[논문 리뷰] Spectroscopic of atmospheric pressure air jet plasma in transverses arc discharge

Valeriy Chernyak, V. V. Naumov외 1명|ArXiv.org|2004. 10. 28.

Plasma Applications and Diagnostics참고 문헌 4인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 광학적 발광 스펙트로스코피를 이용해 횡방향 직류 아크 방전에 의해 생성된 대기압 공기 제트 플라즈마를 조사한다. N, O, H, NO, N2, O2, OH, CO, 및 CN으로부터의 발광 선과 밴드를 분석함으로써, 저자들은 전자(excitation temperature, Texc), 진동(vibrational temperature, Tv), 그리고 회전(rotational temperature, Tr) 상태의 흥(excitation) 온도를 결정하며, 플라즈마의 시공간적 진화 과정에서 강한 비-LTE(비국소 열역학 평형) 행동과 뚜렷한 비열역학적 효과를 밝혀낸다.

ABSTRACT

Spectroscopic characterization of a specific case of the atmospheric pressure air jet plasma in the transverse cw dc arc discharge of high voltage was done. Within the spectrum of wavelengths from 200 to 1100 nm all remarkable emissions were monitored, and all excited atomic lines of N, O, H and molecular bands of NO, N2, O2, OH, CO, CN were identified. Using relative intensities of analytical CuI lines 510.5, 515.3, 521.8 nm (the product of electrode emission) and N2 2+ -system band at 337.1 nm (the dominating component of plasma-forming gas), the temperature of electronic excitation of free atoms, Texc, and the temperatures of excitation of vibrational and rotational states of molecules, TV and TR, were determined. It was found that there is no local LTE in this arc discharge air plasma during its space/time evolution, and effects of strong non-izothermality have a place in this case.

연구 동기 및 목표

• 횡방향 직류 아크 방전에 의해 생성된 대기압 공기 제트 플라즈마의 스펙트로스코픽 성질을 특성화하기 위해.
• 200–1100 nm 범위 내에서의 발광 선과 분자 밴드를 식별하고 분석하기 위해.
• 교정된 발광 선을 사용하여 전자, 진동 및 회전 흥(excitation) 온도를 결정하기 위해.
• 이 고전압, 대기압 플라즈마 시스템에서 국소 열역학 평형(LTE) 가정의 타당성을 평가하기 위해.
• 플라즈마 방전의 시공간적 진화 과정에서 비열역학적 효과의 특성을 조사하기 위해.

제안 방법

• 200–1100 nm 파장 범위에서 광학적 발광 스펙트로스코피(OES)를 수행하여 원자 및 분자 발광을 캡처하였다.
• 전극 재료에서 기인한 CuI의 특징적인 발광 선(510.5, 515.3, 521.8 nm)을 내부 온도 기준으로 사용하였다.
• 플라즈마 형성 기체의 흥(excitation)를 위한 주요 기준으로 N2 2+ 제2양성계 밴드(337.1 nm)를 사용하였다.
• 선택된 스펙트럼 선과 밴드의 상대 강도로부터 흥(excitation) 온도(Texc, Tv, Tr)를 계산하였다.
• Texc, Tv, Tr 간의 비교를 통해 비-LTE 조건을 평가하였으며, 이는 LTE 가정과 일치하지 않는 불일치를 드러내었다.
• 플라즈마 매개변수의 시공간적 진화를 분석하여 동적 비열역학적 행동을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 횡방향 직류 아크 방전으로부터 생성된 대기압 공기 제트 플라즈마에 주로 존재하는 원자 및 분자 종은 무엇인가?
• RQ2 이 플라즈마 시스템에서 전자, 진동, 회전 흥(excitation) 온도가 서로 얼마나 다를까?
• RQ3 고전압, 대기압 조건에서 횡방향 아크 방전 플라즈마에서 국소 열역학 평형(LTE)이 타당한가?
• RQ4 플라즈마의 공간적 및 시간적 동역학은 관측된 비열역학적 효과에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 전극 재료의 발광(예: CuI 선)은 플라즈마의 온도 진단에서 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 200–1100 nm 스펙트럼 전역에서 N, O, H의 원자 발광 선과 NO, N2, O2, OH, CO, CN의 분자 밴드가 확인되었다.
• CuI 선(510.5, 515.3, 521.8 nm)을 기준으로 흥(excitation) 온도를 결정하였으며, 이는 고에너지 전자 흥(excitation)와 일치하는 Texc 값을 제공하였다.
• N2 2+ 제2양성계 밴드(337.1 nm)가 분자 흥(excitation)의 주요 기준으로 기능하여 Tv 및 Tr 결정에 기여하였다.
• Texc, Tv, Tr 간의 뚜렷한 불일치가 관측되어 플라즈마 내 강한 비-LTE 행동을 시사하였다.
• 국소 열역학 평형의 부재를 통해 비열역학적 효과가 확인되었으며, 특히 방전의 시공간적 진화 과정에서 두드러졌다.
• 플라즈마는 전자, 진동 및 회전 상태 간에 뚜렷한 온도 기울기를 보이며 심각한 비균일 온도 분포를 나타내었다.