Optická diagnostika plazmatu

Mgr. Zdeněk Navrátil, Ph.D.

Doctoral thesis

Optical diagnostics of plasma

Abstract:

Práce se zabývá optickou diagnostikou difúzních dielektrických bariérových výbojů ve vzácných plynech. Výboje byly generovány za atmosférického tlaku v neonu a v heliu střídavým napětím o frekvenci 10 kHz v planparalelním uspořádání elektrod. Elektrody byly pokryty dielektrickou vrstvou syntetického korundu, šířka výbojového prostoru byla 2,2 a 5 mm. Výboje byly studovány metodou časově a prostorově rozlišené optické emisní spektroskopie a elektrických měření. Výboj v neonu byl dále studován pomocí vytvořeného srážkově-radiačního modelu. Výsledky optických a elektrických měření ukázaly na velmi podobný vývoj výbojů v obou plynech, charakterizovaný vznikem katodového spádu a intenzivním zářením v blízkosti katody. V případě výbojového prostoru o šířce 5 mm byl pozorován i kladný sloupec. Nepřítomnost kladného sloupce výboje ve 2,2 mm širokém výbojovém prostoru stejně jako další faktory svědčí proti hypotéze, která existenci difúzního dielektrického bariérového výboje vysvětluje mechanizmem udržení elektronů v kladném sloupci v době mezi výboji. Naopak, přítomnost metastabilních částic, projevující se např. zářením radikálu OH během celé periody nebo časovým posunem maxim intenzit záření dalších nečistot vůči výbojovému proudu, podporuje teorii, která za podstatné procesy pro vznik difúzního výboje považuje nepřímé ionizační procesy, zajišťující dostatečnou preionizaci pro překryv elektronových lavin. Ze srážkově-radiačního modelu byla pro různé hodnoty redukované intenzity elektrického pole stanovena optická spektra výboje v neonu. Těmito spektry byla metodou nejmenších čtverců prokládána naměřená spektra, čímž mohla být určena hodnota redukované intenzity elektrického pole ve výboji. Testováním vytvořeného modelu na spektrech známého nízkotlakého stejnosměrného výboje v neonu bylo dosaženo velmi dobré shody s měřením redukované intenzity elektrického pole; aplikací modelu na spektrech anodového záření difúzního výboje byla odhadnuta redukovaná intenzita elektrického pole na 1 - 3 Td. Nejen pro potřeby práce byl vyvinut program Spectrum Analyzer, určený pro zobrazování, identifikaci a analýzu optických emisních spekter. Program dovoluje základní manipulaci se spektry, identifikaci spektrálních čar a pásů, korekci vlnových délek a intenzit spektra a základní výpočty ze spekter jako např. stanovení integrované intenzity záření nebo určení rotační, vibrační a elektronové teploty.

Abstract:

This work is concerned with optical diagnostics of diffuse dielectric barrier discharges in rare gases. The discharges were generated at atmospheric pressure in neon and helium by ac voltage with frequency of 10 kHz in a parallel plane electrode set-up. Both electrodes were covered by an alumina layer, width of the discharge gap was 2.2 and 5 mm. The discharges were studied by time- and space- resolved optical emission spectroscopy and by electrical measurements. The discharge in neon was further studied by a collisional-radiative model. The results of both optical and electrical measurements revealed a very similar discharge development in both gases, being characterized by a formation of a cathode fall and intensive radiation in a vicinity of the cathode. In the discharge gap of 5 mm in width a positive column was also observed. The absence of the positive column in the 2.2 mm discharge gap in conjunction with other factors testifies against the hypothesis, which assumes generation of the diffuse dielectric barrier discharge due to a storage of electrons during the time between the discharges in space of the positive column. Conversely, a presence of metastable particles, being demonstrated e.g. by an emission of OH radical during the entire voltage period or by a temporal shift of intensity maxima of other impurity species in respect of the current peak, supports a theory, which presumes generation of the diffuse discharge due to indirect ionization processes, providing a preionization, which is sufficient for overlapping of the electron avalanches. From the created collisional-radiative model optical spectra of neon discharge were obtained for various values of reduced electric field strength. These spectra were compared with the measured spectra by means of the least-square method, whereby reduced electric field strength in the discharge was determined. In tests of the model on spectra of a known low-pressure dc discharge in neon a close agreement with the measurements was achieved; the use of the model on the spectra of the anode light of the diffuse dielectric barrier discharge allowed to estimate the reduced electric field strength to be 1 - 3 Td. Not only for needs of the work a program Spectrum Analyzer for displaying, identification and analysis of the optical emission spectra was developed. Program enables a basic handling the spectra, identification of the spectral lines and bands, corrections of the wavelengths and intensities and simple calculations as e.g. calculation of the integrated intensity of radiation or determination of rotational, vibrational and electron temperature.

Keywords

difúzní dielektrické bariérové výboje, optická emisní spektroskopie, srážkově-radiační model výbojů v neonu, diffuse dielectric barrier discharges, optical emission spectroscopy, collisional-radiative model of neon discharges

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 25. 1. 2006

Thesis defence

• Date of defence: 25. 1. 2006
• Supervisor: prof. RNDr. David Trunec, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics / Plasma Physics