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Verfahren zur Bestimmung von Verunreinigungen in Edelgasen, Stickstoff und Wasserstoff.
Wenn man ein Gas auf irgendeine bekannte Weise ionisiert (z. B. durch Röntgen-oder Radium- strahlen, Glühemission usw. ) und gleichzeitig ein elektrisches Feld anlegt, so wandern die entstandenen positiven und negativen Elektrizitätsträger (Ionen), dem elektrischen Felde folgend, mit einer gewissen
Geschwindigkeit durch das Gas. Diese Geschwindigkeit, bezogen auf die Einheit der Feldstärke, heisst
Beweglichkeit und ist in gewöhnlichen Gasen von der Grössenordnung 1 em/sec je 1 Volt/em. In diesem Falle sind die elektrischen Ladungen je an ein oder mehrere Gasmoleküle gebunden. In sehr reinen Edelgasen sowie überhaupt in Gasen, die keine Neigung zur negativen Ionenbildung haben, z. B. Stick- stoff oder Wasserstoff, trifft dies für die negativen Ladungen nicht zu.
Die negativen Ladungen sind ja ursprünglich vom Ionisationsvorgang her freie Elektronen und bleiben in solchen Gasen mindestens auf eine gewisse Zeit frei, wodurch ihre Beweglichkeit um mehrere Zehnerpotenzen grösser ist als diejenige normaler negativer Ionen. Diese Eigenschaft kann nun zur Überwachung und Messung der
Reinheit der genannten Gase verwendet werden. (Grundsätzlich wäre es auch bei andern Gasen möglich, durch Beweglichkeitsmessungen die Reinheit oder die Zusammensetzung zu überprüfen, für die praktische Verwendung dürften aber die geringen Unterschiede in der Beweglichkeit meist nicht ausreichen. In dem erwähnten Falle der Verunreinigung von Edelgasen mit elektronegativen Gasen, z. B.
Sauerstoff oder Wasserdampf, ist dagegen immer eine sehr hohe Genauigkeit zu erzielen.)
Die Durchführung der Messungen soll an einigen Beispielen erläutert werden.
Fig. 1 der Zeichnung zeigt eine Einrichtung für Wechselstrommessungen. An der lichtempfindlichen Elektrode jE werden durch die von L kommenden Lichtstrahlen Photoelektronen ausgelöst. An EI und E2 liegt eine Wechselstromquelle veränderlicher Frequenz und Spannung. Bei gleichbleibender Spannung ist dann die höchste Frequenz, bei der noch ein am Galvanometer G angezeigter Strom fliesst, bei der also die Photoelektronen in der Zeit einer Halbperiode gerade noch E2 erreichen, ein Mass für die Beweglichkeit und somit auch für die Reinheit des zwischen Ej und E2 befindlichen Gases. Bei gleichbleibender Frequenz gilt das gleiche für die kleinste Spannung, bei der noch ein Stromübergang stattfindet. Man eicht am besten durch Versuche nach beiden Messgrössen.
Durch Kunstgriffe ist es auch möglich, Gleichstrommessungen zu benutzen, was meist bequemer ist. Dass die zahlenmässigen Zusammenhänge weniger durchsichtig sind, schadet nichts, da man ohnehin durch Versuche eicht. In der Anordnung nach Fig. 2 wird der Umstand benutzt, dass die Diffusionskonstante der Beweglichkeit verhältnisgleich ist. Die Röntgenröhre-ss ionisiert den Raum innerhalb der zylindrischen Drahtnetze DD, durch die, je nach der Beweglichkeit, mehr oder weniger Ionen in den Aussenraum, der durch den Zylinder A abgeschlossen ist, diffundieren. Hier gibt also die am Galvanometer G angezeigte Stromstärke ein Mass für die Beweglichkeit und somit für die Reinheit des Gases. Im übrigen kann man die Anordnung auch für Wechselstrommessungen entsprechend Fig. 1 benutzen.
Weiters hängen die Sättigungs-und Raumladungsverhältnisse in ionisierten Gasen von der Beweglichkeit ab. Bei grosser Ionendiehte erhält man bekanntlich keine Sättigung, d. h. die Ionen wandern nur zum Teil an die Elektroden, während der Rest durch Wiedervereinigung verloren geht.
Der Strom, der sämtlichen ursprünglich vorhandenen Ionen entsprechen würde, der Sättigungsstrom, wird also nicht erreicht, und dies um so weniger, je kleiner die Beweglichkeit ist. Eine Anordnung mit grosser Ionendiehte ergibt sich z. B., wenn man als Ionisator ein Radiumpräparat von verhältnismässig kleiner Fläche benutzt. Die grosse Ionendiehte um das Präparat herum bewirkt dann eine geringere und von der Beweglichkeit stark abhängige Sättigung. In ist Ag ein innen versilberter Glas-
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kolben, der gleich die Aussenelektrode darstellt, während der isoliert bei I eingeftihrte Träger des Präparates Ra den andern Pol darstellt.
Das zu untersuchende Gas wird, wie auch bei den früher beschriebenen Einrichtungen, in das Gefäss eingeführt oder besser langsam durchgeleitet. Zur Beurteilung der Strömungsgeschwindigkeit dient der federnde Flügel F. Da die Sättigung mit wachsender Ionenbeweglichkeit besser wird, ergibt sich die grösste Stromstärke im Amperemeter dz bei vollkommen reinem Gase. Mit wachsender Verunreinigung werden die Ausschläge kleiner, so dass bei Kenntnis der Art der Verunreinigung das Gerät A unmittelbar in Hundertteilen der Verunreinigung geeicht werden kann. Ohne eine solche Kenntnis kann aus der Form der Sättigungskurve (Stromspannungskurve) auf die Art der Verunreinigung geschlossen werden.
Schliesslich sei noch ein Beispiel angeführt, wo durch die Beweglichkeit die Grösse der Raumladung bestimmt ist. Derlei Erscheinungen sind wieder am deutlichsten bei unipolarer Elektrisierung eines Gases, also z. B. durch Glühelektronen. Benutzt man etwa eine Diode nur-h Fig. 4 mit Glühkathode K und Anodenzylinder Z, dann zeigt bei richtiger Wahl der Spannung das Amperemeter A einen Strom, der durch die Grösse der Raumladung um K bestimmt ist. Bei Anwesenheit von Verunreinigungen und damit von schweren negativen Ionen ist diese Raumladung sehr gross, der Strom klein. In ganz reinen Edelgasen wird die Raumladung viel kleiner, nämlich von gleicher Grössenordnung wie in Vakuumröhren.
Man erhält also eine ähnliche Stromabhängigkeit wie bei der Einrichtung nach Fig. 3 und kann auch wieder in Hundertteilen der Verunreinigung eichen.
Wie aus den angeführten Beispielen hervorgeht, kommt es bei allen diesen Anordnungen darauf
EMI2.1
gascharakter, sind die Unterschiede in der Beweglichkeit so gross, dass eine sehr grosse Genauigkeit damit erreicht werden kann : Zusätze von weniger als ein Prozent sind noch ohne weiteres messbar.
Bei einem älteren von Malsallez angegebenen Verfahren (Britisches Patent Nr. 398. 722), die Zusammensetzung ionisierter Gase zu bestimmen, fehlt die Erkenntnis, dass durch Beachtung der Beweglichkeitsunterschiede derart genaue Messungen möglich sind. Es handelt sieh dort nur um Feststellung viel gröberer Unterschiede in der Zusammensetzung, wozu andere Unterschiede z. B. des lonisationspotentiales oder der Absorption für radioaktive Strahlen in verschiedenen Gasen ausreichen dürften. Es wird dort auch auf die Notwendigkeit eines angemessenen elektrischen Feldes hingewiesen, während dieses für das erfindungsgemässe Verfahren keine wesentliche Rolle spielt.
Man kann etwa bei der Einrichtung nach Fig. 2 auf ein elektrisches Feld überhaupt verzichten und statt Stromquelle und Galvanometer an den Aussenzylinder J. ein Elektroskop anlegen. Die Grösse seines Ausschlages gibt dann ebenfalls ein Mass für die mehr oder weniger schnell durch die Drahtnetze diffundierenden Elektronen.