Alushta-2012 International Conference-School on Plasma Physics and Controlled Fusion and The Adjoint Workshop


Download 3.89 Mb.
Pdf просмотр
bet26/28
Sana15.12.2019
Hajmi3.89 Mb.
1   ...   20   21   22   23   24   25   26   27   28

 
9-18 
TURBULENCE MICROSCALES AND ELECTRODE EROSION CONTROL BY 
DIGITAL SPECKLE TECHNOLOGY WITH NANOMETRIC RESOLUTION 
 
N.B. Bazylev, N.A. Fomin 
Luikov Heat and Mass Transfer Institute NASB, Minsk, 220072, Belarus 
Modern  optical  techniques  based  on  computer-aided  image  pattern  analysis  extends  the 
methods  of  rough  surface/plasma  flow  visualization  and  control  and  allows  the  quantitative 
derivation of a two dimensional map of defection angle experienced by probing coherent light 
passing through a flow under study or by coherent speckled light scattered by rough surface 
under  study.  Such  line-in-sight  diagnostics  with  the  use  of  digital  images  analyses  becomes 
especially attractive when turning to the statistical analysis of the microscale turbulent plasma 
fluctuations  as  well  as  micro-  and  nanostructures  of  a  rough  surface  destruction  with 
nanometric resolution [1, 2]. 
     Since  the  seventies  of  the  last  century,  speckle  photography  is  used  intensively  for 
measuring  temperature  and  density  fields  in  fluid  and  plasma  flows.  In  comparison  to  the 
classical optical visualisation methods, the SP provides a much higher local resolution of the 
experimental  values  in  the  plane  of  measurement.  The  quantity  that  can  be  measured  is  the 
angle  of  deflection  of  the  light  transmitted  through  the  refractive  index  field,  similar  to  the 
case  of  a  schlieren  system,  where  the  distribution  of  this  angle  is  visualised  in  a  qualitative 
form.  It  has  been  shown,  that  quantitative  measurements  by  means  of  speckle  photography 
can  be  performed  in  turbulent  plasma  flows  an  as  well.  Similar  techniques  can  be  used  for 
electrodes erosion control with nanometric resolution. 
Principles for measuring the light deflection angles by means of SP is illustrated in Fig. 1.  
 
   
 
     
Fig.  1.  Illustration  of  speckles  distortion  and  displacement  measurement  by  statistical 
analysis of speckled image and isolines of speckle displacements due to surface degradation 
 
Thus,  with  "high  density"  speckle  photography  data  the  precision  of  the  turbulence 
microscale  determination  using  integral  transform  for  the  isotropic  turbulence  and  erosion 
control of electrodes are rather higher.  
REFERENCES 
[1]  N. Fomin:  Speckle  photography  for  fluid  mechanics  measurements.  Springer,  Berlin. 
(1998). 
[2] Fomin N.A., Penyazkov O.G. et al.: Proc. of the 8
th
 International Conference on Methods 
of 
Aerophysical 
Research, 
Novosibirsk, 
Russia 
(2007).

 
213 
 
9-19 
TOEPHLER PHOTOMETRIC MEASUREMENTS OF ELECTRON DENSITY 
IN COLLIDING COUNTER-FLOWS OF EROSION PLASMA 
P.P. Khramtsov, O.G. Penyazkov, V.M. Grishchenko, M.Yu. Chernik, I.A. Shikh  
A.V. Luikov Heat and Mass Transfer Institute of the National Academy of Sciences of Belarus, 
Minsk, 220072, Belarus 
The aim of this work is research of qausi-stationary high energy plasma formations for 
practical  applications  in  high  thermal  physics  and  diagnostic  of  materials  under  extreme 
conditions.  Visual  examination,  high  speed  photography  and  shadow  investigation  are  to  be 
discussed in the paper (Fig. 1). 
  
 
Fig.  1.  Results  of  shadow  method  diagnostics  (15  μs  from  accelerators 
operation start)
:
 
on the right – the shadow pattern, on the left – the calculated 
distribution of electron density, cm
-3

Investigated  interaction  process  is  based  on  high-current  discharges  of  plasma  erosion 
accelerators in vacuum. An end erosion plasma accelerator is a system of two coaxial copper 
electrodes  separated  by  a  caprolone  insulator.  An  outer  copper  electrode  is  shaped  as  a 
convergent nozzle. The accelerator was mounted in a vacuum chamber equipped with special 
vacuum  chamber  optical  windows.  Shadowgraphs  of  colliding  plasma  counter-flows  were 
made using knife and slit method [1]. The source of light based on a pulsed spark discharge in 
argon  at  high  pressure  with  light  pulse  duration  is  3  μs  was  used.  Averaged  free  electron 
density  in  the  interaction  area  was  calculated  from  intensity  distribution  of  shadow 
photographs. 
For  the  shadow  photograph  of  luminous  plasma  we  must  be  sure  that  the  plasma 
emission  is  not  detected  by  the  camera,  while  the  radiation  from  the  light  source  has  been 
registered.  To  reach  this  effect  a  light  filter  system  with  transmission  peak  at  547 nm  was 
mounted  before  the  CCD-camera.  At  this  wavelength  the  relative  intensity  in  plasma 
spectrum is low while in argon lamp spectrum it is near-maximum. 
A  shadow  patterns  data  processing  revealed  that  the  localized  stable  spherical  plasma 
structure  forms  in  a  collision  zone  by  15  μs  from  accelerators  operation  start.  An  electron 
density  inside  this  structure  reaches  a  maximum  value  8,4∙10
16
  cm
–3
  between  15  and  20  μs 
from accelerators operation start, at this moment a discharge current tops. After 20 μs electron 
density  decreases  and  plasma  structure  downsizing  occurs.  The  results  of  electron  density 
measurements are in good agreement with data obtained by spectral method [2]. 
References 
[1] 
L.A. Vasilyev, Shadow methods. Moscow, Nauka (1968). 
[2] 
P.P.  Khramtsov,  O.G.  Penyazkov  and  U.M.  Hryshchanka,  Erosion  plasma 
counter-flows interaction dynamics in a confined area. ICSPPCF, Alushta, Ukraine (2010). 
 

 
214 
 
9-20 
Recent Results of the Electric Potential Profiles and Plasma Turbulence Study and 
Diagnostic Development of HIBP in TJ-II 
 
L. Krupnik and HIBP teams 
 
 
Institute of Plasma Physics, NSC “KIPT”, Kharkov, Ukraine  
e-mail
 address: krupnik@ipp.kharkov.ua 
Plasma  electric  potential  and  its  fluctuations  in  a  core  plasma  are  of  an  importance  for  the 
understanding  the  confinement  improvement  mechanisms  and  the  role  of  electric  field  E
r
  in 
toroidal  plasma  confinement.  Heavy  Ion  Beam  Probe  (HIBP)  diagnostic  is  a  unique  tool  to 
study directly the plasma potential, density and its fluctuations with high  spatial (<1cm) and 
temporal  (1 s)  resolution  in  the  core  and  edge  plasmas.  HIBP  diagnostic  on  the  TJ-II 
stellarator (four-period flexible heliac, B
0
=1T, R=1.5m, a=0.22m) has been upgraded for two 
point measurements with a poloidal separation  х = 1cm to study directly poloidal component 
of  electric  field  E
pol
=(
1
  - 
2
)  /  х  [V/cm]  and  to  extract  radial  turbulent  particle  flux 
r
  = 
EpolxBtor.
=
ExB
. 
To penetrate into the dense area of plasma and carry out the measurements from the center to 
the edge of the plasma column makes a problem for HIBP measurements. This problem was 
solved by comprehensive investigation of the thermoionic emission of solid state ion sources, 
resulting  in  the  increase  of  initial  intensity  of  the  probing  beam  and  expanding  of  the 
dynamical range of measurements. 
Potential profile evolution was measured in ECRH and NBI heated plasmas (P
ECRH
600kW, 
P
NBI
900kW  (port  through),  E
NBI
=30kV).  Low  density  ECRH  plasmas  (n=0.3-1.1 10
19
m
–3

are characterized by positive potential up to  (0) = +1200V at the centre. The minor area of 
the negative potential may appear at the edge depending on the plasma density. The density 
rise  is  accompanied  by  the  decrease  of  potential,  which  evolves  to  the  less  absolute  values 
becoming fully negative if n>1.5 10
19
m
–3
. Contrary, the rise of T
e
 due to P
ECRH
 increase leads 
to  the  linear  potential  rise.  NBI  plasma  is  characterized  by  fully  negative  potential.  The 
density  rise  is  accompanied  by  increase  of  absolute  potential.  When  density  approaches 
n=2.0-2.5 10
19
  m
–3
,  the  potential  saturates  at  (0)  =  -  600V.  L-H  transition  spontaneously 
happening in NBI plasma is characterized by further potential drop ~ -100V, formation of the 
edge  layer  of  the  negative  E
r
~  -100V/cm,  strong  suppression  of  the  density  oscillations  and 
turbulent  particle  flux  at  the  edge  and  bulk  plasma.  Broadband  turbulence  is  suppressed  in 
both  spontaneous  and  biased  transitions  to  improved  confinement  regimes.  Thus,  potential 
behavior  in  TJ-II  shows  clear  link  between  the  negative  electric  field  formation,  turbulence 
suppression  and  rise  of  the  plasma  density  and  plasma  confinement.  Similar  trend  has  been 
observed  in  tokamaks.  Modelling  shows  that  neoclassical  mechanisms  give  significant 
contribution in the core electric potential formation. Various types of quasi-coherent potential 
oscillations  were  observed,  among  them  Alfvén  Eigenmodes  and  a  new  type  of  instability 
modes in TJ-II. 
Conventional HIBP diagnostic is being used on TJ-II from 2000-th. It has shown significant 
results  on  plasma  profiles  and  oscillations.  The  second  HIBP  system  have  been  recently 
developed and installed on TJ-II, so the duo-HIBP system is  created. The HIBPs are shifted 
by 90
o
 in toroidal direction, which allow us to study systematically long-range correlations in 
plasma  potential  and  density,  toroidal  and  poloidal  structure  of  plasma  turbulence  and 
instability modes in the core and edge plasmas.  
 
Kharkov team was supported by Grant STCU #4703 and P-507. 
Kurchatov team was supported by RFBR grants 10-02-01385 and 11-02-00667. 

 
215 
 
9-21 
BRAKING RADIO EMISSION PARTICLE CONDENSED DISPERSED PHASE IN 
THE PLASMA OF COMBUSTION PRODUCTS 
 
V.I. Marenkov 
Odessa National I. I. Mechnikov University, 2 Dvoryanskay Str.,65026 Odessa, Ukraine 
E-mail:maren0@ukr.net 
 
      High-temperature  plasma  formations  that  contain  condensed  macroparticles  (MP)  of 
nano-  and  microscopic  sizes  are  formed  in  the  atmosphere  and  space  under  the  action  of 
energy concentrated fluxes on the matter. Self-consistent interaction of the plasma micro field 
and  charges  determines  at  any  time  the  acceleration  of  charged  particles  in  electromagnetic 
field  of  heterogeneous  plasma  (HP),  which,  in  its  turn,  leads  to  generation  of  the  plasma 
radiation field. The amplitude-frequency  characteristic (AFC) of bremsstrahlung HP charges 
carry the information about the electron-ion processes in the micro-scale plasma system.  
    In this paper we propose a new statistical model for determining the integrated intensity of 
the  bremsstrahlung  HP  in  radio  range.  The  mechanism  of  formation  of  radio-frequency 
component in the plasma of combustion products, metalized fuels is defined. The main point 
of  the  model  theory  -  a  statistical  averaging  of  the  temporal  sequence  of  quasi-harmonic 
oscillations  of  a  charged  particle  in  the  LaGrange  coordinates  a  single  cell  screening 
committed  in  the  local,  time-evolving  system  of  an  electrostatic  field.  In  this  case,  the 
deformation  of  the  cell  through  the  redistribution  of  the  local  charge  density  is  taken  into 
account  by  introducing  effective  "electrostatic  images»  of  a  removable  particle.  In  the 
statistical  approach  "quasi-neutral  plasma  cells"  [1-3]  developed  a  method  of  analyzing  the 
amplitude-frequency  response  of  the  heterogeneous  plasma  radio  emission,  providing 
opportunities for tele-diagnosis parameters of the component composition and microstructure 
of plasma formation. Based on the model theory of integral relations was carried out a compu-
ter experiments to determine the plasma bremsstrahlung intensity of combustion products of 
aluminized propellants in the radio frequency range.  It is shown that the intensity of the radio 
emission  of  thermal  plasma  with  condensed  dust  grains  at  temperatures  [2000-3500]  lies  in 
the gigahertz range. The AFC of the radio emission from the plasma of combustion products 
(PCP) of aluminum powder in the air is found. A comparative analysis of the calculated para-
meters of the amplitude-frequency characteristics of the radio emission of PCP with the data 
of full-scale experiment  to measure the relative intensities of the spectral components of the 
signal  [4]  is  carried  out.  A  good  qualitative  and  quantitative  agreement  between  theory  and 
experiment data is registered. As a part of the approach proposed a new method of contactless 
diagnostics  of  PCP,  based  on  the  comparative  analysis  of  the  intensity  its  electromagnetic 
radiation in the radio range. 
              References 
1. Marenkov, V. I. Manifestation of Polarization Effects in Dusty Plasma//Journ. of Molecular 
Liquids.-2005.-Vol.120, Nu. 2, P. 181-184. 
2. Marenkov V.I. The equilibrium ionization of plasma with macroparticles, interacting with 
thermostat. -  24-th Symposium on Plasma Physics and Technology, 14th-17th June, 2010.-
Prague, Czech Republic.- P.130-131. 
3.  Marenkov  V.I.  Fermi  level  of  carriers  in  micro-hulled  structure  based  on  heat-resistend 
metals.- In Book: Front. in Quant. and Mesosc. Thermodynamics. - Prague,  2011, P. 227. 
4. Marenkov V.I.  Dipole Electron Radiation of Heterogeneous Low-Temperature Plasma in 
the  Radio-Frequency  Range.  -  International    Conference_School  on  Plasma  Physics  and 
Controlled Fusion.- Alushta (Crimea), Ukraine, September 13-18, 2010.- P.191. 

CONTRIBUTED PAPERS OF ADJOINT WORKSHOP 
 "NANO- AND MICRO-SIZED STRUCTURES IN PLASMAS" 
216 
 
 
Contributed Papers of Adjoint Workshop 
"Nano- and micro-sized structures in plasmas" 
 
The  aim  of  the  Workshop  is  to  bring  together  scientists  working  on  new 
and  exciting  areas  of  fabrication  and  characterisation  of  nano-  and 
microstructures in plasmas and on their effects on plasma properties. .  
Topics: 
1.  Formation of nano- and micro-sized structures in plasmas  
2.  Processing of nano- and micro-sized structures in gas discharge chambers 
3.  Properties of plasmas with nano- and micro- objects  
4.  Characteristics  of  nano-  and  micro-sized  structures  formed  in  plasma 
environment  
 
Invited talks: 
 
1.  Dust  ion-acoustic  nonlinear  wave  structures  under  conditions  of  near-Earth 
and laboratory plasmas Dr. Sergey I. Popel, Moscow, Russia (See I-14, p. 16) 
2.  Fabrication  of  nanopowders  in  RF  plasmas:  diagnostics  and  modelling  Dr. 
Ilija Stefanovic, Bochum, Germany (See I-15, p. 17) 
3. The formation of nanoparticles and nanocomposites in reactive plasmas 
Dr. Johannes Berndt, Orleans, France (See I-16, p.18). 
4. On the use of dust particles as micro-probes in process plasmas  
Dr. H. Kersten, Kiel, Germany (See I-17, p.19) 
5.  Kinetic  description  of  dusty  plasmas  and  effective  grain  potentials.  Dr. 
A.G. Zagorodny  Bogolyubov  Institute  for  Theoretical  Physics,  Kiev,  Ukraine 
(See I-18, p.20) 
 
Co-chairmen of the Workshop: 
 
 Dr. Igor Denysenko, V.N. Karazin KhNU, Ukraine 
 Dr. Igor Garkusha, NSC KIPT, Kharkov, Ukraine 
The Adjoint Workshop is sponsored by: 
 

 
217 
 
W-01 
PLASMA BASED FUNCTIONALIZATION OF ADVANCED CARBON 
MATERIALS: NANOPARTICLES, NANOTUBES AND GRAPHENES 
 
E. Kovacevic
1
, J. Berndt
1
, Th. Strunskus
2
, N. Camara
3
, L. Boufendi
1
, M. Gaillard
1
, Ch. 
Leborgne

 
1
GREMI, Universite d‟Orleans, France 
2
Christian-Albrechts-University of Kiel, Institute of Material Science, Kiel, Germany 
3
GREMAN, Université de Tours/CNRS Tours, France 
 
Advanced carbon materials as for example carbon based nanoparticles, carbon naonotubes or 
graphene  are  important  building  blocks  for  novel  applications  in  science  and  technology. 
They  can  be  used  for  example  as  gas  sensors,  electron  emitters,  catalysts  or  for  new  design 
concepts for mirofluidic elements or lab on chip applications. One important requirement for 
future applications concerns the surface modification or doping of these materials, which can 
result  in  controllable  changes  of  their  electronic  [1]  or  chemical  [2]  properties.  Specific 
functional  groups  of  interest  are  here  in  particular  nitrogen  [3]  or  oxygen  [4]  containing 
groups or even complex organic molecules [2].   
This  contribution  will  focus  on  the  use  of  low  temperature  plasmas  which  are  not  only 
versatile tools for the synthesis of advanced carbon materials [5,6] but also very suitable for 
the  controlled  surface  modification  of  these  materials.  We  will  report  here  about  first 
experiments  dealing  with  the  controlled  functionalization  of  carbon  nanoparticles,  carbon 
nanotubes and graphenes by means of low temperature nitrogen containing plasmas.  
The effect of the plasma treatment on the different carbon materials is analyzed by means of 
Near  edge  x-ray  absorption  fine  spectroscopy  (NEXAFS)  and  XPS.  Additional  information 
about the effect of the plasma treatment on the surface properties of the materials are obtained 
by means of contact angle measurements. 
 
Literature 
[1] D. W. Boukhvalov, and M.I. Katsnelson,  Nano Lett. 2008, 8, 4373. 
[2] V.Georgakilas, K. Kordatos, M.Prato, D. M. Guldi, M. Holzinger, and A. Hirsch,  J. Am. 
Chem. Soc.   124, 2002, 760 
[3] Y. Wang, Y. Shao, D. W. Matson, J. Li, and Y. Lin, ACS Nano,  2010, 4, 1790. 
[4]  L.  Liu,  S.  M.Ryu,  M.  R.  Tomasik,  E.  Stolyarova,  and  N.  Jung,  M.S.  Hybertsen,  M.L. 
Steigerwald, L.E. Brus, and G.W. Flynn,  Nano Lett. 2008, 8, 1965. 
[5] J. Berndt, E. Kovačević, I. Stefanović, O. Stepanović, S. H. Hong, L. Boufendi, J. Winter, 
Contributions to Plasma Physics, 2009, 49, 107. 
[6]  Mireille  Gaillard,  Hermane  Mbitsi,  Agnès  Petit,  Eliane  Amin-Chalhoub,  Chantal 
Boulmer-Leborgne,  Nadjib  Semmar,  Eric  Millon,J.  Mathias,  and  S.  Kouassi,  2011,  J.  Vac. 
Sci. Technol. B 29, 041805-1 
 

 
218 
 
W-02 
TITAN'S AEROSOLS ANALOGUES PRODUCED BY RF PLASMA 
 
Thomas Gautier
1,2
, Nathalie Carrasco
1
, Ahmed Mahjoub
1
, Cyril Szopa
1
, Guy Cernogora
1

Edith Hadamcik

 
1
LATMOS, Université de Versailles St Quentin, 11bvd d'Alembert 78280 Guyancourt, France 
2
ExperimentalPhysik II, Ruhr Universität Bochum, 44780 Bochum, Germany 
 
Titan‟s  atmosphere  is  the  place  of  a  complex  organic  chemistry  initiated  from  its  main 
constituents,  i.e.  N
2
  and  CH
4
.  This  very  active  chemistry  generates  aerosols  which  play  a 
significant  role  in  the  atmospheric  and  surface  chemical  and  physical  properties  of  the 
satellite.  Moreover,  the  nature  of  these  complex  organics  makes  them  of  great  interest  for 
astrobiology,  considering  that  such  a  complex  organic  material  is  produced  from  natural 
processes. 
In order to study the chemistry at the origin of these aerosols, and their chemical nature, we 
use a dusty plasma experiment, named PAMPRE [1], that simulates the atmospheric reactivity 
on Titan. This  experiment  uses a Capacitively Coupled Plasma discharge [2], produced in  a 
continuous gas flow, to induce chemistry between N
2
 and CH
4
. More complex molecules are 
then  formed  in  the  reactive  medium  and  the  propagation  of  the  chemical  chain  leads  to  the 
production of solid particles, so called tholins, considered as analogues of Titan‟s aerosols. 
In this work we will focus on the absorption properties of tholins in the mid- and far- infrared 
[3].  Tholins  material  was  deposited  as  thin  film  on  different  substrates.  Analyses  were 
performed at the SMIS beamline of SOLEIL synchrotron facility (France). We used a NicPlan 
microscope  coupled  to  a  Nicolet  Magna  System  560  Fourier  Transformed  InfraRed 
spectrometer. The detector used for far-IR was silicon doped bolometer cooled down to 4.2K 
with liquid helium. 
Tholins spectrum  obtained can then be  compared to  Titan's  aerosols  spectra obtained by the 
Cassini  space  probe  orbiting  Saturn  (NASA/ESA).  Comparison  shows  a  good  agreement 
between  laboratory  data  and  observational  data  on  all  the  waverange.  This  comparison  also 
allows attributing to aerosols some features that were still unexplained in Cassini spectra.  
 
[1] Szopa C. et al., Planet. Space Sci., 54 (2006) 394-404 
[2] Alcouffe et al., Plasma Source Sci. Tech., 19 (2010) 015008 
[3] Gautier et al., Icarus (submitted) 
 
 
1   ...   20   21   22   23   24   25   26   27   28


Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2019
ma'muriyatiga murojaat qiling