Protokoll. Versuch 21. Paschengesetz. F-Praktikum Institut für Angewandte Physik. Versuchsdurchführung: Montag, 01.November 2010
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- Guido Färber
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1 F-Praktikum Institut für Angewandte Physik Protokoll Versuch 21 Paschengesetz Intsar A. Bangwi Physik Bachelor 5.Semester Sven Köppel Physik Bachelor 5.Semester Versuchsdurchführung: Montag, 01.November 2010 Abgabe des Protokolls: Montag, 15.November 2010 Protokollant: Verantwortlich: Tagesprotokoll: Protokollumfang: Intsar A. Bangwi Sven Köppel, Intsar A. Bangwi 1 Seite 9 Seiten F-Praktikum(IAP), Versuch 21 1
2 EINFÜHRUNG Der Versuch Paschengesetz beruht auf den so genannten Vierten Aggregatszustand, dem Plasma. Ein Plasma ist ein eine Art Gas, welches entsteht, wenn einem Gas Energie zugeführt wird und es dadurch zur Ionisation kommt. Es entsteht ein Gasgemisch aus Elektronen, Ionen und neutralen Teilchen. Nach außen hin bleibt das Plasma quasineutral, da während dem Ionisationsvorgang die Zahl der positiven und negativen Teilchen gleich bleibt. Schätzungsweise befinden sich 99% der sichtbaren Materien im Universum in einem Plasmazustand. Im Alltag kennt man Plasmen aus verschiedenen Bereichen, wie z.b. Energiesparlampen, Leuchtstoffröhren und Plasmabildschirme. Natürlich Plasmen kommen in der Ionosphäre, in Blitzen und teilweise in Flammen vor. In der Forschung ist das bekannteste Einsatzfeld die Erzeugung von Fusionsplasmen. Hauptkategorien von Plasmen Plasmen können in grobe Kategorien eingeteilt werden: Ideales/nicht ideales Plasma: Die Unterscheidung folgt über das Verhältnis(Γ-Parameter) der thermischen Energie und der Coulomb Energie. Γ Ist die Coulomb Energie kleiner als die thermische Energie, also Γ 1, so handelt es sich um ein ideales Plasma. Für den gegenteiligen Fall, also Γ 1, handelt es sich um ein nicht ideales Plasma. F-Praktikum(IAP), Versuch 21 2
3 Entartung: Das Verhältnis aus thermischer und Fermi Energie bestimmt den Entartungsparameter. = Ist der Entartungsparameter θ < 1, also die Fermi Energie größer als die thermische Energie im Plasma, so ist dieses Plasma entartet. In diesem Fall heißt es auch, dass Quanteneffekte einen wesentlichen Einfluss auf das Plasma haben. Relativistische Plasmen: Ist die thermische Energie größer als die Ruhemasse, > ², so handelt es sich um ein relativistisches Plasma. Ionisationsprozesse Im Verusch wird das Paschengesetz nachvollzogen, indem eine Paschenkurve aufgezeichnet wird, welche den Zusammenhang zwischen zugeführter Energie und Druck darstellt. Die dazu nötige Gasentladung kann jedoch nur stattfinden, wenn das Gas ionisiert ist. Die dazu nötige Energie muss vorhanden sein, z.b. durch Anregungsenergie, oder zugeführt werden. Die zugeführte Energie muss größer sein als die Bindungsenergie = 13,6 ² eines Atoms, wobei z die Ordungszahl und n das Energieniveau darstellen. ² Es gibt zwei Kategorien von Ionisationsprozessen. Das Oberflächenemissionsprozess, welches sich an der Elektrodenoberfläche abspielt, und der Raumionisationsprozess, welcher im Gasvolumen stattfindet und auch weiter unterschieden wird: Themische Ionisation: Ist die kinetische Energie der thermischen Teilchenbewegung der Teilchen ausreichend groß, um Gasmoleküle bei Stößen zu ionisieren, so spricht man von der "Thermischen Ionisation". Die Thermische Ionisation beginnt bei Temperaturen von einigen 1000K und kommt erst in der Schlussphase des Gasdurchschlages zum Tragen. Außerdem ist er für die Bildung des hochleitfähigen des Gasentladungskanals verantwortlich. F-Praktikum(IAP), Versuch 21 3
4 Photoionisation: Die Photoionisation kommt durch die Ionisierung des Gases durch elektromagnetische Strahlung zustande. Ist die Photonenenergie größer als die Ionisierungsenergie, so wird das Photon absorbiert und es entsteht ein Ion- Elektron-Paar. Die Photionisation gehört zu den wichtigen Ionisationsprozessen. Stoßionisation: Der wesentliche Prozess bei der Vermehrung von Ladungsträgern ist die Stoßionisation. Da Elektonen im Vergleich zu Ionen eine größere freie Weglänge habe und außerdem bei unelastischen Stößen ihre Energie vollständig an den Stoßpartner abgeben, sind diese für die Stoßionisation wirksamer. Demnach wird bei der Ladungsvermehrung auch nur der Elektronenstoß, also α-prozess, betrachtet. Für die Ladungsträgervermehrung ist die kinetische Energie der Elektronen ausschlaggebend. Gasentladung Gase isolieren im Normalzustand. Durch die Ionisation wird das Gas leitend und zum Plasma. Gasentladung bedeutet demnach, dass ein Fluss von elektrischen Ladung im Gas entsteht wodurch sich der Aggregatszustand von Gasförmig zum Plasma ändert. Die Gasentladung kann anhand der Strom-Spannungs-Kennlinie in verschiedenen Kategorien eingeteilt werden. Abbildung: UI-Kennlinie einer Gasentladung. [Quelle: Wolfgang Suttrop, MPI Garching] F-Praktikum(IAP), Versuch 21 4
5 A - Unselbständige Gasentladung: unselbständige dunkle Entladung, durch äußere Einflüsse B - Selbständige Gasentladung: Übergang von unselbständiger zu selbständiger Gasentladung aufgrund des raschen Anstiegs des Stromes auch Durchbruch- bzw. Zündspannung bezeichnet. Elektronen besitzen ausreichend Energie um durch Stöße weitere Atome zu Ionisieren. Die freien Ladungsträger vermehren sich durch die Stoßprozesse Lawinenartig. C - Subnormale Glimmentladung: vor der Kathode bildet sich ein Ionenwolke, die Spannung sinkt, die elektrische Feldstärke steigt. Ionen im Bereich der erhöhten Felder werden beschleunigt und führen zur verstärkten Ionisation. D - Normale Glimmentladung: der Strom steigt an und führt zu einer Vergrößerung der Glimmschicht. Eine Kathodenemission wird durch Stöße der Ionen ausgelöst. Ausgetretene haben jedoch keine ausreichende Energie um Ionisationsprozesse vor der Kathode zu starten. E - Abnormale Glimmentladung: Die Kathode ist komplett von einer Glimmschicht bedeckt. Die Kathodenspannung steigt stark an und es kommt zu Kontraktionen von geladenen Teilchen. Die Teilchendichte steigt stark an. Temperatur ist nun ausreichend um thermische Ionisation zu starten. F - Bogenentladung: die Elektrode wird aufgeheizt, was zur thermischen Elektrodenemission führt. Dies führt zu einer hohen Stromdichte und es entsteht ein Plasmaband zwischen beiden Elektroden und ist optisch als Lichtblitz wahrnehmbar. Das Paschengesetz Das Paschengesetz bestimmt die Durchschlagsspannung als Funktion der des Drucks p und des Elektrodenabstandes d : = 1 + A, B: Konstanten aus Clausius Weglängengesetz -Town-Koeffizient: mittlere Zahl von Elektronen, die durch Ionen aus Kathode ausgeschlagenen wurden F-Praktikum(IAP), Versuch 21 5
6 Der Zusammenhang zwischen Durchburchspannung, Druck und Elektrodenabstand wird durch eine Paschenkurve beschrieben. Abbildung: Paschenkurve für verschiedene Gase. [Quelle: Wikipedia.de] Links der des Minimums steigt die Durchbruchsspannung, was auf die große freie Weglänge und die geringe Anzahl der Teilchen zurückzuführen ist. Es werden große Spannungen benötigt um die Stoßionisationen auszulösen, da über weite Längen Stoßpartner gefunden werden müssen. Rechts des Minimums ist die Dichte hoch und somit der Beschleunigungsweg vergleichsweise klein. Dadurch reicht die Stoßenergie nicht um ein Atom zu ionisieren. Also muss die Spannung steigen um zum Durchschlag zu kommen. F-Praktikum(IAP), Versuch 21 6
7 VERSUCHSAUFBAU Der Versuch wurde mit Hilfe des an der Goethe-Universität-Frankfurt entwickelten Lorentz-Drift-Schalter(LDS) durchgeführt. Der LDS ermöglicht das Schalten von hohen Strömen, welche z.b. zum Steuern von Kickermagneten in Beschleunigern verwendet werden. Abbildung: Aufbau des LDS [Quelle: Benjamin Koubek - Entwicklung und Untersuchung eines Pulsgenerators zur Ansteuerung dielektrisch behinderter Entladungen] Der Schalter ist koaxialförmig aufgebaut. Im Zentrum befinden sich die Anode und radial dazu die geerdete Kathode. Die Kathode ist auch zugleich das Gehäuse, jedoch ist sie von der Anode isoliert. Durch die Zündung des Gases, in unserem Fall Stickstoff, werden die beiden Elektroden durch jetzt entstandene, elektrisch leitende Plasma verbunden. Der Elektronenfluss erzeugt ein Magnetfeld(B-Feld), welches radial zu den Elektroden verläuft. Die Lorentzkraft drückt das Plasma nach oben, wo der Elektronenstrom schließlich aufgrund der Geometrie abreißt. Bild links: Vakuumkammer des LDS Bild rechts: Vakuumkammer(mitte), Drucksonde(mitte-rechts), F-Praktikum(IAP), Versuch 21 7 Arbeitsgaseingang(recht-unten)
8 Abbildung: Versuchsaufbau In voriger Abbildung ist der Versuchsaufbau grob skizziert. Das Vakuum im LDS wird über eine Vakuumpumpe in Verbindung mit einer Turbomolekularpumpe erzeugt. Die Vakuumpumpe sorgt für das nötige Vakuum. Die Turbomolekularpumpe dient zur Feinjustierung, damit das Arbeitsgas nicht auch durch die Vakuumpumpe abgesaugt wird. Die Gesamtschaltung stellt im Prinzip einen RCL-Schwingkreis mit dem LDS als Schalter dar. Abbildung: Lichtaufblitzen bei Erreichen der Durchbruchspannung die Durchbruchsspannung bei ca. 15kV lag. VERSUCHSDURCHFÜHRUNG In dem Versuch wurde lediglich der linke Ast der Paschenkurve experimentell bestimmt. Zur Bestimmung der Durchbruchsspannung wurde zuerst der Gasdruck eingestellt und anschließend die Spannung über einen Drehregler langsam erhöht, bis die Durchbruchsspannung erreicht wurde. Die Durchbruchsspannung wurde anhand des hörbaren Knalls und des deutlich sichtbaren Aufblitzen des Plasmas erkannt. Der Druck wurde für jede Messung weiter verringert, bis Die Messerwerte wurden anschließend in der Paschenkurve als Durchbruchsspannung gegen das Produkt aus Elektrodenabstand und Druck aufgetragen. F-Praktikum(IAP), Versuch 21 8
9 Abbildung: Verlauf der Durchbruchspannung für Stickstoff Durchbruchspannung U in V Druck p in mbar , , , , , , , , ,029 Messtabelle: Messwerte für einen Elektrodenabstand von d=0,0825cm Die von uns experimentell bestimmten Messwerte entsprechen qualitativ der Erwartung. F-Praktikum(IAP), Versuch 21 9
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