On phenomena in ionized gases


Download 9.74 Mb.
Pdf ko'rish
bet43/85
Sana24.01.2018
Hajmi9.74 Mb.
#25134
1   ...   39   40   41   42   43   44   45   46   ...   85

4. References 

[1] L. Marot et al, Fusion Eng. Des. 88 9-10 (2013) 

1718-1721 

[2] A. Kreter et al, Phys. Scr. T159 (2014) 014039 

[3]  K.  Ouaras  et  al,  J.  Phys.  Conf.  Ser.  591  (2015) 

012029 


[4]  E.A.  Hodille  et  al,  J.  Nucl.  Mater.  467  (2015) 

424-43 


[5]  C.  Sang  et  al,  J.  Nucl.  Mater.  463  (2015)  367-

371 


 

Fig.  1 

SEM  image  of  an  aluminium  target 

exposed to hydrogen plasma

 

14 



203

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

 

 



Modelling heat dominated electric breakdown in air  

with adaptivity to electron or ion timescales  

 

A. Agnihotri



1

P

, W. Hundsdorfer



1,2

P

, U. Ebert



1,3

P

 



P

1

P

 Centrum Wiskunde & Informatica, Amsterdam, The Netherlands  

P

2

P

 Institute for Mathematics, Astrophysics and Particle Physics, Radboud University, Nijmegen, The Netherlands 



3

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

 

We  simulate  heat  dominated  electrical  breakdown  in  air  in  a  short  planar  gap  by  coupling  the 



discharge  dynamics with  the  air  dynamics. The  electric  discharge  model  is  of  diffusion 

drift reaction type for electrons, positive and negative ions, including secondary electron emission 

from the cathode. The air dynamics is modelled with the Euler equations and an energy balance 

equation for the heat. To follow the discharge dynamics over sufficiently long times, we derived a 

reduced model on the ion timescale from the full model on the electron timescale, and we switch 

to the reduced model when appropriate. We discuss in detail the implementation of a time-adaptive 

numerical  scheme.  We  use  this  scheme  to  simulate  the  short  and  long  time  dynamics.  As  the 

electric discharge develops the air temperature rises due to Ohmic heating. The heated air expands, 

and  the  transport  and  reaction  coefficients  of  the  discharge change  accordingly.  We  observe 

electric breakdown in an initially undervolted gap through a sequence of ionization waves.  

 

1. Introduction 

    Gas  heating  in  electrical  discharges  has  been 

studied  in  the  context  of  fast  gas  heating,  plasma-

assisted combustion, atmospheric lightning etc.  The 

majority  of  simulation  studies  so  far  pertaining  to 

gas heating in atmospheric pressure discharges have 

been  performed  in  0D  or  1D  approximation.  The 

large  difference  in  timescales  between  electron 

dynamics on the one hand and ion dynamics and gas 

movement  on  the  other  hand  makes  computations 

very  expensive.  Recently  2D  axisymmetric 

simulations  [1-3]  have  been  published,  but  they  are 

either  only  on  the  ion  or  only  on  the  electron  time 

scale.  Here  we  overcome  this  limitation  and  study 

the long time dynamics. 



2. Methodology 

    We simulate the dynamics in a short planar gap in 

2D  (r-z  coordinates)  with  secondary  electron 

emission  where  ionization  grows  due  to  Ohmic 

heating rather than through space charge dominated 

streamer  breakdown.  This  dynamics  is  challenging 

to  simulate  as  in  the  initial  stage  the  electron 

dynamics has to be followed, and later on the much 

slower  ion  dynamics  has  to  be  resolved,  and  both 

have  to  be  coupled  to  the  hydrodynamics  of  the 

medium.  We  present  a  model  on  the  time  scale  of 

ion  motion,  that  is  a  reduced  version  of  the  full 

discharge  dynamics;  it  is  a  generalization  of  the 

reduced  model  introduced  in  [4]  where  it  was 

applied  to  study  the  transition  from  Townsend  to 

glow  discharge.  Our  calculations  are  adaptive  in 

time,  i.e.,  we  switch  between  the  full  model  on  the 

electron time scale and the reduced model on the ion 

time  scale  as  required.  We  also  discuss  possible 

numerical switching criteria.  

 

3. Results 

    We developed and employed the 2D cylindrically 

symmetric model to simulate heat dominated electric 

breakdown  in  air.  We  observe  a  cyclic  process 

whereby  the  positive  ions  hit  the  cathode,  liberate 

electrons via secondary emission and these electrons 

feed  the  discharge  channel  by  producing  more 

electrons  and  ions  via  impact  ionization.  Ohmic 

heating  causes  the  temperature  of  the  gas  to  rise. 

Eventually,  the  heated  gas  expands  resulting  in 

electric breakdown near the discharge axis. Detailed 

results are submitted [5]. 

 

 4. Acknowledgements 



    A.A.  acknowledges  financial  support  under  the 

Computational  Sciences  for  Energy  Research 

(CSER) initiative by Shell and FOM (Dutch Physics 

funding agency) under project number 12CSER058. 

  

5. References 

[1]  A.  Agnihotri,  W.  Hundsdorfer  and  U.  Ebert, 

Jap. J. Appl. Phys. 55 (2016) 07LD06. 

[2] F. Tholin and A. Bourdon: J. Phys. D, Appl. 

Phys. 46 (2013) 365205. 

[3]  A.  Komuro  and  R.  Ono,  J.  Phys.  D,  Appl. 

Phys. 47 (2014) 155202. 

[4]  D.  D.  Sijacic,  U.  Ebert  and  I.  Rafatov, 

Physical Review E. 71 (2005) 066402. 

[5]  A.  Agnihotri,  W.  Hundsdorfer  and  U.  Ebert, 

submitted to Plasma Sources Sci. Technol.

 

 



204


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

 

 



Complete and consistent set of electron-neutral scattering cross sections for 

carbon monoxide 

 

Polina Ogloblina, Antonio Tejero-del-Caz, Vasco Guerra, Luís L. Alves 



 

P

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

 

This  work  proposes  a  complete  and  consistent  set  of  cross  sections  for  electron  collisions  with 



carbon monoxide (CO) molecules to be published in the IST-Lisbon database with LXCat. The set 

is validated by comparing swarm parameters, calculated using a two-term Boltzmann solver, with 

available  experimental  data.  It  is  shown  that  for  low  values  of  the  reduced  electric  field 

(E/N<2 Td)  both  rotational  excitations  and  de-excitations  mechanisms,  as  well  as  superelastic 

collisions  with  the  first  vibrational  excited  level,  have  to  be  taken  into  account  in  order  to 

accurately  predict  the  electron  energy  distribution  function  and  the  corresponding  swarm 

parameters. The role in the calculations of the effective / elastic momentum-transfer cross section 

is also discussed. 

   

1. Introduction 

Carbon  monoxide  (CO)  is  one  of  the  main 

constituents  of  Venus  and  Mars  atmospheres  [1];  it 

is  the  most  abundant  molecule  observed  in  the 

interstellar space after hydrogen; and it is relevant in 

laboratory  gas  discharges  for  the  production  of 

syngas and the reforming of CO

2

.



 

The  study  of  the  electron  kinetics  is  essential  to 

understand  how  the  energy  gained  by  the  electrons 

from  the  applied  field  is  transferred  to  the  different 

heavy-particles.  This  work  presents  a  complete  and 

consistent  set  of  electron-neutral  scattering  cross 

sections for carbon monoxide, to be soon included in 

the IST-Lisbon database with LXCat.  

 

2. Description of the cross section set 

The current set includes the elastic cross section, 

the cross sections for the excitation of 16 rotational 

states, 10 vibrational states and 7 electronic states, as 

well  as  the  cross  sections  for  dissociation, 

dissociative  attachment  and  ionization.  The  cross 

sections are defined up to 1000 eV kinetic energy. 

The elastic cross section is built in two steps: the 

mid-  and  high-energy  regions  are  taken  from  [2], 

with small modifications; the low-energy region was 

re-calculated from an effective cross section in order 

to ensure consistency when rotational excitations are 

explicitly accounted for. Special attention is given to 

rotational  excitation  and  de-excitation  mechanisms, 

which can be very important at low reduced electric 

fields.  Rotational  cross  sections  are  taken  from  [3]. 

Vibrational  and  electronic  excitation  cross  sections 

are  essentially  taken  from  [2,4];  vibrational 

excitation  is  currently  under  revision,  based  in  [5]. 

Finally, the dissociation, dissociative attachment and 

ionization cross sections are the same as in [4].  

 

 



 

3. Results and discussion 

The current set reproduces very well the available 

experimental  swarm  data.  For  example,  figure  1 

depicts the reduced Townsend ionisation coefficient. 

Further  results  (not  shown)  reveal  that  it  is 

essential  to  consider  rotational  excitation  and  de-

excitation  mechanisms,  as  well  as  superelastic 

collisions with the first vibrational level, to correctly 

describe  the  low  field  region  (E/N<2  Td)  at  gas 

temperatures T



g

≤300 K. 


100

200


300

400


10

-24


10

-23


10

-22


10

-21


Re

du

ce



To

wn



se

nd

 c



oe

ffi


ci

en

t, 



m

2

Reduced electric field, Td



 

T

gas



=300K

 

Bhalla et al 1961



 

Davies et al 1969

 

Parr et al 1971



 

 Figure  1.  Comparison  between  calculated  and  measured 

reduced Townsend coefficient. 

 

 



4. References

 

[1]  L.  Campbell,  M.  Allan,  M.  J.  Brunger. 



J. Geophys. Res. 116 (2011) A09321. 

[2] J. E. Land. J. Appl. Phys. 49 (1978) 5716. 

[3]  R.  D.  Hake,  A.  V.  Phelps.  Phys.  Rev.  158 

(1967) 70. 

[4]  Y.  Itikawa.  J.  Phys.  Chem.  Ref. Data  44 

(2015) 013105. 

[5]  R.  Celiberto  et  al.  Plasma  Sources  Sci. 

Technol. 25 (2016) 033004.  

 

Acknowledgements:  This  work  was  partially 



supported  by  the  Portuguese  FCT,  under  Projects 

UID/FIS/50010/2013 

and 

PTDC/FIS-



PLA/1420/2014 

(PREMiERE), 

and 

grant 


PD/BD/114398/2016 (PD-F APPLAuSE). 

Topic number 1 

205


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

 

 



Human Stratum Corneum Epidermidis modification by means of 

atmospheric-pressure cold plasma treatment  

 

D. Athanasopoulos, P. Svarnas 



 

University of Patras, Electrical & Computer Eng. Dept., High Voltage Lab., 26504 Rion, Patras, Greece 

 

In  the  frame  of  the  emerging  field  of  plasma  medicine,  the  present  work  is  devoted  to  human 



stratum  corneum  epidermidis  modification  by  means  of  a  sinusoidal-driven  helium  “plasma  jet” 

(train of “guided streamers”). Stratum Corneum is the outermost layer of the epidermis and thus it 

plays  the  role  of  a  barrier  to  protect  the  underlying  tissues.  Accordingly,  and  due  to  its 

composition, it exhibits highly hydrophobic nature and any drug delivery through skin is subjected 

to  this  barrier.  Hereby,  it  is  clearly  demonstrated  the  possibility  of  increasing  human  stratum 

corneum  epidermidis  wettability  as  a  function  of  the  exposure  time  to  plasma-induced  reactive 

species. 

 

1. Introduction 



Plasma  medicine  is  emerging  world-wide  as  a 

new  field  of  medical  research,  with  special 

applications to dermatology. Towards this direction, 

human  stratum  corneum  epidermidis  (SCE)  is  here 

subjected  to  atmospheric-pressure  cold  plasma 

(APCP) treatment for increasing wettability. 

SCE  has  the  architecture  of  dead  keratin  filled 

cells in a lipid matrix [1]. Its thickness lies typically 

from  10  to  20  μm,  and  it  functions  to  protect  the 

underlying  tissues.  The  wettability  of  human  skin 

varies  significantly  depending  on  the  anatomical 

site,  the  pre-conditioning  (e.g.  soap  washing, water 

rinsing  etc)  [2]  etc.  However,  clean  human  skin  is 

hydrophobic,  since  it  exhibits  water  contact  angles 

(WCAs) up to 125 deg [2]. 

In  this  work,  the  wettability  of  SCE  is  reduced 

using a He APCP, sinusoidially driven at 10 kHz. 

 

2. Experimental setup and specimens 



 The  reactor  used  for  APCP  production  and  the 

plasma  interpretation  in  respect  to  biological 

applications,  have  been  presented  elsewhere  [3]. 

The SCE samples are from the breast of a 63-years 

old  Caucasian  female  (BMI  27)  and  supplied  from 

Biopredic International. Briefly, the samples are de-

frozen,  immersed  in  phosphate  buffered  saline,  pH 

7.4,  rinsed  gently  by  ultrapure  water,  and  their 

surface is dried carefully under weak flow of Ar gas. 

The  wettability  of  the  samples  is  evaluated  with 

WCAs (drops of 3 μl) due to a motorized drop shape 

analysis  system  (Krüss  GmbH;  EasyDrop).  The 

experiments  are  realized  in  triplicates,  providing 

mean values and standard deviations.   

 

3. Results and Discussion 



Fig. 1 depicts the SCE wettability evolution for  

increasing plasma treatment.  

0

30

60



90

120


150

50

60



70

80

90



100

W

at



er

 C

on



ta

ct

 A



ng

le

 (



de

g)

Plasma Treatment Time (s)



10 kHz sinusoidal; 10 kV pp; 2 slm;

reactor nozzle-sample distance 25 mm.

 

Fig. 1: Human Stratum Corneum Epidermidis wettability 



versus the exposure time to APCP.  

 

Following  XPS  analysis  (not  shown  here)  and 



plasma probing [3], the WCA decrease down to 56 

deg is attributed to surface functionalization induced 

by plasma-generated RONS. 

 

4. Conclusions 



APCP was here proposed as an efficient medium for 

SCE  wettability  increase,  which  in  turns  could  be 

useful for therapeutic gel applications.  

 

5. References 



[1]  C.  L.  Silva  et  al.,  Biochim.  Biophys.  Acta 

1768 (2007) 2647-2659.  

[2] M. E. Ginn et al., J. Colloid Interface Sci. 26 

(1968) 146-151. 

[3] P. Svarnas et al., Appl. Phys. Lett. 101 (2012) 

264103. 


 

Acknowledgments  

D.A.  acknowledge  I.K.Y.  (State  Scholarships 

Foundation;  NSRF  2014-2020)  for  financial 

support. 

Topic 17 

 

150 s 


206

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

 

 



Controlling Atmospheric-Pressure Plasma Reactive Species Densities 

by means of Modulated Sinusoidal High Voltage  

 

P. Svarnas



1

, M. Mitronika

1

, D. Athanasopoulos



1

, E. Mitronikas,

2

 K. Gazeli



1,3

 

 



1

 University of Patras, Electrical & Computer Eng. Dept., High Voltage Lab., 26504 Rion, Patras, Greece 

 

2

 University of Patras, Electrical & Computer Eng. Dept., Electromechanical Energy Conversion Lab., 



26504 Rion, Patras, Greece 

3

 current address: Université Paris-Sud & Université Paris-Saclay, CNRS, LPGP, 91450 Orsay Cedex



 

 

Audio-frequency sinusoidal high voltage is here modulated by square-wave signals, by means of a 



microprocessor-based power supply. The modulated voltage drives a single-electrode microplasma 

reactor  using  helium  at  atmospheric  pressure  as  feedstock  gas.  The  emissive  species  induced 

downstream  the reactor nozzle are identified with UV-visible optical emission spectroscopy, and 

the influence of two modulating parameters (i.e. period and duty cycle) on the relative density of 

excited probe molecules is studied independently. It is clearly demonstrated that, under the present 

experimental conditions, both parameters have a profound effect on reactive species densities, and 

may thus control and enhance the plasma chemistry with an engineerable manner.  

 

1. Introduction 



For  atmospheric-pressure  plasma  applications, 

numerous  reports  consider  the  role  of  the  reactor 

design, driving voltage features (a.c. or pulsed d.c.), 

gas  composition,  and  gas  flow  rate,  in  optimizing 

the  density  of  various  species.  Differently, 

sinusoidal high voltage is here modulated by square-

wave signals in respect to excited species densities. 

 

2. Plasma and Diagnostic Setups  



The  setups  employed  here  are  extensively 

presented elsewhere [1]. Here, the distance between 

the single-electrode tip and the capillary tube exit is 

30  mm  and  a  novel  power  supply  (commercialized 

by our group) is used (see Fig. 1 and its caption). 

a) 


b) 

c) 


 

Figure  1:  Representative  oscillograms:  a)  square-wave 

modulating  signal  (TTL),  b)  modulated  sinusoidal  high 

voltage (9 kVpp; except the overshoot of each first cycle 

at 9.1 kVpp), and c) pattern of wavelength-integrated light 

impulses  during  “plasma  bullet”-“guided  streamer” 

propagation  [1]  (a.u.).  The  light  is  spatially-integrated 

over the first 5 mm in front of the reactor nozzle.   

 

3. Results and Discussion 



Fig.  2  shows  how  the  relative  density  of  an 

excited  probe  molecule  –  in  terms  of  optical 

emission spectroscopy intensity (resolution 0.01 nm; 

integration time 2 s) – is affected by the modulating 

parameters.  The  linear  increase  vs.  duty  cycle  is 

probably  due  to  the  increasing  mean  power 

(ionization/excitation) of the plasma. But, the sharp 

increase vs. frequency is still under investigation.     

0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100



0.0

0.2


0.4

0.6


0.8

1.0


Square-Wave Frequency (Hz)

Duty Cycle Sweep (Frequency 100 Hz)

          (

error bars from 2 different sweeps)

 

N

or



m

al

iz



ed

 O

E



S

 I

nt



en

si

ty



 (

/ I



m

ax

)



Square-Wave Duty Cycle (%)

2 slm He


9 kVpp 

(see Fig. 1)

10

0

10



1

10

2



10

3

10



4

 Frequency Sweep (Duty Cycle 50%) 

          (

error bars from 2 different sweeps)

 

Figure 2: N



2

*

(C



3

Π

u



-B

3

Π



g

; v'-v'': 0-0) relative density. 

 

 

4. Conclusions 



Appropriately modulated sinusoidal high voltage 

is  potentially  a  new  way  for  controlling  the 

chemistry of atmospheric-pressure plasmas. 

 

5. References 



[1]  K.  Gazeli  et  al.,  J.  Appl.  Phys.  114  (2013) 

103304. 


 

Acknowledgments  

D.A.  acknowledge  I.K.Y.  (State  Scholarships 

Foundation;  NSRF  2014-2020)  for  financial 

support.  

Topic 10 

207


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

 

 



Structure at the top of premixed burner flame with the 

superposition of pulsed dielectric barrier discharge 

 

K. Sasaki and K. Zaima



P

 

 



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

 

We investigated the transient phenomena  in a premixed burner flame with the superposition of a 



pulsed  dielectric barrier discharge (DBD). The length of the flame was shortened by the 

superposition of DBD, indicating the activation of combustion chemical reactions with the help of 

the plasma. We observed the modulation of the top position of the flame and the formations of local 

minimums in the  axial distribution of the optical emission intensity of OH. These experimental 

results reveal the oscillation  of the rates of combustion chemical reactions as a response to the 

activation by pulsed DBD. The cycle of the oscillation was 0.18-0.2 ms, which could be understood 

as the eigenfrequency of the plasma-assisted combustion reaction system. 

 

1. Introduction 

We have shown  that the burning  velocity is 

enhanced by superposing a dielectric barrier 

discharge  (DBD)  onto the bottom part of a 

steady-state premixed burner flame. The increase in 

the burning velocity is understood by the shortening 

of the flame length. However, it has been also 

observed that the flame length was not stationary. In 

this work, we report the transient change in the shape 

of premixed burner flame with the  superposition of 

pulsed DBD. 



Download 9.74 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   39   40   41   42   43   44   45   46   ...   85




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