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Die Ionisierung der Edelgase (auer Helium) durch Rntgenstrahlen.

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825
D i e IonCsierung dtw Edelgase (auptw HelCurn)
durch R6rt tgenstrahlen
Vorc
Otto Gaertner
(Rijntgenforschungsinstitut Bonn)
Nach friiher l) mitgeteilter Methode ergeben sich folgende Werte
in Volt pro Ionenpaar: fur die gefilterte Strahlung einer Kupferanode
(1,27 LE mittl. Wellenltinge) Neon 43,2 f. 8, Argon 28,6 f 1, Krypton
32,4 & 3, Xenon 47,5 ? (SBttigung).
Mit Argon werden die Messungen noch auf kiireere Wellen auegedehnt: 28,6 Volt (0,688 AE), 28,O Volt (0,468 AE), 29,3 Volt (0,345 BE).
Als Nebenergebnis sei die betrkhtliche Erniedrigung der Funkenspannung in Neon erwtihnt, welche unter den Bedingungen dieser
Arbeit durch Rijntgenbestrahlung auftrat.
Zur Ermittlung der oben genannten GroBen kann man
neben der hier angewandten Methode die Kathodenstrahlen
entsprechender Geschwindigkeit auch direkt auf das betreffende
Gas wirken lassen. Obgleich diese letztere Methode oberhalb
etwa 20 kV genauere Resultate zu liefern vermag, muB doch
darauf hingewiesen werden, da13 die stillschweigend vorausgesetzte Gleichwertigkeit beider Methoden zwar naheliegend
erscheint, aber keineswegs so selbstverstiindlich ist, daB eine
experimentelle Prufung uberflussig ware. Denn im Falle der
Rontgenstrahlen besteht eine groBere Wahrscheinlichkeit dafur,
daB neben der Ionisierung noch andere energieverbrauchende
Vorgange einherlaufen bzw. vorausgehen. Eine Diskrepanz der
nach beiden Methoden erhaltenen Ergebnisse ware theoretisch
bedeutungsvoll. Auch kann man die zurzeit bestehende Me13genauigkeit nicht als MaB dafur nehmen, daB man eine Differenz, die unterhalb dieser durch Zufiilligkeiten bedingten Grenze
liegt, als belanglos abtut. Der bisher zuungunsten der Rontgenstrahlen gefuhrte Hinweis auf die relativ geringe Energie durfte
1) 0. Gaertner, Ann. d. Phys. [5] 2. S. 94. 1929.
826
0.Gaertner
auf Grund des Zahlenmaterials, welches der Verfasser an anderer
Stellel) gebracht hat, nicht mehr ins Gewicht fallen.
Problematisch ist im Falle der Rontgenstrahlen lediglich
die Messung bzw. die Berechnung des von dem absorbierenden
Gase gestreuten Anteils der einfallenden Rontgenstrahlung,
sofern dieser den Betrag einer KorrekturgroBe uberschreitet.
Fur Wellenliingen oberhalb 0,7 AE und Stoffe mit der Ordnungsaahl oberhalb etwa 10 bestehen in dieser Beziehung noch keine
erheblichen Schwierigkeiten.
Gegen die Messungen rnit Xenon kann man den Einwand
erheben, daD sich hier die Sattigung nicht erreichen lieD. Aber
auch diesem Mange1 liiBt sioh abhelfen. Die Sattigungsspannung
ist u. a. durch die raumliohe Dichte des Ionenstromes bedingt.
Nun kann man zur Verringerung desselben die Blende fur die
Strahlung nicht beliebig verkleinern, weil dann die Bestimmung
der Blendenfllche zu ungenau und die Just,ierung zu schwierig
wird. Die AbstandsvergroBerung gegenuber dem Abstande bei
der Energiemessung erfordert bei 1,27 BE wieder betriichtliche
Korrekturen fur Luftabsorption. Mit Rucksicht auf die Empfindlichkeit der Thermosaule und die geforderte Genauigkeit
kann man die Energie ebenfalls nicht unter eine gewisse Grenze
verringern. Man kann jedoch, wie dies fruher2) schon vorgeschlagen wurde, sich darauf beschrlnken, fur Argon die Beaiehung zwischen Ionisierung und Energie eu bestimmen. 1st
diese Beziehung bekannt, so kann man jede beliebige, nicht xu
kurzwellige Rontgenstrahlung, die vermoge ihrer Ionisierung in
grgon noch nachweisbar ist, auf Grund dieser Beziehung im
absoluten Ma13 berechnen. Man kann z. B. die Ionisierungsmessungen in Xenon und sonstigen Gasen rnit spektral zerlegter
Strahlung ausfuhren, deren Energie rnit einer Argondruckkammer gemessen ist. Man kommt dann mit Energien aus, die
um mehrere Zehnerpotenzen kleiner sind wie diejenigen, welche
man zur Messung rnit der ThermosLule notig hat. Dementsprechend erniedrigen sich auch die Slttigungsspannungen.
Das Argon hat fur die jontometrische Intensitatsmessung
der Rontgenstrahlen etwa dieselbe Bedeutung wie die rote Cadmiumlinie fur die Wellenlangenmessungen im optischen Gebiet.
Ebenso wie die Wellenliinge dieser Linie absolut gemessen wird
1) 0.Gaertner, Z. T.P. 11. S. 363. 1930.
2 ) 0.G a e r t n e r a. a. 0.
Die Ionisierung der Edelgase durch Rontgenstrahlen 827
und die der ubrigen Linien relativ zur Cadmiumlinie, so wird
auch fur Argon die Beziehung zwischen Ionisierung und Energie
absolut gemessen und die Ionisierung in anderen Gasen relativ
zur Ionisierung in Argon bestimmt. AuBer dem Argon gibt es
kein anderes gasformiges Element bzw. Verbindung, welche in
jeder Beziehung fur den genannten Zweck so geeignet ware.
Deshalb sind unter den absoluten Messungen dieser Arbeit diejenigen a n Argon mit der groBten Genauigkeit ausgefuhrt. Die
anderen Gase gestatten aus dem einen oder anderen Grunde
nicht die Erreichung dieser Genauigkeit bzw. eine Ausdehnung
der Messungen bis 0,35 BE. Fur diese Gase wird eine genauere
relative Messung noch mit spektral zerlegt,er Strahlung durchgefiihrt werden.
Vereuchsdaten
Zur Strahlenerzeugung dienten zwei mit Strichfokus versehene technische Gliihkathodenrohren von C. H. F. Miiller,
welche direkt am Transformator betrieben wurden. Die Anode
bestand aus Kupfer bzw. Wolfram. Die Strahlung der Wolframanode wurde mit Kupfer entsprechender Dicke gefiltert, um die
gewunschte mittlere Wellenliinge zu erhalten. In der Literatur
werden zwar mehr oder weniger komplizierte Filter beschrieben,
welche den Vorzug einer groBeren SelektiviM haben sollen.
AuBer K u l e n k a m p f f hat jedoch bis heute niemand die Energieverteilung der so erhaltenen Strahlungen quantitativ untersucht. Deshalb hat sich der Verf. auf die einfache Filtermethode
mit nicht selektivem Filter beschrankt. Dieses hat den Vorzug,
da13 es eine kontinuierliche Veranderung der Wellenlange erlaubt. Wegen des Fehlens der Selektivitat ist die Energieverteilung der durchgelassenen Strahlung in einer Hinsicht noch
besser zu uberblicken. SchlieBlich stellt die Abhangigkeit des
Absorptionskoeffizienten von der dritten Potenz der Wellenlange in gewissem Sinne schon eine Selektivitat dar.
+
I. Kupferanode 15 kV, 22,5 mA Filter 36,6 p A1 150 p Celluloid
TI. Wolframanode 27 ,, 20,O ,,
,, 0,6 mm A1
111.
9,
38 3 , 20,o 7,
,, 0,11 cu
IV.
1,
50 ,, 20,O .,
11
0233
P
Filter fur
Schwtlchungsmessung
0
mittlere Wellenliinge
I.
46,O p A1
28,7
1,27 ALE
IT.
14,8 p Kupfer
47,6
0,688 ,,
111.
29,6 p
l5,4
0,468 ,,
IV.
5992 P
6,62
0,345 ,,
79
828
0. Gaertner
.
Die Gesellschaft fur Lindes Eismaschinen stellte folgende
Mengen Edelgase zur Verfugung :
1,3 cbm Argon
24 Liter Neon
444 ccm Krypton
60 ccm Xenon
Reingehalt 97 Proz.
17
9925 11
71
98
17
77
98
$7
Rest nicht angegeben
,, Helium
,, Xenon
7,
Krypton
Energiemessung
Die Energiemessung erfolgte mit der absoluten Thermosaule, welche der Verf. an snderer Stellel) beschrieben hat. Die
Galvanometerausschlage betrugen 300-500 mm in 5 m Skalenabstand.
Platin-Iridium
Auffiinger fur Strahlung I 100~7,00~0,06
mm 0,0443
fur I1 . . . . . . . 100.2,98.0,25 mm 0,0316
Strahlung
I
I1
111
Heizstrom in mA
26,6
28,7
29,8
Wntt/cm* u. Sek.
in 167 mm
0,668
1,12
1,20
nngefilterte Strahlung
2,13
7,72
gefilterte zur
52,6
15,6
ungefilterten Strahlung
Ohm filr 77,6 mm
;, ,, 77,6 mm
Iv
24,7
0,63
11,7
.lo-’
7,l
Proz.
*lo-’
Meeeung dee Ionenetromes
Die Strommessung erfolgte wie fruher mit einem Zernickegalvanometer. Die Blende vor den IonisierungsgefBBen hatte
in allen Fallen einen Durchmesser von 3,Ol mm. Die Bleiblende
wurde mit einem Spiralbohrer stufenweise vorsichtig auf 3,OO mm
aufgebohrt und dann durch Hereinschieben einer zylindrischen
Hommelschen Leere auf 3,Ol mm aufgeweitet. Eine Leere
von 3,02 mm lie13 sich dann nur mit Gewalt hereinschieben,
so daI3 derDurchmesser auf 0,Ol mm genau ist. Im folgenden
sind die Messungen mit den verschiedenen Gasen getrennt voneinander besprochen. Der Abstand Brennfleck-Blende war bei
Neon und Argon 18,7 em (wie bei der Energiemessung), bei Kr
und X 40,6 em.
1. Neon
Das Neon wurde in dern DruckgefaS untersucht, welches
friiher beschrieben worden ist .
1) 0. Gaertner a. a.
0.
Die Ionhierung der Ehlgase durch Riintgenstrahlen 829
Spannung a. d.Kammer 0,22 0,54 0,86 1,7 2,6 3,5 7,O
kV
Ionenstrom . .. . . . . . 74,O 91,4 93,O 93,5 108 123 Funken 10-loAmp.
.. .
Oberhalb 1,7 kV ist deutlich das Einsetzen von Stobionisation
zu erkennen.
Bei 4,3 kV war das Galvanometer bei einem Ausschlag von
1,5 m noch nicht zur Ruhe gekommen. Vielmehr geriet der
Lichtzeiger in eine beschleunigte Bewegung, welche bei 1,5 m
ein beangstigendes Tempo angenommen hatte. Bemerkenswert
ist, daf3 vom Offnen der Blende fur die Strahlung bis zur Erreichung des Ausschlages von 1,5 m eine Zeit von einigen Sekunden verstreicht. Ferner ging ohne Bestrahlung bei 7 kV ein
konstanter Strom von nur einigen 10-lo Amp. uber, wahrend
durch die Bestrahlung bei dieser Spannung ein Oberschlag
erfolgte.
Die vorhandene Neonmenge reichte nicht Bus, um in einem
besonderen GefBB die durchgelassene Strahlung zu messen, weshalb dieselbe in weniger genauer Weise durch Rechnung ermittelt werden muS.
Nach den kiirzlich erschienenen Messungen von C o lv er t ')
betriigt der MassenschwBchungskoeffizient fur Neon 16,O bei
1,389 AE. Die effektive LBnge der Kammer betrug 46 cm, der
Druck 3,4 kg/cm2 gegen Vakuum. Daraus berechnet sich die
durchgelassene Strahlung fur 1,27 hE zu 18O/,. Der gemessene
Wert des Sattigungsstromes ist also noch mit 1,18 zu multiplizieren. So ergeben sich 110.10-10 Amp. fur 3,Ol mm Blende
und daraus 43,2 Volt pro Ionenpaar.
2. Argon
Mit diesem Gase wurden die Messungen weiter ins kurzwellige Gebiet ausgedehnt, weil es allein in der dam erforderlichen Menge und Reinheit zu beschaffen ist. Mit Riicksicht
auf die Hohe der Siittigungsspannung konnte der Druck nicht
uber 20 kg/cm2 gesteigert werden. Die Siittigungsspannungen
lagen bei 8 kV. Die Messungen wurden bis 16 kV ausgedehnt.
Strahlung ...........
I
11
I11
IV
Druck in kg/cm*.. . . .
Siittigungsstrom f i r
3,Olmm Blende ......
Stitti ungsstrom fur
Blenje 1 cma ber.. . . .
3
15
20
20
165
272
282
164
Amp.
232
382
396
216
Amp.
1) W. W. Colvert, Phys. Rev. 36. S. 1619. 1930.
0. Gaertner
a30
Als Anhalt fur die unter obigen Bedingungen niclit absorbierte Strahlung diene folgende Tabelle :
Strahlung ......... I
Grenxwellenlange . 0,832
Mittl. WeUenliinge . Von 46cm Argon
unter obigem Druck
durchgelassen ... -
.
I1
0,458
0,688
4,l
I11
0,325
0,468
19,2
-
111
IV
0,247 RE
0,345 1 E
39,5 o/o (Grenzwellenl.)
(Mittl.Welled.)
12,2
Die durchgelassene Strahlung kommt also erst bei IV in
Frage. Eine zweite Korrektur ist fur die gestreute Strahlung
anzubringen. Wenn man davon absieht', dal3 die Streust,rahlung
ihrerseits absorbiert wird, so betragt das Verhaltnis von gestreuter und absorbierter Strahlung o/,u (o Streukoeff., p Absorptionskoeff.). Dieses Verhiiltnis ergibt sich nach den zur Zeit
vorliegenden Messungen folgendermal3en :
Wellenlainge ............... 1,27
Streukoeffizient . . . . . . . . . . . . 0,20
Absorptionskoeffizient ...... 55,O
Verhaltnis ................. 0,004
0,688
0,20
8,85
0,023
0,468
0,20
2,78
7,2
0,345 HE
0,20
1,15
17,4
Aus dieser Tabelle ergibt sich, dab die Streukorrektur fur
1,27 XE schon fur Argon gegeniiber den anderen Fehlern der
Methode zurucktritt, was bei Krypton und Xenon urn so mehr
der Fall ist. Nun deuten alle vorliegenden Erfahrungen darauf
hin, daR der Streukoeffizient fur Stoffe von der Ordnungszahl
des Argons doch urn einige 10 Proz. hoher ist wie der klassische
Wert. Rechnet man mit einem Fehler von 50 Proz., so wird
hierdurch das Resultat urn folgende Betrage unsicher :
Strahlung ...............
Fehler ..................
1
092
11
1,15
rii
34
IV
8,7
'lo
Durch Multiplikation der Silttigungsstriime mit den Zahlen
1,004, 1,023 usw. bekommt man die Strome fur den Fall, daB
keine Streuung vorhanden ware. Hierzu ist noch der oben berechnete durchgelassene Anteil zu addieren. Der Quotient aus
Energie pro Quadratzentimeter und Sekunde und Sattigungsstrom pro Quadratzentimeter Blende ergibt direkt die gesuchte
GroBe Volt pro Ionenpaar.
Strahlung ...............
Volt pro Ionenpaar ......
I
28,8
I1
28,6
Ir i
2s,o
IV
29,2
Die Ionisierung der Edelgase durch Bontgen.strahlen 831
3. Krypton
Dieses wurde in einem GefiiB von 210 mm Lange und 48 mm
Durchmesser untersucht. Die 4 mm starke Elektrode aus Aluminiumdraht war exzentrisch angeordnet. Zur Herabsetzung
der Sattigungsspannung erfolgte die Messung in 40,6 cm Brennfleckabstand. Bei Umrechnung auf den Abstand der Energiemessung mu13 d a m noch die Luftabsorption berucksichtigt
werden.
Spannung an der Kammer 0,22 0,86 1,7 2,6 3,5 kV
Strom fur 3,Ol mm Blende
in 40,6 e m . . .
. . . ... . . 16,3
26,9
28,6 28,8
29,5
lo-''
Amp.
Strom fur Blende von 1 cm2 in 18,7 cm Abstand 205.10-9 Amp.
Hieraus berechnen sich 32,6 Volt pro Ionenpaar.
4. Xenon
Das Xenon wurde zuerst in einem GefBB von 48 mm Durchmesser und 40 mm Lange untersucht, in dem es also unter einem
Druck von 500 mm stand. Auch hier bestand die eine Elektrode
aus 4 mm dickem exzentrisch angeordnetem Aluminiumdraht.
Aber die Sattigungsspannung war derart hoch, daB selbst bei
3,5 kV der anniihernd geradlinige Teil der Sattigungskurve noch
nicht uberschritten war und man den unwahrscheinlichen Wert
von 85 Volt erhalten hatte. Man mu13 sich uberlegen, daB in
einem Zylinder von 3 mm Durchmesser und 10 mm Liinge sovie1 Ionen hier erzeugt werden, daB ein Strom von rund 10-8Amp.
flieBt. Der Strom ist gerade da am groBten, wo die Strahlung
eintritt und das Feld am ungiinstigsten verteilt ist. Nine weitere
Annaherung der Elektrodenspitze an das Fenster fur den
Strahleneintritt bewirkt nur eine Glimmentladung an dieser
Stelle. Das Xenon wurde dann in ein GefaB von 48 mm Durchmesser und 250 mm Liinge umgefullt in der Erwartung, da13
durch den niedrigeren Druck die Ionenbildung auf einen groBeren
Raum verteilt wird, wodurch die Sattigungsspannung erniedrigt
wird. Bei der gleich nach dem Umfullen vorgenommenen galvanometrischen Strommessung erfolgte jedoch infolge unvorhergesehenen ij'berschlages eine Beschadigung des empfindlichen Zernickegalvanometers. Als dasselbe wieder repariert zur
Verfugung stand, war die Sattigungscharakteristik ganzlich veriindert, woraus auf das Eindringen von Luft geschlossen werden
muB. Im Gebiete von 0,86 kV an bestand bereits Sattigung,
832
0. Gaertner. Ionisierung der Edelgase durch Riintgenstrahien
wiihrend vorher bei 1,5 kV schon StoBionisation eingetreten war.
Mit der unkontrollierbaren Luftmenge zusammen wurde ein
Wert von 47,5 Volt pro Ionenpaar erhalten. Da zur Xeit eine
weitere Menge Xenon nicht zu beschaffen war und die zu Anfang
erwllhnte Methode mit spektral zerlegter Strahlung der hier
angewandten betriichtlich uberlegen ist, wurden die Messungen
mit Xenon nicht weiter verfolgt.
Die Ionisierung einee Gmgemischee durch R6ntgenstrahlen
Hier sol1 ein in friiherer Mitteilungl) begangener Uberlegungsfehler berichtigt werden. Dort wurde fur Luft der Yoltwert aus
demjenigen der Komponenten berechnet. Die Verteilung der in
einem Gasgemisch erzeugten Ionen auf die Komponenten steht
aber in keinem Zusammenhang mit den Rontgenstrahlenabsorptionsgesetzen, sofern die primiire Ionisierung gegenuber
der sekundiiren Ionisierung verschwindend ist. Maagebend sind
hier lediglich die Absorptionsgesetze fiir Kathodenstrahlen.
Dementsprechend mu6 auch der EinfluB von Fremdgasen bei
den vorliegenden Messungen anders bewertet werden wie im
Falle, daB Absorptionskoeffizienten zu bestimmen sind.
Die weitere Feststellung, ob kleine Mengen von Verunreinigungen sonstige Nebeneffekte verursachen, bildet ein Problem fur sich, weil die hierfur erforderlichen Gasmengen relativ
groB sind und dementsprechend besondere Einrichtungen zur
Reindarstellung verlangen.
Der Verf. hat zu danken: Der Gesellschaft fur Lindes Eismaschinen, welche betrllchtliche Mengen der Edelgase kostenlos
uberlieb ; der Notgemeinschaft der deutschen Wissenschaft fur
die Gewiihrung des Forschungsstipendiums.
1) 0. Gaertner, a. a. 0.
(Eingegangen 18. Juni 1931)
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