Загальна характеристика газового розряду 222 нм
Основним типом газового розряду, який вивчається в цій статті, є коронний розряд. Коли коронний розряд переходить у спалах або дугу, ультрафіолетове випромінювання також посилюється, і тенденції розвитку обох є послідовними. Тому за об'єкт дослідження тут взято коронний розряд.
1. Коронний розряд
У не-однорідному електричному полі, якщо електронна лавина досягає стану самопідтримуваного розряду Таунсенда-або перетворюється на стример без повного пробою проміжку, на електроді з високим{2}}полем відбудеться інтенсивна іонізація, що призведе до локалізованого самопідтримуючого-розряду, що супроводжується люмінесценцією. Це явище відоме як коронний розряд. Коронний розряд відбувається за атмосферного тиску або вище, коли електрод має малий радіус кривизни, розподіл електричного поля в розрядному просторі дуже не-рівномірний, а напруженість поля біля поверхні електрода дуже велика.
Біля електрода існує шар корони, що світиться (також званий шаром іонізації або шаром світіння). Усередині цього шару електричне поле є надзвичайно сильним, спричиняючи інтенсивну іонізацію та збудження, під час якого де-збудження збуджених частинок генерує далеко-ультрафіолетове випромінювання, включно з характерною довжиною хвилі 222 нм. Поза шаром корони електричне поле слабке, іонізація або збудження не відбуваються або не відбуваються. Ця область називається зовнішньою зоною коронного розряду і виглядає як темна область зі слабким світінням. Позитивно і негативно заряджені частинки мігрують під слабким електричним полем, визначаючи електропровідність цього простору. Перехід від сильного поля в шарі корони до слабкого поля в зовнішній зоні відбувається поступово, а не різко. Отже, інтенсивність іонізації та збудження також поступово зменшується від сильного до слабкого.
У коронному розряді геометрія електродів зазвичай відіграє вирішальну роль. Не-однорідність електричного поля обмежує основний процес іонізації областями поблизу електрода, де локальне поле є надзвичайно високим, особливо в тонких шарах поблизу електродів із малим радіусом кривизни. Люмінесценція газу відбувається тільки в цій області, яку називають зоною іонізації, коронним шаром або шаром світіння. За межами цієї області через слабке електричне поле іонізація мінімальна або відсутня, а провідність струму залежить від дрейфу позитивних іонів, негативних іонів або електронів. Таким чином, область поза зоною іонізації називається областю дрейфу або зовнішньою областю. Якщо лише один електрод створює корону, область дрейфу містить переважно заряджені частинки однієї полярності, що призводить до уніполярного струму.
Інтенсивність струму коронного розряду залежить від прикладеної напруги між електродами, форми електрода, відстані між-електродами, властивостей газу та густини. Коронний розряд – це само-розряд, який не потребує зовнішнього джерела іонізації, щоб ініціювати чи підтримувати його. Крім того, падіння напруги на коронному розряді не залежить від опору в зовнішньому ланцюзі, а визначається провідністю області дрейфу. Коли в області дрейфу існує уніполярний просторовий заряд, він перешкоджає протіканню струму, і більша частина падіння напруги в коронному розряді припадає на цю область дрейфу.
Початок коронного розряду та перехід до інших форм розряду
Оскільки напруга між електродами поступово зростає від нуля, спочатку виникає лише не{0}}само-темний розряд із дуже слабким струмом, що визначається залишковою іонізацією в проміжку. Коли напруга досягає «початкової напруги корони» (докладно обговорюватиметься пізніше), не-самопідтримуваний-темновий розряд переходить у коронний розряд, задовольняючи умови-самопідтримуваності:
У коронному розряді верхня межа інтегрування d не представляє всю відстань між-електродами, а лише товщину коронного шару поблизу електрода з малим радіусом кривизни. У межах цієї товщини d встановлюється достатньо сильне електричне поле, щоб викликати іонізацію зіткнення та збудження. Спонтанні випромінювальні переходи збуджених частинок викликають світіння шару, і деякі характерні спектральні лінії, такі як ультрафіолетове світло з довжиною хвилі 222 нм, особливо помітні в повітряній короні. Струм корони зазвичай коливається від мікроампер до міліампер. З підвищенням напруги шар корони потовщується, інтенсивність світіння збільшується, струм корони зростає. Це триває доти, доки шари корони обох електродів, що розширюються, не зустрінуться один з одним або не досягнуть протилежного електрода-, тобто коли сума товщин двох шарів корони (d₁ + d₂ більше або дорівнює 2B, де 2B — відстань між електродами) або коли товщина одного шару корони d більше або дорівнює 2B. У цей момент зовнішня-зона низького поля розрядного простору припиняє своє існування. Зі зникненням області низького -поля розрядний струм може різко зрости, зрештою обмежуючись лише опором ланцюга та потужністю джерела живлення. Якщо опір ланцюга низький і джерело живлення обмежене, коронний розряд переходить в іскровий розряд; якщо джерело живлення може забезпечити високий постійний струм, коронний розряд переходить у дуговий.
2. Моделі розряду
Для гладких електродів початкове значення E/P за фактичних умов Pd (тиск × добуток відстані) майже дорівнює критичному (E/P)₀. Однак, коли на електроді є шорсткість поверхні, пробій може статися навіть тоді, коли макроскопічна напруженість поля в усьому зазорі нижче критичного значення. Зменшення напруженості поля пробою E можна виразити за допомогою коефіцієнта шорсткості ξ (Eq. 2-21).
2.1 Модель Педерсена
Педерсен вивів залежність між коефіцієнтом шорсткості, розмірами виступу та тиском газу. Він моделював шорсткість поверхні як напівсферичні виступи радіуса r на гладкій поверхні, як показано на малюнку 2-2. У практичному виявленні такі мікроскопічні виступи, що спричиняють локалізовані високі поля, також часто призводять до посиленого короткохвильового ультрафіолетового випромінювання, включно з 222 нм.
2.2 Модель Тедфорда
Тедфорд та ін. змоделював ідеалізовані виступаючі електроди як напі-еліпсоїди обертання та надав результати розрахунків для різних співвідношень висоти-до-основи (h/b), як показано на малюнку 2-3. Очевидно, що для ξ < 1 фактичне ξ починає зменшуватися зі зменшенням Ph при Ph ≈ 40 (0,1 МПа·мкм) для всіх співвідношень h/b. Розглянемо рівномірний польовий проміжок з відстанню d під тиском до критичної напруженості поля з виступом висотою h на одному електроді. Критерій пробою розвитку електронної лавини починається від поверхні виступу вздовж ліній поля:
де Va - напруга, прикладена через область поля від 0 до sc. Оскільки поле розриву знаходиться на критичному рівні, лавина може розвиватися по всьому розриву. Якщо ефект виступу незначний, Va дорівнює зовнішній напрузі V без виступу: V=(E/P)₀ Pd=(B/k) Pd
Таким чином, рівняння виглядає так: BP(d − sc)=K (2-27)
Тут sc — довжина лінії поля від виступаючого електрода через зазор. Для будь-якої форми виступу та вздовж усіх можливих шляхів розвитку лавини d − sc Менше або дорівнює h. З рівняння (2-27): BPh < K (2-28)
Якщо ця нерівність виконується, пробій не відбудеться нижче критичної напруженості поля. У практичних умовах із достатньо великим Pd рівномірний-шлях пробою поля та напруженість поля майже наближаються до критичних значень. В експериментах ультрафіолетове зображення в діапазоні 222 нм зазвичай використовується для виявлення раннього явища коронного розряду, ініційованого поверхневими виступами.
