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Bitte verwenden Sie diesen Link, wenn Sie dieses Dokument zitieren oder verlinken wollen: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-002262-6

Characteristics of pulsed operated dielectric barrier discharges in molecular gas mixtures

  • This thesis investigated dielectric barrier discharges (DBDs) in N2-O2 gas mixtures at atmospheric pressure, with a focus on the gas discharge physics. The main goal was to evaluate whether possible control mechanisms exist that can manipulate the breakdown and the development of DBDs, especially for pulsed operation. To examine the pre-breakdown phase, the actual breakdown and the main DBD development, DBDs in a double-sided, single filament arrangement with a 1 mm discharge gap were investigated by means of electrical and optical diagnostics with high resolutions. Spectrally- and temporally-resolved iCCD pictures (2D in space), spectrally- and spatio-temporally-resolved streak camera and CCS images (1D in space) were simultaneously recorded accompanied by a full electrical characterisation with fast voltage and current probes. Sinusoidal- and pulsed-driven DBDs were found to have a qualitatively similar spatio-temporal development, i.e. a cathode-directed ionisation front (v ~ 10^6 m/s, positive streamer mechanism), followed by a transient glow-like phase in the gap. For sinusoidal operation, the slope of the applied voltage is flat (dU/dt ~ 1 V/ns) compared to pulsed operation (dU/dt ~ 100 V/ns). Thus, during the longer pre-phase of the sine-driven DBD, many more charge carriers were generated, in contrast to the pulsed-driven DBDs, where the pre-phase is limited by the short voltage rise time. Consequently, just before the breakdown occurs, the charge carrier density is higher for sine-driven DBDs, i.e. the positive streamer starts in a highly pre-ionised environment, which leads to a lower propagation velocity. In addition to limiting the pre-phase (lower pre-ionisation), the steep voltage slope of the pulsed DBD amplifies the streamer breakdown because the applied voltage rises significantly during its propagation. Therefore, the transferred electrical charge and the electrical power of a single DBD can be controlled by the applied voltage amplitude, but only in pulsed operation. In addition to the effects of different voltage slope steepness, the pulse width is an excellent parameter in the pulsed operation to set the pre-ionisation, by shifting the DBDs into the after-glow of the previous discharge using asymmetrical HV pulse waveforms. The subsequent DBDs ignite in different pre-ionised conditions, defined by the residual charge carrier densities in the gap that originated from the previous DBD. The breakdown characteristics of these DBDs could be controlled down to the fundamental level. This thesis has described for the first time four different breakdown regimes in single filament DBDs for 0.1 vol% N2 in O2 and connected them to the processes during their pre-phases. The “classic” DBD development (a cathode-directed streamer followed by a transient glow discharge) could be controlled in a certain range, followed by a transition first to a breakdown regime featuring a simultaneous propagation of a cathode- and an anode-directed streamer, and finally to a reignition of the previous DBDs without any propagation, just by reducing the pulse width (time between two subsequent DBDs), i.e. increasing the pre-ionisation level. All differences between the DBDs at rising and falling slopes could be explained by the different pre-conditions in the gap. The O2 concentration in the N2-O2 gas mixtures offers another way of controlling the pre-ionisation. Due to the electron attachment as a consequence of the electronegativity of oxygen, the electron density decreases for higher O2 admixtures. Furthermore, the differences in the first Townsend ionisation coefficient and in the photo-ionisation between N2 and O2 influence the DBD behaviour as well. To some extent, some of the reported effects achieved by varying the pulse width at a fixed O2/N2 ratio were also observed for a fixed pulse width and changing O2 concentration. Hence, the response of the DBD properties to changing pre-ionisation levels seems to be a general principle of DBD control. Additional effects of the O2/N2 ratio, such as an increasing DBD inception jitter or higher streamer velocities, were also reported. Finally, a reverse of the effects induced by the O2 admixture such as DBD emission duration or DBD inception delay, was observed for O2 concentrations below 0.01 vol%, and were especially pronounced at a pressure of 0.5 bar. For 0.1 vol% O2 in N2, a minimal electron recombination rate was found, which can be explained by the different decay and recombination rates of positive nitrogen and oxygen ions. These different rates effect the charge carrier dynamics and consequently, the pre-ionisation in the gap. In conclusion, this investigation has highlighted the importance of volume memory processes on the breakdown and development of single filament DBDs at elevated pressures.
  • In der vorliegenden Arbeit wurden dielektrisch behinderte Entladungen (DBE) in N2-O2-Gasgemischen bei Atmosphärendruck mit Fokus auf die Entladungsphysik untersucht. Das Hauptziel war es, ein besseres Verständnis der grundlegenden Vorgänge in DBE zu gewinnen, um die Entladungsentwicklung, insbesondere den elektrischen Durchbruch, durch externe Parameter zu manipulieren. Dazu wurden sinusbetriebene und gepulst betriebene DBE in einer beidseitig behinderten Einzelfilamentanordnung mit 1 mm Entladungsspalt untersucht. Für die experimentelle Analyse der DBE-Entwicklung wurden synchronisierte Messungen iCCD-Kamera (spektral und zeitlich aufgelöst, räumlich 2D) und einem Streakkamerasystem (spektral und zeitlich aufgelöst, räumlich 1D) in Kombination mit einer elektrischen Charakterisierung durch schnelle Strom- und Spannungssonden verwendet. Die raum-zeitliche Entwicklung von DBE ist nach der Vorphase von der kathodengerichteten Propagation einer Ionisationsfront (v ~ 10^6 m/s, positiver Streamermechanismus) im Entladungsspalt geprägt, die einen kontrahierten Kanal bildet, in dem anschließend eine transiente Glimmentladung mit einer Dauer von einigen Nanosekunden brennt. Die Dauer des elektrischen Stromflusses bewegt sich in der Größenordnung von 100 ns, wobei die übertragene Ladung im Bereich von ~1 nC liegt. Dieses Verhalten zeigt qualitativ keine Unterschiede zwischen dem Sinus- und dem Pulsbetrieb von DBE; aber quantitativ weichen einige Größen voneinander ab, z. B. sind die maximalen Streamergeschwindigkeiten im gepulsten Betrieb ca. doppelt so hoch wie im Sinusbetrieb, auch die übertragene elektrische Ladung sowie die Stromdichte sind größer. Die Ursache für dieses Verhalten ist der im Sinusbetrieb flachere Spannungsanstieg (dU/dt ~ 1 V/ns) im Vergleich zur Flanke des gepulsten Betriebs (hier dU/dt ~ 100 V/ns). Dies hat signifikante Auswirkungen auf die Vorphase; sie ist im Sinusbetrieb länger (~1 µs, abhängig von der Betriebsfrequenz) als für gepulste DBE (im untersuchten Fall ca. 50 ns). Die Dauer der Vorphase bestimmt die Ladungsträgerakkumulation im Volumen vor dem Durchbruch, d. h. das ungleiche Verhalten von Puls- und Sinusbetrieb ist eine Folge der unterschiedlichen Vorionisation. Durch asymmetrische HV-Pulse ist es möglich, die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden DBE trotz einer festen Wiederholfrequenz einzustellen. Die nachfolgenden DBE zünden je nach Pulsbreite in unterschiedlich hoher Vorionisation, die durch die Restladungsträgerdichten der vorherigen DBE im Entladungsspalt bestimmt werden. In dieser Arbeit wurden erstmalig vier verschiedene Durchbruchregime für filamentierte DBE in 0,1 Vol.-% O2 in N2 beschrieben, die mit den Raumladungsprozessen während der Vorphase assoziiert werden konnten. Alle Unterschiede zwischen den DBE an steigender und fallender Flanke können durch die unterschiedlichen Vorbedingungen im Spalt erklärt werden. Eine weitere Möglichkeit zur Steuerung der Vorionisation ist die O2-Konzentration in N2-O2-Gasmischungen. Aufgrund der Elektronenanlagerung als Folge der Elektronegativität von Sauerstoff verringert sich die Elektronendichte im Entladungsspalt für höhere O2-Zumischungen. Bis zu einem gewissen Grad konnten die beschriebenen Effekte durch die Pulsbreitenvariation bei gleicher Gaszusammensetzung auch für eine feste Pulsbreite durch Änderung der O2-Konzentration beobachtet werden. Daher ist die Einstellung einer bestimmten Vorionisation eine grundsätzliche Möglichkeit zur Steuerung des Durchbruchverhaltens von DBE. Eine Erhöhung der O2-Konzentration in N2-O2-Gasgemischen hat aber auch andere Auswirkungen, wie z. B. ein Anstieg der Zündverzögerung, des Entladungsjitters und der Streamergeschwindigkeiten mit steigendem O2/N2-Verhältnis. Dafür sind intrinsische Sauerstoffeigenschaften (z. B. erhöhte Photoionisation) in Kombination mit den steilen Flanken des gepulsten Betriebs verantwortlich. Außerdem wurde eine Umkehrung einiger Effekte der O2-Konzentrationserhöhung, wie z. B. die Reduzierung der Emissionsdauer oder die Erhöhung der Zündverzögerung, für O2-Konzentrationen kleiner als 0,01 Vol.-% beobachtet, die sonst bei höheren O2-Konzentrationen (> 1 Vol.-%) auftreten. Für 0,1 Vol.-% O2 in N2 wurde eine minimale Elektronenrekombination festgestellt, die sich durch die verschiedenen Zerfalls- und Rekombinationsraten der verschiedenen positiven Stickstoff- und Sauerstoff-Ionen erklären lässt. Zusammenfassend hat diese Untersuchung die Bedeutung der Volumenprozesse für den Ablauf des Durchbruchs und der weiteren Entladungsentwicklung von DBE im Einzelfilamentbetrieb bei Atmosphärendruck gezeigt.

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Metadaten
Author: Hans Höft
URN:urn:nbn:de:gbv:9-002262-6
Title Additional (English):Characteristics of pulsed operated dielectric barrier discharges in molecular gas mixtures
Title Additional (German):Charakteristika von gepulsten, dielektrisch behinderten Entladungen in molekularen Gasgemischen
Advisor:Prof. Dr. Kurt Becker, Prof. Dr. Klaus-Dieter Weltmann
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2015/06/16
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2015/06/08
Release Date:2015/06/16
Tag:Atmosphärendruckentladung, Stickstoff-Sauerstoff-Gemisch, gepulster Betrieb, schnelle optische und elektrische Diagnostik
atmospheric pressure discharge, fast optical and electrical diagnostics, nitrogen-oxygen gas mixtures, pulsed operation
GND Keyword:Gasentladung, dielektrisch behinderte Entladung
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 530 Physik
PACS-Classification:50.00.00 PHYSICS OF GASES, PLASMAS, AND ELECTRIC DISCHARGES / 51.00.00 Physics of gases / 51.50.+v Electrical properties (ionization, breakdown, electron and ion mobility, etc.) (see also 52.80.-s Electric discharges in physics of plasmas)
50.00.00 PHYSICS OF GASES, PLASMAS, AND ELECTRIC DISCHARGES / 52.00.00 Physics of plasmas and electric discharges (for space plasma physics, see 94.05.-a; for astrophysical plasmas, see 95.30.Qd; for physics of the ionosphere and magnetosphere, see 94.20.-y and 94.30.-d respectively) / 52.70.-m Plasma diagnostic techniques and instrumentation / 52.70.Ds Electric and magnetic measurements
50.00.00 PHYSICS OF GASES, PLASMAS, AND ELECTRIC DISCHARGES / 52.00.00 Physics of plasmas and electric discharges (for space plasma physics, see 94.05.-a; for astrophysical plasmas, see 95.30.Qd; for physics of the ionosphere and magnetosphere, see 94.20.-y and 94.30.-d respectively) / 52.80.-s Electric discharges (see also 51.50.+v Electrical properties of gases; for plasma reactions including flowing afterglow and electric discharges, see 82.33.Xj in physical chemistry and chemical physics)
70.00.00 CONDENSED MATTER: ELECTRONIC STRUCTURE, ELECTRICAL, MAGNETIC, AND OPTICAL PROPERTIES / 77.00.00 Dielectrics, piezoelectrics, and ferroelectrics and their properties (for conductivity phenomena, see 72.20.-i and 72.80.-r; for dielectric properties related to treatment conditions, see 81.40.Tv) / 77.22.-d Dielectric properties of solids and liquids (for dielectric properties of tissues and organs, see 87.19.rf) / 77.22.Jp Dielectric breakdown and space-charge effects