Allgemeine Eigenschaften der 222-nm-Gasentladung
Die in dieser Arbeit untersuchte primäre Art der Gasentladung ist die Koronaentladung. Wenn sich die Koronaentladung zu einem Überschlag oder Lichtbogen entwickelt, wird die ultraviolette Strahlung ebenfalls verstärkt, und die Entwicklungstrends beider sind konsistent. Daher wird hier die Koronaentladung als Forschungsobjekt herangezogen.
1. Koronaentladung
Wenn in einem ungleichmäßigen elektrischen Feld eine Elektronenlawine den Townsend-Zustand der selbst-selbsterhaltenden Entladung erreicht oder sich in einen Streamer verwandelt, ohne dass es zu einem vollständigen Lückendurchschlag kommt, kommt es zu einer intensiven Ionisierung an der Hochfeldelektrode, was zu einer lokalisierten selbst-entladung begleitet von Lumineszenz führt. Dieses Phänomen wird als Koronaentladung bezeichnet. Eine Koronaentladung tritt unter atmosphärischem Druck oder höher auf, wenn die Elektrode einen kleinen Krümmungsradius hat, die elektrische Feldverteilung im Entladungsraum sehr ungleichmäßig ist und die Feldstärke in der Nähe der Elektrodenoberfläche sehr stark ist.
In der Nähe der Elektrode befindet sich eine leuchtende Koronaschicht (auch Ionisationsschicht oder Glühschicht genannt). Innerhalb dieser Schicht ist das elektrische Feld extrem stark und erzeugt eine intensive Ionisierung und Anregung, wobei die Ent-Anregung angeregter Teilchen weit-ultraviolette Strahlung erzeugt, einschließlich der charakteristischen Wellenlänge von 222 nm. Außerhalb der Koronaschicht ist das elektrische Feld schwach, und es findet kaum oder keine Ionisierung oder Anregung statt. Dieser Bereich wird als äußere Zone der Koronaentladung bezeichnet und erscheint als dunkler Bereich mit schwachem Leuchten. Positiv und negativ geladene Teilchen wandern unter dem schwachen elektrischen Feld und bestimmen die elektrische Leitfähigkeit dieses Raums. Der Übergang vom starken Feld in der Koronaschicht zum schwachen Feld in der äußeren Zone erfolgt eher allmählich als abrupt. Folglich nimmt auch die Intensität der Ionisierung und Anregung allmählich von stark nach schwach ab.
Bei der Koronaentladung spielt generell die Geometrie der Elektroden eine entscheidende Rolle. Die Ungleichmäßigkeit des elektrischen Feldes beschränkt den Hauptionisationsprozess auf Bereiche in der Nähe der Elektrode, in denen das lokale Feld extrem hoch ist, insbesondere in dünnen Schichten in der Nähe von Elektroden mit kleinem Krümmungsradius. Die Lumineszenz des Gases tritt nur in diesem Bereich auf, der als Ionisationszone, Koronaschicht oder Glimmschicht bezeichnet wird. Außerhalb dieses Bereichs ist die Ionisierung aufgrund des schwachen elektrischen Feldes minimal oder fehlt ganz, und die Stromleitung beruht auf der Drift positiver Ionen, negativer Ionen oder Elektronen. Daher wird der Bereich außerhalb der Ionisationszone als Driftbereich oder äußerer Bereich bezeichnet. Wenn nur eine Elektrode eine Korona erzeugt, enthält die Driftregion überwiegend geladene Teilchen einer einzelnen Polarität, was zu einem unipolaren Strom führt.
Die Stromstärke der Koronaentladung hängt von der zwischen den Elektroden angelegten Spannung, der Elektrodenform, dem Abstand zwischen den Elektroden, den Gaseigenschaften und der Dichte ab. Bei der Koronaentladung handelt es sich um eine selbsterhaltende Entladung, für deren Auslösung oder Aufrechterhaltung keine externe Ionisierungsquelle erforderlich ist. Darüber hinaus hängt der Spannungsabfall bei einer Koronaentladung nicht vom Widerstand im externen Stromkreis ab, sondern wird durch die Leitfähigkeit des Driftbereichs bestimmt. Wenn in der Driftregion eine unipolare Raumladung vorhanden ist, behindert sie den Stromfluss und der größte Teil des Spannungsabfalls bei der Koronaentladung fällt über diese Driftregion.
Einleitung der Corona-Entladung und Übergang zu anderen Entladungsformen
Wenn die Spannung zwischen den Elektroden allmählich von Null ansteigt, kommt es zunächst nur zu einer nicht-selbsterhaltenden-Dunkelentladung mit einem sehr schwachen Strom, der durch die Restionisation im Spalt bestimmt wird. Wenn die Spannung die „Korona-Anfangsspannung“ erreicht (wird später im Detail besprochen), geht die nicht-selbst-dunkle Entladung in eine Koronaentladung über und erfüllt die selbsterhaltende Bedingung:
Bei der Koronaentladung stellt die obere Integrationsgrenze d nicht den gesamten Abstand zwischen den Elektroden dar, sondern nur die Dicke der Koronaschicht in der Nähe der Elektrode mit kleinem Krümmungsradius. Innerhalb dieser Dicke d wird ein ausreichend starkes elektrisches Feld aufgebaut, um Kollisionsionisation und Anregung zu erzeugen. Spontane Strahlungsübergänge angeregter Teilchen lassen die Schicht leuchten, und bestimmte charakteristische Spektrallinien, wie etwa ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge von 222 nm, treten in der Luftkorona besonders hervor. Der Koronastrom reicht typischerweise von Mikroampere bis Milliampere. Mit zunehmender Spannung wird die Koronaschicht dicker, die Lumineszenzintensität nimmt zu und der Koronastrom steigt. Dies setzt sich fort, bis die sich ausdehnenden Koronaschichten beider Elektroden aufeinander treffen oder die gegenüberliegende Elektrode erreichen-, d. An diesem Punkt hört die äußere Niederfeldzone des Entladungsraums auf zu existieren. Mit dem Verschwinden des Niederfeldbereichs kann der Entladestrom dramatisch ansteigen, was letztendlich nur durch den Schaltkreiswiderstand und die Stromversorgungskapazität begrenzt wird. Wenn der Widerstand des Stromkreises niedrig ist und die Stromversorgung begrenzt ist, geht die Koronaentladung in eine Funkenentladung über; Wenn das Netzteil einen hohen Gleichstrom liefern kann, geht die Koronaentladung in eine Bogenentladung über.
2. Entladungsmodelle
Bei glatten Elektroden entspricht der Anfangswert von E/P unter tatsächlichen Pd-Bedingungen (Druck × Abstandsprodukt) nahezu dem kritischen Wert (E/P)₀. Wenn jedoch eine Oberflächenrauheit an der Elektrode vorliegt, kann es zu einem Durchschlag kommen, selbst wenn die makroskopische Feldstärke im gesamten Spalt unter dem kritischen Wert liegt. Die Verringerung der Durchschlagsfeldstärke Es kann mit einem Rauheitsfaktor ξ ausgedrückt werden (Gl. 2-21).
2.1 Pedersen-Modell
Pedersen leitete die Beziehung zwischen dem Rauheitsfaktor, den Abmessungen des Vorsprungs und dem Gasdruck ab. Er modellierte die Oberflächenrauheit als halbkugelförmige Vorsprünge mit dem Radius r auf einer ansonsten glatten Oberfläche, wie in Abbildung 2-2 dargestellt. In der praktischen Detektion führen solche mikroskopischen Vorsprünge, die örtlich hohe Felder verursachen, häufig auch zu verstärkter kurzwelliger ultravioletter Strahlung, auch bei 222 nm.
2.2 Tedford-Modell
Tedford et al. modellierte idealisierte hervorstehende Elektroden als Rotationshalb-ellipsoide und präsentierte Berechnungsergebnisse für verschiedene Höhen-zu-Basisverhältnisse (h/b), wie in Abbildung 2-3 dargestellt. Offensichtlich beginnt für ξ < 1 das tatsächliche ξ mit sinkendem Ph bei Ph ≈ 40 (0,1 MPa·μm) für alle h/b-Verhältnisse abzunehmen. Betrachten Sie eine gleichmäßige Feldlücke mit dem Abstand d, die auf die kritische Feldstärke unter Druck gesetzt wird, mit einem Vorsprung der Höhe h an einer Elektrode. Das Durchbruchkriterium für die Entwicklung einer Elektronenlawine beginnt an der Oberfläche des Vorsprungs entlang der Feldlinien:
Dabei ist Va die Spannung, die über den Feldbereich 0 bis sc angelegt wird. Da sich das Lückenfeld auf der kritischen Ebene befindet, kann sich die Lawine über die gesamte Lücke entwickeln. Wenn der Vorsprungseffekt vernachlässigbar ist, entspricht Va der externen Spannung V ohne Vorsprung: V=(E/P)₀ Pd=(B/k) Pd
Somit lautet die Gleichung: BP(d − sc)=K (2-27)
Hier ist sc die Länge der Feldlinie von der hervorstehenden Elektrode über den Spalt. Für jede Vorsprungsform und entlang aller möglichen Lawinenentwicklungspfade ist d − sc kleiner oder gleich h. Aus Gl. (2-27): BPh < K (2-28)
Wenn diese Ungleichung zutrifft, kommt es unterhalb der kritischen Feldstärke nicht zu einem Durchschlag. Unter praktischen Bedingungen mit ausreichend großem Pd nähern sich der einheitliche-Felddurchschlagspfad und die Feldstärke den kritischen Werten an. In Experimenten wird die Ultraviolettbildgebung im 222-nm-Band üblicherweise verwendet, um frühe Koronaentladungsphänomene zu erkennen, die durch Oberflächenvorsprünge ausgelöst werden.
