Laterale Strukturierung in planaren Barrierenentladungen

Im ersten Teil der Arbeit wird der erfolgreiche Aufbau einer Diagnostik zur quantitativen Bestimmung von Oberflächenladungsdichten beschrieben. Das Messprinzip bedient sich des elektro-optischen Pockelseffekts eines BSO-Kristalls, der in der Entladungszelle als Dielektrikum eingesetzt ist. Diese Methode arbeitet zeitlich und lateral aufgelöst, was die Untersuchung der Dynamik von Oberflächenladungen auf drei verschiedenen Zeitskalen ermöglicht. Die erste Zeitskala liegt in der Größenordnung von einigen 100 ns. Damit kann erstmals die Deposition von elektrischer Ladung auf einer dielektrischen Oberfläche während eines Entladungsdurchbruchs beobachtet werden. Die Deposition beginnt im Zentrum eines zuvor deponierten Ladungsspots. Die Polarität der neudeponierten Ladung ist der des ursprünglichen Ladungsspots entgegengesetzt. Die Folge ist, dass die absolute Ladungsdichte im Zentrum im Verlauf einiger hundert Nanosekunden kleiner wird als in den Randbereichen. Der Umladungsprozess wird so lange fortgesetzt, bis das elektrische Feld der neu deponierten Ladungen dem äußeren Feld so stark entgegenwirkt, dass die Spannung zur Aufrechterhaltung der Entladung unterschritten wird und die Entladung erlischt. Die zweite untersuchte Zeitskala liegt in der Größenordnung der Periodendauer der externen Spannung. Im Nulldurchgang der Spannung liegen zeitlich stationäre Ladungsdichteverteilungen auf dem Dielektrikum vor. Die Geometrie eines mittleren Ladungsspots wird in Abhängigkeit der anliegenden Spannungen und des Gasdrucks untersucht. Einerseits ist der Spotradius abhängig von den Ionisationsprozessen im Volumen, weil die Dichte der Raumladungen die Stärke des Elektronenfokus in das Innere der Entladung steuert. Andererseits wird die Spotbildung durch eine laterale Drift von Ladungsträgern kurz vor der Oberfläche aufgrund des elektrischen Feldes deponierter Ladungsträger beeinflusst. Die dritte untersuchte Zeitskala liegt in einer Größenordnung von Sekunden. Im Fall einer initial homogenen Oberflächenladungsverteilung nimmt die mittlere Ladungsdichte in einer Größenordnung von Sekunden monoton ab. Dieser Prozess stellt einen Ladungsabbau dar, dessen zeitliches Verhalten durch zwei überlagerte Exponentialfunktionen beschreiben ließ. Dadurch werden zwei Ladungsträgerpopulationen im BSO angenommen, die verschieden abgebaut werden. Im Fall einer initial inhomogenen Ladungsdichteverteilung wird ein Transport elektrischer Ladung auf der BSO-Oberfläche in einer Größenordnung von Sekunden beobachtet. Es wird weiterhin erstmals die durch einen Atmosphärendruck-Plasmajet deponierten Ladungen auf BSO zeitaufgelöst gemessen. Die zeitliche Entwicklung der Oberflächenladungen kann mit der Messung des elektrischen Stroms an einer der Ringelektroden des Jets korreliert werden. Dadurch wird geschlossen, dass der Ladungsaustauch nicht direkt durch einen Bullet verursacht wird. Er erzeugt stattdessen einen elektrisch leitfähigen Kanal zwischen der Düse des Jets zur BSO-Oberfläche. Infolgedessen kann Ladung, die sich auf der Innenseite der Jetkapillare befindet, auf den BSO-Kristall transportiert werden. Im zweiten Teil der Arbeit werden Kenngrößen entwickelt, die den Ordnungszustand einer aus Einzelobjekten zusammengesetzten Entladungsstruktur quantitativ beschreiben. Die Kenngrößen werten dabei die laterale Leuchtdichteverteilung der Entladungsemisssion, u.a. auf Basis der Tripel-Korrelationsfunktion. Dabei werden zwei separate Bifurkationsspannungen zwischen einer hexagonalen und einer ungeordneten Anordnung beobachtet: Bei der Verringerung der Spannung wird zunächst der Bifurkationspunkt der azimutalen Ordnung durchlaufen und anschließend der Bifurkationspunkt der radialen Ordnung. Die Systeme gehen jeweils in einen Zustand geringerer Ordnung über. Die Ursache des Ordnungsverlusts ist das zunehmende Fehlen von Entladungsspots, was im Mittel zu einer geringeren Wechselwirkung der Spots untereinander führt und das System an Freiheitsgraden gewinnt. Im dritten Teil dieser Arbeit wird erstmals ein Ansatz verfolgt, der die Steuerung lateral strukturierter Entladungen ermöglicht. Dafür wurde ein Aufbau konstruiert, bei dem ein gekühlter Halbleiter als Dielektrikum in der Entladungszelle dient. Dessen externe Beleuchtung führt bei einer anliegenden Spannung zu einer Änderung des Spannungsteilerverhältnisses der kapazitiven Elemente und schließlich zu einer lokalen Erhöhung der Spannung über dem Entladungsraum. Die Größe und Leuchtintensität der durch die Beleuchtung gezündeten Entladung ist stark abhängig von der beleuchteten Fläche, der Leistungsdichte der Beleuchtung und der anliegenden Spannung.In the first part of the thesis the succesful setup of a diagnostic technique for the quantitative measurement of surface charge is described. The technique uses the electro-optic Pockels effect of a BSO crystal that is part of the discharge cell. The method works temporally and laterally resolved. Hence, the measurement of surface charge on three different time scales is possible. The first time scale is in the order of magnitude of several hundred ns. Therefore, the observation of the deposition of electrical charge on a dielectric surface during a discharge is possible for the first time. The deposition starts in the center of a previously deposited surface charge spot. The polarity of the newly deposited charge is opposite to the initially deposited charge. The result is that the absolute charge density in the spot center becomes smaller than at the edge within a few hundred nanoseconds. The charge reversal continues until the electric field of the newly deposited charge counteracts the external electric field, so that the effective voltage in the gap becomes smaller that the necessary voltage needed to sustain the discharge. The second investigated time scale is in the order of the period of the applied voltage. In the zero crossings of the voltage, stationary charge density distributions are present on the dielectric. The geometry of a mean charge spot is investigated regarding a dependence on the applied voltage and the gas pressure. On the one hand the spot radius depends on the ionisation in the discharge volume, because the density of the positive charge carriers control the strength of the electron focus into the center of the discharge. On the other hand the spot formation is influenced by a lateral drift of the charge carriers in front of the surface because of the lateral electric field of deposited charge. The third investigated time scale is in the order of magnitude of seconds. In the case of a homogeneous surface charge distribution the mean charge density is reduced in a matter of seconds. This process represents a charge decay. Its temporal behavior is best described by two superposed exponential functions. This implies two charge carrier populations within the BSO crystal that are removed by different decay channels. In the case of an initially inhomogeneous charge carrier density, a transport phenomenon of electrical charge on the BSO surface is observed. Further, charge deposited by an atmospheric pressure plasma jet is measured for the first time. The temporal evolution of surface charge is correlated with a measurement of the electric current at one of the ring electrodes of the jet. It is concluded that the charge deposition is not a result of the bullet impact. The bullets procudes an electrically conducting channel between the jet and the surface. Charge is transported between the jet an the surface via this channel. In the second part of this thesis, characteristic parameters are developed that allow the decription of the geometric order of a lateral pattern comprised of solitary discharge spots. For these parameters the lateral light density distribution is assessed, e.g. using the triple correlation function. Regarding the transition of a hexagonal to an unregular pattern, two bifurcation voltages are observed: During the reduction of voltage first the azimuthal order and then the radial order is reduced. The cause of the order reduction is the decreasing number of discharge spots that leads to a reduced mutual interaction. The system therefore gains degrees of freedom. In the third part of this thesis an approach is tested that allows the control of laterally structured patterns. For this, a setup is constructed, in which a cooled semiconductor is part of the discharge cell. Its external illumination leads during a constant applied voltage leads to a different voltage drop ratio between semiconductor and discharge gap. This may be used to increase the discharge gap voltage in selected lateral positions and therefore the local ignition of a discharge. At low current densities the influence of positive volume charge low enough in order to control a laterally homogeneous discharge area. At high current densities, solitary discharge spots are ignited, whose positions and packing density is controlled by the external illumination. The size and the illumination density of the discharge strongly depends on the area and power density of the illumination and on the applied voltage