Forschungsinstitut for Elektronili Budapest, Ungarn

Uber den EinfluS der Katodeneigenschaften auf clas Plasma der positiven Stiule

Von

J. F. BIT^

Eingegallgon am 2. 10. 1968

Die Katodeneigenschaften und ihr Zusammenhang in Kiederdruckentladungen mit Oxid- katoden. Katodenmechanismus und Katodenmodell. Der EinfluB der Emissionseigenschaften auf den Katodenfall, auf die Gnge der Katodenriiume und vermittels der Katodenseite auf das Plasma der positiven Saule. Axiale Verteilungsuntersuchungen.

1. Einfiihrung

Es gibt bisher noch keine allgemeine Interpretation des Katodenmechanismus der Entladungen und der Grunderscheinungen der katodenseitigen Gebiete. Mehrere Autoren [l--51 haben sich schon mit den charakteristischen katoden- seitigen Gebieten befaBt; der heterogene Charakter, die GroBe und die Distri- butionsverhaltnisse dieser Gebiete haben jedoch die Herausbildung eines all- gemeinen Katodenmodells verhindert .

Im folgenden berichten wir iiber unsere im Katodenraum einer Ar-Hg- Bogenentladung ausgefuhrten Experimente und das hieraus entstandene Ka- todenmodell sowie uber den indirekten EinfluB der Katode auf die positive Siiule.

2. Dic Yoraussctzungen dcs Experiments

Die Messungen wurden in Glas-Entladungsrohren von 36 mm innerem Durch- messer und 1100 mm Entladungsliinge bei 3 Torr Argondruck und 6 . Torr konstantem Quecksilberdampfdruck ausgefuhrt sowohl bei Gleich- als auch bei Wechselstrom. Die Stromstarke betrug bei den mit konstanten Entladungsstrom- starken ausgefuhrten Messungen 430 mA. In die Entladungsrohre reichten zwei gleich ausgebildete, dreifach gewendelte Wolframkatoden hinein, auf die wir einen Emissionsuberzug von 10 mg aufgetragen haben. Die Zusammensetzung sowie der Umwandlungs- und AktivierungsprozeB des Emissionsuberzuges waren, abgesehen von den Experimenten, bei denen die Austrittsarbeit variiert wurde, bei allen Experimenten identisch.

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3. Mefirnethoden

Die Messungen wurden mit stabilisierter Speisespannung bei (25 & 1) "C Tem- peratur durchgefuhrt. Bei den mit Gleichstrom ausgefiihrten Experimenten haben wir den Entladungsstrom mit einem der Speisespannung gegeniiber sym- metrisch angeordneten ohmischen Vorwiderstand, bei Wechselstrom mit einer Drossel begrenzt.

Unsere Untersuchungsmethoden waren folgende [6] : lllessung der Austritts- arbeit im Gas, Messung der Emission, Sondenmessung zur Bestimmung des Katodenfalls und der Geschwindigkeitsvehilung der Elektronen, kateto- metrische Messung der Liinge der katodenseitigen Gebiete und der Ausdehnung des Brennflecks, pyrometrische Messung der Temperatur des Brennflecks, elek- tronische Messung der mitt,leren Temperatur der Katode sowie die mit MeBgerLten ausgefiihrte Bestimmung der elektrischen Parameter des Entladungskreises.

Die ausfuhrliche Analyse dieser Methoden haben wir in einer anderen Arbeit angegeben [7]. In unseren friiheren Experimenten haben wir die Abhiingigkeit der wichtigsten Parameter der Katodenseite vom Druck, von der Art des Gases und vom Entladungsstrom mit der Anwendung des katodenseitigen diagnostischen Systems festgestellt [8].

Im folgenden werden wir nach der funkt.ionellen Charakterisierung der Oxid- katoden die unmittelbare (im Katodengebiet ausgeiibte) und die indirekte (in der positiven Siiule ausgeiibte) Auswirkung der Katodeneigenschaften angeben.

4. Die funkt,ionelle Charakterisierung der Oxidkatoden

Die Oxidkatode iat ein Energieumwandler, welcher die infolge des ihn durch- flieBenden elektrischen Stromee und des Ionenbombardements entstandene Wiirmeenergie mittels E l e k t r o n e n e d o n in elektrische Energie verwandelt. In unserem Falle entsteht ein Fleck von hoher Temperatur auf der Katode; die Ionenstromkomponente der Entladung kann der Elektronenstromkomponente gegeniiber vernachliissigt werden, aie betriigt ungefiihr 6-8% derselben.

Der Katodenfleck ist ein Gebiet bevonugter thennischer Elektronenemission, von dem iiber 70% der emittierten Elektronen stammen. Zur Charakterisiemg der gesamten Oxidkatode haben wir den thermischen Whkungsgrad der Katode eingefiihrt, auBerdem haben wir einen Zusammenhang zwischen den statischen Parametern der Katode (in unserem Falle dem Kaltwiderstand, dem Gewicht des Emissionsiibenuges, den Aufheizungsparametern und der Austrittsarbeit der Katode) sowie ihren dynamischen und funktionellen Parametern, d. h. dem Emissionsstrom, der Temperatur des Brennflecks, der mittleren Temperatur der Katode und der Oberfllche des Brennflecks gesucht.

Die Katode kann als Energieumwandler durch den Wirkungsgrad

i.8 T K r l = -

charakterisiert werden, wo i E den bei TK mittlerer Katodentemperatur aus- tretenden thermischen Rlektronenstrom bedeutet. Die Verbesserung des energe- tischen Charakters der Katodeneigenschaften macht die Steigemg des Wertes

EinfluO deer Katodeneigenschaf fen m f das Plasm der pnsitiven S i d e 3 14

des Quotienten notwendig. Die Verbesserung des Wirkungsgrades kann aucb bei rerhiiltnismiifiig niederer Temperatur durch die Verwendung eines Katoden- iiberzuges von hoher Emissionsfabigkeit erreicht werden.

Der Emissionsstrom hiingt ah funktioneller Parameter von mehreren primaren vtatischen P&rsrnetern ab \Bj. Wir zeigen in Abb. I nur die experimentell fest- gestellte Abhiingigkeit des Emissionsstromes von der Austrittsarbeit der Katode.

YCeVl - Abb. 1. Die Ibhangigkeit des Emissionsstromes & von der Aristrittsarbeit

Die verachiedenen Xustrittsitrbeiten haben wit durch die Ahderung der Zu- samrnensetzung des Katodeniiberzoges und des Vmwandlungs- und Aktivierungs- vorganges erhalten. Unserer Erwartung gemiiB wLchst die thermische Elektronen- emission der Katode parallel mit der Abnahme der Austrittsarbeit. Das Kurven- st,iick, das in Abb. 1 dargestellt iat, ist verhiiltnismiiBig steil: in diesem Gebiet ergibt schon e k e kfeine V eminderung der Austnttsarbeit ejne betr&chthhe Zu- nahme des Emissionsatromes. Wit haben gepruft, in welchem MaBe der Eraie- sionsstrom von Krttoden verschiedener Austrittsarbeit von dem die Katode durcbflieBenden Heizstrom abhiingt. Unser Ziel war es, festzustellen, ob die Kurve in dam von uns untersuchten Heizstromgebiet ein Stittigungsverhalten zeigt.

In Ahb. 2 zeigen wir eine die Abbingigkeit des Emissionsstrom vom Heizatrom darstellende Kurve, aufgenomrnen an eher Katode von 1,7 ev Austrittsarbeit ; wir sehen, daB die Kurve monoton wiichst und keine Siittigung zeigt. Die bei Kat,oden mit verschiedener Austrittsarbeit (zwischen 1,5 und 2,1 el') bestimmten Emissionsstrom-Heizstrom-Zusamaenhiinge stimmen charakteristisch iiberein; die zu den Katoden mit groBerer Austrittsarbeit gehorigen Kurven verlaufen deu vorangehenden gemaB im Gebiet kleinerer Emksionsstrome.

Wjr batten auf der horizontalen Mlttellinie der Abb. 2 anstatt der Heizstrome auah die entsprecheden Katodentemperaturen angeben konnen, da der ermittelte Zusalnmenhang im wesentlichen die Temperaturabhiingigkeit des Emissions- stromes der Katode zeigt ; die Steilheit der Kurve dagegen ergibt den therniischen Wirkungsgrad, den wir durch die Beziehung (1) definiert haben.

I n Abb. 3 zeigen wir die Abhandgkeit der BrennflecktemperilLtur ?IF \-om Emissionsstrom bej 430 inA Entladungsstrom jm Falle einer Gleiohstrom- sowie einer Wechselstromentladung. Die Emissionsabhiingigkeit. der Brennfleck- temperatur kann durch eine monoton wachsende Kurve dargestellt werden ; die hoheren Werte, gemessen im Falle einer M7ecbselstromentladung, weisen auf liohere Verluste an der Katodenveite bei Wechselstromentladungen hin [8].

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-. I :::: 400-

b

-b 300

200

100-

0

Durch Vergleich der auf den Abb. 1 und 3 dargestellten Zusammenhange kann festgestellt werden, da13 bei identischen Entladungsverhiiltnissen die Katoden mit niedriger Emission (d. h. mit hoherer Austrittsarbeit) eine hohere Brennfleck- temperatur, die Katoden mit hoherer Emission (d. h. mit kleinerer Austritts- arbeit) eine geringere Brennflecktemperatur zur Aufrechterhaltung des gegebenen Entladungsstromes benotigen.

- - I -4-

1 /+’ /+

I-!.!. 1000

9c 3

100 200 300 400 500 600 iE Cm41 -

Abb. 3. Die Abhiingigkeit der Brennflecktemperatur T p vom Emissionsstrom iB bei Gleich- und Wechselstromentladung

Auf Gmnd unserer Berechnungen des Energiegleichgewichtes der Katode sowie a d Grund unserer experimentell erhaltenen Resultate [6] haben ~ v i r zwischen dem spezifischen Ionenstrom auf der Katodenoberfliiche und der Temperatur des Katodenfleckes den auf Abb. 4 angegebenen Zusammenhang festgestellt. Als spezifischen Ionenstrom haben wir den Quotienten des Ionenstromes i, und des gesamten Entladungsstromes i, bezeichnet. Die auf dem Katodenfleck auf- tretenden Ionen regulieren die Funktion der Katode teils durch Sekundaremission, teils auf thermischem Wege und stimmen die funktionellen Parameter der Katode mit den weiteren Parametern der Katodenseite ab [6]. Die Brennflecktemperatur

Eir&\un der KktaAmeigwischaiten mi das Pja*ma der powtiven filiule 121

w&hst gleichzeitig mit der Erhohung des spezifischen Ionenstromes, dies ist Dber fk die Roue des Katodenflecks nicht allein charakteristisch, man mu13 aucb die eventuellen Verinderungen in der Gro13e des Katodenflecks in Betracht zieben. Deshalb haben WiF wahrend der bfessung den Enhdungsstrom so variiwt, dafl &r auf Abb. 4 dargesteilte Zuearnmenhang bei konetanter BrennfleckgoDe be- s t b m t werden konnte. Dementsprechend gibt hese Kurve im wesentlichen den Zusammenhang zwischen dem Bmissionsstrorn und dem spezifischen Ionen- strom auf Gmnd des in Abb. 3 dargestellten Zuaammenhanges wieder.

I

900 1000 1100 1200 G o r , r o c 1 -

&b. 4. Die Abhangigkeit des spezifischen Ionenstromes i,,/i0 von der Brennflecktemperatur T,

+ c0c1 - dbb. 5. Die Sbhingigkeit der Brenofleekfliiche F , van der Brennflecktemperatur T,

Dwch Anwendung von Neonzuvatz oder von Nilfselektroden, deren Lage ver- anderbar ist, konnen wir die Flache des Katodenflecks andern. Unter Anwendung der beiden Methoden haben wir irn Falle eines konsbanten Entladungsstromes die AbhEngigkeit der Temperatur van der Brennfleckflache untersucht (Abb. 5 ) .

9*

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Auf Grund des Zusammenhanges kann festgestellt werden, daB die Katode die Anzahl der Elektronen, die fur die Aufrechterhaltung eines standigen Entladungs- stromes n6tig sind, auf zweierlei Weise erzeugen kann: durch eine groBe Brenn- fleckfliiche mit niedriger Temperatur oder durch eine kleine Brennfleckfliiche mit hoher Temperatur. Die h d e r u n g der Parameter des Katodenflecks kann auf zwei Ursachen zuriickgefiihrt werden [6]: auf die Veriinderung des Energie- gleichgewichtes der Katode oder auf die Anderung der Anzahl der elastischen StoBe im Entladungsgebiet.

Die Bestimmung der oben dargestellten funktionellen Katodenparameter und des Zusammenhanges zwischen ihnen ermijglicht die Feststellung des unmittel- baren Einflusses der Kat,ode auf das Katodengebiet. Als Grundlage nehmen wir die zwei fundamentalen Parameter der Oxidkatode : den Emissionsstrom und die dazugehorige Temperatur des Katodenflecks, welche ubrigens proportional der mittleren Temperatur der Katode ist. Wie wir sahen, hiingen diese zwei funda- mentalen Parameter eng mit den statischen und dynamischen funktionellen Ketodenparametern zusammen, und deshalb scheinen sie geeignet fur die Ab- schatzung der Auswirkung der Katode zu sein.

5. Die katodenseitigen Aiiswirkimpen der Eigenschaften dcr Katade

a ) Die Katodeneigenschaf ten und d e r Katodenfa l l

Fur die Bestimmung der Abhiingigkeit deu Kat,odenfalls von den Eigenschaften der Katode haben wir eine Storung angewandt, die leicht wahrnehmbare h d e - rungen hervorruft. Die GroBe des Katodenflecks wird durch die h d e r u n g des

900 1000 1700 1200 1, C O C l -

Abb. 6. Die Ahhilngigkeit des Katodenfalls V K von der Brennflecktemperatur T, hei Gleich- und Wechselstromentladiing

Argondruckes der untersuchten Entladung nicht beeinflufit, im Falle eines ge- gebenen Entladungsstromes ermoglicht sie jedoch eine mit unserer diagnostischen Methode reproduzierbare Verfolgung der Einwirkung auf die Batodenseite der Entladung. Abb. 6 zeigt den Zusamnienhang zwischen der Temperstur des Ka- todenflecks, verandert durch Anderung des Argondruckes, und dem ebenfalls veranderten Katodenfall bei Gleichstrom- und Wechselstromentladungen.

EinfluD der Katodeneigenschaften auf das Plasma der positiven SLnle 123

Dieser Zusammenhang stellt sich als eine bisher noch unbekannte lineare Be- ziehung zwischen der Brennflecktemperatur und dem Katodenfall dar. Es weist darauf hin, da13 die Katodenseite der Entladung bei gegebenen Katodenpara- metern und bei gegebener Brennfleckgroae einen Entladungsstrom auf mehrere Weise aufrechterhalten kann. Wenn wir mit Hilfe der Katodentemperatur den Emissionsstrom der Katode andern, dann veriindert sich auch der Katodenfall entsprechend. In dem untersuchten Temperaturgebiet ist der Katodenfall gegen- iiber Bnderungen der Temperatur des Katodenflecks empfindlich : eine Erhohung dieser Temperatur um 100°C hat eine Katodenfallerniedrigung von 2,2 V zur Folge. I n unserem Falle miiBten wir eine Temperatur des Katodenfleckes von 1500- 1600 "C sichern, urn einen Zustand ohne Katodenfall hervorrufen zu konnen.

100 200 300 400 500 iE r m A l -

Abb. 7. Die Abhangigkeit deu Katodenfalls V, voni Emissionsstrom i, bei Gleich- iind Wechselstromentladitng

Wir haben eine Abhangigkeit des Katodenfalls vom Emissionsstrom festgestellt, die auf Abb. 7 zu sehen ist. Der Charakter der Abhiingigkeit ist auf Grund des Vergleiches der in Abb. 3 und Abb. 6 dargestellten Kurven eindeutig. Die Ver- grCl3erung des Emissionsstromes wird von der Verminderung des Katodenfalls begleitet.

Zur Aufrechterhaltung der Entladung mu13 die Katodenseite der Entladung folgende Aufgaben erfiillen : 1. Erzeugung der Anzahl der Elektronen, die zur Aufrechterhaltung der Ent-

2. Beschleunigung dieser Elektronen auf die benotigte Geschwindigkeit . 3. Einstellung einer ~ ~ ~ ~ ~ E ~ ~ - B O L T Z M ~ N N - G e s c h ~ ~ n ~ g k e i t s v e ~ e i ~ u n ~ be-

schleunigter Elektronen. Die positive Siiule kann sich nur aus Elektronen mit i\iIaXWELL-BOLTzhl.~N"

Geschwindigkeitsverteilung bilden. Mit der Steigerung des Emissionsstromes der Katode kann der Zustand erreicht

werden, da13 die Katode so viele Elektronen emittiert, wie zur Aufrechterhaltung der Entladung notig sind. In diesem Falle nimmt der Katodenfall einen sehr niedrigen Wert an, verschwindet aber nur dann, wenn die emittierten Elektronen iiber eine geniigend groSe Energie verfiigen. Bei weiterer Steigerung des Emissions- stromes kann leicht so ein Entladungszustand erreicht werden, wo sich vor der Katode eine aus negativer Raumladung bestehende ,,virtuelle Katode" bildet.

ladung notig ist.

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- E 5 10- c

Die Katode kann also von den drei Hauptforderungen bei niederer Austritts- arbeit oder z. B. bei einer entsprechend gewiihlten stiindigen iideren Heizung die erste durch die geeignete Einstellung des Emhionsstromes als komplexen Parameter restlos erfiillen. Auch die zweite Forderung kami teilweise erfiillt werden, da der von der Emission abhiingige Katodenfall die Beschleunigung der Elektronen garantiert. Hier mu13 aber auch die zur Beschleunigung nijtige Liinge der Katodenriiume in Betracht gezogen werden, daaselbe gilt auch betreffs der Ausbildung der MaXWELL-BoLTzMA"-Geschwindip;keitsverteilung.

Gleichstromentladung

Wechselstmmentladung

I

b ) Die Ka todene igenscha f t en u n d d i e Liinge d e r Katodenr i iume

In unserem Falle besteht die Katodenseite der Entladung aus den folgenden Riiumen : 1. aus dem Katodenlicht, welches sich von der Oberfliiche der Katode bis zum

FABaDAY-Dunkehaum ausdehnt und auch das Gebiet des negativen Glimm- lichtes enthiilt ;

2. aus dem FaEaDaY-Dunkehaum, welcher die positive S i d e und die Katoden- seite verbindet.

Wir haben die Abhiingigkeit der Liinge der genannten Riiume von den Katoden- eigenschaften uber den Emissionsstrom gemessen ; die Abhiingigkeit der axialen LLinge demelben vom Emissionsstrom ist an Abb. 8 dargestellt. Wie &us Abb. 8 zu erseheii ist, wird die Gesamtliinge der Katodenriiume nur in einem relativ kleinen Stromgebiet durch den Emissionsstrom beeinfluBt, und dieser EinfluB kann mit der Emissionsabhangigkeit der Liinge des Katodenlichtgebietes erkliirt werden. Die Grenze des FARADAY-Dunkelraumes an der positiven Siide wird dementsprechend verschoben. Die Lange des FARADAY~Dunkelraumes wird nicht durch die h d e r u n g des Emissionsstromes beeinfluBt.

Bei der Analyse der Emissionsabhiingigkeit des Katodenlichtgebietes sind wir unter Beriicksichtigung der Resultate unserer vorangehenden Experimente [6, 81 zu der Folgerung gekommen. daB der in Abb. 8 dargestellte Zusammenhang durch die Emissionsabhangigkeit der Liinge des ursprunglich dunklen Katoden-

EinfhiO dsr Kstodeneigvnschsften auf d%s PIasma &er pvajtiven Sade 125

fallgebietes (welches jetzt einen Teil des Katodenlichtgebietes bildet) bedingt wird. In diesem Ted ist eine R a d a d u n g von positiven Ionen vorhanden, die die Beschleunigung der emittierten Elektronen sichert. Die axiale Liinge dieses Raumes steht zur Verfiigung, wem man die emittierten bzw. im Raume eneugten Elektronen bescuennigen will. Die Liinge des ICatodenlichtes wjrd von einem Emissiomstrom, der hoher als ein gewisser Wert ist, nicht mehr beeinflu&. In dem von uns untersuchten Falle konnte niirnlich der Katodenfall nicht ver- schwinden, und deshalb war so eine minimale Lange dieses Raumes erforderlich, mit deren Hilfe die Beschleunigung der Elektronen stattfinden konnte. Dieser R a m sorgt also zusammen mlt dem Katodenfd fur die Ediillung der der K&odenseite gesteUten ersten und zweiten Forderung, und so Bind sowohl die Raumlange als auch der Katodenfall emissionsstromabhiingig.

Die d a l e Lllnge des FARADAY -Dunkelraumes hlingt nicht vom Emissiowtrom ab, was darauf hinweist, daB dieser Raum weder bei der Elektronenerzeugung noch bei der Beschleunigung eine Roue spielt.

A d Grund der der Katodenseite gevtellten Farderungen sowie an€ Grund der Notwendigkeit des PARADAY-Dunkekaumes heben wir angenommen, daD der- selbe bei der Thermalisierung der Elektronen (bei der Ausbildung der MAXWELL- BoLTZMA"-Gesch\Kindigkeitsverte~ung) e k e Rolle spielt. Unsere Annahme wird durch die Tatsache gestiitzt, daD die Liinge des FARmAY-Dunkelraumes &ht ernissiansabhiingig ist. Mit der Steigerung des Argondruckes (bei unveranderten E n t l a d u n g a v e r h ~ l t ~ ~ e ~ ~ geniigte eine kiinere Lhge des Famar-Dunkel- raurnes fur die Erfiillung der dritten Anfordelvng an die Katodenseite [8J. da sich mit der Erhahung der StoBfrequenz die ~XWELL-BoL'rZMANN-Ve~e~ung auf einer kurzeren Strecke ausbildet.. Zur Bestiitigung unserer Voraussetzung haben wir axial bewegbare zylindrische Sonden mit einer sehr kleinen Oberfliiche in den Entladungsraum eingefiihrt ; mit diesen haben wir die Katodengebiete und das katodenseitige Ende der positiven S&de abgeiastet.

Wir haben unsere Messungen nup zur B e s t d u n g der Ortsabhangigkeit der Geschwindigkeitsverteilung ausgefiihrt. Wir haben nachgewiesen, daB im Ka- todenlichtgebiet eifle ganz besondere, stark von der Emission abhlingige Ge- schwindigkeitaverteiung vorhanden ist. Dabei konnten wir an der katodischen Seik des FAR^ Ar-Dunkelraumea e k e der DRowEsTEm-Verteilung iihnliche Verteihng beobachten, weiche im FAmDAx-Dunkelraum in Richtung der poai- tiven SLule stufenweke den Charakter der MAxWELL-BoLTzaal*rrN-ve~ilung an- nahm. Eine exakte MAxWELL-BotTzMANN-Verteilung konnte man das erste da l , v011 der Katode amgehend, ungeftihr 3.e.5 mm vom katodenseitigen Meniakus cler pasitiven Sliule entfernt beobachten. In den katodenseitigen Riiumen wirken also &e Katodeneigeaschaften nur in

dem sich im Kstodenlichtraum befindlichen Ihtodenfallraum. Die Liinge des FAKADAY-Dunkehumes hiingt nicht von der Emission ab, seine Aufgabe besteht, in der energetischen Homogenisierung der Elektronen.

6. Das KuLtorlr.rrmodell

Bei der Bespreohung des katodenseitigen Mechanismus und des Katoden- modells haben wir auch die bisherigen Resultate unserer Experimente beziiglich der Katodenrilume [9] und des Snergiegleichgewicht,es der Oxidkatode [lo] in Retracht gezogen.

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Die Anzahl der zur Entladung notigen Elektronen kann auf zweierlei Weise gesichert werden : durch Elektronenemission oder durch Volumenionisation. Bei einem gegebenen Entladungsstrom haben wir die Bnderung der Anzahl der im Volumen erzeugten Elektronen durch die h d e r u n g der Zahl der emittierten Elektronen indirekt beobachtet. Die Elektronenerzeugung im Volumen hangt namlich sowohl von der GrijBe des Katodenfalls als auch von der Liinge des Ka- todenfallgebietes ab.

Der Anted der Elektronenerzeugung im Volumen anclert sich also im Zusammen- hang mit der Bnderung der thermischen Emission als des primaren Parameters der Katode. Wir haben diesen vorausgesetzten Zusammenhang durch die experi- mentelle Bestimmung der Emissionsabhangigkeit des Katodenfails und der Liinge des Katodenlichtes bewiesen.

Da in unserem Falle der Emissionsstrom nur von der Brennflecktemperatur und von der Intensitiit der Ionenstromkomponente abhlngt, mussen wir, falls unsere vorangehenden Folgerungen richtig sind, einen Zusammenhang zwischen der Brennflecktemperatur bzw. der Intensitat des auf die Katode auftreffenden Ionenstromes und dem Katodenfall finden. Wir haben den gesuchten Zusammen- hang experimentell bestimmt und in Abb. 6 dargestellt.

Die dargestellten Parameter und die Zusammenhiinge zwischen ihnen ermog- lichten die Ausbildung eines geschlossenen, katodenseitigen Zusammenhanges, der durch folgende, in impliziter Form dargestellte Funktion beschrieben werden kann :

V K = f (v , T F ) r (2) wo V , den Katodenfall,

q die Austrittsarbeit der Katode, T F die Temperatur dev Katodenflecks

bedeutet. Das Vorhandensein, die GroSe und das Vorzeichen des Katodenfallv hiingen von der Austrittsarbeit der Katode als des Grundparameters und von der dem Ionenstrom der Entladung proportionalen und sich den Katodeneigen- schaften anpassenden Brennflecktemperatur ab. Der katodische Dunkelraum, dessen atxiale Llinge vom Emissionsstrom in der vorher gezeigten Wehe beeinfluBt wird, spielt eine Rolle bei der Erzeugung und Beschleunigung der Elektronen. Demzufolge vollziehen der Katodenfall und der Katodenfallraum die katoden- seitigen Aufgaben ; die energetische Homogenisierung der beschleunigten Elek- tronen wird dagegen im FARADAY -Dunkelraum ausgefuhrt.

7. Die Auswirkungen der Katodenparameter auf die positive Saule und auf die gesamte Entladung

Obzwar hinsichtlich der funktionellen Katodenparameter die Auvtrittsarbeit und die Temperatur des Katodenflecks einen bestimmenden Charakter haben und von ihnen der Emissionsstrom der Katode abhlngt, betrachten wir dennoch den Ernissionsstrom als charakteristisch und unmittelbar leichter definierbar. Deshelb wollen wir bei der Analyse der weiteren Auswirkungen die mit den1 Emissionsstrom verbundenen Zusammenhange erkliiren.

Die Eigenschaften der Katodenseite der Entladung werden dem Vorau- gehenden gem113 betrachtlich von den Katodenparametern beeinflu&. Auf Grunt1

EinfluD dec Katodeneigenachaften auf dw Plr~snia der positiven Sa& 12';

dessen kann man voraussetzen, dalJ ein EinfluB auch auf die positive Saule in- direkt nachweishar ist, und zwar in zwei Beziehungen :

a) in der Aiderung der Lange der positiven Saule, b) in der Anderung des Spannungsabfalls der positiven S i d e .

Dem Vorangehenden entsprechend verringert sich in einem gewissen Gebiet die Lange der KatodenrLume mit der VergroBermg des Emissionsstromes. Dir positive Saule kann sich dementsprechend ausdehnen, und deshalb nimmt such der SpannungsabfaIl der positiven SIule zu. Nach unseren Beobachtungen kanri dieser Zuwachs in der Lange sugar 1 cm erreicben, dabei erfolgt wegen dea PCI- tentialgradientsn der positiven S5de von 0 , Y . P @,9 V/cm eine Vergrorjerung voii (),'I.. .0,9 T7 im Spannungsabfall. Eine Zunahme des Emissionsstromes erhoht a h sowoh1 die Lange der positiven Siiule wie den Spannungsabfall derselhen, iiibt aber keinen EinfluB auf den Potentialgradienten der positiven Saule aus. In einer interessanten Weise verhiilt sich der Spannungsahfall der geuamteii

Entladung. Mit der Erhohung des Eruissionsstrornes der Katocle vermindert sich der Verluet im Katodenfallraum, und deshalb wLrd auch der Spannungsabfall der Entladung kleiner. Gleichzeitig verursacht aber die Erhohung des Emissions- strornes eine axiale Verkurzung der Katodenraume und demzufolge auch eine Zunahme der axialen Lange der positiven Saule. Deswegen wachst der Spannungs- abfall der positiven SLule. Da die Emissionsabhangigkeit des Spannungsabfalles der positiven Sade und des Katodenfalls einander entgegengesetzt ahd, kornmt von den beiden Effekten der wirksamere zur Geltung, und der Spannungsabfall der Entladung erfolgt dementsprechend. Im allgemeinen ist die Verminderung des Katodenfalls hfolge der Emissionszunahme bedeutender als die Erhohung des Spannungsabfalls der positiven Siiule infolge der Emissionszunahme. Desb.21 h kommt meistens der erste Effekt zw Geltung.

L i t e r a t u r

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