Untersuchungen der anodischen Teile einer Glimmentladung

59 Pages·1956·4.225 MB·German

by  Prof. Dr. phil. Walter Weizel, Hermann Hornberg (auth.)

FORSCHUNGSBERICHTE
DES Wl RTSCHAFTS- UND VE RKE H RSMI NISTE RI'UMS
NORD RHEIN-WESTFALEN
Herausgegeben von Staatssekretär Prof. Leo Brandt
Nr. 335
Prof. Dr. phil. Walter Weizel
Hermann Hornberg
Institut für theoretische Physik der Universität Bonn
Untersuchungen der anodischen Teile einer Glimmentladung
Als Manuskript gedruckt
SPRINGER FACHMEDIEN WIESBADEN GMBH
1956
ISBN 978-3-663-00842-2 ISBN 978-3-663-02755-3 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-02755-3
Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
G 1 i e d e r u n g
l. Die anodischen Entladungsteile einer
. . . . . . . . . . . . .
s.
Glimmentladung 5
2. Erste Klassifizierung der anodischen
. . . . . . . . . . . . .
s.
Entladungsteile 5
3. Bisheriger Stand der Kenntnis über die
. . . . .
s.
anodischen Erscheinungen 8
4. Die Perlenbildung an einer ebenen Anode s. 9
5. Einfluß der Anodenvorbehandlung auf den
. . . .
Existenzbereich der anodischen Perlen s. 13
. . . . . . . .
6. Die anodischen Blasen s. 17
7. Abhängigkeit der Perlen und Blasen von
. . . . . . . . .
der Stromdichte s . 19
. . . . .
s.
8. Zahl und Anordnung der Perlen 2o
9. Geometrische Einflüsse auf Perlen- und
. . . . . . . . . . . .
s .
Blasenbildung 22
. . . . .
s .
lo. Anodische Perlen und Raumsäulen 25
11. Das Plasma der anodischen Entladungserschei-
. . . . . . . . . .
nungen s. 26
12. Diskussion der Versuchsergebnisse s. 36
. . . . . . . . .
13. Farbtafeln s . 41
. . . . .
14. Literaturverzeichnis s . 49
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1. Die anodischen Entladungsteile einer Glimmentladung
An der Kathode einer selbständigen Glimmentladung beobachtet man stets
die gleichen typischen Entladungserscheinungen: nämlich die erste Katho
denschicht oder kathodische Glimmhaut, den HITTORFsehen Dunkelraum und
das negative Glimmlicht. Diese Entladungserscheinungen sind für den Me
chanismus einer selbständigen Glimmentladung erforderlich und für ihn so
charakteristisch, daß man geradezu eine Gasentladung als selbständige
Glimmentladung anspricht oder nicht, je nachdem ob sie diese Entladungs
teile aufweist oder nicht.
An der Anode vermag die Glimmentladung eine viel größere Vielfalt von Er
scheinungen zu entwickeln. Man beobachtet selbst in Entladungen ohne po
sitive Säule je nach Gasdruck, Gasart, Stromdichte, Elektrodenform, Elek
trodenabstand und Oberflächenbeschaffenheit der Anode die verschiedenar
tigsten leuchtenden Erscheinungen, welche einander ersetzen oder ablösen,
aber auch teilweise gleichzeitig nebeneinander bestehen können. Unter ge
wissen Bedingungen entstehen diese verschwinden aber unter
Er~cheinungen,
anderen Bedingungen, woraus hervorgeht, daß sie für den Bestand der Ent
ladung nicht unbedingt erforderlich sind. Sie verdanken ihre Existenz Um
ständen, die für gewöhnlich nicht besonders beachtet werden.
2. Erste Klassifizierung der anodischen Entladungsteile
Je nach den Betriebsbedingungen der Entladungen kann man an der Anode
folgende Erscheinungen beobachten:
l) Man kann leicht Glimmentladungen betreiben, bei denen an der Anode über
haupt keine besonderen Entladungserscheinungen zu erkennen sind (Abb. 1).
Dies ist in der Regel dann der Fall, wenn eine genügend ausgedehnte Anode
in das negative Glimmlicht eintaucht, ohne jedoch die Entladung zu behin
dern, d.h. ohne dem Glimmsaum zu nahe zu kommen.
2) Steht einer Kathode eine Anode von einigermaßen gleicher Größe in nicht
zu großem Abstand gegenüber, ohne aber ins negative Glimmlicht einzutau
chen, so wird die Anode ganz oder teilweise von dem anodischen Glimmlicht
bedeckt (Abb. 2). Es besteht bei mittlerem Druck (etwa 1 Torr) aus einem
dünnen, auf der Anode scheinbar unmittelbar aufliegendem leuchtendem tlber
zug, dessen Farbe sich meist von der des negativen Glimmlichts deutlich
unterscheidet und mehr der Farbe der positiven Säule in dem betreffenden
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Gas ähnelt. Charakteristisch für diese Entladungserscheinung scheint die
geringe Schichtdicke zu sein, welche in allen Fällen wesentlich kleiner
als die des HITTORFsehen Dunkelraums ist. Angesichts dieser geringen
Schichtdicke ist jedoch die Helligkeit des Leuchtens recht beachtlich.
Zum Unterschied von anderen anodischen Entladungserscheinungen soll die
ses anodische Glimmlicht im folgenden "gewöhnliches anodisches Glimmlicht"
genannt werden.
3) In manchen Gasen bilden sich unter geeigneten Bedingungen des. Druckes
und der Stromdichte an der Anode Entladungsgebilde aus, welche wir als ano
dische Perlen bezeichnen wollen (Abb. 3). Wir verstehen darunter hell leuch
tende Gebilde, welche meist die Form einer kleinen Halbkugel zeigen, die
auf derjenigen Fläche der Anode aufsitzen, welche dem kathodischen Glimm
licht zugekehrt ist. Vorzugsweise beobachtet man diese Perlen an den Kan
ten oder Ecken der Anode oder deren unmittelbarer Nähe. In manchen Fällen
ordnen sich die Perlen auf der Anodenfläche oder deren Rand regelmäßig an.
Meist bilden sich Perlen in größerer Anzahl, es werden aber auch gelegent
lich nur einige wenige Perlen, ja sogar nur eine einzige Perle beobachtet.
Fast immer treten die Perlen gleichzeitig mit dem gewöhnlichen anodischen
Glimmlicht auf, bedecken aber nur einen kleinen Teil der Anodenoberfläche,
während das gewöhnliche anodische Glimmlicht die Bereiche der Anodenober
fläche zwischen den Perlen ausfüllt. Von dem gewöhnlichen anodischen Glimm
licht heben sich die Perlen durch ihre weitaus größere Helligkeit ab. Der
Radius einer Perle ist um eine Größenordnung größer als die Schichtdicke
des gewöhnlichen anodischen Glimmlichts.
4) Im äußeren Aussehen unterscheiden sich von den anodischen Perlen ge
wisse Entladungserscheinungen an der Anode nicht unerheblich, welr.he wir
als anodische Blasen bezeichnen wollen. Während die Perlen eine ziemlich
ausgeprägte kugelförmige Gestalt besitzen, beobachtet man vornehmlich bei
niederen Drucken blasenartige leuchtende Erhebungen aus dem gewöhnlichen
anodischen Glimmlicht, welche oft flacher als die Perlen sind. Die Gestalt
dieser Blasen weist nicht die Regelmäßigkeit auf, die man von den Perlen
her kennt. Die Blasen bilden sich gewöhnlich auch in geringerer Zahl als
die Perlen, häufig erscheinen sogar einzelne Blasen (Abb. 4). Hin und wie
der fließen zwei oder mehrere Blasen ineinander. Es kommt auch vor, daß
sich zwei oder mehrere Blasen ineinander schieben, so daß ziemlich große
auffallende Entladungsgebilde entstehen, welche eine unverkennbare Ähnlich-
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keit mit einer geschichteten positiven Säule haben. Sie unterscheiden
sich von der normalen positiven Säule allerdings dadurch, daß sie sich
ohne die Nähe einer festen Wand, falls wir von der Anode selbst absehen,
ausbilden. In vielen Fällen, vor allem bei sehr niedrigen Drucken erwek
ken die Blasen den subjektiven Eindruck der Durchsichtigkeit, was eben die
Bezeichnung "Blase" nahelegt. Wie die Perlen treten andererseits die Bla
sen zusammen mit dem gewöhnlichen anodischen Glimmlicht auf und verhalten
sich in dieser Hinsicht durchaus wie Perlen. Es wird sich überhaupt erwei
sen, daß Blasen und Perlen einander entsprechende Gebilde sind.
5) Bei höheren Drucken, größeren Stromdichten und beträchtlichem Abstand
der Elektroden beobachtet man pinsel- oder schlauchartige Entladungsgebil
de, welche von der Anode ausgehen und sich zum kathodischen Glimmlicht hin
5).
erstrecken (Abb. Sie setzen vorzugsweise, wenn auch nicht immer, an
einer anodischen Perle an und stellen einen Entladungsbereich von relativ
geringer Leuchtkraft dar, der weit in den dunklen Zwischenraum zwischen
dem negativen Glimmlicht und den übrigen anodischen Entladungsteilen hin
einragen kann. Diese Erscheinung hat zunächst durch ihre geometrische Ge
stalt eine gewisse Verwandtschaft mit einer positiven Säule, unterscheidet
sich von ihr aber wesentlich dadurch, daß sie ihre Entstehung, geometrische
Form und Lokalisierung nicht einer festen Wand verdankt. Wir wollen sie
als Raumsäule bezeichnen. Sie ist unbedingt den anodischen Entladungstei
len zuzurechnen, denn sie tritt stets in enger räumlicher Verbindun~ mit
der Anode auf.
6) Mit dieser Aufzählung ist die Vielgestalt der anodischen Entladungser
scheinungen keineswegs erschöpft. Insbesondere in komplizierter gebauten
Molekülgasen kann man eine Fülle von recht verwirrenden Leuchtersaheinun
gen beobachten, die sich ebenfalls an der Anode abspielen können. Wir wol
len auf sie nicht näher eingehen, weil sie bisher noch nicht genauer stu
diert werden konnten und weil sie zum Teil vielleicht Übergangs- oder
Mischerscheinungen zwischen den oben geschilderten Entladungserscheinungen
sind.
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3. Bisheriger Stand der Kenntnis über die anodischen Erscheinungen
Über die anodischen Erscheinungen in einer Glimmentladung sind schon zahl
reiche Untersuchungen angestellt worden. Wir führen hier die in dem Lite
raturverzeichnis mitgeteilten Ergebnisse kurz an, soweit sie für unsere
eigenen Untersuchungen von besonderer Bedeutung sind.
Nach ENGEL (l) ist der Anodenfall U vergleichbar mit der Ionisierungsspan
nung des betreffenden Gases. Er dürfte nach GÜNTHERSCHULZE und KELLER (2)
in Wasserstoff etwa 2o,5 Volt, in Stickstoff etwa 3o Volt und in Sauer
stoff etwa 14 Volt betragen. Er wächst nach ENGEL etwas mit der Stromdich
te j und nimmt mit dem Druck ab. Das Anodenmetall soll selbst keinen Ein
fluß auf ihn besitzen. Zwischen der Dicke des Anodenfallgebietes d und
der Stromdichte j besteht nach ENGEL im gewöhnlichen anodischen Glimmlicht
die Beziehung
dj1/ 2 = const.
THOMAS und DUFFENDACK (3) konnten nachweisen, daß die Perlenbildung sehr
stark davon abhängt, ob auf der Anode eine Gasschicht absorbiert ist. Be
sonders starke Perlenbildung beobachten diese Autoren bei Wasserstoff,
Stickstoff und Kohlenoxyd. In Sauerstoff, Argon und Neon pflegen gewöhn
lich keine Perlen aufzutreten, in Helium nur in geringem Maße. Wenn jedoch
Quecksilberdampf oder Wasserstoff den Edelgasen beigemengt sind, bilden
sich besonders große Perlen. Auch die Beimengungen von Kohlenoxyd zu Sauer
stoff gibt eine Entladung mit Perlen. Ebenfalls beobachtet man nach THOMAS
und DUFFENDACK Perlen in einer Sauerstoffatmosphäre, wenn die Anode mit
Kohlenoxyd vollgesaugt ist. HENDERSON und RUBENS (4) beobachten jedoch
bei hohen Stromdichten von ca loo mA/cm2 auch in einer Sauerstoffatmosphä
re Perlen. Die gleichen Autoren haben festgestellt (5), daß die Perlen nur
bei einer gewissen Mindeststromstärke auftreten.
Der Perlenradius wächst nach THOMAS und DUFFENDACK mit der Verstärkung des
Gasbelags, der Temperatur und der Elektrodengröße und nimmt ab, wenn der
Druck erhöht oder der Elektrodenabstand vergrößert wird. Die Perlen schrump
fen zusammen, wenn man Stromdichte oder Spannung erhöht und auch im Laufe
der Zeit von selbst, wenn die Entladung längere Zeit besteht. Die Perlen
anzahl wird durch Druck, Stromdichte und Elektrodenabstand bestimmt. THOMAS
und DUFFENDACK weisen auch darauf hin, daß die Symmetrie der Perlenmuster
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durch die Geometrie der Anode bedingt ist und zerstört wird, wenn beide
Elektroden nicht parallel sind.
RUBENS und HENDERSON (6) schlossen aus Messungen mit einer Zylindersonde,
daß in dem Perlenplasma positive Raumladung besteht.
Diese Beobachtungen verschiedener Autoren werden durch unsere Untersuchun
gen bestätigt und in vieler Hinsicht ergänzt.
THOMAS und DUFFENDACK haben auch versucht, eine Theorie der Perlen zu ge
ben. Sie gehen von dem Gedanken aus, daß die Entstehung der Perlen mit
einer Emission von Gas aus der Anode zusammenhänge. Wenn es auch zutrifft,
daß eine stark mit Gas beladene Anode in der Glimmentladung Gas abgibt und
wenn unter solchen Bedingungen auch gleichzeitig Perlen auftreten, so
scheint die Gasemission der Anode uns doch nicht das wesentliche Merkmal
des Mechanismus der Perlenbildung zu sein, sondern ihm mehr begleitend
parallel zu laufen. Wir können uns also dieser Deutung der Perlenentstehung
nicht anschließen und werden versuchen, die Perlen auf andere Weise zu ver
stehen.
4. Die Perlenbildung an einer ebenen Anode
Wenn man die anodischen Erscheinungen einer Glimmentladung untersuchen
will, ist es zunächst wünschenswert, diese Erscheinungen unter möglichst
einfachen Verhältnissen zu produzieren. Am übersichtlichsten ist eine Ent
ladung, die zwischen zwei großen und parallelen Metallplatten brennt, von
denen die eine Kathode, die andere Anode ist. In dieser einfachsten geo
metrischen Anordnung werden die an sich schon verwickelten Entladungsvor
gänge nicht unnötig durch die geometrischen Verhältnisse kompliziert. Eine
solche Entladung stellt also gewissermaßen den Normalfall dar.
Als Entladungsraum wurde deshalb ein Gefäß verwendet, das aus einem Glas
zylinder A von 3o cm Höhe und 26 cm Durchmesser in vertikaler Lage bestand.
Die Stirnseiten wurden oben und unten durch zwei Stahlplatten Bk und Ba
abgeschlossen. In der Mitte der unteren Platte wurde ein aufrecht stehen
des Messingrohr C aufgestellt, auf dem als Kathode eine Eisenscheibe K
liegt. Um die Entladung auf diese Scheibe als Kathode zu beschränken, wur
de der Rest der unteren Verschlußplatte mit einer Glasplatte abgedeckt.
Das Messingrohr, welches als Träger der eigentlichen Kathode dient, wurde
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durch ein zweites konzentrisches Rohr D abgeschirmt, welches auf der Glas
platte aufsitzt und mit den kathodischen Metallteilen keinen elektrischen
Kontakt hat. Der Zwischenraum zwischen den beiden Rohren betrug nur etwa
1 mm, so daß die Entladung nicht zwischen die beiden Rohre eindringen konn
te. Auf diese einfache Weise gelingt es, bei nicht zu hohen Spannungen die
Entladungen auf die Eisenplatte K als Kathode zu beschränken (s. Abb. 6).
A
A b b i 1 d u n g 6
Anschluß für a) Gaseinlaß,
b) Vacuskop, c) Luftpumpe
Vom Mittelpunkt der Metallplatte B führt ein Metallstab S in den Entla-
a
dungsraum hinein und trägt an seinem unteren Ende eine Eisenscheibe von
4 cm ~ und 3 mm Stärke. Diese Scheibe dient als Anode. Es erübrigt sich,
die Zuführung zur Anode und die Metallplatte B besonders gegen die Ent-
a
ladung abzudecken, da von allen auf Anodenpotential liegenden metallischen
Oberflächen vorzugsweise diejenige Fläche den Entladungsstrom aufnimmt,
die dem negativen Glimmlicht am nächsten liegt. Dagegen hat es sich als
notwendig erwiesen, den anodischen Stab S mit einem Kugelgelenk F an der
oberen Stirnplatte zu befestigen, damit Kathode und Anode parallel zuein
ander justiert werden können. Die obere Abschlußplatte des Entladungsge
fäßes trägt außerdem einen Pumpstutzen, ein Gaseinlaßventil und einen
Ansatz für ein Vakuskop zur Druckmessung.
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Setzt man eine Glimmentladung in der eben beschriebenen Anordnung ohne
besondere Vorsichtsmaßnahmen in Betrieb, so zeigt sich, daß die anodischen
Entladungserscheinungen von vielen Zufälligkeiten abhängen und sich bei
wiederholten Versuchen nicht ohne weiteres reproduzieren lassen. Regelmä
ßig beobachtet man eigentlich nur, daß gar keine anodischen Erscheinungen
auftreten, wenn die Anode in das negative Glimmlicht eintaucht und daß
sich gewöhnliches anodisches Glimmlicht, Perlen oder Blasen zeigen, wenn
die Anode außerhalb des negativen Glimmlichts steht. Im einzelnen hängen
aber die anodischen Entladungsteile sehr stark vom Zustand der Anode ab.
Um sich der gröbsten Zufälligkeiten zu entledigen, muß man vor allem die
Anode vor dem Einbau mit einem geeigneten Putzmittel sorgfältig reinigen
und möglichst von Fingerabdrücken freihalten. Trotz solcher Vorkehrungen
macht man jedoch die Erfahrung, daß das anodische Glimmlicht bei den er
sten Versuchen mit einer neuen Anode meist eine unregelmäßige Struktur
zeigt. Einige Teile der Anode leuchten intensiver als ihre Nachbarschaft.
Offensichtlich gibt es auf der Anode Bereiche, welche den Strom besser auf
nehmen, als die Nachbarbereiche. Nach kurzem Einbrennen, d.h. nach kurzem
Betrieb der Entladung, verschwinden in der Regel derartige Ungleichmäßig
keiten.
Auch durch Reinigen der Anode vor der Montage und kurzes Einbrennen nach
der Montage kann man noch immer nicht erreichen, daß die anodischen Ent
ladungserscheinungen bei gleicher Gasart, gleichem Gasdruck, gleicher
Stromstärke und gleicher Elektrodenanordnung reproduzierbar sind. Manch
mal beobachtet man unter Bedingungen anodische Perlen, unter denen man
sonst nur gewöhnliches anodisches Glimmlicht hatte und umgekehrt. Hieraus
muß geschlossen werden, daß der jeweilige Zustand der Anode, der sich aus
ihrer Vorbehandlung ergibt, auf das Erscheinen der Perlen einen großen Ein
fluß ausübt.
Besonders augenfällig ist der Einfluß des Gasdrucks, sowohl auf die Ent
stehung, wie auf die Eigenschaften der anodischen Perlen. Sind Perlen
überhaupt vorhanden, so nimmt ihr Radius mit zunehmendem Druck ab. Diese
Tatsache ordnet sich in die allgemeine Gesetzmäßigkeit ein, daß alle Teile
einer Glimmentladung an Ausdehnung verlieren, wenn der Druck erhöht wird.
Bekanntlich findet diese allgemeine Regelmäßigkeit ihre Erklärung darin,
daß das natürliche Maß für die Dimensionen der Entladungsgebilde die freie
Weglänge ist, welche dem Druck umgekehrt proportional ist. Die Druckab-
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