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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:9-002019-6

Akkumulation von Oberflächenladungen und Entladungsentwicklung in Barrierenentladungen in Helium, Stickstoff und deren Gemischen

  • Bei moderaten sinusförmigen Betriebsspannungen tritt in reinem Stickstoff der diffuse Townsend-Modus (APTD) auf. Das elektrische Feld ist hier über den Entladungsspalt annähernd konstant, weshalb ein anodengerichteter exponentieller Anstieg der Intensität der Emission beobachtet wird. Dementsprechend ist das Intensitätsmaximum direkt vor der Anode lokalisiert. Überraschenderweise lässt sich die APTD unter den gegebenen experimentellen Bedingungen (Breite des Entladungsspalts d_Spalt=1 mm und sinusförmige Betriebsspannung) ebenfalls in einer Helium-BE genieren. Für gewöhnlich wird jedoch in einer Helium-Entladung der diffuse Glimmentladungs-Modus (APGD) beobachtet, wobei der Entladungsspalt zwischen 2-5 mm breit ist. Das Emissionsmaximum einer solchen Entladung befindet sich durch die Ausbildung eines Kathodenfallgebiets vor der Kathode. Die geringe Breite des Entladungsspalts verhindert hier jedoch die Ausbildung der APGD. Entsprechend kann sich das Kathodenfallgebiet nicht entwickeln, wodurch die Spaltspannung nur schwach einbricht. Das Intensitätsmaximum der Emissionsentwicklung befindet sich wie bei der diffusen Stickstoff-BE direkt vor der Anode. Die Zünd- und Brennspannung ist in Stickstoff größer als in Helium, da die Vibrationszustände des Stickstoffs effizient durch Elektronen angeregt werden und diesen dabei Energie entzogen wird. Helium hat jedoch keine Vibrationszustände, weshalb die Elektronentemperatur ansteigt und die Zünd- und Brennspannung deutlich geringer ist. Eine Erhöhung des Spannungsanstiegs dU/dt beeinflusst signifikant die Entladungsentwicklung in der diffusen Helium-Entladung. So führt eine Variation von der Sinus- zur Rechteckspannung zu einem Wechsel des Entladungsmodus, nämlich von der APTD zur APGD. Die Ursache hierfür ist der deutlich höhere Energieeintrag, was sich auf die Ionisationsprozesse auswirkt. Die Verwendung einer Sägezahnspannung stellt in Bezug auf den Spannungsanstieg dU/dt eine Kombination aus der Sinus- und der Rechteckspannung dar. Mit dieser Betriebsspannung war es erstmals möglich, in einer Entladungsperiode entsprechend der Spannungsgradienten beide Entladungsformen (APTD und APGD) zu beobachten und zu studieren. Durch die Oberflächenladungsmessung konnte nachgewiesen werden, dass die während eines elektrischen Durchbruchs im Entladungsvolumen transferierte Ladung vollständig auf den Dielektrika akkumuliert wird. Der Vergleich der phasenaufgelösten Oberflächenladungsdichtemessung mit der zeitlichen Integration der Stromdichte zeigt, dass die Akkumulation von Oberflächenladungen instantan mit dem Auftreten eines Strompulses stattfindet. Nach einem Entladungsstrompuls bleiben die Oberflächenladungen unabhängig vom Entladungsmodus auf dem Dielektrikum konstant, bis die Entladung in der nächsten Halbwelle erneut zündet. In der filamentierten Entladung markieren die Oberflächenladungen den Auftreffpunkt der einzelnen Mikroentladungen. Die Oberflächenladungen sind an diesen Stellen stark lokalisiert. Die gemittelten radialen Oberflächenladungsdichteprofile haben gezeigt, dass diese sowohl für die negativen als auch für die positiven Oberflächenladungen einer Gauß-Verteilung folgen. Die volle Halbwertebreite der entsprechenden Oberflächenladungsdichteprofile unterscheidet sich. Die negativen Oberflächenladungen nehmen eine größere Fläche ein als die positiven Oberflächenladungen. Es konnte erstmals gezeigt werden, dass Mikroentladungen über viele Entladungsperioden immer wieder an der gleichen Stelle zünden, wo sich aus einer vorhergehenden Entladung ein lokalisierter Oberflächenladungsfleck entgegengesetzter Polarität befand. Dieses Phänomen wird als Memory-Effekt bezeichnet. Durch zeitlich definiertes Abschalten der Entladung konnten die Lebensdauern von Oberflächenladungen beider Polaritäten auf dem BSO-Kristall gemessen werden. Es konnte gezeigt werden, dass der Abbau der Oberflächenladungen in zwei Zerfallsprozesse k_1 und k_2 unterteilt ist. Während des Prozesses k_1 nimmt die Oberflächenladungsdichte innerhalb einiger weniger Sekunden deutlich ab. Die Zeitkonstante k_1 ist trotz der photoleitenden Eigenschaft des BSO-Kristalls unabhängig von der Beleuchtungsfrequenz des Kristalls ist. Der zweite deutlich langsamer ablaufende Prozess zeigte hingegen eine starke Abhängigkeit von der Beleuchtungsfrequenz der BSO-Kristalls. Wurde der Kristall kontinuierlich beleuchtet, verschwanden die Oberflächenladungen unabhängig von ihrer Polarität nach wenigen Sekunden vollständig. Je kleiner die Beleuchtungsrate des Kristalls ist, desto länger waren die Oberflächenladungen nachweisbar. Der Zerfallsprozess k_2 beruht auf intrinsischen Transportprozessen. Hierbei wird davon ausgegangen, dass die negativen Oberflächenladungen durch Elektronen nahe der Oberfläche gebildet werden. Die positiven Oberflächenladungen sind Löcher im Valenzband, die durch Elektronen-Ionen-Rekombination entstehen.
  • At moderate voltage amplitudes (sine wave voltage) the diffuse Townsend-like mode (APTD) is observed in pure nitrogen. The electric field is nearly constant which leads to an exponential increase of the discharge emission. The intensity maximum of the discharge is located in front of the anode. Surprisingly, the APTD could be generated in helium at a gap distance of 1 mm and sine wave. Usually the glow-like discharge mode (APGD) is observed in helium, but the gap distance is in this case between 2-5 mm. Here, the emission maximum is located in front of the cathode due to the development of a cathode fall region. But, the small gap distance prevents the development of the cathode fall region and the APGD. Therefore, the gap voltage is slightly disturbed. The intensity maximum is located in front of the anode. A variation of the voltage amplitude leads to a maximal six consecutive current pulses in one half cycle. These current pulses can be explained by current oscillations. An increase of the voltage slope dU/dt influences significantly the discharge development of a discharge operated in helium. A variation from sine wave to square wave leads to a change of the discharge mode, namely from APTD to APGD. A reason is the enhanced energy dissipation influencing the ionization processes. Direct ionization processes increases which lead to a higher production of charge carriers whereas the Penning ionization is decreased. The pre-ionization by metastable species plays not an important role which favors the APGD. The saw tooth voltage is a combination of sine wave and square wave. Here, it was possible to generate both discharge modes, APTD and APGD, in one discharge period. By the measurement of surface charges it could be shown that during the electrical breakdown the complete transferred charge is accumulated on the dielectric surfaces, especially for discharges with one current pulse per half cycle independent from the working gas and gas pressure. Several current pulses per half cycle lead to a discrepancy except atmospheric pressure. Due to a reduced gas pressure the mean free path length is increased. Hence, transferred charges can be probably deposited outside on a dielectric area which is not directly part of the discharge area. A comparison of the phase resolved surface charge measurement with the temporally integrated current density shows that the accumulation of surface charges is directly connected with the appearance of a current pulse. After the current pulse the surface charge density remains constant until the current pulse ignites. Surface charges mark in the filamentary discharge the place where single filaments were ignited. At these places, surface charges are strongly localized. Radially averaged profiles of the positive and negative surface charge density are Gaussian. The full width of half maximum of the corresponding profiles is different. The negative surface charge density is more broadened than the positive one. The reason is the different mobility of the charge carriers. The spots, accumulated during the discharge, have a higher surface charge density than density in the diffuse discharge. Independent of the discharge mode, diffuse or filamentary, the BSO crystal is positively charged during the steady operation. It was shown that microdischarges ignite over many subsequent periods at the same position where a surface charge spot with an opposite polarity, generated during a former breakdown, was accumulated. This is the so-called memory effect. A controlled switch off of the discharge allows the lifetime of surface charges in both polarities which were accumulated on the BSO crystal. The decay of surface charges is the superposition of two exponential decay processes, namely k_1 and k_2. During the decay process k_1 the surface charge density is strongly decreased on the second timescale. The constant k_1 is independent from the photoconductive property of the BSO crystal. Which mechanisms to the decay process k_1 lead, is up now not understood. The decay process k_2 is a much slower decay process. It depends strongly on the illumination rate of the BSO crystal. When the crystal is illuminated continuously the surface charges are removed completely after a few second. The lower the illumination rate of the BSO crystal the higher is the lifetime of surface charges. The decay process k_2 bases on intrinsic transport processes. It is assumed that negative surfaces charges will be generated by electrons near the surface of the dielectric. Positive surface charges are holes in the valence band generated by electron-ion-recombination.

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Metadaten
Author: Marc Bogaczyk
URN:urn:nbn:de:gbv:9-002019-6
Title Additional (English):Accumulation of surface charges and discharge development in barrier discharges operated in helium, nitrogen, and mixtures
Advisor:Dr. Hans-Erich Wagner
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2014/10/13
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2014/09/19
Release Date:2014/10/13
Tag:Atmosphärendruck, Barrierenentladung, Emissionsentwicklung, Kreuzkorrelationsspektroskopie, Pockels-Effekt
Pockels-effect, atmospheric pressure, cross-correlation spectroscopy, dielectric barrier discharge, surface charges
GND Keyword:Helium, Niedertemperaturplasma, Oberflächenladung, Stickstoff
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 530 Physik