Acta Physica Academiae Scientiarum Hungaricae, Tomus 34 (1) , pp. 61--66 (1973)

• EINIGE PARAMETER DER KAPAZITIVEN ENTLADUNGEN

Von

J. F. BIT£ und K. G. ANTAL

VEREINIGTE GL• UND ELEKTRIZIT.�91 A. G., (TUNGRSAM) BUDAPEST

(Eingegangen, 18. I. 1972)

Die Unte r suchung und In te rpre t ie rung der ersten und der da rauf folgenden Strom" sprª der kapaz i t iven En t l adung des Ged/ ichtnismechanismus auf eine kª oder 1/ingere Zeitspanne, wie auch der charakter is t ischen Phasenverschiebung der Stromsprª geschieht bei einem gegebenen E nt l adungs r aum in Argon, bzw. in einer Argon-Quecksi lberdampf- Misehung r o n 1 Torr Druek, mit Anwendung einer Frequenz von 50 Hz.

1. Einfª

Unsere Experimente wurden mit Anwendung einer Speisespannung ron 50 Hz Frequenz, mit einem, im Vakuum ausgeglª Entladungsgef/iss aus Quarz ausgefª In das Gef~iss wurde spektralreines Argon, oder eine Mischung von Argon und Quecksilberdampf eingefª Das zylinderf6rmige Entladungsgef/iss war 20 mm hoch, der Durchmesser seiner Grundplatten 18 mm. Die ~iusseren kupfernen Elektroden, deren Durchmesser mit den Grund- platten des Gef~isses ª wurden mittels Federn an die W/inde des Gef~isses gefestigt. Das Schaltungsschema der experimentellen Anlage, ebenso wie das Ersatzbild derselben, sind auf Abb. l dargestellt.

In unserem Falle ist die Kapazit~it Cpl = C~~ der Grundplatten ungefiihr 100 pF, die Kapazit~it des Entladungsraumes C ~-~ 10 pF, der Wert des Arbeits- widerstandes, mit dessen Hilfe die Stromsprª mit dem Oszilloskop (0) indiziert werden, R = 0,5 M~. Auf Abb. 1 haben wir die Impedanz des Netzes mit Z, die Speisespannung mit Uk(t) bezeichnet.

Aus den Arbeiten von HARRIES [1, 2] und v o n ENGEL, ferner aus unseren frª Arbeiten [3, 4, 5] ist es bekannt, dass zwischen den Metallelektroden ausserhalb der Gasatmosph/ire eine kapazitive Entladung hergestellt werden kann, deren Parameter von der Periodizit~it des angewendeten elektrischen Raumes, ron der Geometrie des Entladungsgef/isses, von den Eigenschaften des Gasraumes, von den Parametern des ~iusseren Kreises, sowie ron den Oberfl~icheneigenschaften (Irregularit~iten) der entsprechenden W/inde des Entladungsgefiisses abh/ingen.

Im Nachfolgenden wollen wir durch einige neue Resultate die bisher noch nicht gekl~irten Prozesse dieses speziellen Entladungsmechanismus erg~inzen.

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CFI C CF2

Zt UK(t) ~

CF~ C CF2

I t - - I1---~ F - -~

Abb. 1

2. Durchschlagsmechanismus, Kennlinien

Durch die Steigerung des Uk(t) innerhalb einer Haibper iode en t s teh t infolge von Inf luenzwirkung an der inneren Oberfl/iche der W~inde, sich gegen die E lek t roden schmiegend, eine zunehmende Ladungsdichte , deren Polarit~it mit der Polarit~it der sich an die Wand schmiegenden ~iusseren Elek t rode ª Dieses Sys tem - - zwischen den Kondensa to ren und iiusseren E lek t roden - - wird auf Abb. 2 in e lementare Kondensa to ren zerlegt darge- stellt.

Das au f die Gasatmosph/ire unmi t te lba r wirkende elektrische Feld en t s teh t durch die Ladungsakkumula t i on an den W/inden. Die Grfisse des so en t s t andenen elektrischen Feldes - - Eh(t) - - ist der durch Uk(t ) hervorgerufe-

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nen Feldst/irke Ea(t) proportional. Mit dem Ansteigen des Eh(t) kann die kri- tische Feldst/irke Eh erreicht werden, bei welcher ein Durchschlag im Gasraum stattfindet. Die Feldst~irke, welche fª das Abklingen der Entladung charak- teristisch ist, wird mit Ebo bezeichnet.

Der Aufbau und das Abklingen der Entladung k6nnen durch ein Oszillo- skop nachgewiesen werden (Abb. 3); die Zeitkonstante des differenzierten Zeichens des auf dem Bildschirm erscheinenden Durchschlages ist 10 -4 sec. Die Entladung ergibt infolge ihres Charakters das Abklingen des E~(t) und der

Abb. 3

Abb. 4

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Entladungsprozess hSrt dann auf, wenn Eh(t) < Ea o ist. Der Prozess des Auf- baues und des Abklingens kann sich innerhalb einer Halbperiode 6fters wieder- holen, wenn die M6glichkeit vorhanden ist, dass Eh(ti) ~ Ea, wo t i > t ist.

Die charakteristische Forro der bei dem Durchschlag entstehenden Strom~inderung wird auf Abb. 4, die Kennlinie des Spannung-Stromes auf Abb. 5 dargestellt.

e U~o U~ "~'-

Abb. 5

UK

Ira Falle spektralreinen Argons haben wir nun einen Durchschlag be- obachtet, bei welchem neben einem Gasdruck ron 1 Torr U k = 194 V und Uk0 = 184 V sind (Uk, Uk0 bedeutet den Wert derjenigen ~iusseren Speise- spannung, bei welcher der Durchschlag bzw. das Abklingen stattfindet). Die geometrischen Faktoren, sowohl wie die, durch den Stromkreis bedingten Faktoren in Betracht nehmend, k6nnen die, in dem Entladungsraum zwischen den Wiinden bestehenden Feldst~irken fª 89 bzw. 85 V cmV 1 gesch~itzt wer- d ~ n .

Insofern in einem Gasraum Quecksilberdampf oder irgendwelche Ver- unreinigungen vorhanden sind, k6nnen in einer Halbperiode mehrere Strom- sprª nachgewiesen werden. Die Parameter derselben sind kennzeiehnend fª den Zusatzdampf oder fª das Zusatzgas. Wenn wir in einem Raum, der spektralreines Argon ron 1 Torr Druck enth/ilt, einen Quecksilberdampf- druck ron 2 �9 10 -3 Torr aufrechterhalten, dann wird

Ukt = 150 V, Ukot = 144 V,

und der untere Index No 1 deutet auf den ersten Durchschlag, der Index 0 dagegen auf das Abklingen hin (die in dem Entladungsraum entstandenen Feldst~irken sind: 68 bzw. 66 V. cm-l) . In diesem Falle gestaltet sich die kriti-

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sche Durchschlagsspannung U~i der 9 Durchschl/ige innerhalb einer Halb- per iode und die Spannung U~o i des Abklingens sowohl wie der Phasenwinkel ~0, ihres Erseheinens folgendermassen:

v~i

v'~oi

u,~~/q~~

150 164 180 196 216 260 320 400 500

150

144

75,6 61,2 46,8 32,4 18,0 3,6

--10,8 --25,2 --39,6

164

158

75,6 61,2 46,8 32,4 18,0 3,6

--10,8 --25,2

180

174

75,6 61,2 46,8 32,4 18,0 3,6

--t0,8

196

19O

75,6 61,2 46,8 32,4 18,0 3,6

216

210

75,6 61,2 46,8 32,4 18,0

260

254

75,6 61,2 46,8 32,4

320

314

75,6 61,2 46,8

400

394

75,6 61,2

500

494

75,6

Die hier angegebenen Spannungswer te sind quadra t i sche Mittelwerte, die Phasen wurden r o n dem Ausgangspunkt der Halbper iode gemessen.

Im Sinne des Vorangehenden ist in unserem Falle:

U~. i ~ Uko i -= 6 V

und eine sehr interessante, bemerkenswer te Regelm~issigkeit zeigt sich bei dem Erscheinen der neuen Durchschl/ige. Dies deute t auf das Vorhandensein eines Ged/ ichtnismechanismus, wobei zwei T y p e n unterschieden werden kSn- nen: das Ged~ichtnis innerhalb einer Halbper iode und innerhalb eines l~ingeren

Zei t raumes. Auf der Tabelle, welche die Phasenversch iebung darstel l t , ist Folgendes

ersichtlich: wird der W e r t des Ua(t) erh6ht , so wird die Phase des Durchschlages nicht n u r innerhalb der Halbper iode vorver legt , sie kann auch in die vorange- hende Halbper iode verse tz t werden (Phasen mit negat iven Zeichen). Lau t unserer u k a n n dies mit der Ladungsakkumula t ion ah den inneren Wandoberfl~ichen un te r den E lek t roden in te rpre t ie r t werden. Dies ist das Ged~ichtnis innerhalb einer Halbper iode. Was das Ged/ichtnis innerhalb eines l~ingeren Zei t interval ls anbelangt , kann das, laut unserer Vermutung , mit der

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Ladungsakkumulation an den Wandoberfliiehen des Entladungsgefiisses, welche auf die iiusseren Elektroden vertikal sind, interpretiert werden. In dem Fall, wenn der Durchschlag sehon stattgefunden hat, wird dieser in den fol- genden Halbperioden auch bei jedem solehen U~ Wert erscheinen und fort- bestehen fª welchen

Uk0< U~< U~ gª ist.

Der jetzt besehriebene Gediiehtnismeehanismus hat unsere Aufmerksam- keit darauf geriehtet, dass ausser der kritisehen Durehsehlagspannung, die Kennlinie der kapazŸ Entladung noch weitere, leieht registrierbare, eharakteristisehe Parameter enth~ilt. Bei dem Erseheinen neuer Impulse werden n/imlieh das statisehe Feld der. von den vorangehenden Impulsen auf die Wiinde aufgetragenen Entladungen und das iiussere Feld ª Auf Grund der Untersuehung der Phasengestaltung der Erseheinung, und der Form von Stromimpulsen, kSnnen gewisse Folgerungen bezª der Mikro- parameter des Arbeitsgases, bzw. mittels der Parameter der Gase in Hinsieht auf die Zusammensetzung derselben, gezogen werden. Das wesentlieh abweieh- ende Verhalten der einzelnen Gase und Gasmisehungen in der kapazitiven Ent- ladung kann dureh den, ron der eharakteristisehen Bewegliehkeit der Gase bedingten Einfluss auf die Forro und Phase des Stromimpulses erkl/irt werden.

In weiteren erstreeken wir unsere Beobaehtungen auf mehrere Edelgase und Gasgemisehe und versuehen mit der Anwendung unsereres frª aus- gestalteten Modells, den Aufbau der inneren Feldst/irke sowohl wie den Dureh- sehlag und die mikrophysikalisehen Parametcr der darauffolgenden Prozesse zu eharakterisieren und dadureh die mSgliehst allgemeine theoretisehe Be- sehreibung der kapazitiven Entladungen anzugeben.

LITERATUR

1. W. L. HARRIES and A. voN ENGEL, Proc. Phys. Soc., 64, 10. B. 916, 1961. 2. W. L. HARRIES and A. VON ENGEL, Proc. Roy. Soc., 222A, 490, 1954. 3. J. F. BIT£ und K. G. ANTAL, Vortrag, Conference on Closed Confined Systems, Dubna,

1969. 4. J. F. BIT£ und K. G. ANTAL, Acta Teehnica Hungarica, 729 241, 1972. 5. J. F. BIT£ und K. G. ANTAL, British Journal of Applied Physics, DS, 601, 1972.

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