Über die elektrischen Schwingungen in einer Gleichstromgasentladung

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Submitted on 1 Jan 1971

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Über die elektrischen Schwingungen in einer Gleichstromgasentladung

M. Sanduloviciu, Gh. Popa

To cite this version:

M. Sanduloviciu, Gh. Popa. Über die elektrischen Schwingungen in einer Gleichstromgasent-

ladung. Journal de Physique, 1971, 32 (2-3), pp.157-159. �10.1051/jphys:01971003202-3015700�. �jpa-

00207037�

157

ÜBER DIE ELEKTRISCHEN SCHWINGUNGEN IN EINER GLEICHSTROMGASENTLADUNG

M. SANDULOVICIU und Gh. POPA

Physikalische

Fakultät der A1. I. Cuza

Universität, Iasi,

^Rumänien

(Reçu

^{le 3}

juin 1970,

révisé le 18 novembre

1970)

Résumé. ²⁰¹⁴ Dans une décharge ^{en c. c. il} peut apparaitre des oscillations electriques ^{dont les} propriétés dépendent des elements d’un circuit oscillant _propre de décharge. L’impédance ^du

circuit peut être mesurée directement en considérant la paroi diélectrique du tube de décharge

comme une jonction supplémentaire (capacitive). ^La caractéristique ^de fréquence ^de l’impédance

entre la paroi ^{et l’anode montre} qu’elle correspond ^{à un} circuit oscillant en parallele dont la fré- quence de résonnance correspond ^{à la} fréquence des oscillations auto-entretenues de la décharge.

Zusammenfassung. ^{2014 Die} Eigenschaften der in einer Gleichstromgasentladung auftretenden elektrischen Schwingungen hängen ^von den Bestandteilen eines eigenen ^zur Entladung gehörenden Schwingkreises ^{ab. Die} Impedanz ^dieses Schwingkreises ^{kann nur} dann direkt _gemessen werden

wenn die dielektrische Wand des Entladungsrohres als eine zusätzliche (kapazitive) ^Anschluss- möglichkeit aufgefasst ^{wird. Die} Frequenzcharakteristik der zwischen Wand und Anode vorhan- denen Impedanz entspricht ^einem parallelen Schwingkreises ^dessen Resonanzfrequenz gleich ^der Frequenz der auftretenden selbsterregten Gasentladungsschwingungen ^ist.

Abstract. ²⁰¹⁴ In a d. c. gas discharge ^there may appear electrical oscillations the properties

of which depend ^on the elements of a proper discharge oscillatory circuit. The impedance ^{of this} oscillatory ^circuit may be directly ^measured only ^{in the case when the} dielectric wall of the tube is considered as a supplementary (capacitive) connection. The frequence characteristic of the impe-

dance between the wall and the anode shows that it corresponds ^{to a} parallel oscillatory circuit,

the resonant frequence of which is equal ^to that of the selfsustained gas discharge oscillations.

LE JOURNAL DE PHYSIQUE TOME 32, FÉVRIER-MARS 1971,

Classification physics ^Abstracts

14-40

Einleitung.

^{- Unter}

gewissen Bedingungen

^treten

in einer

Gleichstromgasentladung selbsterregte

^elek-

trische

Schwingungen

^{auf deren}

Frequenz,

^{Form und}

Amplitude

^{von den Werten} verschiedener

Entladungs-

parameter

abhângen [1-3].

^Eine zusammenfassende

Übersicht

der in einer

Gasentladung

auftretenden

periodischen Vorgângen

^{wird von Crawford}

[4]

^und

Wojaczek [5] gegeben.

In früher verôffentlichten Arbeiten

[6-12]

^wurde

gezeigt

dass das Auftreten von

selbsterregten

^elektri-

schen

Schwingungen,

^{die einem weiten}

Frequenzbereich angehôren,

^{durch die} Anwesenheit eines zur

Entladung gehôrenden eigenen Schwingkerises

^{erklârt werden}

kann. Die

Erregung

^von

Schwingungen

^konstanter

Amplitude

^{in diesem}

Schwingkreis

^{ist die}

Folge

^der

Tatsache dar die

Entladung

^{zwischen dem Teil der}

Innenoberflâche der Rôhrenwand auf welche schnelle Elektronen einfallen und der Anode die

Eigenschaft

eines differentiellen

negativen

Widerstandes auf- weist

[6, 7].

In der

vorliegenden

^{Arbeit wird die}

Frequenzcha-

rakteristik der

Impedanz

^{des zur}

Entladung gehô-

renden

eigenen Schwingkreises

^{bestimmt. Um dieses}

zu erreichen wird die

Impedanzmessung

^{zwischen der}

zum

negativen

Glimmlicht

gehôrenden

^Rôhrenwand

und Anode vorgenommen. Im

Gegensats

^{zu den}

bisher üblichen

Impedanzmessungen,

^{die zwischen}

der Kathode und Anode

durchgeführt

^wurden

[13, 14],

gestattet ^{diese Art der}

Messung

^den für das Auftreten

von

Gasentladungsschwingungen

verantwortlichen

Schwingkreis

^zu lokalisieren und ceine Zusammenset- zung ^zu bestimmen.

Versuchsanordnung

^und

experimentelle Ergebnisse.

- Die verwendeten

experimentellen Einrichtungen

sind in

Fig.

^{la und}

Fig.

^lb

gezeigt.

^Die

Entladung

wurde in einer Glasrôhre ^von

2,9

^cm Innendurchmesser in Luft

g;,zündet.

^Die

zylinderfôrmige

^Aluminium-

kathode K von

2,4

^cm Durchmesser befand sich in einem Abstand von 13 cm von der Platindrahtanode A

von

0,1

^cm Durchmesser. Der

Entladungsstrom

^wurde

durch den Widerstand

RK (20 kQ) begrenzt.

^{Ein Teil}

der

Untersuchungen

^{wurde unter der}

Voraussetzung durchgeführt

das im Inneren des

Entladungsrohres,

an der Wand

anliegend,

^eine Aluminiumfolie

Wj

I

vorhanden war. Die

Lange

^{dieser Folie}

entsprach

^dem Kathoden-Anodenabstand. Auf der Aussenoberflâche des

Entladungsrohres

befand sich ebenfalls eine Aluminiumfolie

WA

^{welche durch ein} Messwiderstand R

(51 Q)

mit der Anode in

Verbindung

^{stand. Die}

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01971003202-3015700

158

FIG. 1 a. ^- Versuchsanordnung ^beim Vorhandensein einer inneren metalischen Oberflâche des Entladungsrohres. ^{b. -}

Ersatzschaltung.

Entladungsbedingungen

^{wurden so}

gewâhlt

^{das der}

ganze zwischen Kathode und Anode vorhandene

Entladungsraum

^vom

negativen

Glimmlicht erfüllt

war und das

selbsterregte sinusfôrmige Gasentladungs- schwingungen

auftraten. Die

positiven

Teilen der

Entladung begrenzten

^{sich auf ein kleines Gebiet in}

der Nâhe der Anode. Ein Generator SG von sinus-

fôrmigen Potentialânderungen

^{wurde zwischen}

VVI

FIG. 2a. ^- Versuchsanordnung bei einer dielektrischen Innen- oberflâche des Entladungsrohres. ^{b. -} Ersatzschaltung.

und der Masse M

angeschlossen.

^Die

Messung

^der Effektivwerte der zwischen

W

I und M vorhandenen Potentialdifferenz und des durch den Messwiderstand

RA (1 kQ)

fliessenden Wechselstromes gestattete ^die zwischen der Innenoberflâche des

Entladungsrohres

und der Anode vorhandene

Impedanz

^{zu bestimmen.}

Da die

Messungen

^beim Vorhandensein ^von Gasent-

ladungsschwingungen

vorgenommen wurden ist der mit einem Wechselstrommillivoltmeter _gemessene Effektivwert ein Resultat der

Überlagerung

^{von zwei}

Schwingungen,

^im

allgemeinen

verschiedener Fre- quenz, zwischen welche keine feste

Phasenbeziehung

besteht. Man erhâlt deshalb den

Frequenzgang

^der

Impedanz

^desto

richtiger je grôsser

^die

Amplitude

^des

vom Generator

gegebenen Signals

^im

Vergleich

^zur

Amplitude

^der

selbsterregten Gasentladungsschwin-

gungen

gewâhlt

wird. Anderseits muss die

Amplitude

der vom Generator erzeugten

Schwingungen genügend

klein bleiben um die

Entladungsbedingungen, speziell

den

Entladungsgleichstrom,

^{nicht zu ândern. Im}

unseren Falle war das Verhâltnis der

Amplituden ungefâhr gleich

^{6. Die} erhaltenen

Ergebnisse

^{sind in}

Figur

^{3 mit}

Zp

bezeichnet. Aus diesen

folgt

^{das die}

FIG. 3. ^- Frequenzgang ^der Impedanz ^einer Gleichstrom- gasentladung beim Vorhandensein einer inneren Metallfolie im

Entladungsrohr. Entladungsgleichstrom ^{i =} 1,35 mA.

Frequenz

charakteristik für

eine,

^{von den}

Entladungs- bedingungen abhângende, Frequenz

^{ein Maximum}

aufweist. Diese

Resonanzfrequenz

^ist

gleich

^der

Frequenz der,

^{unter den}

gegebenen Bedingungen

^auf-

tretenden, selbsterregten Gasentladungsschwingungen.

Wenn ^z. B. die

Entladungsstromstârke geândert

^wird

so das die

Frequenz

^der

Gasentladungsschwingungen

andere Werte annimmt dann

entspricht

das Maximum der

Impedanzfrequenzcharakteristik

immer dieser

Frequenz.

Wenn der Anschluss des Generators durch den Messwiderstand

Rw (1 kQ)

zwischen denen in

Figur

^{2 a}

mit

WA

^und M bezeichneten Stellen vorgenommen wird dann

gestattet

^die

Messung

^{des durch die Wider-}

159

stânde

Rw,

^{R und}

RK

fliessenden Wechselstromes und der zwischen

WA

^{und A} auftretenden

Spannung

^die

in

Figur

^{3 mit}

Zs

bezeichneten

Ergebnisse

^{zu erhalten.}

Der Widerstand R war viel kleiner als der Wechsel- stromwiderstand von

Cw demzufolge

^die

Ergebnisse praktisch

^von

Cw

^nicht beeinflusst wurden. Die in

Figur

³

gezeigten

^{Resultate wurden unter}

gleichen Entladungsbedingungen

^{erhalten so das die}

Frequenz

der

Gasentladungsschwingungen

in beiden Fâllen die

gleiche

^war. Bei der zuletzt verwendeten Methode zur

Impedanzmessung

^{ist der Generator SG nicht direkt}

an die innere Metallfolie

W1 angeschlossen.

^{Es kônnen}

deshalb

gleichartige Untersuchungen

^{auch dann vor-}

genommen

werden,

^{wenn die innere} Metallfolie

beseitigt

^{wird und die}

Entladung,

^wie

gewôhnlich,

ⁱⁿ

einer dielektrischen Rôhre brennt. Die auf diese Weise erhaltenen

Frequenzcharakteristiken

^{einer in einer}

Glasrôhre brennenden

Entladung

^{sind für} verschiedene

Entladungsstrôme

ⁱⁿ

Figur

⁴

dargestellt.

FIG. 4. ^- Frequenzgang ^der Impedanz ^einer Gleichstrom- gasentladung bei dielektrischer Innenoberflâche des Entadungs-

rohres für verschiedene Entladungsstromstârken.

Deutung

^der

experimentellen Ergebnisse.

^{- Die}

Bestimmung

^der

Frequenzcharakteristik

der Zwischen der inneren Oberflâche des

Entladungsrohres

^{und der}

Anode vorhandenen

Impedanz

^{sowie die} Berücksich-

tigung

^{der in}

[6-12]

verôffentlichten

Ergebnisse

ges-

tattet die in

Figur

^{lb und}

Figur

^2b

gezeigten

^Ersatz-

schaltungen

^{der von uns} verwendeten

experimentellen Einrichtungen

^zu

geben.

^In diesen erscheinen ausser

den

Begrenzungswiderstand ^RK,

der Batterie B und den Messwiderstânden R,

RA

^und

Rw

^{auch Schalt-}

elemente die bisher zur

Erklârung

^der

Schwingungsei- genschaften

^der

Entladung

^von anderen Autoren nicht in Betracht genommen wurden. Der

kapazitive Zweig

des

Schwingkreises

^{enthâlt die mit C} bezeichnete

Kapazitât

deren zwei

Belege

^die dielektrische

(oder metallische)

Innenoberflâche der

Entladungsrôhre

^und

die âussere Metallfolie

WA

^sind

[6, 7].

^Mit

Cw

^wurde

die

Kapazitât

^{der âusseren} Metallfolie

gegenüber

^der

Umgebung (Masse)

bezeichnet. Wenn die âussere Metallfolie

WA beseitigt

^{wird dann}

entspricht

^{C der}

Kapazitât

^der Innenoberflâche

W1

^im

Vergleich

^zu

der

Umgebung.

^Zum induktiven

Zweig

^des

eigenen Schwingkreises

^der

Entladung gehôrt

^{die mit L bezeich-}

nete Induktivitât. Diese

Induktivitât,

^{die zwischen}

W,

und A

angeschlossen ist,

entsteht wahrscheinlich durch die

Anhâufung

^von

Ladungstrâger

^{vor der Anode}

[8].

Der ohmsche Widerstand des zwischen

Wj

^{und A}

vorhandenen ionisierten Gases wurder mit

RL

^bezeich-

net wâhrend

RKw

den zwischen K und

W1

vorhandenen ohmschen Widerstand des hier anwesenden ionisierten Gases darstellt. Der zwischen

W1

^{und A vorhandene}

negative

Widerstand

[6, 9]

^{wurde mit}

RN

bezeichnet.

Das Auftreten dieses Widerstandes kann wahrschein- lich durch das Zusammenwirken der an der Wand des

Entladungsrôhres

durch schnelle Elektronen verursachten Sekundârelektronenemission und der

Instabilitâtseigenschaften

^{der vor der} Anode sich ausbildenden Plasmaformation erklârt werden.

Die beschriebenen zur

Entladung gehôrenden Schwingkreiselementen

erklâren das Auftreten bestim- mter

selbsterregter Gasentladungsschwingungen

^deren

Frequenz gleich

^der

Resonanzfrequenz

^{des aus diesen}

Elementen zusammengesetzten

Schwingkreises

^ist.

Durch die

Ànderung gewisser Entladungsparameter

erfahren auch die Werte der Bestandteilen des

Schwing-

kreises

Ânderungen

^{was zum} Erscheinen verschiedener

Frequenzen

^führt

[9].

^Die

Ergebnisse

^{dieser Arbeit}

Sind ein neuer Beweis das die

selbsterregten

^Schwin-

gungen der in dielektrischen oder metallischen Rôhren brennenden

Gasentladungen prinzipiell

^auf

gleicher

Weise erklârt werden kônnen.

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