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Elektrische Entladungen in Edelgasen bei hohen Drucken. II. Linienhafte und kontinuierliche Strahlung sowie Gesamtstrahlung in Abhngigkeit von Druck und Stromstrke. Diskussion der Ergebnisse

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Elektrisahe Entladungen in Edelgasen bei hohen Drucken
ii. Linienhafte und kontinuierliche Strahlung sowie Cesamtstrahlung
i n Abhingigkeit von Druck und Stromstarke. Diskussion der Ergebnisse
Von P. S c h u l z
(Jiit 10 Abbildungen)
Inhaltsiibersicht
Die Stromstarkeabhangigkeit der Lichtstarke sowie der Strahlstarke in vier
ultraviolctten Spektralbereicheii zwischen 2700 b und 4000 b wurde fur Entladungen durch h'eon, Argon, Krypton und Xenon untersucht. Gemessen wurde
fiir Stromstiirken von 10 Amp. bis 30 Amp. bei verschiedenen Drucken bis 37 Atm.
Sowohl die sichtbare als auch die ultraviolette Strahlung, die beide mesentlich
durch ein intensives Koiitinuum bedingt sind, wachsen rasch init der Strornstarke
a n und sind darstellbar durch S N Jn,wobei die Exponenten n fur die sichtbare
und ultraviolette Strahlung nahezu gleich sind. Sie betragen n = 2 , s fur Neon,
1,7 fur Argon, 1,6 bis 1,8 fur Krypton und 1,5 bis 1," fiir Xenon. Die Druckabhangigkeit von n ist schwach. Doch besteht deutlich die Tendenz eiiier Abnahme
mit steigendem Druck. Im Gegensatz hierzu wachst die linienhafte Strahlung,
die vorwiegend im langerwelligen Teil des Spektruins erschcint, nur etwa proportional der Stromstarke. Das Koiitinuum wird auf Ubergange zwischen den kontinuierlichen Zustanden oberhalb der Ionisierungsgrenze uncl den diskreten Terinen sowie auf Ubergange innerhalb des Bereiches der kontiuuierlichcn Zustande
xuruckpefuhrt. Sowohl die kontiuuierlichc als auch die linienhafte Strahlung
- -eYsind darstellbar durch J N 21' e '', wobei V im Falle der Linienstrahlung gleich
der Anregungsspannung V , der Linien, im Falle der kontinuierlichen Strahlung
gleich der wirksamen Ionisierungsspannung V , ist. Die wirksame Ioilisierungsspannung V , ist gegeniiber dejenigen der freien Atonie herabgesetzt, da eine
Verschmierung der dicht gelagerten oberen Termc iiifolge ihrcr starken Verbreiterung bei den hohen Drucken und Elektronendichten eintritt. Das Hontinuum wachst sehr vie1 schneller als die Linienstrahlung mit der bei Stronistarkeerhohung ansteigenden Temperatur, weil 1. Vi > T', ist. Wegen des peringen Unterschiedcs zwischcn l'( uncl V , bei den Edelgasen reicht dieser Auteil
bei weitem nicht aus, den sehr betrachtlichen Cnterschicd im Verhalten der
beiden Strahlungsarten zu erklaren. 2. die wirksarnc Ionisierun,osspaiinung im
Gegen9at.z zur Anregungsspannung der Linien infolge der zunchinenden Vrrschinierung dcr oberen Terine abnimmt. I>a V i exponentiell eingeht, macht eine
klcine Xnderung schon sehr virl nus.
Lleht~tiirke In Abbhiinglgkrlt yon 1)ruek uiitl Struiiistiirke
Itn folgeiideii sol1 durch Messungen der kontiiiuirrlichen som-ie der linienhaften Emission in Ahhiingigkeit voii I h c k und Stcoinstarkc die iiii ersteii
Teil dcr Arhcitl) gegehcne Deutung des Kontiiiuunis als Rekonibinations- und
Ihnisstrahlung einer eingehenden Priifung unterzogen werden. Zunachst werden
Messungen dcr Liclitstlrke
in Ahhiingigkeit von dieseii
Paranieterii wiedergegchen.
Die Lichtstdrke wird zu eineiii erhehlichen Teil durch
die kontiiiuierliche Strahlung bedingt. Es liegeii
xwar beim Xeoii die intensiven Linien der 2 Y-2p(~riippeiin sichtbareu Gebiet. I>orh fallen sie Zuni
groDteti Teil i n den roteii
Ppektralbrreich und tragen
wegen ihrer ungiinstigrn
Lagc in dcr Kurve der
spektralm Augenenipfindlichkeit iiur wrnig zur
Ahh. 1. Lichtstirkc drr Scon-Hochdruckcntladulig
Lichtstarke h i . J3riin -4ri n Ahhailgigkcit von dcr Stronistiirkigon lirgen dirse Linien
fiir verschiedrnc I h u r k e
scbon zuiii er8Dten Teil in1
I;lt.raroten bzw. an der Greiizc. ziiiii Ultraroten und \lei Krypton sowie Xenon
crscheineii nur eiiiigc wenigc, nicht sehr intensive. Linirn i i n Sichtbaren, SO daD
Iwsonders bei den letzteren Gaseii die Lichtntjirkc praktiscli alleiii durch die
kontinuierliche Rtrahluug hestiiiiint w i d .
Fur Neon wurden die Unt.c:rsuchungen an xwei Rohrcn, die dieuelbon Ahtiiessungen hatten, durchgefiihrt. Es wurde bci drci 1)ruckeii (19 At,iii., 25 Atni.,
37 Atni.) gemessen. Put jcdeii Ilruek wurdr. dic Bt,ronistarkc voii 10 Anip. bis
30 Aiiip. variiert.. Iler I h a k wurdc wiihrcnd eiiier MeDreihe dadurch aiigenahrrt.
konstant gehalteii, daR an die Entladungsrohre eiii grooeres Totvolunieii anniit
geschlossen wurde, so daD 1)ruckiinderungen infolge Teiii~~rrat~urrrhohoii,oen
wachsendeni Stroni weit.gchend ausgeglichen wurden. h r d i e s a u r d e n die Hcssungeii nach Einhrrniien der ltohreii fur die verscliicdeiien St,roinstarken 111oglidist schnell durchgefiihrt, wodurch dcr HinfliiR tier erst alhnihlich eintreteiiden
Xnderunp des Erwiirmongszustantles der Entladungsrohre hctrachtlioh herabgesetzt wurdc. Die Ergebnisse nind in Tab. 1 wiedergegebcn. \Vie niaii sieht,
hat sich der Drurli, der tlauernd ani .ZIanonietcr koiit.rolliert wurdr, in einer MeRI)
1’. Schulz, Ann. Z’hpsik ( 6 ) 1 (1947) !J5
reihe jeweils iiur weiiig vrrhidrrt. SuBer der Lichtstarke, die init einer geeichtru
Dresler-Zelle geiiiessen wnrdr, enthiilt die Tabelle aurh die an den Rohren geniesseneii Spannungen. Nach einrr fallrnden Charakteristik bei den kleinstcn verwcnBM,
deteii 8t.roinstarken sind
diese iniMeBhereic,h iiahezii
konstant.. Eiii flacher \Viedercrnstieg koiiiite wegeii
den unruhigen Bogeiis nic,ht
sicher festgestellt werden.
Die Lichtstarke wachst
ungewohnlich rasch I i i i t .
dein Stroni nil. Der Anstieg
wird ain hesten wiedergegebeii durch L N J 2 9 3 5 .
Abh. 2. Lichtstiirke der Argon-Hochdrurkcntladun~
Abb. 1 eiithalt die MeOi n Abhangigkeit von der Stronistirke
werte. Die ausgezogenen
fur vrrschiedene Drucke
Kurveii sind L
52.35.
Die eiitsprecheiideii Messungeii ill Argon enthalt Tabelle 2. Auch hier wachst
die Lichtstkrke rasch mit der Stroiiistiirke ail und i a t gleichfalls darntellbar durch
L N J ' ' . Doch ist der Exponent i n diesein Fall nierklich kleiner. Er betragt
etwn 1,". Abh. 2 gibt die Lichtfitarkeniessuiipcii in Argon wieder. Die ausgczogenrii Kurven sind L N 51.7.
-
Tshelle 1
1,irhtstarke der S e o l i - H o c h d r u r l t e n t l a d u n g i n A b h a n g i g k c i t v o n der
S t r o n i s t i r k e f u r v e r s c h i e d e n e Drueke
Amp.
I
Volt
10
31,s
15
20
25,G
25
30
10
22.1;
11,3
1.5
"0
25
30
24,G
9 4 (;
--9
21,H
44,(I
"",(i
21,s
2l.l;
.>a 1
--1
1
Atm.
25,s
26,3
25,3
26.3
25,.
3G,8
la,!)
18,!1
19,l
19,l
19.2
1
HK
40
155
275
516
780
95
GU
125
213
403
573
110
Snnalen der Physik. 8. Folge. Hand 1. 1947
Aiup.
Volt
11,8
21
'21
21
15
20
26
30
21
91
Atm.
Volt
11,s
16
I
20
26
30
I
I
Amp.
Volt
Elektrodenabstand im Betriebszustand 4,6 m m
11,8
18
2R,9
140
15
20
89,O
210
20
20
29,l
36.5
25
19
550
29,l
30
19,3
7 40
29,l
R6hrenspnnung
h P -
H Ii
Atm.
HK
80,l
20,l
110
170
260
390
540
20,2
20,2
20,d
Entladungsspannung
(Rohrensp. - Spann~ng8verlust d. Durchftlhrungen)
Volt
Atm.
Elektrodenabstand im Betriebazustand 4,3 mrn
19,O
18.6
18,5
18,3
18,6
18,8
18.6
18,5
17,9
18,7
18,4
17,G
18,G
17,7
38,8
€LK
130
200
320
500
700
18,9
18,5
18,6
18,7
1B,2
18,6
18,4
18.4
18,6
17,8
17,6
17.7
18,7
18,8
18,8
130
200
320
600
700
11,8
15
20
26
30
21,3
21,o
21.0
21,o
21,2
20,9
L0,5
20,4
20,2
20,3
28,8
28,9
29,o
29,l
29,l
200
320
460
730
970
11,8
'21,7
21,3
15
20
25
30
21,o
21,o
21,o
21,2
20,5
2OJ
20,2
28,9
29,o
'20,O
29,l
29,2
200
320
11,8
23,4
23,O
223
2.6
23,O
23,O
22,5
240
355
16
20
26
30
36,6
36,7
36.8
36.9
240
380
620
880
1220
11,8
15
20
25
30
23,O
22,8
22,6
22,5
23,O
22.6
22,3
P2,O
21,7
22,l
36,G
35,7
35,8
380
11,8
16
20
26
30
20,3
21,8
22,l
35,9
36,O
500
730
970
240
540
880
1180
Schuiz: Elektriache Entladungen i n Edelgosen bei hohen Ulucken
111
d u s einer groDeren Reihe von Messungen werden als Beispiel die Ergebnisse,
die an ein und derselben Rohre sowohl fur Krypton als such fiir Xenon fur alle
Drucke und Stromstarken gewonnen wurden, wiedergegeben. Diese Werte sind
am besten vergleichbar, da kleine -4bweichungen, die durch geringe Unterschiede
der Elektrodenabstande oder dureh etwas verschiedenen Elektrodenansatz entstehen konnen, hierbei ausgeschlossen sind. Die Messungen sind iu Tab. 3 und 4
enthalten. Bei den angegebenen Spannungen an den Rohren ist zu beachten,
da13 die Spannungsverluste an den Molybdanbanddurchfiihrungen eine gewisse
Rolle spielen. Der Gesamtwiderstand der Durchfuhrungen betragt etwrs 0,03l,,.
Uer Spannungsverlust an den Durchfiihrungen ist bei 10Amp. also 0,3Volt,
wahrend er bei 30 Amp. 0,9 Volt betragt. Es ist deshalb die Entladungsspannung,
Trtbelle 4.
L i c h t s t Br ke d e r X e n o n - H o c hd r u c kc n t la dung in A b h in g ig lie i t v 011 d e r
Stromstarke f u r v e r e c h i e d c n e Drucke
Xhrenspannung
Entladungsspannung
(Rchrensp. - Spannungsverlnst d. Dnrchfiihrungen)
Atm .
Amp.
Volt
11,8
15
20
25
30
Elektrodenrtbstand im Betriebszustai d 4,3 mill
18,3
I
18.5
17.9
18,3
17;8
17,9
18.6
18.2
19,0
18,6
19.6
640
940
1286
11.8
15
20
25
30
18,3
18,3
18,5
19.0
19,6
17,9
17,8
17.9
18,8
18,6
18,6
18,7
18,7
18,8
18,8
990
400
660
940
1310
11.8
15
21.9
21.8
22,O
21,5
21.3
Hi4
25
30
22,8
22,o
22,2
28,9
“8,9
e9,o
29.1
29,?
380
570
900
128b
1730
11.8
15
20
26
30
21.5
21,6
22,o
22,8
23,l
22;o
22,2
38,9
29,0
89,O
29,l
29,2
365
690
900
1286
1730
11,8
15
27.6
26;l
26,O
27,O
27,O
27,2
?5,6
25,4
26,2
26,l
36,6
36,6
36,7
36,8
36,9
26,6
26,O
26,O
26,6
27,O
‘26.2
26.6
25;4
36,8
36,9
36.9
37;O
37,1
20
“0
25
30
11,8
15
20
26
30
23,l
Volt
21,l
21,o
21.4
26.8
26,l
270
400
I
610
806
1196
1680
2265
610
866
1210
1680
2290
112
A m d e n . der Phyaik. 6. Folge. Bold I. 1917
d. i. die Hohreiispannung niinus Spaniiungsverlust der Durchfiihrungen, gesondert angegehen.
Wie man sieht, hat die Charakteristik der Entladung in Krypton im MeBhereic,h ein Ninimuni. I3ei kleinen Stromstarken ist sie fallend, wahrend bei
groflereu Stromstarken wieder ein langsanier Anstieg eintritt. I)as Spannunpsminimum ist sehr flach, so da13 im gesamten Uereich zwischen 11,8Amp. und
30 Amp. die Spannung iiur wenig stronistlrkeabhaiigig ist. Einen ahnlichen Verlauf zeigt auch die Charakteristik der Xenon-Hochdruckentladung. Xur erscheiiit
das Spannungsminimuni etwa nach kleineren Stromstarken verschoben. Die
Stromspaiinuiipskurvcli hahen daniit in den Krypton- uiid Xenon-Hochdruckentladmigen einen gaiiz iihdichen Verlauf wie die schon fruher untersucht,eii
Quecksilber-Hochdruckrntladungenund wie er sich
hereits hei den Xeon- und Argon-Hochdruckentladungen andeutrte.
0 7 2 3 4 5 7 m
0
Xbb. 3. Wirkungsquersohnitte von
Seon, Argon, Krypton, Xenon und
Quecksilber i n Abhiingigkeit v o ~ i
der E:lektronengeschwindigkeit
5
W
cs
B
Ahh. 4. Lichtstiirke der Krypton-
Hochdruckentlndung in Abhiingigkeit von der
Stromstiirke fur verschiedene Druc-kc
Auffallend ist der geringe Gradient der E:delgas-IIochdruckentladungen. W i d
fur die Elektrodenverlnute ciii R e r t yon ca. 12 Volt, angenomnien, so ergibt sich
fur die Entladung in Krypton im RrennspaiinungRmiiiiinuiii bei 3 5 3 Atm. :
29,2 Volt/cm uiid iii Xenon bei 36,H Atni.: 32 Voltjcm. Das ist etwa
des Wertes
des Hg-Bogens untrr ahnlir.hen Ikdingunpcii.
l)er niedrige Gradient kaiiti auf zwei Zi'rsacheii zuriickgefiihrt wrrdeii :
1. Die Elektroncndichte j u t , wie spater gezeigt wird, relativ horh. S a c h drr
Beziehiing zwischen Stronist,Lrke J und Gradieiit G :
J
=-= z H Zn,
Ir, e G
i i i ~ 1 1 1 ~6,
. Elekt,roiieiibe~eglichkeit)
ist der niedrigr Gradiciit hierauf z. T. zuruakxufiihreii.
2. I)ie E:lektroneii,effe,olichkcit ist, sehr gro13. Die Teiiiperatureii iii den Edrlgasbogrii bet,rageii etwa HOW" his 1000(Jc,riit,spreehhnid eiiier Elektroneiieeschwiii-
(11 Bogenradius, n, Arizahl drr Klektroiirii
Sehulz :Elektrische Entladungen in Eddgaaen bei hohen Drucken
113
digkeit von rund 1eV. Etwa bei dieser Gcschwindigkcit liegt gerade das Minimum der Wirkungsquerschnitte der Elektronen gegen Edelgase. In Abb. 3 sind
die HamsauerquerschnItte fiir, die Edelgase wiedergegeben. . Zum Vergleich ist
auch (lie Kurve fiir Queckeilber eingezeichnet. Unter den vorliegenden Bedingungen ist also die freie Weglange der Elektronen und damit
ihre Beweglichkeit eehr groB. zaw
Der kleine Wirkungsquerschnitt
diirfte die Hanptursache fur ,wlJ
die kleinen Gradienten sein.
Der -4nsticg der Lichtstarke
mit der Stromstarke ist mie bei lWxl
den leichteren Edelgasen sehr
steil. Er ist wieder darstellbar
dnrch L N Jn. Der Exponent
liegt fur Xenon zwischen 1,5
und 1,7, fiir Krypton zwischen W D
1,6 und 1,8. Abb. 4 und 5 geben w
die Messungen fur die verschiedenenDrucke wieder. Die ausAbb. 6. Lichtstirke der Xenon-Hochdruckentladung
geeogenen Kurven entsprecben
in Abhiingigkeit von der Stromstiirke
L N Jn. Fur jede Kurve, die
fur verschiedenc Drucke
jeweils die MeBwerte am besten
wiedergibt, sind in den Abbildungen die Werte fiir n angegeben. Die Druokabhangigkeit von n ist gering. Doch besteht die deutliche Tendenz einer Abnahme
von n mit zunehmendem Druck.
Ultraviolette Strahlung
Zur Priifung des Verhaltens des Kontinuums der Edelgas-Hochdruckentladnngen ist die ultraviolette Strahlung besonders gut geeignet, da diese (vgl. die Spektralaufnahmen Abb. 10 und 11 im ersten Teil der Arbeit) ein linienfreiee Kontinuum liefert. Es wurde deshalb die UV-Strahlung in Abhangigkeit von Druck
und Stromstarke fiir verschiedene Wellenlangenbereiche gemessen. Die MeBanordnung bestand aus einer Sperrschichtzelle
mit vier versehiedenen Filterkombinationen'). Die Empfindlichkeit des MeOgeriitee (Zelle Filterkombination) ist in
Abb. 6 wiedergegeben. Die Messungen erfassen also vier rein kontinuierliche Bereiche im W.
Da die Messungen in allen vier untersnchten W-Bereiehen denselben Verlauf
in Abhangigkeit von Druek und StromMeledaye
stiirke ergeben haben, sollen a h Beispiel
&b. 6. spekrale
Empfindlicfieit
des UV-MeOgerPtes
n u die Ergebnisse im MeBbereich IV
+
H. K r e f f t u. F. R G e a l e r , Z. t e c h . Physik 17 (1936)479.
I)
Ann. Physik. 6 . Fobe, Bd. 1
I
8
114
dnnalen der Phyeik. 6. Fdge. Band 1. 1947
(3500A bis 4 0 0 0 4 mitgeteilt werden. Abb. 7 enthalt die Messungen in Krypton
und Abb. 8 diejenigen in Xenon. Wie man sieht, wachst die Btrahlstiirke im UV
rasch mit, der Stromstarke an. Sie verhalt sich damit ahnlich wie das Sichtbare
und ist ebenfalls darstellbar
I
I
i
durch 8 N Jn. Piir die G y p ton-Hochdruckentladung
laasen sich alle Me5werte in
susreichender
Naherung
durch S J I B darstellen.
Der Exponent ergibt sich als
praktisch drnckunabhiingig
und ist nur wenig kleiner als
fur die sichtbare Strahlung.
Fiir die Xenon-Hochdruckentladung lassen sich
die Nessungen mit einem
Exponenten n, = 1,4 und 1,5
R
5
W
bei 29 Atm. bzw. 18,5 Atm.
Abb. 7. Strahlstiirke dcr Krypton-Hochdruckwiedergeben.
Die schwache
entladung im W (Bereich 3600--4000A)
Druckabhangigkeit liegt an
in Abhhgigkeit von der Stromstiirkc
der Fehlergrenze. Wie im
bei verschirdenen Dmcken
Sichtbaren beateht die Tendenz einer Abnahme von n rnit zunehmendem Druck. Der Exponent ist auch hier
etwas kleiner als im sichtbaren Spektralbereich.
Man kann also feststellen, dsB die kontinuierliche Strahlung sowohl in1 Sichtbaren als auch in den vier
untersuchten ultravioletten
Hereichen sehr rasch rnit der
Stromstarke ansteigt. Die
zswStromstarkeabhangigkeit ist
dabej fiir hlle Wellenlangenbereiche ungefahr die gleichc.
I
I
N
IAinienhafte Strhlung
und Geeamtstrahlung
. .__-c---..
-t
I
I
.
!
Zur Messung der Stromstlrkeabhkngigkeit der Linienintensitat wurde folgende Anordnung benutzt. Aus
5
a
f5
ul
I
nii
dem vergrooerten Bild der
Abb.
6.
Strahlstiirke
der
Xenon-HochdruckEntladung wuden
die Nekentladung im UV (Bereich 3 M M O A )
troden abgeblendet. Hinter
in Abhiingigkeit von der StromstBrke
der Blende befand sich ein
bei verschicdenen k c k e n
langer lichtdiehter Auszug,
an dessen Ende das Licht vollig cliffus auf ein Vakuumthemoelement fiel.
Gemessen wurde mit einem Spiegelgalvanometer. Au5er mit dieser Anorbung
wurde auch einfach mit dem Thermoelement, das in einiger Entfernung vom
EiltladungsgefaB stand, gemessen, ohne daB dabei das Elektrodenlicht ausI
geblendet wirdc. Die StroinstarkeabhiiigiRkeit ergab sich iu beiden Fallen als
die gleiche. Uin aus dem Hogenlicht die Linienstrahlung zu isolieren, wurden
die Schottfilter RG 7 bzw. RG 8 benutzt. Diese laasen nur den lanpvelligen
Teil der Strahlung hindurch uiid schneiden bei etwa 7500 A bzw. 7000 A ab. Die
intensiven Liniengruppen bei 7500 if bis 9000 A fur Krypton und 8200 bis
10000A fiir Xenon werden somit durchgelassen. Tkr kontinuierliche Untrrgrund
in diesem Bereirh wurde allerdings bei diesen Mesaungen
miterfaat. Er ist sber schwac,h
im Verhiltnis mr Linienstrahlung.
Als Beispiel xrigt Ahh. 9
die Linicnelnissioii in Abhaiigigkeit von der Stroinstarke
fiir die Krypton-Hochdruckentladung. \Vie inan sieht,
geht die Liiiieneniission iiahezu proportional der St
L romstarke. Bur jedeii Druck
lassen sich die Meflpunkte gut
durch cine Gcrade beschreihen. Alle diesc Geradeii schnei50
den die Abszisse iiii selbcii
Punlit nahe deni Nullyunl-t.
YO
Ein ahnliches Verhalten
zeigt die Gesamtstrahlung.
30,
Diem Werte wurdeii in derselben MeBanordnung ohne
20
jedes Filter erhalten. Als Beispiel sind die Ergebnisse fur
70
die Krypton-Hochdruckentladung in Abb. 10 wiedergegehen. Sie sind fur jeden Druck
wieder darstellbar durch eiiie
-4bb. 9. Linienstrahlung der Krypton-HochdruckGerade. Der Schnittpunkt mit
entladung in Abhlngigkeit von drr Stronistiirke
tler Abszisse liegt bei etwas
fiir vmechiedene Drucke
nrol3eren Stronistarken als bei
der Linienstrahlung. Die Geeaintstrahlung verhiilt sich also fast wie die Linieiistrahlung. In eineni etwas rascheren Anstieg macht sich aber der EinfluB der
kontinuierlichen Strahlung beinerkbar.
A
r>
Diskussion der Ergebnisee
Das im Verhaltnis zur Linienstrahlung sehr intensive Kontinuum der EdelgasHochdruckentladungen wurde im ersten Teil der Arbeit auf Ubergange zwischen
den kontinuierlichen Zustaaden oberbalb der Ionisierungsgrenze und den disheten Znetiinden der Atonie sowie auf ffbergange innerhalb des Bereiches det
kontinuierlichen Zustande oberhslb der Ionisierungsgrenze zuruckgefiihrt mid
81
116
Anilden Jer Phyaik. 6. Folge. Rand 1. 1947
konnte dargestellt werdcn durch:
-
eri
A Y ~ R e kT .
(1)
Die hohe Tntensit,at beruht Tor allein auf der Tatsache, da13 die diskreten Term(.
bei den Edelgasen dicht unterhalb der Ionisierungsgrenze zusainmengedrangt
sind und die als Anregungsspannung fun die kontinuierliche Strahlung auftretende
Ionisierungsspannung V , daher im Gegensatz zu anderen Gasen, insbeaonderc
dem Q~ecksilber, nur wenig
groOer ist als die Anregungsspannung V , fur die linienhafte
Ausstrahlung. Fur letztere gilt:
Wegen Vi> V , geht eine Temperaturiinderung in GI. (1) empfindlicher ein als in GI. (21, d. h.
es ist von vornherein zu erwarten,
daO die kontinuierliihe Strahlung
bei mit dem Strom anwachsender
Temperatur raseher zunimmt als
die Linienstrahlung. In der Tat
ist sehon in der QueehilberHochdruckentladung beobaehtet
morden, daO Bk mit Jlu g e h t ~ ) ,
wahrend die Linienstrahlung nur
etwa proportional der Stromstarke ansteigt. Bei den Edelgasen sollte jedoch, da V , nur
wenig groOer ist als Va,der Unterschied im Verhalten der beiden
Strahlungsarten gering sein.
Demgegeniiber haben die MesAbb. 10. Oemmtshhlung der Krypton-Hochdruck- sungen ergeben, da13 in
enddung in Abhingigkeit von der Stromstirke
fur verschiedene Drucke
Edelgasentladungen die kontinuierliche Strahlung sehr vie1
rascher mit der Stromstiirke aneteigt als die Linienstrahlung und mit J1.5 bis
J1.7 fiir Xenon, J1.6 bis J1.8 fiir Krypton, J1.7 fiir Argon und J2.36 fiir Neon
sogar noch stiirker wachst als bei Quechilber.
Der sehr ntsche Anstieg der kontinuierlichen Strahlung in den Edelgas-Hochdrnckentladungen wird noch bemerkenswerter, wenn auch die Stromstiirkeabhagigkeit dea Bogendurehmessers berticksichtigt wird. Wiihrend bei der zum
Vergleich herangezogenen Queeksilber-Hochdruckentladungdie Bogenbreite unabhiingig von der aufgenommenen Leistung ist, die Zunahme der Strahlung mit
wachsender Stromstiirke also auaschliel3lieh anf Temperaturerhohung beruht,
ist der Kanalquerschnitt der Edelgas-Hochdruckentladungennahezu proportional
dem Strom. Die eintretenden Temperaturerhohungen sind also in diesem Fall
-
8)
R . R o m p e , P. Schulz u. W.Thouret, Z. Phyaik 1l2 (1939) 369.
Schulz: Eleklrieche Entldungen in Edelgasera bei hohen Drucken
117
relativ gering, da die Stromdichte nur wenig zunimmt. Ein betriichtlicher Teil
der VergroBerung der Gesamtstrahlung ist einfach auf VergroBerung des Entladungskanals zuriickzufiihren.
Aus dem Angefiihrten ist ersichtlich, daB das starke Anwac.hsen der kontinuierlichen Strahluiig nicht nur gemaB
e VC
S,,-Ne-kT
(1)
cIurc6 Zuiiahme von i
? (infolge Kanalausdehnung) m d Temperaturerhohung
allein zu erklaren ist.
Es wird hie, offensiehtlich noch zusatzlich einc andere Erscheinung von 13edeutung. Schon bci der Quecksilber-Hochdruckentladungwurde festgestellt, daB
als Ionisierungsspannung nicht die eines isolierten Atoms eingesetzt werden darf 4 ) .
Vielmchr tritt infolge der groI3en Verbreitcrung (hauptsachlich durch ElektronenstoB) einc Verschmierung der oberen Terme auf. Die hier sehr dicht gelagerten
Terme werden so stark verbreitert, da13 sie ineinander iibergehen. I)a gleichzeitig wegen der hohen Ioncn- bzw. Elektronenfelder die Auswahlregeln durchbrochen werden, fiihrt das dam, daB schon fiir Energiezustande, die nicht unbetrachtlich unterhalb der Ionisieningsgrenze liegcn, alle Werte angenommcn
werden konnen. Praktisch h e a t das, daB die lonhierungsgrenze im Hochilruckplasma herabgesetzt ist. Fur die Quccksilber-Hochdruckentladung hat sich
gezeigt, daB die Ionisierungsspannung nur etwa 9,7 Volt gegenuber 10,4 Volt
des isolierten Quecksilberatoms betragt 6 ) .
Die ElektronenstoBbreiten hoch gelegener Tenne sind recht betrachtlich, da
sio mit der 7. Potenz der wahren Quantenzahl anwachsen. hderseits ist auch die
Termdichte nahe iintcrhalb der Ionisierungsgrenze sehr grob, so daB ein Inciuanderverschmieren der hohen Terme leicht eintritt. Mit zunehmender Elektronendichte,
d. h. bei Temperaturerhohung, wachst die ElektronenstoBbreite, so daB die Verschmierung von dcr Ionisierungsgrenze ausgehend weiter nach unten greift. Beim
Qnecksilber kann dies weitgehend kontinuierlich bis etwa auf 9,7 Volt herab
geschehen. Weiter herunter kann die Verschmierung schlecht greifen, da dann
ziemlich plotzlich die Termabstande groBer werden.
Aus diesem Grunde kann in der Queeksilber-Hochdruckentladug mit einer
zwar herabgesetzten, doch inimerhin nqhezu konstanten Ionisierungsspannung
gerechnet werden. Quantitativ ist allerdings die Herabsetzung der Ionisierungsspannvg fur die kontinuierliche Emission von grofler Bedeutung, da ein nicht
unbetrachtlicher Teil der Strtthlung Obergangen in diese quasifreien Zustiinde
cntspricht.
I m Gegenmtz hierzu bcsteht eine so merkliche Stufe in der Ternianordnung
nahe unterhalb der Ionjsierungsgrenze bei den Edelgasen nicht. Es mu13 vielmehr
angenommen werden, daB bei der mit Temperaturerhohung eintretenden VcrgroJ3enrng der ElektronenstoBbreiten immer neue Termgruppen von der Verschmienmg erfaBt werden, d. h. daB die Ionisierungsgrenze sich weiter nach
unten verschiebt. Darr hat zur Folge, daJ3 in der Gleichung (1) als neue Ursache fiir
die VergroDerung der kontinuierlichen Strahlung eine mit Erhohumg der Stromstiirke eintretende Herabsetzung voii V , in Erscheinung tritt. Da Vi sehr emp') R. Roinpc u. P. Schulz, Z. Phyaik 110 (1938) 223; A. UneBld, Ann. Plipilr
33 (1939) 607.
5 , P. Schulz u . W. Wcizel, Z. Phyeik 139 (1944) 697.
118
Annulen der Phyeik. 6. Fdge. Band 1. 1947
findlich als Exponent eingcht, durfte hierauf ein mesentlicher Teil der h d e r u n p
der kontinuierlichen Strahlung beruhcn.
Im Gegensatz hierzu ist die hiiregungsspaiiiiuiig einer Lillie vollig unabhangip
yon der Temperatur. Die Zunlthlne der Linienstrahlung beruht nach GI. (2) auf :
1. Zunahme von N wepeii der wachsenden Bogenbreite. Dieser Effekt ist voii
dersclben GroDe wie bei der kontinuierlichen Stmhlung.
2. Temperaturerhohung. Da V , < V i ist, macht diese fur die Linienstrahlung
weniger aus als fiir die kontinuierliche Strahlung. Doch ist der Untcrschied im
Vergleich etwa zuni Quecksilber gering, da die Differenz zwischeii V , uiid V ,
bei den Edelgasen relativ klein ist.
Drr wesentliche Unterschied in der Stroiustarkeabhangigkeit von linienhafter
und kontiiiuierlicher Strahlung in Edelgas-Hochdruckentladungeii diirfte also auf
das Verhalten der Anregungsspannungen zuriickzufiihren sein, da die empfindlich als Anregungsspannung des Konthuums eingehende Ionisierungsspannun::
niit wachsendem Strom abnimmt, wiihrend die Anregungsspannung der Linien emission konstant bleibt.
Es mu8 noch kurz auf das Verhalten der kontinuierlichen Strahlung in verschiedenen Spektralgebieten eingegangen werden. Die U n s o 1d sche Theorir
verlangt, daB dieae frequenzunabhingig ist. Dicscs ist nur fur das sichtbart.
Gebiet annaherlid der Fall. t'ber das gesainte Spektrum betrachtet, nilnmt dir
Energieverteilung eine Art Plancksche Verteilung mit dem Maximum im Sichtbaren an. Die Frequenzunabhangigkeit der Emission in der Unsoldschen Theoric
nihrt daher, daB an Stellc iiber die ejnzelnen beim Ebergang von je einem diskreteii Term in die freien (bzw. qnssifreien) Zustande entstehendcn Kontinuii
zu summieren, wegen der dichten Lage der Terme die Summe durch ein Integral
erwtzt wird. Aus diesem Grunde gilt die von der Wellenlange unabKangige
Emission auch nur als Naherung. DaD die langerwelligen Oberginge um so mehr
an Bedeutung gewinnen, je weiter die Ionifiierungsgrenze herunterreicht, ist ohnc
weiteres einzusehen. Aus diesem Grunde d a t e wohl auch der etwas raschere
Anstieg der sichtbaren Strahlung als der UV-Strahlung (8N 3 . 5 bis J137 iiri
Bichtbaren gegeniiber S N J1s4 bis J ' 1 5 in1 UV fur Xe bzw. 8 N
biy J1.8
im Bichtbaren und S J I . 5 im UV fur Kr) eintretm.
J 1 9 G
Am SchluB ist es mir oine angenehme Pflicht, Herrn Prof. R o m p e fur vide
wertvolle Diskussioiien und Anregmqen auch an dieser Sklle meineii herzlicheri
Dank auszusprechen.
G r e if s w n 1d, Physikalisches Institut der Universitit.
(Bei der Hedaktion eingcgangen am 1. 9. 1946.)
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