Positive column contraction of the glow discharge in nitrogen

This paper studies the diffuse mode of the positive column in nitrogen, the contracted one near the threshold of its onset as well as the transition between these modes. The dynamics of the reduced electric field E/p variation as well as that of the electron temperature Te and the plasma concentration are investigated with a Langmuir probe in the process of this transition. The diffuse mode is observed at low pressure in the total range of discharge current values as well as at the pressure values above the threshold one of 1.5 Torr and low current values. The contracted mode sets on at the pressure values above 1.5 Torr. A jump-like transition occurs between the diffuse mode (with low E/p and Te) and the contracted one when a critical current value is attained.Исследован положительный столб в азоте в однородном режиме, в контрагированном режиме вблизи порога его появления, а также переход между этими режимами. С помощью Ленгмюровского зонда изучена динамика изменения приведенного электрического поля E/p, температуры электронов Te и плотности плазмы в процессе данного перехода. Диффузный режим наблюдается при низких давлениях во всём диапазоне разрядных токов, а также при давлениях выше порогового 1,5 Toрр и низких токах. Контрагированный режим появляется при давлениях выше 1,5 Toрр. Между диффузным режимом (с низкими E/p и Te) и контрагированным (с высокими E/p и Te) при достижении критического тока происходит скачкообразный переход.Досліджено позитивний стовп в азоті в однорідному режимі, в контрагованому режимі поблизу порога його виникнення, а також перехід між цими режимами. За допомогою Ленгмюрівського зонда вивчена динаміка зміни зведеного електричного поля E/p, температури електронів Te і густини плазми в процесі цього переходу. Дифузний (однорідний) режим спостерігається при низькому тиску у всьому діапазоні розрядного струму, а також при тиску вище порогового 1,5 Toрр і низькому струмі. Контрагований режим з'являється при тиску вище 1,5 Toрр. Між дифузним режимом (з низькими E/p і Te) і контрагованим (з високими E/p і Te) при досягненні критичного струму відбувається стрибкоподібний перехід

Экспериментальное исследование режимов горения и контракции тлеющего разряда в CF4

В этой работе экспериментально исследованы диффузный и контрагированный режимы тлеющего разряда постоянного тока в CF4. Найдено, что при фиксированном давлении газа область существования контрагированного режима при узких зазорах между электродами имеет неоднозначный характер. Контрагированный шнур появляется в стратифицированном положительном столбе с ростом разрядного тока. Однако в узких зазорах между электродами дальнейшее повышение разрядного тока может привести к уменьшению длины положительного столба (с одновременным значительным расширением отрицательного свечения), и контракция исчезает. В случае длинных разрядных промежутков увеличение тока не приводит к исчезновению контракции. У цій роботі експериментально досліджено дифузний та контрагований режими тліючого розряду постійного струму в CF4. Знайдено, що при фіксованому тиску газу область існування контрагованого режиму обмежена з боку вузьких зазорів між електродами, ця межа має неоднозначний характер. Контрагований шнур з'являється в стратифікованому позитивному стовпі зі зростанням розрядного струму. Однак у вузьких зазорах між електродами подальше підвищення розрядного струму призводить до зменшення довжини позитивного стовпа (з одночасним значним розширенням негативного світіння), і контракція зникає. У випадку довгих розрядних проміжків збільшення струму не призводить до зникнення контракції. This paper studies in experiment the diffuse and contracted modes of dc glow discharge in CF4. The existence region for the contracted mode with pressure unchanged is found to be limited from the small inter-electrode gap side, this boundary being multi-valued. A contracted column establishes in a stratified positive column with current increasing and inter-electrode gap or gas pressure fixed. However with subsequent current increase the length of the positive column decreases (with simultaneous considerable expansion of the negative glow), and contraction vanishes. At longer inter-electrode gap the current increase does not lead to contraction vanishing

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

Axial structure of DC glow discharge negative glow in nitrogen

We registered axial profiles of electron temperature, plasma potential and concentration of the direct current glow discharge in nitrogen at different gas pressure and discharge current values. We observed that in a broad range of experimental conditions the plasma concentration experiences 15…16 times decrease along the negative glow length. Maximum values of plasma concentration and electron temperature are registered at the cathode end of the negative glow, and the electric field strength is small. On leaving the cathode the plasma concentration and electron temperature in the negative glow are decreasing, here a region with a negative field may also form.Осевые профили температуры электронов, потенциала и плотности плазмы тлеющего разряда постоянного тока в азоте измерены методом ленгмюровского зонда при различных значениях давления газа и разрядного тока. Показано, что в широком диапазоне экспериментальных условий на длине отрицательного свечения плотность плазмы уменьшается в 15-16 раз. Максимальные плотность плазмы и температура электронов наблюдаются на катодном конце отрицательного свечения, а напряженность электрического поля мала. При удалении от катода плотность плазмы и температура электронов в отрицательном свечении уменьшаются, здесь же может сформироваться область с отрицательным полем.Осьові профілі температури електронів, потенціалу і густини плазми тліючого розряду постійного струму в азоті виміряні методом ленгмюрівського зонда при різних значеннях тиску газу і розрядного струму. Показано, що в широкому діапазоні експериментальних умов на довжині негативного світіння густина плазми зменшується в 15-16 разів. Максимальні густина плазми і температура електронів спостерігаються на катодному кінці негативного світіння, а напруженість електричного поля мала. При віддаленні від катода густина плазми і температура електронів в негативному світінні зменшуються, тут же може сформуватися область із негативним полем

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

Flat electrode diameter effect on glow discharge structure and properties

This paper is devoted to studying the effect of flat electrode diameter values on current-voltage characteristics and axial structure of the glow discharge in nitrogen. We have demonstrated that the discharge current increases with the electrode diameter growing. One has to apply a considerably higher voltage across small electrodes than across large ones to transport one and the same current. The discharge structure evolves at the current fixed in such a way that a thinner cathode sheath forms near the small cathode, the negative glow length is substantially larger, and the positive column is shorter than in the case of employing large diameter electrodes. In the negative glow we have observed maxima in the axial profiles of the emission lines of nitrogen molecules and ions measured with the optical spectrometer. On moving away from the cathode, the line intensities decrease uniformly till the positive column indicating the presence of fast electrons not only in the negative glow but also in the dark Faraday space.Досліджено вплив діаметра плоских електродів на вольт-амперні характеристики і осьову структуру тліючого розряду в азоті. Показано, що розрядний струм із зростанням діаметра електродів збільшується. Для перенесення одного і того ж струму потрібно прикладати до малих електродів набагато більш високу напругу, ніж до великих. Це призводить до того, що при фіксованому струмі поблизу малого катода формується більш тонкий катодний шар, довжина негативного світіння істотно більша, а позитивний стовп коротший, ніж при використанні електродів великого діаметра. На виміряних за допомогою оптичного спектрометра осьових профілях інтенсивності ліній випромінювання молекул і іонів азоту максимуми спостерігаються в негативному світінні. При віддаленні від катода інтенсивності ліній монотонно зменшуються аж до позитивного стовпа, що вказує на наявність швидких електронів не тільки в негативному світінні, а і в темному фарадеєвому просторі.Исследовано влияние диаметра плоских электродов на вольт-амперные характеристики и осевую структуру тлеющего разряда в азоте. Показано, что разрядный ток с ростом диаметра электродов увеличивается. Для переноса одного и того же тока нужно прикладывать к малым электродам гораздо более высокое напряжение, чем к большим. Это приводит к тому, что при фиксированном токе вблизи малого катода формируется более тонкий катодный слой, длина отрицательного свечения существенно больше, а положительный столб короче, чем при использовании электродов большого диаметра. На измеренных с помощью оптического спектрометра осевых профилях интенсивности линий излучения молекул и ионов азота максимумы наблюдаются в отрицательном свечении. При удалении от катода интенсивности линий монотонно уменьшаются вплоть до положительного столба, что указывает на наличие быстрых электронов не только в отрицательном свечении, но и в темном фарадеевом пространстве

Calculating reduced electric field in diffusion regime of DC discharge positive column

The present paper outlines an analytical model of the positive column of the direct current discharge in a diffusion mode. We consider the case when charged particles are produced through direct ionization of gas molecules via electron impact and the ambipolar escape of them to discharge tube walls is the sole mechanism of their loss. We solved the equation for the charged particles balance and obtained simple formulas for the reduced electric field E/p in the positive column in molecular gases. Results of our calculations for E/p values in nitrogen are in good agreement with experimental and theoretical data of other authors for low discharge current values.Представлена аналитическая модель положительного столба разряда постоянного тока в диффузионном режиме. Рассмотрен случай, в котором заряженные частицы образуются вследствие прямой ионизации молекул газа электронным ударом, а единственным механизмом потерь является их амбиполярный уход на стенки разрядной трубки. Решено уравнение баланса заряженных частиц и получены простые формулы для приведенного электрического поля E/p в положительном столбе в молекулярных газах. Результаты наших расчетов для E/p в азоте хорошо согласуются с экспериментальными и теоретическими данными других авторов для случая низких разрядных токов.Представлено аналітичну модель позитивного стовпа розряду постійного струму в дифузійному режимі. Розглянуто випадок, коли заряджені частинки утворюються внаслідок прямої іонізації молекул газу електронним ударом, а єдиним механізмом втрат є їх амбіполярний вихід на стінки розрядної трубки. Розв’язано рівняння балансу заряджених частинок і отримані прості формули для зведеного електричного поля E/p у позитивному стовпі в молекулярних газах. Результати наших розрахунків для E/p в азоті добре узгоджуються з експериментальними і теоретичними даними інших авторів для випадку низьких розрядних струмів

Investigation of DC glow discharge in CO₂ using optical emission spectroscopy

The results of investigations of a glow discharge in carbon dioxide by the method of optical emission spectroscopy are presented. Processes in negative glow, positive column and anode glow are considered in detail. In the negative glow, bright radiation lines of both atoms and molecules and their ions are observed: O, O⁺ , CO, O₂, CO⁺ and molecular continuum. In the positive column, a weak continuum and emission lines of CO₂, CO, and O₂ molecules are seen. The emission lines of CO molecules dominate in the anode glow against the background of the continuum, and also lines of molecular and atomic oxygen are visible. Axial intensity distributions of a number of lines are presented for the entire discharge gap between the cathode and the anode.Наведені результати досліджень тліючого розряду у вуглекислому газі методом оптичної емісійної спектроскопії. Розглянуто докладно процеси в негативному світінні, позитивному стовпі і анодному світінні. У негативному світінні спостерігаються яскраві лінії випромінювання як атомів, так і молекул і їх іонів: O, O⁺ , СО, О₂, СО⁺ , та молекулярний континуум. У позитивному стовпі видно слабкий континуум і лінії випромінювання молекул CO₂, CO та O₂. В анодному світінні на фоні континууму домінують лінії випромінювання молекул CO, а також видні лінії O₂ і атомарного кисню. Наведені осьові профілі інтенсивностей ряду ліній для всього розрядного проміжку між катодом та анодом.Приведены результаты исследований тлеющего разряда в углекислом газе методом оптической эмиссионной спектроскопии. Рассмотрены подробно процессы в отрицательном свечении, положительном столбе и анодном свечении. В отрицательном свечении наблюдаются яркие линии излучения как атомов, так и молекул и их ионов: O, O⁺ , СО, О₂, СО⁺ , и молекулярный континуум. В положительном столбе видны слабый континуум и линии излучения молекул CO₂, CO и O₂. В анодном свечении на фоне континуума доминируют линии излучения молекул CO, а также видны линии O₂ и атомарного кислорода. Представлены осевые профили интенсивностей ряда линий для всего разрядного промежутка между катодом и анодо

Gas breakdown in DC electric field in a discharge tube with flat and conical cathodes

This paper reports dc breakdown curves we registered between a flat anode and cathodes of various design: a flat one and cones of different height; the least inter-electrode distance was kept constant. We observed that the minima and the right-hand branches of breakdown curves coincided practically whereas the left-hand ones did not. At lower pressure values a divergence of left-hand branches of breakdown curves was registered for cathodes of different design. For conical cathodes the breakdown occurs either near its sharp tip or at the lateral surface of the cone at some distance from its tip.Измерены кривые зажигания разряда между плоским анодом и катодами разной геометрии – плоским и коническими различной высоты, при этом наименьшее расстояние между электродами сохранялось постоянным. Получено, что минимумы и правые ветви кривых зажигания во всех случаях практически наложились, различны были только левые ветви. При более низких давлениях наблюдается расхождение между левыми ветвями кривых зажигания для катодов различных геометрий. Для конических катодов пробой происходит вблизи их острия либо на боковой поверхности конуса на некотором расстоянии от его острия.Виміряні криві запалювання розряду між плоским анодом і катодами різної геометрії – плоским та конічними різної висоти, при цьому найменша відстань між електродами зберігалася постійною. Отримано, що мінімуми і праві гілки кривих запалювання у всіх випадках практично накладалися, різні були тільки ліві гілки. При більш низькому тиску спостерігається розбіжність між лівими гілками кривих запалювання для катодів різних геометрій. Для конічних катодів пробій відбувається поблизу їх вістря або на бічній поверхні конуса на деякій відстані від його вістря

Child-Langmuir law for cathode sheath of glow discharge in CO₂

This work is devoted to the determination of the law that may be applicable to the description of the cathode sheath in CO₂. To this end three versions of the Child-Langmuir law have been considered – a collision free one (for the ions moving through a cathode sheath without collisions with gas molecules) as well as two collision- related versions– one for a constant mean free path of positive ions and one for a constant mobility of positive ions. The current-voltage characteristics and the cathode sheath thickness of the glow discharge in СО₂ have been simultaneously measured in the pressure range from 0.05 to 1 Torr and with the discharge current values up to 80 mA. In the whole range of the discharge conditions we have studied the cathode sheath characteristics are found to obey correctly only to the Child-Langmuir law version with a constant ion mobility.Данная работа посвящена определению закона, который может применяться для описания катодного слоя в CO₂. Выполнен анализ трёх законов Чайльда-Ленгмюра – бесстолкновительного (для движения ионов через катодный слой без столкновений с молекулами газа), а также двух столкновительных – с постоянными длиной свободного пробега и подвижностью положительных ионов. Для этого были одновременно измерены вольт-амперные характеристики и толщина катодного слоя тлеющего разряда в СО₂ в диапазоне давлений от 0,05 до 1 Торр и разрядных токов до 80 мА. В результате получено, что во всём исследованном нами диапазоне разрядных условий характеристики катодного слоя корректно описываются только законом Чайльда-Ленгмюра с постоянной подвижностью ионов.Ця робота присвячена визначенню закону, який може застосовуватися для опису катодного шару в CO₂. Виконано аналіз трьох законів Чайльда-Ленгмюра – для руху іонів крізь катодний шар без зіткнень з молекулами газу, а також законів з постійними довжиною вільного пробігу і рухливістю позитивних іонів. Для цього були одночасно виміряні вольт-амперні характеристики і товщина катодного шару тліючого розряду в СО₂ в діапазоні тиску від 0,05 до 1 Торр і розрядних струмів до 80 мА. У результаті отримано, що в усьому дослідженому нами діапазоні розрядних умов характеристики катодного шару коректно описуються тільки законом Чайльда-Ленгмюра з постійною рухливістю іонів