Plasma diagnostics based on laser induced fluorescence

Mgr. Jan Voráč, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Tato práce se věnuje měření koncentrace hydroxylových radikálů v atmosférických plazmových tryskách pracujících ve vzácných plynech. První kapitola je věnována analytickému řešení soustav diferenciálních rovnic pro dvoj- a tříhladinový model fluorescence se započítáním vlivu zhášení a při zanedbání vlivu stimulované emise. Pro dvojhladinový systém je ukázáno i řešení s uvážením slabého vlivu stimulované emise v prvním přiblížení. Druhá kapitola obsahuje teoretické minimum nezbytné k porozumění použitého značení molekulárních stavů a přechodů mezi nimi. Třetí kapitola krátce shrnuje vědecké publikace na podobné téma. Ve čtvrté kapitole je detailně popsána metoda měření koncentrace OH v plazmatu atmosférických plazmových trysek a je ukázána její aplikace na bodové měření pro různé výkony a průtoky argonu ve výboji plazmové tužky. V páté kapitole je ukázáno rozšíření metody na prostorově rozlišené měření. Je před- stavena i metoda pro přibližné stanovení promíchávání plynu procházejícího tryskou s okolní atmosférou založená na měření doby života laserem excitovaných radikálů. Výsledky jsou rovněž doplněny o prostorově rozlišené rotační teploty OH radikálu a o model proudění, jehož autorem je Adam Obrusník. Jsou uvedeny výsledky pro různé výkony a průtoky argonu. Většina podmínek je volena tak, aby byl režim proudění laminární. Nejvyšší průtok byl záměrně zvolen tak, aby proudění přešlo do turbulentního režimu. Šestá kapitola ukazuje předběžné prostorově rozlišené měření koncentrace OH v plazmatu mikrovlnné trysky s povrchovou vlnou (tzv. surfatronu). Režim proudění byl vzhledem k vysokému průtoku chladicího vzduchu vždy turbulentní. Byl zkoumán i vliv amplitudové modulace mikrovlnného výkonu. Jsou ukázány časově průměrované výsledky pro několik různých modulačních frekvencí od 80 Hz do 2,5 kHz a fázově rozlišené měření pro modulaci o frekvenci 90 Hz.

Abstract:

This work is focused on the measurement of concentration of hydroxyl radicals in atmospheric pressure plasma jets ignited in flowing noble gases. The first chapter is devoted to analytical solutions of rate equation systems for quenched two- and three-level fluorescence models neglecting the influence of stimulated emission and the two-level model including the effect of stimulated emission to the first-order. The second chapter contains the theoretical minimum necessary to understand the used notation of molecular states and transitions. The third chapter shortly revises the scientific publications concerning similar topic. The fourth chapter gives detailed description of the method developed for the purpose of measuring the OH concentration in the effluent of atmospheric pressure plasma jets and presents the results of a spatially localised measurement for various driving powers and argon flow rates in the plasma pencil discharge. The fifth chapter presents the up-scaling of the method to spatially resolved measurements. Also a method for estimating the mixing of the effluent gas with the ambient atmosphere based on the measurement of fluorescence lifetime is developed and presented. The results are also supplemented by spatially resolved measurement of rotational temperature and gas dynamics model provided by Adam Obrusník. The measurements for various driving powers and argon flow rates are presented. Most of the argon flow rates lead to laminar flow regime, whereas the highest argon flow rate was intentionally set to a value resulting in a turbulent flow regime. The sixth chapter presents a preliminary measurement of spatially resolved OH concentration in the effluent of a microwave surfatron plasma jet. Due to the high flow rate of cooling air along the capillary, the flow regime was always turbulent. Besides the standard operation, also a regime with amplitude-modulated (AM) microwave power was examined. Time-averaged measurements are presented for various AM frequencies from 80 Hz to 2.5 kHz and a phase-resolved measurement is presented for the AM frequency of 90 Hz.

Keywords

laser-induced fluorescence, spectroscopy, atmospheric discharges, OH, hydroxyl, concentration, LIF, laserem indukovaná fluorescence, spektroskopie, atmosferické výboje, koncentrace

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 18. 2. 2014

Thesis defence

• Date of defence: 29. 4. 2014
• Supervisor: Mgr. Pavel Dvořák, Ph.D.
• Reader: RNDr. Milan Šimek, PhD., prof. Peter J. Bruggeman

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics (4-years) / Plasma Physics