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Abstract
This work reports on the spatio-temporal characterization of the multiple current pulse regime of diffuse barrier discharges driven by sine-wave feeding voltage at a frequency of 2 kHz in helium with small nitrogen admixtures. The discharge gap of 3 mm is bounded by glass plates on both plane electrodes. Priority is given to the lateral discharge inhomogeneities, underlying volume- and surface-memory effects, and the breakdown mechanism. Therefore, relevant processes in the discharge volume and on the dielectric surfaces were investigated by ICCD camera imaging and optical emission spectroscopy in combination with electrical measurements and surface charge diagnostics using the electro-optic Pockels effect of a bismuth silicon oxide crystal. The number of current pulses per half-cycle of the sine-wave voltage rises with increasing nitrogen admixture to helium due to the predominant role of the Penning ionization. Here, the transition from the first glow-like breakdown to the last Townsend-like breakdown is favored by residual species from the former breakdowns which enhance the secondary electron emission during the pre-phase of the later breakdowns. Moreover, the surface charge measurements reveal that the consecutive breakdowns occur alternately at central and peripheral regions on the electrode surface. These spatial inhomogeneities are conserved by the surface charge memory effect as pointed out by the recalculated spatio-temporal development of the gap voltage.
Abstract
Single self-stabilized discharge filaments were investigated in the plane-parallel electrode configuration. The barrier discharge was operated inside a gap of 3 mm shielded by glass plates to both electrodes, using helium-nitrogen mixtures and a square-wave feeding voltage at a frequency of 2 kHz. The combined application of electrical measurements, ICCD camera imaging, optical emission spectroscopy and surface charge diagnostics via the electro-optic Pockels effect allowed the correlation of the discharge development in the volume and on the dielectric surfaces. The formation criteria and existence regimes were found by systematic variation of the nitrogen admixture to helium, the total pressure and the feeding voltage amplitude. Single self-stabilized discharge filaments can be operated over a wide parameter range, foremost, by significant reduction of the voltage amplitude after the operation in the microdischarge regime. Here, the outstanding importance of the surface charge memory effect on the long-term stability was pointed out by the recalculated spatio-temporally resolved gap voltage. The optical emission revealed discharge characteristics that are partially reminiscent of both the glow-like barrier discharge and the microdischarge regime, such as a Townsend pre-phase, a fast cathode-directed ionization front during the breakdown and radially propagating surface discharges during the afterglow.
Surface charge measurements on different dielectrics in diffuse and filamentary barrier discharges
(2017)
Abstract
Previously, we reported on the measurement of surface charges during the operation of barrier discharges (BDs) using the electro-optic Pockels effect of a bismuth silicon oxide (BSO) crystal. With the present work, the next milestone is achieved by making this powerful method accessible to various dielectrics which are typically used in BD configurations. The dynamics and spatial distribution of positive and negative surface charges were determined on optically transparent borosilicate glass, mono-crystalline alumina and magnesia, respectively, covering the BSO crystal. By variation of the nitrogen admixture to helium and the pressure between 500 mbar and 1 bar, both the diffuse glow-like BD and the self-stabilized discharge filaments were operated inside of a gas gap of 3 mm. The characteristics of the discharge and, especially, the influence of the different dielectrics on its development were studied by surface charge diagnostics, electrical measurements and ICCD camera imaging. Regarding the glow-like BD, the breakdown voltage changes significantly by variation of the cathodic dielectric, due to the different effective secondary electron emission (SEE) coefficients. These material-specific SEE yields were estimated using Townsend’s criterion in combination with analytical calculations of the effective ionization coefficient in helium with air impurities. Moreover, the importance of the surface charge memory effect for the self-stabilization of discharge filaments was quantified by the recalculated spatio-temporal behavior of the gap voltage.
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.