On phenomena in ionized gases


 Conclusions and perspectives


Download 9.74 Mb.
Pdf ko'rish
bet26/85
Sana24.01.2018
Hajmi9.74 Mb.
#25134
1   ...   22   23   24   25   26   27   28   29   ...   85

4. Conclusions and perspectives  

New high resolution VUV absorption spectra for 

1



and  b 


1



molecules  and  atomic  oxygen  are 

reported.  In  the  future  we  will  perform  kinetic 

measurements using modulated current. 

 

5. Acknowledgments 

This  research  was  conducted  within  the  LABEX 

Plas@par  project,  and  received  financial  state  aid 

managed by the Agence Nationale de la Recherche, 

as part of the programme "Investissements d'avenir" 

under the reference ANR-11-IDEX-0004-02. 

 

6. References 

[1] N de Oliveira, 

M  Roudjane,  D  Joyeux,  D 

Phalippou,  J-C  Rodier  &  L    Nahon,  Nature 

Photonics 5, 149–153 (2011) 

[2] 


S. Ogawa and M. Ogawa, Canadian Journal of 

Physics, 53, (1975) 1845 

[3]D.H.  Katayama,  S.  Ogawa,  M.  Ogawa,  and 

Y. Tanaka, Journal of Chemical Physics, 67, (1977) 

2132


 

                  6 

124


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

 

 



Current Bearing Anti-Force Waves (Lightning Return Stroke) 

 

M. Hemmati



P

1

P



, J. Griffiths

P

1



P

, M. Bowman

P

1

P



  

 

P



1

P

 Department of Physical Science, Arkansas Tech University, Russellville, Arkansas 72801, USA  

 

In  our  investigation  of  breakdown  waves,  we  apply  a  one-dimensional,  steady-state,  three- 



component  fluid  model.  The  electrons  are  assumed  to  be  the  main  element  in  propagation  of  the 

wave and the wave is considered to be shock fronted. Our set of electron fluid dynamical equations 

is  composed  of  the  equation  of  mass  flux,  equation  of  conservation  of  momentum,  equation  of 

conservation  of  energy,  plus  Poison’s equation.  For  lightning return strokes,  experimentally,  few 

much  larger  than  usual  currents  have  been  reported  [1];  we  intend  to  examine  existence  of  such 

large currents; also, for  return strokes, some researchers have suggested existence of a relationship 

between the peak current and wave speed values [2], we intend to find out its validity as well.    

 

1. Model, Solution and Results  

Anti-force  waves  are  breakdown  waves  for 

which  the  electric  field  force  on  electrons  is  in  the 

opposite  direction  of  the  wave  propagation; 

however, the electron gas temperature is assumed to 

be  large  enough  to  sustain  the  wave  motion. 

Following the shock front, there is a thin dynamical 

transition  region  referred  to  as  the  sheath  region  of 

the  wave;  where,  the  electric  field  starting  with  its 

maximum value at the shock front reduces to zero at 

the  end  of  the  sheath  region,  and  the  electrons, 

starting with an initial speed at the wave front, slow 

down  to  speeds  comparable  to  those  of  heavy 

particles.  For  theoretical  investigation  of  anti-force 

waves  with  a  large  current  behind  the  shock  front, 

we  will  use  Hemmati  et  al.’s  [3]  modified  set  of 

electron fluid dynamical equations and the boundary 

condition on electron temperature at the shock front. 

In dimensionless variables, the equations are 

,

]

[



v

v

d

d





  



           

            (1) 

),

1

(



]

)

1



(

[











v

v

v

v

d

d

           (2) 













d

d

v

v

v

v

d

d

2

2



5

)

2



5

(

)



1

(

[





  



],

)

1



(

3

[



2

]

2



2















v

            (3) 

)

1



(











d

d

   


 

 

(4) 



.

)

1



(

1

1



1

1









   



 

 

(5) 



Where 



,

,



 

represent 

non-dimensional 

electron  number  density,  velocity  and  temperature; 





,

,



,

,  represent  net  electric  field,  ionization 

rate, position within the sheath region and current at 

the shock front

and 


are wave parameters.   

For lightning return strokes, experimental current 

values measured are generally in the 5-30 kA range; 

however, some, for example Rakov [1], has reported 

the  highest  recorded  peak  currents  in  Japan  to  be 

280,  320  and  340  kA.  Our  dimensionless  current, 

1



,  represents  an  actual  current  value  of  10  kA. 

We  use  a  trial-and-error  method  to  integrate 

equations 1-4 through the sheath region of the wave. 

Our  solutions  for  a  range  of  wave  speeds,  and  also 

maximum  current  values  possible  for  those  wave 

speeds,  meet  the  expected  conditions  at  the  trailing 

edge  of  the  wave

)

0

;



1

(

2



2



.  The  following 



is  a  graph  of  the  net  electric  field  as  a  function  of 

wave speed within the sheath region of the wave.  

 

 

 



 

 

 



 

 

 



 

 

For  return  strokes,  in  addition  to  existence  of 



large  currents,  we  also  confirm  existence  of  a 

relationship  between  the  wave  speed  and  peak 

current values.  

 

2. References 

[1]  V.A.  Rakov.  25

th

  Int.  Conference  on 



Lightning Protection. (2000). 103-108.  

[2]  C.F.  Wagner.  AIEE  Trans.  Power  Appar. 

Syst. 1968. 82:609-17. 

[3]  M.  Hemmati,  W.P.  Childs,  H.  Shojaei  and 

D.C.  Waters.  28

th

  International  Symposium  on 



Shock Waves, 2011, England. 

125



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

Radiation study for DC and microware (mw) HID lamps

A. Sahab


P

1

P



, M. Hamady

2

, G. Zissis



P

3

P



1

P

Solid Worx S.A.R.L, Sakr Building, Industrial Area , Roumieh Main Road, Lebanon



2

P

Physics Department, Faculty of sciences, Beirut Arab University, Debbieh, Lebanon

P

3

P

Université de Toulouse, UPS, INPT, LAPLACE (Laboratoire Plasma et Conversion d’Energie) 118 route de



Narbonne, F-31062 Toulouse cedex9, France

Advances in microwave and light source technology in the last decade have led to the most recent generation

of  highly  efficient  electrodeless  discharge  lamps.  Such  lamps  are  generally  classified  in  the  scientific

literature as electrodeless HID (EHID) lamps, but currently they are often referred to as plasma lamps. The

radiations  of  discharges  sustained  by  a  microwave  (mw)  electromagnetic  field  as  well  as  discharges

containing  electrodes  are  discussed.  The visible radiations are mainly important in light sources application

while  UV radiations  are  used  extensively  in  water  sterilisation.A  1D  power  balance model  and  ray-tracing

method are both employed to calculated the radiations in these discharges.



1. General

In  recent  years,  the  use  of  an  electrodeless  light

source excited by microwave electric fields has been

widely  used  in  our  daily  life  and  has  attracted  a

great  interest. The  absence  of  electrodes  provides

greater  flexibility  in  lamp  design  and  the  discharge

is  no  longer  limited by the narrow gap between the

electrodes.  In  addition,  the  lack  of  inexpensive  and

efficient  microwave  power  supplies  has hampered

the  development  of  these  lamps  for  many  years.

Pure  Hg  discharges  are  an  ideal  vehicle  for  a

fundamental  study,  since  the  physical  properties  of

mercury atoms have been well understood for many

years.


2. Models

Zollweg  [1]  has  deeply  studied

Hg

DC

discharges and has estimated the radiations of these



lamps in different spectral range. The corresponding

(same  power) mw  HID  lamps  are  studied  in  this

work. These discharges are considered to be excited

by microwave electromagnetic fields in a cylindrical

TM

010


mode. A detailed theoretical analysis of these

lamps  was  presented  by  Offermanns  [2]  and

Waymouth  [3]. We have  already  used  in  previous

work 


[4]

these 


analyses 

and 


obtained 

a

representation  of  the  temperature  profile for  DC



discharges as well as for mw discharges.

3. DC and MW Discharges

Once  the  temperature  profile  for  each  lamp  is

known, the radiations in different spectral range are

calculated using a model of radiation transport as in

[4]. The  obtained  results for  DC  discharges at

almost the same applied power are comparable with

experimental results of  Zollweg  [1] as  shown  in

Table 1.


Range (nm)

350-


390

390-


420

420-


450

535-


560

560-


590

Model (W)

12.1

5.9


10.1

8.5


11.7

Zollweg (W)

14.4

7.5


10.7

12

15.2



Table 1: Radiations of each spectral range of the lamp

3. Results

We show in Figure 1 the increase in radiation as the

applied  electric  power  increases  for  both  DC  and

mw discharges. The results show that the increase of

radiation  is  almost  linear  with  the  applied  power

with a higher slope for DC discharge (blue line).

10

20

30



40

50

60



0

10

20



30

40

50



W

elec


 (W.cm-1)

W

ra



d

 (W


.cm

-1

)



DC Model

mw Model


Figure 1: Variation of radiation with applied power

3. References

[1]  Zollweg  R  J,  Lowke  J  J  and  Liebermann  R

W,1975, J. Appl. Phys. 46 3828-3838

[2] Offermanns S 1990 J. Appl. Phys.67 115.

[3] Waymouth J F 1993 Microwave Discharges:

Fundamentals and Applications Plenum Press, New

York  427.

[4] M.  Hamady,  G.  G.  Lister,  G.  Zissis  2015

Journal of Lighting Research and Technology, DOI

10.1177/1477153515571678.

16

126


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

 

 



Flow Circulation and Ozone Concentration Generated by Plasma Actuator 

in a Closed Circuit Pipe 

 

Youhwan Shin



P

1

P



, Heon-Su Lee

P

2



P

 

 



P

1

P

 Center for Urban Energy Research, Korea Institute of Science and Technology 

P

2

P

 Multifunctional Structural Composite Research Center, Korea Institute of Science and Technology 



Hwarangno 14-gil 5, Seongbuk-gu, Seoul 02792, Korea. 

yhshin@kist.re.kr

 

 

This experimental research includes the characteristics of the  flow  generated  by  dielectric  barrier 



discharge (DBD) plasma actuators installed on the wall inside a circular pipe as a closed circuit. We 

compare and discuss with the flow velocities and their distributions in the closed-loop tunnel at the 

various excitation voltages and frequencies applied to the actuators. We also observed the variation 

of  the  ozone  concentrations  with  various  conditions  supplied  to  the  actuators.  The  velocity 

magnitude of the air in the closed pipe decreases as the ozone concentration rapidly increases at first 

short  time.  Higher  voltage  excited  to  the  plasma  actuator  makes  its  increasing  rate  grow  steeper. 

However as time goes, the ozone concentration is saturated in a closed pipe and consequently it is 

independent on the electrode excitation voltage of the plasma actuator. 

 

Abstract  

Flow  phenomena  such  as  a  separation  on  the 

surface  wall  or  the  leakage  flow  on  the  gas  turbine 

blade  tips  normally  cause  flow  losses.  Therefore  in 

order  to  increase  some  efficiencies  related  on  the 

aerodynamic  flow,  they  are  needed  to  be  depressed 

by the flow control. Plasma actuator can be used as 

one  effective choice  of  the  methods  for  active  flow 

control, which has many advantages such as simple 

structure without moving  parts  and  so  on  [1].  DBD 

plasma  actuator  induces  parallel  flow  on  the  wall 

surface  of  the  actuator  by  the  interaction  between 

plasma and neutral air particles. 

As  shown  in  Fig.  1,  an  experimental  setup  was 

arranged  with  single  and  multiple  DBD  actuators 

installed  on  a  circular  tube  wall.  The  electrode  is 

connected  to  high-voltage  power  amplifier  (TREK 

20/20C)  excited  by  a  function  generator  generating 

sine  waves.  The  voltage  and  frequency  ranges  are 

10~16  kV  and  0.5~1.0  kHz  respectively.  Ozone 

concentrations  were  measured  by  USB  New  iStar 

ICCD Camera (Andor Technology) and analyzed by 

S/W,  Andor  Solis.  Flow  velocities  were  also 

measured  at  several  radial  positions  inside  the  pipe 

by hotwire anemometry. 

Ozone  concentrations  were  measured  for  20 

minutes in a closed circular pipe under the operation 

of the plasma actuator as shown in Fig. 2. Firstly they 

dramatically increase for a short time, 300 seconds. 

Subsequently they gradually decrease to be saturated 

conditions.  Higher  excitation  voltage  applied  to  the 

actuators generates higher growing rate of them. The 

velocity  magnitude  in  the  pipe  steeply  decreases  as 

the ozone concentration rapidly increases.  



References  

[1]


 

G.  Pechlivanoglou,  C.N.  Nayeri  and  C.O. 

Paschereit,  Performance  Optimization  of  Wind 

Turbine  Rotors  with  Active  Flow  Control, 

Proceedings  of  ASME  Turbo  Expo.  (2011) 

GT2011-45493. 

[2]

 

J.  Malicet,  D.  Daumont,  J.  Charbonnier,  C. 



Parisse,  A.  Chakir  and  J.  Brion,  Ozone  UV 

spectroscopy.  II.  Absorption  cross-sections  and 

temperature  dependence,  Journal  of  Atmospheric 

Chemistry V.21 (1995) 263. 



Figure 1 Schematic half view of a DBD plasma actuator on 

inner wall of a circular pipe 



Figure 2 Ozone concentrations with different electrode 

voltages of DBD plasma actuators (1 kHz) 

17 

127


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

 

 



Optical measurement of meter-scale microwave line plasma 

under atmospheric pressure 

 

H. Suzuki, Y. Tamura, Y. Inomata, and H. Toyoda 



 

 Graduate School of Engineering, Nagoya University, Nagoya, Japan

 

 



Meter-scale microwave line plasma is produced under atmospheric pressure using a loop-waveguide 

with a microwave circulator to suppress ununiformity of electromagnetic field inside the waveguide, 

and is investigated by an optical emission spectroscopy.  Gas temperature and electron density of  

argon plasma are ~600 K and ~10

20

 m

-3



, respectively, and are spatially-uniform in 80 cm in length.  

 

1. Introduction 

Recently,  large-area  surface  treatment  using 

atmospheric-pressure  (AP)  plasma  attracts  much 

attention  due  to  its  cost  benefit  and  a  variety  of 

possibilities for industrial applications.  As a new AP 

plasma  source  for  large  area  processing,  we  have 

proposed  a  one-dimensionally  long-scale  AP 

microwave  plasma  source  using  a  loop-waveguide 

system,  where  plasma  uniformity  is  realized  by 

suppression of standing wave inside the waveguide.  

Using  this  plasma  source,  spatially-uniform  line 

plasma  of  40  cm  in  length  has  been  realized  with 

helium gas and cw microwave power of 1.0 kW [1].  

Furthermore,  production  of  pure  molecular  gas  line 

plasma  inside  a  slot  of  50  cm  in  length  has  been 

realized  by  improving  the  waveguide  structure  to 

increase power efficiency [2].  To apply this plasma 

source to industrial processing, understanding of the 

plasma characteristics such as spatial uniformity, gas 

temperature, plasma density and plasma-sustainment 

mechanism  are  important.    In  this  study,  plasma 

parameters  are  investigated  by  optical  emission 

spectroscopy (OES). 

 

 

2. Experimental Setup 



A microwave source (2.45 GHz, power: <5.0 kW) 

is connected to the circulator through an impedance 

matcher.  A slot antenna of 0.1 mm in gap width is cut 

along the modified ridge waveguide wall.  Discharge 

gas  (Ar:  14  slm)  is  introduced  into  the  waveguide 

through small holes and is released through the slot.  

Plasma  is  produced  inside  the  slot  by  applying 

microwave power.  Spatiotemporal distribution of the 

plasma is investigated by a digital still camera and an 

optical  multi-channel  analyzer  through  an  optical 

fiber.    Gas  temperature  and  electron  density  are 

measured from N

2

 second positive band profile and 



Stark  broadening  of  H

  spectrum,  respectively.  



Microwave powers at the upstream and downstream 

of  the  slotted  waveguide

 

are  monitored  by  crystal 



mounts.   

3. Results and discussion 

Firstly, the line plasma is produced with an input 

microwave-power  of  500  W  to  a  slot  of  1.1  m  in 

length.    The  emission  intensity  monitored  by  the 

digital  camera  is  quite  uniform  and  its  spatial 

fluctuation is less than 8% in 80 cm around the slot 

center.    Spatial  profiles  of  the  gas  temperature  and 

electron  density  are  shown  in  Figure  1  and  are 

uniform at ~600 K and ~10

20

 m



-3

, respectively.  These 

results  suggest  that  meter-scale  almost  uniform 

plasma  with  low  temperature  and  high  plasma 

density is realized by using the plasma source.   

 

Acknowledgement 

This  work  was  supported  by  JSPS  KAKENHI 

Grant number JP16H03893. 

 

References 

[1]  H.  Suzuki  et  al.:  Appl.  Phys.  Express  8  (2015) 

036001.  

[2]  H.  Suzuki  et  al.:  69

th

  Gaseous  Electronics 



Conference, 2016, NW3.7 

Topic number10  

Fig. 1. Spatial distributions of (a) N

2

 rotational 



temperature and (b) electron density along the slot. 

128


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

Electronic response of a plasma-facing dielectric solid 

F. X. Bronold, H. Fehske

P

Institut für Physik, Ernst-Moritz-Arndt-Universität Greifswald, D-17489 Greifswald

Based   on   the   Poisson   equation   for   the   electric   potential   and   two  sets   of  spatially  separated

Boltzmann equations, one for the  conduction band electrons and valence band holes inside the

dielectric  and one for the electrons and ions inside the  plasma, we present a kinetic theory for

the electronic response of a plasma-facing dielectric solid. It enables us to determine the quasi-

stationary density and potential profiles of the electric double layer formed at the interface as well

as the  electron and ion fluxes maintaining it. To demonstrate the feasibility and the potential  of

our approach we present numerical results for collisionless double layers at silicon and silicon

dioxide surfaces in contact with a hydrogen plasma.

The   basic   electronic   response   of   a   plasma-

facing solid is the formation of the plasma sheath.

It is the positive part of an electric double layer

whose   negative   part   is   inside   the   solid.   A

stationary   sheath   develops   if   electron-ion

generation in the plasma is balanced by electron

and ion losses at or inside the wall. A complete

kinetic modelling of the sheath has thus to contain

not only the plasma physics of the positive part of

the  double layer but also the  solid state physics

of the negative part.  

For   a   dielectric   wall   we   developed  such   a

synergetic  approach  [1]   which  we  expect  to  be

particularly useful for integrated microdischarges

[2,3],   in   particular,   when   their   miniaturization

continues   making   thereby   the   length   and   time

scales of the gaseous discharge comparable with

the scales of  the confining wall.  Our approach is

based  on  the  Poisson  equation  and  two  sets  of

Boltzmann  equations  operating  in  disjunct   half-

spaces separated by a planar interface. One set is

for electrons and ions inside the plasma and the

other is for conduction band electrons and valence

band   holes  inside  the     wall.   The   two   sets   are

connected   by   quantum-mechanical   matching

conditions for the electron distribution functions, a

semi-empirical   model  for   hole   injection   due   to

neutralization   of   ions   at   the   interface,   and   the

matching   conditions   for   the   electric   potential.

Essential for the modelling is the merging of the

space charge region with the neutral bulk plasma

and the intrinsic or extrinsic bulk of the wall as

well as the ambipolarity inside the wall leading to

an electron-hole recombination condition.

The overall picture emerging from our kinetic

modelling is a double layer whose positive space

charge   on   the   plasma   side   is   balanced   by   a

thermalized/trapped negative space charge inside

the  wall  while  the  quasi-stationary  electron  and

ion fluxes maintaining the double layer are limited

by  electron-hole  recombination  inside    the  wall.

Numerical  results for  collisionless  double  layers

formed at intrinsic and extrinsic silicon and silicon

dioxide  surfaces  exposed  to  a   hydrogen  plasma

(see Fig. 1 for the plasma-induced band bending

in intrinsic silicon dioxide and silicon) show the

feasibility and potential of our approach. Issues to

be resolved before it can become quantitative for

realistic interfaces will be discussed. – Supported

by DFG through CRC/Transregio TRR24. 

FIG.  1:  Band  edges for intrinsic   silicon  dioxide

(left   panel)   and   intrinsic   silicon   (right   panel)   in

contact with a hydrogen plasma [1]. Inside the wall

solid   red   (blue)   curves   are   the   edges   of   the

conduction   (valence)   band   while   in   front   of  it   the

curves   give     the   potential   energy   of   the   electrons

(ions). Dashed blue curves indicate the edges for the

valence band holes. The distances from the interface

at z=0 are measured in units of the wall's (plasma's)

electron Debye screening length.  The profiles inside

the   light   grey   regions   have   no   direct   physical

meaning.  They arise from implementing  technically

the physical boundary conditions for the double layer

responsible for the band bending. The electron (ion)

temperature of the plasma is 2 eV (0.2 eV). 



Download 9.74 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   22   23   24   25   26   27   28   29   ...   85




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