[논문 리뷰] Experimental study of atmospheric pressure single-pulse nanosecond discharge in pin-to-pin configuration

Xingxing Wang, Adam Patel외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 16.

Plasma Applications and Diagnostics참고 문헌 60인용 수 21

한 줄 요약

이 실험적 연구는 대기압에서 핀-투-핀 구형의 단일 펄스 나노초 방전을 다각도 기법을 사용하여 스팿크 및 코로나 영역을 특성화한다. 주요 발견은 갭 거리 6 mm 이하 및 0.6–1 mJ/mm 에너지에서 스파크 방전가 최고 전자 밀도(7.5×10¹⁵ cm⁻³), 전류(22 A), 기체 온도(4,000 K)를 기록했으며, 2차 브레이크다운 이전에 에너지의 85–89%가 투입되었고, 반면 더 큰 갭에서의 코로나 방전는 약 0.1 mJ/mm를 사용하며 상당히 낮은 파라미터를 보였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기억 효과 없이 대기압에서 핀-투-핀 전극 기하구조에서의 단일 펄스 나노초 방전을 특성화하기 위해.
• 다양한 전극 갭 거리(2–10 mm)와 펄스 에너지에서 스파크 및 코로나 방전 영역을 비교하기 위해.
• 전자 수밀도, 기체 온도, 전류 및 에너지 투입 역학과 같은 핵심 플라즈마 파라미터를 측정하고 분석하기 위해.
• 펄스 후 전자 수밀도의 시간적 변화 및 감쇠 메커니즘을 규명하고 주요 복합 과정을 식별하기 위해.
• 단일 펄스 행동을 고립함으로써 향후 나노초 반복 펄스(NRP) 방전 연구를 위한 기초 데이터를 확립하기 위해.

제안 방법

• 기억 효과를 보장하기 위해 1 Hz 반복률의 90 ns 고전압 나노초 펄서(피크 전압 25 kV)를 사용하였다.
• 전자 수밀도 및 기체 밀도 측정을 위해 마이크로파 레일리 산란을 적용하였다.
• 나노초 탐측을 사용한 레이저 레일리 산란 및 광학 방출 스펙트로스코피(OES)를 통해 회전(Tr ot) 및 진동(T vib) 온도를 결정하였다.
• 고속 사진 및 전류/전압 프로브(3 GHz 대역폭)를 사용해 방전 역학과 도전 전류를 캡처하였다.
• 총 전류에서 전기용량 및 dV/dt를 기반으로 계산한 이동 전류를 빼내어 도전 전류를 측정하였다.
• 전기용량을 조절할 수 있는 직렬 저항기(200–400 Ω)를 사용해 2–10 mm 갭 거리에서 펄스 에너지를 조절하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대기압에서 단일 펄스 나노초 방전에서 스파크 및 코로나 방전 영역 간의 핵심 플라즈마 파라미터의 주요 차이는 무엇인가?
• RQ2 특히 2차 브레이크다운 이전에 투입된 에너지의 분포는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 펄스 이후 전자 수밀도 감쇠를 주도하는 주요 전자 손실 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 전극 갭 거리 및 펄스 에너지에 따라 방전 파라미터(전류, 전자 밀도, 온도)는 어떻게 스케일링되는가?
• RQ5 기체 밀도 및 온도 복구 시간을 바탕으로 기억 효과가 나타나기 시작하는 반복 주파수는 어느 수준인가?

주요 결과

• 2 mm 갭 및 1 mJ/mm 펄스 에너지에서 스파크 방전의 경우, 방전 후 10 μs에 전자 수밀도가 최고 7.5×10¹⁵ cm⁻³에 도달했고, 전류는 22 A에 도달했으며 기체 온도는 4,000 K에 도달했다.
• 스파크 영역에서 방전 펄스 에너지의 85–89%가 2차 브레이크다운 이전에 기체에 투입되었으며, 이는 초기 브레이크다운 이후 30–70 ns에 발생했다.
• 2차 브레이크다운은 음극 스팟 igni t ion 및 음극 아크로의 전이와 관련이 있었으며, 이는 펄스 지속 시간을 30–70 ns 이내로 제한해야 함을 시사했다.
• 전자 밀도 감쇠는 해리 재결합 및 산소에 대한 전자 부착에 의해 주로 결정되었으며, 특징적인 감쇠 시간은 150 ns였다.
• 8–10 mm 갭에서의 코로나 영역에서는 최고 도전 전류가 1–2 A에 불과했고, 전자 수밀도는 약 3–5×10¹⁰ 개/mm였으며 기체 온도는 360 K였다.
• 나노초 반복 펄스(NRP) 작동에서 기억 효과의 시작은 기체 밀도 및 온도 복구 시간을 바탕으로 1 kHz 이상의 펄스 반복 주파수에서 예상된다.