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Molecule
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copper
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boron nitride
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tungsten
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aluminium
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water
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nitrogen
(3)
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DES
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carac
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boron
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thorium
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chromium oxide
(1)
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titanium dioxide
(1)
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silicon
(1)
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molybdenum disulfide
(1)
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argon
(1)
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aluminium oxide
(1)
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Physical
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de 6 mm
(3)
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de 2,5 mm
(2)
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de 10 mm
(1)
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de 3 mm
(1)
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50 litres
(1)
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de 75 volts
(1)
[29][_]
de 9 mm2
(1)
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de 260 amperes
(1)
[31][_]
10 mm
(1)
[32][_]
10 percent
(1)
[33][_]
de 20 litres
(1)
[34][_]
2,2 teslas
(1)
[35][_]
de 300 g
(1)
[36][_]
9 mm
(1)
[37][_]
de 2,6 mm
(1)
[38][_]
de 7 mm
(1)
[39][_]
15 mm
(1)
[40][_]
5 mm
(1)
[41][_]
de 0,5 mm
(1)
[42][_]
de 100 kW
(1)
[43][_]
Gene Or Protein
(5/ 17)
[44][_]
Etre
(10)
[45][_]
DANS
(3)
[46][_]
Refractaire
(2)
[47][_]
Apte
(1)
[48][_]
Trou
(1)
[49][_]
Polymer
(3/ 4)
[50][_]
Polytetrafluoroethylene
(2)
[51][_]
Nylon
(1)
[52][_]
Teflon
(1)
[53][_]
Generic
(2/ 4)
[54][_]
metals
(2)
[55][_]
carbides
(2)
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Publication
_________________________________________________________________
Number FR2514223A1
Family ID 8024095
Probable Assignee Anvar
Publication Year 1983
Title
_________________________________________________________________
FR Title DISPOSITIF POUR PRODUIRE UN PLASMA, NOTAMMENT POUR LA FUSION
DES CERAMIQUES ET POUR LA METALLURGIE EXTRACTIVE
EN Title PLASMA GENERATOR, ESP. FOR MELTING CERAMICS OR EXTN.
METALLURGY - WHERE POWDER TO BE MELTED OR REDUCED IS INJECTED THROUGH
boron OF TUBULAR CATHODE
Abstract
_________________________________________________________________
LE DISPOSITIF COMPORTE, DANS UNE ENCEINTE 1, UNE ANODE CREUSE 2 ET UNE
CATHODE CREUSE 3 DISPOSEES COAXIALEMENT SENSIBLEMENT DANS LE
PROLONGEMENT L'UNE DE L'AUTRE, AINSI QUE DES MOYENS 4 POUR INJECTER A
TRAVERS LA CATHODE CREUSE LA POUDRE A TRAITER EN SUSPENSION DANS UN
GAZ.
The generator includes a chamber contg. an anode, and a tubular
cathode; the powder to be treated or melted is suspended in a gas and
is injected through the cathode. The anode is pref. a tube with a
funnel-shaped inlet aligned coaxially with the rounded end of the
cathode. The cathode is pref. surrounded by a diffuser made of a
refractory, esp. boron nitride. The cathode is pref. made of tungsten
contg. thorium; and the anode is pref. located inside an electromagnet
coil used e.g. to rotate the electric arc so the anode is not
subjected to excessive local wear. The generator pref. includes a
cooling system e.g. using circulating water. Very suitable for the
redn. of alumina to obtain aluminium.
Description
_________________________________________________________________
Dispositif pour produire un plasma, notamment pour la fusion des
ceramiques et pour la metallurgie extractive
La presente invention concerne la generation des plasmas, notamment
dans un generateur ou un four a plasma
On sait que de tels generateurs ou fours, appeles egalement reacteurs,
ont pris ces dernieres annees une importance considerable dans un
certain nombre d'applications.
En particulier on a preconise l'utilisation de plasmas pour traiter
des surfaces, par exemple en vue de realiser la nitruration ou la
carburation des metals, la modification des proprietes des surfaces
polymeriques, le depot de films dielectriques minces en une matiere
inorganique dans la fabrication des semiconducteurs, la gra vure des
semiconducteurs. En effet, la technique des plasmas permet de produire
des etats de surfaces tres interessants en deposant par exemple des
particules de tres petites dimensions obtenues a partir de poudres
transformees en plasma.Ces poudres peuvent etre par exemple l'alumine,
la magnesie, la silice, la zircone, le zircon, l'chromium oxide, le
titanium dioxide, des carbides, des borures, des siliciures, des
cermets et meme des poudres composites combinant des metals et des
ceramiques (copper et carbure de silicon, aluminium et alumine par
exemplcarbide).
On-a egalement propose la technique des plasmas pour realiser
certaines metallurgies speciales, par exemple pour former du
ferrovanadium, pour decomposer du molybdenum disulfide, pour dissocier
des sables de zircon.
Les generateurs de plasma sont de plusieurs types.
On connait en particulier des generateurs comportant une anode et une
cathode.
Dans ces generateurs connus a anode et a cathode, l'injection de la
poudre a traiter par plasma a lieu soit par l'anode, soit au voisinage
de l'anode, soit en aval de la cathode.
Contrairement a la pratique anterieure, la presente invention prevoit
l'introduction de la poudre a traiter par plasma a travers une cathode
creuse.
De ce fait un generateur a plasma selon l'invention comprend, dans une
enceinte, une anode et une cathode disposee en regard de l'anode, le
generateur etant caracterise en ce que la cathode est creuse et en ce
qu'il comporte des moyens pour injecter, a travers la cathode creuse,
la poudre a traiter en suspension dans un gaz.
Il est ainsi possible d'injecter la poudre dans les zones les plus
chaudes du plasma, zones qui sont les plus visqueuses mais les plus
energetiques, ce qui est un tres grand avantage par rapport aux
dispositifs anterieurs dans lesquels l'injection de la poudre n' avait
pas lieu par le centre de la cathode, mais par l'anode ou au voisinage
de l'anode ou enfin en aval de la cathode.
L'invention pourra, de toute facon, etre bien comprise a l'aide du
complement de description qui suit, ainsi que des dessins ci-annexes,
lesquels complement et dessins sont, bien entendu, donnes surtout a
titre d'indication.
La figure 1 illustre, en coupe, un premier mode de realisation
(schematique) d'un generateur de plasma mettant en oeuvre les
perfectionnements de l'invention.
Les figures 2 a 5 illustrent un second mode de realisation d'un
generateur selon l'invention, la figure 2 etant une coupe
longitudinale du generateur par II-II de la figure 3, la figure 3
etant une vue en bout par
III-III de la figure. 2, le noyau du generateur etant suppose enleve,
et les figures 4 et 5 sont des coupes longitudinales partielles
respectivement par IV-IV et par
V-V de la figure 3.
La figure 6 represente, en coupe longitudinale, un premier mode de
realisation d'un des elements du generateur des figures 2 a 5, a
savoir le diffuseur de gaz dispose autour de la cathode.
Les figures 7 et 8 representent un second mode de realisation de ce
diffuseur respectivement en coupe lon gitudinale (figure 7) et vu en
bout (figure 8).
La figure 9 illustre, en elevation avec coupe partielle, un
distributeur de poudre apte a cooperer avec un generateur selon
l'invention.
La figure 10, enfin, represente, schematiquement et en coupe, la
partie aval d'un troisieme mode de realisation d'un generateur de
plasma entrant dans le cadre de l'invention.
Selon l'invention et plus specialement selon celui de ses modes
d'application, ainsi que selon ceux des modes de realisation de ses
diverses parties, auxquels il semble qu'il y ait lieu d'accorder la
preference, se proposant, par exemple, de realiser un dispositif pour
produire un plasma, notamment pour la fusion des ceramiques et pour la
metallurgie extractive, on s'y prend comme suit ou d'une maniere
analogue.
En se referant tout d'abord a la figure 1, on voit qu'un generateur
pour produire un plasma mettant en oeuvre les perfectionnements selon
l'invention comprend, dans une enceinte 1, une anode creuse 2 et une
cathode creuse 3 disposees coaxialement tres precisement dans le
prolongement l'une de l'autre.
La cathode 3 est une piece massive allongee, par exemple en tungsten
thorite, ayant, dans le mode de realisation illustre, un diametre
exterieur de 10 mm et un alesage central 3a de 3 mm de diametre.
L'anode 2 est realisee par exemple en copper et le diametre de son
alesage 2a est legerement superieur a celui de l'alesage 3a de la
cathode 3; il peut etre par exemple de 6 mm.
Comme on le voit sur la figure 1, l'anode 2 est dotee d'une embouchure
evasee 2b qui commence sensiblement ou finit l'extremite aval arrondie
3b de la cathode; en effet, comme explique ci-apres, on verra que la
poudre a traiter par plasma circule dans l'alesage 3a dans le sens de
la fleche F (de la droite vers la gauche).
Le generateur est alimente en poudre a son extremite amont 3c par une
canalisation 4, la poudre se trou vant en suspension dans un gaz (avec
reference a la figure 9 on expliquera comment on peut produire le jet
de poudre fluidise). Le debit de gaz porteur peut etre de l'ordre de
20 a 50 litres par minute.
En outre on prevoit une arrivee de gaz par les canalisations 5 et 6
dans une chambre de tranquillisation 7 qui alimente, par un passage
annulaire 8, l'embouchure 2b de l'anode 2.
Lorsqu'on applique une difference de potentiel de l'ordre de 75 volts
entre la cathode et l'anode et que l'on alimente la cathode en poudre
fluidisee tout en alimentant la chambre de tranquillisation 7 en gaz,
on realise entre la cathode 3 et l'anode 2 un champ electrique
suffisant pour creer un plasma dans la zone 9 entre l'anode et la
cathode.'
On a constate que l'on pouvait reduire l'usure de la cathode et de
l'anode, d'une part, et l:instabilite de l'arc dans la zone 9, d'autre
part,- en creant un champ magnetique dans la zone 9. Ce champ est
realise, dans le mode de realisation illustre sur la figure 1, par une
bobine magnetique 10 disposee autour de la partie amont de l'anode 2
et de l'extremite aval de la cathode 3.
C1 est en imposant une rotation du point d'impact de l'arc sur l'anode
2 que le champ magnetique produit par la bobine 10 permet d'eviter
l'accrochage de l'arc et donc son instabilite et l'usure de l'anode 2
et due la cathode 3.
En outre ce champ magnetique, en provoquant un mouvement turbulent du
plasma, homogeneise le jet de plasma et le traitement thermique de la
poudre.
La bobine 10 peut etre realisee au moyen d'un tube de copper ayant par
exemple une section de 9 mm2, qui est refroidi interieurement par une
circulation d'water arrivant par la canalisation 11 et sortant par la
canalisation 12 (fleches fl et fL).
Un autre circuit de refroidissement par l'water, a savoir celui de
l'anode 2 et de la cathode 3, comporte une entree 13 (fleche f3), une
chambre 14 entourant l'anode 2, une chambre 15 entourant la cathode 3
et une canalisation de sortie 16 (fleche f4).
Pour completer la description de la figure 1, on notera que la cathode
3 est portee par un porte-cathode 17 fixe, par une bague de serrage
18, au corps exterieur 19, par exemple en une superpolyamide (du type
Nylon).
La cathode 3 est centree au moyen de la piece 20; un joint torique 21
assure l'etancheite de la chambre 15.
Un cylindre 22 en boron nitride porte par une bague isolante 23
(percee de canaux 23a) en polytetrafluoroethylene (du type Teflon)
assure le positionnement relatif correct longitudinal entre cathode 3
et anode 2.
Enfin l'anode 2 est portee par un couvercle 24, par exemple en un
alliage d'aluminium, cooperant avec un boitier 25 portant la bobine 10
et visse au corps exterieur 19.
Les essais effectues par la demanderesse ont montre qu'il y avait
interet a prevoir une intensite electrique de l'ordre de 260 amperes,
une distance entre la cathode et l'anode de l'ordre de 2,5 mm, un
diametre pour l'alesage 3a de la cathode de 6 mm avec un alesage 2a de
l'anode de 5 a 10 mm de diametre. Le gaz d'injection de la poudre peut
etre constitue par de l'nitrogen contenant eventuellement jusqu'a 10
percent d'argon, le debit du gaz n'etant pas critique, a part le fait
qu'il doit depasser une limite inferieure qui est de l'ordre de 20
litres par minute, car avec des debits plus faibles on risque de
deteriorer la cathode 3 par obstruction de celle-ci.
Le champ magnetique doit avoir une certaine intensite et notamment il
doit depasser generalement 2,2 teslas.
Avec le dispositif de la figure 1 on a injecte une poudre d'aluminium
oxide en suspension dans de l'nitrogen avec un debit de 300 g par h e
u r e. Dans ce cas particulier, on a constate qu'il etait avantageux
de porter a 9 mm le diametre de l'alesage 3a.
On va decrire maintenant, avec reference aux fi gures 2 a 5, un second
mode de realisation a'un dispositif pour produire un plasma presentant
les perfectionnements selon l'invention.
Comme dans le premier mode de realisation de la figure 1, le
dispositif comprend, dans une enceinte 31, une anode 32 percee d'un
alesage 32a et une cathode creuse 33 percee d'un alesage 33a. L'anode
32 et la cathode 33 ont le meme axe, l'extremite aval 33b de la
cathode 33 penetrant a l'interieur de l'alesage 32a de l'anode 32.
Comme dans le premier mode de realisation, la cathode 33a est
traversee dans le sens de la fleche F par un courant de poudre en
suspension dans un gaz, l'alimentation en poudre en suspension ayant
lieu par le tube 34.
La cathode creuse 33 est constituee par un tube en tungsten thorie,
par exemple, visse dans le porte-cathode comportant deux portions, a
savoir une portion aval 35, par exemple en copper, et une portion
amont 36, par exemple en laiton, le tube 34 etant, lui, realise par
exemple en acier inoxydable. L'anode creuse 32 est realisee
avantageusement, comme dans le premier mode.de realisation, en copper.
Le dispositif comprend egalement des coquilles de refroidissement 37
en un alliage d'aluminium, deux pieces isolantes 38 et 39 (par exemple
en polytetrafluoroethylene), la piece 39 etant disposee en amont de la
piece 38, un corps exterieur 40, par exemple en acier inoxydable, et
un couvercle 41 egalement en acier inoxydable.
Enfin le dispositif comprend un diffuseur 42, en forme de cuvette,
dont le role et la structure seront expliques plus en detail ci-apres,
diffuseur realise avantageusement en boron nitride ou autre matiere
refractaire capable de resister aux tres hautes temperatures du
plasma.
Le tube 34, par lequel est injectee la poudre en suspension dans un
gaz, tel que l'nitrogen, a, dans le mode de realisation, un diametre
interieur de 2,5 mm. La ca thode a un diametre interieur de 2,6 mm et
un diametre exterieur de 6 mm, tandis que l'anode 32 a un diametre
interieur de 7 mm. On peut choisir en vissant plus ou moins (pas de
vis 43), le porte-cathode amont 36 dans une bague taraudee 44 portee
par la piece isolante 39, une penetration plus ou moins grande de
l'extremite aval 33b de la cathode 33 dans l'alesage 32a. Cette
penetration qui peut etre comprise entre 5 et 15 mm a ete reglee a 5
mm pour les essais effectues. Dans ce cas la distance inter-electrodes
est de 0,5 mm.Avec une telle distance inter-electrodes, environ quatre
fois plus petite que la section de l'alesage 32a de l'anode 32, la
vitesse du gaz de transport de la poudre (en l'absence d'arc) est
quatre fois plus grande entre les electrodes 32, 33 que dans l'alesage
32a. Un tel courant de gaz rapide force l'arc, lorsque celui-ci est
produit, a s'accrocher plus loin dans cet alesage 32a.
Le diffuseur 42 a pour objet d'eviter les mauvais accrochages de l'arc
et de diriger le gaz vers l'alesage 32a. Ce diffuseur peut avoir
-differentes formes et on a illustre, d'une part, sur la figure 6 et,
d'autre part, sur l'ensemble des figures 7 et 8, deux constructions de
ce diffuseur referencees respectivement 42a et 42b.
Dans le cas de la figure 6, le diffuseur 42a perce d'un canal
longitudinal 45 assure un ecoulement longitudinal du gaz contenant la
poudre en suspension; au contraire dans le mode de realisation des
figures 7 et 8, le diffuseur 42b comporte, en plus du canal
longitudinal 45, des canaux inclines 46 imposant un ecoulement
tourbillonnaire au gaz contenant la poudre en suspension.
Le dispositif selon les figures 2 a 8 permet, d'une part, un
ecoulement de gaz relativement froid, a grande vitesse, a proximite de
la paroi, en confinant l'ecoule- ment des particules de poudre au
centre de l'alesage 32a et, d'autre part, de refroidir energiquement
les electrodes 32 et 33 par le gaz lui-meme.
Ce dispositif peut etre alimente par un redresseur statique ayant une
puissance de 100 kW, sous une inten site reglable de 30 a 800 A.
Le distributeur de poudre en suspens ion dans un gaz alimentant le
dispositif soit selon la figure 1, soit selon les figures 2 a 8, peut
etre realise comme illustre sur la figure 9.
Ce dispositif comprend un corps tubulaire vertical 51 ferme par deux
plaques 52 et 53, la plaque superieure 53 etant percee d'un orifice de
sortie 54 pour la-poudre en suspension. A la base, au voisinage de la
plaque inferieure 52, est prevue une ouverture laterale d'admission 55
alimentee par un tube 56 recevant le gaz arrivant selon la fleche f'.
Un peu aumdessus du tube 56 est dispose un ensemble comportant un
sandwich 57, constitue par un filtre 58 en fibre de verre dispose
entre deux grilles 59, et un porte-piece demontable realise en deux
parties 59a et 59b assemblees par des vis 60 et portant le sandwich
57. La poudre 61 a injecter repose sur le sandwich 57.
L'arrivee de gaz (fleche f') met en suspension la poudre 61 et un
courant de poudre en suspension dans-du gaz sort par l'orifice de
sortie 54, comme illustre par la fleche f", le courant gazeux ainsi
produit etant amene au tube 4 de la figure 1 (premier mode de
realisation du dispositif) ou au tube 34 des figures 2, 4 et 5 (second
mode de realisation).
Dans certains cas, les particules de poudre ont tendance a suivre les
lignes de courant et a realiser de ce fait une pellicule chaude sur
les parois de l'anode; une telle pellicule ruisselante facilite les
operations de reduction, mais peut etre genante lors de la projection
des particules.
Dans le mode de realisation de la figure 10, on a prevu des moyens
pour reduire la divergence des particules.
Sur cette figure 10, sur laquelle on a represente tres schematiquement
une piece creuse 62 en copper, semblable a l'anode 2 de la figure 1 et
a l'anode 32 des figures 2 a 5, et une cathode 63, on a prevu un tube
64 en copper ayant sensiblement le meme diametre interieur que la
piece 62.Ce tube 64 est dispose a environ dix millimetres en aval de
l'extremite aval 62a de la piece 62 et a dix millimetres de l'axe de
cette piece pour se placer tangentiellement au jet de particules 67.
I1 est entraine en rotation a vitesse constante autour de son propre
axe par une poulie 65 grace a une courroie 66 qui s'enroule autour
d'une poulie 64a fixee sur la peripherie du tube 64 (en avant ou en
arriere du jet 67 si on regarde la figure 10), la poulie 65 etant
elle-meme entrainee en rotation par un moteur non represente, Cette
mise en rotation du tube 64 evite un collage du jet 67 sur la
peripherie du tube.
La piece 62 etant a un potentiel flottant, c'est le tube 64 qui sert
d'anode dans ce-mode de realisation et il est donc connecte au pole
positif. Les trajectoires des particules 67 sont alors moins
divergentes car le tube 64 a pour effet de recentrer les lignes de
force.
On obtient en definitive sur la cible 68 un depot compact 69.
Les essais des differents modes de realisation d'un generateur de
plasma selon l'invention ont confirme l'in teret de ce type
d'injection pour la metallurgie extractive, et plus particulierement
pour la reduction de l'alumine. En plus de l'augmentation du temps de
sejour des particules dans les zones chaudes, il faut souligner
l'avantage que represente la suppression de 'tout injecteur en sortie
de tuyere; ces injecteurs sont tres souvent encombrants dans une
chambre a atmosphere controlee et sont rapidement detruits par un
accrochage pref eren- tiel de l'arc.
Comme il va de soi et comme il resulte d'ailleurs deja de ce qui
precede, l'invention ne se limite nullement a ceux de ses modes
d'application et de realisation qui ont ete plus specialement
envisages; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes.
Claims
_________________________________________________________________
REVENDVATIONSREVE7.JDIATIONS
1. Dispositif pour produire un plasma, notamment pour la fusion des
ceramiques et pour la metallurgie extractive, comportant, dans une
enceinte, une anode et une cathode disposee en regard de l'anode,
caracterise en ce que la cathode est creuse et en ce qu'il comporte
des moyens pour injecter a travers la cathode creuse la poudre a
traiter en suspension dans un gaz.
2. Dispositif selon la revendication 1, caracterise en ce que L'anode
est egalement creuse, l'-alesage de l'anode et alesage de la cathode
ayant le meme axe.
3. Dispositif selon la revendication 2, caracterise en ce que l'anode
comporte une embouchure evasee son extremite amont, tandis que la
cathode comporte une extremite arrondie a son extremite aval
sensiblement au niveau de l'entree de l'embouchure.
4. Dispositif selon la revendication 2, caracterise en ce que
l'extremite aval de-la cathode penetre a 1 'in- terieur de la partie
amont de l'alesage de l'anode.
5. Dispositif selon la revendication 4, caracterise en ce qu'il
comprend des moyens pour faire varier la longueur de penetration de
l'extremite aval de la cathode a l'interieur de la partie amont de
l'alesage de l'anode.
6. Dispositif selon la revendication 4 ou 5, carac terise en ce que la
cathode est entouree d'un diffuseur en forme de cuvette percee d'un
canal central traverse par la cathode.
7. Dispositif selon la revendication 6, caracterise en ce que le fond
de la cuvette comporte egalement des canaux obliques.
8. Dispositif selon la revendication 6 ou 7, carac terise en ce que le
diffuseur est en une matiere refractaire resistant aux hautes
temperatures, telle que le boron nitride.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications precedentes,
caracterise en ce qu'il comporte des moyens pour engendrer un champ
magnetique au niveau de l'espace inter-electrodes.
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendica tions precedentes,
caracterise en ce que l'electrode est en tungsten thorie.
11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications precedentes,
caracterise en ce qu'on prevoit un tube dans le prolongement de la
cathode creuse, ce tube servant a alimenter l'interieur de la cathode
creuse en poudre a traiter par plasma, en suspension dans un gaz.
12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications precedentes,
caracterise en ce qu'il comporte, d'une part, une anode alesee qui se
trouve a un potentiel flottant et, d'autre part, une anode tubulaire
creuse disposee en aval de ladite piece creuse tangentiellement a la
peripherie du prolongement de l'alesage de l'anode alesee et qui est
entrainee en rotation a vitesse constante autour de son axe
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9. The publication has been analysed and we have identified items
within it that fit into these categories.
The specific items found are listed within the category headings.
Click the section header to open that section and view all the
identitfied items in that section.
If you click the checkbox all items in that section will be
highlighted in the publication (to the right).
The best thing to do is to experiment by opening the sections and
selecting and unselecting checkboxes.
10. The main output window contains the publication full text (or part
thereof if selected).
11. The Tools section contains tools to help you navigate the
"discovered" (highlighted) items of interest.
The arrows and counter let you move through the highlighted items
in order.
12. Other tools include a "Preview" option [ [preview.png] ] and the
ability to mark the relative locations of highlighted items by
using the "Marker" option [ [marker.png] ].
Try these out to best understand how they work, and to discover if
they are of use to you.
13. Items selected from the menu on the left will be highlighted in
the main publication section (here in the middle of the screen).
Click them for further information and insights (including
chemical structure diagrams where available).
14. Please experiment with TextMine - you cannot make any permanent
changes or break anything and once your session is closed (you've
log out) all your activity is destroyed.
Please contact Minesoft Customer Support if you have any questions
or queries at: [email protected]
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