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Die Intensitätsverteilung und die Gesamtstrahlung der super-hochdruckquecksilberentladung
Physica III, no
Juli 1936
DIE INTENSITATSVERTEILUNG UND DIE GESAl\ITSTRAHLUNG DER SUPER-HOCHDRUCKQUECKSILBERENTLADUNG von W. ELENBAAS Xatuurkundig Laboratorium der K.V. Philips' Gloeilampenfabrieken Eindhoven/Holland
Summary The intensity distribution of some types of super-high-pressure mercury discharges is measured between 0,4 and 3 fL. At higher pressures the spectral lines are broadened more and more and the continuous spectrum is more pronounced. Furthermore the continuous spectrum is enhanced at higher current densities. The total radiation is measured and a correction applied for the absorption of Hg-radiation by the cooling water. As an example, we found that in the case of a discharge in a tube with an inner diameter of 1 mm at 1.1 A and 800 Vfcm, the total radiation amounts to 75% of the energy supplied. Some reasons are discussed, which may explain the fact that the ratio of the intensity of the yellow lines (5770-5790 A) to that of the green line (5461 A) is smaller than in the tubes of the one atmosphere type.
§ 1. Mess/eng dcr Encrgieoerieilung. Fur die Anwendung der Hg-
Super-Hochdruckrohren ist die Kenntnis der Intensitatsverteilung tiber die verschiedenen Spektralgebiete von Bedeutung. Aber aueh physikaliseh ist die Strahlung dieser R6hren von Interesse. D e G roo t 1) hat schon die ausserordentlieh grosse Selbstabsorption der Resonanzlinie 2537 A untersueht und aueh einige vorlaufige Messungen tiber die Intensitatsverteilung einer wassergekiihlten Lampe von 2 mm innerem Durehmesser bei 1,2 A und 500 V jem veroffentlicht. Hierbei wurde die Intcnsitat integriert tiber Spektralgebiete von 1000 A angegeben. Schliesslich habe ieh zusammen mit De G roo t die Gesamtstrahlung eines derartigen Rohres gemessen 2). Wir wollen jetzt Messungen besehreiben, wobei die Intensitat tiber sehmalere Spektralgebiete ermittelt wurde, welche im gelben Teil -
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des Spektrums etwa 50 A umfassen. \Vir verwandten einen Spektralapparat nach \V ads w 0 r t h mit Glasprisma, bei dem das Spektrum durch Drehung des Prismas zugleich mit einem damit verbundenen flachen Spiegel an einem Vakuumthermoelement vorbeigeschoben wird. Die Entladung wird mit ein Hohlspiegel unscharf auf den Spektrographenspalt abgebildet. Fur die Abbildung des Spaltes auf das Thermoelement kommen ebenfalls nur Hohlspiegel zur Verwendung, sodass die Scharfstellung im ganzen Spektralgebiet die gleiche ist. Da das Bandchen des Vakuumthermoelements zu breit war, wurde vor dem Element ein Spalt angebracht, dessen Breite ungefiihr gleich der des Bildes .des Spektrographeneintrittspaltes war. Das Thermoelement wurde mit einem Mollgalvanometer verbunden. Infolge der gross en Leuchtdichte der wassergekiihlten Rohren war es moglich, den Galvanometerausschlag direkt zu registrieren. Bei den in Luft brennenden Rohren war die Leuchtdichte zu gering urn in diese \Veise zuverlassig gemessen zu werden, zumal Iiir die Gebiete zwischen den Spektrallinien, sodass wir in diesem FaIle die Intensitat durch wiederholtes Abschirmen und Zulassen des Lichtes massen. Da diese Methode genauerwar als die Registriermethode (wegen kleiner Aenderungen des Nullstandes) wurden auch. die wassergckuhlten Rohren zum TeiI auf diese Weise gemessen. Da wir zur Messung der Strahlung ein Thermoelement verwenden ist der Galvanometerausschlag der Intensitat direkt proportional, abgesehen von eventuell verschiedener Schwachung Iiir die verschiedenen Wellenlangen im Spektralapparat. Zur Kontrolle ist cine \Volframbandlampe bekannter Temperatur nicht sehr geeignet, weil die Intensitat im blauen Teil des Spektrums zu klein ist, urn mit dieser Apparatur einen genugenden Ausschlag zu bekommen und der Emissionskoeffizient des Wolframs oberhalb 1 (.l- ungeniigend bekannt ist. Wir haben deshalb den Galvanometerausschlag als Mass der Intensitat betrachtet und auf folgende zwei Weisen einen Eindruck von dem hierdurch moglicherweise entstandenen Fehler bekommen. ~Ii t Hilfe der gemessenen Energieverteilung konnten wir berechnen, welcher Teil der Strahlung ein gegebenes Filter durchsetzen muss. Dieser Anteil wurde auch mit Hilfe einer Oberflachentherrnosaule gemessen. Als Filter gebrauchten wir zwei Filter von S c h 0 tt namlich GG 11 und RG5, welche das Gebiet mit einer Wellenlange grosser als 0,50 bezw. 0,68 (.l- durchlassen. Berechneter und gemessener durchgelassener Prozentsatz stimmten immer gut iiberein. Mit
DIE INTENSITATSYERTEILUKG UXD DIE GESAMTSTRAHLUNG
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Hilfe dergemessenen Energieverteilung, der gemessenen Gesamtstrahlung (siehe unten) und der Augenempfindlichkeitskurve wurde als zweite Kontrolle die Lichtausbeute (in Lumen/Watt) berechnet und mit der direkt gemessenen Lichtausbeute verglichen (Tabelle I). Da auch dies befriedigend iibereinstimmt, glauben wir, schliessen zu diirfen, dass die Durchlassigkeit des Spektralapparates zwischen 0,4 und 2 [J. nicht sehr von der Wellenlange abhangt, sodass wir in diescm Gebiet die Intensitat dem Galvanometerausschlagproportional setzen diirfen. Das Auflosungsverrnogen unserer Apparatur ist zu klein urn die Linienform angeben zu konnen, zumal im Falle der verhaltnismassig niedrigen Drucke der Bilder lund 2 (etwa 20 Atrn.) wo die Linien noch schmal sind. Die Spaltbreite haben wir in den Bildern angegeben. Bei den hoheren Drucken geben die Kurven die Linienform schon besser wieder, besonders im blauen Gebiet. In Bild 4 wird die gegebene Linienform der Linie 4358 A 0 wohl richtig sein. § 2. Messung der Gesamlsirahlung, Die Gesamtstrahlung wurde wie Iriiher 2) auf zwei Weisen (ausgenommen bei den in Luft brennenden Rohren) gemessen. Erstens wurde die Strahlung mittels einer geeichten Oberfliichentherrnosaule *) gemessen und zweitens wurde die an das Kiihlwasser abgegebene Energie bestimmt durch l\Iessung der TemperaturerhOhung des Kiihlwassers und von der zugefuhrten Leistung subtrahiert. Letztere Methode ist in denjenigen Fallen, bei denen die Strahlungsausbeute bedeutend grosser als 50% ist, die zuvcrlassigere. Die auf diese beiden Weisen gemessenen Strahlungsenergien stimmten immer innerhalb einiger Prozente iiberein. Bei den in Luft brennenden Rohren wurde nur mit der Oberflachenthermosaule gemessen, wobei wir die Strahlung der heissen Quarzwand (nach Abschalten der Entladung sieht man die Quarzwand gliihen) praktisch ganz durch eine zwischen zwei Quarzplattchen befindliche Schicht von I mm Wasser absorbierten. Wir miissen nun Iiir die im Wasser stattfindende Absorption der Hg-Strahlung korrigieren. Bei den wassergekiihltcn Rohren wurde die Wasserschicht zwischen Entladungsrohr und Kiihlrohr (auch OJ Die Iriiher ' J von De Groot und mir gebrauchtc Obertlachcnthermosaule wurde noch einmal auf fol gende Wei se gceicht. In ein em Quarz-Vakuumkclben ist ein langcr diinner WoIframdraht in ein er Ebene ausgespannt, Di e Energieabfuhr durch di e Pole ist also Ztl vernachllisstgen, sodass praktisch nile zu gcfiihrtc Energie in Strahlung verwandelt wird, Di es liefcrte eincn Wert' von 3,0 mW/cm' pro mY, wahrend wir friihcr 3,06 verwandten,
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Quarz) dunn gewahlt um die Absorption klein zu halten. Wahrend der Kiihlmantel in der Praxis meistens eine Dicke von etwa ~ em hat, verwendeten wir Sehiehten von 0,2 bis 0,4 mm. Die in dieser Sehicht noeh absorbierte Hg-Strahlung liess sieh aus der Intcnsitiitsverteilung derin Luft brennenden Rohren (Bild 1) und dem bekannten Absorptionskoeffizient des Wassers schatzen, In gleicher Weise wurde bei den in Luft brennenden Rohren Iiir die im \ Vasserfilter von 1 mm Dicke absorbierte Hg-Strahlung korrigiert. Die auf diese Weise angebrachten ]{orrektionen betragen etwa 10% (z.E. wurde bei I mm Durehmesser, 1,1 A und 800 "fem eine Totalstrahlung 4.o'r---....----,.----~--....--___r---._--_.__--____;--_____,
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Bild I . Pro em Saulenlange ausgcstrahlte Energie in Watt pro Einheit der Abszissenskala; Hg-Darnpfdruck etwa 20 Atrn : in Luft brennend.
von 68% gemessen, welcher Betrag dureh die Korrektion auf 75% erhoht wurde ----: 4te Zeile der Tabelle I). Die angegebenen Strahlungsausbeuten sind Mindestwerte, weil eine eventuell vorhandene Hg-Strahlung mit einer WellenHingegrosser als etwa 3 (J. oder kleiner als 0,2 (J., nicht mit einbegriffen ist.
§ 3. Ergebnisse. In den Bildern 1 bis 4 sind die Intensitatsverteilungen fiir einige typische Falle angegeben. Das Rohr von Bild 1 brannte in Luft, wahrend die drei anderen mit Wasser gekiihlt wurden *). Wir haben die total ausgesandte Energie in Watt· fiir ein Gebiet der Einheit der Abszissenskale angegeben. Die Abszissenskale *) Die wassergekllhlten Rohrcn wurden von Herm L e m men 5 im hiesigenLaboratoriurn hcrgestellt, wahrend das in Luft br ennende Rohr ein Fabrikatlonsrohr des Herrn Goo s ken s war (Phil ora H .P. 75 Watt, 30c0 Lumen).
DIE INTENSITATSVERTEILUNG UND DIE GESA~ITSTRAIlLUNG
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gibt direkt den Stand des Prismas an. Wir haben nieht die WellenHinge als Abszisse gewahlt. weil dann das infrarote Gebict einen zu grossen Teil der Bilder beanspruehen wiirde. Uberdies ist bei der gegebenen Darstellung die Spaltbreite unabhangig von der Abszisse. Wenn man die Intensitatsverteilung als Funktion der WelIenHinge darstellt 1), werden die Ordinaten im infraroten Gebiet viel kleiner, denn die Oberflache unter der Kurve muss diesclbe bleiben. Bei dem in Luft brennenden Rohr (Bild I) sind die infraroten Hg-Linien gut zu erkennen. Das Spektrum reicht hier bis etwas tiber 3 fL. Das Fehlen der Strahlung mit grosserer Wellenlange kann dureh Undurch40~--~--~--~---------...,-----r-----.,.----.,
Dvrchmesser 4.% mm ~ 5,8A 135 V"tm § 720w;tm
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: 3 0 , 35 ,
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O~p O,5p 0,71' Ip isp 2P 2,5p Bild 2. Pro em Saulcnlange ausgestrahltc Energie in Watt pro Einhcit dcr Abszisscnskala; Hg-Dampfdruek ctwa 20 Atm; wasscrgekiihlt.
lassigkeit des Glasprismas verursaeht sein. Quarzglas von einer Dicke von einigen mm Iangt erst bei etwa 4 [L an zu absorbieren, wahrend es bei 5 [L praktiseh undurchlassig geworden ist 3). Bei den wassergekiihlten Rohren fallt die Wasserabsorption bei 1,47 und 1,97 [L auf. Fiir Wellenliingen grosser als 2,6 [L ist Wasser, aueh in einer Sehieht von etwa ! mrn, undurchlassig. Bei dem in der Praxis verwendeten Kiihlmantel von -~ em Wasser kommt praktiseh keine Strahlung mit grosserer Wellenlange als I-~ [L naeh aussen. In den Bildern 2 bis 4 haben wir den ungefahren Intensitatsverlauf ohne Wasserabsorption gestriehelt gezeiehnet (nach Analogie von Bild I). Wie zu erwarten war, nimmt die Linienbreite und das kontinuierhche Spektrum mit dem Druck zu (Bilder 1 und 2 etwa 20 Atrn, Bild 3 etwa 130 Atm und Bild 4 etwa 200 Atm). Ausserdern nimmt das
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kontinuierliehe Spektrum mit der Stromdiehte zu (Bilder lund 2). Sehliesslieh haben wir in Bild 5 die Strahlung der Hg-Lampe von Bild 4 mit der Strahlung des sehwarzen Korpers vergliehen. Wir haben hier die Intensitat in Watt/ern? im Einheitskegel in senkreehter Richtung angegeben, unter der Annahme dass alle Hg-Strahlung dureh eine gleichmassig leuehtende Flache von einer Breite des halben Rohrdurchmessers ausgesandt wird und dass das Verhaltnis der Gesamtstrahlung zur Strahlung im Einheitskegel senkrecht zur Entladungsbahn 10 betragt. Die obere Kurve (60000 K ) gibt ungefahr die Sonrienstrahlung an. Dureh die Absorption in der Atrnosphare Jo,__---,-----.-----.-----::=--------,--------.----,-----r-----, .",
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Bild 3. Pro em Saulenlange ausgestrahlte Energic in 'VaU pro Einheit der Abszissenskala; Hg-Darnpfdruck etwa 130 Atm; wassergekiihlt.
sehneidet die Sonnenstrahlung bei II [J. praktisch ab (Der Wasserdampf in der Atrnosphare ist aequivalent mit etwa I em Wasser).Wir haben dies gestricheIt angegeben, ebenso wie die Hg-Strahlung mit einem Kiihlmantel von l em. Die Leuehtdichte (Stilb) der Hg-Lampe und des schwarzen Korpers von 5000°C ist ungefahr gleich. (Die der Hg-Lampe ist urn 7% grosser). Auch die Gesamtstrahlungen dieser zwei sind etwa die gleichen: ein schwarzer Korper von 5000 0 sendet im Raumwinkel eins senkreeht zur Flache 5,75 X 54 / t: = 1140 Watt/em2 aus, wahrend die Hg-Lampe 0,75 X 710 X 20/10 = 1065 Watt/em2 in die Raumwinkeleinheit aussendet. Der optische Wirkungsgrad (f; E>.g>.d),/ E>.d),; E=Energie, g=Augenempfindlichkeit) der Hg-Lampe von Bild 5 ist, da die Totalstrahlung 75% der zugefiihrten Leisti.mg betragt und die Liehtausbeute 65 Lumen pro Watt ist, 65/0.75 X 621 = 13,9%. Der maximal erreichbare Welt beim schwarzen Korper ist 14% (Temperatur etwas tiber 60000 ), sodass, selbst bei
r::
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DIE IXTEXSJTAT5VERTEIL U!\G U!\D DIE GE SAMTSTRAHLUXG
Vernachlassigung der Ab sorption der Hg-Strahlung im Kiihlwasser, die Warmewirkung der Hg-Lampe b ei gleichcr Lichtmenge praktisch gleich der des giinstigst en sch warzen Korpers ist. Vergleicht man die Hg-Lampe mit Wo-Lampen, so ist die Gesamtst rahlung bei gleicher Lichtmeng e bei der Hg-Lampe geringer, sodass ein e entspre ch end geringere Erwarmung stattfindet. Die Hg-Lampe von 710 Watt hat ein e Lichtau sb eute von 65 Lumen/Watt , sodass sie 46 103 Lumen au ssendet. Die Gesamtstrahlung bet ragt 0,75 x x 710 = 530 Watt (Tabelle I) . Urn 46 103 Lumen mit eine r gasgefiillten Wo-Lampe von 100 St unde n Brenndauer zu erzeuge n, braucht man ungefahr 1700 Watt, welche Energie nahezu ganz in Strahlungsenergie verwandelt wird. Die Hg-Lampe ist also, was die Warmewirkung bei gleicher Lichtmenge betrifft. etwa uin einen Faktor3giinstiger als die Wo-Lampe. Hierbei haben wirdieim Kiihlwass er st attfindende Absorption der Hg-Strahlung nicht in Rechnung getragen, sodass in praktisch en Fallen das Veih altnis d er Warmewirkungen noch giins t iger wird. TA BELLE I T ota l s t ra hlung
D urc h messer 4} mrn . 0.4 A 120 V{crn D ur ch rnesse r 4! 10m 5.8 A 135 Vfern Du rchmesser 2 mm 1.2 A 500 Vfem Du rc hrnesser I rnm I. ( A 800 Vfe m Sc hwarzer Korper bei 300O· Sc hwarzer Korp er b ei 6000·
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30%
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0) Friih er haben wir (zusamrnen m it W. d e G roo t» fiir ein Rohr von 2 mill Durchmesser 1.35 A 400 Vfcrn eine Strahlungsnu sb eute von 50% angegeben. Di ese Zahl ist zu kl ein, da wi r d arnals die \\'asserabsorption (wir ge b ra uch t en einen Ktihlm ant cl vo n e t wa ! ern D icke) ni eht berticksichtl gt en und auch eine Lampe gebra ucht en , welche sc hon Ia nger e Zeit in Betrieb gewesen wa r. Aus Bild 3 folgt b ei Anwendung eine s Kiihlm antcls v on! Clll Dick e ei ne Stra hlungsausb eut e vo n 58 %. D er Unt erschied von 58% m it d em d arn a ls an gegeb en en \\'ert von 50 % is t a lso die Fo lge d er Ver wen du ng einer nlc h t n eu en Lampe. Die An gaben d er T a belle J gellen Iilr neu e Rohr en, Infol ge der hoheren S tra h lu ngsa usbeut e is t ein gro sse r Tei l de r fr Uher 7) Iest gestellten Unst inu nigkcit zwi sc he n St rahlungsau sb eut e, Wiir meleilfiihigkeit d es Quarzglases und gesc ha tz ter Inn en wandt empcr atur a ufge ho ben .
Ph ys ica II I
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\Y. ELEKBAAS
In Tabelle I haben wir in der ersten Spalte die nach § 2 bestimmten totalen Strahlungsausbeuten fiir die 4 Rohren angegeben. In der zweiten bis vierten Spalte ist angegeben, wie diese Strahlung tiber die drei Gebiete: ultraviolett (bis 0,4 [L), sichtbar (0,4-0,7 fl.) und infrarot (A> 0,7 fl.) verteilt ist, Die Zahlen geben den Prozentsatz der Gesamtstrahlung der auf das betreffende Gebiet fallenden Energie an, wobei die infrarote Strahlung ohneWasserabsorption angegeben ist. Verwendet man einen Kiihlmantel von! ern Wasserdicke, so geht die Infrarotstrahlung der Hg-Rohren auf etwa die Halfte des angegebenen \Yertes zuriick. Der bei zunehmenden Druck abnehJOr----.,.----,----r-----o=-----r--------.-----,------,-----, Durchmesser lmm I.lA 800 '?1;m 7IOW/em --lI--SpallbrOile
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Bild 4. Pro em Saulenla.n gc ausgestrahlte Energic in Wat t pro Einheit der Abszissenskale; Hg-Dampfdruck etwa 200 Atrn.r wassergckiihlt.
mende Ultravioletprozentsatz wird wahl hauptsachlich die Folge der Verbreiterung der Absorptionsbanden der beiden Resonanzlinien sein. Auch fiir schwarze Korper von 3000° und 6000° haben wir die Lichtausbeute und die auf die drei Gebiete entfallende Strahlungsenergie in Prozenten der Gesamtstrahlung angegeben. Um Aufschluss tiber die Linienbreite zu bekornmen, wurden Aufnahmen mit schmalem Spalt gemacht, welche in den Bildern 6 und 7 wiedergegeben sind. Bild 6 ist mit einem Glasspektrographen und panchromatischer Platte aufgenommen, wahrend BUd 7 mit einem Quarzspektrographen und Ilford Zenith Platte aufgenommen wurde. § 4. Das Intensitdtsuerluiltnis der gelben zur griinen Linie. \Yenn man die Spektren der Hg-Entladungen vorn 1 Atm Typus mit denen von Super-Hochdruckrohren vergleicht, so fallt die geringe intensihit der gelben Linien (5770-5791 A) bei den Super-Hochdruckroh-
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ren auf. Vergleichen wir z.B. die Intensitatsverteilung von Bild 1 mit derjenigen eines Rohres von grosserern Durehmesser mit gleieher vcrdampfter-Hg-Menge (m) pro em Rohrliinge (also niedrigerem Druck) und gleicher Leistung pro em Saulenlange (L), so erwarten wirnach friiheren Betrachtungen 4), dass wir mit ahnlichen Enrladungen zu tun haben. Abgesehen vom kontinuierlichen Spektrum und von der Verbreiterung der Linien zufolge des gr6sseren Druckes erwarten wir im Super-Hochdrukrohr alsorlieselben Intensitatsverhaltnisse, weil die Besetzungen der Niveaus dureh B a 1 t z man n gegeben sind und die Temperaturen in iihnlichen Entladungen gleich 125ir --
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BiId 5. Intcnsitat in Watt/em' pro Einheitskegel und Einheit der Abszissenskale; Hg-Entladung bei I mrn Rohrdurehrnesser 1,1 A, 800 V [ctti, 71O'V [ctti und Plancksche Strahlung bei 6000°,5000°,4000° und 3000°. (1) Hg-Strahlung nach Durehsetzen eines Kuhlmantels von! em Dicke (2) Planeksehe Strahlung von 6000° naeh Durehsetzen von 1 em 'Vasser.
sind. Ein Rohr von 27 mm innerem Durehmesser und gleichen nt und L Iiefert mit derselben Apparatur gemessen ein Intensitatsverhaltnis gelbjgriin von 1,36, wahrend Bild I nur 0.55 liefert. Das Verhaltnis der griinen zur blauen Linie ist in beiden Fallen wahl ungefahr gleich (Abweichung 15%). Es sind also die gelben Linien, welche sich aussergewohnlich verhalten. Als Ursaehe fur die kleine Intensitat der gelben Linien wollen wir folgende ~I6glichkeiten betrachten:
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1) Die Temperatur der Eritladungsbahn konnte im Super-Hochdruckrohr niedriger sein und demzufolge wiirde das gelbfgriin Verhaltnis geringer sein 5), da die gelben Linien hohere Anfangsniveaus haben als die griine Linie, m.a.W. das Ahnlichkeitsgesetz wiirde hier nicht mehr genau gelten. Diese Erscheinung spielt wahrscheinlich eine Rolle, denn der Gradient ist im 4! mm Rohr bei 120V fcm grosser (etwa 20% - bei zunehmendem Druck wird die Abweichung grosser) als man nach den Ahnlichkeitsbetrachtungen erwartet *), jedoch wiirde man im Intensitatsverhaltnis eine Abweichung erwarten, die von derselben Grosse ist wie diejenige im Gradienten, sodass die niedrigere Temperatur wohl nicht die einzige Ursache fiir die relativ kleine Intensitat der gelben Linie im Super-Hochdruckrohr sein kann [). 2) Wegen der grossen Dichte in der Super-Hochdruckentladung kommt es oft vor, dass ein angeregtes und ein normales Hg-Atom einander so nahe kommen, dass die Hohe der Energieniveaus sich merklich andert. InBild 8 haben wir die Hohe der Anfangs- und Endniveaus der gelben und griinen Linien als Funktion des Abstandes der beiden Kerne schematiscb gezeichnet. Da die Besetzung der Niveaus proportional c-et·/ k T ist, wird bei gleicher Temperatur die Besetzung mit der Dichte zunehmen infolge des Fallens der Potential kurven. Die relative Besetzung der Anfangsniveaus ist durch c-e(t,,-t,.l/kT gegeben und ist also ausser von der Temperatur nur vom Energieunterschied der Niveaus abhangig und nicht vom Absolutwert der Hohe, Nun bleiben jedoch die Energieunterschiede der Niveaus (ausser in dem Falle dass das eine das Grundniveau ist) ungefahr gleich, denn die Linien verschieben sich nicht bedeutend und auch die Verbreiterung der Linien ist klein (die Breite der Nichtresonanzlinien entspricht Unterschieden von der Grossenordnung 10-2 bis 10- 1 Volt im Abstand der Potentialkurven). Dieser Effekt kann also nur geringen Einfluss haben. 3) Einfluss der verschiedenen Linienbreiten auf die Absorption. Nach Bild 8 muss bei zunehmenden Druck die pro Atom verur*) Die Aehnliehkeitsgesetze sind also innerhalb einer Genauigkeit von einigen Prozenten nicht fiir solehe kleine Durehmesser giiltig als wir im Ingenieur :;0, E 83, 1935 behaupteten, Wahrschelnlich ist dort hei 2 mm Durehmesser (Tabelle V) nieht alles abgewogene Hg in das Rohr gedampft worden, was einen kleineren Gradienten Iiefert und die genaue Uebereinstrmmung vortauschte. t) Die niedrigere Temperatur irn Super-Hochdruckrohr is t viclleicht die Folge rler erhohten Abstrahlung dureh das kontinuierliehe Spcktrum lind infoIge der Ernicdrigung der Energieuiveaus.
DIE INTENSITATSVERTEILUNG UND DIE GESA~ITSTRAIlLUNG
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sachte Absorption abnehmen da sowohl die Emissionslinie wie die Absorptionslinie sich stark verbrei tert, sodass die Resonanz zwischen Lichtquant und Atom weniger scharf wird.]e mehr der Abstand der Potentiaikurven sich andert, d.h . je mehr die Linie sich mit zunehmendem Druck verbreitert, desto grosser ist dieser Effekt. Nun ist am Original des. Biides 6 deutlich zu sehen, dass die griine Linie sich starker verbreiten: als die beiden geiben Linien, sodass die Absorption der grunen Linie relativ .zu der der gelben Linien abnehrnen muss . Dies hat bei zunehinendem Druck und gleicher Entladungstemperatur ein Hervortreten der griinen Linie zur Folge.
V 1
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Bild 8. Termhohe als Funktion des Abstandcs der Kerne (schcmatisch).
4) Vergrosserung der Absorption auf Grund der drei einander beeinflussenden gelben Linien. Zwei der gelben Linien (5790 und 5791 A) fallen sehr nahc zusammen, wahrend die dritte Linie 20 A entfernt liegt (5770 A). Betrachten wir die beiden Linien 5790 und 5791 A als eine, so sind die zwei Linien bei 5790 und 5770 A ungefahr gleichstark. Ist die Verbreiterung der zwei Linien so stark geworden, dass die Linien einander tlberdeckcn, so hat dies eine ErhOhung der Absorption zur Folge. In BUd 9 haben wir drei Energieniveaus gezeichnet: a ist das Endniveau und c und b die Anfangsniveaus der beiden geiben Linien. Die Tatsache, dass die Linien einander iiberdecken, beweist dass Wertepaare r, und z, anzugeben sind, fiir welche gilt: (b - a)" = (c-a)". Wird nun ein Quant ernittiert durch Ubergang von b nach a beim Abstand f l , so kann dieses ohne Ubertragung kinetischer Energie durch ein Atom irn Zustand a nicht nur dann absorbiert werden,
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wenn ein zweites sich im Abstand 1'\ bcfindet, sondern auch, wenn ein zweites Atom sich im Abstand 1'2 bcfindet, denn dann ist ein Ubcrgang nach Zustand c moglich *). Bei der Entladung von Bild 1 Iiingt dieser Effekt eben an cine Rolle zu spic1en, denn nach Bild 6 fangen die gelben Linien dort an, einander zu uberdecken. Bei den grosseren Drucken (Bilder 3 und 4) kann dieser Effekt eine bedeutende Rolle spielen, denn im Falle dass die Linienbreite gross gegen dem Abstand der Linien wird, wird der Absorptionskoeffizient fiir die gc1ben Linien urn etwa einen Faktor zwei vergrosscrt (die zwei gclben Linien sind ungefahr gleich stark).
v
c
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Bild 9. Vergrosser te Absorptionswahrscheinlichkeit bei Ueberdcckung zwcicr Linien,
Betrachten wir nun die gelbjgriin Verhaltnisse der Bilder 1 bis 4. In den Bildern 2 und 4 sind die Leistungen pro em Saulenlange ungefiihr gleich. Die Temperatur der Entladungsbahn in Bild 4 schatzen wir etwas hoher; da sich hier weniger Hg-Atome pro em Lange im Rohr befinden. Das dennoch kleinere gelbjgriin Verhaltnis in Bild 4 ist wohl hauptsachlich dem obengenannten Effekt 4 zu verdanken. In Bild 2 wird ein gelbjgriin Verhaltnis erreicht, welche aueh bei Rohren vom 1 Atm Typus vorkommt. Hier wird der Einfluss obengenannter Effekte durch die hohere Temperatur (zufolge der grossen Leistung bei verhaltnismassig niedrigem Druck - mist etwa gleich *) Dcr Energieverlus t infolge diescr vergrosscrtcn Absorption kann gering sein, da entspreehend weniger Energie benotigt ist um die Besetzung des Anfangsniveaus auf den von B 0 I t z man Il geforderten "'ert zu halten. Die gesamte Strahlungsnusbeutc wir d also dureh die Absorption nieht bedeutend gcandert, wohl aber die Encrgieverteilung, I
DIE INTENSlTATSYERTEILUNG UND DIE GESA1lTSTRAHLUN G
871
der Hg-l\Ienge bei einem Rohr von I Atm und 20 mm Durchmesscr) aufgehoben. In den Bildern lund 2 sind die Dampfdichten ungefahr gleich. Die grossere Intensitat der gelben Linien in Bild 2 ist also hauptsachlich der hoheren Tcmperatur (wegen der hoheren Leistung) zu verdanken. Berechnet man den Temperaturunterschied (T 1 - T 2/T1T2 ) in diesen beiden Fallen aus dem Absolutwert der Intensitat (in Bild 2 urn einen Faktor 10 grosser) und mit diesem Tcmperaturuntcrschied die zu erwartende A.nderung des gelb/grun Verhaltnisses, so findct man cincn Faktor 1,4, wahrend aus Bildern I und 2 ein Faktor 2 foIgt. Auch bei den Entladungen vom I Atm Typus wurde gefunden, dass das gelbjgriin Verhaltnis sich schneller andert als man auf Grund der Anderung des Absolutwerts der Intensitiit erwartet 6). Eingegan gen am 26. :\Iai 1936.
Eindhoven, den 5. l\Iarz 1936.
LITERATV RVERZEICHNIS I) 2) 3) 4) 5) 6) 7)
\Y. d e G roo t, Zeeman Festschrift, Den Haag 19;35,312; Ingeni eur ;:;0, E 92, 1935. \Y. E len b a a s und \\'. de G ro o t, Phystca z, 807,1935. D. G. Dr u m m 0 n d, Proc, roy. Soc . London 1;;:1,318 & 328,1936. \Y. E len b a a s, Physica z, 169 , 1935. \Y. E len b a a s, Physica 1, 673, 1934 ;:1 ,219, 1936. \Y. E l en b a a s, Physica tt, 219, § 4, 1936. \Y. Elenbaas, Z.techn. Phys.·17, 6I ,193 6.
Juli 1936
DIE INTENSITATSVERTEILUNG UND DIE GESAl\ITSTRAHLUNG DER SUPER-HOCHDRUCKQUECKSILBERENTLADUNG von W. ELENBAAS Xatuurkundig Laboratorium der K.V. Philips' Gloeilampenfabrieken Eindhoven/Holland
Summary The intensity distribution of some types of super-high-pressure mercury discharges is measured between 0,4 and 3 fL. At higher pressures the spectral lines are broadened more and more and the continuous spectrum is more pronounced. Furthermore the continuous spectrum is enhanced at higher current densities. The total radiation is measured and a correction applied for the absorption of Hg-radiation by the cooling water. As an example, we found that in the case of a discharge in a tube with an inner diameter of 1 mm at 1.1 A and 800 Vfcm, the total radiation amounts to 75% of the energy supplied. Some reasons are discussed, which may explain the fact that the ratio of the intensity of the yellow lines (5770-5790 A) to that of the green line (5461 A) is smaller than in the tubes of the one atmosphere type.
§ 1. Mess/eng dcr Encrgieoerieilung. Fur die Anwendung der Hg-
Super-Hochdruckrohren ist die Kenntnis der Intensitatsverteilung tiber die verschiedenen Spektralgebiete von Bedeutung. Aber aueh physikaliseh ist die Strahlung dieser R6hren von Interesse. D e G roo t 1) hat schon die ausserordentlieh grosse Selbstabsorption der Resonanzlinie 2537 A untersueht und aueh einige vorlaufige Messungen tiber die Intensitatsverteilung einer wassergekiihlten Lampe von 2 mm innerem Durehmesser bei 1,2 A und 500 V jem veroffentlicht. Hierbei wurde die Intcnsitat integriert tiber Spektralgebiete von 1000 A angegeben. Schliesslich habe ieh zusammen mit De G roo t die Gesamtstrahlung eines derartigen Rohres gemessen 2). Wir wollen jetzt Messungen besehreiben, wobei die Intensitat tiber sehmalere Spektralgebiete ermittelt wurde, welche im gelben Teil -
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w.
ELEXBAAS
des Spektrums etwa 50 A umfassen. \Vir verwandten einen Spektralapparat nach \V ads w 0 r t h mit Glasprisma, bei dem das Spektrum durch Drehung des Prismas zugleich mit einem damit verbundenen flachen Spiegel an einem Vakuumthermoelement vorbeigeschoben wird. Die Entladung wird mit ein Hohlspiegel unscharf auf den Spektrographenspalt abgebildet. Fur die Abbildung des Spaltes auf das Thermoelement kommen ebenfalls nur Hohlspiegel zur Verwendung, sodass die Scharfstellung im ganzen Spektralgebiet die gleiche ist. Da das Bandchen des Vakuumthermoelements zu breit war, wurde vor dem Element ein Spalt angebracht, dessen Breite ungefiihr gleich der des Bildes .des Spektrographeneintrittspaltes war. Das Thermoelement wurde mit einem Mollgalvanometer verbunden. Infolge der gross en Leuchtdichte der wassergekiihlten Rohren war es moglich, den Galvanometerausschlag direkt zu registrieren. Bei den in Luft brennenden Rohren war die Leuchtdichte zu gering urn in diese \Veise zuverlassig gemessen zu werden, zumal Iiir die Gebiete zwischen den Spektrallinien, sodass wir in diesem FaIle die Intensitat durch wiederholtes Abschirmen und Zulassen des Lichtes massen. Da diese Methode genauerwar als die Registriermethode (wegen kleiner Aenderungen des Nullstandes) wurden auch. die wassergckuhlten Rohren zum TeiI auf diese Weise gemessen. Da wir zur Messung der Strahlung ein Thermoelement verwenden ist der Galvanometerausschlag der Intensitat direkt proportional, abgesehen von eventuell verschiedener Schwachung Iiir die verschiedenen Wellenlangen im Spektralapparat. Zur Kontrolle ist cine \Volframbandlampe bekannter Temperatur nicht sehr geeignet, weil die Intensitat im blauen Teil des Spektrums zu klein ist, urn mit dieser Apparatur einen genugenden Ausschlag zu bekommen und der Emissionskoeffizient des Wolframs oberhalb 1 (.l- ungeniigend bekannt ist. Wir haben deshalb den Galvanometerausschlag als Mass der Intensitat betrachtet und auf folgende zwei Weisen einen Eindruck von dem hierdurch moglicherweise entstandenen Fehler bekommen. ~Ii t Hilfe der gemessenen Energieverteilung konnten wir berechnen, welcher Teil der Strahlung ein gegebenes Filter durchsetzen muss. Dieser Anteil wurde auch mit Hilfe einer Oberflachentherrnosaule gemessen. Als Filter gebrauchten wir zwei Filter von S c h 0 tt namlich GG 11 und RG5, welche das Gebiet mit einer Wellenlange grosser als 0,50 bezw. 0,68 (.l- durchlassen. Berechneter und gemessener durchgelassener Prozentsatz stimmten immer gut iiberein. Mit
DIE INTENSITATSYERTEILUKG UXD DIE GESAMTSTRAHLUNG
86 I
Hilfe dergemessenen Energieverteilung, der gemessenen Gesamtstrahlung (siehe unten) und der Augenempfindlichkeitskurve wurde als zweite Kontrolle die Lichtausbeute (in Lumen/Watt) berechnet und mit der direkt gemessenen Lichtausbeute verglichen (Tabelle I). Da auch dies befriedigend iibereinstimmt, glauben wir, schliessen zu diirfen, dass die Durchlassigkeit des Spektralapparates zwischen 0,4 und 2 [J. nicht sehr von der Wellenlange abhangt, sodass wir in diescm Gebiet die Intensitat dem Galvanometerausschlagproportional setzen diirfen. Das Auflosungsverrnogen unserer Apparatur ist zu klein urn die Linienform angeben zu konnen, zumal im Falle der verhaltnismassig niedrigen Drucke der Bilder lund 2 (etwa 20 Atrn.) wo die Linien noch schmal sind. Die Spaltbreite haben wir in den Bildern angegeben. Bei den hoheren Drucken geben die Kurven die Linienform schon besser wieder, besonders im blauen Gebiet. In Bild 4 wird die gegebene Linienform der Linie 4358 A 0 wohl richtig sein. § 2. Messung der Gesamlsirahlung, Die Gesamtstrahlung wurde wie Iriiher 2) auf zwei Weisen (ausgenommen bei den in Luft brennenden Rohren) gemessen. Erstens wurde die Strahlung mittels einer geeichten Oberfliichentherrnosaule *) gemessen und zweitens wurde die an das Kiihlwasser abgegebene Energie bestimmt durch l\Iessung der TemperaturerhOhung des Kiihlwassers und von der zugefuhrten Leistung subtrahiert. Letztere Methode ist in denjenigen Fallen, bei denen die Strahlungsausbeute bedeutend grosser als 50% ist, die zuvcrlassigere. Die auf diese beiden Weisen gemessenen Strahlungsenergien stimmten immer innerhalb einiger Prozente iiberein. Bei den in Luft brennenden Rohren wurde nur mit der Oberflachenthermosaule gemessen, wobei wir die Strahlung der heissen Quarzwand (nach Abschalten der Entladung sieht man die Quarzwand gliihen) praktisch ganz durch eine zwischen zwei Quarzplattchen befindliche Schicht von I mm Wasser absorbierten. Wir miissen nun Iiir die im Wasser stattfindende Absorption der Hg-Strahlung korrigieren. Bei den wassergekiihltcn Rohren wurde die Wasserschicht zwischen Entladungsrohr und Kiihlrohr (auch OJ Die Iriiher ' J von De Groot und mir gebrauchtc Obertlachcnthermosaule wurde noch einmal auf fol gende Wei se gceicht. In ein em Quarz-Vakuumkclben ist ein langcr diinner WoIframdraht in ein er Ebene ausgespannt, Di e Energieabfuhr durch di e Pole ist also Ztl vernachllisstgen, sodass praktisch nile zu gcfiihrtc Energie in Strahlung verwandelt wird, Di es liefcrte eincn Wert' von 3,0 mW/cm' pro mY, wahrend wir friihcr 3,06 verwandten,
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W.
ELE~BAAS
Quarz) dunn gewahlt um die Absorption klein zu halten. Wahrend der Kiihlmantel in der Praxis meistens eine Dicke von etwa ~ em hat, verwendeten wir Sehiehten von 0,2 bis 0,4 mm. Die in dieser Sehicht noeh absorbierte Hg-Strahlung liess sieh aus der Intcnsitiitsverteilung derin Luft brennenden Rohren (Bild 1) und dem bekannten Absorptionskoeffizient des Wassers schatzen, In gleicher Weise wurde bei den in Luft brennenden Rohren Iiir die im \ Vasserfilter von 1 mm Dicke absorbierte Hg-Strahlung korrigiert. Die auf diese Weise angebrachten ]{orrektionen betragen etwa 10% (z.E. wurde bei I mm Durehmesser, 1,1 A und 800 "fem eine Totalstrahlung 4.o'r---....----,.----~--....--___r---._--_.__--____;--_____,
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Qsp
0.51'
Q7}J
'1'
1.5p
45
2IJp 2Sp.
Bild I . Pro em Saulenlange ausgcstrahlte Energie in Watt pro Einheit der Abszissenskala; Hg-Darnpfdruck etwa 20 Atrn : in Luft brennend.
von 68% gemessen, welcher Betrag dureh die Korrektion auf 75% erhoht wurde ----: 4te Zeile der Tabelle I). Die angegebenen Strahlungsausbeuten sind Mindestwerte, weil eine eventuell vorhandene Hg-Strahlung mit einer WellenHingegrosser als etwa 3 (J. oder kleiner als 0,2 (J., nicht mit einbegriffen ist.
§ 3. Ergebnisse. In den Bildern 1 bis 4 sind die Intensitatsverteilungen fiir einige typische Falle angegeben. Das Rohr von Bild 1 brannte in Luft, wahrend die drei anderen mit Wasser gekiihlt wurden *). Wir haben die total ausgesandte Energie in Watt· fiir ein Gebiet der Einheit der Abszissenskale angegeben. Die Abszissenskale *) Die wassergekllhlten Rohrcn wurden von Herm L e m men 5 im hiesigenLaboratoriurn hcrgestellt, wahrend das in Luft br ennende Rohr ein Fabrikatlonsrohr des Herrn Goo s ken s war (Phil ora H .P. 75 Watt, 30c0 Lumen).
DIE INTENSITATSVERTEILUNG UND DIE GESA~ITSTRAIlLUNG
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gibt direkt den Stand des Prismas an. Wir haben nieht die WellenHinge als Abszisse gewahlt. weil dann das infrarote Gebict einen zu grossen Teil der Bilder beanspruehen wiirde. Uberdies ist bei der gegebenen Darstellung die Spaltbreite unabhangig von der Abszisse. Wenn man die Intensitatsverteilung als Funktion der WelIenHinge darstellt 1), werden die Ordinaten im infraroten Gebiet viel kleiner, denn die Oberflache unter der Kurve muss diesclbe bleiben. Bei dem in Luft brennenden Rohr (Bild I) sind die infraroten Hg-Linien gut zu erkennen. Das Spektrum reicht hier bis etwas tiber 3 fL. Das Fehlen der Strahlung mit grosserer Wellenlange kann dureh Undurch40~--~--~--~---------...,-----r-----.,.----.,
Dvrchmesser 4.% mm ~ 5,8A 135 V"tm § 720w;tm
-l ~- Spa!/breile
5
10
/5;
20 :
;25
: 3 0 , 35 ,
: 40
45
O~p O,5p 0,71' Ip isp 2P 2,5p Bild 2. Pro em Saulcnlange ausgestrahltc Energie in Watt pro Einhcit dcr Abszisscnskala; Hg-Dampfdruek ctwa 20 Atm; wasscrgekiihlt.
lassigkeit des Glasprismas verursaeht sein. Quarzglas von einer Dicke von einigen mm Iangt erst bei etwa 4 [L an zu absorbieren, wahrend es bei 5 [L praktiseh undurchlassig geworden ist 3). Bei den wassergekiihlten Rohren fallt die Wasserabsorption bei 1,47 und 1,97 [L auf. Fiir Wellenliingen grosser als 2,6 [L ist Wasser, aueh in einer Sehieht von etwa ! mrn, undurchlassig. Bei dem in der Praxis verwendeten Kiihlmantel von -~ em Wasser kommt praktiseh keine Strahlung mit grosserer Wellenlange als I-~ [L naeh aussen. In den Bildern 2 bis 4 haben wir den ungefahren Intensitatsverlauf ohne Wasserabsorption gestriehelt gezeiehnet (nach Analogie von Bild I). Wie zu erwarten war, nimmt die Linienbreite und das kontinuierhche Spektrum mit dem Druck zu (Bilder 1 und 2 etwa 20 Atrn, Bild 3 etwa 130 Atm und Bild 4 etwa 200 Atm). Ausserdern nimmt das
864
W. ELEXBAAS
kontinuierliehe Spektrum mit der Stromdiehte zu (Bilder lund 2). Sehliesslieh haben wir in Bild 5 die Strahlung der Hg-Lampe von Bild 4 mit der Strahlung des sehwarzen Korpers vergliehen. Wir haben hier die Intensitat in Watt/ern? im Einheitskegel in senkreehter Richtung angegeben, unter der Annahme dass alle Hg-Strahlung dureh eine gleichmassig leuehtende Flache von einer Breite des halben Rohrdurchmessers ausgesandt wird und dass das Verhaltnis der Gesamtstrahlung zur Strahlung im Einheitskegel senkrecht zur Entladungsbahn 10 betragt. Die obere Kurve (60000 K ) gibt ungefahr die Sonrienstrahlung an. Dureh die Absorption in der Atrnosphare Jo,__---,-----.-----.-----::=--------,--------.----,-----r-----, .",
Durchmesser 2 mm
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l,sp
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Bild 3. Pro em Saulenlange ausgestrahlte Energic in 'VaU pro Einheit der Abszissenskala; Hg-Darnpfdruck etwa 130 Atm; wassergekiihlt.
sehneidet die Sonnenstrahlung bei II [J. praktisch ab (Der Wasserdampf in der Atrnosphare ist aequivalent mit etwa I em Wasser).Wir haben dies gestricheIt angegeben, ebenso wie die Hg-Strahlung mit einem Kiihlmantel von l em. Die Leuehtdichte (Stilb) der Hg-Lampe und des schwarzen Korpers von 5000°C ist ungefahr gleich. (Die der Hg-Lampe ist urn 7% grosser). Auch die Gesamtstrahlungen dieser zwei sind etwa die gleichen: ein schwarzer Korper von 5000 0 sendet im Raumwinkel eins senkreeht zur Flache 5,75 X 54 / t: = 1140 Watt/em2 aus, wahrend die Hg-Lampe 0,75 X 710 X 20/10 = 1065 Watt/em2 in die Raumwinkeleinheit aussendet. Der optische Wirkungsgrad (f; E>.g>.d),/ E>.d),; E=Energie, g=Augenempfindlichkeit) der Hg-Lampe von Bild 5 ist, da die Totalstrahlung 75% der zugefiihrten Leisti.mg betragt und die Liehtausbeute 65 Lumen pro Watt ist, 65/0.75 X 621 = 13,9%. Der maximal erreichbare Welt beim schwarzen Korper ist 14% (Temperatur etwas tiber 60000 ), sodass, selbst bei
r::
865
DIE IXTEXSJTAT5VERTEIL U!\G U!\D DIE GE SAMTSTRAHLUXG
Vernachlassigung der Ab sorption der Hg-Strahlung im Kiihlwasser, die Warmewirkung der Hg-Lampe b ei gleichcr Lichtmenge praktisch gleich der des giinstigst en sch warzen Korpers ist. Vergleicht man die Hg-Lampe mit Wo-Lampen, so ist die Gesamtst rahlung bei gleicher Lichtmeng e bei der Hg-Lampe geringer, sodass ein e entspre ch end geringere Erwarmung stattfindet. Die Hg-Lampe von 710 Watt hat ein e Lichtau sb eute von 65 Lumen/Watt , sodass sie 46 103 Lumen au ssendet. Die Gesamtstrahlung bet ragt 0,75 x x 710 = 530 Watt (Tabelle I) . Urn 46 103 Lumen mit eine r gasgefiillten Wo-Lampe von 100 St unde n Brenndauer zu erzeuge n, braucht man ungefahr 1700 Watt, welche Energie nahezu ganz in Strahlungsenergie verwandelt wird. Die Hg-Lampe ist also, was die Warmewirkung bei gleicher Lichtmenge betrifft. etwa uin einen Faktor3giinstiger als die Wo-Lampe. Hierbei haben wirdieim Kiihlwass er st attfindende Absorption der Hg-Strahlung nicht in Rechnung getragen, sodass in praktisch en Fallen das Veih altnis d er Warmewirkungen noch giins t iger wird. TA BELLE I T ota l s t ra hlung
D urc h messer 4} mrn . 0.4 A 120 V{crn D ur ch rnesse r 4! 10m 5.8 A 135 Vfern Du rchmesser 2 mm 1.2 A 500 Vfem Du rc hrnesser I rnm I. ( A 800 Vfe m Sc hwarzer Korper bei 300O· Sc hwarzer Korp er b ei 6000·
44%
,
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LichtSich tbar In fra rot ausbeute l.!lt ra VIole tt 0. 4!L < A A> 0.7[1- berechnet < 0. 4 !L < 0.7!L (LIn{W)
45%
28 %
Lich t ausbeu te gem essen (L m{W)
27 %
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55 %
46 %
26 %
28%
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69 % 0)
40 %
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30%
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75 %
3 1%
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3 4%
60
65
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10 %
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50 %
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I
0) Friih er haben wir (zusamrnen m it W. d e G roo t» fiir ein Rohr von 2 mill Durchmesser 1.35 A 400 Vfcrn eine Strahlungsnu sb eute von 50% angegeben. Di ese Zahl ist zu kl ein, da wi r d arnals die \\'asserabsorption (wir ge b ra uch t en einen Ktihlm ant cl vo n e t wa ! ern D icke) ni eht berticksichtl gt en und auch eine Lampe gebra ucht en , welche sc hon Ia nger e Zeit in Betrieb gewesen wa r. Aus Bild 3 folgt b ei Anwendung eine s Kiihlm antcls v on! Clll Dick e ei ne Stra hlungsausb eut e vo n 58 %. D er Unt erschied von 58% m it d em d arn a ls an gegeb en en \\'ert von 50 % is t a lso die Fo lge d er Ver wen du ng einer nlc h t n eu en Lampe. Die An gaben d er T a belle J gellen Iilr neu e Rohr en, Infol ge der hoheren S tra h lu ngsa usbeut e is t ein gro sse r Tei l de r fr Uher 7) Iest gestellten Unst inu nigkcit zwi sc he n St rahlungsau sb eut e, Wiir meleilfiihigkeit d es Quarzglases und gesc ha tz ter Inn en wandt empcr atur a ufge ho ben .
Ph ys ica II I
55
E66
\Y. ELEKBAAS
In Tabelle I haben wir in der ersten Spalte die nach § 2 bestimmten totalen Strahlungsausbeuten fiir die 4 Rohren angegeben. In der zweiten bis vierten Spalte ist angegeben, wie diese Strahlung tiber die drei Gebiete: ultraviolett (bis 0,4 [L), sichtbar (0,4-0,7 fl.) und infrarot (A> 0,7 fl.) verteilt ist, Die Zahlen geben den Prozentsatz der Gesamtstrahlung der auf das betreffende Gebiet fallenden Energie an, wobei die infrarote Strahlung ohneWasserabsorption angegeben ist. Verwendet man einen Kiihlmantel von! ern Wasserdicke, so geht die Infrarotstrahlung der Hg-Rohren auf etwa die Halfte des angegebenen \Yertes zuriick. Der bei zunehmenden Druck abnehJOr----.,.----,----r-----o=-----r--------.-----,------,-----, Durchmesser lmm I.lA 800 '?1;m 7IOW/em --lI--SpallbrOile
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Bild 4. Pro em Saulenla.n gc ausgestrahlte Energic in Wat t pro Einheit der Abszissenskale; Hg-Dampfdruck etwa 200 Atrn.r wassergckiihlt.
mende Ultravioletprozentsatz wird wahl hauptsachlich die Folge der Verbreiterung der Absorptionsbanden der beiden Resonanzlinien sein. Auch fiir schwarze Korper von 3000° und 6000° haben wir die Lichtausbeute und die auf die drei Gebiete entfallende Strahlungsenergie in Prozenten der Gesamtstrahlung angegeben. Um Aufschluss tiber die Linienbreite zu bekornmen, wurden Aufnahmen mit schmalem Spalt gemacht, welche in den Bildern 6 und 7 wiedergegeben sind. Bild 6 ist mit einem Glasspektrographen und panchromatischer Platte aufgenommen, wahrend BUd 7 mit einem Quarzspektrographen und Ilford Zenith Platte aufgenommen wurde. § 4. Das Intensitdtsuerluiltnis der gelben zur griinen Linie. \Yenn man die Spektren der Hg-Entladungen vorn 1 Atm Typus mit denen von Super-Hochdruckrohren vergleicht, so fallt die geringe intensihit der gelben Linien (5770-5791 A) bei den Super-Hochdruckroh-
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Abb, 7 a. b. c.
d. e. f. g.
Hg Hg Hg
Aufnahmo mit Quaraprismn auf Zenith Platte.
Nicdcrdruck Hochdruck 1 Atm. Typus, Super-Hochdruck in Luft 4'/4 mm Durchm 0.4 A wasscrgck, 4'/. ,; 5.6 A 2 1.2 A 1 1.1 A wic a.
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V/crn V/crn V/crn V/crn
DIE INTENSITATSVERTEILUNG UND DIE GESA)lTSTRAHLUNG
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ren auf. Vergleichen wir z.B. die Intensitatsverteilung von Bild 1 mit derjenigen eines Rohres von grosserern Durehmesser mit gleieher vcrdampfter-Hg-Menge (m) pro em Rohrliinge (also niedrigerem Druck) und gleicher Leistung pro em Saulenlange (L), so erwarten wirnach friiheren Betrachtungen 4), dass wir mit ahnlichen Enrladungen zu tun haben. Abgesehen vom kontinuierlichen Spektrum und von der Verbreiterung der Linien zufolge des gr6sseren Druckes erwarten wir im Super-Hochdrukrohr alsorlieselben Intensitatsverhaltnisse, weil die Besetzungen der Niveaus dureh B a 1 t z man n gegeben sind und die Temperaturen in iihnlichen Entladungen gleich 125ir --
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BiId 5. Intcnsitat in Watt/em' pro Einheitskegel und Einheit der Abszissenskale; Hg-Entladung bei I mrn Rohrdurehrnesser 1,1 A, 800 V [ctti, 71O'V [ctti und Plancksche Strahlung bei 6000°,5000°,4000° und 3000°. (1) Hg-Strahlung nach Durehsetzen eines Kuhlmantels von! em Dicke (2) Planeksehe Strahlung von 6000° naeh Durehsetzen von 1 em 'Vasser.
sind. Ein Rohr von 27 mm innerem Durehmesser und gleichen nt und L Iiefert mit derselben Apparatur gemessen ein Intensitatsverhaltnis gelbjgriin von 1,36, wahrend Bild I nur 0.55 liefert. Das Verhaltnis der griinen zur blauen Linie ist in beiden Fallen wahl ungefahr gleich (Abweichung 15%). Es sind also die gelben Linien, welche sich aussergewohnlich verhalten. Als Ursaehe fur die kleine Intensitat der gelben Linien wollen wir folgende ~I6glichkeiten betrachten:
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1) Die Temperatur der Eritladungsbahn konnte im Super-Hochdruckrohr niedriger sein und demzufolge wiirde das gelbfgriin Verhaltnis geringer sein 5), da die gelben Linien hohere Anfangsniveaus haben als die griine Linie, m.a.W. das Ahnlichkeitsgesetz wiirde hier nicht mehr genau gelten. Diese Erscheinung spielt wahrscheinlich eine Rolle, denn der Gradient ist im 4! mm Rohr bei 120V fcm grosser (etwa 20% - bei zunehmendem Druck wird die Abweichung grosser) als man nach den Ahnlichkeitsbetrachtungen erwartet *), jedoch wiirde man im Intensitatsverhaltnis eine Abweichung erwarten, die von derselben Grosse ist wie diejenige im Gradienten, sodass die niedrigere Temperatur wohl nicht die einzige Ursache fiir die relativ kleine Intensitat der gelben Linie im Super-Hochdruckrohr sein kann [). 2) Wegen der grossen Dichte in der Super-Hochdruckentladung kommt es oft vor, dass ein angeregtes und ein normales Hg-Atom einander so nahe kommen, dass die Hohe der Energieniveaus sich merklich andert. InBild 8 haben wir die Hohe der Anfangs- und Endniveaus der gelben und griinen Linien als Funktion des Abstandes der beiden Kerne schematiscb gezeichnet. Da die Besetzung der Niveaus proportional c-et·/ k T ist, wird bei gleicher Temperatur die Besetzung mit der Dichte zunehmen infolge des Fallens der Potential kurven. Die relative Besetzung der Anfangsniveaus ist durch c-e(t,,-t,.l/kT gegeben und ist also ausser von der Temperatur nur vom Energieunterschied der Niveaus abhangig und nicht vom Absolutwert der Hohe, Nun bleiben jedoch die Energieunterschiede der Niveaus (ausser in dem Falle dass das eine das Grundniveau ist) ungefahr gleich, denn die Linien verschieben sich nicht bedeutend und auch die Verbreiterung der Linien ist klein (die Breite der Nichtresonanzlinien entspricht Unterschieden von der Grossenordnung 10-2 bis 10- 1 Volt im Abstand der Potentialkurven). Dieser Effekt kann also nur geringen Einfluss haben. 3) Einfluss der verschiedenen Linienbreiten auf die Absorption. Nach Bild 8 muss bei zunehmenden Druck die pro Atom verur*) Die Aehnliehkeitsgesetze sind also innerhalb einer Genauigkeit von einigen Prozenten nicht fiir solehe kleine Durehmesser giiltig als wir im Ingenieur :;0, E 83, 1935 behaupteten, Wahrschelnlich ist dort hei 2 mm Durehmesser (Tabelle V) nieht alles abgewogene Hg in das Rohr gedampft worden, was einen kleineren Gradienten Iiefert und die genaue Uebereinstrmmung vortauschte. t) Die niedrigere Temperatur irn Super-Hochdruckrohr is t viclleicht die Folge rler erhohten Abstrahlung dureh das kontinuierliehe Spcktrum lind infoIge der Ernicdrigung der Energieuiveaus.
DIE INTENSITATSVERTEILUNG UND DIE GESA~ITSTRAIlLUNG
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sachte Absorption abnehmen da sowohl die Emissionslinie wie die Absorptionslinie sich stark verbrei tert, sodass die Resonanz zwischen Lichtquant und Atom weniger scharf wird.]e mehr der Abstand der Potentiaikurven sich andert, d.h . je mehr die Linie sich mit zunehmendem Druck verbreitert, desto grosser ist dieser Effekt. Nun ist am Original des. Biides 6 deutlich zu sehen, dass die griine Linie sich starker verbreiten: als die beiden geiben Linien, sodass die Absorption der grunen Linie relativ .zu der der gelben Linien abnehrnen muss . Dies hat bei zunehinendem Druck und gleicher Entladungstemperatur ein Hervortreten der griinen Linie zur Folge.
V 1
I
Bild 8. Termhohe als Funktion des Abstandcs der Kerne (schcmatisch).
4) Vergrosserung der Absorption auf Grund der drei einander beeinflussenden gelben Linien. Zwei der gelben Linien (5790 und 5791 A) fallen sehr nahc zusammen, wahrend die dritte Linie 20 A entfernt liegt (5770 A). Betrachten wir die beiden Linien 5790 und 5791 A als eine, so sind die zwei Linien bei 5790 und 5770 A ungefahr gleichstark. Ist die Verbreiterung der zwei Linien so stark geworden, dass die Linien einander tlberdeckcn, so hat dies eine ErhOhung der Absorption zur Folge. In BUd 9 haben wir drei Energieniveaus gezeichnet: a ist das Endniveau und c und b die Anfangsniveaus der beiden geiben Linien. Die Tatsache, dass die Linien einander iiberdecken, beweist dass Wertepaare r, und z, anzugeben sind, fiir welche gilt: (b - a)" = (c-a)". Wird nun ein Quant ernittiert durch Ubergang von b nach a beim Abstand f l , so kann dieses ohne Ubertragung kinetischer Energie durch ein Atom irn Zustand a nicht nur dann absorbiert werden,
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wenn ein zweites sich im Abstand 1'\ bcfindet, sondern auch, wenn ein zweites Atom sich im Abstand 1'2 bcfindet, denn dann ist ein Ubcrgang nach Zustand c moglich *). Bei der Entladung von Bild 1 Iiingt dieser Effekt eben an cine Rolle zu spic1en, denn nach Bild 6 fangen die gelben Linien dort an, einander zu uberdecken. Bei den grosseren Drucken (Bilder 3 und 4) kann dieser Effekt eine bedeutende Rolle spielen, denn im Falle dass die Linienbreite gross gegen dem Abstand der Linien wird, wird der Absorptionskoeffizient fiir die gc1ben Linien urn etwa einen Faktor zwei vergrosscrt (die zwei gclben Linien sind ungefahr gleich stark).
v
c
f
Bild 9. Vergrosser te Absorptionswahrscheinlichkeit bei Ueberdcckung zwcicr Linien,
Betrachten wir nun die gelbjgriin Verhaltnisse der Bilder 1 bis 4. In den Bildern 2 und 4 sind die Leistungen pro em Saulenlange ungefiihr gleich. Die Temperatur der Entladungsbahn in Bild 4 schatzen wir etwas hoher; da sich hier weniger Hg-Atome pro em Lange im Rohr befinden. Das dennoch kleinere gelbjgriin Verhaltnis in Bild 4 ist wohl hauptsachlich dem obengenannten Effekt 4 zu verdanken. In Bild 2 wird ein gelbjgriin Verhaltnis erreicht, welche aueh bei Rohren vom 1 Atm Typus vorkommt. Hier wird der Einfluss obengenannter Effekte durch die hohere Temperatur (zufolge der grossen Leistung bei verhaltnismassig niedrigem Druck - mist etwa gleich *) Dcr Energieverlus t infolge diescr vergrosscrtcn Absorption kann gering sein, da entspreehend weniger Energie benotigt ist um die Besetzung des Anfangsniveaus auf den von B 0 I t z man Il geforderten "'ert zu halten. Die gesamte Strahlungsnusbeutc wir d also dureh die Absorption nieht bedeutend gcandert, wohl aber die Encrgieverteilung, I
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der Hg-l\Ienge bei einem Rohr von I Atm und 20 mm Durchmesscr) aufgehoben. In den Bildern lund 2 sind die Dampfdichten ungefahr gleich. Die grossere Intensitat der gelben Linien in Bild 2 ist also hauptsachlich der hoheren Tcmperatur (wegen der hoheren Leistung) zu verdanken. Berechnet man den Temperaturunterschied (T 1 - T 2/T1T2 ) in diesen beiden Fallen aus dem Absolutwert der Intensitat (in Bild 2 urn einen Faktor 10 grosser) und mit diesem Tcmperaturuntcrschied die zu erwartende A.nderung des gelb/grun Verhaltnisses, so findct man cincn Faktor 1,4, wahrend aus Bildern I und 2 ein Faktor 2 foIgt. Auch bei den Entladungen vom I Atm Typus wurde gefunden, dass das gelbjgriin Verhaltnis sich schneller andert als man auf Grund der Anderung des Absolutwerts der Intensitiit erwartet 6). Eingegan gen am 26. :\Iai 1936.
Eindhoven, den 5. l\Iarz 1936.
LITERATV RVERZEICHNIS I) 2) 3) 4) 5) 6) 7)
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