On phenomena in ionized gases


Download 9.74 Mb.
Pdf ko'rish
bet62/85
Sana24.01.2018
Hajmi9.74 Mb.
#25134
1   ...   58   59   60   61   62   63   64   65   ...   85

 

2. Results 

Discharge voltage, discharge current and energy per 

pulse and the corresponding frames of the discharge 

are  shown  in  Fig.  2.  Three  main  behaviors  of  N

2

 

microplasma are identified. 



Step  1:  the  plasma  is  located  on  the  sandwich 

throughout  the  negative  pulse  of  current  (0.5  mA) 

and voltage (800 V). 

Step 2:  at  1  µs  the  cathodic  inversion  occurs.  The 

radiative  zone  moves  at  a  speed  of  ~  80  km.s

-1



which is typical of the velocity of a streamer. 

Step 3: at the voltage decay, the overlapping jets are 

observed  until  disappearance,  with  a  velocity  of 

100 m.s


-1

, which corresponds to the gas velocity. 

 

Fig.2. Main steps of the N



2

 plasma propagation in the low 

pressure side of the reactor, including electrical signals 

 

Using  a  fitting  procedure  of  the  second  positive 



system  of  N

2

  at  337  nm  [3],  we  estimate  the 



rotational  temperature  to  be  850  ±  20  K,  and  the 

vibrational temperature equal to 3210 ± 200 K under 

the same conditions. 

 

3. References 

[1] K.H. Schoenbach et al., Appl. Phys. Lett. (1996) 



68, 13-16 

[2]  C.  Lazzaroni  et  al.,  Eur  Phys.  J.  D  (2010)  60

555-563 

[3]  K.  Gazeli  et  al.,  J.  Appl.  Phys.  (2015)  117

093302

 

291



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

 

 



Towards a fluid model for the streamer-to-leader transition in lightning 

channels 

 

A. Malagón



1

, A. Luque

1

 

 



1

 Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA), CSIC, Granada, Spain 

 

 



One of the still unknown phenomena involved in electric discharges is the streamer-to-

leader transition. Here, as a first approach to investigate this transition, we present our 

recent  steps  modelling  heating  and  gas  expansion  produced  in  streamer  discharges, 

coupled  to  electromagnetic  and  air  plasma  chemistry.    So  far, we have applied this 

model  to  the  mechanism  of  air  heating  and  pressure  perturbations  present  in  sprite 

discharges, without losing sight of our final aim, i.e., to disentangle the streamer-to-

leader transition in lightning channels by testing whether attachment instability leads to 

heating of air to a temperature high enough develop space stems.



 

 

Electric discharges are a very common phenomenon 



on  Earth's  atmosphere.  However  some  of  their 

features  are  still  poorly  understood.  A  sufficiently 

long electric discharge, such as a lightning channel, 

propagates  along  two  phases.  The  first  phase  is 

known  as  “streamer  phase”  and  consists  in  thin 

filaments of ionised air that advance due to a high 

electric  field  at  their  tip.  The  dominant  process of 

ionisation  is  impact  ionisation,  involving  electrons 

and  the  two  major  components  in  the  air  mass, 

which are nitrogen and oxygen. In the second phase 

called  “leader  phase”,  the  electric  current  of  the 

streamers has increased the air temperature highly 

enough  so  the  thermal  energy  of  the  molecules 

present  in  the  air  is  comparable  to  the  ionisation 

potential  of  nitrogen  and  oxygen.  The  underlying 

mechanism 

whereby 

the 

streamer-to-leader 

transition occurs is not precisely known. High-speed 

observations  show  that  in  negative  discharges, 

comprising 90% of cloud-to-ground lightning, this 

transition is not smooth but rather mediated by the 

formation of a “space leader”, that is, an isolated hot 

segment  within  the  streamer  region.  This  space 

leader is connected to the main leader in a sudden 

jump and therefore one speaks of a “stepped leader”. 

However,  the  origin  of  the  space  leader  is  so  far 

unknown. 

 

Here we present recent steps in the modelling of the 

streamer-to-leader  transition,  which  requires 

coupling fluid mechanics, electromagnetism and air 

plasma chemistry. We discuss our work towards a 

model  that  solves  Euler's  equations  (3  dimensions 

reduced  to  2  by  virtue  of  symmetry)  coupled  to 

electron  drift  using  high-resolution  finite  volume 

methods for hyperbolic systems [1] implemented in 

the  software  package  CLAWPACK.  The  drift  of 

electrons is determined by a self-consistent electric 

field, which we obtain by solving Poisson's equation 

by  means  of  off-the-shelf solvers.  Our model also 

includes a selection of chemical reactions that have a 

relevant effect on the electron density in air, such as 

impact ionisation, attachment and detachment. 

 

Besides the streamer-to-leader transition, our model 

can also be applied to the mechanism of air heating 

and  pressure  perturbations  caused  by  sprite 

discharges in the upper atmosphere. We present here 

preliminary simulation results on this topic. 

 

Our final aim is however to test the hypothesis that 

leader  stepping  results  from  an  attachment 

instability  that  creates  low-conductivity,  high-field 

regions in a streamer corona, as recently discussed 

for sprites in [2].  With our detailed model for gas 

heating and expansion we will investigate whether 

the attachment instability leads to heating of air to a 

temperature high enough to develop space stems.  A 

positive answer to this question would elucidate the 

physical mechanism of leader stepping.   

 

[1]  R.J.  LeVeque.  Finite  Volume  Methods  for 



Hyperbolic  Problems.  Cambridge  Texts  in  Applied 

Mathematics. Cambridge University Press, 2002.

 

 

[2] A. Luque, H. C. Stenbaek-Nielsen, M. G. McHarg, 



and R.K. Haaland. Srpite beads and glows arising from 

the  attachment  instability  in  streamer  channels.  J. 

Geophys. Res. (Space Phys), 121, 2016.

 



292

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

 

 



Sensitivity and uncertainty analysis of a kinetic model for CO

2

  



non-equilibrium plasmas  

 

Marija Grofulović, Tiago Silva and Vasco Guerra 



 

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

 

This work is dedicated to the systematic investigation of the influence that uncertain rate constants 



have on model predictions. The kinetic scheme examined here describes CO

2

 plasmas with a very 



complex  vibrational  kinetics  model.  Uncertainty  of  the  rate  constants  models  arise  from  the 

experimental  errors  or  the  approximate  theories.  To  rank  the  most  influential  rate  constants  we 

used  the  Morris  method,  that  is  a  One-At-a-Time  design  for  the  sensitivity  analysis  (SA).  The 

output parameters that were traced are the densities of some species, i.e. CO

2

(001) and CO



2

(010) 


and the vibrational temperatures T

1,2 


and T

3

. The results show that the dominant e-V reactions are 



also the ones with larger contribution to the uncertainty of the output.  

 

1. Introduction 



Modelling  low-temperature  plasmas  usually 

involves  very  complex  chemistry  models  described 

by  data  that  are  measured  or  calculated  with  some 

uncertainty.  In  order  to  make  the  simulations  of 

experimentally  difficult  or  inaccessible  conditions 

more credible, the influence of the input uncertainty 

on the output must be studied [1].   

 

 



Figure  1  The  result  of  SA,  µ*  [1]  for  the  vibrational 

temperature T

v3

 a); and the simulation results using varied 



rate constants for e-V, V-V or V-T processes b). 

A  good  example  of  such  systems  is  CO

2

  plasma. 



Recent interest in CO

2

 conversion has set the goals 



for  fundamental  experimental  research  and  plasma 

modelling. One particularity of these plasmas is the 

extended  vibrational  kinetics,  which  can  comprise 

~9000  vibrational  levels  in  a  full  state-to-state 

description.  In  the  present  work,  the  SA  was 

performed  on  a  kinetic  scheme  describing  a  low 

excitation  regime  in  CO

2

,  accounting  for  72 



individual  vibrational  levels  and  more  than  1200 

elementary  processes.  The  operating  conditions  are 

well  characterized  experimentally,  allowing  the 

validation of the model presented in [2]. 

 

2. Results and discussion 



The  screening  procedure  used  in  this  work, 

proposed by Morris [3], gives both the quantitative 

and  the  qualitative  information  on  the  influence  of 

the input uncertainty. Figure 1a) shows that the e-V 

reactions  contributing  to  the  uncertainty  of  the  T

v3

 



are the ones populating the asymmetric levels from 

the ground state. Different simulation results for rate 

constants varied within the ascribed uncertainty are 

shown in figure 1b). The present analysis evaluates 

the  level  of  model  reliability,  reveals  the  possible 

sources of model failure and therefore recommends 

directions for future improvement. 

 

Acknowledgments:  This  work  was  partially 



supported  by  FCT,  Projects  UID/FIS/50010/  2013, 

PTDC/FIS-PLA/1420/2014  (PREMiERE)  and  grant 

PD/BD/105884/2014 (PD-F APPLAuSE).  

 

References 



[1] M. M. Turner, Plasma Sources Sci. Technol. 

24 (2015) 035027.

 

[2] T. Silva et al, contribution to ICPIG, (2017).  



     [3] M. Morris, Technometrics, 33 (1991) 161–74 

Topic number 5 

293


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

Topic 6


Non-intrusive Method for Electron-Density determination in Low-pressure

Microwave Plasma

A.Kais

1

, J.Lo



1

, L.Thérèse

1

and Ph.Guillot



1

1

Laboratoire Diagnostics des Plasmas Hors Equilibre, Université de Toulouse, INU Champollion, Albi, France



The power supplied by the plasma at the surface of a glass substrate is measured and calculated.

The total contribution of the heating mechanisms is calculated according to the theories commonly

used in the literature, and measured by exploiting the temperature curve variation in the heating

phase (plasma on). The cooling mechanisms are leads by the conduction with the gas and the sub-

strate holder, their contribution is measured using the temperature variation during the cooling phase

(plasma off). Assuming that our plasma obeys the hypothesis of the corona balance, the Modified

Boltzmann Plot (MBP) method is used to determine the electron temperature T

e

. A correlation be-



tween the power deposited by the plasma and the results of the MBP is established. This correlation

indicate that it is possible to estimate the electron density (n

e

) without using the Langmuir probe.



1. Introduction

This work is dedicated to the determination

of plasma electron-density without using the Lang-

muir probe (intrusive method which can be unhandy

in some cases). The method developed allows to

calculate the electron density by combining two

non-intrusive methods: the temperature measure-

ment [1] and the modified Boltzmann plot [2].

2. Experimental sut-up

This study was carried-out in a pure argon

gas at pressure range of 10 to 30 Pa. Plasma is

generated by a coaxial microwave plasma source

(Hi-Wave) switched-on by a 2.45 GHz Solid State

Generator which the power can vary from 1 to 200

W. The parameters of the discharge are measured

by a double Langmuir probe (Impedence Ltd). The

temperature time variations are measured by a K-

type thermocouple. Optical Emission Spectroscopy

measurements are performed by an Avaspec 2048-

2-Avantes spectrometer with a resolution of 3 nm.

3. Experimental results

In this work, we will shown that P

th

=P

m



,

where P


th

is the calculated power at the surface

obtained by summing the contributions of electron,

ions and electron-ion recombination [3], and P

m

is

the total experimental power measured by exploit-



ing the temperature curve variations. Thus, the fol-

lowing relation between P

m

and n


e

is established:

n

e

=



P

m

A



s

[√

k



B

T

e



2πm

e

exp



(

e

0



V

sh

k



B

T

e



)

(2k


B

T

e



+ E

ion


)

+0.3k


B

T

e



k

B



T

e

M



1

2

k



B

T

e



| ln

2πm


e

M

+ 1



|

]

−1



(1)

One can see in this equation that electron density

depends on one unknown parameter (T

e

). The de-



termination of T

e

by the MBP method allows the



calculation of the electron density. In equation 1,

V

sh



represents the sheath potential taken equal to

(k

B



T

e

/2e



0

)(ln(M/2πm

e

)

, E



ion

is the ionization

energy of argon, M is the mass ion and A

s

is the



total substrate surface.

Figure 1:

Electron density calculated from Eq.1 compared

with Langmuir probe measurments: effect of the pressure (a)

and the microwave power (b).

4. References

[1] H. Kersten et al. Journal of Applied Physics

87

(2000) 3637



[2] F J Gordillo-V’azquez et al. Plasma Sources Sci.

Technol.


15 (2006 ) 42

[3] Daniel Lundin et al. J. Phys. D: Appl. Phys.

42

(2009) 7


294

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

 

 



Relaxation of electronic excitation in nitrogen discharge plasma         

at high specific deposited energy

 

 

N.D. Lepikhin



1

, N.A. Popov

2

, S.M. Starikovskaia



1

 

 



1

Laboratoire de Physique de Plasmas (CNRS, Ecole Polytechnique, Sorbonne Universities,  

University of Pierre & Marie Curie-Paris 6, University Paris-Sud, Observatoire de Paris), France 

2

Skobeltsyn Institute for Nuclear Physics, Moscow State University, Moscow, Russia 

 

The  energy  relaxation  from  electronic  degrees  of  freedom  of  molecular  nitrogen  excited  by  a 



capillary nanosecond discharge at high specific deposited energy and electric fields of 200-300 Td 

is  investigated  experimentally  and  numerically.  The  key  role  of  pooling  reaction  between 

metastable  N

2

(A



3

u



)  states  and  quenching  of  N(

2

D)  atoms  by  N



2

  in  the  mechanism  of  fast  gas 

heating at high specific deposited energy is demonstrated. The temperature dependence of pooling 

reaction rate constant was obtained based on the treatment of available experimental data. 

 

1. Introduction 

 The  knowledge  of  the  channels  of  energy 

relaxation  from  electronically  excited  states  is 

extremely important for the applications. This study 

is dedicated to the experimental and numerical study 

of the relaxation of electronic excitation and fast gas 

heating  in  pure  nitrogen,  excited  by  capillary 

nanosecond  discharge  at  electric  fields  of  E/N  = 

200-300 Td  and  specific  deposited  energy

 

up  to 



1 eV/molecule. 

 

2. Experiment setup 

    The  nanosecond  discharge  was  initiated  in  the 

capillary  tube  1.5 mm  of  internal  diameter  and 

70 mm  in  length,  P  =  27 mbar.  High-voltage  pulses 

of U = + 9.3 kV, 30 ns FWHM were used to initiate 

the  discharge.  For  each  initial  pulse  from  the 

generator,  typically  three  pulses  with  progressively 

attenuated  amplitude  separated  by  250 ns  were 

observed. A detailed description of the experimental 

setup and diagnostic techniques are presented in [1]. 

 

 



3. Results and discussion 

 The  temporal  evolution  of  gas  temperature  in 

nitrogen, excited by capillary nanosecond discharge, 

measured experimentally and compared with the one 

calculated  numerically  in  1-D  axially  symmetric 

model  is  presented  in  Fig. 1.  The  calculations  were 

performed according to the model described in [1,2].  

  The  observed  fast  increase of gas temperature in 

nitrogen  (2200 K/μs,  Fig.  1)  demonstrates  fast 

energy  relaxation  from  electronic  degrees  of 

freedom.  The  pooling  reaction  between  metastable 

N

2



(A

3



u

)  states  with  3.5 eV  energy  converted  to 

translational  energy  [2]  is  found  to  be  a  dominate 

process  responsible  for  the  fast  gas  heating  in  pure 

nitrogen, as well as quenching of N(

2

D) atoms [3],  



)

(

N



)

S

(



N

N

)



D

(

N



2

4

2



2

v



,       (1) 

which  becomes  extremely  important  at  high  gas 

temperatures.  The  temperature  dependence  of 

pooling  reaction  rate  constant,  which  used  in  the 

model,  was  obtained  based  on  the  treatment  of  the 

experimental data [4].  

0

300

600

900 1200 1500 1800

500

1000

1500

2000

2500

3000

2.

1.

Nitrogen

Tem

per

at

ure

, K

Time, ns

  

Fig. 1. Temporal evolution of gas temperature in nitrogen



 

   plasma at 27 mbar. Points – are experimental data, curves 

   – are the results of calculations with (curve 1) and without 

   (curve 2) the heat release in reaction (1).

 

 

Acknowledgements 



The  work  was  partially  supported  by  French 

National Research Agency, ANR (ASPEN Project), 

LabExPlas@Par  and  French-Russian  international 

laboratory LIA KaPPA and RFBR project No 17-52-

16001. 

 

4. References 



[1] N. Lepikhin, A. Klochko, N. A. Popov and S. M. 

Starikovskaia,  Plasma  Sources  Sci.  Technol.  25 

(2016) 045003. 

[2] N. A. Popov, J. Phys. D: 44 (2011) 285201.  

[3] B. Galvao et al. Phys. Chem. Lett. 4, (2013) 229 

[4]  G. Stancu,  M. Janda,  F. Kaddouri,  D. Lacoste, 

C. O. Laux, J. Phys. Chem. A 114 (2010) 201.  

                10 

295


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

 

 



Control of charged species dynamics in atmospheric pressure plasmas 

using tailored voltage waveforms 

 

 



A. R. Gibson

1, 2


, L. Alelyani

1

, S. Doyle



1

, J. Bredin

1

, J.-P Booth



2

, J. P. Dedrick

1

, T. Gans



1

 and 


D. O’Connell

 



1

 York Plasma Institute, Department of Physics, University of York, Heslington, York, YO10 5DD, UK  

2

 LPP, CNRS, Ecole Polytechnique, UPMC Univ. Paris 06, Univ. Paris-Sud, Observatoire de Paris, 

Université Paris-Saclay, Sorbonne Universités, PSL Research University, 91128 Palaiseau, France 

 

Precise control of the chemical kinetics in atmospheric pressure plasma sources is crucial for their 



full potential to be realised in a range of applications. Radio-frequency plasmas driven by multiple 

driving frequencies offer an attractive route to achieve such control. In this work, we demonstrate 

wide-ranging  control  of  charged  species  dynamics  in  He/N

2

  plasma  jets  at  atmospheric  pressure 



using  tailored  voltage  waveforms.  Experimentally  we  employ  using  Phase  Resolved  Optical 

Emission Spectroscopy to measure the time and space resolved electron dynamics. Further insight 

into plasma control is obtained through comparison with one-dimensional fluid simulations.

 

 



Download 9.74 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   58   59   60   61   62   63   64   65   ...   85




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