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Das Anodengebiet einer behinderten Glimmentladung in Sauerstoff.

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294
Annalen der Physik. 7. Folge. Band 15. 1965
Das Anodengebiet einer behinderten Glimrnentladung
in Sauerstoff
Von H. DROST,
U. TIMM,H. BEHLKE
und H. PUPKE
Mit 4 Abbildungen
Inhaltsiibersicht
Es wird das Anodengebiet einer behinderten Glimmentladung in Sauerstoff hinsichtlich
der Verhaltensweise des Plasmapotentials untersucht. Die Behinderung erfolgte durch eine
vor der Anode in das Plasma eingebaute Verdichterelektrode, die Messung des Raumpotentials nach der LANQMUIRSChen Sondenmethode. Die Hilfselektrode bewirkt die Ausbildung eines blasen- bzw. buschelartigen Entladungsgebildes vor der Anode, was mit
einem starken Abfall des Raumpotentials einhergeht. Form und GroBe des Entladungsansatzes werden in Abhiingigkeit vom Elektrodenpotential untersucht und die Ergebnisse
im Zusammenhang mit der Anodenfall-Theorie nach KLARFELD
und NERETINA
diskutiert.
1. Einleitung
Bei der Untersuchung einer Plasmaquelle fur negative Sauerstoffionen [11
ergab sich, da13 eine betrachtliche Steigerung der anodisch extrahierten Ionenintensitat erzielt werden kann, wenn die Quellenentladung entweder mechanisch durch einen Konzentrierungszylinder oder elektrostatisch durch eine isolierte Hilfselektrode auf die Mitte der Sauganode konzentriert wird, eine Methode, die sowohl bei der Ionenquelle von FITE[2] als aueh bei der neueren
Konstruktion von WHITLOCKund BOUNDEN
[3] ihre Anwendung gefunden
hatte. Die Einschniirung einer 30- 60 mm breiten Entladungssaule auf einen
Querschnitt von wenigen mm mu13 naturgemaB eine h d e r u n g der gesamten
Entladungsverhaltnisse, insbesondere derjenigen im Anodengebiet, nach sich
ziehen, die in unserem Fall u. a. in der Ausbildung eines blasen- bzw. biischelformigen Entladungsansatzes direkt vor der Sauganode und in einer Verminderung des Spannungsabfalls am Entladungsrohr zum Ausdruck kam. Die gleichzeitig mit der Ausbildung eines Entladungsansatzes beobachtete starke Erhohung
des Stromes an extra.hierten negativen Ionen veranlafite uns zu der Annahme,
die eigentliche Ursache dieser Erhohung in den besonderen, die Bildung negativer Ionen begunstigenden Eigenschaften der anodischen Plasmablase zu
sehen [4],d. h. vor allem in der erhohten Tragerdichte und in der deutlichen Abnahme der Elektronentemperatur [5]. Durch die Blasenbildung erfahrt jedoch
nicht nur die Dichte bzw. die Temperatur der Plasmaelektronen eine Anderung,
sondern auch das Raumpotential im Anodengebiet, und vor allem dadurch, da13
die Plasmablase direkt vor der Anodenoberflache Gestalt annimmt. wird auch
der Anodenfall von der Blasenbildung beeinflufit. Es lag somit nahe, durch die
H. DROSTu. a., Anodengebiet einer behinderten Glimmentladung in Sauerstoff
295
Untersuchung des Anodengebietes einer in Analogie zu der erwahnten Ionenquelle [11 behinderten Glimmentladung in Sauerstoff zu einem weit,eren Verstiindnis der von uns angewendeten Ionenquelle-Methode zu gelangen.
2. Versuchsrohr und MeIlmethode
Die Untersuchungen erfolgten a n einem Entladungsrohr aus Glas von 50 mm
Durchmesser (vgl. [S]). Die Anode hatte entsprechend ihrer Rolle als Saugelektiode eine spezielle Ausfiihrung. Sie bestand aus einer Scheibe mit einem kegelformigen Mittelansatz. Ein 1mm breiter
axialer Kana1 ermoglichte die Extraktion der negativen Teilchen. Die Behinderusg der Entladung, d. h. die Einschniirung des Entladungsplasmas auf
den Saugkanal, wurde durch eine gitterformige, von Anode und Kathode isolierte Hilfselektrode erreicht. Die Elektrode konnte mit Hilfe eines Peintriebes
und eines Glasschliffes wahrend des Entladungsbetriebs liings einer Strecke von
1 0 m m im Gebiet vor der Anode verschoben werden. In Abb. 1 ist der anodische Teil des Entladungsrohres samt
der zur genauen Bestimmung des Raumpotentials im Anodengebiet benbtigten
LANaMurR-Sonde wiedergegeben. Die
Sonde, die zur Vermeidung groBerer
Storungen sehr klein ausgefiihrt war,
bestand
einem zylin&hchen 0,2 mm Abb. 1. Der anodische Teil des Entladungsrohres mit Verdichterelektrode und
starken
der 4,' mm
dem beweglicher Sonde zur Bestimmung des
Sondentrager herausragte. Als SondenPotentialverlaufs
triger diente ein 0,4 mm dickes Quarzrohrchen ; die Sonde konnte mit Hilfe einerr Fe-Kerns und eines Elektromagneten von auBen langs der Rohrachse verschoben werden. Der absolute Wert
des Raumpotentials vor der Anode wurde aus der LANcMo~-Charakteristik
bestimmt, seine relative h d e r u n g jm Anodengebiet konnte zueitzlich durch
statische Messung des Hilfselektrodenpotentialsgegen Anode verfolgt werden.
Die Messung der aus dem Anodengebiet bzw. aus der Plasmablase extrahierten
negativen Ionen erfolgte in einem geerdeten FARADAY-Zylinder mit einem
Galvanometer.
W-Drahtl
3. Blasenbildung und Raumpotential im Anodengebiet
Die Ursache fiir die Entstehung eines blasenformigen Entladungsgebildes am
Kegelfortsatz der Sauganode ist nicht allein in der Behinderung des Entladungsflusses zu suchen, da es manchmal auch ohne eine Konzentrierungselektrode,
vor allem an den Riindern des Kegelfortsatzes, zur Ausbildung eines blasenformigen Plasmagebildes kam. Andererseits fuhrt eine Siuleneinschnurung
durch einen gleichgeformten Isolator als Konzentrierungselektrode, z. B. eine
Glimmerscheibe, zu keiner Blasenbildung. Zweifellos spielt, die Plasmaein-
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Bnnalen der Physik. 7. Folge. Band 15. 1965
schniirung bei der Entstehung eines anodenseitigen Plasmaansatzes e k e wesentliche Rolle, wenngleich der Ort der Blasenausbildung vorwiegend durch die
Feldverteilung vor der Anode festgelegt wird [7]. Die Feldverteilung im Anodengebiet bestimmt aber das Raumpotential, d. h. letztlich auch den Anodenfall.
Ein Zusammenhang zwischen Blasenbildung und Anodenfall ist somit off ensichtlich.
Einen ersten experimentellen Hinweis fur eine derartige Verknupfung fanden
wir in der Tatsache, daB bei der Ausbildung eines Entladungsansatzes sowohl
die Brennspannung als auch das statische Gitterpotential absanken, das Gitterpotential um einen Wert von 40-60 Volt. Da die Bnderung des statischen Hilfselektrodenpotentials unmittelbar vor der Anode als Kennzeichen einer gleichartigen h d e r u n g des Anodenfalls angesehen werden kann, steht dieser Effekt
in ubereinstimmung mit Ergebnissen von NERETINAund KLARFELD
[ 81. Bei
Untersuchungen an einer Niederdruck-Entladung in Hg beobachteten NERETINA
und KLARFELDeinen plotzlichen Abfall des Anodenfalls in dem Augenblick, als
perlenformige Entladungsansatze auf der Anode in Erscheinung traten. Das
Auftreten derartiger Entladungsansatze auf der Anode mu13 als Reaktion der
Entladung auf einen iiberhohten Anodenfall angesehen werden. Die nbereinstimmung dieser Ergebnisse mit den von uns gemachten Beobachtungen folgt
BUS der Tatsache, da13 bei Driicken im Bereich von
bis
Torr eine Abnahme des Anodenfalls meist nur die Bildung einer einzigen, jedoch entsprechend groBeren Plasmablase an der Anode zur Folge hat [9], [7] und durch Beriicksichtigung der bedeutend hoheren Bogenspannung einer Sauerstoff -Entladung. Beziiglich des Ortes der Blasenauspragung sei an die Tatsache erinnert,
daI3 sich derartige Entladungsansatze vorwiegend an solchen Stellen der Anode
ausbilden, an denen die elektrischen Feldlinien stark verdichtet sind, d. h. insbesondere an Ecken und Kanten [7]. Unter den vorgegebenen Bedingungen
diirfte die Feldverteilung an den Kanten des kegelformigen Ansatzes der Sauganode die giinstigste Voraussetzung f iir die Ausbildung einer Plasmablase darstellen. Die Feldlinienkonzentrierung diirfte auch der Grund dafur sein, da13 die
Blasenentstehung durch die anodische Hilfselektrode begiinstigt bzw. nach
ihrer Entstehung vor der Anodenoffnung fixiert wird. Die Fixierung des Entladungsansatzes in der Mitteloffnung der Hilfselektrode ist so stark, da13 der
Ansatz auch beim Verschieben der Elektrode vor der Anode fest an der Elektrode
haftet und seine Lage mit verandert.
Da der Feldlinienverlauf in der Mitte der Hilfselektrode die Blasenausbildung
bestimmt, der Feldlinienverlauf aber von der speziellen Form der Hilfselektrode
abhangt, beeinfluBt riickwirkend die Elektrodenform auch die Ansatzbildung,
ein Effekt, der bereits im Mittelpunkt der Untersuchungen iiber die Ausbeute
einer Quelle fur negative Ionen stand [lo]. Hinzu kommt, da13 die Ansatzentstehung vor der Anode stets mit einer Bnderung des Raumpotentials im Anodengebiet verkniipft ist ; somit stehen auch Hilfselektrodenform und Raumpotential
miteinander in Beziehung. In Tab. 1 sind die Ergebnisse der Untersuchungen
iiber den Zusammenhang von Hilfselektrodenform und Raumpotential U,,
wiedergegeben. Die Messungen von UDZerfolgten mit der in [2] beschriebenen
Sonde nach der LANGMUIR-Methode, d. h. durch Aufnahme einer vollstandigen
Strom-Spannungs-Charakteristik.
Bedingt durch die unterschiedliche Lange der
einzelnen Hilfselektrodeneinsatze war es nicht moglich, bei einem konstanten
Abstand zwischen Sonde und Anode zu messen; es wurde jedoch beachtet, daB
H. DROSTu. a., Anodengebiet einer behinderten Glimmentladung in Sauerstoff 297
Nr.
Tabelle 1
Hilfselektrodenform u n d Raumpotential
1
MeBbedingungen
(die Messungen erfolgten in der Blase \*or
der Hilfselektrode)
Raumpotential Sondenabstand
von der Anode
U,,gegen
Anode in Volt
in mm
I
-
1
2
3
4
3
1
,
I
ohne Hilfselektrode, ohne Blasenansatz
_ _ _ ~
ohne Hilfselektrode, mit Blasenansatz
Hilfselektrode als Gitter mit Blasenansatz
Gitterelektrode mit kegelformigem Mittelteil, mit Blasenansatz
Gitterelektrode rnit zylindrischem Mittelteil (I = 10 mm), mit Blasenansatz
Gitterelektrode mit zylindrischem Mittelteil ( I = 5 mm), mit Blasenansatz
II -
-17
-21
,
13
!
11
die Sonde stets in die Mitte der Plasmablase eintauchte. Die jeweiligen Entferiiungen der Sonde vom anodischen Kegelansatz sind in Spalte 3 aufgefuhrt.
Aus Tab. 1 geht zunachst hervor, daB das Raumpot>entialnach Ausbildung
eines anodenseitigen Plasmaansatzes sehr stark abfallt, ein Umstand, der in
Obereinstimmung steht mit den Ergebnissen statischer Messungen der Brennspannung bzw. des Hilfselektrodenpotentials. 1st dabei der EntladungsfluB zur
Anode durch eine Hilfselektrode behindert,, dann ist der Abfall des Raumpotentials noch deutlicher, wobei letzteres sogar negative Werte annehmen kann. Da der
Wert von U,, auch vom Abstand zur Anode abhangen diirfte, dieser jedoch bei
den Untersuchungen nicht konstant gehalt,en werden konnte, lassen sich aus
den Up,-Wertender Tab. 1 nur begrenzte SchluBfolgerungen ziehen. Verknupft
man aber diese Werte mit den unter denselben Bedingungen aus dem Anodengebiet extrahierten Intensitat,en an negativen Ionen [6], dann ergibt sich das
interessante Ergebnis, da13 hohe Intensit>Btena n extrahierten negativen Ionen
dann erhalten werden, wenn der Anodenfall negative Werte annimmt. Die Ursachen der Intensitatssteigerung an exlrahierten negativen Ionen wurden seinerzeit in der Erhohung der Elektronendicht,e und in der geringen Temperatur der
Elektronen im Plasma der anodischen Blase gesehen [5]. Ein Zusammenhang
zwischen der Intensitat an extrahierben negativen Ionen und dem Verhalten
des Raumpotentials vor der Anode kann somit nur insofern bestehen, daB die
durch die Anodenform und die Hilfselektrode kiinstlich geschaffenen Entladungsverhaltnisse vor der Anode, die bestiinmend fur die Ionenausbeute sind,
durch eine h d e r u n g der Pot,entialverteilung stabilisiert werden. Der Abfall des
Raumpotentials vor der Anode und demnach auch die Anderung des Anodenfalls sind somit nur als a d e r e Kennzeichen der Reaktion der Entladung auf
ihre anodenseitige Behinderung anzusehen. Nur in diesem Sinne steht das in
Tab. 1 zum Ausdruck gebrachte Verhalten des Raumpotentials rnit den Bildungsprozessen fur negative Ionen initeinander in Beziehung.
4. Die Formen des anodisehen Plasmaansatzes
Wie bereits betont, besteht die Rolle der anodischen Hilfselektrode im
wesentlichen darin, die Ausbildung des Entladungsansatzes zu erleichtern und
seine Lage vor der Sauganode zu stabilisieren. I m Laufe der Untersuchungen
298
Annalen der Physik. 7. Folge. Band 15. 1965
zeigte es sich jedoch, da13 auch die Form des Ansatzes durch die Hilfselektrode
verandert werden kann, z. B. durch deren spezielle Ausfiihrung [lo], vor allem
aber durch die Hohe des an sie gelegten Potentials. Das Potential der Hilfselektrode ist jedoch vom Grad der Aufladung abhangig, die ihrerseits durch die
Entladung bestimmt wird. Damit ergibt sich naturgemarj eine Abhiingigkeit der
Ansatzform von den Entladungsbedingungen. So nimmt beispielsweise bei geringen Entladungsstromen (< 15 mA) und hohen Kathodenfiillen der Plasmaansatz nicht Blasenform, sondern meist die Gestalt eines helleuchtenden
Biischels an, das in bezug auf seine Rolle in einer Plasmaquelle fur negative
Ionen wesentlich geringere Ionenausbeuten zur Folge hat. Sowohl Biischel als
auch Blase andern ihre GroBe bei Variation der Entladungsparameter ; eine Erhohung des Druckes bewirkt eine deutlich erkennbare Verkleinerung des Ansatzes, wogegen eine Druckverminderung stets eine AnsatzvergroBerung nach
sich zieht. Dieses Verhalten findet seine Erklarung in der unterschiedlichen Aufladung, die die Hilfselektrode durch die Entladung erfahrt und die jeweils die
GroBe des Ansatzes festlegt. Jede Druckverkleinerung fuhrt zu einer Erhohung
der Brennspannung und damit zu einem vergroBerten Elektrodenpotential; je
hoher andererseits aber das Hilfselektrodenpotential ist, um so deutlicher hebt
sich der Entladungsansatz vom ubrigen Plasma ab. Abb. 2 und 3 geben diese
Verhaltnisse wieder; Abb. 2
zeigt die Zunahme des statisch
gegen Anode gemessenen
Hilfselektrodenpotentials bei
abnehmendem Entladungsdruck, Abb. 3 einige Formen
des Entladungsansatzes bei
I
niedrigen und hohen HilfsI
elektrodenpotentialen.
I
I
ohne U,
Iniedriges Patenf/b(l
t
mit' U,
fhahes Pa/entioll
/'
J
Abb. 2. Abhiingigkeit des statisch
gemessenen Hilfselektrodenpotenti& von der Hohe der Brennspannung
Abb. 3. Die beiden Formen des Entladungsansatzes vor der Anode bei niedrigen und hohen Hilfs.
clektrodenpotentialen (oben blasenformiger Ansatz, unten biischelformiger Ansatz)
H. DROSTu. a., Anodengebiet einer behinderten Glimmentladung in Sauerstoff 299
I n ahnlichem Sinne wie bei einer Druckvariation reagiert der anodische
Plasmaansatz auch auf eine Anderung des Entladungsstromes, obwohl das
Hilfselektrodenpotential keine Abhangigkeit vom Entladungsstrom erkennen
1aBt. Hier erfolgt die Formanderung des Entladungsa.nsatzes durch den erhohten
EntladungsfluS und damit die Zunahme der Entladungsdichte vor der Anodenkuppe, was der Wirkung einer starkeren Elektrodenaufladung gleichkommt..
Die Existenz zweier unterschiedlicher Grundformen des anodischen Entladungsansatzes, des Biischels und der Blase, verdient dariiber hinaus noch Interesse dadurch, daB sie eng mit den beiden von uns als Typ 1und Typ 2 bezeichneten Formen der Niederdruckentladung [ll]verknupft ist. So reagiert der Entladungstyp 1 auf eine anodische Behinderung stets mit der Ausbildung eines
anodischen Biischels, wogegen der blasenformige Entladungsansatz charakteristisch fur eine behinderte Entladung des Typ 2 ist. Die unterschiedliche Auspragung des Entladungsansatzes muBte auch im Verhalten des Raumpotentials
vor der Anode ihren Ausdruck finden. Die Ergebnisse der in dieser Richtunp
durchgefiihrten Sondenmessungen sind in Tab. 2 wiedergegeben. Die Bestimmung des Raumpotentials erfolgte auch hier aus der LANGMUIR-Charakteristik.
Den U,,-Werten in den beiden Ansatzen sind zum Vergleich die Potentiale gegeniibergestellt, die a m selben Ort (3 mm von der Anodenkuppe entfernt) bei Entladungen ohne Plasmaansatz gemessen wurden.
Tabelle 2
D a s R a u m p o t e n t i a l bei buschel- u n d blasenformigem E n t ladungsansatz
~~~~~
Entladungsart
Entladungstyp 1 ( I E= 2 mA,
Lr, = 1250 V, p = 5 *
Torr)
Entladungstyp 2 ( I E= 7,5 mA,
U E = 360 V, p = 5 .
Torr)
Unbehinderte
Behinderte
Entladung U U I Entladuug C,,
in V
in Y
~
+123
+78
((Busc&~&ung)
1
- 9
(Blasenbildung)
Infolge, der Gleichheit der Up,-Werte des Typ 1bei unbehinderter und behinderter Entladung laBt sich der biischelformige Plasmaansatz leicht als einfache
Saulenverdichtung erklaren, deren Markierung als Biischel nur auf Grund veranderter Anregungsbedingungen in Erscheinung tritt. Demgegeniiber deutet der
Abfall des Raumpotentials bis zu negativen Werten im Falle des Typ 2 darauf
hin, daB es hier zur Ausbildung einer echten Plasmablase entsprechend den
Vorstellungen von WEIZELund HORNEBERG
[7] bzw. KLARFELD
und NERETIRA
[ 9 ] , [12] kam. Danach kommt es zur Blasenausbildung a13 Folge eines iiberhohten Anodenfalls, der besonders bei hohen Stromdichten und kleiner Anodenoberflache auftritt, Bedingungen, die durch die Gegenwart der Hilfselektrode
und den kegelformigen Teil der Anode sicher gegeben waren. Durch die Blasenausbildung wird der Anodenfall erniedrigt und ein stabiler Zustand im Anodengebiet wiederhergestellt.
300
80
Annalen der Physik. 7. Folge. Band 15. 1965
-
Anodenfall charakterisiert wird, muBte der
Verlauf des statisch gemessenen Raumpotentials gleichzeitig auch den Verlauf des Anoden70!-I60
falls wiedergeben. Die Potentialverhaltnisse
vor der Anode sind fur den Fall einer 30 mASO ‘x
Entladung in Abb. 4 dargestellt. Man erkennt,
40 ‘~-x-x-x-x-x-x-x.x-x
daB das Potential in 2 mm Entfernung: von
L
der Anodenkuppe seinen groaten Wert erreicht ; von da a b ist sowohl in Richtung auf
die Anode wie in Richtung auf die Kathode
Abb. 4. Verlauf des statisch gemessenen Potentials der Hilfselektrode ein Abfall der Gitteraufladung zu verzeichnenl). Ungefahr 5 mm von der Anodenkuppe
im Anodengebiet
entfernt geht die Potentialkurve in die Horizontale iiber, was auf das Ende des Anodenfallgebietes hindeutet. Der genaue
Wert des Anodenfalls IaBt sich leicht durch Messung des Raumpotentials
am Ort des statischen Potentialmaximums mittels der LANGMuIR-Methode
bestimmen. Die in Tab. 1 wiedergegebenen Werte des Raumpotentials, die in
3 mm Abstand von der Anodenkuppe aufgenommen wurden, kommen somit
entsprechend Abb. 4 dem tatsachlichen Wert des Anodenfalls sehr nahe.
u
6. Diskussion
Der Anodenfall, d. h. die starke h d e r u n g des Potentials zwischen Plasma
und Anode in unmittelbarer Nahe der Anodenoberflache, muB als unmittelbare
Folge von Ionen-Elektronenprozessenim Anodengebiet angesehen werden, die
abhangig sind von Form und GroRe der Anode und vor allem vom Entladungsgas. LANGMUIR-MOTT-SMITH
1131 sehen als Ursache des Anodenfalls eine die
Anodenoberflache umgebende negative Raumladungsschicht an. Der Potentialabfall langs dieser Schicht sol1 dem Anodenfall entsprechen. Lange und Stiirke
dieses Potentialabfalls sollen sich dabei so einstellen, daI3 die Elektronen beim
Durchlaufen der Raumladungsschicht pro Zeiteinheit die gleiche Zahl positiver
Ionen erzeugen wie durch die Saule abwandert. Eine ungeniigende Ionisation
fiihrt automatisch zu einer Abnahme der Ionenkonzentration, als deren Folge
sich die negative Raumladung erhoht, was wiederum eine hohere Elektronengeschwindigkeit und damit hohere Ionisationsraten nach sich zieht. Ein Anodenfall, bei dem die Anode positiver geladen ist als das sie umgebende Plasma, wird
als positiver Anodenfall bezeichnet ; hat, das Plasma ein hoheres Pot,ential als die
l) Hierbei ist unter der Entfernung ,,O“ der Punkt gemeint, wo sich die Hilfselektrode
auf gleicher Hohe mit der Anodenkuppe befindet, d. h. die A4nodenkuppein die Mitteloffnung der Hilfselektrode einzutauchen beginnt.
H. DROSTu. a . , Anodengebiet einer behinderten Glimmentladung in Sauerstoff 301
Anode, so herrscht ein negativer Anodenfall vor, der - entsprechend den Vorstellungen von LANCMUIR
und Mitarbeitern - durch einen im Vergleich Zuni
Entladungsstrom vergroBerten FluB von ungerichteten Elektronen auf die
Anodenoberflache charakterisiert ist. In1 Gegensatz zu LANGMUIR-MOTT
und
SMITHsuchen KLARFELD und Mitarbeiter [8], [9], [12] eine Erklarung fur die
Ausbildung des Anodenfalls in der Konzentration positiver Ionen vor der Anode.
Damit werden die Bildungs- und Vernichtungsprozesse positiver Ionen ausschlaggebend fur die Potentialv erhaltnisse im Anodengebiet und fur GroBe und
Vorzeichen des Anodenfalls. Ein positiver Anodenfall stellt sich danach als
zwangslaufige Folge einer zu niedrigen Konzentration, ein negativer Anodenfall
entsprechend als Konsequenz auf einen UberschuIj an positiven Ionen vor der
Anode ein. Jede dnderung eines vorhandenen Ladungstragergleichgewichts ini
Anodengebiet zieht naturgemaB sofort eine dnderung des Anodenfalls nach sich,
wodureh sich die Ionisationshiiufigkeit neu einstellt. I m Zusammenhang mit den
durchgefuhrten Untersuchungen uber den Potentialverlauf vor der Anode und
die Ausbildung eines Entladungsansatzes als Folge einer Behinderung der Entladung durch eine anodische Hilfselektrode verdient die KLARFELDsche Anodenfall-Theorie insofern eine besondere Beachtung, als sie auch die Entstehung zusatzlicher Plasmen auf der Anodenoberflache (Anodenflecke, Perlen usw.) mit
dem Verhalten des Anodenfalls zu erklaren versucht.
Zur Deutung der erzielten Ergebnisse sei zunachst der Fall der unbehindert e n Entladung betrachtet. Die scheibenformige Anode, die den gesamten Rohrquerschnitt, ausfullt, sowie der zusatzliche Kegelfortsatz bilden zusammen eine
relativ groBe Anodenflache, die - in Verbindung mit den niedrigen Entladungsstromen - dem Entladungsgebiet vor der Anode ubermiil3ig viele negative
Ladungstrager entzieht, wahrscheinlich mehr als entsprechend positive Trager
zur Kathode abflieBen konnen. Als Folge davon muB sich vor der Anode eine
einen nega positive Raumladung ausbilden, die nach KLARFELD
und NERETINA
tiven Anodenfall verursacht. Die zur Anode fliegenden Elektronen sind somit
gezwungen, einen Potentialwall anzulaufen, wodurch die Abwanderungsrate
von Elektronen aus der Entladung zwangslaufig abnimmt. Der besonders hohe
Potentialabfall von +80 V unmittelbar vor der Anode (vgl. Tab. 1) bei der unbehinderten Entladung muB im Zusammenhang mit der ubergroBen Anode als
,,Sperre" gegen einen uberhohten Entzug negativer Ladungstrager angesehen
werden.
Die Verhaltnisse vor der Anode andern sich sofort, wenn die Hilfselektrode
eingebaut wird, d. h. die Entladung vor der Anode behindert wird. Bezuglich
der Aufnahme des negativen Teilchenstroms ist jetzt die effektive Anode praktisch bis auf den Kegelansatz degeneriert ; da sie aber trotzdem den gesz mten
EntladungsfluB aufnehmen muR, verschiebt sich jetzt das Gleichgewicht zwischern
der Abwartderung positiver Ionen und derjenigen negativer Teilchen zugunsten
der positiven Ionen, d. h. vor dem Kegelansatz bildet sich eine negative Raumladung aus, die nach KLARFELD
und NERETINAeinen positiven Anodenfall zur
Folge hat. Dadurch erleiden aber die negativen Ladungstrager auf ihrem Weg
zur Anode eine kleinere Abbremsung bzw. werden sogar durch eine zusatzliche
Beschleunigung zu einem verstarkten FluIj zur Anode veranlaljt. wobei es zur
Neubildung positiver Ionen durch StoWionisatiori kommt. Der positive Anodenfall driickt sich in Tab. 1als negativ gegenuber Anode gemessenes Plasmapotential aus. Dieser Abfall des Anodenfalls vollzieht sich nach TTEIZEL und HORSE-
302
Annalen der Physik. 7. Folge. Brand 15. 1965
BERQ [7] bzw. KLARFELD
und NERETINA[9], [13] in Verbindung mit der Ausbildung einer anodenseitigen Blase bzw. Perlenkette, deren Lage auf der Anode
durch die Feldlinienverteilung bestimmt wird. Eine Plasmablase vor der Anode
muR sich im Vergleich zum gewohnlichen Plasma somit durch einen Mange1 a n
positiven Ionen bzw. einen erhijhten Anteil negativer Teilchen, d. h. Elektronen
und negativer Ionen, auszeichnen.
Da die Bildung negativer Ionen in einem Plasma im wesentlichen auf Anlagerungsprozessen zwischen Elektronen und Molekiilen bzw. Atomen beruht,
so diirfte die Intensitat der gebildeten negativen Ionen mit durch die Konzent,ration der Elektronen bestimmt werden. Eine Erhohung der Elektronendichte
vor der Anode, wie sie aus dem Verhalten des Anodenfalls gefolgert werden mu13
und wie sie auch experimentell ermittelt wurde [j],laat eine hohere Bildungsrate negativer Ionen und damit auch hiihere Extraktionsausbeuten erwarten.
Zieht man weiter in Betracht, daB die Ausbildung eines blasenfiirmigen Ansatzes
gleichzeitig mit einer Erhohung der Entladungsdichte verknupft ist, so bieten
sich gute Ansatzpunkte fur ein Verstiindnis der von uns beobachteten Erhohung
der Ausbeute negativer Ionen nach einer Blasenbildung und damit verbunden
einem Kleinerwerden bzw. einem Vorzeichenwechsel des Anodenfalls.
Literaturverzeiehnis
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B e r l i n - B u c h , Institut fur Biophysik der Forschungsgemeinschaft der
Deutschen Akademie der Wissenschaften.
Bei der Redaktion eingegangen am 5. November 1964.
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