[論文レビュー] Experimental study of atmospheric pressure single-pulse nanosecond discharge in pin-to-pin configuration

Xingxing Wang, Adam Patel+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2021

Plasma Applications and Diagnostics参考文献 60被引用数 21

ひとこと要約

本実験的研究では、大気圧下におけるピン対ピン配置の単パルスナノ秒放電を、マルチ診断技術を用いてスパークおよびコロナ状態の両方を特徴づける。主な発見として、ギャップが6 mm未塔で0.6–1 mJ/mmのエネルギーを持つスパーク放電では、電子密度ピーク（7.5×10¹⁵ cm⁻³）、電流ピーク（22 A）、ガス温度（4,000 K）を示し、二次的ブレイクダウンの前までに85–89%のエネルギーが堆積される。一方、より大きなギャップではコロナ放電が発生し、エネルギー密度は約0.1 mJ/mmで、顕著に低いパラメータを示す。

ABSTRACT

In this work, we present an experimental study of nanosecond high-voltage discharges in a pin-to-pin electrode configuration at atmospheric conditions operating in single-pulse mode (no memory effects). Various discharge parameters, including voltage, current, gas density, rotational/vibrational/gas temperature, and electron number density, were measured. Several different measurement techniques were used, including microwave Rayleigh scattering, laser Rayleigh scattering, optical emission spectroscopy enhanced with a nanosecond probing pulse, fast photography, and electrical parameter measurements. Spark and corona discharge regimes were studied with discharge pulse duration of 90 ns and electrode gap sizes ranging from 2 to 10 mm. The spark regime was observed for gaps < 6 mm using discharge pulse energies of 0.6-1 mJ per mm of the gap length. Higher electron number densities, total electron number per gap length, discharge currents, and gas temperatures were observed for smaller electrode gaps and larger pulse energies, reaching maximal values of about 7.5x10^15 cm-3, 3.5x10^11 electrons per mm, 22 A, and 4,000 K (at 10 us after the discharge), respectively, for a 2 mm gap and 1 mJ/mm discharge pulse energy. Initial breakdown was followed by a secondary breakdown occurring about 30-70 ns later and was associated with ignition of a cathode spot and transition of the discharge to cathodic arc. A majority of the discharge pulse energy was deposited into the gas before the secondary breakdown (85-89%). The electron number density after the ns discharge pulse decayed with a characteristic time scale of 150 ns governed by dissociative recombination and electron attachment to oxygen mechanisms. For the corona regime, substantially lower pulse energies (~0.1 mJ/mm), peak conduction current (1-2 A), and electron numbers (3-5x10^10 electrons per mm), and gas temperatures (360 K) were observed.

研究の動機と目的

• 記憶効果のない状態で、大気圧下におけるピン対ピン電極幾何形状の単パルスナノ秒放電を特徴づけること。
• ギャップ距離（2–10 mm）とパルスエネルギーの変動に応じたスパークおよびコロナ放電状態の比較。
• 電子数密度、ガス温度、電流、エネルギー堆積ダイナミクスを含む主要プラズマパラメータの測定と分析。
• パルス後の電子数密度の時間的変化および減衰メカニズムを特定し、支配的となる再結合プロセスを同定すること。
• ナノ秒繰返しパルス（NRP）放電の今後の研究のための基盤データを、単一パルス挙動に着目して確立すること。

提案手法

• 記憶効果を回避するため、1 Hz繰返しレートの90 ns高電圧ナノ秒パルサー（ピーク25 kV）を用いた。
• マイクロ波レイリー散乱を用いて電子数密度およびガス密度を測定した。
• レーザー・レイリー散乱およびナノ秒プローブを用いた光学励起スペクトロスコピー（OES）により、回転温度（Trot）および振動温度（Tvib）を決定した。
• 高速写真および3 GHz帯域幅の電流・電圧プローブを用いて、放電ダイナミクスおよび導通電流を捉えた。
• 全電流から、容量とdV/dtから計算した電荷移動電流を差し引くことで、導通電流を測定した。
• ギャップ距離2–10 mmで実験を行い、直列抵抗（200–400 Ω）を調整してパルスエネルギーを可変にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大気圧下における単パルスナノ秒放電のスパークおよびコロナ放電状態において、プラズマパラメータの主な違いは何か？
• RQ2 放電中にエネルギー堆積プロファイルはどのように変化するか、特に二次的ブレイクダウンの前までに堆積するエネルギー割合は？
• RQ3 パルス後の電子数密度の減衰を支配する主要な電子損失メカニズムは何か？
• RQ4 ギャップ距離およびパルスエネルギーに応じて、放電パラメータ（電流、電子密度、温度）はどのようにスケーリングするか？
• RQ5 ガス密度および温度の回復時間に基づくと、記憶効果が現れ始める繰返し周波数はどの程度か？

主な発見

• 2 mmギャップ、1 mJ/mmパルスエネルギーのスパーク放電では、電子数密度ピークが7.5×10¹⁵ cm⁻³に達し、電流ピークは22 A、ガス温度は放電後10 μsに4,000 Kに達した。
• スパーク状態では、二次的ブレイクダウンの前までに放電パルスエネルギーの85–89%がガス中に堆積された。二次的ブレイクダウンは初期ブレイクダウンから30–70 ns後に発生した。
• 二次的ブレイクダウンは陰極スポットの点火および陰極アークへの移行に関連しており、この状態を避けるためにはパルス長を30–70 ns以内に制限する必要がある。
• 電子数密度の減衰は、解離再結合および酸素への電子付加によって支配されており、特徴的な減衰時間は150 nsであった。
• 8–10 mmギャップのコロナ状態では、ピーク導通電流は1–2 Aにとどまり、電子数密度は約3–5×10¹⁰ 個/mm、ガス温度は360 Kであった。
• ナノ秒繰返しパルス（NRP）動作における記憶効果の発生は、ガス密度および温度の回復時間に基づき、パルス繰返し周波数が1 kHzを超えると予想される。