Obecná charakteristika 222nm plynového výboje
Primárním typem výboje plynu studovaným v tomto článku je korónový výboj. Jak se korónový výboj vyvíjí do flashoveru nebo oblouku, ultrafialové záření je podobně zesíleno a vývojové trendy obou jsou konzistentní. Proto je zde jako výzkumný objekt brán korónový výboj.
1. Korónový výboj
Pokud v -stejnoměrném elektrickém poli elektronová lavina dosáhne Townsendova samoudržovacího výboje nebo se přemění na streamer, aniž by došlo k úplnému proražení mezery, dojde na elektrodě s vysokým -polem k intenzivní ionizaci, což má za následek lokalizovaný samoudržovací výboj doprovázený luminiscencí. Tento jev je známý jako korónový výboj. Korónový výboj nastává za atmosférického nebo vyššího tlaku, kdy má elektroda malý poloměr zakřivení, distribuce elektrického pole ve výbojovém prostoru je vysoce nerovnoměrná a intenzita pole v blízkosti povrchu elektrody je velmi silná.
V blízkosti elektrody existuje světélkující korónová vrstva (také nazývaná ionizační vrstva nebo doutnavá vrstva). Uvnitř této vrstvy je elektrické pole extrémně silné, produkuje intenzivní ionizaci a excitaci, během které de{1}}excitace excitovaných částic generuje daleko-ultrafialové záření, včetně charakteristické vlnové délky 222 nm. Vně korónové vrstvy je elektrické pole slabé, s malou nebo žádnou ionizací nebo excitací. Tato oblast se nazývá vnější zóna korónového výboje a jeví se jako tmavá oblast se slabou září. Kladné a záporné nabité částice migrují pod slabým elektrickým polem a určují elektrickou vodivost tohoto prostoru. Přechod ze silného pole v korónové vrstvě do slabého pole ve vnější zóně je spíše pozvolný než náhlý. V důsledku toho také intenzita ionizace a excitace postupně klesá ze silné na slabou.
V korónovém výboji hraje geometrie elektrod obecně zásadní roli. Nerovnoměrnost elektrického pole omezuje hlavní proces ionizace na oblasti blízko elektrody, kde je místní pole extrémně vysoké, zejména v tenkých vrstvách poblíž elektrod s malým poloměrem zakřivení. Luminiscence plynu se vyskytuje pouze v této oblasti, která je označována jako ionizační zóna, korónová vrstva nebo doutnavá vrstva. Za touto oblastí je kvůli slabému elektrickému poli ionizace minimální nebo chybí a vedení proudu se spoléhá na drift kladných iontů, záporných iontů nebo elektronů. Oblast mimo ionizační zónu se tedy nazývá oblast driftu nebo vnější oblast. Pokud pouze jedna elektroda produkuje korónu, oblast driftu obsahuje převážně nabité částice s jedinou polaritou, což má za následek unipolární proud.
Intenzita proudu koronového výboje závisí na použitém napětí mezi elektrodami, tvaru elektrody, mezi{0}}elektrodové vzdálenosti, vlastnostech plynu a hustotě. Korónový výboj je samoudržující se výboj, který k jeho iniciaci nebo udržení nevyžaduje žádný externí zdroj ionizace. Navíc úbytek napětí na korónovém výboji nezávisí na odporu ve vnějším obvodu, ale je určen vodivostí driftové oblasti. Když v oblasti driftu existuje unipolární prostorový náboj, brání toku proudu a většina poklesu napětí v korónovém výboji padá přes tuto oblast driftu.
Iniciace koronového výboje a přechod na jiné formy výboje
Jak se napětí mezi elektrodami postupně zvyšuje od nuly, zpočátku dochází pouze k -neudržování{1}} temnému výboji s velmi slabým proudem určeným zbytkovou ionizací v mezeře. Když napětí dosáhne „napětí na počátku koróny“ (které bude podrobně diskutováno později), přechází -samočinný- temný výboj do korónového výboje, čímž je splněna podmínka samoudržování:
U korónového výboje horní integrační mez d nepředstavuje celou mezi{0}}elektrodovou vzdálenost, ale pouze tloušťku korónové vrstvy v blízkosti elektrody s malým poloměrem zakřivení. Uvnitř této tloušťky d se vytvoří dostatečně silné elektrické pole, které vyvolá srážkovou ionizaci a excitaci. Spontánní radiační přechody excitovaných částic způsobují, že vrstva září a určité charakteristické spektrální čáry, jako je ultrafialové světlo o vlnové délce 222 nm, jsou zvláště výrazné ve vzdušné koroně. Korónový proud se typicky pohybuje od mikroampérů do miliampérů. S rostoucím napětím korónová vrstva houstne, zvyšuje se intenzita luminiscence a stoupá korónový proud. Toto pokračuje, dokud se rozpínající se koronové vrstvy z obou elektrod vzájemně nepotkají nebo nedosáhnou protilehlé elektrody-, to znamená, když součet tlouštěk dvou koronových vrstev (d₁ + d₂ větší nebo roven 2B, kde 2B je vzdálenost elektrod) nebo když tloušťka jediné koronové vrstvy d větší nebo roven 2B. V tomto okamžiku přestává vnější zóna nízkého pole výbojového prostoru existovat. Se zmizením oblasti nízkého pole se může dramaticky zvýšit vybíjecí proud, který je nakonec omezen pouze odporem obvodu a kapacitou napájecího zdroje. Pokud je odpor obvodu nízký a napájení je omezené, korónový výboj přechází na jiskrový výboj; pokud může napájecí zdroj dodávat vysoký stejnosměrný proud, korónový výboj přechází na obloukový výboj.
2. Vybíjecí modely
U hladkých elektrod je počáteční hodnota E/P za skutečných podmínek Pd (součin tlaku × vzdálenost) téměř rovna kritické hodnotě (E/P)₀. Pokud však na elektrodě existuje drsnost povrchu, může dojít k průrazu, i když je makroskopická intenzita pole v mezeře pod kritickou hodnotou. Snížení intenzity průrazného pole Es lze vyjádřit pomocí faktoru drsnosti ξ (Eq. 2-21).
2.1 Pedersenův model
Pedersen odvodil vztah mezi faktorem drsnosti, rozměry výstupků a tlakem plynu. Drsnost povrchu modeloval jako polokulové výčnělky o poloměru r na jinak hladkém povrchu, jak je znázorněno na obrázku 2-2. Při praktické detekci takové mikroskopické výčnělky způsobující lokalizovaná vysoká pole také často vedou ke zvýšenému krátkovlnnému ultrafialovému záření, včetně 222 nm.
2.2 Tedfordův model
Tedford a kol. modeloval idealizované vyčnívající elektrody jako polo-elipsoidy rotace a prezentoval výsledky výpočtů pro různé poměry výšky-k-základně (h/b), jak je znázorněno na obrázku 2-3. Je zřejmé, že pro ξ < 1 začíná skutečné ξ klesat s klesajícím Ph při Ph ≈ 40 (0,1 MPa·μm) pro všechny poměry h/b. Uvažujme rovnoměrnou mezeru mezi polem o rozteči d natlakovanou na kritickou intenzitu pole s výstupkem o výšce h na jedné elektrodě. Kritérium rozpadu pro vývoj elektronové laviny začíná od povrchu výčnělku podél siločar:
kde Va je napětí aplikované přes oblast pole 0 až sc. Protože pole mezery je na kritické úrovni, může se lavina rozvinout přes celou mezeru. Pokud je efekt vyčnívání zanedbatelný, Va se rovná vnějšímu napětí V bez vyčnívání: V=(E/P)₀ Pd=(B/k) Pd
Rovnice tedy zní: BP(d − sc)=K (2-27)
Zde je sc délka siločáry od vyčnívající elektrody přes mezeru. Pro jakýkoli tvar výčnělku a podél všech možných drah vývoje laviny d − sc menší nebo rovno h. Z rov. (2-27): BPh < K (2-28)
Pokud tato nerovnost platí, nedojde k průrazu pod kritickou intenzitu pole. V praktických podmínkách s dostatečně velkým Pd se jednotná-cesta průrazu pole a intenzita pole těsně blíží kritickým hodnotám. V experimentech se ultrafialové zobrazování v pásmu 222 nm běžně používá k detekci časných jevů koronového výboje iniciovaných povrchovými výčnělky.
