DC DÜŞÜK BASINÇ ELEKTRİKSEL GAZ DEŞARJLAR DC LOW PRESSURE ELECTRICAL GAS DISCHARGES

Transkript

1 1 DC DÜŞÜK BASINÇ ELEKTRİKSEL GAZ DEŞARJLAR Tamer AKAN Osmangazi Üniversitesi, Fizik Bölümü, Eskişehir, ÖZET Bu çalışmada, karanlık deşarjlardan başlayarak ark deşarjlara doğru dc düşük basınç elektriksel gaz deşarj plazmalarının çalışma rejimleri sunulmuştur. Karanlık deşarjlar, ateşlenme koşulları, glow deşarj ve ark deşarjlar, dc düşük basınç deşarj tüpünün akım-voltaj karakteristiği kullanılarak açıklanmıştır. Anahtar Kelimeler: Plazma, Gaz deşarj, DC Glow deşarj, DC Ark deşarj, DC LOW PRESSURE ELECTRICAL GAS DISCHARGES In this study, it is presented the operating regimes of the dc low pressure electrical gas discharge plasmas starting with the dark discharge and moving toward the arc discharge. Dark discharges, breakdown conditions, glow discharge and arc discharges are explained using the voltage-current characteristics of the dc low pressure discharge tube. Key Words: Plasma, Gas discharge, DC Glow discharge, DC Arc discharge. 1. GİRİŞ Maddenin dördüncü hali olarak bilinen Plazma; bazı şartlar sağlandığında iyonlaşmış gaz olarak tanımlanabilir [1]. Bu iyonlaşma nedeni ile plazma içinde; pozitif ve negatif yüklü parçacıklar, elektronlar ve aynı zamanda nötral parçacıklar bulunur [2-6]. Plazma içindeki iyonlaşmış parçacık sayısı karakteristik bir plazma parametresidir ve iyonlaşma derecesi olarak tanımlanır. İyonlaşma derecesi, % 100 (tümüyle iyonlaşmış gazlar) ile çok küçük değerler ( ; kısmi olarak iyonlaşmış gaz) arasında değişebilir. Plazma hali genellikle maddenin dördüncü hali olarak anılır. Evrende bugün görebildiğimiz maddenin çoğu plazma halindedir. Bu gerçekten doğrudur, çünkü; yıldızlar ve aynı zamanda görülebilen tüm yıldızlar arası madde plazma halindedir. Uzay plazmalarının yanında laboratuar plazmalarını da, yüksek-sıcaklık veya füzyon plazmaları ve düşük-sıcaklık veya gaz deşarj

2 2 plazmaları gibi iki ana gruba ayırabiliriz. Genelde plazmalar arasında; termal dengede olan plazmalar ve termal dengede olmayan plazmalar şeklinde bir alt sınıflandırma da yapılabilir. Termal denge; plazma içindeki tüm parçacıkların (iyonlar, elektronlar ve nötral parçacıklar) sıcaklıklarının eşit olmasıdır. Bu, örneğin yıldızlarda ve füzyon plazmalarında gerçekleşir. Termal dengedeki plazmaların oluşumu için 4000 K (sezyum gibi kolay iyonlaşan elementler için) ile K (helyum gibi iyonlaşması zor elementler için) arasında değişen çok yüksek sıcaklıklar gereklidir [7]. Çoğu kez, plazma içindeki tüm parçacıkların sıcaklıklarının, plazma içindeki lokal bir bölgede aynı olması durumu için lokal termodinamik denge (LTD) terimi kullanılır. Diğer taraftan yıldızlar arası plazma maddesi termal dengede değildirler ve non-ltd plazmaları olarak adlandırılırlar. Bunun anlamı, plazma içindeki farklı parçacıkların sıcaklıklarının eşit olmaması yani daha açık deyişle elektronların sıcaklıklarının, ağır kütleli parçacıkların (iyon, nötral atom veya molekül gibi) sıcaklıklarından çok daha yüksek olmasıdır. Gaz deşarj plazmaları da LTD ve non-ltd olarak sınıflandırılabilirler. Bu alt sınıflandırma genellikle gaz basıncı (p) ile ilişkilidir. Örneğin yüksek gaz basıncı; plazma içinde çok sayıda çarpışmaya (deşarj uzunluğu ile kıyaslandığında çok küçük çarpışma ortalama serbest yol anlamına gelir) ve plazma parçacıkları arasında verimli bir şekilde enerji değiş-tokuşuna ve dolayısıyla plazma parçacıklarının eşit sıcaklıklarda olmalarına neden olur. Diğer taraftan düşük gaz basıncı; plazma içinde sadece birkaç çarpışmaya (deşarj uzunluğu ile kıyaslandığında uzun çarpışma ortalama serbest yol) ve dolayısıyla verimsiz enerji transferi nedeniyle plazma içindeki parçacıkların sıcaklıkları farklı olur. Ancak bu kurala uymayan dielektrik bariyer deşarj veya atmosferik basınç glow deşarjlar gibi özel durumlar vardır. Bunun nedeni yukarıda kabul edildiği gibi plazma içindeki parçacık sıcaklıklarında, yalnızca basıncın değil aynı zamanda deşarj uzunluğunun yani elektrotlar arası uzaklığın (d) da önemli rol oynamasıdır. Yukarıdaki iki özel durumda genelde elektrotlar arası uzaklık çok küçük seçilir. Genelde pxd çarpımı, plazmaları LTD ve non-ltd şeklinde sınıflandırır [1-16]. Son yıllarda gaz deşarj plazmaların uygulama alanları oldukça genişlemiştir. Bunun en önemli nedeni, plazmaların dengede olmayan taraflarıyla ortaya çıkan geniş seçim özgürlükleridir. Dengede olmayan koşulların bu geniş değişimi aşağıda sıralandığı gibi dışarıdan kontrol parametrelerinin kolayca değiştirilmesi sebebiyle son derece kolaydır [8]: Kullanılan Gaz; Bu plazma içinde farklı parçacık türlerini ifade eder, Basınç; 0.1 Pa ile atmosferik basınç arasında değişebilir. Yüksek basınç genellikle çarpışma ortalama serbest yolunun düşmesine ve plazmanın denge haline geçmesine sebep olur,

3 3 Elektromanyetik Alan Yapısı; Genellikle dışarıdan verilir fakat plazma içindeki parçacık türleri tarafından modifiye edilebilirler. Bu elektrik ve/veya manyetik alanlar plazma içindeki parçacıkları hızlandırmak, ısıtmak ve yönlendirmek için kullanılırlar, Deşarj Konfigürasyonu; Örneğin elektrotlu veya elektrotsuz deşarj sistemleri ve küçük deşarj hacimleri büyük gradyentlere dolayısıyla dengeden sapmalara neden olur, Zaman Davranışı; Plazmaya uygulanan elektromanyetik alanların zamanlaması. Örneğin puls plazmalarda voltaj belirli pulslarda plazma üzerine uygulanır. Plazma koşullarının bu çok-boyutlu parametreleri, çok farklı uygulamalarda kullanılan gaz deşarj plazmalarının üretimine neden olmuştur. Bu çalışmada dc gaz deşarjlar, glow deşarj ve ark deşarj gibi oluşumlarla birlikte anlatılmıştır. Burada, bir deşarj tüpü içinden doğru akım geçirilmesi adım adım anlatılmış ve ortaya çıkan deşarj türleri yeri geldikçe açıklanmıştır. 2. KARANLIK DEŞARJ VE GLOW DEŞARJ OLUŞUMU Herhangi bir ortamdan elektrik akımı iletilebilmesi için o ortam içinde yüklü parçacıkların bulunması gereklidir. İdeal gazların birbirleriyle etkileşmesi ihmal edilen yüksüz parçacıklardan oluştuğu kabul edilir. Bu nedenle elektriği iletmezler. Ancak doğada bulunan bütün gazlar içinde güneşten gelen morötesi ışınlar, radyoaktif ışınlar veya kozmik ışınlar nedeniyle bir miktar yüklü parçacık bulunur. Bu yüklü parçacıklar gazın nötral atomları ile çarpışarak yeni yüklü parçacıkların (elektronların, pozitif ve negatif iyonların) oluşmasına neden olabilirler. Bu şekilde gaz içindeki yüklü parçacık sayısının artmasıyla gaz elektriksel olarak iletken hale gelebilir. Bu nedenle bir gazın iyonlaştırılması ile oluşan plazma hali, gaz halinden farklı olarak elektrik akımını iletir, elektrik ve manyetik alanlarla etkileşir. Örneğin doğanın oluşturduğu gaz deşarj plazmalarından birisi olan şimşekte, cm başına V luk potansiyel farkı ile binlerce amper akım taşınabilir. Laboratuar koşullarında, gazlarda elektriksel deşarj oluşturmak için en yaygın şekilde kullanılan sistem elektriksel gaz deşarj tüpü dür. Vakum ve gaz depolama sistemi ile vakumlanabilen ve sonra istenilen basınçta istenilen gazla doldurulabilen bu sistem, birbirine paralel düzlem levha tipi iki metal elektrot (genelde tungsten, molibden gibi erime sıcaklığı yüksek metaller) bulunan bir cam tüpten (genelde pyrex cam) oluşur. Vakum ve gaz depolama sistemi bir vakum pompası, valf sistemleri, manometreler ve gaz tüplerinden oluşur [9]. Deşarj tüpü sisteminde ayrıca, elektrotlar arasına elektrik voltajı uygulamak için bir dc voltaj güç kaynağı ve gaz içinden geçen akımın kontrol edilebilmesi için akım ayarlayıcı bir direnç de kullanılır.

4 4 Vakumlandıktan sonra, içine saf gaz yerleştirilen bir gaz deşarj tüpünün elektrotları arasına dc voltaj güç kaynağı ile voltaj uygulanarak ve bu sırada deşarj içinden geçen akımın ve deşarj üzerindeki voltajın ölçülmesi ile elde edilen akım-voltaj karakteristiği Şekil 1 de verilen grafiğe benzer olur [10, 13-15]. Grafik üzerindeki değerler, kullanılan gazın cinsine ve basıncına, elektrotlar arası uzaklığa, elektrotların cinsine ve yapısına göre farklılıklar gösterebilir. Voltaj (Volt) KENDİNİ SAĞLAMAYAN DEŞARJLAR KENDİNİ SAĞLAYAN DEŞARJLAR (SELF-SUSTAINING DISCHARGES) KARANLIK DEŞARJ LÜMİNESANS-GLOW ARK DEŞARJ Townsend Bölgesi V B Korona Deşarj E' E Ateşlenme (breakdown) H C B F G H' I J K A Deşarj Akımı (Amper) Şekil 1. DC elektriksel gaz deşarjın akım voltaj karakteristiği [10]. Şekil 1 den görüldüğü gibi akım-voltaj karakteristiği çok farklı davranışlar göstermektedir. Bu, deşarj tüpü içindeki yüklü parçacık sayısındaki artışa neden olan kaynakların değişmesinden dolayıdır. Bu nedenle bu karakteristik üzerinde farklı bölgeler oluşmaktadır. Deşarj tüpü içindeki yüklü parçacıkların artışı, deşarjın kendisi tarafından sağlanıyorsa kendini sağlayan (self sustaining) deşarj, yük artışı bir dış kaynak tarafından sağlanıyorsa, kendini sağlamayan (non-self sustaining) deşarj olarak adlandırılır. Deşarj tüpü içinde, yüklü parçacıkların artışına sebep olan elektron emisyon

5 5 kaynakları da değişmektedir. Örneğin karanlık deşarj bölgesinde doğal radyasyon (fotoelektrik emisyon) yoluyla, lüminesans (glow) deşarj durumunda ikincil elektron emisyonu yoluyla, ark deşarj bölgesinde termiyonik emisyon ve alan emisyonu yoluyla, yüklü parçacık sayısında artış sağlanmaktadır (Katılardan elektron emisyonu konularına bakınız). Bununla birlikte karakteristik üzerinde, deşarj tüpünden yayınlanan radyasyon şiddetine göre de sınıflandırma yapılmıştır. Karanlık deşarj olarak adlandırılan bölgede, yayınlanan radyasyon görünür bölgede olmadığı için karanlık deşarj olarak adlandırılır. Lüminesans (glow) deşarj bölgesinde yayınlanan radyasyon, görünür bölgede olduğu için gözle görünür bir ışıldama meydana gelir. Bu nedenle lüminesans veya diğer adı ile glow deşarj bölgesi olarak adlandırılır. Şimdi bir gaz içinden dc elektrik akımının geçisini ve böylece Şekil 1 de verilen akım-voltaj karakteristiğini adım adım inceleyelim. Deşarj tüpü içindeki elektrotlar arasına voltaj uygulanmadan önce, deşarj tüpü içine yerleştirilen gazda, her zaman bir miktar serbest elektron ve iyon vardır. Bunlar, güneşten gelen radyoaktif ışınlar ve uzaydan gelen kozmik ışınların gaz içindeki nötral atomları iyonlaştırması ve ayrıca doğada bulunan bu radyoaktif ışınların, deşarj cihazının elektrotlarından fotoelektrik emisyon yapmasıyla oluşurlar. Deşarj tüpünün yapıldığı camın kendisi de radyoaktif yayınlama yapabilir. Elektrotlar arasına uygulanan voltaj yavaş yavaş arttırılırsa, gaz içinde doğal olarak bulunan elektronlar anoda, pozitif iyonlar katoda doğru hareket etmeye başlarlar ve bu yüklü parçacık hareketi nedeniyle deşarj içinden bir miktar akım geçer. Katot ile anot arasına uygulanan voltaj belli bir değere gelinceye kadar (B noktası) bu akım artar ve bu noktada birim zamanda üretilen tüm yükler elektrotlar tarafından toplanılmıştır ve voltajın arttırılmaya devam edilmesiyle birim zamanda elektrotlar tarafından toplanan yük sayısında artış olmayacaktır. Sonuç olarak akım voltaj karakteristiği doyuma ulaşacaktır. Burada yüklü parçacıklar elektrotlara doğru hareket ederken, çarpışmalarla iyonlaşma yapacak kadar enerjiye sahip değildirler. Buraya kadar deşarj tüpü içindeki tüm yükler doğal yollarla üretildiği için, (AB) bölgesi doğal radyasyon ile iyonizasyon bölgesi olarak adlandırılır. (B) noktasından sonra deşarj cihazı üzerine uygulanan voltaj arttırılsa dahi, akımın artmayıp sabit kaldığı satürasyon bölgesi (BC) oluşur. Bu bölgede tüp içinde hala doğal olarak üretilen yükler vardır. Ancak birim zamanda birim kesitten geçen yük miktarı sabit kaldığından akım da değişmemektedir. Satürasyon rejiminde anot ile katot arasına uygulanan voltaj arttırılmaya devam ettikçe akım artmaz ancak deşarj içindeki yüklü parçacıklar giderek daha fazla enerji kazanırlar. Tam (C) noktasında, elektronlar artık gaz atomlarını iyonlaştıracak kadar enerji kazanmışlardır ve deşarj tüpü içindeki yüklü parçacık sayısı aşağıdaki reaksiyonla giderek artacaktır. İyonizasyon, gaz

6 6 deşarj plazmalarında yüklü parçacıkların üretilmesindeki en önemli olaydır ve iyonizasyon reaksiyonu; e A A e e (1) şeklindedir. Burada e; elektron, A; nötral gaz atomu ve A + ; A atomunun iyonudur. Böyle bir çarpışma reaksiyonunda; enerjitik elektron (en az A atomunun iyonlaşma enerjisinde enerjiye sahip olan elektron), nötral A atomuna çarpar ve bu atomun bir elektronunu koparır ve pozitif iyon haline getirir. İyonizasyon reaksiyonundan görüldüğü gibi nötral atoma çarpan bir enerjitik elektron, yeni bir elektron-iyon çifti oluşturmuştur. Her enerjitik elektron benzer reaksiyonu yapabilir ve böylece zincirleme yük artışı gerçekleşir. Yük artışına yukarıdaki denklemden farklı olarak sebep olan başka plazma içi reaksiyonları da vardır [16-20]. Bu artış Townsend in birinci iyonizasyon katsayısından hesaplandığında exponansiyel bir artış olarak bulunur. Bu hesap referans [20] de detaylı bir şekilde yapılmıştır. Bu nedenle karakteristik üzerinde (CE) arasındaki bölge exponansiyel artan bölgedir. Bu artış (E) noktasında kritik bir değere ulaşır ve bu noktaya karşılık gelen voltaj V B ; Ateşlenme (Breakdown) Voltajı olarak adlandırılır. Breakdown voltajından sonra deşarj üzerindeki voltaj birden azalarak glow deşarj bölgesine geçilir. Glow deşarj bölgesi; glow deşarja geçiş bölgesi (EF), normal glow deşarj bölgesi (FG) ve anormal glow deşarj bölgesi (GH) olarak üçe ayrılır. Normal glow deşarj üçüncü bölümde detaylı olarak incelenecektir. Elektrotların yapısına göre kritik değere ulaşılan bu bölge yani breakdown voltajına karşılık gelen bu nokta da farklı bir durum gözlenebilir. Eğer elektrotlar üzerinde sivri yada keskin uçlar varsa, uygulanan voltaj nedeniyle bu sivri ve keskin bölgelerdeki elektrik alan çok yüksek olacağından, alan elektron emisyonu nedeniyle korona deşarj oluşur [15, 20-22]. Bu nedenle breakdown voltajı değeri daha yüksek bir değere çıkabilir (E ). Korona deşarjlar, pozitif ve negatif korona olarak ikiye ayrılır ve ozon üretiminde sıklıkla kullanılır. Satürasyon rejimi ile breakdown voltajı arasında kalan bölge Townsend rejimi olarak adlandırılır. Buraya kadar gaz içinden akım geçişinin anot ile katot arasındaki uzayda, dış kaynaklar nedeniyle üretilen iyonlara bağlı olduğu görülmektedir. Bu nedenle (A) noktası ile breakdown voltajı arasındaki bölgeler kendini sağlamayan deşarj bölgeleri olarak adlandırılır. Aynı zamanda bu bölgede korona hariç hiçbir deşarj, görünür bölge dalga boyunda radyasyon (ışık) yayınlayamaz. Bu nedenle bu bölge, karanlık deşarj olarak da adlandırılır. Breakdown voltajından sonra yani karakteristik üzerinde (E) noktasından veya korona deşarjın oluştuğu özel durumda (E ) noktasından sonra deşarj üzerine uygulanan voltaj birden azalır ve akım çok hızlı bir şekilde artar.

7 7 Bu, deşarj içindeki yüklü parçacık sayısının çok hızlı bir şekilde artmasından dolayıdır. Bu artış, plazma içinde oluşan pozitif iyonların katota vurarak, katottan ikincil elektron emisyonu yapması nedeniyledir. Breakdown voltajından sonra deşarj, ihtiyaç duyduğu yüklü parçacıkları artık kendisi üretmeye başladığı için bundan sonraki karakteristik üzerindeki bölgeler, kendini sağlayan deşarjlar olarak tanımlanır. Breakdown voltajı bir deşarj tüpünde glow deşarj oluşturmak için elektrotlar arasına uygulanması gereken voltaj değeridir [2-8, 10-15, 20-23]. Bir deşarj tüpünde karanlık deşarj, korona deşarj gibi deşarjlar üretilse de bugün teknolojide sıkça kullanılan ve gaz deşarj olarak çoğu kez kullanılan aslında glow deşarjdır. Bu nedenle breakdown voltajı ya da breakdown koşulları aslında glow deşarj oluşturma şartıdır. Breakdown öncesi, elektrotlar arası potansiyel dağılımı doğrusal dağılımdır ve elektrik alan E sabittir ve E=V/d eşitliği ile verilir. Bu elektrik alan ile elektronlar anoda, pozitif iyonlar da katoda doğru hareket ederek deşarj içinden doğru akım geçişini sağlarlar. Bu sırada katoda gelen başka bir deyişle katota vuran pozitif iyonlar ikincil elektron üretecektir [11-15, 20]. Bu yük üretim işlemi, eş zamanlı oluşan iki olayla sonuçlanır. Bunlar; 1-) Katoda gelen hızlı iyonlar elektronlar üretirler. 2-) Üretilen elektronlar hızlandırılırlar ve katoda doğru hızlanan iyonlar üretirler. Her iki işlem de, elektrotlar arası uzayın dışındaki elektron ve iyon kayıplarını karşılamak için, belirli bir oranda olmak zorundadır. Bu kayıpların karşılanması için gerekli voltajın minimum değeri breakdown voltajı olarak adlandırılır. Gazın ateşlenmesinden sonra yani glow deşarj oluştuktan sonra elektrotlar arası potansiyel dağılımı tamamıyla değişir ve elektrotlar arasına uygulanan voltaj azalır ve üç parçaya ayrılır. Bu parçalardan katota yakın olan voltaj düşümü; katot düşümü, anota yakın olana voltaj düşümü; anot düşümü, ikisi arasındaki voltaj düşümü de plazma potansiyeli olarak adlandırılır. Katot düşümü glow deşarjın kendisini devam ettirmesi için yukarıda sözü edilen kayıpları karşıladığı için diğer potansiyel düşümlerinden daha fazladır. Bu potansiyel dağılımı bölüm 3 de incelenecektir. Breakdown voltajı; kelime anlamı olarak iletken olmayan bir materyalin iletken hale geçmesi için minimum uygulanması gereken voltaj değeri olarak da tanımlanır. Glow deşarjlar için Breakdown voltajının değeri, A 1 ( pd) V B (2) A 2 ln( pd) ile verilir. Burada A 1 ve A 2 deneysel olarak elde edilen birer sabit, p; gaz basıncı ve d; elektrotlar arası uzaklıktır. Breakdown voltajı yalnızca gazın basıncı ve elektrotlar arası uzaklığın çarpımına (pd) bağlıdır. Bu bağımlılık

8 Breakdown Voltajı (V) 8 Paschen yasası olarak tanımlanır [2-8, 10-15, 20-23]. Farklı gazlar için breakdown voltajının düşük basınçlarda deneysel olarak elde edilmiş (pd) bağımlılığı Şekil 2 de verilmiştir ve bu eğride, V breakdown ; pd çarpımına bağlıdır, ayrı ayrı p ye ya da d ye bağlı değildir. Hava Şekil 2. Farklı gazlar için Paschen eğrileri [14]. Şekil 2 den görüldüğü gibi büyük pd (yüksek basınç ve büyük elektrotlar arası uzaklık) için breakdown voltajı pd ile neredeyse doğru orantılı olarak artmaktadır. Eğrinin sol kısmında yani düşük pd (düşük basınç, düşük elektrotlar arası uzaklık) bölgesinde de, pd çarpımı azalırken breakdown voltajının arttığı görülmektedir. Bundan dolayı bu grafikte Paschen minimumu olarak adlandırılan bir minimum oluşur. Bu grafiğin bu şekilde çıkmasının nedeni iyonlaşma olasılığı ile ilgilidir. Bu minimumda, bir elektronun iyonlaştırıcı çarpışma olasılığı maksimumdur. Başka bir deyişle minimum civarında breakdown koşullarının, yük artışı için koşulların optimum olması nedeniyle en elverişli bölge olduğu söylenebilir. Paschen eğrisi uygulamalarda çok önemlidir. Ticari deşarj tüpleri imal edilirken gerekli yüksek voltaj değerlerini düşürmek için Paschen minimum aralığı seçilir. Paschen minimumundaki değerler, V min ve (pd) min, kullanılan gaz ve elektrotlar cinsine bağlıdır ve aynı gaz ve katot için sabittir. pd=sabit, Scaling yasası olarak bilinir. Buradan atmosferik basınçta bir glow deşarj oluşturmak için m mertebesinde elektrotlar arası uzaklık gerektiği kolayca anlaşılabilir. 3. GLOW DEŞARJ pd (torr.cm) Buraya kadar Şekil 1 de verilen karakteristikle paralel olarak, düşük basınçtaki bir gaz içinden elektrik akımı geçirilerek üretilen glow deşarj oluşumu detaylı bir şekilde anlatılmıştır. Bu bölümde glow deşarj detaylı

9 9 olarak incelenecektir. Glow deşarj olumu kısaca özetlenecek olursa; Bir gaz deşarj tüpünün elektrotları arasına bir potansiyel farkı uygulanırsa öncelikle gaz, elektron ve pozitif iyonlara ayrışacaktır. Elektronlar anoda doğru, pozitif iyonlar da bu potansiyel farkı ile katoda doğru hızlanacak ve katottan ikincil elektron emisyonu yapacaktır. Katottan yayınlanan ikincil elektronlar tekrar gaz içine girecek ve gaz atomları ile çok sayıda çarpışmalar yapacaktır. Bu yeni çarpışmalar sonucu yeni iyonizasyonlar ve foton yayınlayıcı uyarılmalar oluşur. Bu şekilde deşarj içinden sürekli bir doğru akımı geçişi olur ve doğru akım glow deşarj oluşur [4-5, 8, 11-15, 20-23]. Glow deşarj oluşması için elektrotlar arasına uygulanan potansiyel farkı, deşarj oluştuktan sonra anot ile katot arasında eşit olarak dağılmaz (Şekil 3), üç parçaya ayrılır fakat neredeyse tümüyle katodun birkaç milimetre önüne düşer. Çok güçlü bir elektrik alan ile karakterize edilen katoda bitişik olan bu bölge katot karanlık bölgesi-katot düşümü olarak veya kılıf (sheath) olarak adlandırılır. Negatif glow olarak adlandırılan deşarjın en uzun parçasında potansiyel, neredeyse sabit çok küçük bir pozitif eğime sahiptir ve dolayısıyla düşük elektrik alan vardır ve plazma potansiyeli olarak adlandırılır. Diğer bölge anot düşümü olarak adlandırılır. Bu durum elektrotlar arası kısa ve/veya düşük basınçlarda olur. Katot-anot arası uzaklık büyük olduğunda (örneğin 100 Pascal argon gazında 1-10cm de) elektrotlar arasında ortaya çıkan ışık yayınlayan ve yayınlamayan bölge sayısı ve potansiyel ve elektrik alan dağılımı Şekil 3 deki gibi olacaktır. Aston k.b. Katot k.b. Faraday karanlık bölgesi Anot karanlık bölgesi Katot Anot Katot glow Negatif glow Pozitif kolon V Anot glow Elektrik Alan, E E Potansiyel Farkı, V Yük Yoğunluğu, Akım Yoğunluğu, j Şekil 3. dc glow deşarjda elektrotlar arasındaki elektrik ve potansiyel alan dağılımı ile yük ve akım yoğunlukları değişimi [23].

10 10 Katot civarındaki yüksek potansiyel düşümü yani katot düşümü deşarjı sağlamak için gereklidir. Şekil 3 ten görüldüğü gibi, katot civarındaki potansiyel düşümü yani katot düşümü negatif glow un bitiminden başlar. Katot düşümü nde yüklü parçacıkların hareketi yönlendirilir ve bu yüklü parçacıklar bu potansiyel düşümünde oldukça yüksek enerji kazanırlar. Akım yoğunluğu, j j j en v en v (3) e p ilişkisi ile verilir ve toplam deşarj akımı korunur. Katot düşümü bölgesinde daha düşük yük yoğunluklarında dahi toplam deşarj akımı korunacaktır. Yük yoğunluklarının daha küçük değerleri, katot düşümündeki iyon (v i ) ve elektronların hızlarının (v e ) artmasıyla karşılanacaktır. Katot düşümü bölgesinde lokal termodinamik dengenin (LTD) olduğunu kabul edemeyiz. Sonuç olarak klasik diagnostik metotlarını kullanmak güçtür. Ayrıca bu bölge için elektron sıcaklığı bir parametre olarak düşünülmemelidir [20]. Gerçek bir plazma hali olan pozitif kolon bölgesinde plazma yoğunluğu oldukça yüksektir. Bu sebepten iletkenlik yüksektir ve negatif ve pozitif iyon yoğunluğu hemen hemen eşit olduğu için böyle bir plazma boyunca potansiyel düşümü düşüktür. Ayrıca, plazma yoğunluğu yüksek olduğu için, iyonizasyon oranı, düşük alanlarda dahi kayıpları karşılayabilecek ve plazma yoğunluğunu koruyacak kadar yüksektir. Bu bize pozitif kolon boyunca neden yaklaşık olarak sabit bir voltaj ve küçük bir elektrik alanı değerine sahip olduğumuzu açıklamaktadır. Anottaki potansiyel düşümü, katotta meydana gelen işlemler nedeniyle elde edilen seviyede deşarj akımını korumak için kendini ayarlayan potansiyel düşümüdür. Şekil 3 de görüldüğü gibi bir çok karanlık bölge ve aydınlık bölge anot ile katot arasında oluşmaktadır. Gerçekte karanlık bölgeler tamamıyla karanlık değildirler. Sadece civardaki bölgelerden yayınlanan ışık daha yüksek olduğundan karanlık bir bölge gibi görünürler. Aston Karanlık Bölgesi olarak adlandırılan ilk bölge basitçe katot glow a kadar olan bölge olarak açıklanabilir. Bu bölgede elektronların enerjisi (elektronlar bu enerjiyi katot düşümünün elektrik alanı ile hızlandırılmasıyla kazanırlar) deşarj tüpünün içini dolduran gazın atomlarını uyarmaya yetmez. Katot glow sınırı açıkça görünürdür ve gaz atomlarının uyarılma enerjisine karşılık gelir. Katota gelen iyonlar nedeniyle katottan yayınlanan ikincil elektronlar düşük enerjiye sahiptirler. Bu nedenle uyarma veya iyonlaşma yapamazlar ve bu Aston karanlık bölgesi oluşur. Katot tan, katot glow a e e i i

11 11 kadar olan uzaklık, katot düşümü nedeniyle hızlanarak enerji kazanmak için elektronlar için gerekli uzaklığa karşılık gelir. Katot Glow gaz atomlarının uyarılma enerjisine karşılık gelir. Bu bölge dardır. Çünkü uyarma için enerjilerini kaybeden bu elektronlar daha fazla uyarma yapmak için enerjiye sahip olamazlar. Diğer taraftan, elastik olmayan çarpışmalara sahip olmayan bu elektronlar, uyarma için gerekli optimum değerden çok daha büyük enerjiyi anot glow un sonunda kazanırlar. Katot glow dan sonraki diğer karanlık bölge olan Katot Karanlık Bölgesi (Crookes veya Hittorf) iki sebepten dolayı oluşur; 1-) İnelastik olarak atomlarla çarpışma yapan elektronlar uyarma enerjisine denk bir enerjiyi kaybettiler ve artık herhangi bir atomu uyarma veya iyonlaştırma işlemi yapamazlar. 2-) Atomları uyarma işlemi yapmamış olan elektronlar biraz daha fazla enerji kazandılar; bu sebepten maksimum uyarma ya da iyonlaşma enerjisini aştılar. Uyarma veya iyonlaşma olasılığı maksimum değerlerden daha yüksek enerji değerlerinde aniden düşer (iyonlaşma ve uyarılma tesir kesitini inceleyiniz). Negatif Glow katot tarafında keskin bir sınıra sahiptir, ve katot düşümü alanında hızlandırılan elektronların gaz atomlarını iyonlaştırmak için yeterli enerjiyi kazandığı nokta olarak ifade edilir. Negatif glow bölgesinde iki ilginç durum vardır. Bunlar; 1-) Bu bölgedeki elektrik alan neredeyse sıfır olacak kadar düşüktür ve ayrıca bu bölgede, iki grup elektron vardır. Bunlar T e 1 ev olan çok soğuk elektronlar ve normal elektronlar. 2-) Bu bölgedeki nötralite sağlanmamıştır. Negatif glow her zaman negatif yük fazlalığına sahiptir. Bu bölge en yüksek şiddetli ışık yayınlayan deşarj bölgesidir. Burada yayınlanan ışıklar, çoğu elektron-iyon birleşmesiyle sonuçlanan uyarılmış atomların tekrar uyarılmadan önceki durumlarına dönerken yayınlanan ışıktır [20]. Negatif glow bölgesinden sonra, düşük bir ışığa sahip Faraday Karanlık bölgesi oluşur. Negatif glow bölgesinde elastik olmayan çarpışmalarla enerjilerini kaybetmiş elektronlar, yeniden iyonlaştırma yapmak için Faraday karanlık bölgesinde hızlanırlar. Yani karanlık uzayda enerji kazanırlar. Ayrıca elektronlar Faraday karanlık uzayında pozitif kolonun içine girmek için fazla enerji kazanırlar ve gaz atomlarını iyonlaştırmaya veya uyarmaya başlarlar. Pozitif Kolon kısmında plazmanın yoğunluğu oldukça yüksektir ve elektrik alan düşüktür. Uzun mesafeli Coulomb etkileşimleri nedeniyle güçlü

12 12 etkileşimler elektronların enerjisini Maxwell dağılımlı bir gaz oluşturacak şekilde enerjilerini ve elektron sıcaklığını eşitler. Hareketler küçük sürüklenme tipidir ve herhangi bir uniformsuzluk, difüzyon işlemleri ile aniden telafi edilir (ambipolar difüzyon). Maxwell dağılımında iyonizasyonlar, uyarılmalar ve elektronlar lokal termodinamik dengededir. Sistemden sadece elektromanyetik radyasyon kaybı vardır. Pozitif kolonun anot ucunda, anoda yük kayıplarından dolayı, Anot Karanlık Bölgesi diye adlandırılan bir karanlık bölge daha belirir. Burada hem elektronların hem de iyonların yoğunluğu azalır. Bu sebepten, deşarj akımını korumak için (j = nv eşitliğinden sabit j için, n azalırsa v artar ) hızlanan elektron doğrudan anoda düşer. Bu hızlandırıcı alan nedeniyle elektronlar enerji kazanırlar ve gaz atomlarını iyonlaştırırlar. Bu sebepten anot yüzeyinde Anot Glow olarak adlandırılan bir ışıldama gözleriz. Bu belirtilen bölgeler torr luk gaz basınçlarında ancak tam olarak görülebilir. Bütün bu bölgelerin kalınlıkları gaz basıncının azalmasıyla artar, basıncın artmasıyla da azalır. Sonuç olarak 1 torr dan daha yüksek basınçlarda deşarj tüpü tümüyle pozitif kolonla doldurulur. Katot düşümü bölgesi deşarjı muhafaza edilmesi için önemlidir. Anodu katot doğrultusunda hareket ettirebilirsek, deşarj anot negatif ışıldamanın sonuna gelinceye kadar kararlı kalır. Bu mesafe azaltılırsa, ikincil elektron üretmek zorunda olan iyonları üretecek dar bir uzay olmadığı için deşarj söner [20]. 4. ARK DEŞARJ Glow deşarj oluştuktan sonra anot ile katot arasına uygulanan voltaj arttırılmaya devam edilirse Şekil 1 de verilen karakteristik üzerindeki (G) noktasından sonra anormal glow deşarj başlar ve (H) noktasına kadar sürer. Bu bölgede (G) noktasından sonra ikincil elektron emisyonu ile akımın artışı, yavaş yavaş doyuma ulaşmaya başlar. Bu nedenle deşarj içindeki pozitif iyonlar katota vurarak ikincil elektron üretmekle birlikte, katotun aşırı ısınmasına neden olurlar ve voltaj giderek yükselmeye başlar. Katotun yeterince ısınması sebebiyle (H) noktasında artık termoelektronik emisyon başlar. Deşarj içindeki termoelektronik emisyon nedeni ile yüklü parçacık sayısı arttığı için deşarj üzerindeki voltaj yeniden düşmeye başlar. Böylece glow deşarjdan ark deşarja geçiş (HI) başlar. Glow deşarjdan elektriksel arka geçiş, yüksek erime noktalı ve anormal glow deşarj tarafından yüksek sıcaklıklara ısıtılabilen materyaller için düz ya da yavaşça değişen bir geçiş olabilir (HH'). Bu durum soğuk katot ark durumunda gözlenir. Dışarıdan ısıtılan katot ile ark deşarj durumunda ise glow deşarj bölgesi oluşmadan ark deşarja geçiş olur (AH'). Genelde ark deşarj, sıcak katot ark deşarj bölgesi

13 13 (IK) şeklinde oluşur. Voltaj değeri, dc güç kaynağının iç direncine bağlı olarak bir (K) noktasına kadar önce azalır sonra yavaş yavaş artmaya başlar. (I) ile (K) arasında (J) noktasındaki yüksek akımlara ulaşıncaya kadar voltaj azalırken akım artar ancak (J) noktasından sonra voltaj, akımın artmasıyla yavaşça artar. Bu değişim yine elektron emisyon mekanizmasının değişmesi sebebiyledir. (J) bölgesine kadar elektronlar termiyonik emisyon ile üretilirken, (J) noktasından sonra alan emisyonu ile üretilirler. Tungsten, molibden gibi erime sıcaklıkları yüksek ve zor eriyen metaller (refractory metals) olarak adlandırılan materyaller için ark akımı katot üzerindeki çok sayıdaki spot tarafından sağlanılır. (I) ile (J) arasındaki artan akımla voltajın azaldığı bölge, elektron iyon ve gazın sıcaklığının eşit olmadığı termal olmayan ark (non-thermal arc) rejimi, (J) ile (K) arasındaki pozitif eğimli bölge termal ark (thermal arc) rejimidir ve tüm türlerin sıcaklıklarının eşit olduğu termal denge halindeki plazmadır [10, 15]. Ark deşarj, katot civarındaki düşük katot potansiyeli ile karakterize edilir [10, 13-15, 20, 24-28]. Katot potansiyel düşümü 10 ev civarında, arkın oluştuğu gaz ya da buhar atomlarının iyonlaşma potansiyeli mertebesindedir. Bu potansiyel düşümü, ark deşarjlarda kullanılan katotların, ikincil elektron emisyonundan farklı olarak, termiyonik emisyon ve alan emisyonu ile elektron yayınlamaları sebebiyledir. Ark deşarj durumunda deşarj akımı i A arasında olurken, katot akım yoğunlukları ark deşarjın bazı modları için (sıcak katot) A/cm 2 ve diğer modlar (soğuk katot) için A/cm 2 olabilmektedir [10, 14]. Kullanılan gaz basıncına bağlı olarak elektriksel arklar iki büyük sınıfa ayrılabilir. Bunlardan birincisi 10 torr dan daha büyük basınçlardaki gazlar veya buharlarda meydana gelen yüksek basınç arkları, ikincisi 10 torr dan daha küçük basınçlardaki gazlar veya buharlarda meydana gelen düşük basınç arkları dır. Genellikle düşük basınç arkları termal dengede olmayan plazmalarla karakterize edilir. Termal dengede olmayan plazmalarda nötral gaz atomları o K arasındaki sıcaklıklara sahip olurken, elektronlar ile o K arasındaki yüksek sıcaklıklara sahip olurlar. Yüksek basınçlarda meydana gelen yüksek basınç ark plazmaları, termal dengede olan plazmalar dır. Bu durumda elde edilen ark plazması içindeki elektronların, pozitif iyonların ve nötral gaz atomlarının ya da moleküllerinin sıcaklıkları eşittir. Yüksek basınç ark plazmalarında gazın sıcaklığı 4000 ile o K e kadar çıkabilmektedir. Böyle yüksek yoğunluklu bir plazma, ark kolonunda radyasyona dönüştürülen Joule ısısının % nına kadarını çok şiddetli bir şekilde dışarıya yayınlar. Bu özelliğinden dolayı teknolojide, süper yüksek basınç lambaları olarak kullanılmaktadırlar [10].

14 14 Ark deşarj durumunda katottan elektron emisyonu, glow deşarjda olduğu gibi ikincil elektron emisyonu ile gerçekleşmez. Katottan elektron emisyonuna göre ark deşarj; termoelektronik emisyon ile ark deşarj (sıcak katot ark deşarj), soğuk katottan alan emisyonu ile ark deşarj (soğuk katot ark deşarj) ve metal buharlarında meydana gelen ark (vakum ark) olmak üzere üç alt gruba ayrılır. Bu ark çeşitlerinin temel çalışma mekanizmaları kısaca referans [10] da açıklanmıştır. 5. SONUÇ Bu çalışmada, bir düşük basınç deşarj tüpü içinden doğru akım geçişi sırasında ortaya çıkan deşarj türleri kısaca anlatılmıştır. Gazların ateşlenmesi (breakdown), glow deşarj, korona deşarj ve ark deşarj ayrı ayrı birer kitap konusudur. Bu çalışma, bu deşarjları birlikte ele alan ilk Türkçe makale olması nedeniyle plazma üretim tekniklerini öğrenen araştırmacılar için önemli bir kaynak olacaktır. KAYNAKLAR [1] Eliezer, S. and Eliezer, Y., The Fourth State of Matter, IOP Publishing, Philadelphia, (2001). [2] Oksam, H. J., Gaseous Electronics, vol I, Academic Press, New York, (1978). [3] Engel, A. V., Ionized Gases, Clarendon Press, Oxford, (1965). [4] Chapman, B., Glow Discharges Plasmas, John Wiley and Sons, New York, (1980). [5] Brown, S. C., Introduction to Electrical Discharges in Gases, John Wiley and Sons, (1966). [6] Francis, G. The Glow Discharge at Low Pressure, vol. 22, Springer- Verlag, Berlin, (1956). [7] Lieberman, M. A. and Lichtenberg, A. J., Principles of Plasma Discharges and Materials Processing, Wiley, New York, (1994). [8] Bogaerts, A., Neyts, E., Gijbels, R., Mullen, J., Gas Discharges Plasmas and Their Applications, Spectrochimica Acta Part B, vol 57, , (2002). [9] Roth, A. Vacuum technology, North-Holland Publishing Co., (1976). [10] Akan, T., Termiyonik Vakum Ark ın Temel Özelliklerinin İncelenmesi, Doktora tezi, OGÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, 147s, (2003). [11] Ekem, N., Musa, G., Akan, T., Düşük Sıcaklık ve Düşük Basınç Plazma Parametrelerinin İncelenmesi, Osmangazi Üniversitesi Araştırma Fonu Proje Sonuç Raporu, (2002).

15 [12] Ekem, N., Musa, G., Akan, T. Düşük Sıcaklık ve Düşük Basınç Plazma Deneyleri Laboratuar Föyü, (2002). [13] Grill, A., Cold Plasma in Materials Fabrication, IEEE press, New York, (1993). [14] Raizer, Y. P., Gas Discharge Physics, Springer-Verlag, USSR, (1991). [15] Roth, J. R., Industrial Plasma Engineering, volume I, IOP publishing, Philadelphia, (1995). [16] Goldston R. J. and Rutherford, P. H., Introduction to Plasma Physics, IOP Publishing, Bristol and Philadelphia, (1995). [17] McDaniel, E. W., Collision Phenomena in Ionized Gases, John Wiley&Sons, USA, (1964). [18] Venugopalan, M., Reactions under Plasma Conditions, vol I ve vol II, Wiley-Int M.erscience, New York, (1971). [19] Bell, A. J., In Techniques and Applications of Plasma Chemistry, Wiley&Sons, New York, (1974). [20] Musa, G., Ekem, N., Akan, T., Plazma Fiziği Ders Notları, Osmangazi Üniversitesi, (2000). [21] Goldman, M. and Goldman, T., Corona Discharges in Gaseous Electronics I, Academic Press, New York, (1978). [22] Nasser, E., Fundamental of Gaseous Ionization and Plasma Electronics, Wiley, (1971). [23] Remy, J., Biennier, L., Salama, F., Plasma Structure in a Pulsed Discharge Environment, Plasma Sources Science and Technology, vol 12, , (2003). [24] Roth, J. R., Industrial Plasma Engineering, volume II, IOP publishing, Bristol and Philadelphia, (2001). [25] Cobine, J. D., Gaseous Conductors, Dover Pub., New York, (1958). [26] Gross, B., Gryez, B., Miklossy, K., Plasma Technology, Elsevier, New York, (1969). [27] Lafferty, J. M., Vacuum Arcs, Theory and Application, John Wiley, New York, (1980). [28] Pfender, E., Electric Arcs and Arc Gas Heaters, Academic Press, New York, (1978). 15