Untersuchung der Ionisierung von Wasserstoff in elektrischen Ringfeldern mit Mikrowellendiagnostik

Die Ionisierung von Wasserstoff in elektrischen Ringfeldern wird im wesentlichen durch die elektrische Feldstärke E, den Gasdruck p und das Magnetfeld B bestimmt.Ist das Magnetfeld vernachlässigbar klein ($\frac{^{\omega}g}{\nu}«1$), so kann die Gasionisierung sehr einfach mit der Ionisierungsrate beschrieben werden. Die reduzierte Ionisierungsrate $\beta$/p ist dann eine Funktion des Quotienten E/p. Dies bestätigt der zeitliche Verlauf der Elektronendichte in toroidalen Entladungsrohren, die den induzierenden magnetischen Fluß umschließen ohne von ihm durchdrungen zu werden. In Gasentladungen zwischen Elektroden enstehen mit wachsender Elektronendichte Raumladungsfelder parallel zum angelegten elektrischen Feld, wie es die Theorie von Rogowski und Fucks beschreibt. Bei etwa 10$^{6}$ Elektronen pro Kubikzentimeter kommt es deshalb zu merklicher Absenkung der Zündspannung. Ab etwa 10$^{8}$ cm$^{-3}$ sind die Feldverzerrungen so stark, wie man es z. B. von den Glimmentladungen her kennt. Da bei der toroidalen Entladung keine Raumladungsfelder in Stromrichtung auftreten, eignet sie sich zur Messung der Ionisierungsraten auch bei höheren Elektronendichten (>10$^{8} cm^{-3}$). Da die elektrodenlosen Ringentladungen gerade bei höherenElektronendichten praktische Bedeutung haben - bei sehr kleinen Elektronendichten überwiegt das meist viel stärkere kapazitive Spulenfeld, das mit steigender Leitfähigkeit des Plasmas zusammenbricht - wurden die Ionisierungsraten bei Elektronendichten von $5\cdot10^{10} - 5\cdot10^{12} cm^{-3}$ gemessen. Die gemessenen Werte liegen etwas höher als die Werte, die von sehr kleinen Elektronendichten, z. B. von einzelnen Elektronenlawinen her bekannt sind. Befindet sich die Plasmasäule axial im homogenen induzierenden Magnetfeld, z. B. in einer langen Spule, so steigt die Ringfeldstärke linear mit dem Radius an. Die Ionisierungfindet fast ausschließlich in der Nähe der Rohrwand statt. Die Anwachsrate der über den Durchmesser integrierten Elektronendichte stimmt etwa mit derjenigen Ionisierungsrate überein, die bei 90 % des Rohrradiums herrscht. Da mit steigender Frequenz immer kleinere Magnetfeldamplituden ausreichende elektrische Feldstärken induzieren, ist bei hohen Frequenzen (ab mehreren MHz) die Wirkung des Magnetfeldes auf die Ionisierung vernachlässigbar klein. Im starken oszillierenden Magnetfeld wird die Gasionisierung durch die auf die Elektronen wirkende Lorentzkraft gehemmt. Es entstehen zwar radiale Raumladungsfelder, die üer Lorentzkraft entgegenwirken; sie werden aber wegen der nicht vernachlässigbaren Ionenbeweglichkeit nicht so stark, daß sie die Lorentzkraft kompensieren. Es entsteht eine gemeinsame radiale Komponente der Driftgeschwindigkeit der Ionen und Elektronen, die vor den Nulldurchgängen des oszillierenden Magnetfeldes nach außen und nach den Nulldurchgängen nach innen gerichtet ist. Daher entstehen vor den Nulldurchgängen starke Elektronenverluste durch Rekombination an der Rohrwand. Die Elektronendichte steigt deshalb im starken oszillierenden Magnetfeld stufenweise, jeweils in kurzen Ionisierungsintervallen nach den Nulldurchgängen des Magnetfeldes an. Die gemessenen und berechneten Elekt.r onenvervielfachungen $N^{*}_{2}/N^{*}_{1}$ lassen sich, für den praktischen Gebrauch genügend genau, im funktionalen Zusammenhang $\frac{1}{p\cdot R} \cdot ln \frac{N^{*}_{2}}{N^{*}_{1}}=F(\frac{B \cdot R}{P}$) darstellen