Klingelhoefer, R.

Roehl, H.

Wuest, J.

KITopen

November 1966Institut für KernverfahrenstechnikKFK 531Spektroskopische Untersuchungen an elektrischen Entladungenin Strahlen aus kondensiertem WasserstoffR. Klinge lhöfer~ BQ Röhl, J. WüstSonderdruck aus der ZEITSCHRIFT FÜR NATURFORSCHUNG Band 21 a, Heft 11, 1966Verlag der Zeitschrift für Naturforschung, TübingenSpektroskopische Untersuchungen an e1ektrischenEntladungenin Strahlen aus kondensiertem WasserstoffR. KLINGELRÖFER, H. RÖHL und J. WÜSTInstitut für Kernverfahrenstechnik der Technischen Hochschuleund des Kernforschungszentrums !(arlsruhe(z. Natnrforschg. 21 a, 1967-1970 [1966] ; eingegangen am 23. Jnli 1966)Das Emissionsspektrum eines mit Wasserstoff-cluster-Strahlen erzeugten Plasmas wird längs derStrahlrichtung untersucht. Bei einem Elektrodenabstand von 26 cm wird in einem Bereich von 14 cmnur die Emission des Wasserstoffs beobachtet, in Elektrodennähe treten auch Linien des Elektroden-materials auf.Durch Expansion von Gasen aus einer vorgekühl-ten Düse und anschließende Überführung des-Strahl-kerns ins Hochvakuum lassen sich räumlich scharfbegrenzte Strahlen aus kondensierter Materie ("du-ster"-Strahlen) herstellen 1-3. Wir haben kürzlichgezeigt, wie sich längs eines duster-Strahls eine Ent-ladung zünden läßt 4-6. Dabei entsteht ein Plasma,das nur mit den Elektroden, nicht aber mit denWänden des EntIadungsgefäßes Kontakt hat. SolchePlasmen sind wegen ihrer räumlichen Konzentrie-rung und der zu erwartenden Reinheit für Kern-fusionsexperimente von Interesse.In der vorliegenden Arbeit wird das Emissions-spektrum eines mit Wasserstoff-cluster-Strahlen er-zeugten Plasmas mit einem Quarz-Spektrographenin Abhängigkeit von der Raumkoordinate längs descluster-Strahls untersucht. Es zeigt sich, daß zwi-schen zwei 26 Zentimeter voneinander entferntenElektroden auf einer Länge von 14 Zentimetern derPlasmasäule nur die Linien des Wasserstoffs zu be-obachten sind. In der Nähe der Elektroden tretenerwartungsgemäß auch Linien des Elektrodenmate-rials auf. Jedoch ist die pro Längeneinheit derPlasmasäule vom Wasserstoff abgestrahlte Energieim untersuchten Wellenlängenbereich auch in Elek-trodennähe größer als die der Linien des Elektroden-materials.1. Erzeugung elektrischer Entladungenin Wasserstoff."c1uster"·StrahlenBei den vorliegenden Versuchen wurden cluster-Strahlimpulse mit einer Anordnung erzeugt, die1 E. W. BECKER, K. BIER U. W. HENKES, Z. Phys. 146, 33[1956] .2 E. W. BECKER, R. KLINGELHÖFER u. P. LOHsE, Z. Naturforschg.15 a, 644 [1960].3 E. W. BECKER, R. KLINGELHÖFER u. P. LOHsE, Z. Naturforschg.17 a, 432 [1962].einer früher beschriebenen ähnlich ist 3. Als Strahl-gas dient Wasserstoff mit einem Reinheitsgrad von99,9%. Zur Kühlung der Düse wird Wasserstoff inflüssigem Zustand in den Kryostaten eingefüllt undim Unterschied zu den früheren Versuchen durchVerdampfung im abgesperrten Kryostaten auf über-kritischen Druck gebracht. Diese Maßnahme gestat-tet es, zur Steigerung der Molekeldichte im cluster-Strahl den Einlaßdruck des Strahlgases ohne Be-grenzung dureh den Druck im Kryostaten zu er-höhen, weil sich bei überkritischem Druck vor dermit einem SchnellschJußventil verschlossenen Düsekeine störende Flüssigkeitsoberfläche ausbilden kann.Der Raum zwischen der Düse und dem Strahlabschä-ler wird durch eine Roots-Pumpe von 250 m3/h Saug-vermögen evakuiert. An den Raum zwischen demAbschäler und dem Kollimator istnur eine Öl-Dampf-strahlpumpe von 250 l/sec und an den Hochvakuum-raum eine Öl-Diffusionspumpe von 2000 I/secSaug-vermögen angeschlossen.Bei allen Versuchen- wurde der Kryostatendruckauf 16 atü und der Einlaßdruck des Strahlgases kon-stant auf 20 atü geregelt. Die Molekeldichte desleicht divergierenden Strahls beträgt nach vorläufi-gen orientierenden Messungen in der Mitte zwischenden beiden Hochspannungselektroden etwa 5 '1016H2-Molekeln pro em3• Durch periodisches Auftastendes Schnellschlußventils wird nach jeweils etwa10. Sekunden ein cluster~Strahlimpuls von einigenMillisekunden Dauer erzeugt. Die Zündung der Ent-ladung durch Elektroneninjektion in den cluster-Strahl wurde bereits früher beschrieben 4-6. Die4 E. W. BECKER u. R. KLINGELHÖFER, Z. Naturforschg. 19 a, 813[1964] .5 E. W. BECKER u. R. KLINGELHÖFER, J. Nucl. Energy, Part C,8, 413 [1966].6 R. KLINGELHÖFER, Beitr. Plasmaphysik 6, 253 [1966].1968 R. KLINGELHÖFER, H. RÖHL UND J. WüST2. Spektrographie und Auswertungder MeßergehnisseAbb. L Anordnung zur Erzeugung elektrischer Entladungenin Wasserstoff-cluster-Strahlen. - Die Koaxialleitung liegtaußerhalb der Symmetrieachse des Elektrodensystems,räumlich getrennt vom cluster-Strahl.AnodeMasse-Elektrode>------'<700mmcluster-Strahlzum Spektro-graphenVakuumkammerbild erzeugt, welches mit einer Köndensorlinse vordem Eingangsspalt in die Ebene der Kollimatorlinsedes Spektrographen abgebildet wird. Durch dieseAtt·der Abbildung wird der Eingangsspalt des Spek-trographen von jedem Punkt des zur Abbildung bei-tragenden Abschnitts der Plasmasäule homogen aus-geleuchtet. Die Linien auf der Photoplatte sind in-folgedessen homogen geschwarzt, was für ihre photö-metrische Auswertung notwendig ist. Durch eineBlende am Ort des Zwischenbildes lassen sich belie-bige Teile der Gegenstandsebene, inder die Sym-metrieachse des cluster-Strahls liegt, zur spektralenUntersuchung. heraussondern. Zur Messung. desEmissionsspektrums in Abhängigkeit von der Raum-koordinate langs des cluster-Strahls wurde derSpektrograph in drei verschiedene Positionen ge-bracht, in denen jeweils ein Abschnitt der Plasma-saule von 60 - 70 mm Lange erfaßt wurde. (Ab-schnitte 1, 2, 3 in Abb. 2.) Der verbleibende Ab-schnitt 4 vor der Anode konnte aus apparativenGründennur unter Schragaufsicht auf die Anode ab-gebildet werden. Da bei dieser Abbildung ein ande-rer Raumwinkel als bei den Abschnitten 1, 2 und 3erfaßt wird, kann das Meßergebnis von Abschnitt 4nicht quantitativ mit den anderen Messungen vergli-chen werden.Zur Auswertung wurden die Plattenphotometriert.Aus dem Photometerausschlag erhält man mit HilfederSchwarzungskurve der Platten die von dem er-faßten Plasmaabschnitt wahrend der Gesamtzahl derzur Belichtung herangezogenen Entladungen auf diePhotoplatte eingeströmte Energie der betreffendenWellenlange. Der Photometerausschlag wird durchdie Anzahl der zur Belichtung benutzten Entladun-gen und die Länge des beobachteten PlasmabschnittsAbb. 2. Anordnung zur Messung des Emissionsspektrums.MetallbandElektroneninjektorr-----.....,.----..,--Masse -ElektrodeRing-elektrode C=:;:~ID11I1I1I I1 I1 I11I I11I1Koaxial- --.............-+-.,-:..1...1__+--Anode~oitnudnegnsZaUtmor~I 1r - --'" • ~ 11 cluster -StrahlMasse-Elektrode und die Anode (Abb. 1) sind miteinem Kondensator von 0,1 ,uF verbunden, der beiallen Versuchen auf 20 kV geladen. wurde. ImInteresse niederinduktiver und möglichst symmetri-scher Leitungsführung wird der Entladungsstrom,unterschiedlich zu den früheren Versuchen, von derMasse-Elektrode über zwei breite, parallel zumcluster-Strahl geführte Metallbander zum Kondensa-tor zurückgeleitet. Unterhalb der Anode ist der Im-pulskoridensator über eine Koaxialleitung außerhalbder Vakuumkammer angekoppelt. Die teilweise Ab-schirmung des elektrischen Feldes vor der Masse-Elektrode durch die Metallbander bedingte eine Ver-größerung.der Zündverzugszeit. Zur Vermeidung die-ses Effekts ist in 20 mm Abstand von der Masse-Elektrode eine ringförmige Elektrode von 180 mm cj)aufgebaut, die von vier auf der Anode befestigtenMetallstäben getragen wird. Alle Elektroden sindaus einer Aluminium-Magnesium-Legierung (97%Al; 3% Mg) hergestellt.Zur spektralen Zerlegungdes von der Plasma-saule emittierten Lichtes wurde ein im Bereich zwi-schen etwa 2000 und 5000 A verwendbarer Quarz-Prismenspektrograph benutzt (Typ ,,110 M", Her-steller R. F u e s s, Berlin). Die Spektren wurdenmit I I f or d - Photoplatten (Typ "Fast Blue .Sensi-tive") aufgenommen. Der optische Strahlengang derMeßanordnung ist aus Abb. 2 ersichtlich. Von einemTeil der leuchtenden Plasmasaule wird ein Zwischen-ENTLADUNGEN IN STRAHLEN AUS KONDENSIERTEM WASSERSTOFF 1969dividiert, wodurch sich eine auf die Längeneinheitbezogene mittlere Leuchtdichte ergibt. In Abb. 3 istdie Leuchtdichte einiger Linien in Abhängigkeit vonder Koordinate längs des cluster-Strahls aufgetra-treten zu lassen, daß sie photometriert werdenkonnte. Im Interesse einer möglichst niedrigen Nach-weisgrenze für Fremdlinien wurden die Platten mitjeweils 1000 Entladungen belichtet. Damit lag dieNachweisgrenze für eine Linie im Empfindlichkeits-maximuIJ.IderPlatten (3~OO.Ä)beidemc<}. 10-3_fachen derLeuchtdichteder •Hp-LiIJie im Abschnitt 2des. Plasm~s~WiesichbeidenMessungeninElek-trodennähe herausstellte,' stehen gerade in diesemWellenlängenbereich 3 Linien des Elektrodenmate-rials als NaclIweis fur die Verunreinigung des Plas-mas zuryerfügullg.Der I<tybstatwurde.nach jeweils40!\1inuten neumit flüssigem Wasserstoff .gefüllt. Die Messungenwurden immer in einem Zeitintervall zwischen etwa15 und 40 Minuten nach Einfüllung des flüssigenWasserstoffs durchgeführt, was jeweils etwa 150 Be-lichtungen der Photoplatten entsprach. In einer ge-sonderten Messung wurde die maximale Abweichungder gemessenen Leuchtdichte vom Mittelwert wäh-rend dieses Zeitintervalls zu ungefähr ±30% ermit-telt. Diese Abweichung ist bei der Zusammenstellungder Meßwerte in Abb. 3 in Ordinatenrichtung ange-geben.200mm ~Anode100100 0~Masse - Elektrode70 4,..--------------,----,1._+_-Leuchtdichte ---i>-------I[wittkEinh] ---+--- I103 I---t--I.--~--I1---0---IIIII.Abstand von derMasse-ElektrodeAbb.3. Ergebnis der photometrischen Answertung der Spek-tren in Abhängigkeit von der Koordinat~ längs des cluster-Strahls. - Die Breite der Striche in Abßzissenrichtung ent-spricht der Breite der 4 erfaßten Plasmaii'pschnitte (s. Ahb. 2).D Hp 4861 A 0 Mg)! 2796 A.. H y 4340 A • Mg·m 2803 Ao Al Ir 3587 A.gen. Das Ergebnis von Abschnitt4ist nur gestrichelteingezeichnet. Repräsentativ für den Wasserstoff istnur die Leuchtdichte der intensivsten Linien derBALMER-Serie Hp (4861.Ä) und H~ (4340.Ä) einge-tragen (Ha liegt außerhalb des untersuchten Wellen-längenbereichs) und repräsentativ für die Ver-unreinigungen die Leuchtdichte der intensivsten Li-nien Mg Ir (2796.Ä), Mg Ir (280)3 .Ä) und Al Ir(3587 .Ä). Die Linien der Metallverunreinigungensind nur in den Abschnitten 1 und 4 der Plasma-säule, nicht aber in den Abschnitten 2 und 3 nachzu-weisen. Die Leuchtdichteverteilung der Al-Linie bei3587 .Ä wurde repräsentativ für die Linien der Me-tallverunreinigungen zusätzlich in drei Teilabschnit-ten innerhalb des Abschnitts 1 mit einem lichtstar-ken Monochromator photoelektrisch gemessen. DasErgebnis dieser Messung ist in Abb. ~",~ekennzeich­net durch entsprechend kurze StriCh~ in Abszissen-richtung, eingetragen.In Abschnitt 2, in dem die Leuchtdichte der Was-serstofflinien noch relativ klein ist, waren ungefähr20 Entladungen notwendig, um die intensivste Liniedes Wasserstoffs, die Hp-Linie (4861.Ä) aus derUntergrundschwärzung der Platten so stark hervor-Ergebnisse und Diskussion der MessungenMan entnimmt Abb. 3, daß sich unter den vor-liegenden Versuchsbedingungen ein Plasma erzeugenläßt, in dem auf einer Länge von 14 Zentimetern mitder angewendeten spektroskopischen Technik keineFremdsuhstanzen nachzuweisen sind. Das bedeutet,daß in diesem Bereich des Plasmas die Leuchtdichteselbst der intensivsten in ElektrodennäheM!unde-nen Fremdlinien kleiner ist als das 3 '1O-s,faChe derLeuchtdichte der Hp-Linie. Die in Abb. 3p.~r~estellteAbhängigkeit der Leuchtdichte der Alumihürfu- undMagnesium-Linien zeigt eine Konzenttieturtg derMetallverunreinigungen in Elektrodennä~~. DieLeuchtdichte der intensivsten Magnesium-L1nie istetwa 10-mal kleiner als die der Hp-Linie. Außerdemhandelt es sich bei allen nachgewiesenen Linien deseinfach ionisierten Aluminiums und Magnesiums umsogenannte "letzte" Linien und damit um ein sehrempfindliches Indiz für die Anwesenheit von Elek-trodenmaterial im Plasma. Es ist daher anzuneh-men, daß die Teilchendichte der Fremdsubstanzen,verglichen mit der Teilchendichte des Wasserstoffs,auch in Elektrodennähe relativ klein ist.1970 ENTLADUNGEN IN STRAHLEN AUS KONDENSIERTEM WASSERSTOFFa)b)I.Maximum desEntladungsstromesIBildwandleraufnahmen, bei denen die Zeitabhän-gigkeit der Leuchtdichteverteilung eines Plasmaquer-schnittsnach der üblichen Schmierbildtechnik aufge-nommen wurde, zeigen, daß sich die radiale Struk-tur der Leuchtdichte längs der Plasmasäule ändert.In der Nähe der Masse-Elektrode ist der Kern derPlasmasäule deutlich dunkler als der Rand (Abb.4 a). In größerem Abstand von der Masse-Elektrodeist keine ausgeprägte radiale Abhängigkeit derLeuchtdichte wahrnehmbar (Abb. 4 b). Der Effektkann qualitativ mit der leichten Divergenz descluster-Strahls und der nur an einem Ende erfolgen-den Injektion von Elektronen zur Zündung der Ent-ladung erklärt werden.Durchmesser der LeuchterscheinungAbb. 4. Schmierbildaufnahmen des Plasmaquerschnittsa) in 60 rnm Abstand von der Masse-Elektrode,b) in 180 mm Abstand von der Masse-Elektrode.Die Messungen wurden mit einem STL-Bildwandler ausge-führt. Für die Aufnahmen wurde ein 4,5 mrn hoher Quer-schnitt der Plasmasäule auf die Photokathode des Bildwand-lers abgebildet. Die zeitliche Zuordnung von Entladungsstromund Bildwandleraufnahme ist mit einer Ungenauigkeit vonungefähr ±50 nsec behaftet.Herrn Professor Dr. E. W. BECKER danken wir fürdas· Interesse, das er der Arbeit entgegenbrachte, HerrnDr. O.F. HAGENA für die Mitwirkung bei der Konstruk-tion der Vakuumapparatur und des Hochdruckkryosta-ten und Fräulein J. RIEl\I.ENSCHNEIDER für ihre Hilfe beiden Experimenten.

Spektroskopische Untersuchungen an elektrischen Entladungen in Strahlen aus kondensiertem Wasserstoff

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