close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Elektrische Entladungen in Edelgasen bei hohen Drucken. I. Bogenformen und spektrale Eigenschaften der Edelgashochdruckentladungen

код для вставкиСкачать
Elektrische Entladungen in Edelgasen bei hohen Druaken
I. Bogenformen und spektrale Eigenschaften
der Edelgashochdrudentladungen
Von P. S c h u l s
(Mit 11 Abhildungen.)
Inhaltsiihersieht
Entladuugen in Neon, Argon, Krypton und Xenoii wurden bei Drucken bis
zu 37 -4tm und Stromstarken bis 30 A untersucht. Der Bogentyp wird wesentlich
durch die Elektrodenforni bestimmt. Zwischen zwei spitzen, in nicht zu grodem
Abstand befindlichen massiven Wolframelektroden brennt cine Entladung mit
engeni Kana1 und hellen Brennflecken an den Elektroden. Sie kann als ,,elektrodenstabilisierte" Entladung bezeichnet werden. Der den weiteren Untersuchungen zugrunde gelegte Bogen, der zwischen einer massiven Wolframsnode
und einer Wendelelektrode als Kathode brennt, verhalt sich dagegen wie ein
Flammenbogen, d. h. seine Form ist wesentlich durch die Konvektion bestimmt.
Hei Schiefstellung der Ent,ladungsrohre wird der Bogen mit dem Konvektionsstrom nach oben getrieben. Neben einer vorwiegend linienhaften Emission, die bei
Seon im Roten liegt und sich mit zunehmendem Atomgewicht des Gases nach
langereii Wellen ins nahe Ultrarote verschiebt, tritt ein intensives Kontinuum,
das sich besonders iiber das sichtbare und ultraviolette Spektralgebiet erstreekt,
in Erscheinung. Die Energieverteilung des Kontinuums ist nahezu die eines
schwarzen Korpers von 5200O. Das Kontinuum wird auf fjbergange zwischen
den kontinuierliehen Zustanden oberhalb der Ionisierungsvenze und den diskreten Zustanden (Rekombinationsstrahlung) sowie auf mbergiinge innerhalb
des Bereiches der kontinuierlichen Zustande (Bremsstrahlung) zuriickgefiihrt.
Seine im Vergleich zu Entladungen in anderen Gasen hohe Intensitat ist eine
Folge der Zusammendrangung aller Terme dicht unterhalb der Ionisierungsgenze bei den Edelgasen, wodurch die Tonisierungsspannung und damit die
Anregungsspannung des Kontinuums nur wenig hoher ist als die Anregungsspannung der Linien.
96
A n n a h da P h y ~ k .6. F o ~ ~ Band
c.
1. 1947
pee plasma der Siiule els Gas im therrnischen Gleiohgewicht
I n Entladungen bei hohen Drucken kann thermisches Gleichgewicht angenommen werden'). Im Gegensatz zur Niederdruckentladung, in der die Gastemperetur oft nur wenig iiber Zimmertemperatur liegt, herrschen im Hochdrnckbogen Temperaturen von vielen tausend Grad. In der Hg-Eochdrnckeiiule
betragen diese z. B. etwa 7500' abs.').
Das thermische Gleichgewicht erlaubt die Beschreibung der Entladungseigenschaften der Bade durch die Gastemperatur T. Die Verteilung der Atome
auf die verachiedenen hregungszustande wird durch die Boltzmann-Funktion
bestimmb :
_e_Vn
S,
-=
N g,, e
k T
(1)
(NaAnzahl der angeregten Atome im Zustand mit der Anregungsspannung V,,
g,, Verhaltnis der statistischen Gewichte im angeregten Zustand und im Grundev"
-kT
zustand). In & e a r Beziehung ist von vornherein die Zustandseumme z n g, e
alle angeregten Zustande des neutralen Atom) im Nenner
vernachliissigt, da bei den in Hochdruckentladungen im allgemeinen auftretenden
Temperaturen nur der Grundzustand mit Vn = 0 einen merklichen Beitrag liefert.
Der Ionisationsgrad und damit die Elektronendichte w i d durch die Tempera& (und den Druck) mittels der Sa ha - Gleichung festgelegt:
(xn erstrecktiiber
(Z Tonisationsgrad, p Druck in Atmosphiiren, e elektrische Elementarladung,
77, w i r h m e Ionisierungsspannung, ui, u,, IT, Zustandcleummen des IOU,Elektrons, neutralen Atoms). Die wirksame Ionisierungsepannung V , i t in der Hochdrucksaule im allgemejnen niedrjger als die Ionbierungsapannnng des ungeetiirten
Atoms. Die Ursache hierfiir ist die Verschmierung der sehr dicht gelagerten
oberen Tenne infolge ihrer starken Verbreiterung bei den hohen Drucken und
Elektronendichten a)). In der Hg-Hochdrucksiiule betriigt aie wirkeame Ionisierunppannung z. B. nur etwa 9,7 V gegeniiber 10,4 V des freien Quecksilberatom. Die Zustandssummen sind unter den vorliegenden Bedingungen prakt k h gleich den statistischen Gewichten ihrer Grundaustiinde zu setzen. Beim
Quecksilber betriigt dann u, = 1; IT, = 2, bei den Edelgasen (Ne, Ar, Kr, Xe)
0, = 1; ui = 6. u, ist stets gleich 2 zu setzen. Die in den Hochdrnckentladungen
vorkommenden Ionisierungsgrade sind im allgemeinen klein gegeniiber 1, so daO
d Q 1 G+d. Die Anzahl der Elektronen pro cm3 : N* = 2 N = z 2,71.1Ol7p273
Tergibt sich somit fur die Edelgase rnit IT, = I ; ui == 6; ue == 2:
-
N*
=
-
$-cyI
14,5 lCP p T e
akT.
(3)
l) R.Mennkopff, Z. Physik 76 (1932) 396; 8. Omstein u. H. Brinkmsnn,
Physics 1 (1934) 797; W. E l e n b a s s , Jebends 1 (1934) 211; A. M. K r u i t h o f u.
J. A. S m i t , Phpica 11 (1944) 129.
a) P. Schule, 2. Physik 114 (1939) 436; R.Rompe u. P.Schulz, ebende 118
(1941) 269; P.Schulz u. W.Weize1, ebende lee (1944) 697.
a) R.Rompe U. P. Schulz. Z. Physik 110 (1938) 223.
Sch r i k : Elclitrische En~tlrdrtngeni u Eddrlgnsen bei ii o h m Uricrkeir
9i
Die Saule niit an sich stetig zum Rande abfallender Tenipcrat,ur kann angenahert
beschriebeii werden durch eiii Nodell niit einer innerhalb cines Bogenradius H
konstanten Trinperat,ur. Die Stroinst,irkr ist d a m gegeben durch :
I :x R2
-hT+
e b, C
(4)
(G Gradient hi Volt/cni, h p Elektronenbewcglithkeit), wobei N* iiach GI. (3)
B U S Teniperatur und Druck berechiiet werden kanti. Die mit einer Spektralliiiie ausgestrahlte Eiiergie S , - iV, h v B (A ijhergangswahrscheinlirhkcit
vom Aiifaiigs- zum Endzust,and der Linie) ist unter Beriicksichtiguiig der B o l t E inan n -Verteilung G I . (1) ebenfalls durch die Temperatur bestimmt:
- -
S,,
= Xg,, . hip. 9.
e
- c_r ; -
kT .
(5)
Hieraus erhalt mail die gesamte linienhafte Ausstrahlung durch Sumination
uber alle nioglicheii Sivenus iind Ubergiinge. Oft wird fur cine angenaherte Beschreibung a n Stelle der vielen angeregt,en Siveaus eiti mitkleres Niveau ]',,,
eingefuhrt. Die Strahlung kann dann dargestellt werden durch :
e I-,,,
s,,
const N e 1; T-.
(511)
Um die pro Zeiitinicter Siiulenlilipe iusgestrahlte Knergie zu erhalten, miissen
die Gln. (5) iiber den Hogenquerschnitt integriert werden. Wird mieder das vereinfachte Modell mit raunilich koiistanter Trniperatur ini Bogen voni Durchniesser 3 R rerwandt, so folgt:
.-:
- c 1'"
S, - - - - . - ~ R ~ y , ~ h s kl'
ANe
(5b)
bzw.
erm
SEr6== c.onst R2 B e
.
(5C)
Sei diesen Het,rachtungeii ist von der Iteahsorpt,ion der Linien abgeeeheii
worden. Bei den auf hoheren Sivenus endendeli Linien ist das mit gewisser Saherung zulissig. 1)agepen ist die Absorption der Liiiien, die auf dem Grundzust~nd
endeii, voii ausschlaggebeuder Bedeutung. Resonders gilt das fur die Itesonanzlinien. Letzt,ere, die in der Siederdrucl;cntladung oft fast die gesamte Strahlunp
liefern, grlaiigen bei den Hochdruckentladungeti niit Ausnahnie der auOersteii
T,inienfliipeld) iiberhaupt. nicht aus deni Bogen heraus. Ihre Absorption inacht,
sirh durch cine weite, oft,niehrere huiidert besonders nach dem Roten reiohendr
Liicke 1)einerlil)ar. Die Strahluiig wird in solcheii Eiit,ladungen im wesentliclien
von Linieii peliefert,, deren untere Kiveaus die iiachsthoheren Ternie iiber deni
Grundzust,anri sind.
AuDer der linienhaften Ausstrahlung spielt, die kont,inuierliche Strahlung i i i
Hochdriickeiitladmigeii einc Ilolle. Sie wird im wescntlicheii auf zwei Ursachcn
zuriickpefiihrt, nimlich auf Molekiilstrahlunp oder Rekombinations- und Uremsstrahlunig. Ini ersten Fall ist das Kontinuunl. da man es meistens nicht niit der
Strahlung stahilcr Xolekiile, sondern von StoBniolckiilen zu t,un hat, unter Vrre
-.
r-
Glieder gcniiachliissigung der gegeniiber e k T wenig te~iiperaturablil~igipc~i
pebeii durch :
e
r-a
_S, = const. iV2 e k T .
(6)
4)
H . J I a n n k o p f f , %. Physili I20 (1913) 201.
Ann. l'hysik.
ti. Ftilgr. I l t l . 1
1
98
Annalen der Phyaik. 6. Folge. Raid I . 1947
Liegt Rekombinations- und Bremsstrahlung vor, so ist :
Die kontinuierlichc Strahlung ist in diesem Fall im wescntlichen proportional
dern Quadrat der Elektronendichte (bzw. wegen der Quasineutralitat auch der
Ioncndichte), entsprechend dcr Tatsache, daB die Rekombiiiationsgeschwindigkeit proportional ist dem Produkt aus Elektronen- und Ionendichte. Dasselbe
gilt auch fur die Bremsung der Elektronen im Feld der Ionen. Unsoldb) hat
unter vereinfachenden Annahmen eine quantitative Abschatzung fur die Rekombinations- und Bremsstrahlung durchgefiihrt und eiiic angcnaherte ftbereinstimmung der expcrimentell ermittelten kontinuierlichen Strahldichten des
Hg-Hochdruckbogens init seinen Berechnungen festgestellt 6). Dcr Hauptteil der
kontinuierlichen Strahlung ist nach Unsold Rekombinationsleuchten.
Im folgcnden sollen Entladungeii durch Edelgase unter hoheni Druck untersucht werden. Aus friiheren Untersuchungen liegen hier nur einige Werte iiber
Lichtausbeute und Leuchtdichte fur Argon und Helium ~ 0 r ' ) .
Versiichsanordsune;
Die Versuchsanordnung ist in Abb. 1 wiedergegebcn. Alle Messungen wurden
direkt an der Pumpapparatur vorgenornmen. I>er Druck konnte an den Manometern MI und M , abgelesen
werden. Die Hahne 61 waren
Membranventile von L e ybold.
Es wurden solche Hahne ausgewahlt, bei denen ein Vakuum
von mindestens 5 1 P zu errcichen war. Sie arbeiteten einv
wandfrei bis zu den hochsten
fule nit fl h
t7
Gusfluxhe verwandtcn Drucken yon etwa
35 Atm. Als Edelgase dienten
die sehr reincn, trockenen Gase
hfludutpmhr
von Grisogen. Ihre Hauptverunreinigung war Stickstoff.
Abb. 1. Versuchsanordnung
Von jedem Gase wurde nach
Durehfiihrung der Versuche eine grnaue Analyse gemacht. Der Gehalt an
Stickstoff ergab sich in allen Fallen zu weniger als s/lmo%. Eine geringhgige
Beiniischung von 0,l % Krypton beim verwendctcn Xenon ist wegen der
hoheren Anregungsspannungen praktisch ohne EinfluB auf die Entladungseigenschaften. A d die Reinigung der Apparatur wurde groBe Sorgfalt gelegt.
Jede Spur eines Wasserhautchens wurde durch geniigend langev Erhitzen bei
standigem Pumpen beseitigt. Vor den .Versuchen wurde einige Male mit
den Edelgasen durchspiilt. Danach wurde der rechte Teil der dpparatur
-
A. Unsold, Ann. Physik 3s (1937) 607.
Vgl. hienu P. Schulz, Z. Physik 118 (1942)167; F.Rossler, ebeiidrt 110 (1938)
382; 1% (1944)286. htzteror fiihrt das Hg-Kontinuum auf die Strahlung yon StoBluolekiilen zuriick.
7) C. G. S u i t s , J. of Appl. Phys. 10 (1939) 730.
6,
6,
,YrlLulz :E'leklriache Giitkidungen
iiL
99
Edelgnaen bei hohen Drueken
(.ibb. 1) unter dauerndem Cberdruck gelassen, selbst menn z. B. das Entladuugsrohr ausgemechselt wurde, uni ein nochnialiges Reinigeii und I>urchspiilen
dieses Teiles zu vernieiden. Die Elektroden wurden mehrfaeh rnit
eiiiein Gliihsender formiert. Letzteres ist von groI3er Wichtigkeit
zur Erzielung einer sauberen Entladung. Bei den Versuchen
zeigte sich auch nach vielen Stunden andauernden Messungen
nicht die geringste Schwarzung des Entladungsrohres.
-4bb. 2 zeigt das Entladungsrohr. Es bestand aus Quarz.
Der Innendurchmesser betrug 26 nlm. Der Kolben umschlod F n i t seinen seitlichen Ausfiihrungen SO deli FuB F niit den Durchfiihrungen aus Mo-Randern, dad eiii schmaler Zwischenraum
zwischen Fud und AuDenwand gebildet wurde. In diesem A'
Zwischenraum herrschte naturgemad der gleiche hohe Druck - wie im Kolben, so da13 der Fud mit seinen Mo-Banddurch- A
fiihrungen unter auBerem Druck stand, wodurch eiii sonst
leicht eintretendes Aufplatzen verhindert wurde.
Die Anode A bestand aus massivem, gcsintertein Wolfram.
-Us Kathode K wurde bei einigen Versuchen gleichfalls eine
Elektrode aus massivem Wolfram, bei der zur Erleichterung
iles Bogenansatzes in die Spitze etwas Thoroxyd eingesintert
war, benutzt. Bei den systematischen Licht- uiid Strahlstarkeiiiessungen wurde jedoch eine Wendelelektrode aus einem Kern
'
von vier vorn gleichmadig abgeschliffenenWolfraindriihten, unidie
Abb. 2.
eine doppelte Lage von Wolframdrahten gemiekelt war, verwendet. Entladungsrohr
'-
v
Bogenformen
Durch die Formgebuiig der Elektroden wird der Eiitladungstyp weitgehend
nlitbestimmt. Die Entladung zwischeii zwei spitzen Elektroden ist stark eingeschniirt. Die Leuchtdichte ist sehr hoch. Auffallend ist der sehr helle Kathodenbrennfleck. Doch zeigt diem Entladungsform, besonders in den leichtereii Edelgasen,
starke Seigung zu Schwankungen. Der Kathodenansatzpunkt tanzt oft auf der
Kathode hin und her. Eine Aufnahme dieser Entladung ist in Abb. 3 wiedergegeben. Es ist hierbei ein Rotfilter verwandt worden, da ohne dieses die an
sich hell weiDgliihenden Elektroden gegeniiber den1 sehr vie1 heller brennenden
Bogen vollig verschwinden wiirden. Der Bogen ist offensichtlich dem elektrodenstabilisierten Entladungstyp zuzuordnen. Doch ist die Stabilisierung verhaltnismal3ig schwach. Bei Schiefstellen des EntladungsgefaBes wird bei nicht allzu hohen
Stromstarken der Bogen durch den Konvektionsstroin nach oben durchgebogen.
Durch Erhohung der Stromstarke wird eine Verbesserung der Stabilisierung bewirkt.
Die Entladung zwischen einer massiven Anode uiid der oben beschriebenen
Wendelelektrode brennt dagegen stabiler. Sie brennt in den schweren Edelgasen
Krypton uiid Xeuon vollig.ruhig, wahrend ini Argon und insbesondere in Xeon
etwas Neiguiig zuin Flaekern besteht. Die Messungen sind besonders bei den
schweren Edelgasen gut reproduzierbar. Den weiteren Untersuchungen liegt
deshalb dieser Entladungstpp zugrunde. Abb. 4 zeigt diesen Bogen , gleichfalls
8 ) Siehe hierzu die verschiedenen Entladungsformcn beim Quecksilberhochdruckbogen: R. Rompe. W. Thouret u. W. Weizel, Z. Yhysik 1EB (1944) 1; W. Weizel,
Z. techn. Physik 24 (1943) 90.
i*
mit eiiieiii Rotfilter aufgriioiiiiiien. Er ist verhalt.nisiniil3ig hreit. Seine 1 ~ w : h t . dichte ist. tleiiientsprrcheiid etwxs perinper ttls brinl elektrodrlist,ahilisierteii Typ.
Die Stubilisierung erfolgt hier durrh drn VOII uiiten nar.h oben gerichteten KOIIvektioiisstrom. W r d das Eiitlad~i~psgetiiB
schief gentellt, so wird der Bogeii niit
dem Koiivektionsstroni nach ohen getriebrii. SO daR sowohl voii der Kathodtb
als auch yon der Anode eine flaninienartigr, hrll leuchtende Fackel iiach ohen
breiiiit. Diew Erscheiiiung gibt, Ahb. 5 wieder. Die Rogrnforni eiitspriaht eineni
Flarnnienbogeii, wie er z. B. aue.h heirn Kohlehogru i n Erscheiiiung tritt.
1Iinsic.htlich des Verhaltens der Hogenhreite h i Stromst~rkeanderuiieeiiwaren
h i der I~g-Horhdruc,krntladung friiher zwri Eiitladungstypeii uiit,erschiedrii
worden 9 ) . 111 eineni iin Verhiiltnis zur I,aiigsausdeh~~u~~g
engen Eiitladuiigsrohr
wurde hei kleinen 1)ruckeii und I~eistungeiiein Anw-achsen des Hogendurchniessers
iiahezu niit der W'urzel aus der St.roiiistiirke festgest,ellt,. 111 dirsein als mandstahilisirrte Entladuiip bezrichiietrii I3oprn wiiclist ;ilso tlrr Entladuiigsqurrsehnitt.
Abb. 3. Elektrodrnstal)iI isirrter Bogrn
-4111).1. Konvektinns-
Ahb. 5. Schief grstclltrr
1)cstiiiiiiitrr Hoprn
Kmvrktionsbogen
fast proport,ional der Stronistarkc, so dal3 die Stroiiitlichte kauiii iiiit. der Stroiiist,arkc. zuiiiniint. I)ic Teniperat,ur st.eigt iti dirsrr Elitladung demgeinafl iiur iwnig
init der Strornstarke an uiid eiiie Erhiihuiig der Ausstrahluiig ist EU eiiiein wesent,lichen Teil nu€ die VergroBerung des ~3openquerttchiiit,tes xuriickzufiihrrn. III
rineni kugelforniigen Eht,ladungsgrfiiR init, kleiiiein Elektrodeiiabstand wurde hei
pro13eren Leist,ungeii uiid Drucken dugegen i i u r ein kauni mrrkliehrr Aiistieg des
~ogendurchiiiessers mit. der Stronist,arkr pemessen. 111 dieser Entladung, die
den1 elektrodeiistabilisierteli Typ zuzuordiirii ist, wird die Teinperat,ur sich rrrhaltnismil3ig stark init d r r St,roiiist,arke erhohen und der Zuwachn der Ausst,rahliiiip brruht uherwiegrnd auf Triiiperat,iirerhohung.
Gleiche Mcssuiigrii drr 13opei"breiteii wurden auch bei den Edelgashochdruckentladungeii durchpefiihrt.. Daxu wurde wie friiherlo) der Bogen vergroRert abgehildet
uiid aus drin 13ild durch eiiie rrchteckige Hlrude eiii kleiiier Bereich deu Bogens ausgrblrntlet.. Die St.rahluiig wurde (lurch eiiie dahinter brfindliche Sperrsc?hichtzellegeiiiessen. Ilurch Verschirhung voii Hleiide mid Zelle wurde die StrahIdichte\.erteilniip
quer ziir Hogenachse geinesseii uud hierans die Hogenbreite hestiinnit. Alu Rogeiibreit,e wurdr die ITalhwertsbreite. d. i. der Abst,aiitl der beiden Punkte, fiir dir
die h a h l d i c h t e anf den halhrn Jlaxiinalwert prsuiiken ist., peiioinmen. I)ir
Messiingeii lirflrn sirh lwi Scoii iiur schwrr dnrchfiihreii, da der 13ogeii sehr uiiruhig
braiuite. EiuigermaBcii zuverlassige Werte
IicBeii sich iiur bci hohen Druckeii erzielen.
Bei den schweren Edelgaseii Ar, Kr, Xe
konn ten dagegeii gut reproduzierbare Messungen bei rerschiedeiieii Druckeii geinacht
werden. Die MeBergebnisse siiid in Abb. 6
zusuinmengefaflt. Fiir alle Gase ergab sich
der Anstieg der Bogeribreite nahezu proportional der Wurzel aus der Stromstarke, so
daB dcr Bogenquerschuitt nahezu proportional der Stromstarke uiid die Stroiiidichte demgemaB fast koiistant ist. Es
treten aber ganz offensichtlich Abweichungeii im Sinne eines geringeren Anstiegs
init der Stromstarke auf. Die Abhaiigigkeit
der Bogeiibreite vom Druck ist iiur sehr
gcring. Dagegen wachst die Breite etwas
sii voii der uiiten hefindlichen Anode in
Richtung zur Kathode. Aus diesein Grunde
sind die Messungen bei vemhicdenen Gasen
iiicht exakt vergleichbar, da nicht imnier
an genau derselben Stelle des Bogiis geinessen wurde. Doch wurden die IvIeBreihen
Lei ein und demselben Gas fur rerschiedene
Stronistarken steta am selbeii Teil des Bogens
vorgenommen, so daB die Stromstarkeabhiiiigigkeit richtig wiedergegehen nird.
Spektrale Eigensehaften
W e bei der Quecksilherhochdruckentladung werden auch in den Edelgashochdruckeiitladuugen im wesentlicheii Liiiien ausyestrahlt, die auf Tennen iiachst oberhalb
des Gruiidzustandes endeii. Alle Edelgase
zeigen denstlben Teriiiaufbau. ober deni
Grundzustaud licgen in groBem Abstaiid
vier 2s-Terme, die iiach Pascheii s,, s,,
s,, 8, bczeichnet werden. Die erlaubten
chergiinge zwischeii dem Gruiidzustaiid und
dcin 2 s,- bzw. 2 s,-Zustand geben AiilaR
zu den beiden Resonanzliiiien, die bei cleii
Edelgasen im fernen Ultraviolett liegen. Es
Aid dies die Linien 743 A uiid 736 -4 beiin
Seoii, 1067A und l048A beini hgOi1, 1236-4
uiid 1165 A beim Krypton sowie 1470 h
uiid 1296 A beiin Xenon. Sie treteii in den
Hochdruckeiitladuiigeii wegen ihrer starkeii
Absorption nicht auf. In geringerein Abstand
folgt daiiii uber der 2 8-Gruppe eiiie Gruppe
102
Annalen der Fhysik. 6.Folge. Band 1. 1947
.
von zehn Termen, die 2p1, 2 p 2 . .2p,, bezeichnet werden. Diese ixt bei Neon,
Argon und Krypton deutlich von der 2 8-Gruppe getrennt und schlieI3t bei Xenon
unmittelbar an letztere an (vgl. Abb. 14). Hiihere Termgruppen, insbesondere
Ar
I\ I \ I\
*39+;3
5
* 0
s h
b h
0 + \
OOl rr(r)%)3
8
I
Y)
?
sv
Abb. 7. Sichtbares Spektrum der &onund Argonhochdruckentladung
(Druck 30 Atm, Strometiirke 25 A)
die 3p-Gruppe, liegen bei den leichteren Edelgasen in geringem Abstand uber
der 28-Gruppc und greifen beim Xenon in diese herein.
Die Hauptintensitiit der linienhaften Ausstrahlung wird durch die 2 8 - 2 p ubergiinge geliefert. Diese Linien treten beim Neon vorwiegend im Roten auf.
Abb. 8. Infritrotspektrum der Krypton- und lhnonhochdruckentladung
(Druck 35 Atm, Stromstiirke 25 A)
Fur die anderen Edelgasc verschiebt sich diese Liniengruppe mit zunehmendeiii
dtomgewicht nach langeren Wellen. Beim Argon liegt sie etwa an der Grenze
zum Ultraroten, bei Krypton und Xenon im nahen Ultraroten zwischen 7500 A
und 9OOO A bzw. 8200 A und loo00 A. Daneben fallen auch bei den letzten beiden
Gasen noch einige Linien zwischen 5562 A und 5871 A fur Krypton bzm. 4500 A
und 4917 fur Xenon ins Sichtbare.
Schulz :Elektrische Entlaclungen in Edelgasen bei hohen Drucken
103
Spektralaufnahmen des Neon- und Argonbogens mit einem Glasspektrographen sind in Abb. 5 wiedergegeben. Die Aufnahmen wurden bei einem Druck
von 35 Atm und einer Stromstarke von 25 A gemacht. Es wurden Agfa-IsopanI?-Platten verwandt, so da13 auch der langerwellige Teil in Erscheinung tritt.
Zur Orientierung sind die Wellenliingen fur einige Linien eingetragen. Das
intensive linienreiche Spektrum des Neons im langerwelligen Teil (A > 5853 A)
entspricht den Ubergangen zwischen den 2 s- und 2 p-Zustiinden. Beim Argon
liegen diese Linien zwischen 70WA und lOOOO.& so daB sie nicht auf der Aufnahme erscheinen. Einjge verhaltnismaljig schwache Linien im Bereich 4139 A
bis 4335 A bzw. bei 3949 A entsprechen obergangen von hoheren Termen bzw.
konnten noch nicht eingeordnet werden.
Von dem Krypton- sowie Xenonbogen wurden die Infrarotspektren aufgenommen. Die Aufnahmen sind in Abb. 8 wiedergegeben. Als Plattenmaterial
dienten Agfa-Infrarotplatten mit verschiedenen dem Spektralbereich angepaflten
Kr
Xe
d//
1 \j\
3 2 3 2 ,?
2i8 3
3 32 35 2 3 2
8
$?
Abb. 9. Sichtbares Spektrum der
Krypton-undXenonhochdruckentladung
(Druck 35Atm, Stromstlrke 30A)
Empfindlichkeiten. Wegen der genugenden Uberlappung benachbarter Empfindlichkeitsbereiche konnte das gesamte Infrarotspektrum durchgehend dargestellt werden.
Das sichtbare Spektrum des Krypton- und Xenonbogens ist in Abb. 9 wiedergegeben. Wahrend im Ultraroten der wesentliche Teil der Strahlung durch die
Linien der 2 s - 2 p-Gruppe geliefert wird, tritt im Sichtbaren vor allem das
Kontinuum in Erscheinung. Demgegenuber ist hier die linienhafte Ausstrahlung
relativ schwach. AuBer einigen wenigen sichtbaren Linien, die 2 s - 2 p-Ubergangen entsprechen, treten auch Linien, die von hoheren Niveaus, namlich den
3p-Termen, ausgehen, auf. Doch sind diese nicht sehr intensiv.
Das Kontinuum erstreckt sich uber das Sichtbare hinaus nach beiden Seiten
,des Spektrums, besonders nach dem Ultravioletten, und reicht hier rnit groBer
Intensitat bis zur Grenze der Quarzabsorption. Aufnahmen des Argon- sowie
des Krypton- und Xenonbogens rnit einem Quarzspektrographen sind in Abb. 10
und 11 wiedergegeben. Zur Orientierung ist die Strahlung einer Hg-Lampe auf
derselben Platte mit aufgenommen worden.
Eine auffallende Erscheinung ist der uberaus starke kontinuierliche Untergrund bei den Edelgashochdruckentladungen, der das gesamte Spektrum mit
grol3er Intensitat iiberstreicht. Die Intensitatsverteilung geht aus spektralen
Energiemessungen am Doppelmonochromator, die in Abb. 12 und 13 wiedergegeben sind, hervor. Benutzt wurde der Doppelmonochromator von B. Halle.
104
Annalen der Physik. 6. Fdge. Baud 1. 1947
Zur Strahlwtgsii~ess~~lg
diente ein Vakuumthernioelement init Spiegelgalvailometr.
Die spektrale Empfindlichkeit der MelJanordiiung (Dop~lnio~iochro~ii~tor
= Therllloelemeiit) wurde mit einer geeichten Baiidlainpe der Farbteinperatur 28W0
bcstimmt.
Die Kurven zeigen eine starke Emission der Entladung iin naheu Ultraroten
entsprechend der intensiveti J,iniengruppe 2 s - 2 p. Der relativ starke kontinuierliche Untergrund er7 fullt iiach -4rt einer Plank2;: schenKurve init deinEnergieO1
insximuin bei 0,55 ,u den ge3
7
2 xatnten Spektralbereich. Das
*I
Energieinaxiinuut der VerteiY
lungskurve entspricht einer
2
Wieiischeii Teniperatur von
2E
E
etwa 5200'. Iin Sichtbaren
4
sind dentKoutinuuni noch die
rr)
sc
* Jinieiigruppcn bei 4500 8 bis
% 4900A fur Xe bzn. 42708 bis
d0
und 5560-&bis 5870A
a_ 4500A
fur Kr uberlagert, die zu
L&S.
*
w
$ Lr/scSz
kleinen Spitzen in den Energierertciluiigskurveii h l a B
.@
c S geben.
zs/ss9z
2 .y
Kontinuierliche Spektren
3
%
$j rclativ
geringer Jntensitat
ao,
=*
;> xind in Edelgasentladungen
5
3
A S
6 von iiicderen Druckeii schon
cs
2 PJ tnehrfach beohtlchtet worden
a
$ 3 21
4 E, und werden in diescndhreich
23
a
nls Molekulstrahlung aufC A
f96E
&&
2 gefaBt11).
4%
2
In den Hochdruckentladuiigeii kann dancben d a ~
tX
9Z/Z&LC a
C
Kontinuuni vor alleiii auf
ZE/92K
cbergange von den kontie
u
P
4 nuierlichen Zustanden oberB
E
ltdb der Ionisierungsgrenze
W
1
m
5
in diskrete Zustande (RcA
kolllhiii~tioiisstrahluiig)bzw .
20
0
m
auf cbergange innerhalb des
0s E99C '5
E
0596
3m Bereiches der koiitinuierlid
chen Zustande (Brenisstrah5
0
's '
.
h b
H
-
-
e
$2
3
2
2;
5
-
-
-
2
6S&+
4
7
'
-
0
8L/L*O+
g"
.-P
L9Ob
--
5
8SS9
-
=;
2
Y
.
$
11) W. Finkelnburg, Kontinuierliche Spektren, Berlin
1938; P. M c Callum, Xature
142 (1933) G14; G. Dejardin,
J. Physique Kadiuin 4 (1938)
1-12; B. Vogel, Ann. Physik
41 (l!M) 196.
Iring) zuriickgefuhrt. aerdeii. Die ini Veigleich zu anderen lIoclidruckeiitladung~ii
schr hohe Intensit a t der kontinuierlichen Strahlung in deli E:delgasliochdruckeiit ladungen findet dam1 cine z\vanglose Erkliirung. \Viihrend z. 13. beiin Q,ueckailher
das tiefstc diskrete Siveau writ untcrhalh der Ionisierungsgreiize liegt und auch die
-.\nrepun,osspaiinuiigcii der starken Linien relat,iv gering sind, liegen diese Niveaus hei
deli Etlelgaseii iiahe der Ioiiisierui~gsprenzezuaaninieiigedrangt. 111Ahb. 14 sind
die Ternie von Quecksilher s o a k Neon, Argon, Krypt,on uiid Xenon so nebenc4nander gezeichnet, daB sich die Ionisieruii,vsgreiizeii auf gleicher Hohe befinden.
I k r Uiiterschied in den Trrniaiiodnungeii fallt sofort in die Augeii. Es ist also
L.1-i
e 1-,n
v,,,
VergIeich zu e-.
, wo
cine niittlrre .4iirrguiigs~paiiiiuii~
der linienhaften Ausutrahlung ist, sehr riel groller als beispielswcise beini Quecksilher.
;!us den I3eziehuiigen fur die linienhaft,e [GI. (5u)] und kontinuierliche Strahlung [Gl. (7)] folgt sofort, daB das Bont.inuu1n in d e n Edelg~~eiitladiiiigen
damit
starker in Erscheinuiig tritt. I)ie in den Gleichuiigen auftreteiiden Koiistanteii
diirfteii fur die verschiedeneii Giise von der gleichen (ho13enoidnung sein. Da.
e- k T
iin
100
4
4
Ern
-E
2slm
3
f% 4m
3
&
Jm
p
\
‘
I
,
3 zm
4
xv
ts t o u
P d b b . 12. Energieverteilung in der
~ryptonhochdruclientladung
o
LU i a
( h i c k 35 Atni, Stromstiirkr 25 A)
0
115
10
P -
15
2.0
I.5
-\bb. 13. Encrgievertcilung i n der
S r n o n hochdruckcntladung
(Druck 35 Atni, Stromstarkc 25 A)
fiir das Koiit iiiuuni das Quadrat cler Elrktrolie1idichte iiial3grl)lich ist und letzterc
wegen tles hoheii stat.istischen Gewichtes des ionisirrten k:delgasutoins (ai = 6
gegeiiul,er oi= 2 hci Hg) iiach Gl. (2) relativ groB ist, werden Versehiedenheiten
Strahluiig iii
in deli lionstailten eher zuguiisteii einer st,iirkeren konti~iuierliche~i
deli Edelgaseiitladuiigen auftreten. Die hohcrc Ionisierungss~,amluligh i den Edelgasen wird in dieser Gleichuiig durch die sich einstellende hijhere Telnperatur
niehr iils ausgeglichen. Letztere wird, zuniindestelis hei deli schwereren Gasen in1
\vesentlichen durch die IIohe drr zur ~4usstrahlungfiihreiiden Siveaus 1)estinimt.
I)rr lfauptt,eil der zugefuhrten Energie wird durch Ausstrahlullg wieder ahgefuhrt.
Die mit zunehmender Temperatur sich erhohende Susstrahlung wirkt einer weiteren
Temperaturerhohuii~eiitgegen. Ilc-r Zusaiiinienhang zaisc.hen mittlerer Aiiregungsslxiiiiiung der Gesanitstrahlung und Tenlperatur ist nach GI. (5c) gegehen durch :
7’=
-
e vnl
X. (In c o n s i H 2 S -- In
Sges)
106
dnnalen der P A y s i E . 6. Folge. Band 1. 1947
Ionisierungsyrenze
Ne 215V
Xe 72,l V
Kr 743 V
Ar 75JV
Hg
r0,UV
I
I
I
I
I
7
7
I
7v3
i
7
?
I
I3
-4bh. 14. Vergleich dcr Ternianordnunpen von Neon, Argon, Krypton und Xenon sowie
Qureksilber
und. da die Gesanitstrahlung iii den Hochdruckentladungen dargestellt werden
kann durch fig,, = c ( L-- A ) (LLristunp pro Zentimeter Rogenlange; c, A Konstante) :
E vm
7’
k [In const H*N - In const (L- A ) ] ’
Die mittlere Anregungsspannuiig geht also linear in die Beziehung fur die Temperatur ein, wihrend alle anderen Gro13en wie Leistung, I h c k und Hogenradius
iiur loparithmiseh eingehen. Wegen der hoheren Anregungsspannungen sind die
sich in Edelgasen einstellenden Teinpernturen holier a19 in anderen Gasen, so
(la13 trotz der griiI3eren Ionisicrungsspannung das Kontlliuum vie1 starker in
Erscheinung tritt als etwa in Quecksilber.
7
rTi
-
p
1.-m
Das Verhiiltnis e kT zii e f:T wird nocli weiter zugunsten des ersten Gliedes
wrschoben, da ebenso wie beim Quecksilber auch bei den Edelgasen die Ionisierungsspaniiuiig V i in deli Hochdruckentladungen infolge der Vemchmierung
cler stark verbreiterten obereii Terme herabgesetxt sein diirfte gegeniiber der
loiiisierungsspaiiiiuii,a der isolierten Atonie.
G r e i f s w a 1d , l’hysikalisches lnstitut der Universitit.
(Bci der Hedaktion eingrgnngcn am 1. 9. 1946.)
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
729 Кб
Теги
hohe, edelgasen, bei, bogenformen, der, entladung, edelgashochdruckentladungen, eigenschaften, druckes, elektrischen, und, spektrale
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа