On phenomena in ionized gases


Download 9.74 Mb.
Pdf ko'rish
bet65/85
Sana24.01.2018
Hajmi9.74 Mb.
#25134
1   ...   61   62   63   64   65   66   67   68   ...   85

1. Introduction 

 

Electrical discharges and electric arcs have been 



extensively investigated. , However, few studies 

have investigated the transitions between discharge 

and arc [1-3]. In many electrical power systems, 

electrical discharges can occur. These electrical 

discharges may lead to electric arcs, resulting in 

failure and/or destruction of the system. The aim of 

this work was to study the role of pressure on 

transition mechanism. In this objective, a specific 

power supply, which allows generating both 

electrical discharges and electric arcs with controlled 

current intensity, was designed and implemented [4]. 

 

2. Influence of pressure on the transition 

 

     Cylindrical  copper  or  tungsten  electrodes  were 



placed in a sealed chamber containing argon gas 

with pressure ranging from 10

3

 to 10


5

 Pa. . The 

electrode gap (denoted d) was in the range 3 – 50 

mm. For all experiments, electric discharges were 

first generated by applying high voltage to the argon 

gas gap. 



 

2.1. Spontaneous transitions 

 

In figure 1 the evolution of the current intensity 



(in grey) and of the electrode voltage (in black) are 

plotted.  

 

Fig. 1: U(t) and I(t) for P = 10

4

 and d = 25mm. 



In this example where P = 10

4

 Pa and d = 25 mm, 



successive spontaneous discharge-to-arc and arc-to-

discharge transitions were observed for 

approximately constant value of current intensity. 

These transitions occur in some 100 ns.  

 

2.2. U(I) characteristics  

 

In figure 2, U(I) characteristics are plotted for 



two different pressure values: 

10

4



 and 9×10

4

 Pa.



 

 

Fig. 2: U(I) characteristics for P = 10

4

 and 9×10



4

 Pa 


 

According to the pressure value, transitions could 

occur for a precise value of the current intensity or 

for larger range of current intensity. In this range

discharge and arc may successively exist.  

 

3. References 

[1] M. Saiepour, J.E. Harry, Int. J. Electronics, 

1991, vol.70, n°2, pp. 459-465. 

[2] W.A. Gambling, H. Edels, British Journal of 

Applied Physics, vol. 5, 1954, pp. 36-39 

[3] S.Watanabe, S.Saito, K.Takahashi, T.Onzawa, 

J. Phys. D: Appl. Phys. 36, 2003, pp. 2521–2525 

[4] R. Landfried, PhD thesis, University Paris-

Sud 2010 



Discharge

regime

Arc

regime

0

200



400

600


800

1000


0

20

40



60

80

100



120

140


160

180


200

220


240

260


280

300


Zone where reversible transitions 

may exist

Arc

 or dis


c

harge v


o

lt

age (V)



Arc or discharge current intensity (mA)

 P = 10

4

 Pa - d = 5 mm - Argon



 P = 9.10

4

 Pa - d = 5 mm - Argon



Topic number 

305


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

 

 



Comparison study of different simulation codes  

for positive streamers propagating into a region below breakdown 

 

B. Bagheri



P

1

, J. Teunissen



P

2

, U. Ebert



P

1,3


, and more participants of the study 

 

P



1

Centrum Wiskunde & Informatica, PO Box 94079, 1090 GB Amsterdam, The Netherlands 

P

2



Centre for Mathematical Plasma-Astrophysics, KU Leuven, Celestijnenlaan 200B, 3001, Leuven, Belgium  

P

3



Department of Applied Physics, Eindhoven University of Technology, The Netherlands 

 

For streamer simulations a range of computational models have been developed by various groups 



for various purposes. These models differ in dimensionality (2D, 3D), model type (particle, fluid 

or  hybrid  approach  and  further  differentiation),  possible  inclusion  of  electrodes  or  dielectrics, 

transport  and  reaction  coefficients,  initial  conditions  and  numerical  implementation.  The  aim  of 

the present study is to benchmark the results of different computational models for axisymmetric 

single positive streamers in air at 1 bar and 300 K. We have invited potential participants to join on 

March 1, and we will present the current state of the study in July in a poster. 

 

 

1. Introduction 



Streamers are ionized channels with electric field 

enhancement  at  their  tips  that  grow  rapidly  in 

different gases and liquids. Study of emergence and 

propagation of streamer discharges have gained a lot 

of  interest  from  different  research  groups  due  to 

their  vast  industrial  and  medical  applications. 

Furthermore,  study  of  streamer  discharges  is 

essential  since  they  are  responsible  for  the  initial 

stages of sparks, lightning, and they appear directly 

as sprite discharges. 

 Computational  models  of  streamers  depend  on 

different factors and parameters, such as: 

•  the  type  of  the  model,  e.g.  fluid,  particle  or 

hybrid  models,  and  the  further  approximations 

taken like local field approximation etc., 

•  dimensionality (2D, axisymmetric or full 3D), 

•  mobility and reaction coefficients, 

•  initial conditions, 

•  the implementation of photo-ionization, 

•  electrode shapes and boundary conditions, and 

•  numerical resolution and accuracy. 

We  aim  to  study  how  simulation  results  depend 

on these choices and parameters and approximations 

involved,  and  on  March  1  (2  days  before  the 

deadline  of  this  abstract),  we  have  invited  other 

groups  internationally  to  join  the  study,  after  an 

earlier  initiative  of  Sergey  Pancheshnyi  in  October 

2016.  We  now  suggest  to  compare  results  for  a 

single  axisymmetric  positive  streamer  in  air.  The 

results of the comparison study will be presented in 

a poster. 

 

 



 

 

 



2. Methodology and Results 

Single  positive  streamer  with  cylindrical 

symmetry  with  size  R=1.25  cm,  and  L=1.25  cm  in 

air  at  300K  temperature  and  1  bar  pressure  is 

studied. A homogenous electric field of -1.5 MV/m 

is  imposed  by  applying  a  potential  difference  of 

18.75  kV  between  the  two  planar  electrodes.  A 

needle electrode protruding from the planar anode is 

mimicked by inserting a package of positive ions on 

the axis at z=1 cm.  

We hope that a number of groups internationally 

will  participate.  In  Amsterdam,  we  will  use  afivo-

streamer [1,2] based on the afivo framework [3]. 

We present the results of the comparison study in 

a poster.  

 

3.  Acknowledgment:  B.B.  acknowledges  funding 

through  the  Dutch  STW-project  15052,  and  J.T. 

through  postdoctoral  fellowship  12Q6117N  of  the 

Belgian-Flemish FWO. 

 

4. References 

 [1]  S.  Nijdam,  J.  Teunissen,  E.  Takahashi,  and 

U.  Ebert,  Plasma  Sources  Sci.  Technol.  25  (2016) 

044001.  

[2]  J.  Teunissen,  https://gitlab.com/MD-CWI-

NL/afivo-streamer 

[3] J. Teunissen, U. Ebert, Afivo: a framework for 

quadtree/octree  AMR  with  shared  memory 

parallelization  and  geometric  multigrid  methods, 

preprint  arxiv.org/abs/1701.04329  submitted  to 

Comp.  Phys.  Comm.,  https://gitlab.com/MD-CWI-

NL/afivo.

 

Topic 5 


306

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

 

 



Direct Synthesis of Nanodiamonds by Ar-H

2

-CH

4

 Microwave Discharges  

 

A. Dias



P

1

P



, E. Felizardo

1

, M. V. Abrashev



2

, A. Almeida

3



J



J. Henriques

UP

1



P

, E. Tatarova

1

P

 



 

P

1

P

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

2

Faculty of Physics, University of Sofia, 1164 Sofia, Bulgaria 

3

Departamento de Engenharia Química, Instituto Superior Técnico, Universidade de Lisboa, Lisboa, Portugal 

 

A  experimental  study  on  microwave  plasma  based  assembly  of  nanodiamonds  at  atmospheric 



pressure conditions is presented. The synthesis method is based on introducing a carbon containing 

precursor  (methane),  through  a  microwave  (2.45  GHz)  argon  plasma  environment,  where 

decomposition of methane molecules takes place and carbon atoms and molecules are created and 

then  converted  into  solid  carbon  nuclei  in  the  post-discharge  zone.  The  influence  of  additional 

hydrogen gas injected into the background gas mixture on the carbon species production and on the 

structural  qualities  of  fabricated  nanodiamonds  has  been  investigated.  Optical  emission,    Fourier 

transform  infrared  spectroscopy,  Raman  spectroscopy,  scanning  electron  microscopy  (SEM),  and 

X-ray  diffraction  techniques  (XRD)  have  been  applied  to  study  plasma  emissions,  the  output gas 

stream composition, and the material and chemical analyses of synthesized nanostructures. 

 

1. Introduction 

 

Nanodiamonds  have  a  3D  structure  formed  by 



sp

3

  bounded  carbon  atoms arranged in a tetrahedral 



symmetry and their dimensions are in the range 2-5 

nm.  Nanodiamonds  have  a  distinct  combination  of 

outstanding 

unique 


mechanical, 

chemical, 

biological, 

magneto-optical 

and 

electronic 



properties,  which  can  be  improved  by  adding 

functional  groups.  Moreover, they are nontoxic and 

can  be  used  in  biomedical  applications,  as  drug 

carriers  and  delivery  vehicles.  Nanodiamonds  are 

not  destroyed  by  the  human  immune  systems,  and 

can be associated with a multitude of molecules and 

give  targeted  drug  release.  Usually  extreme 

environment 

are 

necessary 



to 

synthesize 

nanodiamonds.  Nanodiamonds  can  be  found  with 

extremely  low  concentrations  on  Earth  in  crude  oil  

and  in  certain  sediment  layers,  or  in  space,  in 

meteorites,  interstellar  dust  or  in  protoplanetary 

nebulae.  The  frequently  used  method  is  detonation 

of  high explosive materials. 



 

2. Experimental Setup 

 

Nanodiamonds have been produced by a surface 



wave 

induced 


microwave 

plasma, 


using 

waveguide  surfatron-based  setup.  The  microwave 



power  is  provided  by  a  2.45  GHz  generator 

(Sairem),  with  maximum  power  of  2  kW.  The 

generator  is  connected  to  a  waveguide  (WR-340)  

system,  which  includes  an  isolator,  directional 

couplers, a three-stub tuner, a moveable short-circuit 

and  a  waveguide  surfatron  as  the  field  applicator. 

The  discharge  ignites  in  a  quartz  tube,  placed 

vertically  and  perpendicularly  to  the  waveguide 

wider wall. A methane (CH

4

) and hydrogen (H



2

) gas 


mixture  is  introduced  into  the  "hot"  microwave 

argon plasma environment, where decomposition of 

methane  molecules  takes  place  and  carbon  atoms 

and  molecules  are  created.  Afterwards,  carbon 

atoms and molecules are converted into solid carbon 

nuclei  in  the  "colder"  nucleation  zones  where 

nanometer-size particles are generated. The addition 

of  H


2

  is  important  since  the  surface  of  sp

3

  clusters 



must  be  either  stabilized  through  termination  with 

functional groups or reconstructed into sp

2

 carbon. 



 

3. Results and Conclusions 

 

XRD,  Raman  and  SEM  results  showed  that 



atomic  hydrogen  can  kinetically  etch  the  non-

diamond  sp

2

-C  and  allow  diamond-phase  sp



3

-C  to 


grow.  The  stability  of  the  nanodiamonds  may  also 

depend  on  the  surface  terminations,  i.e.  hydrogen 

bonds  on  the  nanodiamonds  boundaries,  therefore, 

this  method  can  be  tuned  from  non-diamond  to 

diamond phase growth, by controlling the C:H ratio 

in the gas mixture.  

 

Acknowledgements 

 

This  work  was  funded  by  Portuguese  FCT—

Fundação  para  a  Ciência  e  a  Tecnologia,  under 

Project 


UID/FIS/50010/2013, 

Project 


INCENTIVO/FIS/LA0010/2014, 

and 


grant 

SFRH/BD/52413/2013 (PD-F APPLAuSE)  

 

307


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

 

 



 The influence of air impurities on the evolution of plasma species in a 

capillary helium plasma jet 

 

C. Lazarou



1

, C. Anastassiou

1

, F. D. Klute



2

, J. Franzke

2

, G. E. Georghiou



1

 

 



1

 FOSS Research Centre for Sustainable Energy, Department of Electrical and Computer Engineering

University of Cyprus, Nicosia, 1678, Cyprus  

2

 ISAS—Leibniz Institut für Analytische Wissenschaften, Bunsen-Kirchhoff-Str. 11, 44139 Dortmund, Germany 

 

The main aim of this paper is to numerically investigate the evolution of the different species in a 



capillary  helium  plasma  jet,  during  the  plasma  bullet  propagation.  This  study  is  performed  for  a 

wide range of air concentrations in the helium jet core (up to 16000 ppm). The simulation results 

showed that the helium species are only produced and propagated in the helium jet core (along the 

axis of symmetry of the tube). On the other hand, the nitrogen and oxygen species (for up to 7000 

ppm  air  in  the  jet  core)  were  produced  and  propagated  at  the  side  of  the  jet  core.  For  air 

concentration levels (in the jet core) higher than 7000 ppm, the production and propagation of the 

nitrogen and oxygen species converges towards the helium jet core. In order to interpret the results, 

the  mean  reaction  pathways  behind  the  production  of  each  species  are  examined.  This  analysis 

provides useful insight into the physics behind the evolution and characteristics of the plasma jet. 

 

In recent years, the atmospheric pressure plasma 



jet (APPJ) has gained much attention due to its low 

production costs and the wide range of applications. 

Although  significant  progress  in  the  understanding 

of  the  basic  principles  of  the  APPJ  has  been  made, 

certain  areas,  such  as  the  evolution  and  creation  of 

the plasma species, need further research. 

With  this  in  mind,  a  two  dimensional 

axisymmetric  model  was  developed  [1],  for  the 

study  of  the  helium  plasma  jet.  The  configuration 

and the operational parameters of the helium plasma 

jet used in the simulation model are the same as for 

the  experimental  setup  [2].  In  Figure  1,  the  spatial 

profile of the level of air concentration used as input 

in the plasma fluid model is shown.

 

The  simulation  results  showed  that  the  plasma 



bullet propagated along the axis of symmetry of the 

tube.  The  high  energetic  electrons  that  promote  the 

reactions 

pathways 

for 

the 


plasma 

bullet 


propagation,  has  its  peak  on the plasma bullet head 

and  a  crescent  like  shape  centred  on  the  axis  of 

symmetry  of  the  tube.  The  helium  species 

concentration  peaks  along  the  axis  of  symmetry 

where  the  helium  ground  state  atoms  are  at  their 

maximum.  

For levels of air below 7000 ppm in the jet core 

(~  0.22  cm  from  the  tube  exit)  the  nitrogen  and 

oxygen  ground  state  molecule

 

concentrations  are 



higher  towards  the  edges  of  the  helium  jet  whilst 

their species are generated towards the centre due to 

the  higher  electron  energy  there.  As  the  distance 

from  the  tube  exit  increases,  so  does  the  air 

concentration  in  the  jet  core.  Once  it  increases 

beyond 7000 ppm, the reaction pathways for the  

 

production of the nitrogen and oxygen species move 



towards the axis of symmetry. These results provide 

good  insight  into  the  physics  behind  the  plasma  jet 

evolution  and  the  experimentally  observed  emitted 

light. 


 

 

 



 

 

 



 

 

 



 

 

 



 

 

 



 

 

Figure  1:  Plasma  jet  and  the  distribution  of  air 



concentration (ppm) in the domain

. 



 

References 

[1] C. Lazarou, T. Belmonte, A. S. Chiper and G. E. 

Georghiou  2016  Plasma  Sources  Sci.  Technol.  25 

055023 


[2] V. Horvatic, A. Michels, N. Ahlmann, G. Jestel, 

C.  Vadla  and  J.  Franzke  2015  Spectrochim.  Acta 

Part B At. Spectrosc. 113 152–7 

Topic number: 10 



Tube 

Exit

 

Tube

 

7000 ppm

 

16000 ppm

 

308


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

 

 



Effect of humidity on Partial Discharge Inception Voltage 

 

L. Benmamas, R. Boukadoum, R. Landfried, T. Leblanc,



 

E. Odic, P. Teste  

 

GeePs | Group of electrical engineering - Paris, 

UMR CNRS 8507 CentraleSupélec, Univ. Paris-Sud, 

Université Paris-Saclay, 

Sorbonne Universités, UPMC Univ Paris 06 

3 & 11 rue Joliot-Curie, Plateau de Moulon 91192 Gif-sur-Yvette CEDEX, France

 

The aim of this paper was to investigate the impact of humidity on the Partial Discharge Inception 



Voltage  (PDIV).  The  effect  of  humidity  was  quantified  by  measuring  the  PDIV  for  metallic 

parallel  electrodes  under  DC  voltage  and  atmospheric  pressure.  The  study  was  made  in  absolute 

humidity  in  the  range  [2-80g/m

3

],  for  two  temperatures  T=25°C  and  T=50°C.  To  control 



environmental conditions a climatic chamber allowing Pressure, Temperature and humidity  (P, T, 

H) variations is used. Considering that the humidity is slightly depending on temperature, the main 

result  of  this  study  shows  different  PDIV  behaviours  as  a  function  of  humidity  for  the  two 

considered temperatures.  

 

1. Introduction  

The  work  presented  in  here  is  part  of  a  larger 

study concerning the analysis of breakdown voltage 

under  aeronautical  environmental  conditions.  Many 

works  were  interested  by  the  influence  of  the 

humidity  on  PDIV  values  on  enamelled  wires  [1], 

[2]. Here we propose to investigate the case of non-

insulated electrodes.  

 

1. Experimental set-up  

Figure  1  shows  the  experimental  set-up  used  to 

perform  PDIV  measurements.  The  studied  device 

was  two  metallic  spherical  electrodes  without  any 

solid insulation. The environmental parameters were 

controlled using a climatic chamber.  

 

Figure 1: experimental set-up  



3. Results and discussion  

Figure 2 shows that at T=25°C, the PDIV decreases 

as the absolute humidity increase until HA=10g/m3, 

and slightly increases above HA=10g/m3. At higher 

temperature  T=50°C,  the  behaviour  is  slightly 

different: first, PDIV increases with humidity before 

slightly decreasing above HA=45g/m

3

 



In the interval [10g/m

- 45g/m



3

] the PDIV increases 

because of water evaporation acting like an electro-

negative  gas,  attaching  the  electrons  responsible  of 

discharges  so  increasing  PDIV.  Above  this  range, 

the  electric  field  is  enhanced  locally  around  water 

particles created by condensation, so decreasing the 

PDIV.  These  observations  are  in  accordance  with 

[1],  [2].  These  results  highlight  the  importance  of 

correlation between temperature and humidity. 

 

Figure 2: PDIV as a function of absolute humidity for 



different distances at T=25°C and T=50°C

 

References  

[1]  Y.  Kikuchi,  T.  Murata,  Y.  Uozumi,  N. 

Fukumoto,  M.  Nagata,  Y.  Wakimoto,  and  T. 

Yoshimitsu,  “Effects  of  ambient  humidity  and 

temperature  on  partial  discharge  characteristics  of 

conventional  and  nanocomposite  enameled  magnet 

wires,” IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., vol. 15, 

no. 6, pp. 1617–1625, 2008. 

[2]    M.  Fenger  and  +G.  C.  Stone,  “Investigations 

into  the  Effect  of  Humiditv  on  Stator  Winding 

Partial Discharges,” vol. 12, no. April, pp. 341–346, 

2005. 


 

309



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

 

 



Download 9.74 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   61   62   63   64   65   66   67   68   ...   85




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