Caracteristici generale ale descărcării de gaze de 222 nm
Tipul principal de descărcare de gaz studiat în această lucrare este descărcarea corona. Pe măsură ce descărcarea corona se dezvoltă în flashover sau arc, radiația ultravioletă este îmbunătățită în mod similar, iar tendințele de dezvoltare ale ambelor sunt consistente. Prin urmare, descărcarea corona este luată ca obiect de cercetare aici.
1. Descărcare Corona
Într-un câmp electric ne{0}}uniform, dacă o avalanșă de electroni ajunge în condiția de descărcare auto-susținătoare Townsend sau se transformă într-un streamer fără a se dezvolta în defalcare completă a golului, ionizarea intensă va avea loc la electrodul de câmp-înalt, rezultând o descărcare de auto{3}}susținere localizată însoțită de luminescență. Acest fenomen este cunoscut sub numele de descărcare corona. Descărcarea corona are loc sub presiune atmosferică sau mai mare, atunci când electrodul are o rază mică de curbură, distribuția câmpului electric în spațiul de descărcare este foarte neuniformă, iar intensitatea câmpului lângă suprafața electrodului este foarte puternică.
În apropierea electrodului, există un strat corona luminos (numit și strat de ionizare sau strat strălucitor). În interiorul acestui strat, câmpul electric este extrem de puternic, producând ionizare și excitație intensă, timp în care de-excitarea particulelor excitate generează radiații ultraviolete departe-, inclusiv lungimea de undă caracteristică de 222 nm. În afara stratului corona, câmpul electric este slab, având loc ionizare sau excitare mică sau deloc. Această regiune se numește zona exterioară a descărcării corona și apare ca o regiune întunecată cu strălucire slabă. Particulele încărcate pozitive și negative migrează sub câmpul electric slab, determinând conductivitatea electrică a acestui spațiu. Tranziția de la câmpul puternic din stratul corona la câmpul slab din zona exterioară este mai degrabă treptată decât bruscă. În consecință, intensitatea ionizării și excitației scade, de asemenea, treptat de la puternic la slab.
În descărcarea corona, geometria electrozilor joacă, în general, un rol crucial. Ne-uniformitatea câmpului electric limitează procesul principal de ionizare la regiunile din apropierea electrodului unde câmpul local este extrem de mare, în special în straturi subțiri din apropierea electrozilor cu rază mică de curbură. Luminescența gazului apare numai în această regiune, care este denumită zonă de ionizare, strat corona sau strat strălucitor. Dincolo de această regiune, din cauza câmpului electric slab, ionizarea este minimă sau absentă, iar conducția curentului se bazează pe deriva ionilor pozitivi, negativi sau electronilor. Astfel, regiunea din afara zonei de ionizare se numește regiune de derivă sau regiune exterioară. Dacă un singur electrod produce coroană, regiunea de deriva conține predominant particule încărcate de o singură polaritate, rezultând un curent unipolar.
Intensitatea curentului de descărcare corona depinde de tensiunea aplicată între electrozi, forma electrodului, distanța dintre electrozi, proprietățile gazului și densitatea. Descărcarea corona este o descărcare autonomă-care nu necesită o sursă externă de ionizare pentru a o iniția sau menține. Mai mult, scăderea de tensiune pe o descărcare corona nu depinde de rezistența din circuitul extern, ci este determinată de conductivitatea regiunii de deriva. Când încărcarea unipolară a spațiului există în regiunea de derivă, aceasta împiedică fluxul de curent și cea mai mare parte a căderii de tensiune a descărcării corona cade în această regiune de deriva.
Inițierea descarcării Corona și trecerea la alte forme de descărcare
Pe măsură ce tensiunea dintre electrozi crește treptat de la zero, apare inițial doar o descărcare întunecată ne-auto-sustenabilă, cu un curent foarte slab determinat de ionizarea reziduală în spațiu. Când tensiunea atinge „tensiunea de inițiere corona” (care va fi discutată în detaliu mai târziu), descărcarea întunecată ne-auto--întunecată trece la descărcarea corona, satisfăcând condiția de auto-susținere:
În descărcarea corona, limita superioară de integrare d nu reprezintă întreaga distanță inter{0}}electrodă, ci doar grosimea stratului corona din apropierea electrodului cu rază mică de curbură. În această grosime d, se stabilește un câmp electric suficient de puternic pentru a produce ionizare și excitare prin coliziune. Tranzițiile radiative spontane ale particulelor excitate fac stratul să strălucească, iar anumite linii spectrale caracteristice, cum ar fi lumina ultravioletă la lungimea de undă de 222 nm, sunt deosebit de proeminente în coroana aerului. Curentul corona variază de obicei de la microamperi la miliamperi. Pe măsură ce tensiunea crește, stratul corona se îngroașă, intensitatea luminiscenței crește și curentul corona crește. Aceasta continuă până când straturile corona în expansiune de la ambii electrozi se întâlnesc sau ajung la electrodul opus-adică când suma celor două grosimi ale stratului corona (d₁ + d₂ mai mare sau egală cu 2B, unde 2B este distanța dintre electrozi) sau când grosimea unui singur strat corona d este mai mare sau egală cu 2B. În acest moment, zona exterioară cu câmp scăzut-a spațiului de descărcare încetează să mai existe. Odată cu dispariția regiunii-de câmp scăzut, curentul de descărcare poate crește dramatic, limitat în cele din urmă doar de rezistența circuitului și capacitatea de alimentare. Dacă rezistența circuitului este scăzută și alimentarea cu energie este limitată, descărcarea corona trece la descărcarea prin scânteie; dacă sursa de alimentare poate furniza un curent continuu ridicat, descărcarea corona trece la descărcarea cu arc.
2. Modele de descărcare
Pentru electrozii netezi, valoarea de debut a E/P în condiții reale Pd (presiunea x produs de distanță) este aproape egală cu valoarea critică (E/P)₀. Cu toate acestea, atunci când există rugozitate a suprafeței pe electrod, defalcarea poate apărea chiar și atunci când intensitatea câmpului macroscopic în întreaga distanță este sub valoarea critică. Reducerea intensității câmpului de defalcare Es poate fi exprimată folosind un factor de rugozitate ξ (Eq. 2-21).
2.1 Modelul Pedersen
Pedersen a derivat relația dintre factorul de rugozitate, dimensiunile proeminenței și presiunea gazului. El a modelat rugozitatea suprafeței ca proeminențe emisferice cu raza r pe o suprafață altfel netedă, așa cum se arată în Figura 2-2. În detecția practică, astfel de proeminențe microscopice care provoacă câmpuri înalte localizate conduc adesea la radiații ultraviolete cu unde scurte îmbunătățite, inclusiv la 222 nm.
2.2 Modelul Tedford
Tedford şi colab. a modelat electrozi proeminenti idealizați ca semi-elipsoizi de revoluție și a prezentat rezultatele calculelor pentru diferite rapoarte-la-bază (h/b), așa cum se arată în Figura 2-3. În mod clar, pentru ξ < 1, ξ real începe să scadă odată cu scăderea Ph la Ph ≈ 40 (0,1 MPa·μm) pentru toate rapoartele h/b. Luați în considerare un interval de câmp uniform de distanță d presurizat la intensitatea câmpului critic cu o proeminență de înălțime h pe un electrod. Criteriul de defalcare pentru dezvoltarea avalanșei de electroni pornește de la suprafața proeminenței de-a lungul liniilor de câmp:
unde Va este tensiunea aplicată în regiunea câmpului de la 0 la sc. Deoarece câmpul golului se află la nivelul critic, avalanșa se poate dezvolta pe întregul gol. Dacă efectul de proeminență este neglijabil, Va este egal cu tensiunea externă V fără proeminență: V=(E/P)₀ Pd=(B/k) Pd
Astfel, ecuația devine: BP(d − sc)=K (2-27)
Aici, sc este lungimea liniei de câmp de la electrodul proeminent peste spațiu. Pentru orice formă de proeminență și de-a lungul tuturor căilor posibile de dezvoltare a avalanșelor, d − sc Mai mic sau egal cu h. Din Eq. (2-27): BPh < K (2-28)
Dacă această inegalitate se menține, defalcarea nu va avea loc sub intensitatea câmpului critic. În condiții practice cu Pd suficient de mare, traseul uniform-de defalcare a câmpului și intensitatea câmpului se apropie îndeaproape de valorile critice. În experimente, imagistica ultravioletă în banda de 222 nm este folosită în mod obișnuit pentru a detecta fenomenele de descărcare coronară timpurie inițiate de proeminențe de suprafață.
