Gaz boşalma rejimlerini belirleyen temel faktörler, sisteme uygulanan gerilim, gazın mevcut koşulları (basınç, sıcaklık) ve elektrotların geometrisine (konfigürasyonu, elektrot açıklığı) bağlıdır (Masinnes ve ark., 2005).
Kogelschatz (2002) bariyer boşalmalarının farklı türde boşalma modları gösterebileceğini ifade etmiştir. Flama (filament) modda, metal elektrotlar arasındaki darbeli Glow boşalmalarında ulaşılan en yüksek akım yoğunluklarına ulaşılmaktadır. Yüksek akım yoğunluk süreci, mikro-şarj kanallarıyla sınırlı olup ömrü sadece birkaç nanosaniyedir. Özel koşullar ve bariyer konfigürasyonlarında homojen boşalma elde edebilir. Bu koşullar minimum frekansa ve yarı-stabil (metastables) veya artık-yük taşıyıcıların varlığına bağlıdırlar. Buna bağlı olarak homojen boşalmalar çok farklı akım yoğunluklarında meydana gelebilir. Bu boşalmaların tümü Glow boşalması olarak nitelendirilmeyip katot düşme bölgesinde bir lokalize yüksek alan ile karakterize edilir. Düşük akımlı homojen bariyer boşalmaları Townsend boşalmalarına daha çok benzerler. Düşük akımlı homojen bariyer boşalmalarının yük yoğunluğu çok düşük olduğundan uygulanan alan üzerindeki etkisi nerdeyse yoktur. Hansu (2012) bariyer boşalması mekanizmasının Townsend, Glow ve Flama modu olmak üzere temelde üç modda gerçekleşebileceğini ifade etmiştir.
Rajasekaran ve ark. (2010) dielektrik bariyer boşalmaları, belirli koşullar altında, flamentli çalışma modları ve atmosferik basınçta homojen mod olarak gerçekleştirilebileceğini ifade etmişlerdir. Flamentli BB’ler, genellikle uzayda ve zaman içinde rastgele olarak dağıtılan geçici mikroboşalmalar (MB’ler) ile karakterize edilir. Homojen BB modunda boşalmanın boşalma parametreleri hem yol boyunca hem de zamansal olarak kontrol imkânı verdiği için filamentli boşalmaya göre daha avantajlı olduğu ifade edilerek, homojen modda çalışırken uygulama koşullarına göre boşalmanın tipik Townsend rejiminde olduğu; fakat Glow boşalmasının gözlemlenmediği belirtilmiştir.
Hansu (2012) Townsend modunun en sade boşalma rejimi olduğu ve elektrik alanının ortamda oluşan uzay yüklerinden çok az etkilendiği mod olarak ifade etmiştir. Glow modunun yüksek frekans değerlerinde gerçekleşebileceğini, elektrik alan şiddetinin
31 ortamdaki yüklerin etkisiyle büyük oranda bozulmaya uğradığını ve plazmanın etkisiyle boşalmanın büyük kısmının bu bölümde gerçekleştiğini ifade etmiştir.
Bariyer boşalmaları konusunda yapılan çalışmalar ve uygulamalara bakıldığında, çalışmaların büyük bir kısmı alternatif yüksek gerilim kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Uygulamalarda kullanılan alternatif gerilim frekansı kHz kademelerinde olmuştur. Gelişen teknoloji ile üretilen yeni güç kaynakları sayesinde özellikle son yirmi yılda darbeli ve radyo frekansı (1 MHz ve üstü) ile BB uygulamaları yapılmış ve buna bağlı olarak BB uygulama alanları genişlemiştir. Tasarlanan BB’ler kapasitif bir eleman olarak yorumlanmaktadır. Bu durumda, yer değiştirme akımı, BB sisteminin toplam kapasitesi ve uygulanan gerilimin zamana göre türeviyle tespit edilmektedir. Toplam kapasite değeri bariyerin dielektrik sabiti, bariyerin kalınlığı ve BB sisteminin geometrisi ile verilebilir (Brandenburg, 2017).
1.3.1. BB’de filamentli çalışma modu
Bariyer boşalmaları genellikle filament (Flama) modunda çalışır. Bu modda çalıştırılan BB, gaz boşluğundaki lokal elektrik alan kuvveti ateşleme seviyesine ulaşırsa, boşalma birçok noktada başlar ve ardından mikroboşalmalar olarak adlandırılan filamentler gelişir. Mikroboşalmalar bariyer yüzeyi üzerinde eşit olarak dağılan nanosaniye sürelidir (Wagner ve ark., 2003). BB’lerin genel çalışma prensibi şebeke frekansı (50 Hz) ile kHz aralığında uygulanan alternatif veya darbeli gerilim, boşalma gerilimine ulaştığında bariyer yüzey üzerinde yükler birikir. Bu yüzey yükleri, uygulanan elektrik alanına karşı bir elektrik alanı oluştururlar. Oluşan elektrik alan kendini meydana getiren alana zıt ve toplam alanı azaltarak boşalmayı sonlandırır. Bariyer, elektrikte şarj miktarını ve gazdaki ortalama akım yoğunluğunu sınırlayarak, oluşan plazmayı termal olmayan rejimde tutar. Bu sınırlama kıvılcım veya ark boşalmasının oluşmasını engeller. Orta, normal ve hatta daha yüksek basınçlı gaz boşalmaları, flama delinme mekanizması nedeniyle daralma eğilimi gösterir. Elektron çığları bir alan şarjı oluşturur ve bu nedenle, ikincil elektron çığlarının lokal olarak büyümesini artıran ek bir elektrik alanı oluşturulur. Sonuç olarak, iyonlaşmış bölge ve elektrik alanının pertürbasyonu hızla büyür ve farklı plazma kanalları oluşturulur. Tekrarlı ve devamlı üretim nedeniyle mikroboşalmalar veya filamentler görülür. En moleküler gazlardaki BB’lerin yanı sıra argonda veya asal
32 gazların moleküler gazlarla karışımları da bu tür filamentli plazmalar oluşturulabilir. Ayrıca radyo frekanslı asimetrik yüzey BB’lerde filamentli plazma üretimi de gerçekleştirilebilir (Brandenburg, 2017).
1.3.2. Homojen BB’ler
1857’lerde başlayan BB araştırmaları genellikle filament modda yapılmıştır. Yaklaşık yüzyıl sonra atmosferik basınçlı difüze (yayılmış) veya yanlamasına homojen BB’ler üzerine ilk deneysel çalışmalar Okazaki ve Tokyo’daki Sophia Üniversitesi’nde başlamış, çalışmalara Massines ve onun grubu Toulouse tarafından devam edilmiştir. Başlangıçta tüm difüze BB’ler atmosferik basınç Glow boşalmaları (APG’ler veya APGD’ler) olarak tanımlanmıştır. Homojen bir BB elde etmek için belli koşulların sağlanması gerekmektedir. Düzgün (üniform, homojen) veya difüze (yayılmış) olması, plazmanın eksenel yönde mutlaka homojen olmasa da yüzey kesitinin boşalma yoluyla tamamen kaplandığı anlamına gelir. He, Ne veya N2’de homojen BB’ler elde etmek
nispeten daha kolaydır. Çünkü daha düşük elektrik alan şiddetinde nispeten yüksek bir gaz iyonlaşması ile bilinirler. Hava, O2 ve Ar ortamlarında 50 Hz’lik bir kaynak
kullanılması halinde de kararlı atmosferik basınç BB’lerinde elde edilmiştir. Homojen BB’ler konusunda yapılan birçok çalışmada, güç kaynağının özellikleri, bariyerler, kullanılan gaz ve basıncı, geometrik konfigürasyon ve çalışma frekansı gibi birçok parametrenin etkisi olduğu belirtilmektedir. Bu boşalma modunda hafıza etkileri yani yüzey yükleri ve önceki yarım periyoda ait uzun ömürlü türlerin de önemli olduğu ifade edilmiştir. Daha sonra Glow boşalmaları ve Townsend benzeri boşalmalar (APTD’ler) arasındaki fark açığa çıkarılmıştır. Homojen BB’ler (difüze) ile filamentli BB’ler arasındaki geçişler hakkında daha ayrıntılı bilgi, kısa süreli ICCD görüntüleri ve elektriksel ölçümlere bağlı spektroskopi (CCS, LIF) kullanılarak elde edilmiştir (Kogelschatz, 2010; Brandenburg, 2017).
1990’lı yıllarda üniform BB’ler plazma ekran panel hücrelerinde üretilmiştir. Yapılan çalışmalar dış ön iyonlaştırma olmaksızın boşalma düzgünlüğünün mümkün olduğu, ancak özellikle gaz bileşimi veya saflığı üzerinde özel koşullar gerektirdiği ifade edilmiştir. Bununla birlikte, uygulanan gerilimin frekansına ve harici elektrik devresinin gücünü sınırlayan özelliklerine bağlıdır. Bir filamentli BB’de döngü başına
33 mikroboşalmaların sayı yoğunluğu yüksek ise çıplak gözle veya yavaş kameralarda homojen görülebilir. Aynı yarım periyotta üniform veya filament modun mevcut olduğu veya birbirini izleyen iki yarım periyot arasında kademeli olarak durduğu geçiş rejimleri de olabilir. Üniform karakter, hızlı boşalma akımı ile birleştirilmiş kısa pozlama zamanı fotoğrafları ile kanıtlanabilmektedir. Ölçümler: Bir filamentli BB durumunda bireysel ve düzensiz görünen akım ‘sivri’ görülürken, difüze BB’de uygulanan gerilim ile aynı fazda olan daha uzun akım darbeleri elde edilir. Difüze BB’ler ya literatürde atmosferik basınç Townsend boşalması ya da atmosferik basınç Glow boşalması (APGD) olarak tanımlanmıştır. Yüzeylerin homojen bir şekilde işlenmesi ya da ince filmlerin birikmesi için difüze boşalmaların filamentli boşalmalara göre belirgin avantajları olduğu ifade edilmiştir (Kogelschatz, 2002; Kogelschatz, 2010; Brandenburg, 2017).
Bir APGD tipik olarak birkaç milimetrelik boşalma boşlukları olan helyum ve neon gibi gazlarda görülebilir. APGD’nin önemli bir özelliği, bir katot düşüşünün oluşmasıdır. Boşalma, her yarım periyota bir veya birkaç dar akım darbesiyle normal olmayan geçici bir Glow boşalması olarak tanımlanabilir. Darbe başına akım yoğunluğu 1-100 mAcm-2 aralığında değişir. Bu nedenle akım darbe genliklerin derecesi bir mikroboşalmadan daha düşüktür (Brandenburg, 2017).
Tipik bir APTD, yaklaşık 1 mm boşalma aralığına sahip, azot ve soygazlardan elde edilir. Elektron yoğunluğunun anot yönünde üstel olarak artması ve düşük alan şarj üretimiyle tanımlanmaktadır. Darbe başına akım yoğunluğu 0.01-10 mAcm-2 aralığındadır. APTD akım yoğunluğu bir APGD akım yoğunluğundan daha düşük ama daha uzundur (Brandenburg, 2017).
1.3.3. Radyo frekansı tabanlı BB’ler
MHz mertebesindeki frekanslarda (radyo frekansı, RF) çalıştırılan bariyer boşalmaları, yüksek frekansta bariyerin akımı sınırlama etkisi daha az olur (Xc=1/2πfc).
Bu durumda boşalma gerilimi düşer, boşalma işlemi farklılık gösterir ve oluşan empedans (Xl=2πfl) dikkate alınmalıdır. Boşalma hacmindeki yük taşıyıcıları gerilimin iki ardışık
yarım periyodunda tamamen azalmaz ve iyon hareketliliği için zaman, uygulanan elektrik alanının değişimini takip etmek için çok küçüktür. Böylece, iyonlar boşlukta sıkışır ve bariyerlerdeki yükleri kaldıramazlar. Bariyerin kendi kendine darbe indükleme rolü
34 olmadığı için boşalma kesin olarak DBB değildir. Boşalma kararlı durumda çalışır ve özellikleri, düşük ve orta basınçta RF boşalmaları veya kapasitif olarak bağlı plazmalar ile karşılaştırılabilir. Boşalmanın sürdürülmesi, ikincil emisyon olmaksızın ana elektron üretimi ve ısınma muhtemelen yüzey bölgesinde meydana gelir. Bu boşalma rejimi γ- modunun aksine α modu olarak tanımlanır. Boşalma modunun plazma parametreleri üzerinde önemli etkileri vardır. Bariyerin görevi metal elektrotları plazmada üretilen türlerden korumaktır (Brandenburg, 2017).
1.3.4. BB’de kılcal jet modu
Temeli 1960’lara dayanan atmosferik basınçlı plazma jetlerinin, malzeme işlemede, özellikle son zamanlarda endüstriyel ve biyomedikal uygulamalarda kullanımı rutin hale gelmiştir. Bu uygulamalar arındırma (dekontaminasyon), kanser hücresi tedavisi, diş tedavisi, kan pıhtılaşması, yara iyileşmesi, elektro-cerrahi, doku mühendisliği, biyo-uyumlu malzemelerin yüzey modifikasyonu, ısıya duyarlı malzemelerin ve aletlerin sterilizasyonu gibi alanlarda kullanılmaktadır. APP’ler, korona boşalması, DBB’ler, mikro oyuk katot boşalması ve benzeri gibi bir dizi elektrik boşalması ile üretilebilir. Farklı boşalma sistemleri ile üretilen jetlerin her biri kendi özelliklerine ve kullanım alanına sahiptirler (Babij ve ark., 2014).
Çeşitli gazlar, farklı güç kaynakları ile tasarlanan APP jetler farklı elektriksel uyarımlar ile filamentli, Townsend ve Glow modlarında çalıştırılabilirler. kHz frekans kademeli olan darbeli doğru gerilim, sinüzoidal, radyo frekansı veya mikrodalga ile uyarılmış jetler mevcuttur. Bu jetlerin elektrot konfigurasyonuna, elektriksel uyarıma, kimyasal bileşime ve taşıyıcı gazın oranlarına bağlı olarak plazma karakteristikleri önemli ölçüde değişebilmektedir. Klasik bir BB plazma jetinde boru şeklindeki boşalma tüpünün bir tarafından gaz verilip tüpün üstüne sarılmış olan elektrotlara gerilim uygulanarak borunun diğer tarafında plazma üretilir. Kullanılan borunun ince olmasıyla günümüzde kılcal plazma jetleri oluşturulmuştur (Babij ve ark., 2014; Roy ve ark., 2015).
Atmosferik basınçlı kılcal plazma elektrotları (Capillary Plasma Electrode - APCPE) ile özel boşalma modları geliştirilmiştir. Bu tasarım modlarında kılcal bariyer boşalma aygıtları kullanılmaktadır. Burada elektrotlardan biri veya her ikisi, kılcal bariyer boşalma aygıtının üzerine sarılarak yapılmaktadır. Delikli dielektrik bariyer(ler) ya da
35 dielektrik kılcallar 0.01 mm’den 1 mm’ye kadar ve yaklaşık 10:1’lik uzunluk-çap oranları ile üretilmektedir. Bu tasarım, ‘kılcal jet modu’ olarak ifade edilmektedir. Kılcal boşalma aygıtları, belirli çalışma koşulları altında yüksek yoğunluklu plazma jetleri üreten plazma kaynaklarıdır. Bu boşalma modunda daha düzgün ve dengeli bir plazma oluşturmakta ve normal filamentli BB’lerden daha yüksek bir elektron yoğunluğunu göstermektedir (Becker ve ark., 2005; Brandenburg, 2017).