Gasentladungen

h

+_

AnodeKathode

E-- -

-

---

Niedertemperatur-Plasmen, wesentlich: elektrische Felder(stationäre (DC) oder Wechselfelder (AC))

Bsp. DC-Glimmentladung:

• ein (primär-) Elektron aus Kathode herausgelöst, z.B. durch Photon• Energiegewinn durch E-Feld• Durch Stoßionisation weitere Elektronen

DC-Glimmentladung

+

+

--

---

Kontinuierliche Nachlieferung von Elektronen durch Sekundärelektronen-Emission

Beschreibung der Zünd- und Existenzbedingungen nach Townsend:

Anzahl der Ionisationsstöße/Wegstrecke für Elektronen [1/m]

Anzahl der Ionisationsstöße pro Wegstrecke für Ionen [1/m]

aus der Kathode ausgelöste Zahl von Sekundärelektronen pro Ion

DC-Glimmentladung: Zündbedingung

Ein aus Kathode ausgelöstes Primär-Elektron erzeugt weitere Elektronen:

d

dx

e eN 01

de

1vereinfacht:

Die dabei gebildeten Ionen treffen auf Kathode und können weitere Elektronen herauslösen, lawinenartige Verstärkung des Primärelektrons

Entladung zündet für: 1)1( de

1.(Start)lawine 11 N deN

11

2.Lawine 12 deN dd eeN

12

n. Lawine 1

)1( nd

n eN

Kathode Anode

DC-Glimmentladung: Lawinenstrom

Entladung zündet für: 1)1( de

Zeit

Strom

1 2 3 4

Ionenlaufzeittypisch 10 s

Ionisierungswahrscheinlichkeit

Stoß

Ionisation

Richtung Anode

EStoß

x

ee

Stoß

ee

ex

dx

d

)0()(

Stoß

ion

Stoß

ion EEe

eeione ee

/

)0()0()(

U

dpc

E

pc

EEc

e

ione eeep

Stoß

ion

11

/

)0(

)(~

DC-Glimmentladung: Paschen-Kurve

Einsetzen in Zündbedingung 1)1( de

U

ApdpB expAnsatz für Ionisierungswk.:

1

1lnd

1

1lnexpU

ApdBpd

1

1lnlnln BpdU

Apd

DC-Glimmentladung: Paschen-Kurve

)/11(lnln)ln(

dpB

dpAU Zergibt Zündspannung:

)/11ln( dpB

für hohe Spannungen Feldemission

für hohe Drücke: Funkendurch-bruch

1

1lnlnln BpdU

Apd

DC-Glimmentladung: in der Nähe der Zündbedingung

Gesamtstrom (Anodenstrom): verstärkter Kathodenstrom

dKA eII

)1(00 dKK eIIIII

)1(10

d

d

e

eII

Kathodenstrom: externer Fremdstrom + Sekundärelektronenstrom(unter stationären Bedingungen)

Divergenz des Stroms in der Nähe der Zündbedingung

„normale Glimmentladung“

ElektronenIonen

d´

“virtuelle Anode”

b) mittlerere Stromdichte,mittlere Gasverstärkung

a) geringe Stromdichte,geringe Gasverstärkung

d´=d

Kathode (0) Anode (+U)

jtot

d´

c) hohe Stromdichte,hohe Gasverstärkung

E ~ U/d´

Ionen Elektronen

„normale Glimmentladung“

(rel.E.)

Vorrücken dervirtuellen Anode

E/p (rel.E.)

E=U/d E=U/d´

durchläuft Maximum mit Vorrücken der virtuellen Anode

stabil!instabil!

E=U/d´ (rel.E.))1()1( 0

ddx

ee

d

Leuchterscheinungen

U/I -Charakteristik einer Glimmentladung

U (V)

10 -6 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 1 1010 -50

100

200

300

400

500

I (A)

normale

sub-normale

anomale

Glimmentladung Bogen-entladung

Zündung

unselbst-ständigeDunkel-entladung

10-7

Übergang Glimm- zu Bogenentladung

Normale Glimmentladung

virtuelleAnode

U

IanomaleGlimm-entladung

Bogen

subnormale(instabile)Glimm-entladung

Bogenentladung

+

geringe Elektronenzahl: Feld-/ thermische Emission

heißes Plasma= Ionisationszone

dünner Kanal= thermische

Isolierung!

j-

j++

+

hohe Elektronenzahl,thermische Emission

Brennfleckloser Bogen Brennfleck-Bogen

U ~ 20...100 VI ~ 10...1000 AjK ~ 100...1000 A/cm2

U ~ 10...60 VI ~ 10...1000 AjK ~ 106...107 A/cm2

+

j-

j++

++

typische Parameter:

~ 2000 K

Bogenentladung: Plasma-Schweißen

Funkendurchbruch

- - -- -- -

+ +

+ + ++ +

+

- - -- -- -

+ +

+ + ++ +

+

- - -- -- -

+ +

+ + ++ +

+

+

-

extrem hohesE -Feld durchRaumladung

Photonen-Emissionund Absorption aufgrund

hoher Gasdichte

Bei hohen Drücken, etwa 1000 mal schneller als Glimmentladungs-durchbruch (10 ns statt 10 s)

U

p·(d)

Funkendurchschlag(Streamer)

Paschenkurve

typ. > 0,5 bar

Glimm-entladung

Anwendung: Leuchtstoffröhre

Kathode Anode

positive Säule

negativesGlimmlicht

Leuchtstoff

sichtbares LichtHg-Resonanzlinienbei 254 nm

Leuchtstoffröhre: Spektrum

Problem: kein kontinuierliches Spektrum (verschiedene Leuchtsoffe)

Farbtemperaturen:

Leuchtstoffröhre: Energiesparlampen

• 50 … 100 lm/W (Glühlampe: 15 lm/W)

LichtWärme

Verbot von Glühlampen geplant:

Irland 2009Australien 2010Kanada 2012

Anwendung: Hochdrucklampe

Na Dampflampe (höchster Wirkungsgrad: 150 lm/W)

Direkte Lichterzeugung

Anwendung: Plasmabildschirm