Všeobecné charakteristiky 222nm plynového výboja
Primárny typ výboja plynu študovaný v tomto článku je korónový výboj. Keď sa korónový výboj vyvinie do flashoveru alebo oblúka, ultrafialové žiarenie je podobne zosilnené a vývojové trendy oboch sú konzistentné. Preto sa tu ako predmet výskumu berie korónový výboj.
1. Korónový výboj
Ak v -rovnomernom elektrickom poli elektrónová lavína dosiahne Townsendov samoudržovací výboj alebo sa premení na streamer bez toho, aby sa rozvinula do úplného rozbitia medzery, na elektróde s vysokým -poľom dôjde k intenzívnej ionizácii, čo vedie k lokalizovanému-udržovaciemu výboju sprevádzanému luminiscenciou. Tento jav je známy ako korónový výboj. Korónový výboj sa vyskytuje pri atmosférickom tlaku alebo vyššom, keď má elektróda malý polomer zakrivenia, rozloženie elektrického poľa vo výbojovom priestore je veľmi nerovnomerné a intenzita poľa v blízkosti povrchu elektródy je veľmi silná.
V blízkosti elektródy sa nachádza svetelná korónová vrstva (nazývaná aj ionizačná vrstva alebo žiariaca vrstva). Vnútri tejto vrstvy je elektrické pole extrémne silné a vytvára intenzívnu ionizáciu a excitáciu, počas ktorej de{1}}excitácia excitovaných častíc generuje ďaleko-ultrafialové žiarenie vrátane charakteristickej vlnovej dĺžky 222 nm. Mimo korónovej vrstvy je elektrické pole slabé, s malou alebo žiadnou ionizáciou alebo excitáciou. Táto oblasť sa nazýva vonkajšia zóna korónového výboja a javí sa ako tmavá oblasť so slabou žiarou. Pozitívne a negatívne nabité častice migrujú pod slabým elektrickým poľom, čo určuje elektrickú vodivosť tohto priestoru. Prechod od silného poľa v korónovej vrstve k slabému poľu vo vonkajšej zóne je skôr postupný ako náhly. V dôsledku toho aj intenzita ionizácie a excitácie postupne klesá zo silnej na slabú.
Pri korónovom výboji hrá geometria elektród vo všeobecnosti kľúčovú úlohu. Nerovnomernosť elektrického poľa obmedzuje hlavný ionizačný proces na oblasti blízko elektródy, kde je lokálne pole extrémne vysoké, najmä v tenkých vrstvách v blízkosti elektród s malým polomerom zakrivenia. Luminiscencia plynu sa vyskytuje iba v tejto oblasti, ktorá sa označuje ako ionizačná zóna, korónová vrstva alebo žiariaca vrstva. Za touto oblasťou je kvôli slabému elektrickému poľu ionizácia minimálna alebo chýba a vedenie prúdu sa spolieha na drift kladných iónov, záporných iónov alebo elektrónov. Oblasť mimo ionizačnej zóny sa teda nazýva driftová oblasť alebo vonkajšia oblasť. Ak iba jedna elektróda produkuje korónu, oblasť driftu obsahuje prevažne nabité častice s jednou polaritou, čo vedie k unipolárnemu prúdu.
Intenzita prúdu korónového výboja závisí od aplikovaného napätia medzi elektródami, tvaru elektród, medzi{0}}elektródovej vzdialenosti, vlastností plynu a hustoty. Korónový výboj je autonómny-výboj, ktorý nevyžaduje žiadny externý zdroj ionizácie na jeho spustenie alebo udržanie. Okrem toho pokles napätia cez korónový výboj nezávisí od odporu vo vonkajšom obvode, ale je určený vodivosťou oblasti driftu. Keď v oblasti driftu existuje unipolárny priestorový náboj, bráni toku prúdu a väčšina poklesu napätia v korónovom výboji padá cez túto oblasť driftu.
Iniciácia korónového výboja a prechod na iné formy výboja
Ako sa napätie medzi elektródami postupne zvyšuje od nuly, spočiatku dochádza iba k -neudržiavaniu{1}} tmavého výboja s veľmi slabým prúdom určeným zvyškovou ionizáciou v medzere. Keď napätie dosiahne „napätie na počiatku koróny“ (o čom bude podrobnejšie popísané neskôr), -samočinný-neudržiavací tmavý výboj prechádza do korónového výboja, čím je splnená podmienka samoudržania:
Pri korónovom výboji horná hranica integrácie d nepredstavuje celú medzielektródovú vzdialenosť, ale iba hrúbku korónovej vrstvy v blízkosti elektródy s malým polomerom zakrivenia. V rámci tejto hrúbky d sa vytvorí dostatočne silné elektrické pole, ktoré vyvolá kolíziovú ionizáciu a excitáciu. Spontánne radiačné prechody excitovaných častíc spôsobujú žiaru vrstvy a určité charakteristické spektrálne čiary, ako je ultrafialové svetlo s vlnovou dĺžkou 222 nm, sú obzvlášť výrazné vo vzduchovej koróne. Korónový prúd sa typicky pohybuje od mikroampérov do miliampérov. So zvyšovaním napätia sa korónová vrstva zahusťuje, zvyšuje sa intenzita luminiscencie a stúpa korónový prúd. Toto pokračuje, kým sa rozpínajúce sa korónové vrstvy z oboch elektród navzájom nestretnú alebo nedosiahnu opačnú elektródu-, t. j. keď súčet hrúbok dvoch korónových vrstiev (d₁ + d₂ väčší alebo rovný 2B, kde 2B je vzdialenosť elektród) alebo keď hrúbka jednej korónovej vrstvy d väčší alebo rovný 2B. V tomto bode vonkajšia zóna nízkeho poľa výbojového priestoru prestáva existovať. So zmiznutím oblasti s nízkym poľom sa môže dramaticky zvýšiť vybíjací prúd, ktorý je v konečnom dôsledku obmedzený iba odporom obvodu a kapacitou napájacieho zdroja. Ak je odpor obvodu nízky a napájanie je obmedzené, korónový výboj prechádza do iskrového výboja; ak napájací zdroj dokáže dodať vysoký jednosmerný prúd, korónový výboj prechádza do oblúkového výboja.
2. Modely vybíjania
Pre hladké elektródy je počiatočná hodnota E/P pri skutočných podmienkach Pd (tlak x súčin vzdialenosti) takmer rovná kritickej (E/P)₀. Ak však na elektróde existuje drsnosť povrchu, môže dôjsť k poruche, aj keď je sila makroskopického poľa v celej medzere pod kritickou hodnotou. Zníženie intenzity prierazného poľa Es možno vyjadriť pomocou koeficientu drsnosti ξ (Eq. 2-21).
2.1 Model Pedersen
Pedersen odvodil vzťah medzi faktorom drsnosti, rozmermi výčnelku a tlakom plynu. Drsnosť povrchu modeloval ako pologuľové výčnelky s polomerom r na inak hladkom povrchu, ako je znázornené na obrázku 2-2. Pri praktickej detekcii takéto mikroskopické výčnelky spôsobujúce lokalizované vysoké polia tiež často vedú k zvýšenému krátkovlnnému ultrafialovému žiareniu, vrátane 222 nm.
2.2 Tedfordov model
Tedford a kol. vymodeloval idealizované vyčnievajúce elektródy ako polo-elipsoidy otáčania a prezentoval výsledky výpočtov pre rôzne pomery výšky-k{3}}základni (h/b), ako je znázornené na obrázku 2-3. Je zrejmé, že pre ξ < 1, skutočné ξ začína klesať s klesajúcim Ph pri Ph ≈ 40 (0,1 MPa·μm) pre všetky pomery h/b. Uvažujme rovnomernú medzeru poľa s rozstupom d natlakovanú na kritickú intenzitu poľa s výstupkom výšky h na jednej elektróde. Kritérium rozpadu pre vývoj elektrónovej lavíny začína od povrchu výčnelku pozdĺž siločiar:
kde Va je napätie aplikované cez oblasť poľa 0 až sc. Keďže pole medzery je na kritickej úrovni, lavína sa môže vyvinúť cez celú medzeru. Ak je efekt vyčnievania zanedbateľný, Va sa rovná vonkajšiemu napätiu V bez vyčnievania: V=(E/P)₀ Pd=(B/k) Pd
Rovnica teda znie: BP(d − sc)=K (2-27)
Tu je sc dĺžka siločiary od vyčnievajúcej elektródy cez medzeru. Pre akýkoľvek tvar výčnelku a pozdĺž všetkých možných dráh vývoja lavín, d − sc Menšie alebo rovné h. Z rov. (2-27): BPh < K (2-28)
Ak sa táto nerovnosť udrží, k poruche nedôjde pod kritickú intenzitu poľa. V praktických podmienkach s dostatočne veľkým Pd sa rovnomerná-cesta rozpadu poľa a intenzita poľa tesne približujú kritickým hodnotám. V experimentoch sa ultrafialové zobrazovanie v pásme 222 nm bežne používa na detekciu skorých javov korónového výboja iniciovaných povrchovými výčnelkami.
