Спектроскопска истраживања динамике развоја стримера у хелијуму

Abstract

Ова докторска дисертација посвећена је истраживању емисије и развоја стримера, односно плазменог метка, у хелијумовим плазменим млазевима. Плазмени млазеви на атмосферском притиску су испитивани уз помоћ спектроскопских и електричних мерења. Стримерске карактеристике плазменог млаза су посматране током позитивног полупериода примењеног напона, док се у негативном полупериоду пражњење понаша слично тињавом пражњењу на атмосферском притиску. До ових закључака се дошло на основу просторно разложених мерења расподеле интензитета зрачења типичних ексцитованих врста и мерења јачине електричног поља коришћењем Штаркове поларизационе спектроскопије. Мерењем радијалне расподеле јачине електричног поља у плазменом метку показано је да је прстенаста структура емисије зрачења последица исте такве расподеле јачине електричног поља. Гасне температуре одређиване су на основу ротационих температура N2+ и OH трака методом Болцманове праве. Утврђено је да гасна температура има вредност од око 310 К, што испитиване плазмене млазеве квалификује за примене у биомедицинске сврхе. Основни научни допринос ове тезе огледа се у просторно и временски разложеним мерењима електричног поља у стримерима у хелијуму. Користећи претходно поменуту Штаркову поларизациону спектроскопију посматран је временски развој електричног поља у стримеру са мерним корацима у опсегу од 20 до 500 ns. Оваква временска резолуција у мерењу развоја електричног поља комплементирана је просторном резолуцијом од 0,025 mm. У зависности од конструкције плазменог млаза, максимално електрично поље у глави стримера, односно плазменом метку, износи између 10 и 20 kV cm−1. Резултати мерења јачине електричног поља су употпуњени електричном и спектроскопском дијагностиком развоја пражњења. Утврђено је да се плазмени млаз који увире у ваздух, и нема уземљену електроду постављену неколико центиметара низ струју гаса, понаша као катодно усмерени стример. Са друге стране, плазмени млаз који је у контакту са уземљеном електродом има развој аналоган развоју микропражњења у ваздуху. И коначно, демонстрирана је директна веза између јачине електричног поља и брзине стримера. Модел изоловане главе стримера базиран на Миковом критеријуму за прелаз лавине у стример је коришћен за опис пропагације стримера у мешавини хелијума и ваздуха. Према овом моделу, који је Куликовски увео за стримере у ваздуху, познавањем само једног од три параметра: електричнох поља, јонизационог интеграла или дебљине слоја просторног наелектрисања, могу се добити остала два параметра. Даље, познавањем пречника стримера или јачине струје коју он преноси, могуће је одредити зависност брзине од електричног поља. Добијени резултати су показали задовољавајуће слагање, како са резултаима флуидних модела, тако и са експерименталним резултатима испитивања плазмених млазева

The subject of presented thesis is the study of emission and propagation of streamers in atmospheric pressure plasma jets in helium. Atmospheric-pressure helium plasma jets have been studied by optical emission spectroscopy and electrical measurements. Streamer/bullet properties of the plasma jet are observed in the positive voltage half cycle, whereas in the negative jet, they operate more as a glow-like atmospheric-pressure discharge. This is revealed by spatially resolved measurements of intensity distribution of typical excited species and by electric field measurements based on Stark polarization spectroscopy. Obtained radial distribution of the axial electric field of the bullet shows that the ring-shaped structure of the light emission is a consequence of such electric field distribution. Gas temperature distribution over the jet is obtained by Boltzmann plot of rotational lines of N2+ and OH bands. Gas temperature is found to be about 310 K, favorable for the biomedical applications. The focus of this thesis is on the spatially and temporally resolved measurements of the electric field in streamers in helium. Using previously mentioned method of Stark polarization spectroscopy, temporal development of the electric field was observed in steps which were in range of 20–500 ns. Such temporal resolution was complemented by the spatial resolution of 0.025 mm. Depending on the plasma jet configuration, the maximal electric field strength in the bullet/streamer head was between 10 and 20 kV cm−1. Electric field measurements are accompanied by the electrical and spectroscopic diagnostics of the discharge evolution. It was found that without the grounded electrode downstream from the nozzle, the jet develops as the cathode directed streamer. Contrarily, when a grounded electrode is present, development of the plasma jet is very similar to the evolution of the single microdischarge in air. Finally, the direct relation between electric field strength and the velocity of the plasma bullet is demonstrated. A model of the isolated streamer head based on Meek’s criterion of the avalanche to streamer transition is applied for description of the plasma bullet propagation in a helium/air admixture. According to the model previously proposed by Kulikovsky for streamers in air, along with the knowledge of one of three parameters: electric field, ionization integral or the width of the space charge layer, the other two parameters could be determined. Furthermore, using the streamer current or radius, it is possible to determine the electric field-streamer velocity functional dependence. Obtained results showed satisfactory agreement with both the results of the fluid model from the literature and the experimental results of plasma jet studies.