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Experimental Investigation of Single Microdischarges in a Sinusoidally Driven Barrier Corona Discharge

  • Barrier corona (BC) arrangements are employed in different plasma-based applications such as material surface and exhaust gas treatments. However, a comprehensive study about the discharge behavior and properties in such strongly asymmetric arrangements is still missing. This dissertation is devoted to the detailed investigation of single microdischarges (MDs) in a sinusoidally driven BC discharge in air at atmospheric pressure. The discharge arrangement consist of a sharp metal pin and a dielectric-covered hemispherical electrode. It is the first study of volume BC discharges, in which phasially-resolved spatio-temporal development of the MDs are recorded using a multi-dimensional time-correlated single photon counting (TC-SPC) technique. The morphology of the MDs is recorded using an ICCD camera. A voltage probe and a current probe are employed to measure the applied voltage and current pulses. Furthermore, phase-resolved current measurements and statistical studies of current pulse amplitudes are realized using an oscilloscope. Due to the asymmetric geometry and material of the electrodes, discharge behavior in the two polarities of the applied sinusoidal voltage is significantly different. For the voltage amplitude being applied, mostly two MDs appear in the anodic pin half-cycles. It is observed that the breakdown mechanism in both MDs is a positive streamer starting near the anode, similar to the single MDs in symmetric dielectric barrier discharges (DBDs). However, the second MDs have different properties, such as longer duration of the bulk plasma and broader current pulses. It is considered that the differences are mainly due to the positive surface charges deposited by the first MDs on the dielectric. It is proposed, for the first time, that the current pulse derivative maximum corresponds to the arrival of the streamer head at the cathode surface. This is used to synchronize the spatio-temporal development of the MDs with their current pulses. The accuracy of the synchronization is limited to the rise-time of the current probe (350 ps). In each cathodic pin half-cycle, only one major MD appears. The appearance and amplitude of the MDs are more erratic compared to the anodic pin polarity. The TC-SPC recordings show that the MDs appearing at low applied voltages have a similar spatio-temporal development to the MDs of the anodic pin polarity. On the other hand, at high applied voltages a development similar to transient sparks, i.e. a double-streamer starting near the tip of the pin (cathode), is observed. The statistical study shows that in DBD-like MDs the current pulse amplitude is not dependent on the appearance phase (or applied voltage), but this is not the case for the transient sparks. Since BC reactors are also used for air cleaning, a set of experiments is done with 35 ppm toluene additive. It is observed that adding toluene results in 500~V lower breakdown voltage. Hence, the discharge in the presence of toluene is operated under over-voltage condition, resulting in stronger MDs in the anodic pin, and earlier-appearing as well as weaker MDs in the cathodic pin half-cycles. The results of this dissertation about the spatio-temporal development and statistical behavior of the single MDs are foreseen to be employed in the study and optimization of plasma reactors, such as "Stacked DBD Reactor," which are developed for exhaust gas and material surface treatment. Furthermore, the results are a benchmark for the study of a novel discharge arrangement with a rotating dielectric electrode.
  • Diese Dissertation widmet sich der detaillierten Erforschung von einzelnen Mikroentladungen in einer sinusförmig operierenden Barriere-Korona-Entladung (BKE) in Luft bei atmosphärischem Druck. Die Entladung besteht aus einer scharfen Metallnadel und eine dielektrikum-bedeckten hemisphärischen Elektrode. Es ist die erste Studie über die Volmen-BKE, in der phasisch-aufgelöste spatio-temporale Entwicklung der Mikroentladungen, gemessen mit Hilfe von zeitkorrelierter Einzelphotonenzählung . Die Morphologie von Mikroentladungen wurde mit einer ICCD Kamera aufgezeichnet. Eine Spannungssonde und eine Stromsonde wurden angewendet, um die Spannung und Stromimpulse zu messen. Außerdem wurden phasisch-aufgelöste Strommessungen und statistische Analysen der Höhe der Stromimpulse realisiert mit Hilfe eines Ozlliskops. Aufgrund der geometrischen und materiellen Asymmetrie der Elektroden, war das Entladungsverhalten an den beiden Polen der sinusförmigen Spannung signifikant unterschiedlich. Für die angewandte Spannungshöhe gibt es hauptsächlich zwei Mikroentladungen am anodische Nadel-Pol. Es wurde beobachtet, dass der Durchschlagsmechanismus in beiden Mikroentladungen ein positiver Kanal beginnend in der Nähe der Anode ist. Allerdings hat die zweite Mikroentladung andere Eigenschaften, wie Z.B. eine längere Dauer des Plasmas und stärkere Stromimpulse. Es wird angenommen, dass die Unterschiede hauptsächlich aufgrund der positiven Entladungen auf der Oberfläche ausgelöst von den ersten Mikroentladungen zustande kommen. Es wird zum ersten Mal angenommen, dass das Maximum der Ableitung der Stromimpulse der Ankunft des Kanalkopfes an der Oberfläche der Elektrode entspricht. Das wird genutzt, um die spatio-temporale Entwicklung der Mikroentladungen mit ihren Stromimpulsen zu synchronisieren. In jeder kathodischennadel Halbwelle taucht nur eine Haupt-Mikroentladung auf. Die Auftrittsphase und die Höhe der Mikroentladungen war erratisch im Vergleich zu denen an der anodischennadel Halbwelle. Zeitkorrelierter Einzelphotonenzählung Messungen zeigen, dass die Mikroentladungen, die bei niedriger Spannung auftreten, eine ähnliche spatio-temporale Entwicklung haben wie die Mikroentladungen an der anodischennadel Halbwelle. Bei hoher Spannung andererseits, zeigt sich eine Entwicklung ähnlich wie Tansient-Spark, das heißt, es wird ein Doppel-Kanal beginnend in der Nähe der Nadelspitze (Kathode) beobachtet. Die Ergebnisse der Dissertation über die spatio-temporale Entwicklung und das statistische Verhalten der einzelnen Mikroentladungen werden angewandt in Studien zum Optimieren von Plasmareaktoren, die für die Bearbeitung von Abgas und Materialoberfläche entwickelt worden sind.

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Metadaten
Author: Sina JahanbakhshORCiD
URN:urn:nbn:de:gbv:9-opus-37814
Title Additional (English):Experimentelle Untersuchung von einzelnen Mikroentladungen in einer durch Sinusspannung erzeugte Barriere-Korona-Entladung
Referee:Prof. Dr. Ronny Brandenburg, Prof. Dr. Peter Awakowicz
Advisor:Prof. Dr. Ronny Brandenburg
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2020
Date of first Publication:2020/05/29
Granting Institution:Universität Greifswald, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2020/03/25
Release Date:2020/05/29
GND Keyword:barrier corona (BC), dielectric barrier discharge (DBD), partial discharge (PD), time-correlated single photon counting (TC-SPC), transient spark
Pagenumber:119
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 530 Physik