Dust particle charging in sheath

The charging and the screening of spherical dust particles in sheaths near the wall were studied using computer simulation. The three-dimensional PIC/MCC method and molecular dynamics method were applied to describe plasma particles motion and interaction with macroscopic dust grain. Calculations were carried out at different neutral gas pressures and wall potentials. Values of the charge of the dust particles and spatial distributions of plasma parameters are obtained by modelling. The results have shown that the charge of the dust particles in the sheath, as well as the spatial distribution of the ions and electrons near the dust particles, depend strongly on the wall potential. It is shown that for large negative values of the wall potential the negative charge of a dust particle decreases due to the decline of the electron density in its vicinity. In addition, the flow of energy of the ions on the surface of dust particles is increased due to better focusing effect of the dust particle field on ions.Зарядка и экранирование сферических пылевых частиц в приэлектродных слоях вблизи стенки были изучены с помощью компьютерного моделирования. Трехмерный PIC/MCC-метод и метод молекулярной динамики были применены для описания движения частиц плазмы и взаимодействия их с макроскопической пылинкой. Расчеты проводились при различных значениях давления нейтрального газа и потенциала стенки. Значения заряда пылевых частиц и пространственные распределения параметров плазмы получены при помощи моделирования. Результаты показали, что заряд пылевых частиц в приэлектродном слое, а также пространственные распределения ионов и электронов вблизи пылевых частиц сильно зависят от потенциала стенки. Показано, что при больших значениях потенциала стенки отрицательный заряд пылевой частицы уменьшается в связи с уменьшением плотности электронов в ее окрестности. Кроме того, поток энергии ионов на поверхность пылевой частицы увеличивается за счет лучшего фокусирующего действия поля пылевых частиц на ионы.Зарядка і екранування сферичних пилових частинок у приелектродних шарах поблизу стінки були вивчені за допомогою комп'ютерного моделювання. Тривимірний PIC/MCC-метод і метод молекулярної динаміки були застосовані для опису руху частинок плазми та взаємодії їх з макроскопічною пилинкою. Розрахунки проводились при різних значеннях тиску нейтрального газу і потенціалу стінки. Значення заряду пилових частинок і просторові розподіли параметрів плазми отримані за допомогою моделювання. Результати показали, що заряд пилових частинок у приелектродному шарі, а також просторові розподіли іонів і електронів поблизу пилових частинок сильно залежать від потенціалу стінки. Показано, що при великих значеннях потенціалу стінки негативний заряд пилової частинки зменшується в зв'язку зі зменшенням концентрації електронів поблизу неї. Крім того, потік енергії іонів на поверхню пилової частинки збільшується за рахунок кращої фокусуючої дії поля пилових частинок на іони

Electric discharge in the transverse air flow at atmospheric pressure

Physical features of the transverse arc discharge and its atmospheric pressure plasma were investigated for the different gas flow rates (gas flow velocity ~ 0…2/3 of the sound speed) and character of the gas flow (laminar/turbulent). Component composition of the plasmaforming gas; electronic excitation temperatures Te* of atoms, vibrational Tv * and rotational Tr* temperatures of molecules in the generated plasma were determined by optical emission spectroscopy. Founded difference of the temperatures Tе*(Cu)>Tе*(O, H) was explained by the additional mechanism of the population of the excited electronic states of cooper atoms (material of electrodes) due to the ion-ion recombination, which is almost absent for the blowing gas atoms. Non-monotonic character of the Tr*(N₂) and Tr*(N₂₊) dependence on the gas flow was connected with transition from laminar to the turbulent gas flow regime. It was shown that at large gas flows (at which the deviation from laminar flow occurs and the turbulence starts) plasma of TA becomes more isothermal.Физические особенности поперечного дугового разряда и его атмосферной плазмы исследованы для различных воздушных потоков (скорости потока ~ 0…2/3 скорости звука) и режимов газовых течений (ламинарного, турбулентного). Состав плазмообразующего газа, электронные температуры заселения Te*атомов, колебательная Tv* и вращательная Tr* температуры заселения молекул в генерируемой плазме определены с помощью оптической эмиссионной спектроскопии. Выявленное отличие между температурами Tе*(Cu)>Tе*(O, H) объяснили дополнительным механизмом заселения возбужденных электронных уровней атомов меди (материал электродов) за счет ион-ионной рекомбинации, который практически отсутствует для атомов обдувающего газа. Немонотонный характер зависимостей Tr*(N₂) и Tr*(N₂₊) от величины газового потока связан с переходом течения газа из ламинарного в турбулентный режим. Показано, что при больших газовых потоках (при которых начинается отклонение от ламинарного режима и появление турбулентности) плазма поперечной дуги становится более изотермичной.Фізичні особливості поперечного дугового розряду та його атмосферної плазми досліджено для різних повітряних потоків (швидкість потоку ~ 0…2/3 швидкості звуку) і режимів газових течій (ламінарної, турбулентної). Склад плазмоутворюючого газу, електронні температури заселення Te* атомів, коливальна Tv* і обертальна Tr* температури заселення молекул у генерованій плазмі визначені за допомогою оптичної емісійної спектроскопії. Виявлену відмінність між температурами Tе*(Cu)>Tе*(O, H) пояснено додатковим механізмом заселення збуджених електронних рівнів атомів міді (матеріал електродів) за рахунок іон-іонної рекомбінації, який практично відсутній для атомів газу, що обдуває дугу. Немонотонний характер залежностей Tr*(N₂) і Tr*(N₂₊) від величини газового потоку пов’язаний з переходом течії газу з ламінарного у турбулентний режим. Показано, що при великих газових потоках (при яких починається відхилення від ламінарного режиму та поява турбулентності) плазма поперечної дуги стає більш ізотермічною

Continuous process of carbon nanoparticles generation by the plasma-liquid system "tornado" type

Plasma-catalytic system for generation of carbon nanomaterials based on tornado-type discharge (using reverse-vortex gas flow) in a mixture of ethanol aerosol and inert gas was studied. Current-voltage characteristics of the discharge for different modes of the system were investigated. Efficiency of the systems with metal and graphite electrodes was compared. The possibility of continuous operation of such plasma-liquid reactor combined with pyrolytic chamber was demonstrated. It was shown that different morphology of carbon structures (nanorods and nanotubes) generated in such plasma system depends on the temperature of pyrolytic chamber and electrode materials.Представлены плазменно-каталитические системы для генерации углеродных наноматериалов на основе разряда типа "торнадо" (с использованием обратно-вихревого потока газа) в смеси аэрозоля этанола и инертного газа. Рассмотрены вольт-амперные характеристики такого разряда для различных режимов работы системы. Проведено сравнение эффективности системы с металлическими и графитовыми электродами. Показана возможность непрерывной работы такого плазменно-жидкостного реактора в сочетании с пиролитической камерой. Показана возможность образования в такой системе углеродных структур различной морфологии (наностержней и нанотрубок) в зависимости от температуры пиролитической камеры и материала электродов.Представлено плазмово-каталітичні системи для генерації вуглецевих наноматеріалів на основі розряду типу "торнадо" (з використанням обернено-вихрового потоку газу) в суміші аерозолю етанолу та інертного газу. Розглянуто вольт-амперні характеристики такого розряду для різних режимів роботи системи. Проведено порівняння ефективності системи з металевими та графітовими електродами. Показана можливість безперервної роботи такого плазмово-рідинного реактора в поєднанні з піролітичною камерою. Показана можливість утворення в такій системі вуглецевих структур різної морфології (нанострижнів і нанотрубок) в залежності від температури піролітичної камери та матеріалу електродів

Effect of an explosive electron emission on magnetized sheath between plasma and isolated wall

It is carried the two-dimensional computer simulation of evolution of the magnetized sheath that arises between plasma and isolated wall under the influence of an explosive emission of electrons from the microspot of the surface using the PIC/MCC method. Calculations are performed for different electron current densities, values of the magnetic induction and gas pressures. One of the obtained effects is the direction changing of the electric field under the influence of explosive emission near the center of the electrons emission. Due to this effect the unipolar arc ignition is shown. It is studied the influence of magnetic field on the development of unipolar arc.Методом PIC/MCC виконується двохвимірне комп’ютерне моделювання еволюції замагніченого приелектродного шару, що виникає між плазмою та ізольованою стінкою, під впливом вибухової емісії електронів з мікроплями на поверхні. Обчислення виконується для різних густин електронного струму, значень магнітної індукції і тиску газу. Одним з одержаних ефектів є зміна напрямку електричного поля під впливом вибухової емісії поблизу плями емісії. Завдяки цьому показано запалення уніполярної дуги, а також вивчено вплив магнітного поля на її розвиток.Методом PIC/MCC выполняется двухмерное компьютерное моделирование эволюции замагниченного приэлектродного слоя, возникающего между плазмой и изолированной стенкой, под влиянием взрывной эмиссии электронов из микропятна на поверхности. Вычисления выполняются для различных плотностей електронного тока,значений магнитной индукции и давлений газа. Одним из полученных эффектов является изменение направления электрического поля под влиянием взрывной эмиссии вблизи пятна эмиссии . Благодаря этому эффекту показано зажигание униполярной дуги, а также изучено влияние магнитного поля на ее развитие

Emission spectroscopy of transversal atmospheric pressure discharges

Plasma properties of the transversal discharges (transverse arc and the discharge in gas channel with liquid wall) were investigated by optical emission spectroscopy. Population distribution temperatures of excited states of atoms and molecules in generated plasmas were determined. Relative concentrations of radiating plasma components were estimated by using method suggested in this work. The comparative analysis of plasma parameters of different transversal atmospheric pressure discharges was made.Методом оптичної емісійної спектроскопії досліджено властивості плазми поперечних розрядів (поперечної дуги та розряду в газовому каналі з рідкою стінкою). Визначені температури заселення збуджених рівнів атомів та молекул у генерованих плазмах. За допомогою запропонованого в даній роботі методу оцінені відносні концентрації випромінюючих компонентів плазми досліджених розрядів. Проведено порівняльний аналіз параметрів плазми різних поперечних розрядів атмосферного тиску.Методом оптической эмиссионной спектроскопии исследованы свойства плазмы поперечных разрядов (поперечной дуги и разряда в газовом канале с жидкой стенкой). Oпределены температуры заселения возбужденных уровней атомов и молекул в генерированных плазмах. С помощью предложенного в данной работе метода оценены относительные концентрации излучающих компонент плазмы исследуемых разрядов. Проведен сравнительный анализ параметров плазмы различных поперечных разрядов атмосферного давления

RF discharge in argon with cylindrical dust particles

Kinetic computer simulations of the low pressure RF discharge in argon with cylindrical and spherical dust particles are carried out using PIC/MCC method. The Monte Carlo technique is used to describe electron and ion collisions with neutral atoms, ions, and dust particles. Obtained results show the remarkable influence of the dust particle shape on spatial distributions of RF discharge parameters including the ion density and the dust particle charge. Possible reasons of the influence can be a difference of the collection effective cross-section between spherical and cylindrical dust particles with equal surfaces as well as the balance of charged particles in dusty RF discharges.Кінетичне комп’ютерне моделювання радіочастотного розряду в аргоні з циліндричними і сферичними пиловими частинками проводилося з використанням PIC/MCC методу. Техніка Монте-Карло використовувалася для опису електронних і іонних зіткнень з нейтральними атомами і пиловими частинками. Отримані результати показують, що форма пилових частинок помітно впливає на просторові розподіли параметрів радіочастотного розряду, в тому числі на розподіли густини іонів і заряду пилових частинок. Можливими причинами цього впливу може бути різниця ефективних перетинів сферичних і циліндричних пилових частинок однакової поверхні, а також баланс заряджених частинок в запорошених радіочастотних розрядах.Кинетическое компьютерное моделирование радиочастотного разряда в аргоне с цилиндрическими и сферическими пылевыми частицами проводился с использованием PIC/MCC метода. Техника Монте-Карло использовалась для описания электронных и ионных соударений с нейтральными атомами и пылевыми частицами. Полученные результаты показывают, что форма пылевых частиц заметно влияет на пространственные распределения параметров радиочастотного разряда, в том числе на распределения концентрации ионов и заряда пылевых частиц. Возможными причинами этого влияния может быть разница эффективных сечений сферических и цилиндрических пылевых частиц с одинаковой поверхностью, а также баланс заряженных частиц в запыленных радиочастотных разрядах

The obtaining and properties investigation of plasma formation at pulse discharge in water aerosol

The results of investigation of electro-physical and spectral properties of the impulse discharge plasma in aerosol were represented in work. The discharge current, voltage and integral spectrum of plasma were measured. The discharge space was filmed with the help of digital camera. The plasmoids with lifetimes about 150 milliseconds in the autonomous stage after current zero were observed.Представлены результаты исследования электрофизических и спектральных свойств плазмы импульсного разряда в аэрозоле. Были измерены ток разряда, напряжение и интегральный спектр плазмы. Область разряда наблюдалась с помощью цифровой камеры. Наблюдалось появление плазмоидов с временем жизни порядка 150 мс в автономном режиме (после прекращения тока разряда).Представлені результати дослідження електрофізичних та спектральних властивостей плазми імпульсного розряду в аерозолі. Були виміряні струм розряду, напруга та інтегральний спектр плазми. Область розряду спостерігалась з допомогою цифрової камери. Спостерігалась поява плазмоїдів з часом життя близько 150 мс в автономному режимі (після припинення струму розряду)

Plasma catalysis of carbon nanoparticles synthesis in the pyrolytic chamber

For experimental studies the generation of carbon nanoparticles with continuous removal of material was used plasmaliquid system with discharge in reverse vortex flow of "tornado" type. As a model of hydrocarbon has been used 96% ethanol. To generate reverse vortex flow used inert gas argon. The possibility of continuous transport of carbon nanomaterials from the synthesis area of solid-phase chemically passive microparticles revealed. Analysis of gas samples was carried out on gas chromatograph 6890N Agilen. Purified carbon samples investigated by Fourier spectrometer "Infralyum FT-801"Для исследования генерации наночастиц углерода с непрерывным удалением материала была использована плазменно-жидкостная система с обратновихревым потоком типа "торнадо". В качестве модельного углеводорода был использован 96% этанол. Для создания обратновихревого потока использовали инертный газ аргон. Выявлена возможность непрерывного удаления углеродных наноматериалов из области синтеза с помощью твердофазных химически пассивных микрочастиц. Анализ проб газа проводился на газовом хроматографе 6890N Agilen. Очищенные образцы углерода исследовали с помощью фурье-спектрометра "Инфралюм ФТ-801".Для дослідження генерації наночастинок вуглецю з безперервним видаленням матеріалу була використана плазмово-рідинна система зі зворотньовихровим потоком типу "торнадо". В якості модельного вуглеводню був використаний 96% етанол. Для створення зворотньовихрового потоку використовували інертний газ аргон. Виявлено можливість безперервного видалення вуглецевих наноматеріалів з області синтезу за допомогою твердофазних хімічно пасивних мікрочастинок. Аналіз проб газу проводився на газовому хроматографі 6890N Agilen. Очищені зразки вуглецю досліджували за допомогою фур'є-спектрометра "Інфралюм ФТ-801"

Study of the rotating gliding discharge at atmospheric pressure

The possibility of creating a source of non-equilibrium atmospheric pressure plasma based on the rotating gliding discharge is considered in this research. Systems used for the research of the rotating gliding discharge at atmospheric pressure are described. Results, obtained during the study are presented. The possibility of creating discharge system with a bigger effective area of the discharge cathode binding to electrode than standard electric arc plasma generators is demonstrated.Рассматривается возможность создания долгоживущего источника неравновесной плазмы атмосферного давления на основе вращающегося скользящего разряда. Описываются системы, на которых проводились исследования вращающегося скользящего разряда атмосферного давления. Представлены результаты, полученные в ходе исследований. Показана возможность создания разрядной системы с эффективной площадью катодной привязки разряда к электроду большей, чем в стандартных электродуговых генераторах, плазмы.Розглядається можливість створення довгодіючого джерела нерівноважної плазми атмосферного тиску на основі обертово-ковзного розряду. Описуються системи, на яких проводились дослідження обертово-ковзного розряду атмосферного тиску. Представлені результати отримано під час дослідження. Показана можливість створення розрядної системи з ефективною площею катодної прив’язки розряду до електроду більшої, ніж у стандартних електродугових генераторах, плазми

Reforming of bioethanol in the system with reverse vortex air/Сo₂ flow of “Tornado” type with liquid electrode

In this paper we studied the reforming of bioethanol using the combined system that includes a plasma processing and handling in the pyrolysis chamber. As the plasma source was used plasma-liquid system with back-vortex flow of gas (a mixture of air and CO₂) and liquid electrode. Carbon dioxide was added in reforming the system to influence the plasma-chemical processes in the conversion of hydrocarbons. As the working fluid was used ethanol solution in distilled water (ratio C₂H₅OH/H₂O = 1/9,5). The system was investigated by emission spectroscopy, current-voltage characteristics, gas chromatography.Изучено реформирование биоэтанола с использованием комбинированной системы, которая включает плазменную обработку и обработку в пиролитической камере. В качестве источника плазмы была использована плазменно-жидкостная система с обратновихревым потоком газа (смесь воздуха и СО₂) и жидким электродом. Углекислый газ добавлялся в систему при реформировании для того, чтобы влиять на плазмохимические процессы конверсии углеводородов. В качестве рабочей жидкости использовался раствор этилового спирта в дистиллированной воде (соотношение C₂H₅OH/H₂O = 1/9, 5).Система была исследована с помощью эмиссионной спектроскопии, вольт-амперных характеристик, газовой хроматографии.Вивчено реформування біоетанолу з використанням комбінованої системи, яка включає плазмову обробку і обробку в піролітичній камері. В якості джерела плазми було використано плазмово-рідинну систему зі зворотновихровим потоком газу (суміш повітря і СО₂) з рідким електродом. Вуглекислий газ додавався в систему під час реформування для того, щоб впливати на плазмохімічні процеси конверсії вуглеводнів. В якості робочої рідини використовувався розчин етилового спирту в дистильованій воді (співвідношення C₂H₅OH/H₂O = 1/9, 5). Система була досліджена за допомогою емісійної спектроскопії, вольт-амперних характеристик, газової хроматографії