Glimmentladung
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Eine Glimmentladung ist eine Gasentladung, die selbständig zwischen zwei an einer Gleich- oder Wechselspannungsquelle liegenden kalten Elektroden bei niedrigem Gasdruck auftritt. Die Farbe des Glimmens hängt vom Gas ab, für Neon zum Beispiel ist sie rötlich.
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[Bearbeiten] Anwendung
Die durch die Entladung entstehenden Lichtemissionen werden in Leuchtröhren und Glimmlampen zur Beleuchtung bzw. Anzeige verwendet.
In der Vakuumtechnik wird beim Beglimmen eine Glimmentladung zur Reinigung von zu bedampfenden Oberflächen eingesetzt. Dazu wird im Rezipienten ein Vakuum von 10-2 bis 10-3 mbar eingestellt und mit einer regelbaren Hochspannungsquelle eine Glimmentladung zwischen einer Ringelektrode und Masse aufgebaut. Die sich im ganzen Rezipienten ausbreitende Gasentladung (Plasma) sublimiert und oxidiert auf den Oberflächen anhaftende Verunreinigungen, z. B. organische Verbindungen, die mit anderen Reinigungsmethoden nur schwer zu entfernen sind.
[Bearbeiten] Räumliche Struktur der Entladungsstufen
Von der Kathode zur Anode schreitend, lässt sich die Glimmentladung in acht aufeinanderfolgende Schichten unterteilen:
- Der Kathode am nächsten ist der Aston-Dunkelraum. Er ist ziemlich dünn, jedoch gut sichtbar, wenn sich Edelgase oder Wasserstoff in der Entladungsröhre befinden.
- Es folgt eine dünne, rötliche Lichthaut, die als erste Kathodenschicht oder Kathodenglimmhaut bezeichnet wird.
- Daran schließt sich eine lichtschwächere Zone an, welche Hittorf- oder Crookes-Dunkelraum oder auch kathodischer Dunkelraum genannt wird.
- Der hellste Teil des Entladungsvorganges ist das negative Glimmlicht, welches vom Hittorf-Dunkelraum klar abgegrenzt ist und zur anderen Seite hin schwächer wird. Der große Spannungsabfall zwischen Kathode und Einsetzen des Glimmlichts heißt Kathodenfall.
- Die darauf folgende lichtlose Zone nennt man Faraday-Dunkelraum.
- Weiter schließt sich die Positive Säule an, die je nach Druck und Gasfüllung als hängendes Lichtband oder in Form von getrennten Schichten in Erscheinung tritt.
- In der Nähe der Anode tritt das Anodische Glimmlicht auf.
- Direkt an der Anode befindet sich der Anoden-Dunkelraum.
[Bearbeiten] Eigenschaften
1:Unselbstständige Entladung
2) Glimmentladung
3) Lichtbogenentladung
Im Unterschied zu anderen Gasentladungsformen bleibt in der Glimmentladung die Temperatur der Elektroden und Wände gering, da durch die geringe Stromdichte und den damit verbundenen Aufprall von Ladungsträgern nur wenig Wärme freigesetzt wird.
Durch den für Glimmentladungen typischen geringen Gasdruck ist die mittlere freie Weglänge der Elektronen größer als bei atmosphärischen Entladungen. Hierdurch wird bei Glimmentladungen der Energieaustausch zwischen Elektronen und den schwereren Gasteilchen (Atome, Moleküle und Ionen) verringert, da die Anzahl der Teilchenstöße abnimmt. Die Temperaturen der einzelnen Gasbestandteile weichen deshalb erheblich voneinander ab. Wird die mittlere Energie der Elektronen in eine Temperatur umgerechnet, so ergeben sich Temperaturen von 103 bis 105 K. Die Temperatur der Ionen und Neutralteilchen bleibt hingegen in der Nähe der Raumtemperatur. Man spricht in diesem Fall auch von einem nichtthermischen Plasma.
Das negative Glimmlicht und auch die oben beschriebe Schichtung der positiven Säule kommt dadurch zustande, dass die Elektronen zwischen den einzelnen Schichten jeweils soweit beschleunigt werden, bis sie die für die Anregung des Gases erforderliche Energie aufgebaut haben. Ausgehend von der Kathode werden die Elektronen durch das elektrische Feld beschleunigt. Solange ihre Energie unterhalb der Anregungsenergie des Gases bleibt, sind die Stöße zwischen den Elektronen und den Neutralteilchen des Gases im wesentlichen elastisch. Bei einem elastischen Stoß zwischen zwei Körpern mit stark unterschiedlicher Masse, bleibt die kinetische Energie des leichteren Stoßpartners (in diesem Fall des Elektrons) nahezu erhalten. Ist die Energie der Elektronen durch die Beschleunigung im Feld so groß, dass die Anregungsenergie des Gases erreicht ist, so werden die Gasteilchen angeregt und die Anregungselektronen verlieren den größten Teil ihrer kinetische Energie (inelastischer Stoß). Die angeregten Gasteilchen verlieren ihren Anregungszustand über optische Strahlung. Die erste Leuchtschicht ist deshalb der Bereich, an der die Elektronen das erste Mal durch die Beschleunigung im elektrischen Feld die für die Gasart erforderliche Anregungsenergie aufgebaut haben. Die abgebremsten Elektronen werden von diesem Bereich aus durch das elektrische Feld wieder beschleunigt, bis sie ein weiteres Mal ihre Energie durch Anregung der Gasteilchen verlieren. Durch diesen Mechanismus werden die verschiedenen Leuchtschichten aufgebaut.
Die Ausprägung der positiven Säule hängt ab von der Wechselwirkung der Elektronen mit dem Glasrohr. Das Glasrohr bremst die Elektronen und verringert so die Elektronendichte in der Rohrmitte. Dadurch erhalten die verbleibenden Elektronen genügend Energie, um weitere Atome zu ionisieren. Ist der Durchmesser des Rohres relativ zu den Elektroden zu groß, bildet sich keine positive Säule aus. Aus diesem Grund gibt es keine kugelförmigen Leuchtstoffröhren.
Eine deutliche Ausprägung der Leuchtschichten ist nur dann möglich, wenn es sehr definierte Anregungszustände im Gas gibt. Aus diesem Grund sollten für Beobachtung des Phänomens im Experiment keine Gasgemische verwendet werden und das Gas sollte eine einfache elektrische Anregungsstruktur besitzen, wie es z. B. bei Edelgasen der Fall ist.
