מאפיינים כלליים של פריקת גז 222nm
הסוג העיקרי של פריקת גז שנחקר במאמר זה הוא פריקת קורונה. כאשר פריקת קורונה מתפתחת להבהוב או לקשת, הקרינה האולטרה סגולה מוגברת באופן דומה, ומגמות ההתפתחות של שניהם עקביות. לכן, פריקת קורונה נלקחת כאובייקט המחקר כאן.
1. פריקת קורונה
בשדה חשמלי לא-אחיד, אם מפולת אלקטרונים מגיעה למצב פריקה עצמית-מתמשכת של Townsend או הופכת לסטרימר מבלי להתפתח להתמוטטות פער מוחלט, יינון אינטנסיבי יתרחש באלקטרודת השדה-הגבוהה, וכתוצאה מכך פריקה עצמית-מתמשכת מקומית מלווה באור. תופעה זו ידועה בשם פריקת קורונה. פריקת קורונה מתרחשת בלחץ אטמוספרי ומעלה, כאשר לאלקטרודה יש רדיוס עקמומיות קטן, התפלגות השדה החשמלי בחלל הפריקה מאוד לא- אחידה, וחוזק השדה ליד פני האלקטרודה חזק מאוד.
ליד האלקטרודה, קיימת שכבת קורונה זוהרת (נקראת גם שכבת היינון או שכבת זוהר). בתוך שכבה זו, השדה החשמלי חזק ביותר, מייצר יינון ועירור אינטנסיביים, שבמהלכם דה{1}}עירור של חלקיקים נרגשים מייצר קרינה אולטרה סגולה- מרחוק, כולל אורך הגל האופייני של 222 ננומטר. מחוץ לשכבת הקורונה, השדה החשמלי חלש, עם יינון או עירור מועט או לא. אזור זה נקרא האזור החיצוני של פריקת העטרה ומופיע כאזור כהה עם זוהר קלוש. חלקיקים טעונים חיוביים ושליליים נודדים מתחת לשדה החשמלי החלש, וקובעים את המוליכות החשמלית של חלל זה. המעבר מהשדה החזק בשכבת הקורונה לשדה החלש באזור החיצוני הוא הדרגתי ולא פתאומי. כתוצאה מכך, גם עוצמת היינון והעירור יורדת בהדרגה מחזק לחלש.
בפריקת קורונה, הגיאומטריה של האלקטרודות משחקת בדרך כלל תפקיד מכריע. חוסר האחידות- של השדה החשמלי מגביל את תהליך היינון העיקרי לאזורים ליד האלקטרודה שבהם השדה המקומי גבוה במיוחד, במיוחד בשכבות דקות ליד אלקטרודות בעלות רדיוס עקמומיות קטן. הארה של הגז מתרחשת רק באזור זה, המכונה אזור היינון, שכבת קורונה או שכבת זוהר. מעבר לאזור זה, בשל השדה החשמלי החלש, היינון הוא מינימלי או נעדר, והולכת זרם מסתמכת על סחיפה של יונים חיוביים, יונים שליליים או אלקטרונים. לפיכך, האזור שמחוץ לאזור היינון נקרא אזור הסחף או האזור החיצוני. אם רק אלקטרודה אחת מייצרת קורונה, אזור הסחף מכיל בעיקר חלקיקים טעונים בעלי קוטביות אחת, וכתוצאה מכך זרם חד-קוטבי.
עוצמת הזרם של פריקת קורונה תלויה במתח המופעל בין האלקטרודות, צורת האלקטרודה, מרחק-בין האלקטרודות, תכונות הגז והצפיפות. פריקת קורונה היא פריקה-עצמית שאינה דורשת מקור יינון חיצוני כדי ליזום או לתחזק אותה. יתרה מכך, ירידת המתח על פני פריקת קורונה אינה תלויה בהתנגדות במעגל החיצוני אלא נקבעת על ידי המוליכות של אזור הסחף. כאשר מטען חלל חד קוטבי קיים באזור הסחיפה, הוא מעכב את זרימת הזרם, ורוב מפל המתח בפריקת העטרה נופל על פני אזור הסחף הזה.
התחלת שחרור קורונה ומעבר לטפסי שחרור אחרים
כאשר המתח בין האלקטרודות עולה בהדרגה מאפס, רק פריקה כהה שאינה-מתקיימת-מעצמה מתרחשת בתחילה, עם זרם חלש מאוד שנקבע על ידי יינון שיורי במרווח. כאשר המתח מגיע ל"מתח תחילת העטרה" (עליו נדון בפירוט מאוחר יותר), הפריקה האפלה שאינה-מתקיימת-מתמשכת עוברת לפריקת קורונה, ומספקת את התנאי המקיים-עצמי:
בפריקת קורונה, גבול האינטגרציה העליון d אינו מייצג את כל המרחק בין-אלקטרודות אלא רק את עובי שכבת העטרה ליד האלקטרודה עם רדיוס עקמומיות קטן. בתוך עובי זה d, נוצר שדה חשמלי חזק מספיק כדי לייצר יינון התנגשות ועירור. מעברי קרינה ספונטניים של חלקיקים נרגשים גורמים לשכבה לזוהר, וקווים ספקטרליים אופייניים מסוימים, כגון אור אולטרה סגול באורך גל של 222 ננומטר, בולטים במיוחד בקורונה באוויר. זרם הקורונה נע בדרך כלל בין מיקרואמפר למיליאמפר. ככל שהמתח עולה, שכבת הקורונה מתעבה, עוצמת הארה עולה וזרם העטרה עולה. זה נמשך עד ששכבות העטרה המתרחבות משתי האלקטרודות פוגשות זו את זו או מגיעות לאלקטרודה הנגדית-כלומר, כאשר סכום שני עובי שכבת העטרה (d₁ + d₂ גדול מ-2B או שווה ל-2B, כאשר 2B הוא מרווח האלקטרודות) או כאשר עובי שכבת קורונה בודדת d גדול או שווה ל-2B. בשלב זה, האזור החיצוני-השדה הנמוך של חלל הפריקה מפסיק להתקיים. עם היעלמותו של אזור השדה הנמוך-, זרם הפריקה יכול לעלות באופן דרמטי, בסופו של דבר מוגבל רק על ידי התנגדות המעגל ויכולת אספקת החשמל. אם התנגדות המעגל נמוכה ואספקת החשמל מוגבלת, פריקת קורונה עוברת לפריקת ניצוץ; אם ספק הכוח יכול לספק זרם DC גבוה, פריקת קורונה עוברת לפריקת קשת.
2. דגמי פריקה
עבור אלקטרודות חלקות, ערך ההתחלה של E/P בתנאי Pd בפועל (לחץ × תוצר מרחק) שווה כמעט לערך הקריטי (E/P)₀. עם זאת, כאשר קיים חספוס פני השטח על האלקטרודה, התמוטטות יכולה להתרחש גם כאשר חוזק השדה המקרוסקופי לאורך הפער נמוך מהערך הקריטי. ניתן לבטא את הפחתת עוצמת השדה Es באמצעות מקדם חספוס ξ (Eq. 2-21).
דגם 2.1 פדרסן
פדרסן הסיק את הקשר בין גורם החספוס, ממדי הבליטה ולחץ הגז. הוא עיצב את חספוס פני השטח כמו בליטות חצי כדוריות ברדיוס r על משטח חלק אחרת, כפי שמוצג באיור 2-2. בזיהוי מעשי, בליטות מיקרוסקופיות כאלה הגורמות לשדות גבוהים מקומיים מובילות לעתים קרובות גם לקרינה אולטרה סגולה מוגברת של גלים קצרים, כולל ב-222 ננומטר.
דגם 2.2 טדפורד
טדפורד ואחרים. עיצבו אלקטרודות בולטות באידיאליזציה כחצי-אליפסואידים של מהפכה והציגו תוצאות חישוב עבור יחסי גובה-ל-בסיס שונים (h/b), כפי שמוצג באיור 2-3. ברור, עבור ξ < 1, ה-ξ בפועל מתחיל לרדת עם ירידה ב-P ב Ph ≈ 40 (0.1 MPa·μm) עבור כל יחסי h/b. שקול מרווח שדה אחיד של מרווח d בלחץ לחוזק השדה הקריטי עם בליטה בגובה h על אלקטרודה אחת. קריטריון הפירוק לפיתוח מפולת אלקטרונים מתחיל ממשטח הבליטה לאורך קווי שדה:
כאשר Va הוא המתח המופעל על פני אזור השדה 0 עד sc. מכיוון ששדה הפערים הוא ברמה הקריטית, המפולת יכולה להתפתח על פני כל הפער. אם אפקט הבליטה זניח, Va שווה למתח החיצוני V ללא בליטה: V=(E/P)₀ Pd=(B/k) Pd
לפיכך, המשוואה הופכת: BP(d − sc)=K (2-27)
כאן, sc הוא אורך קו השדה מהאלקטרודה הבולטת על פני הפער. עבור כל צורת בליטה ולאורך כל מסלולי הפיתוח האפשריים של מפולת, d − sc פחות או שווה ל-h. מ Eq. (2-27): BPh < K (2-28)
אם אי השוויון הזה מתקיים, התמוטטות לא תתרחש מתחת לחוזק השדה הקריטי. בתנאים מעשיים עם Pd גדול מספיק, נתיב התמוטטות השדה האחיד- וחוזק השדה מתקרבים באופן הדוק לערכים הקריטיים. בניסויים, הדמיה אולטרה סגולה ברצועת 222 ננומטר משמשת בדרך כלל לאיתור תופעות פריקת קורונה מוקדמת שיזומות על ידי בליטות פני השטח.
