On phenomena in ionized gases


Download 9.74 Mb.
Pdf ko'rish
bet63/85
Sana24.01.2018
Hajmi9.74 Mb.
#25134
1   ...   59   60   61   62   63   64   65   66   ...   85

1. Introduction 

Atmospheric  pressure  plasma  sources  have  been 

researched  extensively  for  a  wide  variety  of 

applications 

ranging 

from 


biomedicine 

to 


sustainable  chemical  feedstock  production.  For  any 

application  of  these  plasma  sources  to  achieve  its 

full  potential  control  of  both  charged  and  neutral 

species  dynamics  is  of  key  importance.  However, 

only  limited  control  is  possible  in  plasma  sources 

operated  with  a  single  fixed  frequency.  In  low-

pressure plasma sources, enhanced control has been 

demonstrated  by  employing  multiple  driving 

frequencies.  In  this  work,  we  investigate  multiple 

frequency  operation  for  control  of  radio-frequency 

(rf)  driven  atmospheric  pressure  plasma  sources 

using  experimental  measurements  and  numerical 

simulations.   

2. Experiment and simulations 

The  plasma  source  used  in  this  study  has  the 

same  critical  dimensions  as  the  “COST  Reference 

Microplasma  Jet”  [1].  The  source  is  driven  by 

tailored  voltage  waveforms  (TVW)  consisting  of  a 

fundamental  frequency  of  13.56  MHz  with  up  to 

five  harmonics.  Both  “pulse-type”  and  “sawtooth-

type”  waveforms  are  investigated.  The  plasma  is 

formed  in  a  feed  gas  of  He  with  small  N

admixtures.  In  order  to  observe  the  time  and  space 



resolved  electron  dynamics  in  the  plasma  we  apply 

Phase  Resolved  Optical  Emission  Spectroscopy 

(PROES).

 

The 



experimental 

measurements 

are 

complemented  by  1D  fluid  simulations  using  the 



model discussed in detail in [2, 3]. 

3. Results 

Experimentally,  it  is  observed  that  the  time  and 

space  resolved  electron  dynamics  are  strongly 

dependent  on  the  number of harmonics constituting 

the 

driving 


voltage 

waveform. 

Significant 

differences  are  also  observed  in  the  electron 

dynamics  in  plasmas  driven  by  “pulse-type”  and 

“sawtooth-type” waveforms. 

 Simulations  carried  out  under  the  same 

operating conditions demonstrate that this control of 

the  time  and  space  resolved  electron  dynamics 

results  in  control  over  the  time  and  space  averaged 

electron  energy  distribution  function  (EEDF).  The 

simulations further show that this allows for control 

over  the  densities  of  both  charged  and  neutral 

species in the plasma. 

 

The  wide  range  of  control  possible  using  this 



technique  offers  significant  potential  to  tailor 

plasma  properties  in  different  gas  mixtures  for 

specific  applications,  which  will  be  of  importance 

for  future  applications  of  atmospheric  pressure 

plasmas in industry and biomedicine. 

Acknowledgements 

This  work  has  been  done  within  the  LABEX 

Plas@Par  project,  and  received  financial  state  aid 

managed  by  the  ‘Agence  Nationale  de  la 

Recherche’, 

as 


part 

of 


the 

‘Programme 

d’Investissements  d’Avenir’  under  the  reference 

ANR-11-IDEX-  0004-02.  Funding  through  UK 

EPSRC  (EP/  K018388/1)  and  the  York-Paris  Low 

Temperature  Plasma  Collaborative  Research Centre 

is also acknowledged.

 

References 

[1]  J.  Golda  et  al.  J.  Phys.  D:  Appl.  Phys.  49 

(2016) 084003. 

 

[2]  C.  O'Neill,  et  al,  Appl.  Phys.  Lett.,  101 



(2012) 154107 

[3]  J.  Waskoenig,  J.  and  T.  Gans,  Appl.  Phys. 

Lett., 96 (2010) 181501

 

Topic number 10 



296

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

 

 



Parameters of tap water treated by cold plasma discharges  

over the surface and inside water 

 

M. El Shaer



P

, M. Mobasher

P

, M. Habib, M. Samir 



 

PEARLZ (Plasma & Energy Applications Research Laboratory, Zagazig), Faculty of Engineering,  

Zagazig University, Zagazig,  Egypt 

 

Cold  plasma  applications  in  many  fields,  as  plasma  medicine  and  plasma  agriculture,  involve 



discharges in air above water surface or directly inside water. We have measured parameters of tap 

water  as  pH  value,  ORP,  conductivity  and  nitrate  concentration  for  two  types  of  discharges: pin-

water surface DBD above water and pin to plate corona discharge inside water. In the first case, pH 

is  nearly constant on the beginning of discharge time and decreases for longer time  giving acidic 

water, while conductivity, ORP and nitrate concentration increase. For discharge inside water, pH 

remains  constant,  as  well  as  conductivity,  ORP  and  nitrate  remains  at  normal  level.  From  these 

results,  we  see  that  acidic  medium  needed  for  sterilization  is  better  obtained  by  discharges  in  air 

outside water while for drinking water and agriculture, discharges inside water are more suitable. 

 

1. Introduction 

In  plasma  medicine  and  plasma  agriculture 

different  discharge  schemes  are  applied  outside  or 

inside  water  [1].  This  influences  the  physical  and 

chemical  properties  of  treated  water.  Two  types  of 

discharges  are  considered,  pin-water  surface 

dielectric  barrier  discharge  (DBD)  above  water 

surface  and  pin  to  plate  corona  discharge  inside 

water.  During  plasma  treatment,  tap  water 

parameters  as  pH,  ORP,  conductivity  and  nitrate 

concentration are measured. 

 

2. Experimental setup 

Pin-water surface DBD occurs between a needle 

above  water  surface  and  a  counter  electrode  placed 

outside the glass container bottom, as shown in Fig. 

1-a. An AC signal of 5.7 kHz and 2 KV is used.  

Needle  to  plate  corona  in  water  is  made  by 

discharging a single tri-plate Blumlein capacitor of 2 

nF charged by DC high voltage, as shown in Fig.1-b. 

Water  parameters  as  pH  value  and  conductivity  are 

measured  using  HI98129  meter,  ORP  by  HI98120 

meter and nitrate by test kit HI3874. 

  

 

             



-a- 

 

 



       -b-

   


Fig. 1, a- pin-water surface DBD, b- pin to plate Corona 

 

3. Results 

pH,  conductivity,  ORP  and  nitrate  concentration 

for  tap  water  under  pin-water  surface  DBD  outside 

water and pin to plate corona inside water are shown 

in Fig 2 -a and 2-b. 

 

-a- 


 

-b- 


Fig. 2, water parameters for discharges outside water (a) 

and inside water (b) 

 

4. Conclusion 

Depending  on  applications  requiring  certain  tap 

water  parameters,  we  choose  between  discharge 

initiated in air outside water surface or inside water. 

 

5. References 

[1]  P.  Bruggeman,  C.  Leys,  J.  Phys.  D:  Appl. 

Phys. 42 (2009) 053001. 

Topic number: 17 

297


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

 

 



 Understanding the electron and vibration kinetics in CO

2

 plasmas 

 

T. Silva



1

, M. Grofulović

1

, B. L. M. Klarenaar



2

, O. Guaitella

3

, R. Engeln



2

, C. D. Pintassilgo

1,4

 

and V. Guerra



1

 

 



P

1

P

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



2

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

3

LPP, Ecole Polytechnique, UPMC, Université Paris Sud-11, CNRS, Palaiseau, France 

4

Departamento de Engenharia Física,  Faculdade de Engenharia, Universidade do Porto, Portugal 

 

This  work  contributes  towards  a  detailed  CO



2

  kinetic  scheme  that  describes  the  input  and 

relaxation  of  vibrational  energy  in  CO

2

  plasmas.  The  vibrational  energy  exchanges  in  CO



2

 

discharges and post-discharges are investigated through a self-consistent model describing the time 



evolution  of  the  population  of  individual  vibrational  levels  of  the  CO

2

(X



1

+



)  molecule.

 

The 



different processes taken into account include the electron-vibration (e-V), vibration-vibration (V-

V) and vibration-translation (V-T) energy exchanges. The model was validated by comparing the 

calculated  densities  of  vibrationally-excited  CO

2

  molecules  with  experimental  data  obtained  in  a 



pulsed CO

2

 glow discharge.  



 

1. General and model description 

The  growing interest to plasma-based greenhouse 

gas  decomposition  requires  the  knowledge  of  the 

different  kinetic  mechanisms  inherent  in  CO

discharges and post-discharges. To this purpose, we 



developed  a  kinetic  scheme  to  describe  the  time-

resolved densities of several CO

2

 vibrational levels. 



More specifically, the rate balance equations for the 

creation and loss of the levels are investigated. The 

different  processes  taken  into  account  include 

electron-vibration  (e-V),  vibration-vibration  (V-V) 

and  vibration-translation  (V-T)  energy  exchanges. 

As  a  starting  point,  we  have  assumed  a  low 

excitation  regime  in  which  only  a  few  CO

2

 



vibrational  levels  are  excited,  such  as  in  pulsed 

discharges  at  low  specific  energy  input  and  short 

pulse durations [1].  

 

2. Results and discussion 

To  validate  our  model,  the 

calculated 

concentrations  of  the  CO

2

  vibrational  levels  were 



compared with the experimental densities (obtained 

via time-resolved in situ Fourier Transform Infrared 

spectroscopy)  in  a  low-pressure  pulsed  CO

2

  DC 



glow discharge. The system under analysis operates 

with  pressure  p = 5 Torr, current  I = 50 mA and a 

pulse  width  of  5  ms.  More  details  about  the 

experimental  setup  are  given  in  [1].  As  illustration 

of  this  analysis,  Fig.  1  shows  the  calculated  and 

measured results of the relative densities of the first 

vibrationally-excited  CO

2

  levels  associated  to  the 



bending vibrational mode ??????

during the afterglow of 



the pulsed discharge. As one can see, there is a very 

good  agreement  between  the  calculated  and 

experimentally determined densities, which is also  

 

extended to the population  of the vibrational levels 



in the other modes and to the active discharge phase 

(not shown here). 

 

Fig. 1: Normalized density of the first CO



2

 bending states 

during  the  afterglow  of  a  pulsed  DC  discharge.  Open 

symbols  represent  the  calculations, while closed  symbols 

the experimental data. N

0

 and g represent the ground state 

density and statistical weight, respectively.  

3. Acknowledgments  

This  work  was  partially  supported  by  the 

Portuguese FCT, Projects UID/FIS/50010/2013 and 

PTDC/FIS-PLA/1420/2014  (PREMiERE).  VG  and 

RE  have  been  supported  by  LABEX  Plas@par 

receiving financial support managed by the Agence 

Nationale  de  la  Recherche  under  the  reference 

ANR-11-IDEX-0004-02. 

  

 

4. References  

[1]  B.L.M.  Klarenaar,  R.  Engeln,  M.A.  Damen, 

et al., contribution submitted to ICPIG, (2017). 

Topic number 5 

298


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

 

 



Surface Functionalization of Fluoropolymers with Amino and Carboxyl 

Groups by Atmospheric Pressure Plasma Jets with Substrate Biasing  

 

M. Nagatsu



1,2

, and M. Kimpara

2

 

 



P

1

P

 Shizuoka University, Research Institute of Electronics, Hamamatsu 432-8561, Japan  

P

2

P

 Shizuoka University, Graduate School of Integrated Science and Technology, Hamamatsu 432-8561, Japan 

 

Fluoropolymers are difficult materials to modify their surfaces because of the presence of strong C-F 



and C-C bonds. Surface modifications by low pressure plasma surface treatment have proven to be 

efficient,  but  it  needs  costly  high-vacuum  systems.    In  this  study,  the  surface  modification  of 

fluoropolymer films with amino- and carboxyl-groups was performed by using atmospheric pressure 

plasma jet under negatively-biased substrate condition.  Ion bombardment effect onto the polymer 

surface due to negative substrate bias will make dangling bonds and eventually improve the chemical 

modification on the surface. Functionalized surfaces were analyzed by XPS to confirm the breaking 

C-F bond and creating C-C or C=O bond. Fluorescence patterns where the fluorescent dyes connect 

specifically with the amino or carboxyl group, respectively, were clearly observed by fluorescence 

microscope.

 

 



 

1. Introduction 

Fluoropolymers, such as polytetrafluoroethylene 

(PTFE), perfluoroalkoxy polymer (PFA), fluorinated 

ethylene-propylene(FEP),  etc.,

 

have  been  widely 



used  in  various  industrial  fields,  because  of  their 

excellent  chemical,  mechanical  and  electrical 

properties.   In this study, amino- and carboxyl-group 

modification of fluoropolymer sheets was performed 

by  using  an  atmospheric  pressure  plasma  jet(APPJ) 

under  a  negatively-biased  substrate  condition.

1,2 

 

With  negative  biasing,  ion  bombardment  effect  on 



the polymer surface will serve to modify the surface 

with functional groups more efficiently.  



2. Experimental setup and results 

In this experiment, PTFE films with a thickness 

of 50 µm or 1 mm were used.   The PTFE film was 

fixed on the stage by a carbon tape and was masked 

by  a  Cu  grid,  as  illustrated  in  Fig.  1(a).    The  APPJ 

plasma was generated by applying a high voltage of 

±8 kV with  a  frequency  of  5  kHz  and  duty  ratio  of 

50%  to  the  electrodes.  Fluoropolymer  films  were 

modified  by  two  types  of  functional  groups  by 

changing  gas  species.    While  He/NH

3

  gas  mixture 



was  used  for  amino  group  modification,  He/O

2

  gas 



mixture  was  used  for  carboxyl  group  modification.

 

Figs.  1(b)  and  (c)  show  fluorescent  microscope 



images  of  PTFE  surface  after  amino-  and 

carboxyl-group 

modification, 

respectively.  

Fluorescence pattern shows clear modification in the 

maskless area.  Figure 2 shows the XPS spectra of C 

1s and N 1s of amino group modified PTFE surface. 

It is clearly seen that the CF

2

 peak intensity dropped 



to generate C-C or C=O bonds after plasma treatment, 

and NH


2

 at ~400 eV peak was appeared.  The details 

of other experimental results will be presented at the 

conference. 

 

 

 



 

 

 



 

 

 



 

Fig.  1  (a)  Experimental  setup  of  APPJ,  and  fluorescence 

images  of  (b)  amino  group  and  (c)  carboxyl  group 

modification, respectively.  

 

 

 



 

 

 



 

 

 



 

Fig.  2  XPS  spectra  of  C  1s  and  N  1s  for  untreated  and 

H/NH

3

 plasma treated PTFE films. 



References 

[1]


 

T. Abuzairi, M. Okada, Y. Mochizuki, N.R. Poespawati, 

R.W. Purnamaningsih, M. Nagatsu: Carbon 89 (2015) 

208-216. 

[2]

 

T. Abuzairi, M. Okada, S. Bhattacharjee, M. Nagatsu, 



Appl. Surf. Sci. 390 (2016) 489-496. 

Topic number 14 

Cu mask

Fluorocarbon



film

Atmospheric 

pressure 

plasma jet

Bias

voltage


Substrate stage

(a)


(b)

(c)


410

408


406

404


402

400


398

396


394

410


408

406


404

402


400

398


396

394


300

298


296

294


292

290


288

286


284

282


280

300


298

296


294

292


290

288


286

284


282

280


C 1s

N 1s


CF

2

292eV



CF

2

NH



2

~400eV


Binding energy (eV)

Binding energy (eV)

C-C

284.5eV


untreated

untreated

He/NH

3

plasma



He/NH

3

plasma



299

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

 

 



Discharge properties in gas filled micro voids in XLPE material  

 

S. Gortschakow



P

, M. Bogaczyk

P

, R. Kozakov



 

Leibniz institute for plasma science and technology, Greifswald, Germany 

P

 

 

Micro voids belong to typical defects in medium voltage cross-linked polyethylene (XLPE) cables. 



Application  of  high  voltage  can  causes  micro  discharges  in  the  medium,  which  fills  the  void. 

Besides the liquid products, methane and ethylene are the major components in a void. Properties 

of the micro discharges in a dielectric encapsulated void of typical size 3-10 µm have been studied 

by time- and space-dependent numerical model in a wide range of pressures and applied voltages. 

Basic features of the model will be presented. Temporal evolutions of electrical properties, species 

densities are presented and discussed. Typical discharge duration of less than 1 ns has been found. 

The  discharge  development  is  characterized  by  fast  propagating  waves  of  ions  and  electrons,  as 

well  as  pronounced  deviation  from  quasineutrality.  The  role  of  various  electron  production 

mechanisms is discussed. 

 

1. Introduction 

Parasitic  micro  discharges  in  high  voltage 

apparatus  can  lead  to  it  destruction.  Understanding 

of  discharge  phenomena  is  therefore  of  a  great 

importance.  Discharge  behaviour  in  a  micro  void, 

typical  defect  of  XLPE  cable,    is  studied  by  a 

numerical model. 

 

Figure 1: Schematic picture of discharge geometry. 



 

2. Brief model description  

The  void  is  represented  by  cylindrical  filament 

(Fig.1)  with  a  length  d=(3-10µm)  and  a  radius 

R=d/2, encapsulated between two 1 cm thick XLPE 

specimens. The model [1] was adopted and extended 

for  analysis.  The  plasma-chemical  model  of  a 

discharge  in  methane  or  ethylene  considers  besides 

the  electrons,  neutral  species  and  various  positive 

and negative ions. Corresponding reaction rates and 

transport data were obtained by solution of electron 

Boltzmann equation. The model includes the surface 

emission  [2]  as  possible  electron  production 

mechanism.

 

 



3. Example of results 

Fig. 2 shows the spatio-temporal evolution of the 

electron density n

e

 and of the main ion density CH



4

+

 



in  atmospheric  pressure  methane  discharge.  Clear 

differences  in  the  species  behaviour  are  obvious. 

Detailed  explanation  and  discussion  of  this  and 

other results of will be given in presentation. 

 

 

Figure 2: Spatio-temporal evolution of charged particles 



in methane.  

P=1 bar, U

0

= 20 kV. Cathode z=0, anode z=10 µm 



 

4. Acknowledgement 

The  project  is  supported  by  German  federal 

government (BMBF)  by grant FKZ 03SF0476A. 

 

5. References 

[1]  M.  M. Becker et al., J. Phys.  D: Appl. Phys. 

46 (2013) 355203.  

[2] L. Niemeyer, IEEE TDEI 2 (1995) 510.

 

Topic #10 



300

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

 

 



Effect of space charge on electron emission in vacuum  

 

B. Seznec



1,2

U



Ph. Dessante

2

, Ph. Teste



2

, T. Minea

1

 

 



1

P

LPGP, Laboratoire de Physique des Gaz et Plasmas, UMR 8578, CNRS, Univ. Paris-Sud, Université Paris-



Saclay, Orsay CEDEX, 91405, France 

2

 

GeePs,  Group of electrical engineering – Paris, UMR 8507, CNRS, CentraleSupelec, Univ. Paris-Sud, 



Sorbonne Universités, UPMC Univ Paris 06, Université Paris-Saclay, 91192 Gif sur Yvette CEDEX, France

 

 

Vacuum  electron  sources  exploiting  field  emission  are  generally  operated  in  direct  current  (DC) 



mode.  The  development  of  nanosecond  pulsed  power  supplies  facilitates  the  emission  of  high 

density  electron  bunches.  The  breakdown  levels  are  taken  as  the  highest  value  of  the  voltage 

avoiding  the  thermo-emission  instability.  However,  the  space  charge  limits  the  performance  of 

these electron sources by decreasing the electric field and consequently the thermo-field emission 

at  the  surface  of  the  electrode.  A  comparative  study  of  the  space  charge  effect  for  different 

protrusions,  operated  in  DC  and  pulsed  modes  for  a  given  voltage,  shows  the  decrease  of  the 

electron current by a factor of 2 with respect to its value in vacuum (no charge). 

 


Download 9.74 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   59   60   61   62   63   64   65   66   ...   85




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