Un tersuchungen an Funkenen tladungen in T- formigen En tladungsge faBen

Vorb H . f I e / 3 , K. K i s c h e l , H . M o r g e n r o t h , K . Rademacher unti K . X e l i g e r

Mit 11 dbbildungen

Inhaltsiibersieht Es wird iiber oszillographische Messungen von Strom und Spannung bei

einer Funlienentladung in einem T-formigen EntladungsgefaB, das zuerst von F o w l e r beschrieben wurde]), sowic uber Aufnahmen der StoBwellenausbrei- tung mit? ciner Drehka,mera berichtct,.

Als Fullgas dient’e Argon ; der Anfangsdruck im Entladungsgcfalj wurde zwischen 0.2 und ,500 Torr variiert.

Bus den Oszillogrnmmen w-erden Leistung und Energie bereclinet ; die Aufnahmen der Drehkamera ergeben die Stoljgeschwindigkeit in Abhangig- keit von der Zeit und vom Ort.

Es wird gefunden, daB die bis zu einer bestimmten Zcit im Funkeri ver- brauchte Energie druckabhgngig ist, und bei ctwa 5 Torr einen minimalen Wert, annimmt.

Der zeitliche Verlauf der StoBgeschwindigkeit, die Beziehung zwischen dem zeitlichen Auftretcn dcr Maxima in Leistung und StoBgeschwindigkeit sowie die Abhangigkeit der maximalen Std3geschwindigkeit vom Druek werden init Arbcitcn von Kolb2) und M o r g c n r o t h u. a.3) verglichen.

E s zcigt sich, dalj die in 3, verwcndeten Modellvorstellungen eine Inter- prct,ation unserer experimentellen Ergebnisse gestatt,en.

1. Experimentelle Anordnung Die Kapazitiit des Kondensators. der dic Ent,ladung speiste. betrug 10 p F,

die Ladespannung stets 6 kV (Abb. 1). Das EritlaclungsgefaB war T-formig ; das StoBrohr aus Hartglss hatte eiiie

Lange von 15 cm und einen Innendurchmesser von 1 em. Die Elelitroden be- standen aus Wolfram (0 0,45 cm) mit halbkugeliger Oberflache; der Elek- trodenabstand bctrug 1 em.

Der Anfsngsdruck des nls Fullgas verwendeten Argon murdc zwischen 0,2 und 500 Torr variiert.

l) Fowler , Coldstein u. Clotfelder, Physic.. Rev. 82, 879 (1961). 2) A. C. K o l b , Physic. Rrv. 107, 345 (1957). 3) H. Morgenroth, H. HeB, I<. Kischel, K. Radeniacher u. I<. Seliger. Ann.

I’hysik . .

190 A n ? l a h d w Physik. 7 . Folge. Band 6. 1961

Der Strom wurde mit I-Iilfc eincs induktionsarmcn Widerst,andes oszillo- graphisch gemessen.

Zur Sparinungsmessung wurde ein Widerstandsteiler verwendet. Die Un- abhangigkeit des Teilerverhdtnisses von der Frequenz wurde durcli eine Priifung mit Rechteckwellen hinreichend gut best,atigt4) 6). Ein koaxialer Aufbau des Teilers, sowie eine sehr klein gehaltenr Leiterschleife beim AnschlnB an die

I, I L T

Ahb. 1. Hcheinatisrhe Darstellung der Versuchs- anordnung. a EntladungsgeflB, b Wolframelektro- den, c Schaltfunkenstrecke, d StrommeUwiderstand, Y Spannungsteiler, fzum Ozillogrophen, g zur P u m p ,

h Koaxialkabel

Funkcnstrecke verringerten die durch Induktionswirkung auftretende Spannung.

Diese induxierte Spannunp konnte auf 10% der MeR- spannung herabgedriickt und durch eine zusatzliche Mes- sung berucksichtigt werden.

Fur die oszillogpphischen Messungen wurde der Im- pulsoszillograph OG 1-8 vom VEB Funkwerk Kopcnick benutxt.

Die StoRwellcnausbreitunp wurdc mit einer Drehkamera heobnchtet .

2. Ergebnisse der oszillographisehen Mossungen 2.1. Strom

Der St,rom als Funktiori der Zcit ist eine schwach gedimpftc Schwingung. Im allgemeinen erlischt, die Entladung nach 5 Schwingungen, da danri die verblieberie Spannung nicht mchr zum Zunden ausreicht (Abb. 2 ) .

Die Frequenz der Schwingung betragt etwa 30 kIIz. Dnraus folgt fur die Selbstinrlukt~ivitat des Entkhngskreises in guter Naherung L = 2,75 ,uH.

Dcr Stromwert im erst'eri Maximum betragt

Jlexp = 9,85 kA & 10');. Unter Berucksicht'jgung der MeBgcnauigkcit ist einenruck-

3 \ ,--.. abhangigkeit nicht festzu - U O G v 7h Get)- stellen.

Nach der Tlieorie fur den ungedhnipften Kreis gilt :

J jv ~

dbb. 2. Entladungsstroin als Funktion der Zeit

ErwartungsgernBB ist der expcrimentelle Wert, infolge der Dgrnpfung insbe- sondere durch den Funkenwiderstaiid kleiner als der fur den ungedampften Kreis berechncte.

4) J. S. Abramso, I. IE. M. Gegctschkor i , J. exp. theor. i'hj-s. 21, 484 (1951). 5 ) J. Miiller, F I, 211 (1951). 6) J. Czech, O~eil~cigraphenineeBtechnili Berlin-Borsigwalde 1959, Vcrlag fur Foto-

Jlth=UO l,/g = 11,4 kA.

Iiino-Radio-Technik.

H . HeD u. a.: Untersuchungen an Funkenentladungen m T-forrnigex Entladungsgefa&m 191

Da der Funkenwidcrstand infolge seines im zeitlichen Mittel recht kleinen Wertcs nicht sehr stark in den dusdruck fur das Strommaximum beim ge- dnmpften Kreis eingeht. ist von vornherein keine bedeutende Druckabhbngig- keit des Stromes zu erwarten, obwohl der Widerstand nach unseren Messungeii eine solche Abhangigkeit zcigt.

2.2. Spannung an der Funkenstuecke

Nach der Ziindung des Schaltfunkens steigt die Spannung an der Me& funkenstrecke fast bis auf die Ladespannung an. Dieser Wert wird wahrend der von Druck und StoSfaktor abhangigerl Verzugszeit beibehalten, bis der Spannnngszusamrnenbruch erfolgt. Die Zeit dieses Spannungsabfalls ist eben-

zoq U W I

piiorrl L---- --- '500. I I 10 no

Abb. 3. Spsnnung an dcr Himkenstreeke Abb. 4. Spannung beim 1. Stroiniiiaximum als Funktion der Zrit als FuIiktion des Druckes

falls vorn Druck und vom StolSfaktor abhiingig. Die in Abb. 3 gezeigt,e Kurrc setzt, erst im sogenannten Bogenstadiuni des Funkens ein; hier ist die Span- nung nahezu unabhangig vom Strom.

&lit abnchmendem Strom erlischt die Entladung schlieljlich, die Spannung steigt, sprunghaft in entgcgcngesetzter Richtung bis zum Wert fur den Wieder- einsate der Entladung an, und das Bogensta,dium beginnt erncut.

(Verwendet man stat,t Wolfram Messing als Elektroclcnmaterial, so firidet man regelrechte ?,Ziindspitzen" in der Spannurig zu Beginn jeder Halb- w elle 7 ) 8) 9).

Der zeitliche Verlauf der Spannung ist vom Anfangsdruck im Entladungs- gefalj abhsngig. Abb. 4 zeigt die Druckabhangigkeit der Spannung zur Zeit des ersten Strommaximums.

Da bcim St,rom keine Druckabhangigkeit gefunden wurde, zeigen auch Widerstand iind elektrischc Leist'ung der Funkenstreckc zur Zeit des Strom- maximums uls Druckfunktionen einen ahnlichen Verlauf wie die Spannung.

2.3. Funkenenergie

Die bis Zuni Auftreten des ersten Strommaximums im Funken verbrauchte elektrische Energie ergibt sich aus den Oszillogrammen fur Strom und Span-

7) H. Kaiser 11. A. Wall raf f , Ann. Physik 32, 297 (1939) 8) A. Wallraff, Z. techn. Physik 17, 44 (1936). 9 ) G. Qlaser, Z. Physik 143, 44 (1955).

192 AwrLalen der Physik. 7 . li’olge. Band 8. 1961

12 17

10 9 -

nung nach

E / Wser 1

h /

T / 4 E,= J . U d t ,

0

wobei T die Schwingungsdauer ist.

Funkenstrccke als Funktionen der Zeit. Abb. 5 zcigt Strom, Spannung, Leistung, Energic und Widerstand der

T 4 Die bis t = - in der Funkenstreeke freiwerdcnde Energie durchlauft i n

l ( A 1

5.10’

0

100 u(viOO

lIlWi

10

0 f iWSPC1

20

10

0 R/10%1

40 30 20 I0 0

\ /

Y

Abhangigkeit vom Anfangsdruck im EntladungsgefaB bei etwa 5 Ton. ein Minimuin (Abb. 6). Diescs Verhalten 1aBt sich an Hand der Druckabhangigkeit des StoB- faktors (Verhaltnis von StODspan- nung, bei uns etwa gleich der Ladespiinnung, Z U statischer Durch- schlagsspannung) urid seines Ein- flusses auf die Zusammenbruchszeit der Spannung an der Funkcnstrccke erkliiren.

\ /

Abb. 5. Strom, Spannung, Leistung, Ener- gie und Widerstand der Fonkenstreckc als

Zeitfuiiktioii

p (Torrl 1 10 700

Abb. fi. Funkenenergie bis zum 1. Strom- maximum als Funktion des Druckes

2.4. Energiebilanz zur Zeit des ersten Strommaximums Die gesamte im Kondensator zu Reginn der Entladung gespeicherte

1

Zur Zeit t = - ist dicsc Energie folgendermal3en verteilt : Im Kondrnsator ist keine Energie gespeichcrt. Im Xagnetfeld des Entladungskreises befinden sich nach E, =

Energie ergibt sich aus EgeY = C rl$ zu 180 Wsec. T 4

1 L J2 etwa 134 Wsec.

Im Shunt sind rund 2 Wsec verbraucht worden, wahrend in der Funken- strecke in Abhiingigkeit Tom Druck zwischen 6 und 12Wsec umgesetzt worden sind.

Der R,est zur Gesamt,cnergie von rund 35 Wsec entfiillt auf den Verbrauch in der Schaltfurikcnst,rcckc, a,uf den Widerstand der Zuleitung und auf dielek- trische Verlust'c im Kondcnsator.

Es werden also z. B. bei einem Anfangsdruck von 500 Torr bis zum ersteri St,ronimaximum 46 Wsec im ganzen Kreis verbraiicht - da,s sind 25% der Gesamtenergie. Yavon entfallen 1 2 Wsec auf die Funkenstrecke - das sind

3(iq/o der bis t Y' - verbrauchten Energie oder 7% der Gesamtenergie. 4

3. Ergebnisse der Aufnahmen mit der Drehkamera In Abb. 7 ist die StoRgcschwindigkeit a,ls Funktion des Abstaiides der

Stoljfront voni Fiinkenkanal dargestellt. Die Geschwindigkeit wachst zunachst mit

zunehmendem Absta,nd an, durchlauft ein Maxi- mum und nimmt dann monoton ab. Dieser Ver- lauf wird auch in 2, angegebcn. Beiunsereri Unter- suchungen hrat das Maximum S O W C J ~ ~ rnit magne- tischer Treibung als auch ohm diese auf.

Man kanri bei cler Betmchtung der Aufnahmen mit der Drchkanwra nicht von vornherein die Front des leuchtenden Plasmas mit der StoB- wellenfront gleichsetzen.

Yas ist nur dann gest'at'tet, wenn die Leucht- front das Ende des StoBrohrcs erreicht.

Nur in dicscm Falle kanii man annehmen, Abb. 7. Stongeschwindigkeit daR die Leuchtfront IBngs des ganzen meges mit, a's E'unkt'ioll des llbstarldcs

vorn Funkenkansl po = 1 Torr der St,oDfront identisch ist. Kommt' die Be- wegung der Leuchtfront jedoch schoii vor Erreichen des R,ohrendes zum Stillstand, so ist' das ein sicheres Zeichen da,fiir, daB sich die St,oB~elle schon eine gewisse &it, vorher von der Leuchtfront gelost, hat iind dieser voraus- geeilt ist. Die reflekierte St,oSwelle hindert' dann die leuchtende Plasma- front, a>m Erreichen des Rohrcndes.

Dieses Vcrha,lt,cn findet, man bei la,ngeii Rohren oder hohen Drucken. Bei unseren Mes- sungen ist die StoDfront bis iiber da,s Maximum der StoBgeschwindigkeit hinaus mit der Leucht- front identisch (Abb. 8). Die McBwerte fur die StoBgeschwindigkei t st,reuen i n einem Bereich von 2 lo;/, um den Mittelwert.

Die StoBgescl.i~~iridiglieit erreicht, bei niedri- gen Druckeri ihr Maximum bei einem Abstand von ctwa 2 em vom Funkenkanal. Zwischen 2 und 6 Torr vcrringcrt, sich dieserabstand sprung- haft, auf 1 cni und nimnit dann mit' zunehmen- dem Druck bis auf 0,n cm a,b (Abb. 9).

TrLgt, ma,n die StoBgeschwindigkeit uber der

Bbh. 8. L~ufnahlne st,ofi- rohres mit der Drrhkamera; P O = 1 Torr. Untere Begren-

Boden der Entladungakamrner ; gangen id, so erhdlt man die ausgezogene ,,bere Begrenzung: Stolirohr- Kurve in Abb. 10. ende

&it, a,uf, die seit Beginn der Entladung \-el-- z''nf der Leuchterscheinung:

194 Annalen der Phyaik. 7 . Folgr. Band 8. 1961

fiber die in 2, angefiihrte Beziehung fur die StoBgeschwindigkeit hinnus. die nur in der Lage ist, den zu groBeren Zeiten hin nbfallenden Teil der Kurve darziistellen, ergibt sich nach 3, die Moglichkeit. aiich das Maximum z i i er- klaren.

Berucksichtigt man, daB die Energie im Funkenkanal iiicht mornentan umgesetzt wird, sonderri eine Funktion der Zeit ist , so erhiilt man im Fallc ebener Spmmetrie nacli 3, aus hgdrodynamiselien Betrachtungen :

Dabei ist q der Qucrschnitt dcs StoBrohres. e,, die drifangsdichte im Ent- ladungsgefaB, E die in der Eritladungsstrecke verbrauchte Energie und n eine Konstante.

Fur die Energiefunktion maclit man eineri Ansatz, der den experimentell gef undenen Verlauf naheru ngsweise wiedergibt :

Hier ist T die Zeit. zu der dic Leistung ihren maximalen Wert annimmt.

Der Zusammenhang zwisrhen z urid der Zeit, zu der das Maximum der StoBgeschuindigkeit auftritt, lautet :

( 3 ) 4 - T . -

t%nax- 3

Die experimentellcn Wertc genugen etwa dieser Beziehung, eine B u c k - abhiingigkeit ist nicht zu erkennen.

Abb. 9. Ahstand des StolJgeschwindig- keitsmaximuins roni Funkenlmnal

Der in 2, angegcbcnc Ausdruck

D 1km/seri ! ! ! ! !

5 10 15 20 25 30 j (p rec J - wperirnenleiter Verlaut'

Verlau/ norh 171 - - Yei!ou/ noch (bl - _ _

Abb. 10. StoBgeschwindipkeit als Funk- tion der Zeit; p = 1 Torr

ist in der Gleichurig (1) als Spezialfall fur die momentane Enclpicumsetzung enthalten.

H . Hea u. u.: CTntersachungen an Funkenenthdangen in T-fcrmigen Entladungsgefaaen 1%

PaRt man die Funktion (1) linter Verwendung cles in (2) angcgcbenen Energieverlaufs in1 Maximum an die experimentelle Kurve an, so erhalt man die gestrichelte Kurve der Abb. 10.

Die Beziehung (4) fiihrt auf die strichpunkt]ierte Kurve. Man sicht, daB die Gleichung (1) mitt der Annahme (2) eine wesentlicli

vollstandigere Anniiherung a,n den experimentellen Verlauf ergibt als die bishcr nnsschliel3lich verwendete Beziehung (4).

Ails (1) folgt fur t = const eine AbhBngigkeit der St~ol3gesch~indigkeit~ vom Druck in der Form

n, = const - &-I13 . ( 5 ) Abb. 11 zeigt die maximale St~oBgeschwindigkcit (die etwa stets ziir gleichen Zeit nach Beginn der Entladung auftritt.) in Abhangigkeit, voin Druck. Die gest)richelte Gerade entspricht dem

1 Exponenten - - 3 ' Obwohl man riach unseren Mes-

sungen annehinen muB, daB auch A druckabhangig jst, gibt (5) die ex- perimentellen Werte gut wieder.

Das ist aucli zu erwartcn, da die Druckabhingigkeit, der Energie nicht ttllzu groB ist iind A nur mit dem

Exponenten - in (1) eingeht. 1 Abb. 11. Maxinmle Stongeschwintligkeit 3 als Funktion dcs Druckes

4. Zusammenfassung Die Messungen ergaben, daR die bis zum ersten Strommaximum im Funken

verbraucht,c Energie in Abhiingigkeit vom Anfangsdruck im EntIadungsgefSiB bei et.wa 5 Torr eirien minimalen Wert annimmt. Dieses Verhalten 1aBt sich aus der Abhangigkeit der Busanimenbruchszeit der Spannung von Drnck unrl StoBfaktor erklaren.

Der experimentelle Verlauf der Stoljgeschwindigkeit wurde rnit dcr in 3)

angefiihrten Beziehung (1) verglichen, die eine wesentlichc Erweiterung dex bishcr verwendeten Ausdrucks (4) da'rst,ellt. Es zeigte sich, daB die Funktion (1) den experimentellen Vcrlauf bei entsprechender Anpassung recht gut Fe- schreibt.

Be r l in , Physikalisch-Technisches Institut der Deutschcn Akademie der Wissenschaftm, Bereich Strahlungsquellen.

Bei der Redaktioii eingegangen a m 23. November 1960.