Untersuchung von Instabilitäten und Schichtstrukturen in dielektrisch behinderten Einzelfilamententladungen in Argon bei Atmosphärendruck

• Antragsteller: Dr. Markus Becker
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 407462159

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Unter Atmosphärendruck betriebene dielektrisch behinderte Entladungen (DBE) dienen der Erzeugung von nichtthermischen Plasmen und können damit in vielen Anwendungsbereichen eingesetzt werden. Dazu zählen z.B. die Ozonerzeugung, der Abbau von Schadstoffen, die Funktionalisierung von Oberflächen und die Plasmamedizin. Atmosphärendruck-DBE brennen abhängig von der verwendeten Gaszusammensetzung, der Art der Spannungsversorgung und der Entladungsgeometrie in unterschiedlichen Betriebsmodi. Diese zeichnen sich nicht nur durch Unterschiede in den Plasmaparametern, wie z.B. der Strom- und Elektronendichte aus, sondern haben auch Auswirkung auf ihre Anwendbarkeit und Effizienz für praktische Plasmaanwendungen. Trotz des breiten Einsatzes, sind die ursächlichen Mechanismen, die unter dem Einfluss der genannten Betriebsparameter zum Auftreten der unterschiedlichen Entladungsmodi führen, noch nicht vollständig verstanden und Gegenstand aktueller Untersuchungen. Vor diesem Hintergrund war der Gegenstand des Vorhabens die modellbasierte Analyse von Instabilitäten und räumlicher Schichtstrukturen in dielektrisch behinderten Atmosphärendruckentladungen. Dazu wurde ein selbstkonsistentes hydrodynamisches Plasmamodell zur zeitabhängigen, räumlich zweidimensionalen Beschreibung einer Einzelfilament-DBE in Argon bei Atmosphärendruck entwickelt und zur Erforschung von experimentell beobachteten Phänomenen eingesetzt. Insbesondere wurde untersucht, welche physikalischen Prozesse für die Ausbildung unterschiedlicher Entladungsmodi und das Auftreten eines geschichteten Entladungskanals verantwortlich sind. Weiterhin wurde analysiert, in welcher Weise Sauerstoff­Zumischungen das Entladungsverhalten beeinflussen. Ergebnis des Projekts ist zunächst das neue Simulationsprogramm FEDM, das für die Analyse der im Fokus dieses Projekts stehenden Einzelfilament-DBE entwickelt und eingesetzt wurde, aber auch für die Modellierung anderer nichtthermischer Plasmen angewendet werden kann. FEDM steht für „Finite Element Discharge Modelling" und basiert auf der Open-Source-Plattform FEniCS. Der Quellcode des Programms wurde umfänglich dokumentiert und zur Nachnutzung als Open-Source veröffentlicht. Neben FEDM wurde auch das kommerzielle Software-Paket COMSOL Multiphysics für die Simulationen zur Code-Verifikation eingesetzt. Die Ergebnisse der durchgeführten Modellrechnungen und Parameterstudien zeigen, dass die Ausbildung der räumlichen Schichtstrukturen entlang des Entladungskanals durch repetitive lonisationswellen ausgelöst wird, welche die räumliche Verteilung der Elektronen stören. Die wesentlichen Beiträge zur Elektronenproduktion sind dabei die Ionisation von metastabilen Argonatomen und von Excimeren. Die Dichte und räumliche Verteilung der angeregten Atome und Moleküle bestimmt somit direkt das Auftreten und die Lage der lokalen Maxima der Elektronenproduktion. Parameterstu­ dien auf Grundlage einer statistischen Versuchsplanung haben gezeigt, dass die Ausbildung von Instabilitäten und räumlichen Schichtstrukturen entlang des Entladungskanals durch kleinere Elektrodenabstände, dünnere Dielektrika und höhere Frequenzen begünstigt wird und der Einfluss der Spannungsam­ plitude vergleichsweise gering ist. Die Beimischung von Sauerstoff zu der Argonentladung mindert die Ausbildung von Schichtstrukturen aufgrund der zusätzlichen Verlustraten für metastabile Argonatome und Excimere in Stoßprozessen mit Sauerstoffmolekülen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• “Modeling of electrical discharges using fenics” 72nd Annual Gaseous Electronics Conference (GEC), College Station, Texas, USA, October 28–November 1, 2019
  Jovanović A. P.; Loffhagen D. & Becker M. M.
  
• “Verification and performance test of electric discharge modeling code developed in FEniCS”
  Jovanović A. P.; Loffhagen D. & Becker M. M.
  
• Automated Fluid Model Generation and Numerical Analysis of Dielectric Barrier Discharges Using Comsol. IEEE Transactions on Plasma Science, 49(11), 3710-3718.
  Jovanovic, Aleksandar P.; Stankov, Marjan N.; Loffhagen, Detlef & Becker, Markus M.
  
• “Plasma modelling using FEniCS and FEDM” Proceedings of FEniCS
  Jovanovic A. P.; Loffhagen D. & Becker M. M.
  
• Streamer–surface interaction in an atmospheric pressure dielectric barrier discharge in argon. Plasma Sources Science and Technology, 31(4), 04LT02.
  Jovanović, Aleksandar P.; Loffhagen, Detlef & Becker, Markus M.
  
• “Fluid-modelling analysis of striated structures in a single-filament dielectric barrier discharge in argon at atmospheric pressure” ESCAMPIG XXV, Paris, France, July 19–23, 2022
  Jovanović A. P.; Hoder T.; Loffhagen D. & Becker M. M.
  
• “Modelling of streamer inception in pulseddriven dielectric barrier discharges at atmospheric pressure” DPG Spring Meeting, Mainz, Germany, March 28–April 1, 2022
  Jovanović A. P.; Hoft H.; Loffhagen D. & Becker M. M.
  
• Formation mechanisms of striations in a filamentary dielectric barrier discharge in atmospheric-pressure argon. Plasma Sources Science and Technology, 32(5), 055011.
  Jovanović, Aleksandar P.; Hoder, Tomáš; Höft, Hans; Loffhagen, Detlef & Becker, Markus M.
  
• Introduction and verification of FEDM, an open-source FEniCS-based discharge modelling code. Plasma Sources Science and Technology, 32(4), 044003.
  Jovanović, Aleksandar P.; Loffhagen, Detlef & Becker, Markus M.
  
• Simulation of the statistical and formative time delay of Townsend‐mechanism‐governed breakdown in argon at low pressure. Contributions to Plasma Physics, 63(3-4).
  Jovanović, Aleksandar P.; Stankov, Marjan N.; Marković, Vidosav Lj. & Stamenković, Suzana N.