltung, Instandsetzung und Änderungen daran von ihm selbst oder durch von ihm ausdrücklich ermächtigte Stellen ausgeführt werden. 10 ENTSORGUNG Die Verpackung besteht überwiegend aus umweltverträglichen Materialien, die den örtlichen Recyclingstellen zugeführt werden sollten. Dieses Produkt gehört nicht in die normale Müllentsorgung (Hausmüll). Soll dieses Gerät entsorgt werden, so senden Sie es bitte zur fachgerechten Entsorgung an die unten stehende Adresse. PHYWE Systeme GmbH & Co. KG Abteilung Kundendienst Robert-Bosch-Breite 10 D Göttingen Telefon +49 (0) Fax +49 (0)