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Jedes Gas enthält stets positiv und negativ geladene
Elektrizitätsträger, die als Ionen bezeichnet werden. Ihre
Ladung ist gleich der elektrischen Elementarladung
oder einem Vielfachen davon. Meist haben die Ionen aber die einfache
Elementarladung, ihre Massen hingegen können in weiten Bereichen variieren.
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Abbildung 3-1 Die Bewegung der Ionen im elektrischen Feld eines Kondensators
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Befinden sich Ionen in einem elektrischen Feld, so wirkt auf sie
eine beschleunigende Coulombkraft entlang der elektrischen
Feldlinien. Dadurch setzen sich die Ionen in Bewegung und
driften auf die entgegengesetzt geladene Kondensatorplatte zu.
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Denken wir uns ein Gas, z.B. Luft, das sich im Zwischenraum zweier
Metallplatten befindet, deren eine geerdet, die andere unter negative Spannung
gesetzt ist (Abbildung 3-1); dann werden die positiven Ionen in Richtung der
elektrischen Feldlinien (die defintionsgemäß von positiven Ladungen
ausgehen und in negativen Ladungen enden), die negativen in die Gegenrichtung in
Bewegung gesetzt und so lange beschleunigt werden, bis die beschleunigende
Coulombkraft und die geschwindigkeitsabhängige Reibungskraft der Ionen an
der Luft ein Gleichgewicht finden. Von da an wandern die Ionen mit einer nur von
ihrer Größe und der elektrischen Feldstärke abhängigen, Hess
konstanten Geschwindigkeit weiter, bis sie zu einer der beiden Leiterplatten
gelangen, wo sie ihre Ladung abgeben. Die Geschwindigkeit, die ein Ion bei einer
elektrischen Feldstärke von 1 V·cm-1 erreicht, ist eine
typische Größe für dieses Ion und wir bezeichnen sie daher als
die Beweglichkeit k des Ions.
Für die Leitfähigkeit der Luft sind fast immer Ionen in Form von
geladenen Atomen verantwortlich. Freie Elektronen stehen als Ladungsträger
fast nie und nur in Ausnahmefällen zur Verfügung, so in sehr reinem
Stickstoff und in den reinen Edelgasen. In diesen Gasen ist die Beweglichkeit der
negativen Elektronen etwa hundert mal größer als die der positiven
Atome. Das rührt daher, dass die Elektronen sehr viel kleiner und daher
viel beweglicher als die Atome sind. Die große Beweglichkeit der negativen
Ionen in Edelgasen verschwindet sofort bei Beimengung geringer Mengen anderer
Gase wie Sauerstoff und Kohlendioxid, weil sich die Elektronen sofort an diese
Gasmoleküle anlagern. In der normalen Luft tragen also freie Elektronen
zum Ladungstransport nicht bei und sind somit von keinem Einfluss auf die
Leitfähigkeit der Atmosphäre. Allerdings ist auch der Fall selten,
dass ein Ion als Ladungsträger aus einem einzelnen Atom besteht.
Ladungstragende Einzelatome oder Einzelmoleküle sind in der Luft nicht
beständig, sondern gehen rasch durch Anlagerung an andere Atome in
sogenannte Cluster über, wodurch ein Atom- oder Molekülverband
entsteht, der dann im elektrischen Feld die Ladung transportiert.
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Abbildung 3-2 Ionen-Cluster
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Anziehende elektrische Kräfte zwischen Ionen und neutralen
Atomen führen dazu, dass sich größere Cluster
bilden können. Diese leichten Cluster sind um einiges
größer als die einzelnen Atome und können sich
daher nur langsam durch das Medium bewegen.
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Diese leichten Ionen (Cluster), deren Beweglichkeit k in
Gasen von Atmosphärendruck die Größenordnung 1 cm·s-1
bei einer elektrischen Feldstärke von 1 V·cm-1 aufweist,
vermitteln vorwiegend die Elektrizitätsleitung der freien Atmosphäre.
Meistens befinden sich in der Luft Verunreinigungen, sogenannte Aerosole
wie z.B. Wassertröpfchen bei Nebel, aber auch Verbrennungsprodukte wie
Russteilchen, Staub und anderes, also große Teilchen, an die sich die Ionen
ebenfalls anlagern können. Dadurch entstehen große und schwere Ionen,
die stark an Beweglichkeit einbüßen. Die Beweglichkeit dieser sehr
schweren Ionen variiert je nach der Größe zwischen 10-2
und 10-3 cm·s-1 bei einer Feldstärke von
1 V·cm-1. Wenn die beiden Platten des Kondensators einen Abstand
von 10 cm aufweisen und die Spannungsdifferenz 200 V beträgt, dann
ergibt sich für die kleinen Ionen eine Geschwindigkeit von etwa
30 cm·s-1, die dann die Entfernung zwischen den beiden Platten in
einer Zeit von 1/3 s durchlaufen würden. Die
großen Ionen benötigen dafür etwa 500 bis 1000 s.
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Abbildung 3-3 Ein schweres Ion
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Ein schweres Ion entsteht, wenn sich ein Ion, durch elektrostatische
Kräfte angezogen, an einem Aerosol (Staub, Russ, usw.) anlagert.
Dadurch büßt das Ion praktisch seine Beweglichkeit in der
umgebenden Luft ein.
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In der Atmosphäre werden ständig und allerorts Ionen erzeugt.
Die Stärke der Ionisation ist durch die Zahl der Ionenpaare gegeben, die
pro Sekunde und Kubikzentimeter erzeugt werden. Gleichzeitig werden Ionen durch
verschiedene Prozesse auch wieder vernichtet oder für den Ladungstransport
in der Luft irrelevant gemacht. Entweder kommt es zu Widervereinigung mit Ionen
entgegengesetzten Vorzeichens, wodurch ein elektrisch neutrales Teilchen
entsteht, oder das Ion lagert sich an ein sehr großes, ungeladenes
Teilchen (Staub, Nebel, etc.) an, wodurch es seine Beweglichkeit
einbüßt. Außerdem kann das Ion durch Diffusion,
Adsorption, oder elektrische Konvektion wegtransportiert werden,
und steht dann für einen Ladungstransport nicht mehr zur Verfügung. Der
wichtigste Effekte dabei ist die Wiedervereinigung, auch Rekombinierung
genannt. Sobald in einem Gasvolumen gleichzeitig positiv und negativ geladene
Teilchen bestehen, muss auf Grund elektrischer Anziehungskräfte eine
Tendenz zur Wiedervereinigung entgegengesetzter Ladungen bestehen. Die
Rekombinierung wird offenbar umso öfter erfolgen, je mehr positive als auch
negative Teilchen im Volumen anwesend sind, wodurch sich die Zahl der im Volumen
pro Zeiteinheit durch Rekombinierung verschwindenden Ionen anschreiben lässt
als: n = α · n+ · n-,
wobei n± die Anzahl der positiven und negativen Ionen angibt;
α heiße Wiedervereinigungskoeffizient und hat die Dimension
cm3·s-1. Die Dimension von n ist
Teilchen·cm-3·s-1. Gleichzeitig werden vom Ionisator q
Ionenpaare·cm-3·s-1 erzeugt. Dadurch ist die Änderung
der Anzahl der Ionen gegeben durch:
Bei gleichzeitiger Wirkung des Ionisators und der Rekombinierung muss sich nach
einiger Zeit ein Gleichgewicht einstellen, in dem die Gesamtionenzahl
unveränderlich bleibt:
In diesem Zustand hängt die Ionenzahl durch folgende Beziehung nur mehr
von α und q ab:
Zur Ionendiffusion kommt es dort, wo ein Gefälle der Ionenkonzentration
im Gas besteht, z.B. an der Grenzfläche zwischen der stark ionisierten
Bodenluft und der relativ ionenarmen Luft darüber. Adsorption ereignet sich
dort, wo ein Hess ionisiertes Gas an die Oberfläche eines Leiters grenzt (z.B.
ein Meer oder eine metallische Oberfläche). Durch Influenz erzeugt
jedes Ion eine entgegengesetzt geladene Spiegelladung im Leiter, was zu
einer anziehenden Wirkung zwischen dem Leiter und dem Ion führt. Diese
Ionenadsorption hat eine Reichweite von etwa 0.1 mm und kann daher in den
meisten Anwendungsfällen vernachlässigt werden.
Konvektion bedeutet, dass ein Transport durch Luftbewegung stattfindet.
Die elektrische Konvektion kann zu einem starken Transport von Ladungen
führen und so eine beträchtliche Verminderung der Ionenzahl bewirken.
In der freien Atmosphäre ist diese Auswirkung aber gering, da im Schnitt
durch die Grenzflächen eines betrachteten Volumens gleich viele Ionen
ein- wie austreten.
Wichtig für alle Messungen, die mit Ionisation zu tun haben, ist der
Begriff des Sättigungsstromes, der im folgenden besprochen
werden soll (Abbildung 3-4): Wir betrachten wieder einen Kondensator, der aus
zwei Leiterplatten mit entgegengesetzter Ladung besteht. Es ist eine
Erfahrungstatsache, dass die Luft unserer Atmosphäre stets leicht
ionisiert ist. Aus der entgegengesetzten Ladung, die auf den beiden
Kondensatorplatten aufgebracht ist, ergibt sich eine Potentialdifferenz und
damit ein elektrisches Feld. Die Ionen, die sich im elektrischen Feld des
Kondensators befinden, beginnen sich zu bewegen und werden gegen die
entgegengesetzt geladene Elektroden hin getrieben, wo ihre Ladungen
ausgeglichen werden.
Solange das elektrische Feld nicht zu stark ist, kann die Zahl der im
Konvektionsstrom abtransportierten Ladungen im Vergleich zur Gesamtionenzahl
vernachlässigt werden. In diesem Fall ist der Ionenstrom proportional zur
am Kondensator angelegten Spannung, I α U, das Ohmsche Gesetz gilt. Man spricht
hier auch vom freien Strom. Wird aber die Spannung weiter erhöht,
so wächst die Zahl der pro Zeiteinheit zur Elektrode geführten
Ladungen, die verfügbare Zahl an Ionen im Volumen sinkt stetig, und damit
auch die Leitfähigkeit des Gases. Die Stromstärke wächst nicht
mehr proportional mit der Spannung, sondern langsamer. Schließlich wird
die Feldstärke so hoch, dass gänzlich alle Ionen abtransportiert
werden, die im Volumen pro Zeiteinheit entstehen. Dann ist der Strom in dem
Sinn nicht mehr von der Spannung am Kondensator, sondern vom Volumen im
Kondensator und von der Ionisationsrate abhängig.
e ....... Elementarladung e = 1.602·10-19 Cb
q ....... Ionisationsrate in Ionenpaare cm-3·s-1
V ....... Volumen in cm3
Einen solchen Strom nennt man Sättigungsstrom. Er ist dadurch charakterisiert,
dass bei weiterer Steigerung der Spannung am Kondensator die Stromstärke
unverändert bleibt. Ist das genaue Volumen bekannt, so kann man vom gemessenen
Sättigungsstrom auf die Ionisation im Kondensator zurückrechnen. Kommt
als Ionisationsquelle zum Beispiel nur ionisierende Strahlung in Frage, so kann
man dann weiter vom Sättigungsstrom auf die Intensität der Strahlung
rückschließen. In der Atmosphäre reichen meist Feldstärken
von 10 bis 50 V·cm-1, um den Sättigungszustand zu erreichen.
Man sieht daraus sofort, dass die Spannung am Kondensator umso höher sein muss,
je größer das Messgerät ist, und je weiter die Kondensatorplatten
dadurch voneinander entfernt sind.
Die Geschwindigkeit, mit der sich die Ionen im Gas bewegen, ist abhängig
davon, wann das Gleichgewicht zwischen der Coulombkraft und der
geschwindigkeitsabhängigen Reibungskraft erreicht wird. Bei hohen
elektrischen Feldstärken können jetzt die Ionen derartig stark
beschleunigt werden, dass ihre Energie ausreicht, andere Atome oder
Moleküle im Gas zu ionisieren, die dann im elektrischen Feld ebenfalls
so lange beschleunigt werden, bis sie ihrerseits zu einer solchen
Stoßionisation anderer Gasmoleküle fähig sind.
Wenn dies der Fall ist, kommt es zu einer neuerlichen starken Vermehrung
der anwesenden Ladungsträger, und daher zu einem Anstieg der
Leitfähigkeit der Luft, was auch den Entladungsstrom entsprechend
ansteigen lässt.
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Abbildung 3-4 Spannungsbereich, in dem ein Sättigungsstrom fließt
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Die Ionisationsmessungen, die in dieser Arbeit dargestellt werden sollen,
sind fast durchwegs im Bereich des Sättigungsstromes ausgeführt
worden, da man ja vom gemessenen Entladungsstrom möglichst direkt auf
die dafür verantwortliche ionisierende Strahlung schließen
können wollte. [4]
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