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Der Graphitbogen als spektralphotometrisches Strahldichtenormal im Gebiet von 0 25 bis 1 8.

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Der Qraphltbogen als spektralphotometrisches
Strahldichtenormal im Qeblet von 0,ZS bls 48 p
Von J.Euler
(Mit 18 Abbildungen)
Inbaltsitbersiebt
Brennt man einen Kohlebogen zwischen einer reinen, moglichst feinkornigen
Graphitanode und einer diinnen Kathode aus weitgehend beliebig wiihlbrem
Material, so ist die Strahldichte des Positivkraters in grohn Gebieten von Strom
iind Winkelstellung usabhiingig und reprodueierbar Aus eingehenden Messungen
kann auf eine Reproduzierbarkeit von f 1 bis 1,5"/0geschlossen werden, WeM die
Stromsfiirke 0,75 bis 0,95 der Zischstromstiirke betriigt uud der WinkeI ewiechen
90 und 120" liegt, Die spektrale Energieverteilung ist durch die Plancksche
Isotherme und das spektrale Emissionsvermtigen gegeben. Beide werden getrennt
voneinander gemeasen. Fiir die wahre Kratertemperatur ergibt sich mit c, = 1,438
cm Grad und Pt-Schmelzpunkt Tpt = 1769", also in der 1948 auf der 10. Generalkonferenz festgelegten Temperaturskala W K =3995 f20"K. Die Fehlergrem
ist ausreichend hoch angesetzt.
Das spektrale Emiaaionsvermogen wird in Form einer Kurve angegeben. Die
Abweichungen verschiedener Kolilen werden eingehend diekutiert. Eine Verschiebung der Temperaturskala beeinflult daa spektrale Emissionavermogen nicht.
Zwischen 365 und 415 mp ist die Schichtdicke der Flammenstrahlung so grol, d a l
die Kratemtrahldichte merklich veriindert wird. Die dort auftretenden starken
CN-Banden miissen entweder mittels C0,-Atmosphiire entfernt werden, oder die
Dispersion muB so grol gewahlt werden, d a l zwischen einzelnen Bandenlinien
gernessen werden kann.
.
1. Einleitung
Die Strahldichte dea positiven Krabrs eines zwischen einem reinen Graphitstift als Anode und einer beliebigen Kathode brennenden Niederstrombogens ist
in einem weiten Gebiet n i c h t von der Stromsfiirke abhsngig und gut reproduzierbar. Ebenso sind kleine hderungen der gegeneeitigen Lage der Elektroden
ohne Einflul. Diem Tatsache legt es nahe, den Graphitkrater als Normal zu verwenden. Seine Vorteile liegen in der hohen und relativ genau definierten Strahldichte. Die Handhabung ist gegeniiber den meisten schwarzen Korpern noch als
bequem zu bezeichnen;die Bogenlamp ist leicht tramportabel, braucht nicht allzuvie1 &om und nur einen einfachen Vorwiderstand. Eine tfberwachung etwa der
Netzspannung auf Schwankungen oder eine uberwachung der Kratertemperatur
ist nicht erforderlich. Ale Lampen l a w n sich normale Nebenechlulregellampen
mit periodischem Nachschub gut verwenden; die als Anode erforderlichen reinen
Graphitstifte sind als spektralreine Kohlen im Handel. 413Kathode verwendet
204
Annalen der Physik. 6. Fdge. Band 11. 1953
man mtiglicbt diinne (4 mmDmr), verkupferte Hartkohlen. Der Bogen brennt
um so ruhiger, je diinner die Kathode ist.
Das Graphitnormal ist daher als Strahldichtenormal von McPherson')
und als Leuchtdichtenormal von P a t z e l t u. a.*)s, vorgeschlagen worden. Es kann
aber kaum als hinreichend untersucht gelten. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es,
das spektrale Emissionsvermogenund die wahre Temperatur des positiven Kraters
moglichst genau eu ermittsln. Die Messung des Emissionsvermogens erfolgt in
einem weiten Wellenlangenbereich aus Reflexionsmeasungen. Daa bedeutet, daB
in die= Masungen die Kratertemperatur nicht eingeht. Der AnschluB an die in
anderen Spektralgebieten unmittelbar gemeesene Energieverteilung erlaubt hier
die Trennung in Temperatur - also Plancksche Isotherme - und Emissionsvermogen. Die so gewonnene Temperatur kann durch schwarze Temperaturmessungen mit einem Gliihfadenpyrometergestutzt werden. Dazu wird das Eniissionsvermogen bei der Ppometerwellenlange zwischen etwa 2000 und 3300" K gcmemen und auf 4OOO" K extrapoliert.
Der TemperaturmeBwert hangt an der Definition der Temperaturskala. Sollton
aich der Wert von c, oder die Fixpunkte verschieben, so andert sich damit aucli
die Kratertemperatur. Das spektrale Emissionsvermogen bleibt jedoch davon
unberiihrt.
Dariiber hinaus stellt sich die Arbeit die Aufgabe, Aussagen uber die Definition
zu machen, also uber die Unterschiede der verschiedenen Kohlesorten und die
zeitlichen Schwankungen. Weiter sollte der EinfluB der starken, blauen CNBanden auf die thermische Strahlung gemessen werden. Im eraten Teil der Arbeit
wird schliefilich uber die Erfahrungen berichtet, die in etwa 4 Jahren mit. dem
Graphitnormal gewonnen werden konnten.
2. Allgemeines, Kohlesorten
Der Graphitnormalbogenist ein Gleichstromlichtbogenzwischen einer psitiven
Graphitelektrode und einer moglichst diinnen, im Material in weiten Grenzen beliebig wahlbaren negativen
" - - .-. p
22.2
Elektrode. Der Bogen zeigt
L2 t
eine charaktaristische Abhangigkeit der Strahldichte von
der Stromstarke. Abb. 1 zeigt
eine typische, gemessene
Kurve. Wesentlich ist das
von der Stromstiirke unabhiingige ,,Konstanzgebiet" der
Ringsdorf 513 I K
Kraterstrahldichte. Dieses GeA 5OOmp
biet ist bei den verschiedenen
Kohren verschieden groB, er14
streckt sich aber grob geeehen
-
-
13
12
4
5
6
7
8
9/A@
Abb. 1. Strahldichte dea Graphitkrateraale Funktion
der Stromdichte. Kohle: Ringedorff 613 EK, Wellenlange 1 = JjO mp, Winkel 100"
1) McPhereon, J. opt. Soc.
h e r . 80, 189 (1940).
*) F.P a t z e l t u. K.. Baldewein, Wh. Veroff. SiemenaKonmrn 21, H. 1, 213 (1943).
8 ) F.Patzelt,DaaLieht18,
Heft 6-9 (1943).
J . Euler: Der hphitbcgen a b a p e & r d @ d o m & ~ e s Strahldichtenomurl
205
stets zwischen 75 uqd 100% der Zisch-Stromstirke. Praktisch wird man am
besten zwischen 90 und 95% der Zischstromstiirke arbeiten.
Die Winkelstellung der Kohle ist ebenso wie die Querschnittsform der Positivkohle nur von untergeordneter Bedeutung. Die besten Ergebnisse, also die gleichmalligsten Krater erhiilt man bei einem Winkel der Kohlenachsen von 190 bis 130".
Man kann nach J. F. F o r r e s t 4, auch mehrere Kathoden gegen eine Anode brennen
Ilrsmn, doch ist auch bei sehr hohen Anforderungen eine Kathode faat immer aus-
t
6
Ringsdorf Spehtral B
30
Plroloelemenr ohne Filref
Abh. 2. a) Krator einer Itechteck..ohle, Material Ringgdorff 613 X K . b) Strahldichteverteilung in der IAngerichtung
reichend. Der Kohlequerschnitt muB nicht kreisformig win. Abh. 2 zeigt den
Krater einer Rechteckkohle von 3 * 7 mni* Querschnitt, die zur Ausleuchtung
der Spektrographenapalte gut geeignet ist. Diese Kohle hat einen Strombedarf
von nur rund 5,5 A, wahrend die volle aus gleichem Material etwa 8 A braucht,.
Fur daa Graphitnormal eignen sich hochgereinigte, graphitierte Kohlen, von
denen folgende Sorten zur Verfugri.ng standens) :
Tabelle 1
Hersteller
1. Conrndty
2. Ringsdorff-Werke
3. Ringsdorff-Werke
4. Ringsdorff-Werke
6. Ringsdorff-Werke
6. Ringedorff-Werke
7. Schunk und Ebe
8. Siemens Plania
9. National Carbon Cie
Name
I
1
Schweiblektrode
613 EK
668 EK bzw. 662 EK
Spektral I
Spektral I1
Spektral 111
Spektralreine Kohlen
ARC Reinstgraphit
Spectroscopic Electrodes
6
5
6
6
B
8
6
!I
6,5
206
Annalen der Physik. 6.Fdge. Bond 11. 1953
Projiziert man den Krater der aufgefiihrten Kohlesorten stark vergrobrt,
so erkelint man, daB die Krater mehr oder weniger ungleichmiiDig strahlen. Man
kann die Kohlesorten, grob gesehen, in zwei Kategorien einteilen, in solche mit
(grob) granulierten (Abb. 3) und glatten Krater (Abb. 4). Diese Granulation besteht in einer ,,Hiigellandschaft" auf
dem Krater. Soweit hier bekannt, sind
die glatten Krater den aus feinst verteiltem Kohlenstoff, aus RUB hergestsllten Kohlen eigen. Die granulierten
Krater findet man auf Kohlen aus
Kokspulver. Fur Normalzwecke kommen nur die glatten Krater in Frage.
Das sind die Sorten 3, 6 und 8. Die
meisten spektralreinen Kohlen sind
grobkornig, bilden granulierte Krater
&usund sind fur den hier vorliegenden
Zweck ungeeignet.
Die Hell-Dunkel-Verteilungauf dem
positiven Krater riihrt, wie durch
Abb. 3. Granulierter Krater, Ringsdorff Stereo-Aufnahmen sichergestellt ist,
662 EK
von der groben Oberflache her. Die
zuruckliegenden Partien der Kohle sind
kalter und daher dunkler. Offenbar miindet der Bodenstrom bevorzugt in die
,,Berg~pitzen'~
ein. Dabei spielen Vertiefungen von einigen lo-' mm bereits eine
erhebliche Rolle. Die Strahldichte der hellen Gebiete im granulierten Krater
ist innerhalb der MeSgenauigkeit
identisch mit der gleichmaJ3igen
Strahldichte des glatten graters@).
Abb. 5 zeigt eine vergrobrte Aufnahme der positiven Kohle; diem
Form erwies sich ala relativ konstant
bei uber 700 Vereuchen. Wie man
sieht, ist eine Hohlung nicht vorhanden. Infolgedessen findet auch
keine Schwarzung der Strahlung
statt, wie sie bei gedochteten Kohlen
leicht zu beobachten ist. Diem Tatsache ist nicht nur fur die Anwendbarkeit der MeDmethode des aufprojizierten Kraterbildes, sondern
ganz allgemein von erheblicher
Wichtigkeit. Eine Variation evenAbb. 4. Clatter Krater, Ringedorff Spektra! I1
vorhandener =raterformen
hatte eine h d e r u n g der Strahlungsschwarzung und damit des Emissionsvermiigens bedeutet. Der Graphithater
strahlt nach aIlen Richtungen, er verhalt sich dabei fast wie ein Lambertscher
@)Die granulierten Krater erlauben interemante Einblicke in daa Innere der Poeitivkohle. Man kann Temperaturverteilung und Warmeleitvermtigen ermitteln. Auf diesen
Ciegenatand wird in einer epPteren Arbeit eingegangen werden.
J . Euler: Der -em
da
S f d d d + h d U M
fhhlddehtenormal
20;
Strahler (Abb. 6). Diese Messungen sind mit abbildender Optik gewonnen, so
daB die Einfliism der Flammenstrahlung weitgehend ausgeschaltet werden
konnten.
Der eigentliche K r a h der Anode kann bei schlechter Einstellung der Kohlen
zueinander schriig brennen. Dadurch wird einerseits die Stromdichte herabgesetzt
und andererseitserfolgtdie Energieabstrahlung unter einem anderen
Winkel. Beide Tatsachen sind in
weitem Umfange unbedenklich.
Fur die Verwendung mit Spektralapparaten sind Kraterdurchmesser erwunscht, die eine volle
Ausleuchtung der normalen Spalthohe erlauben. Die graphitierten
Kohlen brennen sehr spitz, eine
5-mm-Dmr-Kohlebildet nur einen
Krater von etwa 2,5 mm Dmr aus,
Kohlen von 10 mm Dmr nur einen
Krater von etwa 6 mm Dmr. Die
SPalthohe ublicherSpektrograPhen Abb. 6. Positive Graphitelektrode von der Seite
bei Zimmertemperatur
hiilt sich bei 10 bis 15 mm. will
man den Spalt voll ausleuchten,
so mu@ man den Krater 2- bis 6fach vergrol3ert abbilden. Sol1 auDerdem der
Prismenquerschnitt voll ausgenutzt werden, so werden an das ~ffnungsverhiiltnis
des Kondensors hohe Anforderungen gestellt. 1st v die notige VergroBerung
iind o das &fnungsverhaltnis des Kollimators, so muB der Kondensor ein t)ffnuwsverhiiltnis u = v o haben. Daa ergibt
z. B. fur 4fache Vergrohrung und
einen Kollimator 1:10 bereits ein
6ffnungsverhaltnis 1:2,5 fiir den Kondensor. Man muf3 daher grof3e Krater,
also hohe Kohledurchmesser anstreben.
90
Ringsdoff 513 EK
Diese Forderung ist aber heute noch
c*
schwer zu erfiillen.
A - 540 m,u
70
Die Kohlen werden durch Ausw.
Emissims-Mnhel
gliihen mit hohen Stromen gereinigt.
Dahei kommen bereits bei 5mm Dmr
erhebliche histungen zur Anwendung. Abb. 6. Strahldichte der Kratermitte ale
Funktion dee Abstrahlwinkels
Die Leistung muf3 einerseits etwa proportional zum Durchmesser der Kohle
ansteigen, gleichzeitig dauert das Reinigen langer, weil die Verunreinigungen erst
aus der Kohle herausdiffundieren mussen. Daher werden reinste Kohlen nrir mit
etwa 5 bis 6 mm Dmr geliefert. Man mu13 also entweder weniger reine Kohle
oder weit geoffnete Kondensoren in Kauf nehmen. In der vorliegenden Arheit
cliente ale Kondensor ein dreilinsiges Objektiv mit 1 :1,2-Uffnung,das durch eine
hiiufig ausgewechselte Glimmerscheibe gegen aufgespritzte Kohleteile geschiitzt
wurde. Die dickeren GraphitBt,ifte enthalten noch Verunreinigungen, die grrindsiitzlicli die Etrahlung des Kratsre nicht beeinflussen. Die verunreinigten Kohlen
-
80-8s
..
-8:
208
Annaien der Phyeik. 6.Fdge. Band 11. 1953
neigen jedoch eum ,,Flickern" 7) und erlauben deshalb kein ungestortes Arbeiten.
So bleibt praktiech nur die Kohle Spektral I1 der Ringsdorff-Werke als verwend bar iihrig.
3. Messung des spektralen EmissionsvermUgeas
Wahrend die Emissionseigenschaftenvon Graphit bei niedrigen Temperaturen
impsowten Spektrum ermitteltsinda-'a) und auch die k m t e t r a h l u n g des Graphithogatrlnatere im sichtbaren Gebiet relativ genau vermessen ist *) a), sind Memungen
des spektralen Emissionsvermogens
dee positiven Graphitkratem im
ultraroten und ultravioletten Spektralgebiet bieher nicht bekannt geworden. Lediglich Finkelnburg")
gibt im nahen UR einige angeniiherte Kurven an.
Das Graphitnormal ist vor
einigen Jahren schon einmal von
_______>----Mc Pher s o n l ) vorgeschlagen worden. McPherson gibt an, daD der
5)iegel.l
Krater grau strahlt, daS also das
Emissionsvermogenvon der WellenAbb. 7. MeBmethode fur daa Emiesions- lange unabhangig ist. Der SchluB
verii.ogen mit aufprojizierter, heiBerer Strrth- von McPherson ist jedoch nicht
lungsquelle
zwirqend. Er triigt - log En A6 uber
-[loge-%]
auf und erhiilt eine Gerade. Diese Darstellung beruht auf
der Planckschen Formel:
-. -[=--------:::*I
&izz
-.I~
c8
En = &a c, A-6 e
dl * c,
log (EA * 1 6 ) = log c1+ log &A - -
AT
Darin sind En die Strahldichte fur die Wellenlangeneinheit, 1 die Wellenlange,
en das spektrale Emissionsvermogen, 27 die Temperatur, M der Modul 0,4343
( b l - I n s = logs) und c, und c, die Konstanten des Planckschen Gesetzes.
McPherson rechnet mit c, = 1,432 und erhalt so M c, = 0,6219. E r schlieBt
aus der erhaltenen Geraden, daB log en und damit &a von il unabhangig sind.
-
: 1 2 1,
/log ist aber wesentlich kleiner als - so daB z. B. 10%Abweichungen fur
erst die Zeichengenauigkeit iiberschreiten wurde.
7)
6)
J. Euler u. A. Fiebiger, Z. angew. Phyaik 9, 8 (1960).
W. W.Coblentz, Bull. Bur. Stand. 7, 197 (1911).
H, x Wartenberg, Verh. dtsah. phyaik. Qea. 8. 106 (1910).
R. d o h n , Ann. Phyeik (4) 68,320 (1917).
11) H.Senftleben u. E. Benedikt. Ann. Phyeik (4) 64, 66 (1917).
I*) F. Henning, Jb. Rad. u. Elektrot. 17, 30 (1920).
1s) K. Warmuth. Wies. Veroff. Siemens-Konzern 7, Heft 1, 307 (1928)
14) W. Finkelnburg, Hochetromkohlebiigen, Berlin 1948, S. 96.
0)
10)
Weiter ist von S t r o n g und Rupertls)la) der Kohlekmter zwischen 4 und 15p
mit dem Globarbrenner verglichen worden. Abgesehen davon, daB bei diesen
Wellenlangen die heil3ere Lichtquelle keinen nennenswerten Strahldichtegewinn
mehr bedeutet - bei 5 p bringt der tfbergang von 2000 auf 4OOO" K nur noch einen
Faktor 3, wiihrend bei 0,3p der Faktor 1,5 1W gewonnen wird - m d bei diesen
Versuchen die Flammenstrahlung recht wesentlich beteiligt gewesen sein, denn
aus den angegebenen Werten erhiilt man Emissionsvermogen bis zu 123%.
Die vorliegende Arbeit befaBt sich mit dem Spektralgebiet zwiechen 0,25 und
1,s p. Um auch im kurzwelligen Gebiet arbeiten zu konnen, wo vergleichbare
Normalstrahler vollig fehlen, wenn man vom UV-Normal als Linienlichtquelle
absieht, kam eine Methode von P i r a n i und Conrad") zur Anwendung. Sie basiert
auf Reflexionsmessungen und eliminiert die Eigenstrahlung vollig. Das ist eehr
wesentlich, weil Unsicherheiten in der Temperaturmessung gerade im UV starke
energetische Verschiebungen mit sich bringen.
Man bildet einen heifleren Strahler auf der anzumeseenden Stelle ab und ermittelt drei Energiewerte: die Eigenstrahlung El der anzumeseenden SCeUe, die
Strahlung E, bei aufprojiziertem Bild und die von einem Reflexionsnormal des
diffusen Reflexionsvermogens r reflektierte Strahlung Ea des aufprojizierten
Bildes. Es ist dann
-
E,=E,+R-e;
E a = r . e und damit
Die Durchlassigkeit der Apparatur braucht nicht bekannt zu eein, und die
Empfindlichkeit mu0 nur fur kurze Zeit reproduzierbar sein, niimlich nur fiir die
drei zu kombinierenden Messungen. Die Methode verlangt ftir die Anwendung
dieser einfachen Formel sllerdings, daB sowohl der xu untersuchende Strahler
ale auch die Vergleichsplatte dem Lambertachen cos-Gesetz folgen oder daB zum
mindesten die Abweichungen bekannt aind: Eine eingehende Mwung zeigt, daB
die hier durch die Abweichungen hervorgerufenen Fehler sich in ertraglichen
Grenzen helten (< 2%).
Die MeBmethode verlangt weiter eine sehr vie1 energiereichere Lichtquelle
zum Aufprojizieren, als die anzumessende Lichtquelle selbst darstellt. In die
Rechnung geht die Differenz E , - El zweier Energiewerte ein. Nehmen wir en,
da8 den Genauigkeitsanforderungenbei E, = 1,25 El geniigt sei, so kommen wir
zu folgenden Verhiiltnissen: der Strahler 2 werde von einem Spiegel des &fnungsverhiiltnisses 1 : l auf der anzumessenh Stelle in natiirlicher Gr68e abgebildet.
Dm effektive offnungsverhiiltnis ist also 1:2; es nutzt von der gesamten in den
Halbraum emittierten Strahlung (1:0,6)nur
am. Die v6llig diffus reflektierende MeBstelle verteilt die auffallende Strahlung aber wieder auf den gesamten
Halbraum und reduziert sie dariiber hinaus gemiiS ihrem geringen %flexionsvermogen von etwa 25% auf /',. Auf den Monochromatorspalt gelangen also
von der strahldichte des aufprojizierten strahlers nur 1,5%. Um eine Erhohung der
Eigenstrahlungen um 25% hervorzurufen, muJ3 also der aufprojizierte Strahler
-
Rupert u. J. Strong, J. opt. Soa. Amer. 40 (1960).
Dr. Rupert beeas die Freundlichkeit, mir einige der von ihm und Prof.
Strong verwendeten Kohlen zu iiberlaaaen, so daB eine vergleichende Mwnng demnachst
erfoken kann.
17) M. Pirani u. K. Konrad, Z. teohn. Phyeik 6, 266 (1924).
1") C. 8.
16) Herr
210
Annalen der Physik. 6. Folye. Bund 11. 1953
etwa die 2Ofache Leuchttliclite des zu untersuchenden Strahlers haben. I n der
endgiiltigen Anordnung fand ein elliptischer Spiegel grorjerer Brennweite Verwendung 18).
Dadurch kann man weitere Verluste durch astigmatische Abbildung kleiner
halten und die uffnung noch weiter treiben. Mit etwa deni 20fachen muO man
aber unbedingt rechnen. Das ist durch hoch belastete Beckbogen unterhalb von
0,55/i zu erreichen. Man mu0 dabei allerdings Stromstarken bis 200 A und Wasserkiihlung der Anode 920) anwenden. Weiter sind spezielle Kohlen mit Ni-, Fe- und Crhaltigen Dochten erforderlich Z l ) . Eine weitere Frage bei dieser Messung ist die
nach der Aufheizung der anzumessenen Stelle durch die aufprojizierte Energie,
die ja zu drei Vierteln absorbiert wircl. h'immt man einen Gesamtstrahlungswirkungsgrad des Graphitbogens von 1004, a n und wieder die schon oben angesetzten Zahlen, also E2= 1,25 El und R = 25%, so erhalt maneine zusatzliche
Energiezufuhr von 7,50/,' , die wahrscheinlich unbedenklich ist, weil eine entsprechend vergrorjerte elektrische Energiezufuhr (Erhohung der Stromstarke
um etwa loo/,,)auf die Leuchtdichte noch
keinerlei EinfluB zeigt.
Als Reflexionsnormal komnit im
Sichtbaren iind UV eine MgO-Schicht.
zur \*erwendnng, deren Eigenschaften im
Sichtbaren von H e n n i n g iind HeuseZ2)
und im UV von Miiller und Ro01er23)
untersucht worden sind. Die durch
Strahlung zugefiihrte Energie rerschiebt
allerdings die Zischgrenze zu niedrigeren
Stromstarken. Man hat also nicht bei
90 bis 95% sondern bei etwa 80 bis 85%
der Zischstromstarke zu messen. Die
Strahldichte ist aber auch irn UVzwischen
80 und 95(y0 der Zischstromstarke noch
hinreichend konstant.
Die endgiiltige Apparatur war gegen
Abb. 8. Energieverteilung des Graphit- Abb. 7 etwas verandert. Beck- und
kraters zwischen 400 und 1800 mp. Die Graphitkrater werden durch einen weit,
Kurve ist das Mittel aus 31 unabhangigen geoffneten elliptischen Spiegel (Il =
Mellreihen. Der Fehler der einzelnen
= 740 mni Dmr = 29,5 cm)
MeBreihe ist etwa f 1006, der Fehler 110 mm,
des Mittels vorsichtig geschatzt
3% ineinander abgebildet. Der Graphitbogen
kann seitlich verschoben werclen, a n seine
Stelle tritt dann die Normalplatte ails MgO. Die Strahldichte des Graphitbogens fallt.
dann iiber den Spiegel2 auf den Eintrittsspalt,eines Spiegeldoppelmonochromators~4)
der Firma Lei& der mit zwei 3O0-Quarzprismen in Autokollimation arbeitet.
7
-
la)Der Firma Weule, Goelar danke ich berzlich
1') F. T. Bowditch u. M. T. Jones, J. S.
ftir die freundliche Uberlaasung.
M.P.B. 52. 395 (1949).
W. Pinkelnburg, J. S . M . P . E . 52, 407 (1949).
Auch hier habe ich den Ringsdorff-Werken sehr wesentlich zu danken.
u) F. Henning u. W. Keuee, Z. Physik 10,111 (1922).
a) Miiller u. F. Rolller, Z. techn. Physik 24, 140 (1943).
*4) Herrn Prof. Dr. Suhrrnann sei fur die freundliche Uberlaesung auch an dieser
Stelle herzlich gedankt.
90)
21)
J . Euler: Der Gaphitbogen ale spektralpholomelrischea S t r a h l d i c h k m a l
21 1
Als Strahlungsempfanger dienen verschiedene Vakuumphotozellen der Firma
PreDler mit Na-, K- und Cs-Kathoden. Zur Strommessung w'rd je nach der geforderten Empfindlichkeit mit Galvanometer oder Elektrometer gearbeitet.
Die Konstanz dcs Bsckbogens wahrend der Messungen wird mit einem zweiten
Monochromator uberwacht, der aus einem kleinen Homosilprisma und einer
Quarzlinse improvisiert wurde. A19 Empfanger dicnte hier unter anderem ein
CdS-Photowiderstand 26) der AEG, der es erlaubte, mit empfindlichen Zeigergalvanometern auszukommen.
I m Spektralgebiet oberhalb 0,5 ci wird die Energieverteilung im Spektrum ermittelt, und daraus durch Vergleich mit den entsprechenden P l a n c k s c h m Isothermen das Emissionsvermogen errechnet. Die Durchlassigkeit der Apparatur
025
03
014
a5
a6
a7
O?
as
I0
Abb. 9. Das Emiesionsvermogen des Graphitkraters zwischen 0,26 und 1.8 und Anode:
Ringsdorff 513 EK, Kathode: Ringsdorff Gamma S. Winkel 106" Luft, im Bandengebiet CO,
limn hier mit Wolfram-Bandlampe, scliwarzem Korper aus Platin und Silitstab geniigend genau ermittelt werden. Als Empfanger dient ein Vakuumthermoelement
nach H a s e *6) mit verschiedenen Galvanometern als Anzeigeinstrument. Aus
diesem Verfahren erhalt man zunachst nur die spektrale Energieverteilung Abb. 8.
Das wiirde fur den Gebrauch des Nornialbogens a n sich vollig ausreichen, wenn
niclit fur das Gebiet unterhalb 500 mp die Angabe der wahren Temperatur notig
ware. I n diesem Gebiet ist ja das spektrale Emissionsvermogen gemessen; erst
durch Multiplizieren mit der P l a n c kschcn Isotherme erhiilt man auch dort die
erforderliche Energievertei I ung.
Auf die Ermittelung der waliren Kratertemperatur wird im 6. Abschnitt dieser
Arbeit eingegangen. Dazu ist eine eingehende Besprechung der Methoden zur
Messung der Energieverteilung erforderlich, so da13 auf die Seiten 219-224 verwiesen werden kann.
25) Der AEG und vor allem Herrn Dr. Schaffernicht sei fur die freundliche Hilfe
bestens gedankt.
28) R. Hase, Z. Physik 16, 52 (1923).
212
Annalen der Physik. 6. Folge. Band 11. 1953
Die Werte des Emissionsvermogens nach beiden Methoden uberlappen sich
und zeigen keinen erkennbaren Sprung. Abb. 9 zeigt das spektrale Emissionsverrnogen an einem Graphitbogen mit Ringsdorff 513 EK als Anode und Ringsdorff Gamma S 4 mm, hauchverkupfert, als Kathode. Der Winkel war 105", der
Bogen brannte offen in Luft. Fur die Ringsdorff Spektralkohle I1 geltencet. par.
etwa um 0,Ol hohere Werte. Danach steigt das Emissionsvermogen von etwa
71% bei 250 m,u bis auf 78% bei 2,u an. Dieses Ergebnis steht mit den Messungen
anderer Autoren im sichtbaren Spektralgebiet in gutem Einklang. Als wahrscheinlichsten Mittelwert gibt P a t z e l t 2)s) im Sichtbaren 77% an, wahrend aus den
neuen Messungen auf 76% geschlossen werden kann.
P r e s c o t t und Hinckez?)haben das Gesamtemissiomvermogen von A c h e s o n Graphit zwischen 1250 und 2700" K gemessen. Sie erhalten als analytische Darstellung E = 0,984 - 5,8 10-1 T. Setzt man den wahrscheinlichsten Temperaturwert T = 3995 f20" K (8. S. 222) ein, so erhalt man E~~~ = 0,752. Dieser Wert
erscheint in guter Ubereinstimmung mit den neuen Ergebnissen. Dabei ist zu
berucksichtigen, daS die Messungen von P r e s c o t t und H i n c k e ein Temperaturinterval1 von 1500" K iiberstreichen und um 1300" K extrapoliert werden mussen.
Direkte Messungen i m UV und UR liegen nicht vor, man kann lediglich aus
den von verschiedenen AutorenzB-aO) fur therapeutische Zwecke angegebenenEnergievertsilungsmessungen rohe Werte ermitteln, die ebenfalls die richtige GroBenordnung ergeben. Bei wesentlich tieferen Temperaturen haben H. v. W a r t e n b e r g
und andere 9) keinen wesentlichen Gang mit Temperatur und Wellenlange feststellen konnen. Diese Messungen sind aber kaum zum Vergleich heranzuziehen,
da sie an graphitierten Faden gemarht sind. AuBerdem andert sich das Emissionsvermogen zwischen 400 und 700 m,u von 73 auf 76%; diese geringe Abhangigkeit
lag damals sicher unterhalb der MeSgenauigkeit. SchlieDlich zeigen eigene Untersuchungen, daD bei der Pyrometerwellenlange von 650 mp zwischen 2000 und
3300"K nur ein geringer Gang mit der Temperatur auftritt, s. S. 222. Das Emissionsvermogen des positiven Graphitkraters verlauft bei allen untersuchten Kohlen
ewischen 0,25 und 1,8 etwa nach den angegebenen Kurven. Der Fehler halt
sich im gesamten Geniet bei -&1,50/6. Uber die geringen Unterschiede zwischen den
einzelnen Graphitsorten wird in Abschnitt 5 berichtet.
e
4. Einlliisse der Bandenstrahlung, Schutzatmosphlre
Die Strahlung des positiven Kraters wird durch die vorgelagerten Flammenteile beeinfluBt. Da die Temperatur der Saule bedeutend hoher liegt, kann sich
bereits eine relativ kleine Schichtdicke storend bemerkbar machen. Die Verhaltnisse werden mit abnehmender Wellenlange immer ungiimtiger.
Sieht man von den Linien der Verunreinigung als vermeidbaral) ab, so zeigt
das Spektrum (Abb. 10) vor allem Storungen durch die Cyanbanden bei 357,
385 und 415 m!c sowie die C-Linie 247,9 mjc. Im Sichtbaren sind noch einige rote
27)
88)
*9)
Prescott u. Hincke, Physic. Rev. 31, 130 (1928).
J. Bleibaum, Quantitative Strahlungsmessungen, Jena 1931, S. 61-70.
W. W. Coblentz, M. J. Doreas, C . W. Hughes, Strahlentherapie 80, 170
(1928).
E. S. Johansen, Strahlentherapie 6. 46 (1016).
I n letzter Zeit gewonnene Erfahrungen an borarmen bzw. borfreien Kohlen
deuten jedoch darauf hin, daB gewisse Mengen Bor fur ein ruhiges Brennen notig sind.
Eingehende Meemngen sind i n Vorbereitung.
80)
31)
J. Euler: Der Ur(vpni*en
ala spektralphoknneiriechea Strahldichknarmal
2 13
CN- und C-Banden zu sehen, die sich aber vor dem Krater nicht bemerkbar machen.
I m Ultraroten war eine schwache CO-Bande bei 2,3 p zu erwartens2), die aber
offenbar so scliwach ist, daD sie nicht nachgewiesen werden konnte. Auch das
0-Triplett 773 m p war, d a es im Gebiet maximaler Kraterstrahldichte liegt, nicht
zu finden. SchlieDlich liegen zwisclien 2,5 und 2,9 [ i einige CO,-Banden3*), die
sich in Absorption bemerkbar machen. Die ultraroten Banden liegen zwar au0er-
a) in Luft
b) inCO,
'
I
I
1
' L
1
ex 2N ('K
Si B C
415 388 357
252 260 248mp
Abb. 10. Spektrum dea Graphitkraters iru Quarzspektrographen. a) i n Luft; b) i n CO,
halb des eigentlichen, in dieser Arbeit zu untersuchenden Spektralbereiches,
werden aber fur die im AnschluB zu besprechenden Gesamtstrahlungsmessungen
wichtig.
Die hochsten Anforderungen a n den Bogen in dieser Hinsicht werden bei der
Verwendung im Spektrographen gestellt ; beim Arbeiten mit Monochromatoren
wird im allgemeinen aus energetisclien Grunden mit erheblich groDeren spektralen
Abb. 11. Anordnung zur Abschiitzung des Einflusses der Bandenstrahlung bei Gesamtstrahlungsmeasungen
Spaltbreiten und verkleinerter Auflosung gearbeitet. SchlieDlich bleibt noch die
Verwendung der gesamten Strahlung z. B. zur Absoluteichung von thermischen
Strahlungsempfamgern ubrig, bei der eine Einengung des ausgenutzten Spektralbereiches lediglich durch die Absorptionsgebiete der durchstrahlten Medien auftritt.
Eine Abschiitzung bei der Anwendung der Gesamtstrahlung ergibt sich auf folgende Art und Weise (siehe Abb. 11):Der Krater wird durch einen Quarz-FluoritAchromaten auf einem Diaphragma abgebildet, das die Flammengebiete ausblendet. Ein Vakuumthermoelement nsch Hase hinter verschiedenen Filtern
erlaubt den Vergleich der verschiedenen Spektralgebiete. Die Emissionsbanden des
Bogens liegen im Spektralgebiet unterhalb s o n 500 mp; die C0,-Banden bei 2,7p
werden durch ein 0,5 m langes Absorptionsrohr mit Quarzfenstern, das mit Go,
gefiillt war, wiihrend der gesamten Messung auf gleichen Werten gehalten. Versz) W. Burmeister, Verh. dtsch. physik. Gee. 15, 589 (1913).
G. H e r t z , Verh. dtsch. physik. Ges. 11,617 (1911).
Ann. Physik. 6. Folge, Bd. 11
15
gliclien werden clalier die liint'er 3 iiiin GGI 1, 3 i i m OG1, 2 ~ i i t i i1ZC: 1 rind oline
Filter geniessenen Energien, wol,ei eino Korrekt~irreelinung wegen cler durch
das Filter weggesclinittenen UR-Gehieto oberlialb 2,9 / i nnd wegen tler Reflexionsverliiste notig ist. Diircli die Filter hegrenzen wir das Spektruni nadi der ltiirzu-elligen Seite so, da.ll die Haridenst~raliliing aiif die tliudigelassenen S1)ektriilgrehiete lteinen EinfluW hat. Die erst'e 8palte in Talrelle 2 giht tlic olinc Bantienstralilung zii erwartentlen Wert,e an, wobei die Gesanitst,ralilung gleicli 100';o
gesetzt, ist. Tn Spaltx 2 iind 3 stelien die t,atsiiclilicli hinter den Pilt.ern erniesscnm
Anteile. Sit. lic,gen ctwas nietlriger, was von tler clurcli die Bandenst'ralilring vcriinderteri Energievert,eiliirig Iierriilirt~. Die von den Piltern clurcli~elassenenSpektralbereiche sind niclit, veriintlert, ; u r i i sie glcicli z ti inaclicn, nidl also die Gesaint'stralilung hlilicr mgesetzt. werden. ICs ergilit sicli dann eino zusiitzliclic Hantleiist.rahlung (Spalte 4), tlie sicli Iiei etwa 4";)I&, also eineiri Wert, der fur Absolutiriessungen yerade nocli tragliar ersclieint. Ilk Streuiing dcr Wert,e in R p l t e 4
und 5 riihrt, offerisic.lit,liclivon Meljfelilern her.
Tsbelle 2
Filter
I
I
(1)
Uerechiiete Ausschlage ohnc
' Xaiideiistrahluiig
ohne
3 iiim CG 11
3 niin OC: 1
2 inin It(: I
100
'
~
1
0)
(2)
(4)
(5)
Zusatzl. IJaiidenstrahlg.
in
1
iii
Luft
CO,
geiriessene Ausschlage
in
in
Luft
100
100
58,4
7!1,3
71 ,ti
7t
1
'X,
"2
,
I ,(i
0,i
Die lteflexverluste am Filter siiid zu 99<)niigesetzt
In Tabelle 2 sind MeSwerte fiir den Uogen in freicr Luft, und in Kolilensiiure
aiigegeben. Das Verfaliren, clic CN-Bantien durcli N,-AbfLiIir u-egziiscliaffeii,
ist, naiielicgend untl seit laiigein bekannt,. Das CO, veriiridert die e1ektrisclic:n
Bogeneigerisc:liaften erltel)lie~li,iriacht sicli jedocli auf dax EinissionsveriiiiiFen tlcs
Ibaters um so weniger lienierkh~r,je glatker tler Krat,er ist. Weiter weicht in cter
CO,-Striios]ihiirc linter den iibliclien ZSeclingungen, weiin also auf extreme Alifulir
von Luft niclit geachtet, wirtl (cler hhl)rand lag in tler ~orliegendenUntersiirliring
nocli ctwas iiber tlein von S t ei n l e 8,l) crinittelten Wert) tlie positive I<i.atertciiiperatur roil deiii in Luft erinessenen Wert uiii weniger als 10" I< ab. Der erliehlicli
Iierabgesetzte Alil)rantl crlaulit eiii re1at)iv bequeriies Arbeiten in ( l e y Schiitzatniosphiire, (la. ein Iiolilen.lr.cc,lisolnnr selteii notwendig ist. Man kanii clic riorii~alc~
P;lelrenscliluWrc~ella~~~~~e
aurh in tler Scliiitzatriios~~liiire
verwentlen, ~ w n ni11ari tlrr
e h a s ver&ntlert,cnBrcn~is1)aiiriiingKecliriting triigt. 1)cr Al)l)rancl erl'olgt iii CO,
weitgellend durcli die Reahion C
CO, = 2 CO; an tier &fnung t l r s Scliut'zgeliiiuses brennt. iiieist eine scliwaclie CO-Plaiiinie. U~jereinstiiiiriiciiclinit#Anpahen
von Weif.335)brcnncn (lie .Biigen in CO, schr rriliig. h'iilrere Einzellieiten iiher den
EinfluB tles CO, anf tlas Emission ririiigen fintlen sicli in Alisclinitt 5 t i i
Arbcit'.
+
34)
35)
H. S t e i n l e , Z. aiigew. Alineralogie 2, 28 (1939).
C. F. W e i s s , Plnn. l'hysik (5) 1, 5CiS (l!)?!)).
J . Euler: Der Qruphitbogen als spektral~hotometr~sches
~ ~ r a h ~ ~ c ~ t e n 2o15
~ul
Bei der Benutzung des Graphitbogens mit dem Monochromator zusammen
macht sich die Bandenstrahlung bereits erheblich unangenehmer bemerkbar.
Abb. 12 zeigt das in diesem Zusammenhang interessierende Stuck einer gemessenen Ausschlagkurve hinter einem Quarzdoppelmonochromator, wobei lediglich die Photozellenernpfindlichkeit
*O t
eliminiert ist. Wie man sieht, stort
vor allem die Blende bei 385 mp,
wahrend die anderen sich nicht sehr
stark auswirken. Bei Messungen in
diesem Spektralgebiet mu13 also der
Bogen im Schutzgas gebrannt werden,
da die Strahlung mit der Zusammensetzung der Atmosphare und der
Flammenform variieren kann. Bei
Betrieb im CO, ergibt sich unter den
gleichen Bedingungen die gestrichelte
Kurve der Abb. 12, die zeigt, da13
P
Weilenlange
tatsachlich die Bandenstrahlung fast
I
0
350
400
450 mp
vollig zuruckgedrangt werden kann.
Diese Kurve wurde bei Abbildung des Abb. 12. Angezeigte Energiedichte hinter
Kraters mittels eines Quarzfluorit- einem Quarzdoppelmonochromatorim Gebiet
der Cyanbanden
achromaten auf dem Monochromatorspalt gewonnen.
Die Spektren a und d in Abb. 13 veranschaulichen die Verhaltnisse beim
Monochromator. Entsprechend einer Kollimatorbrennweite von 30 cm und einer
Spaltbreite von d = 0,4 mm fur die beiden Monochromatorenspalte wird hier ein
a) weiter Spalt Luft
b) enger Spalt Luft
c) enger Spalt CO,
d) weit,er Spalt CO,
Abb. 13. Aufnahme des Bandengebietes mit groI3erer Dispersion und weitem (a, d)
bzw. engem (b, c) Spalt in Luft (a, b) und CO, (c, d). Die Aufnahmen sollen die Verhaltnisse im Monochromator bzw. im Spektrographen veranschaulichen
relativ breiter Spektrographenspalt verwendet. Er betrug bei einer Spektrographenbrennweite von 56 cm A = 1,0 mm. Wie man aus der Aufnahme sieht, ist
eine wesentliche Storung des Kontinuums bei Betriebin CO, nicht mehr zu erwarten.
15*
216
Annalen der Physik. 6 . Folge. Band 11. 1953
Wahrend die Spektren a und d bei weitem Spalt aufgenommen sind, kann man
sich durch die Spektren 6 und c ein Bild uber die Verhaltnisse im Spektrographen
machen. Hier sind in der Plamme auch noch einige Linien von Verunreinigungen
erkennbar, die aber vor dem Krater verschwinden. Wahrend eine Verwendung
ohne Schutzgas von vornherein sehr bedenklich sein muate, kann, wie die Photometerkurve zeigt, bis auf sehr kleine Gebiete bei 380 m;~ das Spektrum auch bei
den im Spektrographen vorliegenden Verhaltnissen als Kontinuum betrachtet
werden36). Es ist daher gerechtfertigt, die Kraterstrahlung unter den gemachten Voraussetzungen als durch die hohe Kratertemperatur hervorgerufenes thermisches
Kontinuum anzusehen, das durch die P l a n c ksche Isotherme und das spektrale
Emissionsvermogeii bestimmt ist.
5. Abweichungen verschiedener Kohlesorten voneinander und zeitliche
Inkonstanz
Neben der Ermittlung des spektralen Emissionsvermogens, deren Ergebnkse
im Abschnitt 3 besprochen worden sind, ist fur die praktische Verwendung die
Grenze der vorkommenden Abweichungen wichtig. Daher werden in einem gut
PositivElektrode
Ringsdorff513 EK
Durchm.
mm
Tabelle 3
- Ringsdorff
5
5
5
5
6'
8
11
16
Negativelektrode
Gamma
Gamma
Gamma
Gamma
Gamma
Gamma
Gamma
Gamma
Durchm.
mm
S
Winkelsi
lung O
Emissionsrermogen %
160
120
SO5
90
90
90
90
90
S
S
S
S
S
S
S
73
72
TS
12
74
$1
Tl
74
~
Ringsdorff
658 EK
5
5
5
Ringsdorff
Spektral I1
5
b
5
5
Siemens RGraphit
12
8
Ringsdorff
Gamma S
Schunk und Ebe
spektralreine Kohle
Conradty
Homogenkohle
Ringsdorff
Spektral I1
Ringsdorff
Gamma S
Ringsdorff
Gamma S
Ringsdorff
Gamma S
Hartocht
4
4
__
105
73
105
7s
105
72
105
13
105
73
90
72
120
120
74
~
74
ae) Bei Betrieb in CO, erscheinen i n der Flamme eine Reihe von schwacheren Bandensystemen, die jedoch die Kraterstrahlung nicht meDbar beeinflussen. Naheres dariiber
findet sich in einer demnachst erscheinenden Veroffentlichung.
J . Euler: Der Graphitbogen a k spektralphotonzetrisches S'trahldichtenomzal
2 17
zuganglichen Spektralgebiet, bei etwa 330 m,u eine grode Anzahl verschiedener
Graphitsorten durchgemessen, wobei auf moglichst weitgehende variation der
Betriebsbedingungen Wert gelegt wird.
Wir haben zu unterscheiden zwischen den Unterschieden, hervorgerufen durch
Materialeigenschaften, Brennstellung und Atmosphare, die an verschiedenen Normalbogen auftreten, und den zeitlichen Schwankungen ein und desselben Bogens.
Tabelle 3 gibt einen uberblick iiber die Unterschiede verschiedener Bogen;
die Messungen sind stets Mittelwerte iiber grodere Zeitraume und etwa 10 Kohlen.
Eine Beeinflussung der Werte durch die schnell verlaufenden zeitlichen Schwankungen, uber die weiter hinten gesprochen wird, mud sich in engen Grenzen halten.
Danach halt sich also das Emissionsvermogen zwischen 71 und 74%, ohne daB
bestimmte Einfliisse von
Material, Winkelstellung oder
Durchmesser festzustellen
sind . Die Medgenauigkeit
liegt bei fl,5%, so dad also
513EK/GammaS Luft
72
MeSfehler die Unterschiede 300 mp
(302
72
nicht restlos erklarenkonnen.
658EKIGamma S Luft
73
Vermutlich liegt die Erco2
74 _
klarung in Unterschieden der
_ ~ _
___
_
_
613EK/Gamma S Luft
71
Granulation am positiven 300 my
co2
71
Krater. Unter dem Mikro658EK/GammaS Luft
72
skop erkennt man sofort,
daS die Oberflache einer
_ co2
_ - ~ - 73 __
513EK/GammaS Luft
74
benutzten Elektrode gegen- 475 mp
75
iiber frischen Graphitstiften
C58EK/GammaS
coz
Luft
eine rauhe Struktur zeigt.
co2
Auf das Konto unterschiedlicher Aufrauhung kommt
vermutlich auch der Unterschied des Emissionsvermogens in CO, und in Luft. Der Mittelwert des Emissionsvermogens bei = 330 m,u ergibt sich in CO, zu 72,5% und in Luft zu
72,0%. Damit diirfte eine grundsatzliche Grenze erreicht sein, die mit dem Abtragungsmechanismus des Anodenmaterials zusammenhangt.
Bei anderen Wellenlangen liegen die Verhaltnisse ahnlich. Tabelle 4 gibt
fur die Paarungen 513 EKIGamma S und 658 EKIGamina S bei den Wellenlangen 300, 330 und 475 rnp die Unterschiede zwischen Luft und CO, wieder.
Die Kohle 658 E K wurde hier, wie auch in Tabelle 3 nur herangezogen, weil sie
den Einflud der Atmosphare hervortreten ladt. Sie zeigt schwache Granulation
und kommt fur gute Messungen nicht in Rage. Die granulierten, also grobkornigen
Kohlen zeigen z. T. nur unwesentlich grodere Emissionsvermogen, als die glatten
Das hat seinen Grund darin, daS die Granulation im allgemeinen aus flachen
Gruben besteht, in denen keine nennenswerte Strahlungsschwarzung stattfindet.
Die Tiefe der Gruben z. B. bei 658 E K kann mit 1 bis 3 10-2 mm angegeben werden,
wahrend die Durchmesser bei 5 - 8 * 10-2 mm liegen. Das abweichende Emissionsvermogen ware also kein Hinderungsgrund fur ihre Verwendung. Dagegen schwankt
die Temperatur betrachtlich, oft urn 30" und dariiber von hellen zu dunklen
Stellen. Das konnte durch die Angabe einer mittleren Temperatur ausgeglichen
werden, man ist aber dann auf gleichmadige Kornung angewiesen.
1
~
1
-
;;
~
218
Annalen der Phyaik. 6. Folge. Band 11. 1953
Die einzelnen Graphitsorten und die Betriebsbedingungen verursachen Unterschiede um f2% vom Mittelwert, die also uber die vorn angegebene Fehlergrenze
fur das Emissionsvermogen von f 1,5% etwas hinausgehen. Die Unterschiede
beim Betrieb in CO, liegen gegenuber Luft bei glatten Kohlen unterhalb von 0,01,
bei granulierten Kratern sind sie groder und wahrscheinlich reell.
Neben den Unterschieden der verschiedenen Graphitbogen treten zeitliche
Schwankungen des gleichen Bogens auf. Sie erfolgen mit Perioden von 20 sec
bis zu mehreren Minuten. Die Werte der Tabelle 3 und 4 sind Mittelwerte iiber
grol3ere Zeiten, weil die Messung des Emissionsvermogens eine gewisse Zeit beansprucht. Tabelle 3 und 4 sind daher von schnellen Schwankungen weitgehend
frei, obwohl Unterschiede und Schwankungen nicht restlos zu trennen sind. Durch
Parbtemperaturmessungen ist inzwischen sichergestellt s'), da13 geringe Temperaturschwankungen die Hauptursache fur die zeitlichen Schwankungen sind.
Sieht man von augenscheinlichen Storungen des ruhigen Brennens ab, so unterliegt
die Strahldichte des Bogens Schwankungen um wenige Promille. I m allgemeinen
gelingt es ohne Schwierigkeit, die Strahldichte bei 400 mp auf etwa 1,3% genau
konstant zu halten. Mit ausgesuchtem Material 1aBt sich sogar eine Konstanz von
& 0,6% uber eine volle Kohlebrenndauer erzielen, wobei allerdings die Lampe
gegen Luftzug geschutzt sein m u k Xhnliche Werte gibt P a t z e l t 3 ) an, der allerdings die Leuchtdichte mifit.
6. Temperaturmessung
Im Spektralgebiet oberhalb etwa 450 mp wurde durch Vergleich mit WoBandlampe (PTB geeicht) und verschiedenen schwarzen Korpern die Energieverteilung aufgenommen. Sie ist bereits in Abb. 8 abgebildet. Wie dort angegeben,
handelt es sich um den Mittelwert aus 31 unabhangigen MeBreihen. Der Eichpunkt der Bandlampe lag bei einer schwarzen Temperatur von 2600" K, also
einer wahren Temperatur von rund 3000" K. Daneben standen ein schwarzer
Korper aus einem Silitrohr von rund 1,5 cm Dmr und fur einige MeBreihen ein
schwarzer Korper mit Kohlerohr zur Verfugung. Das Silitrohr lie13 sich bis auf
1800"K erhitzen, meist wurde jedoch mit 1500" K gearbeitet, da das Silit sonst
schnell briichig wurde. Das Kohlerohr arbeitete bei 2500" K noch einwandfrei,
war aber im Gebrauch recht unhandlich. Nimmt man fur den Graphitkrater uberschlaglich eine Temperatur
Tabelle 5
von 4000" K a n und ein spekWellenSilitrohr
Fakto 3n fur
trales Emissionsvermogen
lange p
Kohlerohr Band1ampes8) von E = 0,75, so erhalt man
zwischen der StrahldichteEv
1,17.
der Vergleichsstrahler und
5,37.10-2
der Strahldichte E , des
~
_
_
_
~ die folgenden FakKraters
7,64 * 10-2
0.108
la
0,152
Oil25
toren f = 2 ,
die photo0,172
0,225
metrisch zu iiberwinden sind.
Wie man sofort sieht, ist der direkte Vergleich praktisch nicht moglich. Man
mu0 vielmehr eine moglichst genau bekannte Schwachung einschalten, die etwa
1
1
72
39)
J. Euler, Z. angew. Physik 8, 260 (1951).
Spektrales Emissionsvermogen von Wolfram nach OrnsteinS9).
Ornstein, Physica 3, 561-562 (1936).
J . Euler: Der Gruphitbogen a h spektralphotomtriaches Struhldichtemal
2 19
einen Faktor 20 ausmacht. Man hatte versuchen kijnnen, eine derartige Schwachung mittels eines rotierenden Sektors durchzufiihren, hiitte aber dann diesen
Sektor sehr genau vermessen miissen. Der in der vorliegenden Arbeit beschrittene
Weg ist aus Abb. 14 zu entnehmen. Der Bogenkrater wird nicht unmittelbar auf
dem Eintrittsspalt s1 des Monochromators abgebildet, sondern iiber eine Zwischenabbildung gefiihrt. Diese Zwischenabbildung (etwa 1:2 vergrofiert) liegt auf der
Flache eines 6O0-Homoeil-bzw. Glasprismas. Piir das Reflexionsverhgen dieses
Prismns ist die Presnelsche Gleichung maBgebend, wobei nur Einfallswinkel und
Brechungsindex bekannt sein miissen. Die Abb. 15 gibt die Verhiiltnisse ein wenig
zu ungiinstig wieder, die Biindel waren 1 :10 geoffnet und die groBte auftretende
Neigung gegen die Normale war kleiner
als 8". Damit diirften Fehler durch
Polarisation noch auszuschlieoen sein und
Monochromator
man kann mit den Bundelmitten rechnen,
Spalt
ohne einen merklichen Fehler zu begehen.
I
Zieht man die Anordnung seitlich auseinII
Qoorzprismo
ander, so daB die groBte Neigung etwa 12"
gegen die Normale wird, so zeigen sich
I \
Jy
I
~
noch keine Abweichungen.
Fur die Messung am Vergleichsstrahler
wird die reflektierende Glasflache gegen
1 I
I I
I I
I1
'I\\,
I
/i\\\
\ / I/ I I \
\
b
Lichrbogen
einen Al-Spiegel ausgetauscht, dessen Ref I \\/\
I /'
flexionsvermogen geniigend genau bekannt
I / ' i l
ist40-42), urn keine weiteren Fehler einzuII / / 1I IJ
I
schleppen. Besondere Vorsicht ist bei
I /
1 1
dieser Methode in folgender Hinsicht geI /
If
\\\
l/
If
boten. Eine frisch polierte Oberfliiche hat
zweifellos einen anderen Brechungsindex
als das massive Material im Inneren. Nun
Af -Spiegel
konnen dunne Oberflachenschichten abweichender Brechzahl die Reflexion sehr Abb. 14. Schwichungder Kraterstrahmerklich verandern. Um gegen diese, lung durch Reflexion an poliertem
schlecht zu durchschauenden Einfliisse
Quarzglas bzw. Glas
gesichert zu sein, kamen 5 verschiedene
Oberfliichen zur Anwendung, geschmolzener Quarz, 1 Woche nach der Politur,
ebenso 1 Jahr nach dem Polieren und drei verschieden alte Kronglasflachen. Die
Ergebnisse dieser verschiedenen Messungen liegen mit fl%
aufeinander . Um
gegen Selektivitaten im Monochromator gesichert zu sein, fand nicht nur der
bereits auf Seite 206 erwahnte Leiss-Quarz-Doppelmonochromator,sondern
daneben noch ein im Institut selbst gebauter Glasdoppelmonochromator nach
L e h m a n n (AuBenspalte fest, Innenspalt verschiebbar) Verwendung. Dieser sehr
stabil gebaute Monochromator hat Prismen mit 10 cm Basis und Achromate
von 30cm Brennweite. SchlieSlich stand fur einige Messungen noch ein ZeiBEinfachmonochromator mit Quarz- bzw. Steinsalzprisma zur Verfiigung 49, vor
;,\
qg
W. Walkenhorst, Diss. Hannover 1940.
J. Barabas, Diss. Hannover 1943.
44) J. Wulff, J. opt. em. Amer. 24, 23 (1934).
43) Herrn Prof. Kroepelin und. Herrn Dr. Luther danke ich fur die freundliehe
Leihgabe.
40)
41)
220
Annalen der Physik. 6. Folge. Band 11. 1953
den ein kleiner Vorzerleger geschaltet wurde. Die Ergebnisse aller drei Monochromatormessungen stimmen besser als &5y0 iiberein. Insgesamt wurden
31 MeBreihen zur Mittelbildung herangezogen.
Der grodte Teil der Fehler kommt zweifellos durch ungenaue Temperaturbestimmungen zustande. Nimmt man fur die Pyrometerwellenlange 0,656,u
einen Photometerfehler von I/,% an, so wird die Pyrometereichung auf die Strahldichte bezogen I/,% Fehler aufweisen und die ibessung 1% Fehler haben. Geht
man zu anderen Wellenlangen iiber, so wird der Fehler sich nach
andern, worin d der proz. Fehler der Strahldichte und A* die Pyrometerwellenlange ist. Wir haben also bis etwa 0,45 ,u mit einem maximal moglichen Pehler
von etwa &1,5% zu rechnen. Dieser reine Photometerfehler enthalt jedoch die
Fehler, die durch das Umeichen fur hohere Temperaturen auftreten, und die Fehler
durch mangelhaft bekanntes c, noch nicht. Im allgemeinen wird man ein Pyrometer durch AnschluB an ein sekundares Normal also etwa eine Normalbandlampe
eichen. Das bedeutet, daB die Fehler dieses Normals ebenfalls eingehen. Man erhalt also aul3er beim AnschluB an einen Metallschmelzpunkt bereits den vierfachen
Photometerfehler. Geht man zu Temperaturen iiber, die uber dem Fixpunkt
liegen, so vergroBert sich der Fehler weiter durch die Fehler des Graufilters und
durch die Schwerpunktsverschiebung des Rotfilters. Man wird also durch die
Temperaturmessung allein mit rund 5% Fehler der Energiemessung rechnen
konnen. Setzt man die Fehler durch die Schwkhung mit dem Quarzprisma
zu 2% an und beriicksichtigt ferner die auch bei Doppelmonochromatoren nicht
vollig zu vermeidende Palschung durch Streulicht, so kommt man zu etwa &loyo
Fehler der Einzelmessung. Dagegen diirften Fehler durch nicht vollig schwarze
Strahlung der schwarzen Korper und durch die ungenau bekannten Reflexionsverluste R an den Wandungen der Bandlampe zurucktreten. Die letzten Pehler
lassen sich durch Vergleich mit dem schwarzen Silitkorper relativ gut herausmitteln. Man stellt zunachst die schwarze Temperatur von Bandlampe X und
schwarzem Korper gleich ein, etwa auf 1500°K. Dann ist fur die Pyrometerwellenlange A*
worin W die wahre Temperatur des Wolframbandes ist. Dabei ist zunachst nur
S bekannt, R und EA sind nur naherungsweise, W ist gar nicht bekannt. Man
geht dann der Reihe nach zu anderen Wellenlangen 3. iiber und findet dabei Unterschiede zwischen der Strahlung von
schwarzem Korper und Bandlampe, die sich in einem wellenlangenabhangigen
ausdriicken. Nun ist R von der Wellenlange fast vijllig unabhangig.
Faktor
Man kann also (1- 2 R ) mit Hilfe von 2 Wellenlangen eliminieren und erhalt
Daraus kann die wahre Temperatur W der Bandlampe ermittelt werden, wenn
die Wellenlangen weit genug auseinander liegen. Nftn benutzt dabei zunachst die
J . Euler: Der Graphitbogen ala apektralphotvmelriachea Strahldichtenormal
22 1
W nlherungsweise, benutzt dann die
bessere Naherung fur und so fort. 1st IV bekannt, la13t sich aber (mit jetzt gleichfalls bekanntcm EJ.) auch (1 - 2 R ) bestimmen.
Da hier Messungen mit verschiedenen Vergleichsstrahlern und verschiedenen
Monochromatoren innerhalb der Fehlergrenze das gleiche Resultat gaben, ist es
erlaubt, aus allen 31 MMeDreihen das Mittel zu bilden. Der wahrscheinliche Fehler
diirfte dann erheblich kleiner sein als der Fehler einer Einzelreihe. Selbst wenn man
einen systematischen Fehler der Schwachungsmethode zulassen will, durfte die
Fehlergrenze des Gcsamtmittels rnit f
3
:
nicht zii hoch angesetzt sein. Das gilt
B fur die schwarze Temperatur S, berechnet
z5
2
1.5
7
Abb. 15. Einpassen der gememenen i n die gerechneten Energieverteilungenzur Ermittelung
der wahren Kratertemperatur
bereits fur das kurzwellige Endc der gemessenen Energieverteilung ; im langwelligen Teil ist der Fehler moglicherweise noch kleiner.
Um zu der gewunschten wahren Kratertemperatur zu kommen, findet folgendes
Verfahren Anwendung. Es ist unwahrscheinlich, daB das spektrale Emissionsvermogen sich gerade zwischen 0,45 und 0,55 p diskontinuierlich andert. Man
benutzt nun das Emissionsvermiigen, das unter 0,55 p nach der Pirani-Methode
direkt bestimmt ist, zur Berechnung von Energieverteilungen mit verschiedenen
P l a n c kechen Isothermen. Eino von diesen Energieverteilungen mu13 sich ohne
~
Energieverteilung anschliefien.
Diskontinuitat a n die oberhalb von 0 , 4 5 gemessene
Diese Energieverteilung gehort dann zu der wahren Kratertemperatur W,. Das
tfberlappungsgebiet der beiden Mcthoden vergr6Bert die Sicherheit. Das Ergebnis
zeigt Abb. 15.
Die Genauigkeit dieser Temperaturaussage hingt mit der MeBgenauigkeit der
Energieverteilung, hier -&3% und des Emissionsvermogcns, hier 1,5:4 zusammen.
222
Annalen der Physik. 6. Folge. Band 11. 1953
Der Maxinalfehler liegt also bei &4,5%. Das ergibt bei iZ = 0 , 5 eine
~ Temperaturmeflgenauigkeit von
dT
- _ --I- _T dJ - & 0,63y0 oder von f 25" K.
T
c2 J
Die tatsachliche Genauigkeit diirfte aber noch hoher liegen, da im gesamten
Uberlappungsgebiet keine groBere Abweichung als
5% auftritt. Demnach ware
die Temperatur auf etwa &15 bis &20" genau anzugeben zu
W,
= 3995 f20" K.
Eine Bestatigung dieses Wertes kann wie folgt gefunden werden. Bohrt man
i n eine Bogenlampenkohle senkrecht zur Achse ein Loch bis etwa zur Mitte, so
strahlt der Lochboden nahezu schwarz. MiBt man Lochbodentemperatur und
Oberflachentemperatur, so kann man
Durc,,m 05m/r/
das Emissionsvermogen berechnen.
Das ist aber nur zulassig, wenn Lochboden und Lochrand gleiche TempeKrater
ratur haben. Das ist hier sicher auch
nicht naherungsweise der Fall. Wir
Posifiv Elektrode
gehen daher anders vor. Wir verfolgen
Abb. 16. Durch fortlaufendes Beobachten &den- und Randtemperatur mit
eines seitlichen Loches i n der Anwarmzone einem Mikropyrometer wahrend des
der Anode kann auf das Emissionsvermogen
Abb. 16. Dabei Kratertemperatur geschlossen werden Abbrandes der
bei riickt das Loch in immer heiflere
Gebiete. Gleichzeitig werden - wie
aus alteren Messungen bekannt ist Boden- und Randtemperatur immer
ahnlicher. Wir haben also nur die
Randtemperatur S als Funktion der
Bodentemperatur W aufzutragen und
auf W = 3995" K zu extrapolieren.
Die Messung von S laBt sich hochstens bis 3300" K ausdehnen, weil die
letzten 700" sich auf weniger als
loc~bode~temperafur 'Izmm zusammendrangen. Abb. 17
loo0
4000 "K
zeigt W-S aufgetragen als Punktion
Das Loch hatte bier 0,5 mm
Abb. 17. Differenz zwischen Boden- ( W ) von
und Randtemperatur (S) als Funktion der Dmr (Kohle Ringsdorff Spektral 11,
BodentemPeratur W* Oberhalb 3300" K 8 oben und unter gemessen, also auf
extrapoliert
einer Flache parallel zur Kraterflache).
Wie man erkennt,wachsen die Schwankungen von S mit steigender Temperatur stark an. Das hat seinen Grund einerseits
in der mit steigender Temperatur immer schlechteren MeBgenauigkeit. Bei einem
Photometerfehler von 0,5% kann man bei 2000" K auf rund 0,9,bei 3000" K nur
noch auf 1,8 und bei 4000°K nur noch auf rund 4" genau einstellen. Fiir die
Differenz kann der doppelte Fehler auftreten, also bei 3000" K -& 3,6". Da durch
die Extrapolation der Fehler nochmals verdoppelt wird, haben wir bei W = 3995°K
W-8 zu 186 & '7" anzusetzen. Daraus errechnet sich das Emissionsvermogen zu
76,4 f 0,8. Bur die schwarze Kratertemperatur erhalt man bei A = 0,655 ,ti
w.
J . Euler: Der Grapkitbogen als spektralphotometrisches Strahldichtenorml
223
8, = 3822 & 15" K. Die relativ hohe Fehlergrenze erklart sich aus der Schwierigkeit, das nur bis etwa 2600" K geeichte Pyrometer umzueichen. Daraus erhalt
man mit dem Emissionsvermogen 76,4,&,0,8 eine wahre Kratertemperatur von
4010 & 23" K. sowohl die Kratertemperatur-als auch das extrapolierte Emissionsvermogen passen gut rnit den anderweitig ermittelten Werten zusammen. Das
letztere Verfahren scheint aber wegen der Extrapolation im ganzen gesehen ungenauer. Daher wird der Wert von Seite 222 als reell angesehen.
Eine weitere Bestatigung sowohl der Temperatur als auch des Emissionsvermogens kann aus Gesamtstrahlungsmessungen erhalten werden. Die Gesamtstrahldichte
ist einerseits
andererseits E = 2 a Ta.
Fur die Konstante cz ist die Internationale Temperaturskala von 1948 maSgebend, die c2 = 1,4380 cm Grad ergibt. Der wahrscheinlichste Wert fur c,, berechnet aus den universelIen Konstanten c und
JL, ist 44) C,= 5,9538 &0,004.lO-17 abs. Watt ma
(polarisierte Strahlung in die RW-Einheit).
-
Daraus errechnet sich u
2n6.c
1s-c:
= -2 = 5,6805 &
0,004 * 10-12 abs. W/cm2 Grad4 (unpolarisierte
Strahlung in den ganzen Halbraum).
Die angegebene Eehlergrenze berucksichtigt
nur Fehler von C,. Damit ergibt sich fur den Abb. 18. Zusammenhangzwischen
schwarzen Korper bei !!' = 3995" eine Strahl- Luftdruck und wahrer Kratertemperatur
dichte E = 1447 4l,lW/cmz. Mit einer Thermosaule, deren Empfindlichkeit zu 7,28 *
& 5% Volt/W/cmZ in der PTB bestimmt worden ist*6), ergibt sich fur den
Kohlekrater 1180 W/cmZ. Davon mu5 die Bandenstrahlung mit etwa 4% abgezogen werden. Dann erhalt man fur das Gesamtemissionsvermogen 2 = 78,3
& 4%. Dieser Wert ist gut mit dem Mittelwert des spektralen Emissionsvermogens
1984u,26e1= 77,O in Ubereinstiinmung. Der Wert von
Tabelle 6
S, ist aus dem spektralen
Emissionsvermogen erhalten, das zwischen 0,25
und 1,Sp gemessen ist.
Qberhalb von
von 1,8p
1,8pliegen
liegen
Qberhalb
200
zt 9,o
+10,5
+1,5
aber noch
noch rund
rund 17%
17% der
der
aber
300
68
+7,5
1,5
so daIj
daIj
Gesamtstrahlung, so
Gesamtstrahlung,
400
494
15,9
1,5
~.
~_
hier -ein
ein Weiterwachsen
Weiterwachsen
hier
1,5
3,6
~ 5 s
500
im gemessenen
gemessenen
von EE (A) im
von
2,6
+4,1
1,5
700
Sinne
vorausgesetzt
die
Sinne vorausgesetzt - die
1000
__ 1,8
Zt3931,5
Obereinstimmung noch
noch - ~1500
- _ _
Obereinstimmung
1,5
192
42.7
besser wird.
44)
44)
46)
46)
U. Stille,
Stille, freundliche
freundliche private
private Mitteilung,
Mitteilung, Marz
Marz 1951.
1951.
U.
Herrn
Herrn Dr.
Dr. Bauer
Bauer sei
sei an
an dieser
dieser Stelle
Stelle herzlich
herzlich gedankt.
gedankt.
224
Annalen der Physik. 6 . Folge. Band 11. 1953
Einen merklichen EinfluB auf die Temperatur kann nach L u m m e r 46) der
Luftdruck ausiiben. Er beobachtet bei 0,8 ata einen Riickgang der Leuchtdichte
um 3%,dem entspricht ein Temperaturabfall von 15". Eigene Messungen bestatigen
in etwa diese Werte, wie Abb. 18 zeigt.
Die Messungen sind mit einem Gliihfadenpyrometer bei 656 mp durchgefiihrt,
der Gang der Kurve ist durch photoelektrische Parbtemperaturmessungen iiberpriift. Die Beriicksichtigung normaler Luftdruckschwankungen ist also nicht erforderlich.
Die Genauigkeit der Intensitatsverteilung wird einerseits durch die Me&
genauigkeit des Emissionsvermogens und andererseits durch die MeSgenauigkeit
der Temperatur begrenet. Tabelle 6 gibt einen nberblick daruber. Diese Fehler
beziehen sich auf die Angabe der Strahldichte in abs. Einheiten. Piir Relativmessungen sind nur Schwankungen bzw. Unterschiede maBgebend, die sich unter
-& 2% halten.
Die Arbeit ist in den Jahren 1947-1951 im Physikalischen Institut der TH
Braunschweig entstanden. Dem Institutsdirektor, Herrn Prof. Dr. G. Cario ,
danke ich herzlich fur das stete, wohlwollende Interesse, das er meiner Arbeit
gewidmet hat. Herrn 0berreg.-Rat Dr. Tingwald und Herrn Dip1.-Phys. E n g e l k i n g habe ich fur die Durchsicht der Arbeit und viele Hinweise zu danken.
Neben, den Leihgaben anderer Braunschweiger Institute, auf die im Text
bereits hingewiesen worden sind, habe ich der Notgemeinschaft fur den Quarzspektrographen zu danken, mit dem eine Reihe von nbersichtsaufnahmen gemacht
worden sind.
Die Ringsdorffwerke, insbesondere Herr Dr. W. N e u k i r c h e n und Herr
Dip1.-Phys. RiiBmann haben mich durch die Auswahl und Herstellung geeigneter
Kohlesorten erst in den Stand versetzt, die Messungen auszufuhren. Sie haben
dariiber hinaus mehrere hundert Versuchskohlen kostenfrei zur Verfiigung gestellt.
Ihnen gilt mein-ganz besonderer Dank. Das Negativmaterial fur die Aufnahmen
und das Papier fur die VergroBerungen stellten die Firmen Perutz, Miinchen und
Leonar, Hamburg in dankenswerter Weise zur Verfiigung. Die Firma Bauer,
Stuttgart uberliel3 mir einen ausgezeichneten Regelmotor.
06)
0. Lummer, Verfliiss. d. Kohle, Braunschweig 1914, S. 215.
Br a u n s c hweig , Physikalisches Institut der Technischen Hochschule.
(Bei der Redaktion eingegangen am 1. September 1952.)
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