On phenomena in ionized gases


Download 9.74 Mb.
Pdf ko'rish
bet52/85
Sana24.01.2018
Hajmi9.74 Mb.
#25134
1   ...   48   49   50   51   52   53   54   55   ...   85

1. Introduction 

Processes related to radiative transfer with 

reabsorption play a significant role in non-

equilibrium plasmas. Multiple approximate 

approaches were developed over the last decade, 

among them so called matrix method (reviewed in 

[1]) for plasma sources of certain symmetry. The 

latter allows for accurate treatment of the radiation 

trapping process within consistent collisional-

radiative models [2].  

 

 

 



 

 

 



 

 

 



 

 

 



 

 

 



 

 

 



Figure 1: Density profiles of excited Ar atoms, obtained 

by means of matrix method and using escape factors:  

(a) free-burning arc; (b) constricted glow discharge. 

 

2. Radiation transport and density profiles 

Radiation transport equation for resonance atoms is 

solved in coupling with balance equations for other 

species. As Fig. 1 clarifies, correct description of 

radiation transport causes notable broadening of 

radial profiles of excited argon atoms, leading to an 

excellent agreement with experiment (Fig 1(b)). 



 

3. Matrix method for arbitrary geometry 

For an arbitrary 3D object the source geometry is 

discretized on a Cartesian voxel grid. Matrix 

coefficients, which describe a coupling between unit 

volumes, are computed using fast ray traversal 

algorithm [3]. Numerical scheme is efficiently 

parallelized for running on a graphical processing 

unit. As an example, solutions of the Holstein-

Biberman equation for case of finite cylinder with 

point excitation source in the center using previously 

developed matrix approach and a new one are 

illustrated by Fig.2.  Results are in a good 

agreement. 

 

Figure 2: Solution of the equation with point excitation 

source in the finite cylinder. Orange – old matrix method, 

blue – ray tracing method. 

 

4. References 

[1] Yu. B. Golubovskii et al., Plasma Sources 

Sci. Technol. 22 (2013) 023001. 

[2] Yu. B. Golubovskii et al., J. Phys. D. Appl. 

Phys. 49 (2016) 475202. 

[3] J. Amanatides, A. Woo, Eurographics  87 

(1987) 3–10 

Topic #2 

244


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

 

 

Ground electrode 

Biased electrode 

Electrical probe 

Probe shadow 

Figure 2: Magnetic 

flux distribution 

(B

y

) along  the axis 

of the cylinder  (Z 

axis). 


Figure 3: Plasma discharge inside 

Halbach array. White boxes with 

arrows represent the permanent 

magnets and their magnetic orien-

tation. 

Uniform and strongly magnetized plasma using a Halbach array 

 

O. Vasilovici



1,2

, S. Costea

1

, B.S. Schneider



1

, R. Schrittwieser

1

, C. Ionita



 

P



1

P

Institute for Ion Physics and Applied Physics, University of Innsbruck, Austria 



2

Faculty of Physics, Alexandru-Ioan-Cuza University, Iasi, Romania 

 

For  plasma  confinement often magnetic fields  are used, especially in fusion devices.  Magnetic 



fields can either be produced by coils or by permanent magnets. Coils have the advantage of con-

trolling  the magnetic field  strength by varying the current,  but for  high currents cooling systems 

have to be implemented. Permanent magnets can deliver magnetic flux into the airgap of a mag-

netic circuit without continuous consumption  of energy and nowadays they are fully competitive 

with electromagnets for fields up to 2 T, and fields as high as 5 T can be produced in small  vol-

umes  [1].  We  present a way to produce magnetized plasma using a special magnet assembly, 

known as the Halbach array, which is able to produce a homogeneous magnetic flux density in a 

cylindrical volume. Electric probes were used to characterize this highly magnetized plasma. 

 

1. Halbach array 

An ideal Halbach array  is  a ring magnet where 

the polarization direction varies continuously along 

the circumference so that the magnetic flux increases 

inside and reduces or cancels outside. In practice, 

typical Halbach cylinders are built using discrete 

permanent magnets each with its own magnetization 

direction, approximating the Halbach distribution 

[2]. Choosing the orientation of each segment 

properly, the fields will add at the centre.  

We  have  simulated the magnets'  positions  in or-

der to obtain a  uniform and homogenous magnetic 

field and the optimum cylinder bore diameter, using 

Quick Field v6.1 Student Edition software tool (Fig-

ure 1). The input parameters for the magnetic mate-

rial were set according to the magnet’s technical 

datasheet. 

 

 



2. Plasma device 

To produce the magnetic field, we used 8 identi-

cal 50×15×15 mm Nd

2

Fe



14

B cubic bar magnets. The 

perpendicular  magnetic field strength  (B

y

)  was 


measured  along the symmetry axis  (Z)  using a tes-

lameter (Figure 2).  

The  plasma  was created  using  two electrodes 

placed in such a way that the electrical field lines are 

parallel with the magnetic field (Figure 3). One elec-

trode was grounded  and  the other was biased with 

negative voltages through a 2 

KΩ resistor. 



 

3. Acknowledgement 

This work was also supported by the CEEPUS net-

work AT-0063. 

 

4. References 

[1] J.M.D. Coey, J. Magn. Magn. Mater. 248 

(2002) 441–456 

[2] C.K. Chandrana et al., J. Magn. Magn. Mater. 



381 (2015) 396–400 

Figure 1: Magnetic flux simulation of exper-

imental Halbach array. 

 

 



8 Poster 



245

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

 

 



Measurement of reactive species in Plasma Babbled-up Water  

affecting human cultured cells  

 

J. Hosoda

P

1

P



U

T. Miyake



P

1

P



, H. Kawano

UP

1



P

, M. Shimada

P

2

P



, Y. Matsumura

3

3



P

,  


H. Miyahara

P

1



, A. Iwasawa

P

3



, Y. Matsumoto

P

2



, A. Okino

P

1



 

 

1



FIRST, Tokyo Institute of Technology, Yokohama, 226-8502, Japan 

2

 Advanced Nuclear Research, Tokyo Institute of Technology, Tokyo, 152-8550, Japan 

3

Division of Infection Prevention and Control, Tokyo Healthcare University, Tokyo, 141-8648, Japan 

 

As  a  method  to  introduce  reactive  species  generated  by  plasma  into  water,  plasma  babbling 



method  was  proposed.  In  this  method,  it  is  possible  to  introduce  reactive  species  into  water 

effectively, compared with

 conventional method in which plasma is irradiated from above 

the  liquid  surface.

  By  plasma  babbling  method,  we  measured  ozone  and  hydrogen  peroxide 

concentration in water with various plasma. Ozone was generated in oxygen and air plasma, and 

was  8.6  µM  and  0.5  µM  respectively.  Also,  hydrogen  peroxide  was  generated  at  all  kinds  of 

plasma.  Both  ozone  and  hydrogen  peroxide  were  measured  the  most  at  oxygen  plasma.  As 

measurement result, it was revealed that the amount and type of reactive species depend on kinds 

of plasma gas.   



 

    In  recent  years,  atmospheric  low-temperature 

plasma  is  being  applied  for  medical  fields.  In 

addition, for the purpose of large capacity treatment, 

research about plasma-treated water in which plasma 

is introduced attracts a lot of attention[1]. However, 

to  apply  plasma  for  medical  application,  it  is 

necessary  to  investigate  the  influence  of  plasma  on 

living  bodies.  This  main  factor  is  considered  to  be 

reactive  species  such  as  ozone  (O

3

)  and  hydrogen 



peroxide  (H

2

O



2

)  generated  by  plasma.  The  amount 

and  type  of  reactive  species  depend  on  kinds  of 

plasma gas[2]. In this study, we investigated reactive 

species introduced in water by various kinds of gas 

plasma and the influence of them on human cultured 

cells. 

    As a method to introduce reactive species into the 



solution, we proposed a plasma bubbling method. In 

this method, the multi-gas plasma jet (PCT-DMFJ02, 

Plasma  Concept  Tokyo)  is  placed  at  the  bottom  of 

the  container  containing  liquid.  Then  plasma  is 

introduced  as  bubbles  into  the  liquid  directly. 

Therefore,  the  contact  area  between  water  and 

plasma is much larger than a conventional method in 

which  plasma  is  irradiated  from  above  the  liquid 

surface. Thus, reactive species generated by plasma 

can  be  introduced  into  the  liquid  efficiently.  In 

addition, since plasma is not influenced by ambient 

air, it is possible to specify reactive species derived 

from  its  own  plasma  gas.  In  this  study,  the  water 

introduced  reactive  species  by  plasma  bubbling 

method  is  called  as  Plasma  Babbled-up  Water 

(PBW).  


    After 200 mL pure water was babbled with argon, 

nitrogen,  carbon  dioxide,  air  and  oxygen  plasma  at 

the  plasma  gas  flow  rate  of  3  L/min  for  5  minutes, 

ozone and hydrogen peroxide concentration in liquid 

were  measured  by  absorption  spectrophotometry. 

The results are shown in Fig.1. Ozone was measured 

in oxygen and air plasma, and the concentration was 

8.6  µM,  and  0.5  µM  respectively.  Also  hydrogen 

peroxide was measured at all kinds of plasma. Both 

ozone  and  hydrogen  peroxide  were  generated  the 

most at oxygen plasma. 

    In  the  presentation,  we  will  report  the 

measurement  results  of  reactive  species  other  than 

ozone  and  hydrogen  peroxide,  and  of  reactive 

species in solvent other than pure water. In addition, 

influence  of  reactive  species  in  PBW  on  human 

cultured cells will be reported also.  

 

 



 

Fig.1: O


3

 and H


2

O

2



 concentration  

at each Plasma Babbled-up Water 



 

3. References 

[1]


 K. Sato, K. Yasuoka, IEEE Trans. Plasma Sci., 

Vol.36, No. 4, pp. 1144-1145, Aug. 2008                             

[2]

 T. Takamatsu, K. Uehara, Y. Sasaki, H. 



Miyahara, Y. Matsumura, A. Iwasawa, N. Ito, T. 

Azuma, M. Kohno and A. Okino, RSC Adv., Vol. 4, 

No. 75, pp. 39901-39905, Apr. 2014 

17 


246

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

 

 



Removal of supersonic ion singularity 

in radial Langmuir probe models 

 

G.F. Regodón



P

1

P



U

J.I. Fernandez Palop



UP

1

P



, A. Tejero-del-Caz

P

2



P

, J.M. Diaz-Cabrera

P

3

P



R. Carmona-Cabezas

1

, J. Ballesteros



 P

1

 



 

P

1

P

 Departamento de Física, Universidad de Córdoba, E-14071 Córdoba, Spain  

P

2

P

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

P

3

P

 Departamento de Ingeniería Eléctrica, Universidad de Córdoba, E-14071 Córdoba, Spain 

 

It  is  well  known  that  a  singularity  appears  when  the  ions  reach  the  speed  of  sound  in  an 



electropositive plasma. For cold ions, the singularity is at infinity, and so it poses no problem the 

numerical  integration  of  radial  Langmuir  probe  models.  However,  for  warm  ions  the  singularity 

typically  occurs  between  the  quasi-neutral  plasma  and  the  sheath.  We  have  found  that  we  can 

continuously  join  the  solution  at  the  plasma  with  the  probe  thanks  to  a  careful  analysis  of  the 

mathematical structure of the problem. The technique can be applied to different geometries and to 

electronegative  plasmas  as  well.  For  the  case  of  cylindrical  Langmuir  probes,  we  have  derived 

potential  profiles,  ion  population  profiles  and  ion  current  to  probe  voltage  characteristics.  These 

results are used to refine diagnosis techniques by means of Langmuir probes in laboratory plasmas. 

 

In  the  interest  of  obtaining  the  potential  profile 



φ(r)  around  a  Langmuir  probe  in  electropositive 

plasmas one should solve Poisson’s equation. In the 

case of cylindrical geometry, we have 

!

"



d

d"

??????



d%

d"

=    −



)

*

+



??????

-

?????? −    ??????



)

?????? . 

(1) 

The electron density n



e

(r) will be described by the 

Maxwellian  distribution  function,  whereas  the  ion 

density n



+

(r) depends on the ion motion theory used. 

When  using  a  radial  motion  theory,  the  thermal 

motion of the ions introduces an additional term 

in the energy balance equation [1], giving 

1

2



??????

-

??????



-

3

?????? + ???????????? ?????? +



??????

?????? − 1

??????

9

??????



-

??????


- "

??????


);

<=!

=   


??????

?????? − 1

??????

9

??????



-

 



(2) 

where  κ  is  the  adiabatic  coefficient  of  the  thermal 

flow. As v

+

(r) is inversely related to the ion density 

through  continuity  equation,  i  being  the  ion  current 

per unit length collected by the probe, 

?????? = ??????2????????????

-

?????? ??????



-

?????? , 

(3) 

we get a polynomic equation in n



+

(r), with defining 

parameters  r  and  φ(r),  which  should  be  solved  in 

order to introduce its value into Poisson’s equation. 

We have found that this polynomial has two positive 

roots that coalesce into one for certain values of the 

problem variables r and φ. We further found that one 

of the roots is valid in the plasma in the limit 

?????? → ∞, 

where the ions are at rest, while the other root is valid 

in the sheath in the cold ions limit 

??????

-

→ 0. 



We have proved that the transition between these 

roots must occur, in the variable space (r, φ), in the 

curve  where  the  two  positive  roots  of  the  energy 

balance polynomial coalesce in a sort of bifurcation 

line, and that the only possible smooth and continuous 

crossing through the regular singularity [2] where 



the ions reach the speed of sound is tangent to that 

bifurcation curve. In figure 1 we show an example of 

solution of the potential profile. 

 

Figure 1: Potential profile and bifurcation curve solution. 



The  small  inserts  are  qualitative  plots  of  the  polynomic 

equation for n



+

(r).

 

This  method  is  valid  for  any  ion  temperature



We indicate with a triangle the point where the speed 

of sound is reached. To the plasma or to the sheath we 

use the right energy balance polynomial root, as we 

mark with a dot in the inserts in the figure. 

 

2. References 

[1]  J.I.  Fernández  Palop  et  al  1996  J.  Phys.  D: 



Appl. Phys 29 2831. 

[2] H.B. Valentini 1988 J. Phys. D: Appl. Phys 21 

311-321  

0



10

20

30



40

0.0


0.2

0.4


0.6

0.8


1.0

1.2


1.4

r/λ


D

-e

ϕ



(r)

/

k



B

T

e



i = 10·2πen

e0

λ



D

T



+

= 0.5T


e

κ = 2


r

c

=19.25λ



D

2k

B



T

e

m+



.

.

.



Topic 6 

247


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

 

 



Study of variation of hysteresis effects in self–excited amplitudes of a 

coaxial DC electrode system 

 

R. Kumar



P

1

P



, R. Narayanan

P

2



P

, R. D. Tarey

P

2

P



, A. Ganguli

2

P



  

 

P P



1

School of Basic and Applied Sciences, Shobhit University, Meerut–250110, U.P., India 

2

C

C

entre for Energy Studies, Indian Institute of Technology Delhi, New Delhi - 110016, Delhi, India  

 

The paper analyzes changes in behaviour of self-excited oscillations resulting from extended 



plasma exposure in coaxial DC discharge plasma having a central powered anode. The role of the 

system asymmetry seems to play a role in triggering the oscillations. These oscillations are seen to 

undergo hysteresis effects with discharge current (I

d

), showing a characteristic difference in the 

hysteresis shape as the system ages with plasma exposure. The shape change is from a hysteresis, 

with negligible amplitude shift post hysteresis (Type H4: bump-shaped), to a more generally 

observed one having a noticeable amplitude shift (Type H1: S shaped). Analysis tools such as 

phase maps, return maps, recurrence plots are used to characterize the variation of the observed 

changes in the oscillations and attempt to unravel the underlying physical mechanism to explain it.  

 

1. Introduction 

Observations of order-to-chaos-to-order 

transitions in the self-excited oscillations of plasma 

experiments have been reported [1, 2] earlier. In a 

study by Kumar et. al. [1], the associated order-to-

chaos-to-order transitions have been correlated to a 

hysteresis in the amplitude of the floating potential 

fluctuations (V

f

).  


 

2. Experimental Setup 

 

 



  

 

 



 

 

 



 

 

 



 

 

Fig 1: Schematic setup of coaxial DC plasma system 



 

Experiments were carried out in a coaxial DC 

electrode (central anode diameter = 1.5 mm; outer 

cathode inner diameter = 48 mm) discharge system 

(Fig 1). A Langmuir probe, as seen in Fig 1, is used 

to measure the self-excited V



f

 oscillations. 

 

3. Results and Discussions 

Under certain operating conditions, hysteresis is 

observed in V

f

 amplitudes as a function of the 

discharge current (I

d

) [1]. This amplitude hysteresis 

effect is observed between two Negative Differential 

Resistance (NDR) regions of the discharge 

characteristics (discharge current, I

vs discharge 

voltage,  V

d

), which is also seen to undergo a 

hysteresis effect. 

With plasma conditioning of several days one 

observes a flip in the forward-reversal paths of the 

I

d

-V



d

 hysteresis. The plasma potential (V



p

) is seen to 

be lower in the conditioned electrode discharges by 

about 30 V - 40 V. However, the more significant 

effect observed is modification of the behaviour of 

the self-excited oscillations also with the hysteresis 

flip in the I

d

-V



d

 characteristics. For convenience, the 

unconditioned electrode is termed UE and the 

conditioned one is termed CE. 

In the UE case, the hysteresis in the self-excited 

oscillations is to trigger higher amplitude 

oscillations in the forward path over a small range of 

I

d

, reverting back to lower amplitudes at higher I



d

 

(H1-type [3] or bump-shaped). However, in the CE 



case, the fluctuations show a characteristic change of 

state at higher I



d

,  viz., a transition from low 

amplitude, high frequency oscillations to large 

amplitude, low frequency oscillations (H4-type [3] 

or S-shaped). 

This abstract will present characteristic features 

of the variations in the two discharge cases using 

nonlinear dynamical analysis tools. 

 


Download 9.74 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   48   49   50   51   52   53   54   55   ...   85




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