Influence of voltage pulse duration on ignition of glow discharge in air

The effect of the duty cycle coefficient on the pulsed discharge ignition in air has been studied in experiment. It has been found that the highest breakdown voltage values are required for igniting the discharge with short pulses possessing moderate values of the duty cycle coefficient D. On increasing the pulse duration the strongest changes of the breakdown voltage are observed at low gas pressure to the left of the breakdown curve minimum. With the D quantity growing and the gas pressure fixed the breakdown voltage first decreases and then it experiences saturation that corresponds to the breakdown in the constant (not pulsed) electric field (D = 1). In the region to the right of the breakdown curve the range of the breakdown voltage variation against the duty cycle narrows.Експериментально досліджувався вплив коефіцієнта заповнення на запалювання імпульсного розряду в повітрі. Було виявлено, що найвищі значення напруги пробою потрібні для запалювання розряду короткими імпульсами, які мають невеликі значення коефіцієнта заповнення D. При збільшенні тривалості імпульсу найсильніші зміни пробійної напруги спостерігаються при низькому тиску газу зліва від мінімумів кривих запалювання. При збільшенні величини D і фіксованому тиску газу пробійна напруга спочатку зменшується, а потім вона виходить на насичення, що відповідає пробою в постійному (не імпульсному) електричному полі (D = 1). У зоні праворуч від мінімуму кривої запалювання звужується діапазон зміни пробійної напруги на залежності від коефіцієнта заповнення.Экспериментально исследовалось влияние коэффициента заполнения на зажигание импульсного разряда в воздухе. Было обнаружено, что самые высокие значения напряжения пробоя требуются для зажигания разряда короткими импульсами, имеющими небольшие значения коэффициента заполнения D. При увеличении длительности импульса самые сильные изменения пробойного напряжения наблюдаются при низком давлении газа слева от минимумов кривых зажигания. При увеличении величины D и фиксированном давлении газа пробойное напряжение сначала уменьшается, а затем оно выходит на насыщение, что соответствует пробою в постоянном (не импульсном) электрическом поле (D = 1). В области справа от минимума кривой зажигания сужается диапазон изменения пробойного напряжения на зависимости от коэффициента заполнения

Simulation of gas dynamics in plasma reactor for carbon dioxide conversion

Numerical simulation of a bulk-type plasma reactor for carbon dioxide conversion with distributed gas injection and pumping has been performed in hydrodynamic approximation by solution of Navier-Stokes equation using the mathematical package COMSOL. It is shown that the geometry of gas injection and pumping, which determines the trajectories of the particles and their residence time in reactor, can significantly affect the energy efficiency of the conversion. Different particles on their way from inlet to pumping hole move along different trajectories and spend different times inside the reactor. If the residence time of the gas in the reactor is less than optimal, the gas conversion will be incomplete. If this time is more than optimal, then an excessive amount of energy will be applied to the already converted gas. It is shown that the reactor height affects significantly the energy efficiency of plasma conversion of carbon dioxide.Чисельне моделювання плазмового реактора об’ємного типу для конверсії діоксиду вуглецю з розподіленими напуском і відкачуванням газу виконано в гідродинамічному наближенні шляхом вирішення рівняння Нав’є-Стокса за допомогою математичного пакета COMSOL. Показано, що геометрія напуску і відкачування газу, що визначає траєкторії частинок і час їх перебування в реакторі, може істотно впливати на енергетичну ефективність конверсії. Різні частинки на своєму шляху від входу до виходу рухаються за різними траєкторіями і проводять різні часи всередині реактора. Якщо час перебування газу в реакторі менший оптимального, конверсія газу буде неповною. Якщо цей час більший оптимального, то в уже перетворений газ буде вкладена надмірна кількість енергії. Показано, що висота реактора істотно впливає на енергоефективність плазмового перетворення вуглекислого газу.Численное моделирование плазменного реактора объемного типа для конверсии диоксида углерода с распределенными напуском и откачкой газа выполнено в гидродинамическом приближении путем решения уравнения Навье-Стокса с помощью математического пакета COMSOL. Показано, что геометрия напуска и откачки газа, определяющая траектории частиц и время их пребывания в реакторе, может существенно влиять на энергетическую эффективность конверсии. Различные частицы на своем пути от входа к выходу движутся по разным траекториям и проводят разное время внутри реактора. Если время пребывания газа в реакторе меньше оптимального, конверсия газа будет неполной. Если это время больше оптимального, то в уже преобразованный газ будет вложено чрезмерное количество энергии. Показано, что высота реактора существенно влияет на энергоэффективность плазменного преобразования углекислого газа

DC gas breakdown and townsend discharge in CO₂

We report the breakdown curves and current-voltage characteristics (CVC) of the Townsend mode DC discharge we have measured in carbon dioxide. We compare the breakdown curves measured with two different techniques. With the first technique we regard as breakdown voltage the maximum voltage which we can apply across the electrodes without igniting the discharge with fixed values of the inter-electrode distance and the gas pressure. With the second technique we register the CVC of the Townsend mode in the μA-mA range and then extrapolate them to zero current. We reveal that in the nA-μA range the CVCs of the Townsend mode may have a complicated behavior due to the formation of the space charge. Therefore the second technique furnishes incorrect values of the breakdown voltage.Виміряні криві запалювання і вольт-амперні характеристики (ВАХ) таунсендівського режиму DC розряду у вуглекислому газі. Порівнюються криві запалювання, отримані двома різними методами. У першому методі за пробійну вважається максимальна напруга, яку при фіксованих значеннях відстані між електродами і тиску газу можливо без запалювання розряду прикласти до електродів. У другому методі вимірюються ВАХ таунсендівського режиму в мкA-мA діапазоні і потім екстраполюються на нульовий струм. Показано, що в діапазоні нA-мкA через формування просторового заряду ВАХ таунсендівського режиму можуть мати складну поведінку. Тому другий метод дає некоректні значення пробійної напруги.Измерены кривые зажигания и вольт-амперные характеристики (ВАХ) таунсендовского режима DC разряда в углекислом газе. Сравниваются кривые зажигания, полученные двумя различными методами. В первом методе за пробойное принимается максимальное напряжение, которое при фиксированных значениях расстояния между электродами и давления газа можно без зажигания разряда приложить к электродам. Во втором методе измеряются ВАХ таунсендовского режима в мкмA-мA диапазоне и затем экстраполируются на нулевой ток. Показано, что в диапазоне нA-мкA из-за формирования пространственного заряда ВАХ таунсендовского режима могут иметь сложное поведение. Поэтому второй метод дает некорректные значения пробойного напряжения

Studying CO₂ conversion in DC glow discharge

We have registered the mass-spectra of the gas mixture leaving the chamber and the discharge current-voltage characteristics and determined the specific energy input (SEI), the absolute conversion coefficient χ and the conversion energy efficiency η in the CO₂ pressure range of 0.05…5 Torr. Converting CO₂ molecules was performed in the glow discharge in a chamber with distributed same-side gas supply and pumping. As a result the conversion coefficient χ equaling 70% was achieved, but the conversion energy efficiency η did not exceed 1…3% because of considerable power loss due to acceleration of positive ions, gas and electrode heating as well as to inelastic collisions between electrons and gas molecules not leading to CO₂ conversion.За допомогою виміряних мас-спектрів газової суміші, що виходить з камери, а також вольт-амперних характеристик розряду визначені питомий енергетичний внесок (SEI), абсолютний коефіцієнт конверсії χ та енергетична ефективність конверсії η в діапазоні тиску CO₂ 0,05…5 Торр. Процес плазмової конверсії молекул CO₂ проводився у тліючому розряді в камері з розподіленими напусканням та відкачуванням газу з одного боку. У результаті досягнута величина коефіцієнта конверсії χ~70%, проте енергетична ефективність конверсії η не перевищувала 1…3% через значні втрати потужності на прискорення позитивних іонів, нагрівання електродів і газу, а також при непружних зіткненнях електронів з молекулами газу, які не призводять до конверсії CO₂.С помощью измеренных масс-спектров газовой смеси, выходящей из камеры, а также вольт-амперных характеристик разряда определены удельный энергетический вклад (SEI), абсолютный коэффициент конверсии χ и энергетическая эффективность конверсии η в диапазоне давлений CO₂ 0,05…5 Торр. Процесс плазменной конверсии молекул CO₂ проводился в тлеющем разряде в камере с распределенными напуском и откачкой газа с одной стороны. В результате достигнута величина коэффициента конверсии χ~70%, однако энергетическая эффективность конверсии η не превышала 1…3% из-за значительных потерь мощности на ускорение положительных ионов, нагрев электродов и газа, а также при неупругих столкновениях электронов с молекулами газа, которые не приводят к конверсии CO₂

Glow discharge with a hollow cathode in carbon dioxide

This paper is devoted to an experimental study of the dc discharge with a hollow cathode within the carbon dioxide pressure range of 0.06…2 Torr. The registered CVCs in the pressure range below 0.5 Torr possess a hysteretic pattern with transitions between glow and hollow modes. We have demonstrated that the value of the product of gas pressure and distance between cathode plates p·dh = 0.32 Torr·cm is optimum for the application of the discharge with hollow cathode for plasma conversion of the carbon dioxide when the maximum discharge current is observed. Then the cathode cavity is filled with a high density discharge. Treating the optical emission spectrum has revealed that in the negative glow there have to be present the electron flows with the energy above 18 eV, what must provide the high rate of the CO₂ molecules conversion via direct electron impact. Slow electrons produced inside the negative glow itself have to supply an additional contribution to the conversion process and to make an efficient excitation of oscillatory levels of CO₂ molecules.Представлено експериментальне дослідження жеврійного (тліючого) розряду з порожнистим катодом у діапазоні тиску вуглекислого газу 0,06…2 Toрр. Виміряні вольт-амперні характеристики в діапазоні тиску менше 0,5 Торр мають гістерезисний характер з переходами від тліючого до порожнистого режимів. Показано, що оптимальними для використання розряду з порожнистим катодом для плазмової конверсії вуглекислого газу є величина добутку тиску газу і відстані між катодними пластинами p·dh = 0,32 Toрр·cм, коли спостерігається максимальний розрядний струм. При цьому катодна порожнина заповнена розрядом із високою густиною. Аналіз виміряного оптичного емісійного спектра показав, що в негативному світінні в катодній порожнині мають бути потоки електронів з енергією вище 18 еВ, що повинно забезпечувати високу швидкість процесу конверсії молекул CO₂ прямим електронним ударом. Додатковий внесок у процес конверсії мають давати повільні електрони, народжені в негативному світінні, які ефективно збуджують коливальні рівні молекул CO₂

Ignition and properties of RF capacitive discharge in acetylene

In the present work, we measured breakdown and extinction curves of radio-frequency discharge in acetylene as well as dependences of active current, power and gas pressure on the discharge burning time, and also optical emission spectra. It was found that in the region of low acetylene pressures (to the left of the minimum of the breakdown curve), the discharge can cover only a part of the electrode surface. Immediately after the ignition of the discharge, due to the intense deposition of the polymer film and the formation of dust particles in the plasma volume, the gas pressure decreases sharply (by the factor of 2-5), while the active current and power increase and then reach saturation. In the discharge with intense polymerization, the lines of atomic and molecular hydrogen dominate in the emission spectrum of the discharge. The film deposited on the surface of the electrodes and the tube walls, as well as the dust particles formed, are amorphous, the maximum peak of XRD spectrum is observed at 2θ = 18°, and the light absorption by the deposited films is highest at 440 nm wavelength.Виміряні криві запалювання та згасання, залежності активних струму, потужності та тиску газу від часу горіння розряду, а також спектри випромінювання високочастотного розряду в ацетилені. Отримано, що в області низьких значень тиску ацетилену (зліва від мінімуму кривої запалювання) розряд може покривати тільки частину поверхні електродів. Відразу після запалювання розряду через інтенсивне осадження полімерної плівки і утворення пилових частинок у плазмовому об’ємі різко (в 2-5 разів) зменшується тиск газу, а активні струм і потужність зростають і потім виходять на насичення. У процесі інтенсивної полімеризації в спектрі випромінювання розряду домінують лінії атомарного і молекулярного водню. Плівка, що осаджується на поверхню електродів і стінок трубки, а також пилові частинки, що формуються, є аморфними, для них максимальне дифракційне розсіювання рентгенівських променів спостерігається при 2θ = 18°, а поглинання видимого світла є найбільшим при 440 нм.Измерены кривые зажигания и погасания, зависимости активных тока, мощности и давления газа от времени горения разряда, а также спектры излучения высокочастотного разряда в ацетилене. Получено, что в области низких давлений ацетилена (слева от минимума кривой зажигания) разряд может покрывать только часть поверхности электродов. Сразу после зажигания разряда из-за интенсивного осаждения полимерной пленки и образования пылевых частиц в плазменном объеме резко (в 2-5 раз) уменьшается давление газа, а активные ток и мощность возрастают и затем выходят на насыщение. В процессе интенсивной полимеризации в спектре излучения разряда доминируют линии атомарного и молекулярного водорода. Осаждаемая на поверхность электродов и стенок трубки пленка, а также формирующиеся пылевые частицы являются аморфными, для них максимальное дифракционное рассеяние рентгеновских лучей наблюдается при 2θ = 18°, а поглощение видимого света является наибольшим при 440 нм

Control of reduced electric field in the positive column of a pulsed discharge in CO₂

The electric field strength in the positive column of dc and bipolar pulsed discharges in carbon dioxide was de-termined by the method of moving electrodes. It is shown that an increase in the frequency of the pulse voltage leads to the electric field strength increase. The following values of the reduced electric field E/p for a gas pressure of 0.5 Torr were obtained: 22.5 V/(cm·Torr) for dc discharge, 30 V/(cm·Torr) for pulsed discharge at 20 kHz for low-current mode and 32 V/(cm·Torr) for high-current mode, and 36.6 V/(cm·Torr) for 75 kHz. We see that in the dc discharge, the reduced electric field is weak, due to which the exchange of vibrational energy between CO₂ mole-cules dominates the conversion process. The increase of the electric field strength in the positive column of a pulsed discharge, especially under conditions of gas heating, allows obtaining E/N > 100 Td when the process of direct dissociation of CO₂ molecules by fast electrons makes the main contribution to the conversion process.Методом рухомих електродів була визначена величина напруженості електричного поля у позитивному стовпі розряду постійного струму та біполярних імпульсних розрядів у вуглекислому газі. Показано, що підвищення частоти імпульсної напруги призводить до збільшення напруженості електричного поля у позитивному стовпі. Були отримані наступні величини зведеного електричного поля E/p, коли тиск газу становив 0,5 Torr: для розряду постійного струму 22,5 В/(см·Toрр), так для імпульсного розряду з частотою 20 кГц значення зведеного електричного поля складало 30 В/(см·Toрр) для слабкострумового режиму та 32 В/(см·Toрр) для сильнострумового режиму і 36,6 В/(см·Toрр) для частоти 75 кГц. Бачимо, що у розряді постійного струму зведене електричного поле E/N слабке, завдяки чому обмін коливальною енергією між молекулами CO₂ домінує при процесі конверсії. Збільшення напруженості електричного поля у позитивному стовпі імпульсного розряду, особливо за умов нагріву газу, дозволяє отримати E/N > 100 Tд, коли процес прямої дисоціації молекул CO₂ швидкими електронами дає основний вклад у процес конверсії

Riociguat treatment in patients with chronic thromboembolic pulmonary hypertension: Final safety data from the EXPERT registry

Objective: The soluble guanylate cyclase stimulator riociguat is approved for the treatment of adult patients with pulmonary arterial hypertension (PAH) and inoperable or persistent/recurrent chronic thromboembolic pulmonary hypertension (CTEPH) following Phase