Op 3 february 2011 heb ik mijn proefschrift succesvol verdedigd.
Streamers zijn geïoniseerde vingers die zich snel voortplanten door gassen, vloeistoffen en vaste stoffen. Ze worden opgewekt door hoge elektrische velden, maar kunnen zich ook voortbewegen door gebieden waar het elektrisch veld lager is dan het zogenaamde ionisatie-veld. Streamers komen in de natuur voor als de eerste fase van vonken en bliksem, maar ook apart als zogenaamde sprites (zeer grote ontladingen boven onweerswolken) of het Sint-Elmusvuur. De belangrijkste toepassingen van streamers zijn gas- en waterreiniging, ozonproduktie, het opladen van deeltjes en het beïnvloeden van gasstromingen. Streamers zijn erg efficiënt in het produceren van actieve chemische deeltjes omdat ze geen energie verliezen aan het opwarmen van de omgeving. Omdat streamers ook de eerste fase van vonken zijn, zijn ze ook relevant voor toepassingen van vonken, zoals de ontsteking in een verbrandingsmotor of een ontladingslamp. Als laatste komen streamers voor in de hoogspanningstechniek. In dit proefschrift onderzoeken we enkele aspecten van de fysica van streamers met experimentele technieken.
In het onderzoek produceren we streamers door een hoogspanningspuls toe te passen op een draad of een scherpe punt die 40 tot 160 mm boven een geaarde plaat hangt. Dit is gedaan in een vacuümvat bij drukken tussen 25 en 1000 mbar met verschillende gassen en gasmengsels, veelal met hoge zuiverheid (tot minder dan 0.1 ppm onzuiverheden).
De hoogspanningspulsen worden gemaakt door twee verschillende pulsbronnen. De zogenaamde C-supply kan pulsen produceren met een amplitude van 5 tot 60 kV, met een stijgtijd van minimaal 15 ns en een exponentiële afval met instelbare lengte. De nieuw gebouwde Blumlein pulser maakt quasi-rechthoekige pulsen met een amplitude tussen 20 en 35 kV, een lengte van ongeveer 130 ns en een stijgtijd van ongeveer 10 ns. Beide bronnen kunnen zowel positieve als negatieve pulsen maken, maar wij hebben voornamelijk positieve pulsen gebruikt.
Als eerste analyseren we de interactie tussen individuele streamer-kanalen en de vertakkingshoeken door middel van stereofotografie. Hierna bekijken we het precieze voortbewegingsmechanisme van positieve streamers (die tegen de elektronendriftrichting bewegen) door middel van variatie van de gassamenstelling en de pulsfrequentie. Als laatste bekijken we morfologie, kanaaldiameters, voortbewegingssnelheden en spectra van streamerontladingen in een grote variëteit aan gassen en gasmengsels. Een deel van dit werk wordt gebruikt als een simulatie van spriteontladingen op aarde en op andere planeten.
Interactie en vertakking van streamers
Plaatjes van streamerontladingen laten vaak zien dat twee streamers uit dezelfde elektrode zich later weer met elkaar lijken te verbinden of samensmelten, ondanks het feit dat ze beide dezelfde polariteit hebben. Het lijkt dan ook dat dit effect een artefact is van de inherent tweedimensionale projectie in de foto's. Om deze redn hebben we stereofotografie toegepast om de volledige driedimensionale structuur van deze ontladingen te bestuderen. We analyseren re-connectie, waarschijnlijk een elektrostatisch effect waarbij een late streamer verbindt met een dik eerder kanaal, en samensmelting, een effect dat veroorzaakt lijkt door foto-ionisatie waarbij twee naast elkaar voortbewegende streamers samensmelten tot één nieuwe.
We hebben vastgesteld dat re-connecties zoals hierboven gedefinieerd inderdaad regelmatig voorkomen. Samensmelten is echter alleen gezien bij een elektrode met twee punten met een onderlinge afstand van 2 mm bij een druk van 25 mbar, oftewel, een gereduceerde puntafstand van p*d = 50 µm bar. In dit geval is de breedte van het streamerkanaal al ruim tien keer zo groot als de puntafstand. Verder hebben we ook de vertakkingshoeken van streamers onderzocht met de stereofotografie methode. We hebben gevonden dat in ons geval de gemiddelde vertakkingshoek ongeveer 42° is met een standaarddeviatie van 12°.
De rol van foto- en achtergrondionisatie bij streamer propagatie
Omdat positieve streamers zich voortbewegen tegen de elektronendriftrichting in, hebben ze een bron van elektronen nodig voor zich. In het algemeen wordt aangenomen dat foto-ionisatie deze bron is. Foto-ionisatie hangt sterk af van de verhouding tussen stikstof en zuurstof in het gas. Daarom hebben we experimenten gedaan in stikstof met 20%, 0.2% en 0.01% zuurstof en in zuivere stikstof en argon. Onze nieuwe opstelling garandeert zuiverheden tot lager dan 0.1 ppm voor de zuiverste stikstofvariant. We hebben gezien dat streamers in zuivere stikstof en alle stikstof/zuurstofmengsels behoorlijk op elkaar lijken. De streamers worden wel dunner en ze vertakken meer naarmate er minder zuurstof in het gas zit. In zuivere stikstof beginnen de streamers zelfs op vogelveren te lijken. Dit effect is nog sterker in zuivere argon met ongeveer 102 haartjes/cm3 in de veren bij 200 mbar. Deze dichtheid kan worden geïnterpreteerd als de dichtheid van vrije elektronen die lawines veroorzaken richting de streamerstam.
Het is opvallend dat de voortbewegingssnelheid van de streamers vrijwel hetzelfde is in alle stikstof/zuurstofmengsels en in zuivere stikstof (bij dezelfde druk en spanningspuls), terwijl de zuurstofconcentratie en dus ook de foto-ionisatie lengtes meer dan vijf ordegroottes variëren. Dit effect is recentelijk ook gevonden in modelberekeningen door Wormeester et al. in 2010.
Om de effecten van achtergrondionisatie op streamers te bestuderen hebben we twee methodes gebruikt: variatie van de pulsfrequentie (0.01--10 Hz) en toevoeging van ongeveer 9 ppb radioactief 85Kr gas aan zuivere stikstof. We hebben gevonden dat hogere achtergrondionisatieniveaus leiden tot dikkere en gladdere streamers. Dit is vergelijkbaar met het effect van meer foto-ionisatie bij de streamerkop door verhoging van de zuurstofconcentratie.
Ook hier vinden we geen grote effecten op de eigenschappen van de streamers, behalve dat de kans op streamer-initiatie flink lager is in zuivere stikstof bij een lage pulsfrequentie (0.01 Hz). Bij 200 mbar is het geschatte achtergrondionisatieniveau veroorzaakt door de 85Kr toevoeging ongeveer
4*105 cm-3, wat overeenkomt met het theoretisch geschatte niveau in niet-radioactief gas bij een pulsfrequentie van ongeveer 1 Hz onder dezelfde omstandigheden. Dit klopt met de geobserveerde variaties in streamermorfologie voor verschillende pulsfrequenties bij zowel zuivere stikstof als het stikstof-krypton mengsel.
Verder hebben we gevonden dat streamers niet hetzelfde pad volgen als hun voorgangers in voorgaande ontladingen bij pulsfrequenties rond de 1 Hz. Dit kan worden verklaard door een combinatie van recombinatie en diffusie van achtergebleven ionisatie na een ontlading. Beide effecten samen zorgen er voor dat het achtergebleven ionisatiepad vrijwel verdwijnt in 1 seconde.
Streamers in andere gassen en streamerspectra
Om meer inzicht te verkrijgen in de voortbewegingsmechanismes van positieve streamers hebben we meer onderzocht dan alleen stikstof/zuurstof mengsels. We hebben gebruik gemaakt van zuivere zuurstof, argon, helium, waterstof en koolstofdioxide. Al deze gassen hebben verschillende eigenschappen zoals ionisatie- en excitatieniveaus, botsingsdoorsnedes en elektronegativiteit. Verder hebben we streamers onderzocht in binaire gasmengsels die de atmosferen van Venus (CO2--N2) en Jupiter (H2--He) nabootsen. Streamers in deze gassen, en in lucht, zijn fysisch vergelijkbaar met grootschalige sprite-ontladingen in de atmosferen van deze planeten. Daarom kunnen de resultaten van onze metingen gebruikt worden voor de uitrusting van toekomstige (ruimte)missies die sprites op deze planeten willen bestuderen. Ook kunnen de resultaten helpen in de interpretatie van de observaties van dit soort missies.
Van alle hierboven genoemde gassen en mengsels hebben we de algemene morfologie, voortplantingssnelheden, diameters en emissiespectra onderzocht. We hebben gevonden dat het in alle gassen en mengsels mogelijk is om streamers op te wekken. Streamer diameters zijn min of meer gelijk voor alle gassen, behalve voor zuiver helium en het Jupitermengsel waarin de dunste streamers respectievelijk 3 en 5 maal dikker zijn dan in de andere gassen. De fysische schaling van streamerdiameters bij verschillende drukken is bevestigd voor alle gassen waarin we de diameters hebben kunnen meten. De gevonden minimale diameters in lucht en stikstof/zuurstof mengsels zijn kleiner dan in eerdere metingen.
Voortplantingssnelheden zijn nog meer gelijk dan diameters voor de verschillende gassen. Bij een gegeven combinatie van druk en spanningspuls vallen alle snelheden binnen een factor twee. De helderheid van de streamers daarentegen varieert behoorlijk. Streamers in stikstof/zuurstofmengsels, stikstof, argon en helium zijn het helderst terwijl streamers in zuurstof, CO2 en de Venusatmosfeer het minste licht uitstralen. Het verschil tussen de helderste en lichtzwakste gassen bedraagt drie tot vier ordegroottes (voor het zichtbare golflengtegebied).
Streamerspectra van alle moleculaire gassen worden gekarakteriseerd door de moleculaire banden. In gassen met een significante hoeveelheid stikstof (waaronder de Venusatmosfeer), wordt het spectrum gedomineerd door het second positive system. Vonk-achtige ontladingen in dezelfde gassen daarentegen worden gedomineerd door straling van neutrale en geïoniseerde atomen.
Spectra van streamers in atomaire gassen (argon en helium) zijn anders: het argonspectrum bevat vooral atomaire argonlijnen terwijl het heliumspectrum ook veel lijnen van onzuiverheden bevat (we hebben geen aanwijzing dat er veel onzuiverheden in zitten). Dit kan worden verklaard door de hoge excitatie- en ionisatieniveaus van helium vergeleken met de onzuiverheden. Deze hoge niveaus (en bijbehorende kleine botsingsdoorsnedes voor elektron-atoombotsingen bij lage energieën), kunnen waarschijnlijk ook de grote diameters van streamers in zuiver helium verklaren.
