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Verfahren zur Funkenspektralanalyse Dem Patent 589 653 liegen
bestimmte Gesichtspunkte zugrunde, die zur Herstellung von Entladungen für die quantitative
Spektralanalyse beachtet werden müssen. Insbesondere ist es hierbei wichtig, die
Energieverhältnisse der Entladungen konstant und reproduzierbar zu machen und für
schnellen Abtransport der Entladungsenergie von den Untersuchungselektroden Sorge
zu tragen.
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Die Maßnahmen gemäß dem Hauptpatent bezwecken vor allem, d-aß der
Funkenüberschlag nicht mehr wahllos nach den zufälligen Bedingungen an den Elektroden
erfolgt, sondern daß durch eine Art Resonanzschaltung mit der speisenden Netzfrequenz
unter Benutzung der Induktivität des Transformators nur eine beschränkte Anzahl
von Funkenüberschlägen in der Sekunde möglich ist. Hierdurch wird die Temperatur
an den Elektroden niedriger gehalten. Als weitere Maßnahme ist vorgesehen, durch
Ankopplung eines Sekundärkreises gleicher Wellenlänge mit dem Primärkreis möglichst
schnell die Hochfrequenzschwingungen aus dem Untersuchungskreis herauszuziehen und
in dem Sekundärkreis ohne schädliche Rückwirkung auf den Primärkreis zu vernichten.
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Die Beherrschung der Energieverhältnisse im Funken ist besonders deshalb
notwendig, weil hiervon in entscheidendem Maße der spektrale Charakter der Entladung
abhängt, Je heißer nämlich der bei der Entladung entwickelte Metalldampf ist, um
so funkenähnlicher ist das von ihm erzeugte Spektrum. Nun nimmt aber die Temperatur
des Dampfes um so mehr zu, j e höher die Strombelastung des Funkens, gerechnet etwa
als Amp, jmm2, ist. je heißer die Elektroden bei der Entladung werden, um so geringer
wird die Strombelastung und um so bogenähnlicher wird daher das Spektrum. Beginnt
man daher mit einer Aufnahme bei zunächst kalten Elektroden und läßt ohne die verschiedenen
Sicherungsmaßnahmen den Funken übergehen, so erreichen die Elektroden sehr schnell
Temperaturen, bei denen sie selbst zur Elektronenemission kommen und bei denen die
Strombelastung gegenüber den Entladungen bei kalten Elektroden sehr stark zurückgeht.
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Es kommt weiter hinzu, daß die Energie, die auf den Kondensatoren
vor dem überschlag aufgespeichert wird, in starkem Maße von der Spannung an den
Kondensatoren abhängt. je niedriger aber die Überschlags= spannung ist, um so geringer
ist die Energie, um so bogenähnlicher also das entstehende Spektrum.
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Aus dieser Erwägung ergibt sich, daß da eine große Anzahl Faktoren
in der gleichen
Richtung wirken, bei urgesteuerter Entladung nach
anfänglichem spektralen Charakter eines Funkenübergangs das Spektrum sehr leicht
und schnell einen bogenähnlichen Charakter annehmen muß.
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Da nun aber die quantitative Spektralanalyse darauf beruht, die Intensität
entsprechender Spektrallinien miteinander zu vergleichen, und da bekanntermaßen
die Intensität der einzelnen Linien von dem spektralen Charakter weitgehend abhängt,
so ergibt sich, daß es unumgänglich ist, wenigstens mit konstanten Entladungsbedingungen
die Aufnahmen zu machen.
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Es kommt noch ein zweites Moment hinzu. Dadurch, daß bei normaler
Entladung die Elektroden sich leicht bis auf Glühtemperatur erhitzen, kann die Überschlagsspannung
so weit herabgesetzt werden, daß die Entladung des Transformators zwischen den einzelnen
Entladungen der Kondensatorenbatterien gar nicht ganz zum Erlöschen. kommt, sondern
daß man gewissermaßen die Überlagerung von zwei Entladungen vor sich hat: einmal
die normale Entladung des Hochspannungstransformators mit dem spektralen Charakter
von Bogenlicht und darüber gelagert in Form einer Hochfrequenzschwingung die Entladung
der Kondensatorenbatterien. Es bedarf keiner weiteren Ausführung, um zu erkennen,
wie stark von zufälligen Entladungsbedingungen daher der spektrale Charakter abhängt.
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Es hat sich nun gezeigt, daß die in dem-Patent 589 653 vorgeschlagene
Resonanzanordnung zwar diese Partialentladungen in sehr vollkommener Weise zu unterdrücken
vermag, es bleibt aber als lästiger Umstand die Tatsache, daß. die Größe der Kapazität
nicht willkürlich gewählt werden kann, sondern sich nach der Induktivität des Transformators
(sie kann natürlich in bekannter Weise aus einer eisengeschlossenen und einer Streuwicklung
bestehen) richten muß. Wenngleich im allgemeinen die Wellenlänge der Hochfrequenzschwingungen
ohne Einfluß auf den spektralen Charakter der Entladung zu sein scheint, so bedingt
doch jede Veränderung in der Wellenlänge des Primärkreises eine entsprechende Veränderung
des Sekundärkreises,- um die Resonanz wiederherzustellen, die für eine befriedigende
Löschwirkung unumgänglich ist. Man kann diesen Bedienungsunannehmlichkeiten dadurch
begegnen, däß man an Stelle der einen Kapazität, wie es in crem genannten Patent
vorgesehen ist,. beispielsweise zwei oder mehrere Kapazitäten vorsieht, die in an
sich bekannter Weise- so geschaltet v'verden, daß eine oder mehrere Kapazitäten
die Resonanzbedingungen mit der Netzfrequenz erfüllen., während andere Kondensatoren
in dem Hochfrequenzkreis .liegen und gewissermaßen nur von dem Transformator her
angestoßen werden. Solche Schaltungen sind an sich in der drahtlosen Telegraphie
schon lange bekannt. Man hat sie bisher für spektralanalytische Arbeiten deshalb
nicht angewendet, weil man die hier herrschenden Sonderbedingungen nicht erkannt
hatte. Es handelt sich daher nicht um eine einfache Übertragung bekannter Vorrichtungen
auf andere Gebiete, sondern um eine sinngemäße Anwendung . der für den dortigen
Zweck benötigten Einrichtungen auf den vorliegenden Aufgabenkreis. Es sei hier besonders
ein Unterscheidungsmerkmal hervorgehoben, das darin besteht, daß in der Funkentelegraphie
auf Einwelligkeit bei möglichst geringer Dämpfung besonderer Wert gelegt werden
muß, während beide Bedingungen für spektralanalytische Untersuchungen zurücktreten
hinter der Forderung der stets gleichen Energiebelastung und Energiedichte im Entladungsfunken.
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Die Vornahme der resonanzartigen Abstimmung der Eigenschwingungen
des Transformatorkreises auf die Frequenz des speisenden Wechselstromnetzes bedingt
sorgfältige Bedienung der verschiedenen veränderlichen Stücke. Man kann aber auch
die Entladungszahl der Funken dadurch regelbar machen, daß man an Stelle von elektrischen
Resonanzgrößen mechanische Unterbrecher treten läßt. Solche Apparate sind an sich
in der Röntgentechnik beispielsweise schon bekannt. Im vorliegenden Falle kann die
Anwendung der Unterbrecher so geschehen, daß man sie beispielsweise vor die Funkenstrecke
mit den Untersuchungselektroden schaltet und so erreicht, daß ein - Funkenüberschlag
stets nur bei derselben Phasenlage des speisenden Wechselstroms erfolgt. Hierdurch
kann man nicht nur die Zahl der Entladungen pro Sekunde ohne Schwierigkeiten beherrschen,
sondern entladet auch stets die gleiche auf den Kondensatoren aufgespeicherte Energiemenge
über die Untersuchungsfunkenstrecke.
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Gegenüber der eleganten Lösung mit Hilfe elektrischer Bestimmungsstücke
hat die mechanische Unterbrechermethode den Vorteil, daß sie sehr leicht zu bedienen
ist und die ständige Kontrolle der richtigen Einstellung weitgehend zu entbehren
vermag. In allen denjenigen Fällen, in denen Kräfte die Anlage bedienen, die elektrische
Einzelheiten nicht zu übersehen vermögen, empfiehlt sich daher die Verwendung derartiger
mechanischer Vorrichtungen.
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An Hand der beiliegenden Abbildung mögen zwei Ausführungen noch näher
beschrieben werden, ohne daß jedoch hiermit alle Abänderungsmöglichkeiten im einzelnen
schon erschöpft sind.
Gemäß der Abb. i speist der normale Netzwechselstrom
gegebenenfalls über einen Widerstand W die Unterspannungsseite
Tu des Transformators T und - wird mit Hilfe der Sekundärwicklung
To in die Höhe transformiert; an dieser liegt eine veränderliche Kapazität
CT. Die Größe dieses Kondensators wird so gewählt, daß er sich in einem resonanzähnlichen
Zustand mit der Frequenz des Wechselstromes befindet. Da' der Transformator für
gewöhnlich Eisen enthält, so ist eine Einstellung auf Resonanz, wie sie bei eisenlosen
Induktivitäten möglich ist, nicht ohne weiteres erreichbar. Es handelt sich bei
diesen Vorgängen bekanntermaßen um quasiharmonische Schwingungen, bei denen eine
scharfe Resonanzeinstellung nicht ohne weiteres vorhanden ist. Es ist bekannt, daß
zu einer möglichst guten Einstellung eine gewisse Streuung des Transformators erforderlich
ist. Es ist selbstverständlich, daß man diese Streuung in an sich bekannter Weise
entweder durch losere ° Kopplung der Spulen T" und To erzielen kann oder
durch Einschaltung einer besonderen Streudrossel. Diese Fragen bilden nicht den
Gegenstand des Patents, da sie an sich schon seit langer Zeit bekannt sind.
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Parallel zu der Kapazität CT, angeschlossen über die Hochfrequenzdrosseln
D, und D", liegt der Stoßkreis I mit der Induktivität L, und der Kapazität C,. In
diesem Stoßkreis I befindet sich auch die Funkenstrecke F mit den Untersuchungselektroden.
Falls aus irgendwelchen Gründen erwünscht, kann auch die Kapazität C, durch eine
zweite Kapazität Cl' ergänzt werden. Mit der Induktivität L, ist eine zweite Induktivität
L" in dem Schwinkungskreis II gekoppelt, die über eine Kapazität C» geschlossen
ist. Die Kreise I und II werden auf gleiche Wellenlänge abgestimmt, dann wird durch
Veränderung der Koppelung zwischen L, und L" diejenige Stellung gesucht, bei der
eine möglichst ideale Löschwirkung der in F übergehenden Funken herbeigeführt wird,
erkennbar beispielsweise am Rückgang der Helligkeit des Funkens und Auftreten eines
zischenden Geräusches. Die Kapazität CT in dem Kreis III bewirkt, daß der Funkenüberschlag
in F nur in einem ganz bestimmten Rhythmus zum speisenden Wechselstrom möglich ist,
eine Folge der resonanzähnlichen Einstellung. Es ist übrigens aus der Elektrotechnik
bekannt und auch selbstverständlich, daß namentlich bei Verwendung einer besonderen
Streudrossel durch Veränderung- dieser Induktivität die Resonanzeinstellung erfolgen
kann.
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Wie aus dieser Beschreibung ersichtlich, bedingt eine genaue Einstellung
unter Umständen die Veränderung einer ganzen Reihe von elektrischen Bestimmungsgrößen.
Dies rührt zum Teil daher, daß die Kreise miteinander gekoppelt sind und sich daher
gegenseitig beeinflussen können. Demgegenüber zeichnet sich die in Abb. a gegebene
Anordnung durch große Einfachheit aus. Bei ihr speist wieder der normale Wechselstrom
über die Untersuchungsspule T, und die Oberspannungsspule To des Transformators
T den eigentlichen Entladungskreis, bestehend aus der Kapazität C, der Induktivität
L, der Funkenstrecke F und dem Unterbrecher U. Dieser letztere wird durch einen
Synchronmotor angetrieben. Es ist einleuchtend, daß nur dann eine Entladung in F
stattfinden kann, wenn die rotierende Kontaktgabel in U einen überschlag zuläßt.
Man kann, wie ohne weiteres einzusehen ist, durch Verstellen dieser Kontaktgabel
gegenüber dem Wechselstrom in jedem beliebigen Augenblick der Phase des Speisestromes
diesen Kontakt herbeiführen. Infolge des Synchronantriebes wird diese einmal eingestellte
Kontaktgabel dauernd beibehalten und sichert so eine stets gleiche Spannungshöhe
bei Kontaktschluß. Es ist selbstverständlich, daß man an die Induktivität L, wenn
man eine beschleunigte Löschung des Funkens in F herbeiführen will, einen Sekundärkreis
gleicher Wellenlänge, wie in Abb. i, anschließen kann. Ebenso kann man vor den Transformator
T einen Widerstand schalten oder sonstige an sich bekannte Schaltmaßnahmen treffen.
Das entscheidende Merkmal der Anordnung ist, daß lediglich bei stets derselben Spannungshöhe
nach einmaliger Einstellung die Entladung in' F erfolgt und daß die Anzahl der Entladungen
durch die Einstellung stets zwangsläufig geregelt wird.