4. BULGULAR VE TARTIŞMA
4.2. p Tipi Yarıiletken Tabaka ile Oluşturulan Tek Bariyerli YBB Sisteminin
Düzlemsel elektrot sistemine sahip YBB’de, düşük gerilim elektrotuna p tipi yarıiletken tabaka monte edilerek oluşturulan tek bariyerli MGYM sistemli reaktör ile vakum, hava ve azot ortamlarında 50 Hz ve 500 Hz frekans değerlerinde boşalma deneyleri gerçekleştirilmiştir. İlk deney hava ortamında atmosferik basınçta varyak kullanılarak 50 Hz sabit frekansta gerçekleştirilmiştir. Bu deney boşalma sürecinin tamamını irdelemek amacıyla yapılmıştır.
Şekil 4.3’te p tipi yarıiletken bariyer ile (hava ortamı, 50 Hz) yapılan YBB uygulamasında boşalma aşamaları gösterilmektedir. Deneysel olarak elde edilen Lissajous şeklinden (Gerilim-Yük eğrisi) YBB’nin boşalma parametreleri incelenebilir. Detaylı analiz Hansu (2012) tarafından yapılmıştır. Şekil 4.3 a’da YBB’ye ilk anda düşük gerilim uygulandığında oluşan Lissajous şekli verilmiştir. Reaktöre uygulanan gerilim 0,594 kV ve boşalma akımı ise 1,45 mA’dir. Boşalma düşük akımlı Townsend modunda geçekleşmiştir. Şekil 4.3a’daki Lissajous grafiğindeki gerilim ile akım sinyalleri arasındaki faz farkı 900’dir. Reaktöre uygulanan gerilim artırılınca elde edilen Lissajous şekli Şekil 4.3b’de verilmiştir. Bu şeklin eğiminden gerilim akım sinyalleri arasındaki faz farkı sin Φ Å Å
Æ 0,7026 → Φ 44,64 Güç faktörü cos*44,64, 0,7115 olarak
hesaplanmıştır. Reaktöre uygulanan gerilim 2,652 kV ‘tur. Elde edilen Lissajous şeklinin alanı sistemde harcanan anlık gücü verir.
Reaktöre uygulanan gerilim artırılmaya devam edildiğinde Şekil 4.3c’de gösterilen Trichel darbeleri ve oluşan pozitif korona gözlemlenmiştir. Şekil 4.3d’de ise alınan Lissajous şekli ve Trichel darbeleri gösterilmiştir. Trichel darbeleri düşük akımlı Townsend modu ve yüksek akımlı normal Glow rejimi arasında bir mod geçişi olarak ifade edilmektedir. Trichel darbeleri, koronanın oluşumu üzerine yapılan araştırmalar ile keşfedilmiş, ilk defa 1934’te Gervais William Trichel tarafından ifade edilmiştir. Bu durum ilk zamanlarda negatif koronada yaygın bir fenomen olduğu ve elektronegatif gazlarda meydana geldiği belirtilmiştir. Ancak yapılan çalışmalar neticesinde Trichel darbelerinin düşünüldüğü gibi sadece elektronegatif gazlarda değil, çeşitli gazlarda da
72 meydana gelebildiği ifade edilmiştir (Zhang ve ark., 2017; Sattari ve ark., 2011; Trichel, 1938).
a)
b)
73
d)
Şekil 4.3. p tipi yarıiletken tabaka ile oluşturulan tek bariyerli YBB’nin boşalma süreci (50 Hz), (a)
YBB’ye ilk anda düşük gerilim uygulandığında oluşan Lissajous şekli, (b) YBB’ye uygulanan gerilim
artırılınca oluşan Lissajous şekli, (c) Trichel darbeleri, (d) Lissajous şekli ve Trichel darbeleri
Şekil 4.4’te reaktöre uygulanan gerilim (kanal 1) ve boşalma akımı (kanal 2) detaylarını gösteren osiloskop ekran görüntüsü verilmiştir. Osiloskop verileri analiz edildiğinde reaktöre uygulanan gerilim (kanal 1) 3,19 kV’tur. Boşalma akımı ise 1,127 mA’dir. Bu gerilim ve akım değerleri için reaktörde harcanan güç 3,587 W’tır. Boşalma akım sinyali incelendiğinde reaktöre uygulanan gerilimin yükselmesi (pozitif alternans) ile ilk anda boşalma düşük akımlı Townsend modunda gerçekleşmiştir. Reaktöre uygulanan gerilim seviyesi kaynak gerilimin %66’sını aşınca Trichel darbeleri gözlemlenmiştir. Bu kısım aktif faz olarak ifade edilmektedir. Artan gerilim ile beraber boşalmanın düşük akımlı Townsend modundan yüksek akımlı normal Glow moduna geçişi söz konusudur. Gerilim tepe değerinde yaklaştığında dU/dt≈0 olduğundan deplasman akımlarının olmadığı boşalmanın durduğu görülmektedir. Negatif alternans için aynı süreç tekrarlanmıştır. Yarıiletken bariyer ile gerçekleştirilen elektriksel boşalma bariyer boşalması olup yarıiletken tabaka bariyer etkisi göstermiştir.
Şekil 4.4’te osiloskop ekran görüntüsündeki ikinci kanal yani boşalma akım sinyali pozitif alternans genliğinin negatif alternans genliğinden daha büyük olduğu görülmektedir. Bu durum düşük gerilim elektrotuna monte edilen p tipi yarıiletken bariyerden kaynaklandığı düşünülmektedir. p tipi yarıiletken son yörüngesinde üç elektron bulunan boron katkılanarak oluşturulmuştur. Yani p tipi yarıiletken bariyerde
74 çokça bağ yapmamış elektron bulunmaktadır. Katotta bulunan ve kuvvetli elektrik alana maruz kalan yarıiletken bariyer bir gerilim kaynağı gibi pozitif alternansı iki birim yükselterek negatif laternansın aynı oranda zayıflatmıştır. Genliği yükselen pozitif alternansta pozitif korona gözlemlenmiştir.
Aktif bölge
Düşük akımlı Townsend modu Trichel Darbeleri Yüksek akımlı Glow modu t1 t2 dU/dt=0 Delinme gerilimi Mikrodeşarjlar ve oluşum zamanı Reaktöre uygulanan gerilim Boşalma akımı 2 ,0 0 Pozitif Korona etkisi 2 ,0 0
Şekil 4.4. p tipi yarıiletken tabaka ile oluşturulan tek bariyerli YBB’nin boşalma süreci (50 Hz)
Şekil 4.5’te reaktör vakum pompası ile vakum edilerek boşalma işlemi gerçekleştirilmiştir. Elektrotların bulunduğu reaktör ortam basıncı dijital basınçölçer ile P=-0,89 bar olarak ölçülmüştür. Vakum ortamında yük taşıyıcılarının daha kolay hareket etme kabiliyeti olduğundan delinme yaklaşık 0,6 kV gerilim değerinde gerçekleşmektedir. Yüksek basınçlı uygulamalarda oluşan plazma ek aydınlatma ile görülürken vakum ortamında gaz bileşenlerinin daha az olmasından çıplak göz ile görülebilen plazma gözlemlenmiştir.
Şekil 4.5’te verilen reaktörde elektrotlar arasındaki hacimde elektriksel etki ile iyonizasyon gerçekleşerek maddenin dördüncü hali olarak ifade edilen plazma oluşmuştur. Plazma içeriğinde elektron, iyon ve serbest radikaller bulunmaktadır. Normal şartlarda elektriksel olarak yalıtkan olan gaz plazma fazına geçmesi ile iletken hale geçerek akım geçişine izin vermektedir. Plazmanın en önemli özellikleri elektriksel olarak iletken olması ve tekrar gaz fazına geçişte gaz yapısında önemli bir değişikliğin olmamasıdır.
75 Plazma oluşum anında reaktörden alınan elektriksel veriler eşzamanlı olarak osiloskop ekranında görüntülenmektedir. Plazma, reaktör hücresinin yeteri kadar elektrik alana maruz kalması neticesinde oluşmaktadır. Şekil 4.4’te belirtildiği gibi reaktöre uygulanan gerilim delinme gerilimine ulaştığında boşalmanın aktif bölgesinde meydana gelen mikroboşalmalar ve Trichel darbeleri görülmektedir. Trichel darbeleri gerilimin yükselmesine bağlı olarak yoğunlaşmıştır. Literatürde mikroboşalmalar ve Trichel darbeleri reaktöre uygulanan gerilim ile doğru orantılı olduğu ifade edilmektedir. Aktif faz dU/dt=0 oluncaya kadar devam etmiştir.
Şekil 4.5. p tipi yarıiletken tabaka ile oluşturulan tek bariyerli YBB reaktöründe meydana gelen plazma ve
osiloskop’taki gerilim akım sinyalleri (50 Hz)
Şekil 4.6’da atmosferik basınçtaki hava ortamında, elektrotlar arası mesafe=4,5 mm ve f=500 Hz koşullarında reaktöre uygulanan gerilimin sıfırdan başlanarak kademeli bir şekilde arttırılıp azaltılmasıyla elde edilen boşalmanın tutuşma ve sönümlenme sürecine ait Gerilim-Akım eğrisi verilmiştir. Bu eğri incelendiğinde, reaktöre uygulanan gerilim sıfırdan başlanarak artırılmış ve 6,075 kV değerinde delinmenin gerçekleştiği gözlemlenmiştir. Delinme olayı ile birlikte iletken hale geçen gaz ortamında boşalma akımı 2,78 mA olarak ölçülmüştür. 0 volt ile 6,075 kV aralığındaki eğrinin akımı yaklaşık olarak Ohm kanununa uygun olarak lineer bir şekilde gerçekleşmiştir. Gerilim 6,075 kV’tan 6,75 kV’a yükseltildiğinde ise boşalma akımının 2,78 mA’den 20,06 mA’e yükseldiği görülmüştür. Akımdaki bu artış, ortam gazının plazma fazına geçerek iletken
76 hale gelmesi ve dolayısıyla boşalma kanalının oluşmasının bir sonucudur. Bu noktadan sonra reaktöre uygulanan gerilim kademeli olarak azaltılmıştır. Azaltılan gerilim ile beraber boşalma kanalı 2,25 kV seviyesine kadar aktif olup boşalma yüksek akımlı Glow modunda gerçekleşmiştir. Reaktöre uygulanan gerilim azaltılmasına karşın boşalma akımının yüksek olduğu görülmektedir. Bu durum, boşalma kanalının aktif olması; yani kuvvetli elektrik alan etkisine maruz kalan ortamdaki uzay hacim yüklerinin aktifliği nedeniyle iletken bir ortam söz konusudur. 2,25 kV seviyesinden sonra ise boşalma ark fazından çıkmıştır yani sönümlenmiştir. Sonraki aşamada ise, azaltılan gerilim ile birlikte boşalma düşük akımlı Townsend modunda seyretmiştir. Boşalma hücresi akımının değişkenliği, aynı zamanda boşalma direncinin dinamikliğini karakterize eder.
Şekil 4.6. p tipi yarıiletken tabaka ile oluşturulan tek bariyerli YBB’nin boşalma süreci (500 Hz)
4.3. p Tipi Yarıiletken Tabaka ile Oluşturulan Tek Bariyerli YBB’nin Gerilim-Akım