Untersuchung von gepulsten, dielektrisch behinderten Entladungen in Multifilamentanordnungen

• Antragsteller: Dr. Hans Höft
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 408777255

Dielektrisch behinderte Entladungen (DBE) sind eine weitverbreitete Methode zur Erzeugung nichtthermischer Plasmen bei Atmosphärendruck, die z. B. für chemische Prozesse eingesetzt werden. In molekularen Arbeitsgasen, wie Stickstoff-Sauerstoff-Gemischen, sind DBE in der Regel filamentiert, d. h. es bilden sich individuelle und transiente Entladungskanäle aus. Es konnte mehrfach gezeigt werden, dass die Erzeugung reaktiver Spezies durch eine gepulste Hochspannung effizienter ist als mit der klassischen Wechselspannung. Eigene Voruntersuchungen zu gepulsten DBE in Einzelfilamentanordnung ergaben, dass das Zündverhalten und die anschließende Entladungsentwicklung direkt über die Pulsbreite (Vorionisation) beeinflusst werden können. So wurden u. a. neue, bislang für DBE unbekannte Entladungsregime identifiziert. Da die plasmachemischen Reaktionen durch die physikalischen Vorgänge in den einzelnen Filamenten initiiert werden, ergibt sich vor diesem Hintergrund die Möglichkeit, Plasmaparameter so zu beeinflussen, dass plasmachemische Prozesse selektiver und effizienter angestoßen werden. In den für die Anwendungen genutzten DBE-Anordnungen zünden jedoch sehr viele Filamente und es ist nicht bekannt, ob sich die Erkenntnisse vom Einzelfilament auf solche Anordnungen übertragen lassen. Offene Fragen betreffen daher nicht nur die Vorgänge beim elektrischen Durchbruch, sondern auch den gegenseitigen Einfluss von Volumen- und Oberflächenprozessen in Multifilamentanordnungen. Ziel dieses Projekts ist es, diese Fragen zu beantworten. Dazu wird in experimentellen Studien schrittweise der Übergang vom Einzelfilament zu einer Multifilamentanordnung vollzogen. Aufbauend auf eigenen Erfahrungen im Design von Plasmaquellen werden neuartige, spezielle ortsfixierte und freie Multifilamentanordnungen entwickelt. Es soll systematisch untersucht werden, wie sich ein einzelnes Filament in einer Multifilamentanordnung in N2-O2-Gasgemischen bei Atmosphärendruck verhält. Aus dem Vergleich zum Einzelfilamentbetrieb soll abgeleitet werden, ob es weitreichende Kontrollmechanismen gibt, die den Durchbruch und die Dynamik der DBE bestimmen. Außerdem wird die Interaktion von einzelnen Entladungskanälen im Volumen und auf der Oberfläche untersucht. Es ist zu klären, ob die im Einzelfilament vorherrschende Dominanz der Volumenvorionisation auch in Multifilamentanordnungen ausgenutzt werden kann. Für diese Studien kommt das am INP vorhandene Portfolio an schnellen bildgebenden und spektroskopischen Verfahren für die Entladungsentwicklung zum Einsatz, welches bereits in eigenen Vorarbeiten etabliert wurde. Gleichzeitig werden Methoden zur zeitaufgelösten Gasanalytik verwendet, um die Aussagen über plasmachemische Prozesse zu gewinnen. Die Korrelationen zwischen Entladungsphysik und Plasmachemie sollen damit herausgearbeitet werden. Die Untersuchungen werden von der Plasmamodellierung begleitet, die sowohl die raum-zeitliche Entladungsentwicklung als auch die Plasmachemie umfasst.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Professor Dr. Ronny Brandenburg; Dr. Manfred Kettlitz