On phenomena in ionized gases


Download 9.74 Mb.
Pdf ko'rish
bet12/85
Sana24.01.2018
Hajmi9.74 Mb.
#25134
1   ...   8   9   10   11   12   13   14   15   ...   85

3. References 

[1]  S.  Takamura,  N.  Ohno,  D.  Nishijima,  and  S. 

Kajita: Plasma Fusion Res. 1 (2006) 051. 

[2]  S.  Kajita,  T.  Yoshida,  D.  Kitaoka,  et  al.:  J. 

Appl. Phys. 113 (2013) 134301. 

[3]  S.  Kajita,  T.  Yoshida,  N.  Ohno,  et  al.:  Sci. 

Rep.  


Topic number 

60


XXXIII ICPIG, July 9-14, 2017, Estoril/Lisbon, Portugal 

 

 



Mineralization of 2,4-dichlorophenoxyacetic acid by plasma-ozonation 

 

M. Magureanu



1

, C. Bradu

2

, V.I. Parvulescu



3

 

 



1

 Department of Plasma Physics and Nuclear Fusion, National Institute for Lasers, Plasma and Radiation 

Physics, Magurele-Bucharest, Romania 

2

 Department of Systems Ecology and Sustainability, Faculty of Biology, University of Bucharest, Romania 



Department of Organic Chemistry, Biochemistry and Catalysis, Faculty of Chemistry, University of Bucharest, 

Bucharest, Romania 

 

A pulsed corona discharge in contact with liquid combined with ozonation was investigated for the 



degradation  of  2,4  dichlorophenoxyacetic  acid  (2,4-D),  a  widely  used  herbicide.  The  target 

compound was completely eliminated after 30 min treatment. The reaction rate constant for 2,4-D 

removal  by  plasma-ozonation  was  194.5  x  10

-3

  min



-1

,  more  than  twice  the  value  obtained  by 

ozonation  alone.  Within  60  min  over  90%  mineralization  was  obtained,  which  represents  a 

significant improvement as compared to O

3

 alone. The chlorine balance demonstrates the absence 



of  chlorinated  by-products  after  30  min  treatment.  An  attempt  to  improve  energy  efficiency 

revealed the beneficial effect of shortening discharge pulse duration.  

 

Pesticides  are  commonly  detected  in  various 



water  bodies  and  thus  threaten  aquatic  species  [1]. 

Various  advanced  oxidation  processes  are  studied 

for elimination of these chemicals, and among them 

ozonation  is  considered  one  of  the  most  promising, 

but the main drawback is poor mineralization [2,3].  

In  this  work,  non-thermal  plasma  generated  in  a 

pulsed  corona  discharge  above  liquid  is  combined 

with  ozonation,  with  O

3

  produced  in  the  discharge.



 

This combination proved efficient for the removal of 

other  chemical  compounds  from  water  [4].  The 

target  compound  chosen  for  this  study  is  2,4-D,  a 

widely used herbicide, often detected in surface and 

ground water and sometimes in drinking water [5]. 

The experiments were carried out using a pulsed 

corona  discharge  above  liquid  (multiwire-plate 

geometry)  in  series  with  a  cylindrical  ozonation 

reactor  [4].  The  2,4-D  solution  (25  mg/L,  330  mL) 

was  continuously  circulated  between  the  two 

reactors  and  the  effluent  gas  from  the  plasma  was 

bubbled into the solution contained in the cylinder. 

The  removal  of  2,4-D is completed after 30 min 

treatment in the plasma-O

3

 system (Fig. 1a) and the 



rate  constant  (194.5x10

-3

  min



-1

)  is  more  than  twice 

the value obtained for O

3

 treatment alone (88.2x10



-3

 

min



-1

).  The  mineralization  degree  is  assessed  from 

the elimination of TOC (total organic carbon). TOC 

removal  reaches  over  90%  after  60  min  plasma+O

3

 

treatment, much superior to the mineralization by O



3

 

alone  (56%)  (Fig.  1b).  The  results  prove  the  major 



role  played  by  other  plasma-generated  oxidants, 

besides O

3

, in the degradation of 2,4-D. 



Reducing  discharge  power  by  shortening  the 

pulse  duration  did  not  affect  the  degradation,  and 

thus results in lower energy costs. 

0

5



10

15

20



25

30

35



40

60

0.0



0.2

0.4


0.6

0.8


1.0

0

5



10

15

20



-4

-3

-2



-1

0

 



 

c

 



/

 

c



0

treatment time (min)

  O

3

  O



+

 



plasma (P

=



 

31

 



W)

  O


+

 



plasma (P

=



 

11

 



W)

k

plasma+O3 



=

 

194.5



 

x

 



10

-3 


min

-1

k



O3 

=

 



88.2

 

x



 

10

-3 



min

-1

 



 

 l

n



 

(c

 



/

 

c



0

)

a



 

0

10



20

30

40



50

60

0.0



0.2

0.4


0.6

0.8


1.0

1.2


0.0

0.2


0.4

0.6


0.8

1.0


1.2

 O

3



                                                   

 O

 3



+ plasma (P

d

 = 31 W)



 O

+ plasma (P



d

 = 11 W)


TOC

 

T



O

C

 



/

 

T



O

C

0



treatment time (min)

 

 



Cl

 

/



 

Cl

M-theor



 C



C

l

 M



-th

e

o



r

b

 

Fig. 1. a: Degradation of 2,4-D; b: Mineralization and 

dechlorination of 2,4-D solution during ozonation and 

plasma+O

3

 treatment with plasma powers of 11 and 31 W 



 

[1]  L.H.  Nowell  et  al.,  Sci.  Total  Environ.  476–477 

(2014) 144 

[2]  K.  Ikehata  and  M.G.  El-Din,  Ozone:  Sci.  Eng.  27 

(2005) 83 

[3] S. Chiron et al., Water Res. 34 (2000) 366 

[4] M. Magureanu et al., Chemosphere 165 (2016) 507 

[5]  D.B.  Donald  et  al.,  Environ. Health Perspect.  115 

(2007) 1183 

17 


61

XXXIII ICPIG, July 9-14, 2017, Estoril/Lisbon, Portugal 

 

 

 Ultrafast Laser Diagnostics to Interrogate High Pressure, Highly 

Collisional Plasma Environments 

 

E. V. Barnat



P

and A.Fierro



A

. FiP


1

P

 



 

P

1

P

 Sandia National Laboratories, Albuquerque, NM 87185-1423, USA 

P

 



 

The implementation and demonstration of laser-collision induced fluorescence (LCIF) generated in 

atmospheric pressure helium environments is presented in this communication. As collision times 

are observed to be fast (~ 10 ns), ultrashort pulse laser excitation (< 100 fs) of the 2

3

S to 3


3

(388.9 nm) is utilized to initiate the LCIF process. Both neutral induced and electron induced 



components of the LCIF are observed in helium afterglow plasma as the reduced electric field 

(E/N) is tuned from < 0.1 Td to over 5 Td. Under the discharge conditions presented in this study 

(640 Torr He), the lower limit of electron density detection is ~ 10

12

 e/cm



3

. Spatial profiles of the 

2

3

S helium metastable and electrons are presented as functions of E/N to demonstrate the spatial 



resolving capabilities of the LCIF method. 

 

Diagnostics play a key role in assessing our 



understanding of processes that occur in low-

temperature plasmas by benchmarking predictive 

capabilities as well as through discovering otherwise 

unexpected behaviors. As the perceived landscape 

of low-temperature plasma science evolve and 

challenges become more complex (high densities, 

shorter lifetimes, more reaction pathways), a broad 

range of diagnostic capabilities are needed to 

provide a sufficiently complete picture of the 

plasma. Therefore, new methods need to be 

developed and made available to facilitate research 

efforts of the low-temperature plasma community. 

In this presentation, we described continued efforts 

to further the state-of-the-art in plasma diagnostics. 

To further the develop of the laser-collision 

induced fluorescence (LCIF) method  [1]  for use in 

such plasmas, a 640 Torr helium discharge, in a 

point-to-point configuration (Figure 1a) is studied. 

A key and potentially transformative element of the 

ongoing effort is the utilization of short pulse (~100 

fs) laser to perform the initiation of the LCIF 

process (Figure 1a). For the presented data, LCIF is 

observed for 10 ns, starting ~ 1 ns before laser 

excitation. 

To demonstrate the ability of the of the LCIF 

method to interrogate spatial and temporal evolution 

of a plasma, the evolution of a 640 Torr helium 

afterglow plasma in response to a 250 ns high-

voltage excitation event (Figure 1b) is studied. It is 

observed that two excitation fronts are present 

during the formation of the plasma channel and that 

behind these fronts resides regions of higher 

electron density. As the electron density builds, the 

velocity of the front launched from the cathode 

(lower electrode) accelerates due to increased 

localized E/N. The successful development of the 

LCIF method in atmospheric pressure plasma 

environments will be presented in an upcoming fast-

track communication [2]. 

 

This work was supported by the Office of Fusion 



Energy Science at the U.S. Department of Energy 

under contracts DE-AC04-94SL85000 and DE-

SC0001939. 

 

[1]  E. V. Barnat and K. Frederickson, Plasma 



Sources Sci. Technol. 19 (2010) 055015.   

[2] E. V. Barnat and A. Fierro, J. Phys. D (accepted) 

 



 



(a) 

 

  



Time(ns)

A

x



ial

 pos


it

ion (


m

m

)



0

200


400

0

2



4

6

8



Metastables

Electrons

Fronts

 

(b) 



Fig. 1 –  (a) Laser-collision induced fluorescence 

concept and set-up utilized in studies. (b) Spatial and 

temporal evolution of helium afterglow plasma in 

response to 250 ns voltage pulse.  

62


XXXIII ICPIG, July 9-14, 2017, Estoril/Lisbon, Portugal 

 

 

 

Effects of plasma-facing materials on the negative ion (H-/D-) current 

extracted from an ECR plasma source 

 

S. Béchu



P

1

P



UF

F. Biggins



P

1

P



, J. Angot 

1

P



, S. Aleiferis 

2

, P. Svarnas 



2

, Yu. A. Lebedev

3

,  


V. A. Shakhatov

3

, A. Bès 



1

, L. Bonny 

1

, D. Fombaron 



1

, A. Simonin 

4

, A. Lacoste 



1

 

 



P

1

P

 LPSC, Université Grenoble-Alpes, CNRS/IN2P3, F-38026 Grenoble, France 



2

 High Voltage Lab., Electrical & Computer Engineering Dept, University of Patras, Rion-Patras, Greece 

3

 Topchiev Institute of Petrochemical Synthesis, Russian Academy of Sciences (TIPS RAS), Moscow, Russia 

4

CEA, IRFM, F-13108 St Paul lez Durance, France 

 

The  possibility  of  enhancing  the  extracted  negative  ion  (H-/D-)  current  due  to  plasma-surface 



interactions  on  selected  materials  (potential  alternatives  of  Cs  in  NBI  for  tokamak),  is  herein 

demonstrated.  Current  results,  from  plasmas  sustained  at  a  few  mTorr  by  ECR  dipolar  plasma 

sources,  as  obtained  with  laser  photodetachment  at  1064  nm,  demonstrate  that,  when  tungsten 

material  faces  plasma  it  induces  an  obvious  enhancement  of  the  negative  ion  density.  An 

extracting system using magnetic cores and three cooled electrodes are used to evaluate effects of 

the material itself and its relative position in the plasma, on the extracted current. The influence of 

the dimensions and geometry of the extracting aperture on the beam intensity, are also studied.  

 

1. Background 

The  ignition  of  fusion  reactions  in  future  reactors 

requires  the  injection  in  the  bulk  plasma  of  high-

energy  high  power  deuterium  neutral  beams  (34 

MW of 1 MeV D° beams on ITER, the international 

tokamak).  These  systems,  called  neutral  beam 

injectors  (NBI),  are  based  on  the  acceleration  of 

intense deuterium negative ion (NI) beams, followed 

by a neutralization in D

2

 gas. These injectors require 



caesium  to  reach  the  demanded  current  intensity  of 

55  A.  Despite  its  high  efficiency  to  increase  the 

negative  ion  extracted  current,  caesium  induces  a 

potential  contamination  of  the  accelerator  resulting 

in  high  voltage  breakdowns  Hence,  an  alternative 

material becomes mandatory to achieve the negative 

ion current specifications of NBI designed for ITER. 

2. Collaborations 

LPSC has a long collaboration with CEA-Cadarache 

(in  charge  of  French  scientific  research  on  NBI) 

searching  for  alternatives  to  Cs  as  a  negative  ion 

enhancers.  LPSC  operates  electron  cyclotron 

resonance (ECR) plasma at low power intake (up to 

0.2  kW),  while  High  Voltage  Laboratory  (Patras) 

investigates  identical  ECR  plasma  at  higher  power 

(up  to  1  kW).  Collaboration  with  the  Topchiev 

Institute  (Moscow),  allows  the  development  of 

optical  emission  spectroscopy  diagnostics,  as 

essential for considering plasma-surface interactions. 



3. Experimental setup 

ROSAE-III  is  a  stainless  steel  cylindrical  plasma 

reactor [1] (152 mm in diameter and 214 mm long) 

developed  at  the  LPSC.  It  is  operated  with  dipolar 

plasma sources [2] at low pressure (< 25 mTorr). A 

cylindrical  wall-coverage  of  borosilicate  glass 

(Pyrex

TM

,  5  mm  thick),  tapped  with  two  circular 



plates made of the same material,  can  be  housed  in 

ROSAE  III.  Hence,  hydrogen  plasma  can  be 

confined  in  a  chamber  of  either  low  (γ

H

  =  0.005; 



Pyrex

TM

  at  280  K)  or  moderate  (γ



H

  =  0.1-0.5; 

stainless  steel)  recombination  coefficient.  Studied 

materials are mounted on the Pyrex

TM

 surface to face 



the H

2

/D



2

 plasma. Absolute negative ion density has 

been  already  measured  inside  ROSAE-III  by  laser 

photodetachment at 1064 nm. Furthermore, recently, 

an  extracting  device  has  been  designed,  following 

3D  modelling  (COMSOL  software  [3]),  and  it  is 

being  implemented  for  measurements  of  the 

negative  current  extracted  from  the  plasma.  It 

consists  of  three  cooled  electrodes.  Two  magnetic 

cores  are  used  to  prevent  electrons  from  being  co-

extracted with negative ions. 

4. Results 

The  above  experimental  device  should  validate 

recent results of photodetachment measurements that 

shown a significant enhancement, by a factor 2.5, of 

the  negative  ion  density  in  the  bulk  plasma  when 

tungsten  coverage  is  used.  It  will  not  only  allow  to 

assess  the  effect  of  the  materials  nature  (tungsten, 

tantalum, and graphite) on the extracted currents but 

also to determine its best location with respect to the 

extracting  aperture  to  maximize  the  negative  ion 

current. 

5. References

 

[1] S. Bechu et al., Phys. Plasmas. 20,  (2013). 



[2] A. Lacoste et al., Plasma Sources Sci. T 11, 407 

(2002). 


[3] https://www.comsol.fr/ 

#18 


63

XXXIII ICPIG, July 9-14, 2017, Estoril/Lisbon, Portugal

Application of plasma-bullet propagation to hydrophilic treatments

of an interconnected porous scaffold

M. Oshiro

1

, T. Shirafuji



1

, K. Orita

2

, Y. Hirakawa



2

, H. Toyoda

2

UPPP


1

 Deparment of physical Electronics and Informatics, Graduate School of Engineering,

Osaka City University, Osaka, Japan

2

Department of Orthopedic Surgery, Graduate School of Medicine,

Osaka City University, Osaka, Japan

P

An atmospheric pressure plasma jet employing dielectric barrier discharge of helium gas is known to



be a source of plasma bullets, which propagate in high-purity helium gas channels. A plasma bullet

propagates to the direction independent of gas-flow direction, and nicely separated when they

encounter branches of gas channels. We have applied these characteristics of plasma bullets to

hydrophilic treatment of internal surfaces of an interconnected porous scaffold. The scaffold

employed in this work is a hydrophobic treated glass filter with a thickness of 3.15 mm and a

pore-channel diameter of 160-250 μm. Plasma bullets injected from one side of the scaffold have

penetrate it and ejected from the other side. Water permeability of the scaffold has been markedly

improved after the treatment with the plasma-bullet penetration.



1. Introduction

Atmospheric pressure plasma jets (APPJs) have

been widely used for various surface treatments. Its

unique nature involving “plasma bullets” [1] may be

used  for  the  treatment  of  internal  surfaces  of  an

interconnected porous scaffold used in bone-

regeneration. There are few reports which discuss

utilization of plasma bullets for such treatment, while

there are extensive works using low pressure plasma

[2] or those using an APPJ as a simple jet [3].



2. Experimental Setup

We have irradiated a helium APPJ to a hydrophobic

treated glass filter, instead of expensive HA or β-TCP,

of which thickness and pore channel diameter are

3.15 mm and 160-250 μm, respectively.

3. Results and discussion

 Figure 1 show time-evolution of plasma bullets

on the back side of the APPJ-irradiated glass filter,

which indicates that the bullets penetrate the glass

filter  and  exit  out  of  its  back  side.  Figures  2(a)  and

2(b) show that water permeability of the back side of

the glass filter before and after the treatment for 10

min. We can see marked improvement in water

permeability of the hydrophobic glass filter after the

treatment. These results indicate that the internal

surfaces of the hydrophobic glass filter have become

hydrophilic by propagation of plasma bullets.



Acknowledgements

This work was partly supported by JSPS MEXT

KAKENHI Grant Numbers 15H03585 and

15K13391.



References

[1]   M.  Teschke  et  al,  IEEE  Trans.  Plasma  Sci. 33,

310 (2005).

[2]  D.-S. Lee et al, J. Phs. D 45, 372001 (2012).

[3]  I. Trizio et al, Plasma Process. Polym. 12, 1451

(2015).


Fig. 1 Propagation of plasma bullets ejected from the

glass filter.



+ 60 ns

+ 80 ns

+ 100 ns

5 mm

+ 0 ns

+ 20 ns

+ 40 ns

backside

of porous

dielectric

Fig. 2 Water permeability of the glass filter before and

after the plasma-bullet treatment.

just after dropped

back

side

front side

(a) Without plasma-bullet treatment

(b) With plasma-bullet treatment

just after dropped

front side

(APPJ irradiated)

back

side

after 20 min

front side

back

side

after 0.4 sec

front side

(APPJ irradiated)

back

side

after 10 min

front side

back

side

after 0.2 sec

front side

(APPJ irradiated)

back

side

14

64



XXXIII ICPIG, July 9-14, 2017, Estoril/Lisbon, Portugal 

 

 



Bubble formation in the discharge between planar and needle electrodes 

via laser ablation-induced cavitation bubble 

 

K. Sasaki and Y. Takahashi



P

 

 



Division of Quantum Science and Engineering, Hokkaido University, Sapporo, Japan 

 

We observed the formation of a bubble in the discharge process between needle and planar electrodes. 



A unique experimental condition was that a cavitation bubble, which was induced by liquid-phase 

laser ablation, was positioned between the electrodes.  When the distance between the needle 

electrode and the gas-liquid boundary of the cavitation bubble became  close, we observed the 

formation of an additional bubble from the tip of the needle electrode. The discharge occurred when 

the needle electrode and the cavitation bubble was connected by the additional bubble. It should be 

emphasized that the bubble formation was not induced by the Joule heating of water,  since we 

observed the bubble formation even when the current through the electrode was negligible. 

 


Download 9.74 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   8   9   10   11   12   13   14   15   ...   85




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling