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A fluorescent lamp driven with an 'instant start electronic control gear' starts in a glow mode. In the glow mode, which lasts typically for tens of milliseconds, the cathode fall exceeds hundreds of volts. This causes high energy ion bombardment of the electrode which heats the electrode, and induces a transition from glow to arc mode. In the arc mode the electrode emits thermionically and the cathode fall drops to the 12 – 15 V range. Unfortunately, the high energy ion bombardment during the glow mode leads also to intense sputtering of electrode material, including tungsten as well as emitter. Thus, instant started fluorescent lamps often suffer from early failures due to coil fracture. Therefore, the investigation of tungsten erosion during instant start is necessary and was the main goal of this work.
The density of neutral atomic tungsten is determined by laser-induced fluorescence (LIF) and optical emission spectroscopy measurements (OES). Investigations are performed on a low-pressure argon dc discharge and on commercial fluorescent lamps. To include the entire temperature profile along the electrode the diffuse and spot operation modes of the dc lamp are studied experimentally and theoretically. The measured dependencies of the cathode temperature along the coil on the discharge and heating parameters are compared with the calculated results. For the first time the tungsten erosion during instant start of commercial fluorescent lamps was experimentally investigated in this work. The erosion process could be related to sputtering. A reconstruction of the temporal evolution of the absolute tungsten population density of the ground state during the glow mode was presented. The sputtered tungsten density increases immediately with the ignition, reaches a maximum where the discharge contracts at the end of the glow mode, and decreases some milliseconds before the glow-to-arc transition takes place. The maximum tungsten density was observed within a region of a few hundred micrometers only located at the discharge attachment point. The main result achieved in this work is that during the whole glow mode tungsten is sputtered. Therefore, the lifetime of instant started fluorescent lamps can be enhanced by reducing the duration of the glow mode. Additionally, the need for the application of different types of diagnostics for the observation of lamp ignition was shown due to different results of LIF, AAS and OES: The observation of excited tungsten atoms by OES shows the maximum emission signal at the glow-to-arc transition whereas by LIF and AAS measurements of tungsten atoms in the ground state the maximum density is found during the whole glow mode. This can be explained by the fact that the intensity of the spontaneous emitted light is related not only to the density but also to the degree of excitation.
Die vorliegende Arbeit liefert Beiträge zur optischen und elektrischen Charakterisierung des dynamischen Verhaltens von Plasmaspezies in Atmosphärendruck-Plasmen insbesondere mit Hinsicht auf den Einsatz in der Plasmamedizin. Dabei wurde ein breites Spektrum verschiedener Diagnostiken angewandt, um die Zugänglichkeit zur Bestimmung weiterer Plasmaparameter an Atmosphärendruck zu prüfen. Diese Arbeit stellt eine neue Methode zur Bestimmung der Ionendichte bei Atmosphärendruck- Bedingungen vor, bei der elektrische Oszillationen ausgewertet werden, deren Ursprung ionenakustische Wellen im Plasma sind. Weiterhin wurden neben relativen optischen Messungen wie der phasenaufgelösten optischen Fotografie (PROI) und der Kreuz- Korrelations-Spektroskopie (CCS) auch absolute optische Messungen mit der interferometrischen Hakenmethode und dem Pockels-Effekt durchgeführt. Anhand von elektrischen Messungen wurde ferner gezeigt, dass mit einer Strom- und Spannungs-Charakteristik der Einfluss von Aufbauparametern, wie der Kapillarposition oder dem Gasfluss, auf das Plasma untersucht werden kann. Gegenstand der Untersuchungen waren verschiedene Plasmaquellen, die für eine Nutzung in der Plasmamedizin entwickelt wurden. Sowohl die elektrischen Messungen des Parametereinflusses als auch die Bestimmung der Ionendichte erfolgten an der selbstpulsenden transienten Funkenentladung in Argon an offener Atmosphäre. Der geringe Filamentdurchmesser und der dennoch hohe Entladungsstrom ermöglichen die Detektion der ionenakustischen Instabilität. Darüber hinaus wurde diese erratisch zündende Entladung räumlich und zeitlich aufgelöst mit der CCS spektroskopisch untersucht. Dabei wird insbesondere die Selbst-Triggerung der CCS ausgenutzt, um einen Zeitbezug trotz des großen Entladungsjitter zu erhalten. Für die PROI wurden die räumlich und zeitlich stabilen Entladungsanordnungen der Nadel-Platte-Geometrie und des Kapillarjets in Helium gewählt. Die Anordnungen wurden mit einer periodischen Sinusspannung betrieben und wiesen Entladungsspalte von d = 5 - 15 mm auf. Eine besondere Anforderung der Messung mit dem Pockels-Effekt ist zu der räumlichen und zeitlichen Stabilität eine dielektrische Gegenelektrode, welche bei der Anordnung des Kapillarjets möglich war. Bei der Anwendung der interferometrischen Hakenmethode kam neben einem Erdgas-Sauerstoff-Mischgasbrenner sowohl eine Mikrowellen-Entladung (Plexc) als auch ein MHz-Plasmajet (kINPen) zur Anwendung. Die Bedeutung der elektrischen Messungen, besonders der Strom- und Spannungscharakteristik einer Entladung, wurde an dem Parametereinfluss der Kapillarposition einer erratisch zündenden transienten Funkenentladung vorgestellt. Es konnte gezeigt werden, dass der Zeitunterschied zwischen dem Stromsignal eines Vorstreamers und der Hauptentladung durch das Einbringen einer Kapillare in den Entladungsspalt deutlich verringert wird. Insbesondere der Beitrag der lokalen elektrischen Feldstärkeerhöhung an der Kapillarkante und der Diffusionsanteil der Umgebungsluft wurden als Ursachen, durch Vergleich einer Feldsimulation mit der Beobachtung der Vorphase an der Kapillarkante in den CCS-Messungen, diskutiert. Anschließend konnte gezeigt werden, dass der Leistungseintrag in die Vorphase durch die Platzierung der Kapillare deutlich reduziert werden kann. Ein wesentliches Ergebnis dieser Arbeit ist die Beobachtung von ionenakustischen Wellen als Oszillationen im Abklingen des Stromsignals einer erratisch zündenden transienten Funkenentladung. Hierzu war es nötig, elektrische Störungen zu erkennen und zu eliminieren. Es konnte ein Erdschleifen-freier Aufbau realisiert werden. In diesem Aufbau zeigt sich, dass die Signale der ionenakustischen Welle ausschließlich in einem bestimmten Gasflussbereich beobachtet werden. Die gemessene Frequenz der Oszillationen wurde als Ionenplasmafrequenz f_{pl ,i} identifiziert und enthält daher Angaben zu den Ionendichten im Bereich von n_{Ar_2^+} = 3•10^{14} cm^{-3} bis 1•10^{12} cm^{-3}. Nach einer Abschätzung der zu erwartenden Elektronendichte, die der gemessenen Ionendichte sehr nahe kommt, wurde die Dispersionsrelation für die vorhandenen Entladungsbedingungen aufgestellt und gelöst. Dabei zeigt sich eine starke zeitliche Dämpfung über die Ionen-Neutralteilchenstöße sowie eine räumliche Verstärkung für die Ionenplasmafrequenz. Aus der Dämpfung der Oszillationsamplituden konnte die Ionen- Neutralteilchen-Stoßfrequenz nu_i = 3•10^7 Hz ermittelt werden. Weiterhin ergibt sich aus der Lösung der Dispersionsrelation ein Existenzbereich für die ionenakustischen Wellen in Abhängigkeit von der Ionendichte und der elektrischen Feldstärke.
The experimental determination of the electron energy distribution of a low pressure glow discharge in neon from emission spectroscopic data has been demonstrated. The method extends an approach by Fischer and Dose [5]. The spectral data were obtained with a simple overview spectrometer and analyzed using a strict probabilistic, Bayesian data analysis. It is this Integrated Data Analysis (IDA) approach, which allows the significant extraction of non-thermal properties of the electron energy distribution function (EEDF). The results bear potential as a non-invasive alternative to probe measurements. This allows the investigation of spatially inhomogeneous plasmas (gradient length smaller than typical probe sheath dimensions) and plasmas with reactive constituents. The diagnostic of reactive plasmas is an important practical application, needed e.g. for the monitoring and control of process plasmas. Moreover, the experimental validation of probe theories for magnetized plasmas as a long-standing topic in plasma diagnostics could be addressed by the spectroscopic method.