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Der bergang von der Glimmentladung in die Bogenentladung hervorgerufen durch kurzzeitige Stromste.

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H.-J. Hojert. Der Obergang von der Glimmentladung usw. 547
Der Ubergamg won der Glimmentladung
i n die Bogen entladung,
hervorgeruferc durch Zcurxmit4ge Stromsttipe I)
Von H . 4 E d f e r t
(Mit 25 Abbildungen)
I n h a l t : I. Einleitung: A. Fragestellung; B. Allgemeines zum nbergang
GE.-BE. - 11. Versuchsanordnung: A. Versuchsprinzip; B. Elektrischer Teil
der Anordnung; C. EntladungsrGhren; D. Gase. - 111. Ergebnisse: A. Uherblick uber die Vorgange wahrend des StromstoBes; B. Das Verhalten der GE.
gegeniiber dem StromstoS; C. .Die Wahrscheinlichkeit des Umschlags an Hg
und Cu; D. Der EinfluS von Kathoden- und Gas-Temperatur auf den UmIV. Diskussion der Ergehnisse.
schlag; E. Die Stabilisierung des Umschlags.
V. Zusammenfassung. - VI. Literatur.
-
I. Einleitung
A. F r a g e s t e l l u n g
Glimmentladung (GE.) und Bogenentladung (BE.) unterscheiden
sich wesentlich durch die Vorggnge an der Kathode. Unter sonst
gleichen Bedingungen ist bei der BE. der Kathodenfall um eine
Zehnerpotenz kleiner und die kathodische Stromdichte um mehrere
Zehnerpotenzen groBer als bei der GE. Zur Erklarung der hohen
EmisRionsdichte an der Bogenkathode hat man die thermische
Emission (1) und die autoelektronische Emission (2) herangezogen.
Die Verhaltnisse sind jedoch im letzteren Falle auch qualitativ noch
nicht vollig geklart.
Auf Grund der neueren Arbeiten ist der Stand des Problems
etwa folgender : An einigen Kathodensubstanzen (Wolfram, Kohle)
treten beim Betrieb eines Bogens tatsachlich so hohe Temperaturen
auf (3), (4),daB man durch thermische Emission die hohe Stromdichte erkliiren kann. Bei anderen Substanzen (Quecksilber, Kupfer)
liegen die Siedetemperaturen so tief, daB eine thermische Emission
sicher keine Rolle spielen kann(5). Zum mindesten fur diese mul3
also eine andere Art der Elektronenbefreiung angenommen werden,
1) D 91, eingereicht am 18. Februar 1939.
2) Literaturangabe am SchluS.
548
Annulen der Physik. 5. Folge. Band 35. 1939
als welche man die antoelektronische Emission (Feldemission) anspricht. Solche ,,Feldbogen" konnen anscheinend auch an den hochsiedenden Substanzen auftreten, wenn die Ausbildung einer hohen
Kathodentemperatur unterbunden wird (6). Als besonders aufschluBreich fiir das Bogenproblem erwiesen sich Versuche, bei denen der
ubergang von der GE. in die BE. untersucht worde(7-9).
Dieser
nbergang erfolgt im allgemeinen bei Steigerung der Stromstiirke
iiber einen bestimmten Wert, die nbergangsstromstilrke. P I e s s e (8)
fand, daB die ffbergangsstromstiirke eines Metalles nm so kleiner
ist, je leichter es verdampft. Dementsprechend scheint der Metalldampf eine wesentliche Rolle bei der Bogenbildung zu spielen.
Dabei ist noch nicht entschieden, ob der Dampf nur zur Erhijhnng
der Gasdichte und somit zur VsrgroSerung der Stromdichte und
der Feldstilrke vor der Kathode b e i t r w , oder aber ob er eine
spezifische Wirknng hat, d. h. 8chon in' Konzentrationen wirksam
ist, die klein sind gegeniiber der Dichte des Fiillgases.
Von groJ3er Bedeutung, sowohl ftir die Ausbildung einer thermischen Emission als fiir die Verdampfung sind jedenfalls die thermischen Verhilltnisse an der Kathode. Wenn man, nm den ffbergang
GE.-BE. hervorzurufen, die Stromstarke steigert, heizt sich im allgemeinen die Kathode auf. Znm naheren Studinm der thermischen
Verhiiltnisse ist es natblich wiinschenswert, die Kathodentemperatur
von der Stromstarke moglichst unabhangig zn machen, um beide
GrijBen gesondert verandern zu konnen. Derartige Versuche wurden
bisher gemacht entweder unter Verwendung einer rotierenden (10)
oder einer wassergekiihlten (6)Kathode. In der vorliegenden Untersuchung wird ein anderer Weg beschritten: Der Strom in der Entladungsstrecke wird nur ftir sehr kurze Zeit vergroBert, derart, daS
die der Kathode im Mittel zugefiihrte Leistung klein bleibt. Mit
dieser Methode sollten weitere Beitriige zur Kliirung des Bogenproblems erbracht werden. Dabei interessierte vor allem die Frage
nach der Wirksamkeit des Metalldampfes und die nach der Art
nnd dem zeitlichen Verlauf des abergangs GE.-BE
B. A l l g e m e i n e s zum ffbergang GE.--BE.
Die vollstkndige Charakteristik einer Gasentladnng pflegt man
wie in Abb. l a schematisch anzugeben. A B ist das Gebiet der
normalen, B C der anomaleu Glimmentladung, C D das Gebiet des
obergangs in die Bogenentladung. Die Stabilisiernng dieses tfbergangsgebietes ist bekanntlich nur maglich bei geniigend groBem
Vorschaltwiderstand, d. h. wenn die Widerstandsgerade steiler geneigt ist als die Charakteristik. Es besteht jedoch auch die Mog-
H.-J.Hojert. Der Obergang von der Glimntentlidung urn. 549
lichkeit, daB der nbergang GE-BE. prinzipiell nnstetig verlanft,
daS also die Entladung bei exakt demselben Strom zu einer niedrigeren Brennspannung umschliigt (Abb. 1b). Wenn etwa bei einer
thermisch emittierenden Kathode in Punkt C die thermische Emission
merklich zum Strom beizntragen beginnt, sinkt der Kathodenfall
und damit die Brennspannung wegen der gegeniiber der reinen
JltmsmP
*
a) stetig
-
-
b) unstetig
Abb. 1. Vollstiindige Charakteristik
Glimmentladnng erhohten Elektronenausbeute. Bei geeigneter Wilrmeabgabe der Kathode relativ zur Bedecknngsflache der Entladung
- also bei geeigneter Kathodenform nnd geeigneten Werten von
Dmck und Strom - ist es moglich, da6 mit einer kleineren Bedeckungsflache, also einer mehr lohlisierten Energieznfuhr, eine fur
die Elektronenemission insgesamt ergiebigere Temperatnrverteilung
erzielt wird. Die Entladung kann dsnn, auch wenn der Strom konstant bleibt, bei Einnahme eines kleineren Querschnittes mit geringerer Spannung brennen. Der ffbergang erfolgt hier - als Ansto6 ist eine nur virtuelle Anderung der Stromdichte notig prinzipiell unstetig, als ,,Umschlag". Andererseits ist es auch durchaus
moglich, da0 das Absinken der Brennspannung stetig erfolgt nnter
stetiger Zusammenziehung des Entladungsquerschnittes.
11. Versuahesnordnung
A. V e r ~ uh cs p r i n e i p
Die Prinzipschaltnng zu den Versuchen ist in Abb. 2 wiedergegeben. Von der Gleichspannungsquelle Ug ans wird iiber einen
Widerstand eine Glimmentladung im Entladungsrohr E mit kleinem
Strom betrieben. Ein von der Spannungsqnelle Ul auf hohere
Spannung geladener Kondensator C wird in regelmtifiigen Zeitabstanden durch den Schalter S auf die Glimmentladnng geschaltet.
Dadnrch wird der Strom durch die Entladung jeweils kurzzeitig
550
Annalen der Physik. 5 . Folge. Band 35. 1939
erhoht und die GE. geht unter bestimmten Bedingungen in die BE.
iiber. Der Verlauf der Brennspannung V und des Stromes i (als
Spannungsabfall uber einem Widerstand) wird mit der B r aunschen
Rohre oszillographiert. Dabei aufiert sich der 0 bergang GE.-BE.
als Absinken der Brennspannung. Der Anstieg des Stromes wahrend
Abb. 2. Schaltungsprinzip
des Stofies wird im wesentlichen durch eine eingeschaltete Drossel L
bestimmt l). Der Widerstand R dient als Vorschaltwiderstand fur
die Entladungsstrecke.
B. A u s f u h r u n g d e s e l e k t r i s c h e n T e i l s der A n o r d n u n g
Die Schaltung der elektrischen Kreise zeigt Abb. 3. Der Sto6kondensator C, wird durch den Hochspannungstransformator HTr,
dem ein Stufentransformator St Tr vorgeschaltet ist, uber die Gleichrichterrohre G, und den Widerstand R, bis zur Scheitelspannung U,
aufgeladen. Die Entladung erfolgt iiber die Drossel Le, den Widerstand Re und die Entladungsstrecke E. Als Schalter dieses Kreises
dient ein Thyratron Th mit 30Amp. Spitzenstrom. Gegeniiber der
sonst bei ahnlichen Schaltungen oft gebrauchten Funkenstrecke hat
das Thyratron zwar den Nachteil eines begrenzten Spitzenstromes
und einer langeren Aufbauzeit des Stromes, aber den Vorteil eines
regelmafiigen Entladungsablaufes und eines sehr genau steuerbaren
Zundeinsatzes. Diese beiden Vorteile waren in der vorliegenden
Anordnung, bei der die Oszillogramme vielfach iiberschrieben werden
mufiten, ausschlaggebend. Durch geeignete Steuerung konnte der
Zundeinsatz auf 5 lo-* sec genau reproduzierbar gehalten werden;
die Aufbauzeit, die von den Betriebsbedingungen abhangig ist, lag
in der GroBenordnung von einigen lO-'sec.
Die Steuerung des
Thyratrons besorgt ein Schaltgerat, das auch die Zeitablenkspannung
-
1) Die gewiihnlichen StoSschaltungen, bei denen ein Kondensator parallel
zum Prufobjekt liegt [vgl. I. B. K o p p e l m a n n (ll)], waren hier nicht anwendbar. Dn die Charakteristik der GE. bei hohen Drucken noch bis zu relativ
groSen Stramen fallend ist, traten bei Parallelschaltung eines Kondensators
fast immer Kippschwingungen auf.
H.-J.Hojert. Der obergang vm der Glimm.enUadu?uj usw. 551
fiir die Braunsche R a k e liefert. Die Brennspannung der Entladung wird tiber ein frequenznnabhangiges Potentiometer Cp- R,,
das durch Ausmessung mit Nieder- und Hochfrequenz abgeglichen
ist, der Braunschen Rohre Br R zngefiihrt (Stellung 1 des Schalters S).
Steht Schalter S auf 2, so liegt an der Braunschen Rohre die
..
4
G=
‘I
I
&ha/@&
6
0
MAbb. 3. Gesamtscbaltung, achematiech
R,: Dlimpfungswidersthde je 500 Ohm
0,: 5000 Volt mas.
Br B : Brannsche Riihre, Vakunmtyp,
R,: 8000Ohm
Anodenspannung 3000 Volt max.
C, : 0,04-0,6 pF
L, : 0,09-2 mHy
Ug: 2000-4000 Volt
Re: 20-500 Ohm
Cg: 3 pF
Rg: 10-500 k&?
cpl:10PFi Bpi: Ma
Cp 2: 20-50 PP
Spannung uber dem Widerstand Ri, die ein Ma6 fur den Strom in
der Entladung ist. Ri besteht aus einem diinnen Widerstandsdraht,
der zu einer engen Schleife ausgespannt und unmittelbar an die
Kathodeneinschmelzung des Entladungsrohres angeschwei6t ist.
GroSer Wert muBte auf gentigende Dampfung der elektrischen Kreise
gelegt werden. Durch die beim nbergang GE.-BE.
auftretenden
steilen Spannungsfronten werden in schwbgnngsftlhigen Teilkreisen
leicht hochfrequente Schwingungen angeregt I). Alle Leitungen im
Sto6- und MeSkreis waren deshalb auBerst kurz gehalten und bestanden aus Eisendraht. Der MeSkreis mit der Braunschen Rohre
und der Gleichstromkreis U,- R -E waren aperiodisch gedampft,
der StoBkreis war hinsichtlich wilder Schwingungen durch die Gleichrichternatur des Thyratrons genligend stark gediimpft.
1) H. P l e s s e , a. a. 0. (8) regiatrierte solche Schwingungen mit einer
Audionanordnung.
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 35. 1939
552
p)ii
Abb. 4. Aufbau dea Schaltgerates
Spapnung gemessen gegen Erde
7 U
2
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"n-.,A\/
0
3
P
5
6
7
I
8
9
Y I
70
n
Abb. 5. Zeitlicher Verlauf
der Spannungen im Schaltgerlit,
schematisch
H . J . Hofert. Der Ubergang von der Glimmentladung usw. 553
Die Oszillogramme muBten zur photographischen Aufnahme
mehrfach uberschrieben werden. AuBerdem sollte durch die mehrfache oberschreibung die Reproduzierbarkeit der Vorgauge gepruft
werden l). Zur Abwicklung der hierfur notigen Schaltvorgange dient
das Schaltgerat, das folgendes liefert :
1. Einen in gleichen Zeitabstanden wiederkehrenden Spannungsimpuls zur Ziindung des Thyratrons. Der Impuls mug mit der
Ladewechselspannung synchronisiert sein, so daB die Entladung des
StoBkondensators in eine Sperrphase des Ladeventils fallt. Nur so
ist das AbreiBen der Entladung im Thyratron sicher zu erreichen.
2. Eine zeitproportionale Ablenkspannung fur die Zeitplatten
der Braunschen Rohre. Dabei muB der Zundimpuls des Thyratrons
verzogert sein gegen den Anfang der Zeitablenkung, so daB der Anfangszustand der untersuchten Entladung noch mit erfaBt wird.
3. Eine Spannung fur die Helligkeitssteuerung der Braunschen
Rohre, derart, daB der Strahl nur fur die kurze Zeit des StoBvorgangs freigegeben wird. Dies ist erforderlich zur Vermeidung einer
starken Allgemeinaufhellung des Fluoreszenzschirmes.
4. Eine Zeitmarke, deren Einsatz synchron rnit der Zeitablenkspannung erfolgen mnB.
Der Aufbau des Schaltgerates ist im Prinzip in Abb. 4 dargestellt. Schaltungstechnische Einzelheiten sind fortgelassen. Die
Wirkungsweise sei erlautert an Hand von Abb. 5, die den zeitlichen
Verlauf der Spannungen an verschiedenen Stellen des Gerates
schematisch zeigt.
Kreis I ist ein Kippkreis mit einem Thyratron, dessen Ziindung mit
der Ladespannung des StoSkreises unter Zwischenschaltung eines Phasenschiebers PhS synchronisiert ist. Kreis I lost durch die Spannungsimpulse 3,4
den StoBkreis aus, bestimmt also die StoBfrequenz. Diese ist ersichtlich gleich
der Synchronisierungsfrequcnz 50 Hz dividiert durch eine ganze Zahl, und
kann entsprechend verandert werden. Der Impuls 3 stolt in Kreis I1 iiber eine
Riihre einen Schwingungskreis an [Spannung 5 p)], dessen zweite Spannungshalbwelle die folgende Rohre R,, offnet. Dadurch wird die im Anodenkreis
liegende Drossel in der Eigenschwingung angeregt. Diese Spannung 6 liegt
am Gitter des StoSkreisthyratrons. Die erste steile Spannungsfront bewirkt
die Ziindung des Thyratrons, welche auf diese Weise zeitlich genau festliegt,
aber gegen den einleitenden SpannungsstoE 3 um eine bestimmte Zeit verzijgert ist. Dieser einleitende SpannungsstoB , ins Negative gewendet 4, lost
1) Die oszillographischen Untersuchungen an Hochdruckentladungen
(Funken) sind bisher wohl ausschlieSlich mit dem Hochspannungs-Kathodenstrahl-Oszillographen und einfacher Uberschreibung gemecht worden [Literatur
vgl. (270
2) I n Abb. 5 ist bei den Spannungen 5-11 der Anfang der StoSperiode
hernusgegriffen und in vergroBertem MaBstab gezeichnet.
Annnlen der Physik. 5. Folge. 35.
37
554
Annaben der Physik. 5 . Folye. Band 35. 1939
auch die Zeitablenkung f u r die B r a u n s c h e Rohre in Kreis I11 aus. Durch
eine Vorrohre geeignet verformt (Spannung 7) offnet er die RShre R,,,, die den
parallel liegenden Kondensator entladt. Dieser mird anschlieBend uber das
Ventil V mit konstantem Strom aufgeladen, so dal3 seine Spannung proportional der Zeit ansteigt (Spannung 8). Spannung 8 liegt am Zeitplattenpaar der
B r aunschen Rohre. In Kreis IV wircl Spannung 8 ,,abgeschnitten", Ergebnis
Spannung 9. Diese liegt uber einem Kondensator an dem unter Hochspannung
stehenden Wehneltzylinder der B r aunschen RGhre, der negativ vorgespannt
ist, so daS der Elektronenstrahl nur freigegeben ist fur die Dauer der Rechteckspannung 9. Die letztere steuert noch den Sender Kreis V fur die Anbringung von Zeitmarken. Bei dem Sender erfolgt die Ruckkopplung iiber
das erste Gitter der RShre R,. Das zweite Gitter ist im Ruhezustand soweit
negativ vorgespannt, daB die Ruckkopplung gesperrt ist. Nur fur die Dauer
der Spannung 9 wird sie freigegeben, so daS der Sender nur wahrend dieser
Zeit schwingt. Auf diese Weise ist der Synchronismus des Schwingungseinsatzes mit der Zeitablenkspannung 8 erreicht. Die hochfrequente Wechselspannung 10 wird nun noch dem Wehneltzylinder uberlagert, so daS an diesem
auBer der Gleichspannung die Spannung 11 liegt. Die Linie, die der Elektronenstrahl auf dem Leuchtschirm beschreibt, erscheint also in hellere und
dunklere Stellen aufgelost. Der Zeitahstand von einem Helligkeitsmasimum
zum nachsten ist gleich der Schwingungsdauer des Senders. Diese Zeitmarke
wird entweder dem Oszillogramm von Spannung und Strom selbst iiberlagert
oder gesondert auf die Photoplatte aufgedruckt.
Infolge der Trennung von Kippkreis I und Zeitkreis 111 eignet
sich das Schaltgerat - von dem speziellen Kreis II abgeseheu allgemein fur die Untersuchung der zeitlichen Feinstruktur periodischer Vorgange: Kreis I wird mit dem Vorgang synchronisiert unter
Einstellung des zu untersuchenden Teils der Phase am Phasenschieber;
in Kreis I11 kann dann die Zeitauflosung beliebig variiert werden.
Neben der Aufnahme von Oszillogrammen erwiesen sich noch
AusxBhlungen als geeignetes Untersuchungsmittel. Dabei wurden
unter einer bestimmten Gesamtzahl von StromstoBen diejenigen ausgezahlt, die zum Bogen fiihrten. Hierfiir diente ein Zahlgerat (vgl.
Abb. 3), in dem eiu iiber eine Rohrenanordnung gesteuertes Zahlwerk immer dann anspricht, wenn die Brennspannung der Entladung
unter die Glimmspannung sinkt. Dabei ist durch zusatzliche Steuerung
mit Spannung 9 des Schaltgerates die Anordnung nur zahlbereit
wahrend der Dauer des StrornstoBes'). Auf diese Weise werden
Unterschreitungen der Glimmspannung, die nach Abklingen des
StoBes infolge von Entionisierungseffekten auftreten, von der Zahlung
ausgeschlossen.
Die Frequenz der StromstoBe wurde so klein gewahlt, daB sie
keinen EinfluB auf den Ablauf der Vorgange wahrend des Einzel1) Das Gerat ist ahnlich den bei Zahlrohrversuchen gebrauchlichen
Koinxidenzverstarkern aufgebaut.
H.-J. Hojert. Der Uberyang von deer Glimmmtladung usw. 555
stoBes hatte, daB also alle in der zwischen den SttiBen liegenden
Pause eingetretenen Veranderungen wie Ionisation, Verdampfung,
Erhitzung, abgeklungen waren. Meist wurde mit StoBfrequenzen
zwischen 5 und 25 pro sec gearbeitet.
C. E n t l a d u n g s r o h r e n
Als Kathodensubstanzen wurden untersucht Quecksilber, Kupfer
und Wolfram. Quecksilber ist der typische Vertreter des Feldbogens und hat als Fliissigkeit den Vorteil einer glatten Oberflache
(Feldemission!). AuBerdem kann durch BuBere Heizung leicht ein
hoherer Dampfdruck im Entladungsrohr eingestellt werden. Wolfram
wurde wegen der Moglichkeit eines thermischen Bogens untersucht.
Kupfer kann keine thermische Emission ergeben , ist aber insofern
interessant, als es infolge seiner guten Warmeleitfiihigkeit eine noch
groBere stationare Umschlagstromstarke besitzt als Wolfram, die
groBte unter allen von P l e s s e (8) untersuchten Metallen. Abb. 6
zeigt die benutzten Entladungsrohren, die aus Jenaer Duranglas
bestehen.
In das Quecksilberrohr (Abb. 6a) wird das Metal1 von GefaB B her eindestilliert und kann zur Reinigung und zur Veranderung des Elektrodenabstandes dorthin zuruckdestilliert werden. Die Anode W besteht, wie auch
bei den anderen Rohren, aus Wolfram. Zu Versuchen bei erhohtem Hg-Dampfdruck wird das Rohr in einen elektrischen Ofen eingebaut, dessen Temperatur
durch Steuerung des Heizstromes mit einem Kontaktthermometer konstant gehalten wird. Der sich einstellende Dampfdruck wird bestimmt aus den Angaben von Thermoelementen, die der GefaBwand auSen aufgedruckt sind.
Dabei ist die Beziehung zwischen dem tatsachlich herrschenden Dampfdruck
und den Angaben der Thermoelemente empirisch aufgenommen durch Messungen
an einem Modellrohr, das mit einem Manometer ausgerustet war. - Um zu
starke Konvektion des Fullgases und Abdestillieren des Quecksilbers zu vermciden, wird bei Versuchen mit erhohter Temperatur die Pumpzuleitung durch
die magnetisch bewegliche Eisenkugel K verschlossen. - Das Rohr mit Kupferkathode (Abb. 6b) ist dem Quecksilberrohr geometrisch ahnlich gestaltet. Um
den EinfluS des Elektrodenabstandes auf die untersuchten Erscheinungen prufen
zu kiinnen, ist die Anode verstellbar ausgebildet. Der Spindelteil des Anodeustabes wird von einer Eisenmutter M getragen, die magnetisch gedreht werden
kann. Der Stab selbst ist durch eine eingeschmolzene Fuhrung gegen Verdrehung geschutzt, hebt bzw. senkt sich also bei Drehung der Mutter. Wolfram (Abb. 6c) konnte aus technischen Griinden nur in Stabform verwandt
werden. Um den EinfluB der Elektrodenanordnung zu studieren, sind deshalb
zwei Anoden eingebaut. Bei Verwendung der Anode A,, die aus einem
Molybdanring besteht, ist die Geometrie der Entladung hinsichtlich der kathodischen Teile noch ahnlich der an einer ebenen Kathode, da die Klcmrnung
des Kathodenstabes klein ist gegen die Ausdehnung des Kathodenfallgebietes
bei den verwendeten hohen Drucken. Bei Benutzung der Anode A , liegt die
auch sonst oft verwendete Stab-Stab-Anordnung vor.
37 *
556
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 35. 1939
Abb. 6. Entladungsrtihren
4
H.-J. Hofert. Der Ubergang von der Glimmentladung usw. 557
Alle Entladungsrohren und Elektroden wurden nach den in der
Vakuumtechnik ublichen Methoden durch Ausheizen entgast.
D. Ga s e
Die Vorversuche zeigten, daB man zur Erzielung reproduzierbarer Ergebnisse - die Vielfachiiberschreibung von Oszillogrammen
stellt in dieser Beziehung besondere Anforderungen - unter sehr
sauberen Bedingungen arbeiten mug. Die untersuchten Gase: Wasserstoff. Stickstoff und Argon wurden deshalb nach besonderen Methoden
Abb. 7.
Gasapparatur, schematisch
gereinigt bzw. rein dargestellt. Abb. 7 zeigt die Gasapparatur schematisch. Kittungen und Schliffe waren vermieden, die Hahne mit
Apiezonfett gedichtet.
Wasserstoff. Das technischen Bomben entnommene Gas diffundierte zur Reinigung durch ein elektrisch geheiztes Palladiumrohr.
Die hierfiir entwickelte Anordnung wird an anderer Stelle 1) naher
beschrieben werden.
Sticksfoff. Technischer Stickstoff, der uber gliihendes Kupfer
und P,O, geleitet war, erwies sich als noch sauerstoffhaltig2). Das
Gas wurde deshalb durch Zersetzung von Natriumazid unter Vakuum
hergestellt (13). I n der Anordnung von J u s t i (14) ist die Methode
bequem zur Darstellung auch groI3erer Mengen reinsten Stickstoffs.
1) E. v. An g er e r , Technische Kunstgriffe bei physikalischen Untersuchungen. 4. Anfl., Braunschweig. Im Erscheinen.
2) Uber Reinheitsprufung von N, vgl. G. H e y n e (12).
558
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 35. 1939
Argon stand in technischer Reinheit zur Verfugung. Es wurde
von den unedlen Beimengungen befreit durch Vorreinigung mit einer
Bogenentladung zwischen Kalziumelektroden (15) und weitere Reinigung bis zur spektroskopischen Reinheit mit einer Glimmentladung
an einer Mischmetallkathode (16). Die Ca-Elektroden waren an
Eisenhaltern ma.gnetisch verschiebbar angebracht zur Zundung durch
Kontaktgabe. Das Mischmetall ') wurde unter Vakuum in einen
Eisentopf eingeschmolzen , der dann als Kathode eingesetzt wurde.
111. Ergebnisse
A. U b e r b l i c k uber d i e Vorgiinge wiihrend d e s StromstoBes
Die Versuche wurden so gehalten, daB die Kathode auch
wahrend des StromstoBes nur teilweise von der Entladung bedeckt
war. Erreicht namlich die Ansatzflache der GE. den Rand der
a) Stationiires
b) Stationares Glimmlicht
und StoBglimmlicht
und Bogenbrennfleck
20 StoBvorgiinge
1 StoBvorgang
Abb. 8. Hg-H, 400 tor
Kathode (Grenze Metall-Isolator), so setzt dort mit hoher Wahrscheinlichkeit die BE. ein, offenbar wegen der an dieser Stelle
veranderten Kriimmungsverhaltnisse (Feldemission!). Diese Art des
Umschlags war nicht reproduzierbar zu erfassen und mu6te deshalb
ausgeschieden werden. Da die seitliche Ausbreitungsgeschwindigkeit
der Entladung von der GroBenordnung l o 5 cmlsec war, muBte mit
genugend kurzen StromstoBen gearbeitet werden. Die Ausbreitung
des negativen Glimmlichts, fur den Fall, daB der Umschlag in die
BE. nicht erfolgt, ist gut sichtbar. Erfolgt der Umschlag, so zeigt
1) Cer-Mischmetall, die bei der Zundsteinherstellung benutzte Ausgangslegierung von etwa 50°/, Cer, 40°/,anderen Metallen der seltenen Erden und
loo/, Eisen. Der I. G. Farbenindustrie A.-G. mSchte ich auch an dieser Stelle
fur die freundliche Uberlassung einer Materialprobe danken.
H.-J. Hofert. Der Ubergang won der Glimmentladung usw. 559
E
A
0
0
2
ml
4
0
Y
4
II
4
0"
53
a
0
sich der kleine helle Brennfleck der BE. Abb. 8 gibt Photographien
dieser beiden F d l e wieder. Der Brennfieck der BE. bildete sich
keineswegs immer, in vielen Fallen aber bevorzugt inuerhalb des
stationaren Glimmlichts.
560
Annakn der Physik. 5, FoSe. Band 35. 1939
fiber den zeitlichen Verlauf von Strom und Spannung wahrend
des StoBes gibt die Braunsche Rohre folgende Aufschliisse. Im
allgemeinen wurde b.ei Konstanthaltung der iibrigen Parameter die
Ladespannung des StoBkondensators erhoht und die dabei auftretenden Veranderungen im Oszillogramm beobachtet. Eine solche
Reihe von Oszillogrammen l) zeigt Abb. 9 a. Die Brennspannung der
GE. steigt bei Einsatz des StoSes (Zeitpnnkt 0) zunachst an und
sinkt dann mit oberlagerung eines Ausgleichsvorgangs wieder ab, auch
schon solange der Strom noch steigt. Die Charakteristik der GE.
ist also bereits fallend. Von einer gewissen Ladespannung an
(1600 V in Abb. 9a) setzt der Umschlag in die BE. ein, jedoch
nicht bei jedem 8to6 und nicht immer zum selben Zeitpunkt. Der
eigentliche Abfall der Spannung von der hohen Blimmspannung zur
kleinen Bogenspannung erfolgt so schnell, daB er im Oszillogramm
nicht sichtbar ist. Mit zunehmendem U , erfolgt der
Umschlag hiiufiger, bis er
schlieBlich bei jedem StoB
einsetzt. Halt man die Amplitude des StromstoSes geniigend groB gegen die zum
Einsatz des Umschlags notige,
so erfolgt der Umschlag xeitlich so dehiert, daS die Spur
des Leuchtflecks anch wahrend des Umschlags
sichtbar
wird, Abb. 9b.
Abb. 10. StoBkreisdaten wie Abb. 9
Als fur den Umschlag
charakteristisch ergeben sich
also zunachst zwei Tatsachen: die knrze Dauer des Spannungsznsammenbruchs und die statistische Natnr des Bogeneinsatzes. Die
Dauer des Umschlags kann aus der erreichbaren Zeitauflosung zu
kleiner als lO-'sec bestimmt werden. Durch Vergleich mit einer bei
einmaliger oberschreibung gerade noch sichtbaren Hochfrequenzsec angegeben
amplitude kann die Dmschlagszeit zu kleiner als 5
werden. Die statistische Natur des Bogeneinsatzes z, wurde durch
_-
1) In allen Oesillogrmmen eracheint die Spannung nach oben, der Strom
nach unten von dereelben Nullinie aus aufgetragen. Auf dem Leuchtschirm
noch gut sichtbare Linien sind punktiert nachgeseichnet, die Nullinie gestricbelt, soweit sie nicht eigens photographiert wurde.
2) J. Slepian 11. R. L u d w i g (17) fanden diesen statistischen Einsate auch
bei Rucksfindungen in Hg-Dampf-Gleichrichtern.
H.-J. Hojert. Der Obergang von der Glammentladung usw. 561
Auszahlungen mit dem beschriebenen Zahlgerat untersucht. Es
stellte sich heraus, daB die Ergebnisse solcher Auszahlungen gut
reproduzierbar sind. .In Abb. 10 ist fur ein Beispiel die Zahl der
StoBe, die zum Bogen fuhren, als Prozentsatz der GesamtstoBzahl
aufgetragen in Abhangigkeit von der Ladespannung des StoBkondensators. Die verschieden markierten MeBpunkte entsprechen drei Me&reihen, die mit jeweils erneuerter Gasfiillung und umdestillierter
Kathode gewonnen sind. Fur jeden MeBpunkt wurden 1000 EinzelstoBe ausgezahlt.
B. D a s V e r h a l t e n der GE. g e g e n i i b e r dem Stromvtolj
Das Verhalten der GE. gegeniiber dem StromstoB, auch wenn
der Umschlag nicht stattfindet, interessiert im Hinblick auf die Frage,
wieweit die GE. wahrend des StoBes eine Vorstufe der BE. ist.
Vor allem ware es wiinschenswert, uber die momentane Bedeckungsflache der Kathode wahrend des StoBes Aussagen machen
zu konnen, um die auftretende Stromdichte abzuschatzen, die ja in
unmittelbarer Beziehung zur Feldemission steht [vgl. B ecken und
Seeliger(9)l. Versuche mit einem Drehspiegel auf der Achse eines
Synchronmotors [vgl. S t e e n b e c k ( l 8 ) l fiihrten jedoch zu keinem befriedigenden Ergebnis, da die Genauigkeit der Synchronisierung fur
die hohe Zeitauflosung nicht ausreichte. Untere und obere Grenzen
tm
72 -
708-
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-
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6
8
Abb. 11. Maximale F k h e des StoSglimmlichts
70
724mp
1 C, in pF_'I L, in mHy_' Re in Ohm~ 1 StoSdauer~ etwa in sec
a) Langer StoB I 0,124 '
0,36
19
2 - 10-5
b) Kurzer StoB
0,040
0,092
49
6 -10-6
StoBkreisdaten
- ._
1
~
-
~~
~
An.nalen der Physik. 5. Folye. B a d 35. 1939
562
f a r die Stromdichte kann man abschatzen, wenn man die visuell
meSbare maximale Ausdehnung des StoSglimmlicht.s in Beziehung
setzt zum maximalen StoSstrom i,o. Abb. 11 zeigt das Ergebnis
solcher Messungen und erliutert den EinfluS der Gasart und des
V
“7
2
0
4
6 rld6src
2,5
1=
0,5
1,5
mm
a) Cu-H, 350 tor
V
ZW
-
0
10
20
A
o
i
2
-6
3 4xmscc
0,04
0,04
0
0
Re =
84
c, =
0
350
49
4OOo
C. =
L, =
p
=
200
b) Hg-H, 1 = 2,O mm
0,04
0,36
49
0
350
pF
mHy
Ohm
PF
tor
Abb. 12. Spannungsspitze uiid Schwingungen der GE.
Zu a): StoSkreiadaten wie Abb. 9
Zu b): C, bedeutet einen zur Entladung parallel geschalteten Kondensator
Gasdruckes sowie den EinfluS der StoSdauer. Nimmt man als einen
Extremfall an, die Ausdehnung des Glimmlichts folge dem Strom
tragheitslos, so ergeben sich nach Abb. 11 Ytromdichten der QroSenordnung einiger Amp./cm’.
Nimmt man als anderen Grenzfall an,
H.-J. Hojert. Der fibergang von der Glimmentladung usw. 563
die Ausdehnung des Glimmlichts sei stark verzogert gegen die
Stromentwicklung, derart, daB es seine Flache beim Strommaximum
noch nicht uber die der stationaren Entladung vergroBert hat, so
erhalt man Stromdichten von 20-100 Amp/cm2, je nach Gasart
nnd Druck. Stromdichten dieser GroBenordnung reichen zum Einsetzen einer merklichen Feldemission schon aus [vgl. S om ni e r
m e y e r und Becken(6)I.
Weiterhin ergeben die Oszillogramme noch folgendes. Die erfite
Spannungsspitze beim Einsatz des StoBes ist offenbar das Zeichen
fur die Entstehung einer kontrahierten positiven Saule, die auch
als heller Strang sichtbar wird. Die Ausbildung einer solchen Saule,
wie sie beim stationaren Lichtbogen vorliegt, erfolgt bekanntlich (19)
dam, wenn sekundare Ionisierungsprozesse, wie Ionisierung in Stufen
und thermische Ionisierung, stark an der Gesamtionisierung beteiligt sind. Das ist der Fall bei hohen Drucken und Stromdichten.
Da6 die erste Spannungsspitze des Oszillogramms jedenfalls fur die
positive Saule charakteristisch ist, zeigt Abb. 12a an einem Beispiel.
Die Spannungsspitze verschwindet mit kleiner werdendem Elektrodenabstand 1. Ebenso wird die Frequenz und Amplitude der iiberlagerten Schwiiigung kleiner mit abnehmendem Elektrodenabstand.
Es handelt sich bei dieser Schwingung also offenbar um das Pendeln
der abgeschnurten Saule um einen Gleichgewichtszustand. Da6 die
Schwingung eine Eigenschaft der Entladung ist und nicht etwa
durch die augeren Schaltmittel vorgetauscht wird, beweist Abb. 12b,
bei der unter sonst gleichen Bedingungen die Einzelglieder des
StoBkreises verandert wurden. Die ubrigen elektrischen Kreise sind
wie erMhnt aperiodisch gedampft. - Die Schwingungen treten auch
in N, und Ar auf, jedoch weniger ausgepragt als in H,.
DaB wahrend des StoBes in der GE. sekundare Ionisierungsprozesse stark mitwirken, zeigt auch folgende Beobachtung. Die
Abhangigkeit des maximalen StoBstromes i,, von der Ladespannung
des StoBkondensators U, ist fur alle untersuchten Entladungen linear,
a i e Abb. 13 an Beispielen zeigt (der Abschnitt auf der 77,-Achse
entspricht der stationaren Brennspannung). Die Entladungen verhalten sich also formal wie Ohmsche Widerstande. Bestimmt man
analog der Methode von H a g e n b a c h und Wehrli(20) durch Vergleich mit einem Ohm when Widerstand diese Widerstande, so ergeben sich Werte zwischen 20 und 40 Ohm fur Drucke zwischen 100
und 400 tor. Diese Werte sind klein gegeniiber den von K l a r f e l d (21) gefundenen Wechselstromwiderstanden einer QE. bei kleinem
Druck und kleiner Stromamplitude, liegen vielmehr in derselben
GroBenordnung wie die fur die BE. gefundenen (20).
-
564
Annalen der Physilc. 5. Folge. Band 35. 1939
Abgesehen von diesen durch die hohe Stromdichte hervorgerufenen Effekten nimmt jedoch die GE. wahrend des StoBes
offenbar keine der BE. verwandte Form an: das Glimmlicht hat
immer eine gegen den stationaren Zustand groBe Ausdehnung und
die Spannung sinkt nie unter die stationare Brennspannung.
Abb. 13. Abhangigkeit Ladespannung-StoSstrom
StoSkreisdaten wie Abb. 9
Fur die Kurve R=20Ohm wurde die Entladung durch einen Ohmschen
Widerstand von 20 Ohm ersetzt
C. D i e Wahrscheinlichkeit d e s U m s c h l a g s an H g und C o
Interessant ist vor allem die Frage, welche der elektrischen
GroBen fiir den Umschlag bestimmend ist. In Abb. 14 sind die Ergebnisse von Auszahlungen aufgetragen , bei denen bei konstantem
Wert des Stofikondensators der Wert der Selbstinduktion L, (Abb. 3)
verandert wurde. Die Wahrscheinlichkeit des Umschlags sinkt mit
steigender Selbstinduktion, d. h. mit abnehmender Steilheit des Stromanstieges. Da bei konstantem U , die der Entladung pro StoB zugefuhrte Energie konstant ist, ist diese Energie also sicher nicht
bestimmend fur den Umschlag. Das Bild andert sich auch nicht
wesentlich, wenn man die Umschlagswahrscheinlichkeit gegen den
maximalen StoBstrom i,,, auftragt. Ebenso ergibt sich keine eindeutige Abhangigkeit, wenn man die mittlere Steilheit des Stromanstiegs oder die nberspannung der GE. gegeniiber der Ruhespannung l) als Variable wahlt. Allerdings sind die Grenzen solcher
-
1) In Analogie zur stationarenEntladung, bei der Stromdichteund Spannung
eindeutig verkniipft sind.
H.-J. Hofert. Der Ubergang von der Glimmentludung usw. 565
Zuordnungsversuche bei der vorliegenden Anordnung ziemlich eng,
da die Veranderung der StoBdauer nach zwei Seiten beschrankt ist:
nach kurzen StoSen zu durch die Aufbauzeit des Thyratrons und
nach langen StoSen zu durch das Aufireten des Randbogens. Qualitativ kann man sagen, daS der Umschlag um so mehr begiinstigt
Hy -&3 X h
6/i7 m@
&me&
Abb. 14. EinfluE der StoSkreisdrossel L. auf den Umschlag
C, = 0,040 pF
x
&
Abb. 15. Umschlag an Hg.
StoEkreisdaten wie Abb. Y
%I
cu-A$
Abb. 16. Umschlag an Cn.
StoEkreisdaten wie Abb. 9
wird, je groBer die Steilheit des Stromanstiegs ist, geniigend groBe
Stromamplitude vorausgesetzt. Da wegen der endlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit des Glimmlichts die Stromdichteerhohung urn so
groBer ist, je schneller der Strom ansteigt, bedeutet das offenbar,
daS zum Einsetzen des Umschlags die Stromdichte geniigend groB
werden muS. Die statistische Natur des Umschlags zeigt jedoch,
daS auSerdem noch lokal ,,giinstige" Bedingungen vorliegen miissen,
auch an einer fliissigen Oberflache.
566
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 35. 1939
Zum Vergleich der Kathoden und Gase hinsichtlich der Bogenneigung sind in Abb. 15 und 16 einige Messungen zusammengestellt.
An (kalter s. u.) Hg-Kathode ist Ar wirksamer als N,. I n H, 1aBt
sich der Umschlag erst bei htiheren Drucken erreichea. An Cu ist
die Wirksamkeit von S r und H, vertauscht, in H, konnte der Umschlag bis zu Drucken von 500 tor und StoBstromen von 40 Amp.
nicht erreicht werden. Den EinfluB des Druckes zeigt Abb. 17 an N,.
Bei 50 tor setzt mit StoBstromen uber 2 Amp. der Randbogen
(vgl. S. 558) ein (gestrichelt). Der DruckeinfluB bei den anderen
Gasen und an Hg ist qualitativ derselbe.
Vom Elektrodenabstand erwies sich die Wahrscheinlichkeit des
Umschlags als unabhangig innerhalb des immer benutzten Bereiches von 0,5-2,5 mm, wie an Cu systematisch und an Hg in
Einzelbeobachtungen gepruft wurde.
D. D e r E i n f l n B v o n K a t h o d e n - und Gastemperatur
auf den Umschlag
Zum Studium des Einflusses der Temperatur auf den Umschlag
wurde entweder das ganze Entladungsrohr in einen Ofen eingebaut
oder die Temperatur der Kat.hode geandert durch Anderung der
stationiiren Glimmstromstarke. Dabei sind Einfliisse zu erwarten
1. von der Gasverdunnung, 2. von der Kathodentemperatur, soweit
sie zur Verdampfung des Kathodenmaterials ausreicht und 3. von
der Kathodentemperatur, soweit sie fur thermische Emission ausreicht. An der Hg-Kathode wird der EinfluB 2. bestimmend sein,
an der Cu-Kathode der EinfluB l., und an der W-Kathode wird
EinfluB 3. erkennbar werden, wenn die Temperatur jeweils bis
zum Schmelzpunkt bzw. Siedepunkt des betreffenden Metalles
erhoht wird.
1. Hg-Kathode. Die Wirkung des Metalldampfes
Zur Frage nach der Wirksamkeit des Metalldampfes ist zunachst
folgende Beobachtung zu erwahnen. Bei einer Entladung, bei der
etwa der Umschlag mit 50 Wahrscheinlichkeit stattfindet, beobachtet man zwar im Falle der Bogenbildung spektroskopisch eine
hell leuchtende Wolke von Metalldampf iiber dem Brennfleck (auch
an Wolfram), in den Fallen, in denen die GE. bestehen bleibt,
jedoch im StoBglimmlicht keine starkeren Metallinien als im
stationiiren Glimmlicht. Es scheint sich Metalldampf in groBeren
Mengen also erst durch den Bogen selbst zu bildenl).
1) Zu demselben SchluB kommt man bei Drehspiegelaufnahmen von oseillierenden Funken, vgl. H. K a i s e r u. A. W a l l r a f f (22).
H.-J. Hojeert. Der Ubergang von der Glirnrnentladung usw. 567
Stellt man durch Erwarmung im Ofen stationar einen hoheren
Hg-Dampfdruck ein, so beobachtet man in H, einen Gang des Umschlags mit der Kathodentemperatur, wie ihn Abb. 1 7 zeigt. Bei
hohen Fremdgasdrucken
wird der Umschlag schon
merklich begiinstigt durch
Hg-Dampfdrucke von
einigen tor. Bei niedrigen Gasdrucken tritt er
erst auf, wenn die Konzentration des Metalldampfes vergleichbar ist
mit der des E’iillgases.
In reinem Argon zeigt
sich nach Abb. 18 eine
sehr auffallige Abhan@
47 l ?
5 70
50 roD hr//g-hmpf
gigkeit des Umschlags
Abb. 17. Abhangigkeit des Umschlages
vom Hg-Dampfdruck, die
vom HgDampfdruck in H,.
nicht weiter geklirt wert k Kathodentemperatur
den konnte. Offenbar
handelt es sich hier um eine komplizierte uberlagerung des Einflusses von Gasverdunnung und Metalldampf bildung. Das zugehorige
Oszillogramm, Abb. 19, zeigt nur eine VergrSBerung der ersten
I
,
I
I
%
1m
80
#
40
20
0
M
M
dl
617
IUU
72V
740
MII
ldvl
W
,
220 246’
,‘x
260 80 300 ‘C
Abb. 18. Abhangigkeit des Umschlags vom Hg-Dampfdruck in Ar
Spannungsspitze, wie sie auch in H, bei hoherem Hg-Dampfdruck
auftritt. Merkwiirdig ist jedenfalls, daS fur t, < 50°C der Umschlag
auch bei kleinem Argondruck mit 100 W-ahrscheinlichkeit erfolgt.
Ijabei setzt der Bogen immer au6erhalb des stationaren Glimmlichts an.
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 35. 1939
568
In N, bilden sich auch bei groSter Reinheit des Gases an Hg
und Cu Nitride, die die Bogenneigung sehr stark begiinstigen. Da
0
1
A
I
0
.
1
t, =
,
.
.
-6
.
3 4 5 r 10 SIC.
2
50
100
65
OC
Hg-Ar 360 tor
Abb. 19. Oszillogramme zu Abb. 18
sie sich bei hoherer Temperatur wieder zersetzen l), bildet sich
offenbar ein temperaturabhangiger Gleichgewichtszustand am, der
jedoch nicht vollig reversibel und reproduzierbax ist. Die Ergebnisse der Messungen, die einen starken Temperatureffekt an Hg,
einen schwachen anch an Cu zeigen, sind deshalb in diesem Zusammenhang kaum brauchbar.
2. Orc-Kathode. Die Wirkung der Gmerdiinnung
Bei Erwarmung des Rohres mit Cn-Kathode im Ofen zeigt sich
eine Abnahme der Umschlagswahrscheinlichkeit mit wachsender
Temperatur, Abb. 20, die offenbar der einer Druckverminderung
M
LV
Iw
It8
fJ0
ZM
169
M0C
Abb. 20. Temperaturabhiingigkeit des Umschlags an Cu
t, Temperatur der GefiiSwand
1) In dem bei der Zersetzung entstehenden Gaa ist nur
nachweisbar.
Np,kein 0,
H.-J. Hofert. Der Ubergang vcm der Glhmenlladung usw. 569
gleichkommenden Gasverdunnungl) entspricht. Denselben Gang zeigt
die Umschlagswahrscheinlichkeit, wenn die Kathodentemperatur und
die Temperatnr der vor der Kathode befindlichen Gasschicht durch VergrbBernng
des Glimmstroms igerhoht wird, Abb. 21.
J
Dabei ist fur ig= 130 mA die Kathodentemperatur etwa gleich 700 C. Auch bei
Q
M
IM m,q 4
Temperatursteigerung bis nahe an den
Abb. 21. Abhiingigkeit
Schmelzpunkt la& sich noch kein Eindes Umschlags
flus einer etwa beginnenden Verdampvom Glirnmstrom
fung feststellen.
3. W-Kathode. Felabogen und themhcher Bogen
R e c k e n und S o m m e r m e y e r (6) fanden an Wolfram zwei verschiedene Bogenformen, die sie als Feld- bzw. thermischen Bogen
deuteten. Dieser Befund wird durch die folgenden Versuche bestatigt, und es werden weitere charakteristische Unterschiede der
beiden Formen angegeben.
Die Versuche wurden in N, ausgefiihrt. Wolfram ist gegeniiber reinem
N, chemisch indifferent. Die Tempwatur des Kathodenstabee wurde durch
die Glimmstromstiirke eingestellt. Dabei konnte beim Betrieb mit Anode A,
(vgl. Abb. ti) eine geniigend gleichmuige Temperaturverteilung Ihgs der Kathode erzielt werden (Temperaturdifferenz zwiechen Ende und Mitte des Stabes
etwa 300° C bei 15000 C Mitteltemperatur). AuEer dem durch die Temperaturverteilung bedingten konnten keine sonstigen Unterschiede zwischen dem Betrieb mit Anode A , bzw. -4, hinsichtlich der Bogenneigung festgestellt werden.
Tabelle 1
C.
=
0,24 pF; L,
= 0,092
mHy; Re = 49 Ohm; i,. = 23 Amp.
~-
Glimlnstrom
I
temperatur
Rathoden-
inmA
1
in°C
-~
15
125
175
250
300
~
I
1
1
Umschlag
~-
~~
I
1
GOO
1100
1250
1340
I
100
I,
18
I
0
0
!
Vergleiche
Abb. 22
___
C)
-
Mit kurzen StromstoBen erhalt man den Umschlag an Wolfram
nur dann, wenn die Temperatnr der Kathode nicht zu hoch ist. In
Tab. 1 sind die Ergebnisse von Auszahlungen zusammengestellt, in
Abb. 22 die zugehorigen Oszillogramme. Das Verschwinden des
-~ ~-
1) In allen Fallen war an das Entladungsrohr ein groBeres Volumen angeschlossen, die DruckerhBhung infolge der Erwiirmung hetrug infolgedessen
maximal nur loo/,.
Annalrn drr Phjsik. 5 . Folgr 3.5
38
Alznalen der Physik. 5 . Folge. Band 35. 1939
570
Umschlags rnit wachsender Kathodentemperatur beweist, daB diese
Bogenform nicht thermischen Ursprungs ist. Vielmehr liegt hier
offenbar ein Feldbogen vor, der durch die groflere Gasdichte bei
geringerer Temperatur oder auch durch die Gasbeladung der Kathode
V
30
X
a)
SRC.
b)
W-N, 400 tor
Abb. 22. Oszillogramm zu Tab. 1
begiinstigt wird. Die Wirksamkeit einer Gasbeladung nehmen auch
S o m m e r m e y e r und B e c k e n (6) an. Fur diese Annahme spricht
die Tatsache, daB der Feldbogen nach langerer Betriebspause haufiger
auftritt als nach vorhergegangenem Gliihen der Kathode, bei in
beiden Fallen gleicher Kathodentemperatur.
7
h
Abb. 23. Anordnung fur lange StromstoSe
Die thermische Bogenform konnte mit kurzen StsBen nicht erhalten werden, wohl aber mit geniigend langdauernden StoBen, so
daB sich wahrend des StoBes die Kathode merklich aufheizte. Solche
langen StoBe wurden erzeugt mit der Anordnung nach Abb. 23.
Dabei wurde einfach eine Halbwelle des 50-Per-Stromes als StromstoB benutzt. Die Frequenz der StoBe konnte wieder durch Steuerung
des Thyratrons mit dem etwas abgeanderten Schaltgerat eingestellt
werden. Mit dieser Anordnung erhalt man bei kalter Kathode einen
H.-J. Hofert. Der Ubergang von der Glimmentladung usw. 571
Bogen nach Abb. 24a1). Diese Bogenform besitzt dieselben Kennzeichen wie die bei kurzen StoBen auftretende. Der Umschlag setzt
nicht bei jedem StoB ein, sondern statistisch mit zunehmender
Wahrscheinlichkeit fur groBerwerdende StoBamplitude. Mit zunehmender Kathodentemperatur verschwindet der Umschlag wieder.
Charakteristisch ist weiter die sehr kurze Zeit der Umbildung von
der GE. in die BE.: es darf angenommen werden, daB die Dauer
des Umschlags von derselben GrWenordnung ist wie beim Bogen
mit kurzen StOBen, also lO-'sec oder kleiner.
Abb. 24. Umschlag an Wolfram bei langen StoBen. Anode A,
Wird die Kathodentemperatur auf uber 2000O C erhoht, so tritt
von neuem ein Umschlag ein. Dieser Bogen ist offenbar thermischer
Natur. J e hoher die Ausgangstemperatur der Kathode ist, desto
fruher relativ zur Phase des StromstoBes setzt der Bogen ein.
Abb. 24 b zeigt zwei solche Umschlage f u r verschiedene Ausgangstemperaturen der Kathode. Der Einsatz erfolgt regelmaibig bei jedem
~
1) Die Oszillogramme bei den langsamen StGBen muBten mit kleinem
Strahlstrom der Braunschen RGhre aufgenommen werden, da die Dunkeltastung des StraEls wahrend der Pansen nicht anwendbar war. Daher die
geringe Lichtstiirke im Vergleich zu den Oszillogrmmen bei hoher Zeitauf losung.
38 *
572
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 35. 1939
StoB, also nicht statistisch wie beim Feldbogen. Kennzeichnend fur
diesen thermischen Bogen ist der relativ langsame Verlauf des Umschlags. Die Umschlagszeit ist, entsprecheud dem Oszillogramm
mit hiiherer Zeitauflosung, von der GroBenordnung lo-' sec, also
mehrere Zehnerpotenzen groBer als die des Feldbogens l). Die Berlingung fur das Einsetzen eines thermischen Bogens ist offenbar
die, daB wahrend des StromstoBes ein gewisser Bereich der Kathodenoberflache bis zur Emissionstemperatur aufgeheizt wird. Die eigentliche Umbildung der GE. in die BE. dauert offenbar deshalb verhaltnisma6ig lange Zeit, weil die Warmekapazitat der aufzuheizenden Zone
nicht verschwindend klein ist.
Eine rechnerische Erfassung der Vorgange ist nur in roher Abschatzung
moglich, da die jeweilige Bedeckungsflache der Kathode nicht hekannt ist.
Der iibliche Warmeleitungsansatz [vgl. B e c k e n und S e e l i g e r (9)] ergibt eine
Umbildnng3zeit von 10-4 sect also die beobachtete GrBBenordnung, wenn man
annimmt, die Kathode mii6te lokal um 500° C aufgeheizt werden und die gesamte Kathodenfall-Leistung w erde einer Flache von 0,Ol cme zugef iihrt.
Zusammenfassend ist zu sagen, daB die geschilderten Beobachtungen im Sinne der Erklarung der beiden Bogenformen als Feldbzw. thermischer Bogen liegen: statistischer Einsatz, Verschwinden
bei hoher Kathodentemperatur und kurze Umschlagszeit einerseits,
und regelmaBiger Einsatz, Erscheinen bei hoher Temperatur und
lange Umschlagszeit andererseits.
E. D i e S t a b i l i s i e r u n g d e s U m s c h l a g s
Die Umschlagszeit beim Feldbogen ist so kurz, daB sich bei
der hier benutzten Anordnung infolge der Stabilisierung durch die
Drossel der Strom wahrend der Umschlagszeit nicht merklich andern
kann. Daher liegt die Vermutung nahe, daB der Umschlag beim
Feldbogen prinzipiell unstetig verlauft. In der Tat ist die Stabilisierung des Obergangs GE.-BE. bis jetzt nur an Wolfram als
Kathode gelungen (3), (23) unter Bedingungen, bei denen sicher thermische Emission vorhanden war. S e e l i g e r (24) erhielt an Hg in
H, eine Charakteristik wie Abb. 1 b. Diese Versuche wurden in H,
und Ar wiederholt und es zeigte sich, daB der Spannungsabfall C-C'
und die gleichzeitige Zusammenziehung des Glimmlichts durch die
Verdampfung des Quecksilbers erklart werden kann (durch Vergleich
mit der Brennspannung einer Entladung mit durch auBere Heizung
eingestelltem Dampfdrucb). Im Bereich C-C ' liegt also wieder eine
1) Die Vermutung, daB die Umschlagsdauer des ,,Einschaltbogens" wesentlich kiirzer ist als die des Bogens an heiSen Elektroden, sprach schon
H. Plesse [a. a. 0. (S), S. 4921 auf Grund der Registrierung von Hochfrequenzstorungen aus.
H.-J. Hofert. Der Ubergang von der Glimmentladung usw. 573
normale GE. vor, wobei sich die Spannung entsprechend der durch
den Strom gegebenen Mischung Hg-Dampf-H, einstellt. Der eigentliche Umschlag erfolgt dann unstetig, auch bei hohem Vorschaltwiderstand (40000 Ohm). Danach erscheint es wahrscheinlich, daB
an einer Kathode, die den Feldbogen liefert, kein nbergangsgebiet
zwischen GE. und BE. stabil erhalten werden kann.
Die Stabilisierung des fjbergangs zum thermischen Bogen, wie
sie von W e h r l i (3) in gleicher Anordnung eingehend untersucht
wurde, gelingt nur, wenn einerseits der Gasdruck geniigend gro6 ist
und wenn andererseits die Warmeabgabeverhaltnisse der Kathode
geeignet sind, so namlich, da6 sich die Kathode als Ganzes nahezu
gleichmaBig erwarmt (2. B. Kugel an diinnem Stiel oder dunner
Stab). Diese Bedingungen sind im Sinn der Ausfuhrungen von S. 549
J
-
0
I x lo-2
-
0
1 x 10-2sec.
tk = 2400O C
tk = 19000 c
W-N, 260 tor
Abb. 25. Verhalten des ,,stabilisierten" Bogens gegeniiber einem StromstoB
Kathode: Wolframstab von 1 mm Durchmesser. Anode: A, in Abb. 6
tk = Temperatur der Kathodenkuppe
verskndlich. Ein solcher ,,stabilisierter" Bogen stellt eine Abart des
normalen thermischen Bogens dar, insofern als der Emissionsbereich
der Kathode groB ist gegeniiber dem BrennAeck des normalen
Bogens. Das auBert sich z. B. darin, daB die Charakteristik des
,,stabilisierten" Bogens auch gegeniiber niederfrequenten Stromanderungen nicht fallend ist. Abb. 25 zeigt die Brennspannung
einer solchen Entladung im flbergangsgebiet, wobei sie den beschriebenen langsamen Stromstofien ausgesetzt wurde '). Die Charakteristik ist steigend und wird erst fallend gegeniiber sehr niedrigen
Frequenzen (GrGfienordnung 0,l pro Sek.), wobei die Warmekapazitat
des gliihenden Kathodenteils eingeht. Erkliiren lLBt sich dieses
Verhalten offenbar dadurch, daB sich bei dieser Bogenform infolge
des relativ grogen Emissionsbereichs der Kathode keine kontrahierte
1) In der Brennspannung erscheint auch die Oberwelle der Maschinenspannung.
5 74
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 35. 1939
positive Saule ausbildet, die bekanntlich die fallende Charakteristik
eines Bogens verursacht. Ob die ,,stabilisierte" Form wahrend eiues
StromstoSes umschlagt in den t hermischen Bogen mit kleinem Brennfleck, ist abhangig von den Warmeabgabeverhaltnissen an der Kathode. Entsteht wahrend des StromstoSes eine merklich inhomogene
Temperaturverteilung auf der Kathodenoberflache, so bildet sich der
kleine Brennfleck aus.
IV. Diekuesion der Ergebniese
Die Versuchs ergaben charakteristische Unterschiede zwischen
der als Feldbogen zu deutenden Bogenform an Hg, Cu und kaltem W
einerseits und dem thermischen Bogen an gliihendem W andererseits.
Alle Kennzeichen des Feldbogens weisen darauf hin, daB er
nicht durch kontinnierliche Verandernng der GE. entsteht, sondern
sich nach Art eines Kippvorgangs an einer Stelle der Kathode entwickelt, die zufallig durch irgendwelche Umstande begunstigt ist.
Diese gtinstigeii Umstande konnten bestehen etwa in einer lokal
starkeren Konzentration von Metalldampf im Verein mit der wahrend
des Sto0es hohen Stromdichte. Wegen der kleinen Anregungsspannungen und der langen Lebensdauer (25) einiger Anregungsniveaus bei Metalldampfen ist zu erwarten, da0 bei haheren Stromdichten eine Stufenionisierung im Metalldampf besonders leicht
einsetzt. Reicht die Stromdichte einmal zum Einsatz einer Feldemission aus, so erhohen sich Stromdichte und Stufenionisierung
wechselseitig. DaB dieser Vorgang sehr schnell erfolgen kann, ist
verstilndlich, da die Laufzeit der positiven Ionen dabei keine Rolle
spielt, im Gegenteil ,,stillstehende" Ionen die Baumladung vergro0ern. Der Gleichgewichtszustand durfte gegeben sein durch Einstellung einer maximalen Stromdichte infolge der Gasverdiinnung
durch Erwarmung und der Ausbildung einer Sattigong der angeregten
Zustinde.
Da0 die Verdampfung des Kathodenmaterials nicht thermisch
im makroskopischen Sinne, sondern nach Art der Kathodenzerstaubung erfolgen konnte, bemerkt schon P l e s s e (8).
Der Umschlag beim Feldbogen weist eine nahe Analogie zum
Durchschlag beim Funken auf. Der Durchschlag entwickelt sich in
einem von mehreren Ionisierungskanalen (26) und ebenfalls innerhalb
sehr kurzer Zeit (27) bis zur BE. Zur Erklarung der kurzen Aufbauzeit des Funkens hat man auf Grund neuerer Versuche (28) die Wirksamkeit einer kurzwelligen Ultraviolettstrahlung herangezogen. Man
nimmt an, daf3 diecle Strahlung die Elektronen aus der Kathode
photoelektrisch auslost. I n diesem Zusammenhang ist interessant, da0
H.-J . Hojert. Der Obergang von der Glirnmentladung usw. 575
Beu t l e r (29) in Metalldampfen kurzwellige UV-Linien (600-800 A)
fand, die eine Zwischenstufe zwischen den optischen und den Rontgenspektren darstellen. E s ist also moglich, daS Metalldampfe bei Entstehung einer solchen kurzwelligen Strahlnng bevorzugt sind. Dabei
bestiinde dann weiterhin die Moglichkeit, daB eine solche Strahlung
auch beim stationaren Bogen die Elektronenbefreiung an der Kathode
tibernimmt, daS also die Feldtheorie, die bekanntlich (9) quantitative
Schwierigkeiten bietet, ubertltissig ware. Dariiber kann jedoch erst
entschieden werden, wenn Aussagen uber die Intensitat und -die
photoelektrische Ausbeute der erwiihnten Strahlnug vorliegen.
Gegeniiber diesen noch groljen Unsicherheiten zur Erklarung
des Feldbogens zeigten die Versuche, daS der thermische Bogen
an Wolfram durchaus auf Grund der gewohnten Vorstellungen iiber
die thermische Emission und die makroskopische Obediichentemperatur verstanden werden kann.
V. Zueammenfaeaung
Schaltet man auf eine Glimmentladung kurzzeitige StromstoSe,
so tritt bei nicht zu hoher Kathodentemperatnr der Umschlag in
die Bogenentladung (Feldbogen) ein, wenn die Steilheit des Stromanstieges und die Amplitude des StromstoSes geniigend gr0S ist.
Die der Entladung pro StoS zugefiihrte Energie ist nicht fur den
Umschlag bestimmend. Der Umschlag erfolgt nicht bei jedem Sto6,
sondern statistisch mit wachsender Wahrscheinlichkeit bei zunehmendem StoSstrom. Die Dauer des Umschlags ist von der
sec. Bei hohen Gasdrucken begiinstigt MetallGroBenordnung
dampf schon in kleinen Konzentrationen (entsprechend dem Druck
von einigen tor) die Bogenbildung.
Der an hei6em Wolfram auftretende thermische Bogen unterscheidet sich vom Feldbogen durch langere Umschlagszeit (
sec),
regelma6igen Einsatz und Entstehung erst bei hoher Kathodentemperatur. Die beobachteten Erscheinungen sind auf Grund der iiblichen
Vorstellungen iiber die thermische Emission verstiindlich.
Fur den Feldbogen wird die Moglichkeit der Mitwirkung einer
kurzwelligen Ultraviolettstrahlung angegeben.
Die vorliegende Arbeit wurde im Physikalischen Institut der
Technischen Hochschule Mtinchen ausgefuhrt. Herrn Geheimrat
Prof. Dr. J. Zenneck spreche ich f a r die Anregung zur Arbeit und
seine stiindige, f ordernde Beratung meinen ergebenen Dank aus.
Der Deutschen Forschungsgemeinschaft danke ich fur die freundliche uberlassung von Apparaten.
576
Annalen der Physik. 5. Folge. Band
35. 1939
VI. Literatup
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s.
Miinchen, Physik. Inst. der Techn. Hochschule, Februar 1939.
(Eingegangen 6. Mai 1939)
V e r a n t w o r t l i c h : fur die Redaktion: Prof. Dr. E. Gruneisen Marburg/L.; fur Anzcigen
Bernhard v. Ammon Leipzig. Anzeigenannahme: Leipzig C 1 Shomonstr. 18B Tel. 70861. Verlag: Johann Ambkosius Barth. Druck: Metzger&Wittig, Leiizig C 1. DA. 1000.’- 11.Vj. 1939. Zur Zeit gilt Preisliste 4. Printed in Germany.
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