Paschen-Effekt / Gasentladungen

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1 Paschen-Effekt / Gasentladungen Aufgabenstellung: 1. Vakuumphysik Lesen Sie zunächst die Anleitung für den Pumpstand, machen Sie sich mit dessen Arbeitsweise vertraut und nehmen Sie die Anlage in Betrieb (Drehschieberpumpe). Messen Sie die Abpumpkurve des Vakuumsystems (Druck-Zeit-Abhängigkeit). Bestimmen Sie die Leckrate und das effektive Saugvermögen. 2. Pascheneffekt a) Messen Sie für Luft und mindestens ein reines Gas bei verschiedenen Drücken und verschiedenen Elektrodenabständen die Abhängigkeit der Zündspannung vom Produkt Bestimmen Sie aus den Messkurven die Konstanten der Beziehung für die Zündspannung Literaturwerten. Wie lassen sich Abweichungen erklären? b) Optional: Wiederholen Sie Teil (a) mit anderen Elektroden (wahlweise Stahl, Aluminium oder Kupfer).. und vergleichen Sie diese mit 3. Penning-Effekt Informieren Sie sich zunächst über den Penning-Effekt und die gängigen Penning-Mischungen. Wählen Sie dann mindestens eine Gasmischung aus, bei der Sie eine signifikante Erniedrigung der Zündspannung im Vergleich zu den reinen Bestandteilen erwarten können. Führen Sie für verschiedene Mischungsverhältnisse die Bestimmung von wie in Teil 2 aus. 4. Ionisierte Gase a) Nehmen Sie eine stationäre Strom-Spannungscharakteristik der Gasentladung auf, indem Sie den Entladungsstrom durch verschiedene Widerstände definiert begrenzen. Beschreiben Sie die verschiedenen Bereiche der Charakteristik. b) Optional: Fotografieren Sie für unterschiedliche Gase die Entladungserscheinungen. Variieren Sie hierbei systematisch Druck und Spannung. Diskutieren Sie die Erscheinungen und deren Druck- bzw. Spannungsabhängigkeit. 1

2 Hinweise zur Versuchsdurchführung: Sämtliche mit dem Vakuum in Kontakt tretenden Teile der Apparatur sind ausschließlich mit entsprechenden Handschuhen zu berühren! zum Paschen-Effekt: Als Entladungsraum wird in diesem Versuch ein Rezipient aus Edelstahl benutzt, welcher mit einer Drehschieberpumpe auf Drücke unter evakuiert werden kann (Öldiffusionspumpe defekt). Die Oberflächen der verwendeten Elektroden werden bei Bedarf mit Aceton, Isopropanol und/oder Alkohol gereinigt. Bei der Justierung der Elektroden im Rezipienten ist darauf zu achten, dass deren Oberflächen möglichst parallel zueinander verlaufen, um auch bei kleinen Elektrodenabständen ein möglichst homogenes Feld zu erhalten (Achtung: Gewindestange nicht verbiegen!). Sollten die Elektroden zerkratzt oder durch Überschläge beschädigt sein (weiße Flecken), so sind sie zu polieren (1000er Schmirgelpapier und/oder Diamantpaste). Falls der Rezipient geöffnet wird ist darauf zu achten, dass die Spannungsquelle abgeschaltet ist! Zusätzlich sollte beim Zusammenbau überprüft werden, ob das Erdungskabel wieder ordnungsgemäß montiert wurde! Nehmen Sie für die Messgase mehrere Messreihen auf. Dabei sollten nacheinander sowohl bei konstantem Druck der Abstand verändert und auch bei konstantem eine Variation von durchgeführt werden. Die Bereiche, in denen Entladungen gemessen werden können, liegen beispielweise für Luft im Bereich um (abhängig von Elektroden etc.). Beachten Sie, dass die Druckanzeige gasartabhängig ist (Eichkurven im Versuchsordner). Welcher der beiden Parameter (, ) lässt sich im Sinne der Messgenauigkeit besser variieren? zur U-I-Charakteristik: Verwenden Sie hierzu die bereits beim Paschen-Effekt eingesetzte Elektrodenanordnung. Überlegen Sie, bei welchem p-d-wert die Messung sinnvollerweise durchgeführt wird. Zur Bestimmung der Charakteristik im Townsend-Bereich ist der Strom mit geeigneten Vorwiderständen zu begrenzen (Belastbarkeit beachten!). Man berücksichtige den Innenwiderstand der Messgeräte. 2

3 Erforderliche Kenntnisse: Physik der Gasentladungen Strom-Spannungs-Diagramm, selbständige und unselbständige Entladung, Townsend-Entladung, Glimmentladung, Bogenentladung, Kathodenprozesse, 1. und 2. Townsend scher Ionisierungskoeffizient, Townsend sche Zündbedingung, Wirkungsquerschnitte für atomare und molekulare Stoßprozesse in einer Gasentladung, mittlere freie Weglänge, Raumladung Vakuumphysik Erzeugung von Fein- und Hochvakuum, Druckmessung, Pumpgleichung Literatur: Leybold-Heraeus GmbH Grundlagen der Vakuumtechnik, Berechnungen und Tabellen (Handapparat FP Nr MAS 540/015) H. Pupke Elementare Prozesse in Gasen und in Grenzschichten (Handapparat FP Nr MAS 039/035) Bergmann-Schaefer Lehrbuch der Experimentalphysik, Band IV, Teil 2, Aufbau der Materie, Kapitel X, Das Plasma (Handapparat FP Nr PHY 234/068) K. Wiesemann Einführung in die Gaselektronik (Handapparat FP Nr PHY 622/070) Ergänzende Literatur: G. Hertz, R. Rompe Einführung in die Plasmaphysik und ihre technische Anwendung (1968) (EIT 235/005) B. Chapman Glow Discharge Processes (PHY 622/097) P. Schulz Elektronische Vorgänge in Gasen und Festkörpern (PHY 622/054) 3

4 F. M. Penning Elektrische Gasentladungen (PHY 622/062) Vakuum in Forschung und Praxis Evaluierung von Abpumpkurven am Beispiel einer Glimmentladungsquelle Vakuum in Forschung und Praxis 20 (2008) Nr Anhang des Versuchsordners Version: Juni

5 Vakuumphysik (Abpumpkurve / Pumpgleichung) 1) Leiten Sie die Pumpgleichung mit der Leckrate und dem effektiven Saugvermögen aus dem idealen Gasgesetz her! 2) Bestimmen Sie den theoretisch minimal erzielbaren Enddruck (stationärer Zustand)! 3) Lösen Sie die Pumpgleichung mit dem Ansatz: Verwenden Sie entsprechende Randbedingungen zur Bestimmung von A, B und. 4) Modifizieren Sie nun die Leckrate wie folgt Gasabgaberate der Gefäßwände und führen Sie damit entsprechende Substitutionen in Teil 2) bzw. 3) durch. Wie lautet nun die Lösung der Pumpgleichung? 5) Messen Sie die Abpumpkurve für das vorliegende Vakuumsystem! 6) Schätzen Sie das Volumen des Rezipienten und der Rohrleitungen ab! Wie groß sind die Strömungswiderstände der Leitungen? 7) Bestimmen Sie das effektive Saugvermögen und die Leckrate! 5

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