On phenomena in ionized gases


Download 9.74 Mb.
Pdf ko'rish
bet28/85
Sana24.01.2018
Hajmi9.74 Mb.
#25134
1   ...   24   25   26   27   28   29   30   31   ...   85

1.

 

Introduction  

 

Understanding  turbulent  plasma  transport  in 



magnetized  plasma  is  a  subject  matter  of  great 

significance  from  the  perspective  of  understanding 

plasma loss in fusion devices.  Although, significant 

progress has been made in understanding physics of 

ion  thermal  transport  over  the  past  decade  but 

various aspects of turbulent transport in electron and 

particle channel remains to be elucidated[1-2].  

In  this  background,  Large  Volume  Plasma 

Device  (LVPD)  (

                        )  has 

successfully  demonstrated  unambiguous  excitation 

of  ETG  turbulence,  where  plasma  profiles 

characterized  as 

  

 



       

 

       



 

    and 


 

 

 



 

 

 



  

 

 



 

    by  introducing  an  Electron  Energy 

Filter  (EEF)[3].  Radial  profiles  of  turbulent  particle 

flux 


     and  density  -  potential  cross  phase,( 

   


has  been  measured.  It  is  observed  that  the  net 

electrostatic  flux  is  negative  (

 

  



     

  

 



  

 

 



  

   and  is  directed  radially  inward.  Turbulent 

particle flux is predominantly electrostatic in spite of 

nature  of  excited  turbulence  is  electromagnetic 

(

        ). 



The  particle  flux  maximizes  when  EEF  is  ON 

suggesting  that  the  flux  is  due  to  ETG  driven 

turbulence.  Theoretically,  net  particle  flux  results 

when  phase  difference  is,  this  agrees  well  with  our 

observation. 

Turbulence 

intensity 

maximizes 

roughly  at  the  location  where  particle  flux 

maximizes. 

The experimental cross phase angle and flux has 

been compared radially with theoretical counterparts 

resulting  due  to  the  non-adiabatic  ion  response 

because  of  the  resonant  interaction  of  the  ions  with 

the ETG mode, 

 

 



 

   


     agrees well within 20%. 

Theoretical  standpoint  suggests  that  thermo-

diffusive  turbulent  flux  radially  inward  in  the 

background 

of 

ETG 


[4]. 

Comparison 

of 

experimental 



results 

with 


theoretical 

model 


suggesting it as a thermo diffusive turbulent particle 

flux will be present in this conference.



 

 

2. References 

 

[1]  Coppi  B  and  Spight  C,  Phys.  Rev.  Lett.  41 



551(1978). 

[2] Tang W et al. Phys. Fluids 29 3715 (1986).  

[3]  S.  K.  Mattoo,  S.K.  Singh,  L.M.  Awasthi, 

Phys. Rev. Lett. 108 255007(2012) 

[4]  R  Singh,  Hogun  Jhang  and  P.H.  Diamond, 

Phys. Plasmas 20 112506 (2013)

 

Topic number-1 



134

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

 

 

 

Analysis of the K-radiation structure for the determination of HED-plasma 

parameters and their spatial variations along the line of view 

 

V. Bernshtam, E. Kroupp, A. Starobinets, O. Nedostup, Yu. Zarnitsky, Yu. Kuzminykh, and 



Y. Maron  

 

P



Faculty of Physics, Weizmann institute of Science, Rehovot, Israel

.

  

 

The spectral structures of the Heα and Lyα groups of lines are strongly dependent on the electron 



temperature  in  the  plasma,  on  the  plasma  charge  state  composition,  and  the  presence  of  fast 

electrons. We analyze the effect of the various parameters on the features of the spectral structures, 

and demonstrate methods to determine electron-temperature gradients in the plasma, and to infer 

bounds on the electron density. The analysis includes fits to the satellites emitted from plasmas of 

rather-different electron temperature, and discrimination of satellites due to inner shell excitations 

and  ionizations.  The  analysis  is  applied  to  K-emission  data  obtained  in  our  neon-puff  Z-pinch 

experiment [1, 2]. As a result, we obtain quantitative estimates of the simultaneous contributions 

of plasmas of various densities and temperatures to the spectrogram. 

 

13.4


13.5

13.6


13.7

13.8


0.0

0.2


0.4

0.6


0.8

1.0


Plasma 3

T

e



 = 69 eV

N

i



 = 3e20 cm

-3

T



= 69 eV


R = 0.05 mm  

Plasma 2


T

e

 = 190 eV



N

i

 = 5e18 cm



-3

T



= 1520 eV

R = 1 mm  

Intensity, 

arb.u


.

Wavelength, Å 

 CR - model (sum)

 Experimental data

CR - model of Ne He

a

 group with the experimental data



                        Three plasma model 

Plasma 1


T

e

 = 190 eV



N

i

 = 5e17 cm



-3

T



= 9120 eV

R = 1 mm  

 

1. References 

[1]   Eyal Kroupp, Thesis for the degree of Ph.D., 

April  2004,  Faculty  of  Physics,  Weizmann  institute 

of Science, Rehovot, Israel. 

[2] E. Kroupp, D. Osin, A. Starobinets, V. Fisher, 

V. Bernshtam,  I. Uschmann, E. Forster,  A. Fisher, 

C. Deeney and Y. Maron, PRL 98, 115001 (2007) 

135



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

 

 



Ecton processes in the generation of picosecond runaway electron beams  

 

G. A. Mesyats



UP

1

P



 

 

P



1

P

 Lebedev Physical Institute, Moscow, Russia 

 

The  mechanism  of  the generation of runaway electrons and of the cutoff of their current in a gas 



discharge  is  considered.  It  is  shown  that  the  field  emission  current  from  the  cathode 

microprotrusions in the discharge is enhanced due to ionization processes occurring in the cathode 

region.  This  hastens  explosive  electron  emission,  which  lasts  tens  of  picoseconds.  Thus,  the 

runaway electrons current pulse is similar in nature to the ecton process in a vacuum discharge. 

 

It is well known from the physics of nanosecond 



pulsed  electrical  discharges  in  gases  that  if  the 

energy  acquired  by  electrons  in  the  electric  field  is 

greater  than  the  energy  lost  by  them  in  collisions, 

the electrons become running away. In this case, the 

generation  of  runaway  electrons  (REs)  is  a  pulsed 

process. However, the nature of these RE pulses still 

remains obscure [1–5]. 

As shown experimentally, the duration of the RE 

current  pulse  in  a  discharge  between  stainless  steel 

electrodes in atmospheric air is 2.4·10

–11

 s. A nearly 



triangular  voltage  pulse  of  rise time t

0

 = 1.5·10



–10

 s 


and  amplitude  160  kV  was  used.  The  RE  current 

was  equal  to  several  amperes.  The  leading  and 

trailing edges of the RE pulse, each lasting no more 

than  2·10

–11

  s,  are  of  different  nature.  We  believe 



that  the  leading  edge  is  due  to  the  field  emission 

(FE) current from cathode microprotrusions (CMPs) 

[6]. This current is enhanced due to ionization of the 

gas until explosive electron emission is initiated as a 

result  of  the  Joule  heating  of  CMPs  during  a  time 

determined  by  the  relation  j



2

  t

1

=  h,  where  h  is  the 

specific current action for an electrical explosion of 

the cathode metal and j is the density of the electron 

current  from  the  CMPs.  For  copper  we  have 



h=4.1·10

9

  (A·s)  /cm



4

  [7];  hence,  using  the  Fowler–

Nordheim  formula,  we  estimate  the  FE  current 

density  at  t

1

=2·10


-11

  s  as  j=1.4·10

10

  A/cm


2

.  This 


corresponds to the electric field at the tip of an CMP 

E=1.5·10

8

  V/cm.  Note  that  in  Ref.  6,  the  time  t



1

  is 


estimated  as  t

1

=0.11t



0

=1.6·10


-11

  s.  In  vacuum,  these 

extreme values of the parameters t

1

j, and E cannot 



be  attained  because  of  the  electronic  space  charge 

effect  [8].  In  gases,  this  effect  is  not  essential  or 

even  absent  due  to  that  the  space  charge  is 

neutralized by the gas ions. 

The  electron  emission  mechanism  changes  after 

EEE: a cathode spot (CS) arises, and the intensity of 

electron emission from the spot quickly decreases as 

a  result  of  energy  loss.  Assuming  that  a  CS  cools 

only due to heat conduction, we have t

2

=i



2

/64π


2

a

2

h

where  a  is  the  thermal  diffusivity  of  the  cathode  

metal [7]. For copper we have a≈1.2 cm

2

/s; thus, for 



the RE current i=1A, we obtain t

2

=1.8·10



-11

 s. 


The  formation  of  RE  pulses  is  similar  to  the 

formation  of  an  electron  butch  (ecton)  during  a 

cycle  of  the  CS  operation in a vacuum arc [9]. The 

ecton processes in a vacuum arc take 10

–9

–10


–8

 s. 


Note  that  in  our  experiment,  we  have  obtained 

historically  high  rates  of  rise  of the electric field at 

CMPs: ~10

19

 V/(cm·s). Previously, it was supposed 



that  the  mechanism  of  the  RE  current  cutoff  is 

related  to  the  plasma  processes  occurring  in  the 

electrode  gap  [3,  10].  In  our  opinion,  this 

mechanism  is  governed  by  the  emission  processes 

taking  place  at  the  cathode.  This  concept  seems  to 

be  more  realistic  in  view  of  the  very short times of 

the  generation  of  runaway  electrons  and  of  the 

cutoff of their current. 



1. References 

[1]  G.A.  Mesyats,  Yu.I.  Bychkov,  and  V.V. 

Kremnev, Sov. Fiz. Usp. 15 (1972) 282. 

[2]  L.P.  Babich,  T.V.  Loiko,  and  V.A. 

Tsukerman, Sov. Fiz. Usp. 33 (1990) 521. 

[3]  V.F.  Tarasenko  and  S.I.  Yakovlenko,  Phys. 

Usp. 47 (2004) 887. 

[4]  G.A.  Mesyats,  M.I.  Yalandin, A.G. Reutova, 

et al., Plasma Physics Reports 38 (2012) 29. 

[5]  S.  Yatom,  A.  Shlapakovski,  L.  Beilin,  et  al., 

Plasma Sources Sci. Technol. 25 (2016) 064001. 

[6] G.A. Mesyats, JETP Letters 85 (2007) 109. 

[7] G.A. Mesyats, Pulsed Power, Kluwer/Plenum 

(2004). 


[8] J.P. Barbour, W.W. Dolan, J.K. Trolan, et al.,  

Phys. Rev. 92 (1953) 45. 

[9] G.A. Mesyats, Phys. Usp. 38 (1995) 567. 

[10] S.Y. Belomyttsev, I.V. Romanchenko, V.V. 

Ryzhov,  and  V.A.  Shklyaev,  Technical  Physics 

Letters 34 (2008) 367. 

Topic number 3 

136


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

 

 



Experimental and numerical study of electrical arc movement  

 

J. Quéméneur



P

1

P



, J-J. Gonzalez

UP

1



P

, P. Freton

UP

1

P



, P. Joyeux

P

2



P

  

 



P

1

P

 Université de Toulouse; UPS, CNRS, INPT; LAPLACE (Laboratoire Plasma et Conversion d’Energie);  



118 route de Narbonne, F-31062 Toulouse cedex 9, France 

P

2

P

 Hager Electro SAS, 132 boulevard d’Europe, BP3, 67210 Obernai, France

 

 



The  movement  of  an  electrical  arc  between  two  parallel  arc  runners  is  studied  by  numerical  and 

experimental approaches. The measurement setup and two methods to model the arc roots motion 

are presented alongside with a tool to determine the position of the arc using its light emission. The 

experiment  consists  in  a  simplified  low-voltage  circuit  breaker  (LVCB)  chamber  where  voltage, 

current,  pressure  measurements  and  high-speed  imaging  are  performed.  3-D  computational  fluid 

dynamic model based on the Fluent software is developed for the simulation of the arc in the same 

configuration as the experiment. Comparison between tests and modelling are presented. 

 

1. Introduction 

Electrical  arc  motion  is  a  significant  issue  for 

several industrial applications such as breaking arcs, 

plasma torches, welding or in-flight lightning strike. 

In  LVCB  the  arc  must  be  moved  quickly  from 

the opening contact to the extinction chamber. This 

improvement  is  mainly  made  by  long  empirical 

developments.  Hence  the  industry  is  calling  for 

predictive  models.  Here  two  numerical  methods  to 

simulate  the  arc  movement  are  presented  and 

compared to experimental results. 

 

2. Experimental setup 

LVCB  have  a  complex  design.  For  an  easier 

study  a  rectangular  arc  chamber  with  two  parallel 

iron  electrodes  is  used.  One  of  the  lateral  walls  is 

transparent  to  allow  high-speed  imaging.  The 

discharge can be ignited by contact opening or by a 

fuse  wire.  In  order  to  get  rid  of  the  opening  speed 

parameters  the  fuse  wire  ignition  is  used.  The 

breaking current is a 50Hz sine wave up to 10kA. 

 

3. Numerical model 

A magneto-hydrodynamic model is developed to 

describe  the  plasma  [1]  and  two  different  methods 

are used to calculate the arc motion: 

In  the  first  method  named  “Global  Current 

Resolution  Method”  (GCRM),  current  density  and 

heat  transfer  between  the  plasma  and  the  metallic 

electrodes  are  solved  neglecting  the  sheath 

mechanisms.  This  is  an  easy  method  to  implement 

but  it  requires  advanced  calculation  algorithms  due 

to  a  strong  difference  of  electrical  conductivity 

between  the  two  mediums.  Therefore,  calculation 

time is high. 

In  the  second  method,  named  “Mean  Electrical 

Conductivity Method” (MECM), classical boundary 

conditions for anode and cathode  roots [2] are used 

and  applied  where  the  electrical  neighbouring 

conductivity  of  the  plasma  is  the  highest.  Two  arc 

roots can be specified on the same electrode.  

 

4. Preliminary results & perspectives 

comparison 



between 

numerical 

and 

experimental  results  for  the  arc  movement  is 



presented  Fig.  1.  The  good  agreement  validates  the 

two methods used. 

 

Fig.1: Experimental and simulated arc motion 



 

With  such  tools  we  are  able  to  investigate  the 

parameters  influencing  the  arc  movement.  To 

improve  our  model,  description  of  the  anodic  [3] 

and cathodic [4] sheaths could be developed in order 

to allow a better description of arc commutation and 

calculation of the arc voltage. 

 

5. References 

 [1] A. Gleizes, J-J. Gonzalez, P. Freton, J. Phys. 

D: Appl. Phys. 38 (2005) R153-183

 

 [2] P. Freton, J-J. Gonzalez, A. Gleizes, J. Phys. 



D : Appl. Phys. 33 (2000) pp. 2442-2452

 

 [3] F.Lago, J-J. Gonzalez, P. Freton, A. Gleizes, 



J. Phys. D: Appl. Phys. 37 (2004) 883-897

 

 [4]  M.S.  Benilov,  J.  Phys.  D :  Appl.  Phys.  41 



(2008) 144001

 

11 



137

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

 

 



Optimizing the CO

2

 conversion efficiency  

in a low-pressure pulsed microwave plasma source 

 

N. Britun



1

, T. Godfroid

2

P

, T. Silva



3

P

, and R. Snyders



1,2

 

 



1



Chimie des Interactions Plasma-Surface, Universite de Mons, Mons, Belgium  



2



Materia Nova Research Center, Mons, Belgium



 

3

 Instituto de Plasmas e Fusão Nuclear, Instituto Superior Técnico, Universidade de Lisboa, Lisboa, Portugal  

 

The CO



2

 decomposition process in a pulsed  2.45 GHz  microwave surfaguide discharge  has been 

studied.  The  CO

2

  conversion  efficiency  is  found  to  be  mainly  affected  by  the  plasma  pulse 



repetition rate (at fixed applied power), along with the other discharge parameters such as the gas 

flow  rate,  residence  time,  etc.  The  electron  and  gas  temperatures  have  been  additionally  studied 

using  spectroscopic  methods.  A  several  time  increase  in  the  CO

2

  conversion/energy  efficiency 



points  out  on  a  crucial  role  of  the  pulsed  plasma  regime  for  better  CO

2

  conversion.  The  found 



effects  are  explained  by  the  relevant  energy  relaxation  mechanisms  in  the  discharge,  such  as  the 

electron-vibrational, vibrational-vibrational, and vibrational-translational ones.  

 

1. Introduction  

In  spite  of  the  numerous  works  devoted  to 

plasma-based  greenhouse  gas  conversion,  related  to 

microwave  (MW)  plasma  [1],  dielectric  barrier 

discharge (DBD) [2], gliding arc plasma (GAP) [3], 

as  well  as  those  involving  plasma  catalysis,  the 

effects  of  CO

2

  conversion  in  the  pulsed  discharges 



are still far from being understood clearly. So far the 

beneficial role of plasma power modulation has been 

only demonstrated in the DBD case [4]. The present 

work  studies  the  power  modulation  effect  in  MW 

surfaguide  discharge,  as  a  promising  candidate  for 

plasma-assisted CO

2

 conversion.  



 

2. Experimental  

A  surfaguide-type  pulsed  microwave  plasma 

source has been used. The plasma  was sustained by 

the electromagnetic waves with the filling frequency 

of  2.45 GHz,  and  modulated  by  nearly  rectangular 

pulses  with  the  repetition  rate  ranging  from  0.01  to 

2.5 kHz.  The  pulse  duty  ratio  was  mainly  fixed  at 

50%.  The  discharge  has  been  sustained  in  a  quartz 

tube  (14 mm  in  diameter  and  31 cm  long)  in  which 

the  gas  flow  was  regulated  by  digital  mass  flow 

controllers.  The  quartz  tube  has  been  cooled  down 

by 10 C flow of Si oil. More details are available in 

[1,5]. The optical emission actinometry [1] and two-

photon  absorption  laser  induced  fluorescence 

(TALIF)  techniques  were  used  for  monitoring  the 

CO

2



 conversion efficiency in our case [5]. 

 

3. Main results  

In  this  work  it  was  shown  that  the  CO

2

  conversion 



efficiency depends dramatically on the plasma pulse 

repetition rate. Up to a fourfold improvement in the 

CO production in the post-discharge (and thus in the 

CO

2



 conversion rate) has been detected (see Fig. 1). 

 

Fig. 1. Relative  CO density in the post-discharge as 



a function of plasma pulse repetition rate. 

 

It is also shown that the CO



2

 conversion depends 

on the molecule residence time and the gas pressure. 

The  electron  temperature  determined  based  on  the 

Ar  line  ratio  shows  rather  minor  variations  in  the 

studied  pulse  frequency  range,  leading  us  to  a 

conclusion  that  the  vibrational  energy  exchange  is 

the  main  reason  for  the  observed  effects.  The 

estimates  made  for  the  electron-vibrational  (e-V), 

vibrational-vibrational  (V-V)  as  well  as  vibrational-

translational  (V-T)  energy  relaxation  time  point  out 

on  a  primary  role  of  vibrational  excitation  for  CO

2

 

decomposition  at  long  plasma  pulse  durations  (low 



rep.  rates),  as  well  as  its  contribution  to  the  gas 

heating  via  the  V-T  process.  At  the  same  time  at 

high repetition rates these processes are less efficient 

due to shorter plasma pulse duration. 

 

4. References 

[1].    T.  Silva,  N.  Britun,  T.  Godfroid,  R.  Snyders,  Plasma 

Sources Sci. Technol. 23, 25009 (2014). 

[2].    S.  Mahammadunnisa,  E.  L.  Reddy,  D.  Ray,  et  al.,  Int.  J. 

Greenh. Gas Control 16, 361 (2013). 

[3].  T. Nunnally,  K.  Gutsol, et al., J. Phys. D.  Appl. Phys.  44

274009 (2011). 

[4].  A. Ozkan, T. Dufour, et al., Plasma Sources Sci. Technol. 



25, 55005 (2016). 

[5].    T.  Silva,  N.  Britun,  et  al.  Plasma  Process.  Polym.  DOI: 

10.1002/ppap.201600103 (2016).

 

Topic 6 



138

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

 

 

 


Download 9.74 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   24   25   26   27   28   29   30   31   ...   85




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