Photoinduced field-assisted electron emission into gases

Date

2008-09-05T09:40:25Z

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Publisher

Abstract

Käesolevas doktoritöös uuriti elektronide väljaemissiooni metall-dielektrikstruktuuridest gaasikeskkonda. Lisaks teaduslikule huvile on elektronide emissioonil tahkisest gaasikesk­konda ka praktiline väärtus (näiteks: plasmadispleid). Üheks lihtsamaks võimaluseks uurida väljaemissiooni on kasutada koroonalahendust, mis eksisteerib tugevasti mittehomogeenses elektriväljas. Varasematest töödest on teada, et elektrone emiteeriva elektroodi pinnal olevaid dielektrikulisandid mõjutavad oluliselt elektronide emissiooni. Selleks, et uurida elektronide emissiooni sõltuvust pinnal olevatest dielektrikulisanditest, kaeti emiteerivad elektroodid õhukeste TiO2 või MgO kiledega. Töö eksperimentaalses osas registreeriti koroonalahenduse volt-amper kõverad laias pingevahemikus allpool iseseisva lahenduse lävepinget (nõrga voolu lahendus). Mõõtmised viidi läbi N2 ja N2/O2 segus erinevatel rõhkudel. Lahendus initsieeriti UV kiirgusega. Osutus, et põhilised seaduspärasused ei sõltu elektroodi kattest. Eksperimendi tulemused on kirjeldatavad kaheastmelise väljameemissiooni mudeliga. Esimeses etapis liiguvad elektronid metallist dielektrikkattesse, kus nad akumuleeruvad lõksudes. Seejärel valguse toimel vabastatakse elektronid lõksudest ja emiteeritakse gaasikeskkonda. Erinevalt analoogilistest emissioonimudelitest vaakumisse, tuli käesolevas töös arvestada ka gaasikeskkonnas laviinpaljunemisel tekkivate positiivsete ioonide mõjuga. Tekkinud ioonid triivivad emiteeriva elektroodi pinna lähedusse, kus neil on kahene toime elektronide emissioonile. Ühelt poolt nad vähendavad elektronide emissiooni, sest ioonid rekombineeruvad dielektrikus või vahetult elektroodi pinna lähedal gaasikeskkonnas olevate elektronidega. Teisalt aga suurendab positiivsete ioonide ruumlaeng elektrivälja dielektrikus, millega kaasneb elektronide emissiooni kasv. Käesoleva töö tulemuseks oli mudel, mis kirjeldab koroona nõrga voolu lahenduse seaduspärasusi. In the present thesis field-assisted electron emission from the metal-dielectric structure to the gas medium was studied. The electron emission into the gas medium has besides scientific interest, also several applications (for example: plasma displays). The easiest way for the study of field-assisted electron emission into gases is to use corona discharge, which exists in highly divergent electric field. In earlier papers it was shown that dielectric inclusions at the surface of the emitting electrode influence the electron emission. To study the dielectric inclusions’ influence to the electron emission, the emitting electrodes were coated with thin films of TiO2 or MgO. In the experimental part of the present study, current-voltage curves of corona discharge were recorded in a wide range of voltages, below the onset potential of the self-sustained discharge (low current mode). The measurements were carried out in N2 and N2/O2 mixture at different gas pressures. The discharge was initiated by UV light. The study showed that the field-assisted two-step model of emission describes the experimental findings. During the first step of emission electrons are transferred from the metal into the dielectric. Then, under the influence of photons the electrons are transported from the traps of dielectric into the gas medium. The main difference between the emission into the gas and vacuum is that in gases are produced positive ions. The positive ions, which drift to the electrode influence the electron emission in two different ways. First, recombination processes decrease the number of electrons, which are emitted into the gas medium. On the other hand, ions accumulated near the electrode increase the electric field in the dielectric and thus the electron emission also increases. The model presented described properly the regularities of low current mode of corona discharge.

Description

Keywords

Citation