Sub-nanosecond optical diagnostics of streamer discharges

Mgr. Lukáš Kusýn, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Tato disertační práce se zabývá experimentálním výzkumem streamerových výbojů pomocí optických diagnostických technik, konkrétně optické emisní spektroskopie s využitím ICCD kamery a optické emisní spektroskopie rozšířené o časově korelované čítání jednotlivých fotonů. Zkoumání bylo provedeno pro tři různé experimentální konfigurace za různých podmínek ve výbojích obsahujících argon nebo dusík. Hlavní náplní práce je studium vzniku a vývoje streameru především určením redukovaného elektrického pole, parametru plazmatu, který představuje míru elektrické energie přijaté nabitými částicemi mezi srážkami. Redukované elektrické pole je určeno ze dvou dobře vybraných zářivých přechodů N2 pomocí techniky poměru intenzit. V případě Ar je zkoumána možnost určení redukovaného elektrického pole pomocí techniky poměru intenzit na experimentální i simulovaná data s ohledem na předložený srážkově-radiační model. Emisní spektra získaná z ICCD kamery jsou zpracovávána pomocí řady vyvinutých skriptů v jazyce Python založených na softwaru massiveOES, který umožňuje efektivní dávkové zpracování. Termální fitování se používá k oddělení jednotlivých vibračních pásů za účelem zvýšení přesnosti metody poměru intenzit, určení rotačních a vibračních teplot a zkoumání možných nerovnovážných rozložení rotačních stavů pomocí state-by-state fitování (netermální fitování). Prvním zkoumaným výbojem je povrchový dielektrický bariérový výboj v syntetickém vzduchu poháněný sinusovým napětím při atmosférickém tlaku. V tomto případě je prezentována časoprostorová mapa streamerů spolu s korelovanými ICCD snímky, které ukazují sekvenci streamerů vedoucí k jedinečnému výbíjení náboje. Druhým výbojem je nanosekundový pulzní objemový výboj v čistém dusíku a syntetickém vzduchu při nižším tlaku, kde jsou studovány reprodukovatelné pozitivní streamerové výboje a jejich redukované elektrické pole je porovnáno s literaturou a modelem 0d, přičemž se ukazuje dobrá shoda. Třetím a posledním zkoumaným výbojem je nanosekundový pulzní objemový dielektrický bariérový výboj v argonu při atmosférickém tlaku. V této konfiguraci je zkoumána použitelnost různých poměrů 2p stavů (Paschenova notace) Ar pro techniku poměru intenzit. Po analýze jsou jako možní kandidáti identifikovány především poměry nižších 2p stavů (2p2-2p5).

Abstract:

This doctoral dissertation is dedicated to the experimental investigation of streamer discharges by optical diagnostic techniques, namely optical emission spectroscopy by deploying the ICCD camera and optical emission spectroscopy enhanced by time-correlated single photon counting. The investigation has been carried out for three different experimental configurations at various conditions in either argon or nitrogen-containing discharges. The main focus of the work is to study the formation and evolution of the streamer mainly by determining the reduced electric field, a plasma parameter that is a measure of the amount of electrical energy received by the charged particles between collisions. The reduced electric field is determined from the two well-selected radiative transitions of N2 using the intensity ratio technique. In the case of Ar, the possibility of determining the reduced electric field by applying the intensity ratio technique to both experimental and simulated data is investigated with respect to the presented collision-radiative model. The emission spectra obtained from the ICCD camera are processed by the series of developed Python scripts based on massiveOES software allowing effective batch processing. The thermal fitting is used to separate individual vibrational bands to increase the precision of the intensity ratio method, determine rotational and vibrational temperatures, and investigate the possible non-equilibrium distributions of rotational states by state-by-state fitting (non-thermal fitting). The first investigated discharge is surface dielectric barrier discharge in synthetic air driven by a sinusoidal voltage at atmospheric pressure. In this case, the spatiotemporal map of the streamers is presented together with correlated ICCD images showing a sequence of streamers resulting in a unique discharging event. The second discharge is the nanosecond pulsed volume discharge in pure nitrogen and synthetic air at lower pressure, where the reproducible positive streamers are studied and their reduced electric field is compared with the literature and the 0d model, showing a good agreement. The third and last investigated discharge is nanosecond pulsed volume dielectric barrier discharge in argon at atmospheric pressure. In this configuration, the applicability of different ratios of 2p states (Paschen notation) of Ar for the intensity ratio technique is explored. Upon analysis, primarily the ratios of lower 2p states (2p2-2p5) are identified as possible candidates.

Keywords

optická emisní spektroskopie, časově korelované čítání fotonů, emisní spektroskopie, dusíkové směsi, argon, atmosférické plazma, redukované elektrické pole, poměr intenzit, reakční kinetika, optical emission spectroscopy, time-correlated single photon counting, emission spectroscopy, nitrogen mixtures, atmospheric plasma, reduced electric field, intensity ratio, reaction kinetics

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 6. 11. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 23. 1. 2024
• Supervisor: doc. Mgr. Tomáš Hoder, Ph.D.
• Reader: Prof. Dr. Ronny Brandenburg, RNDr. Milan Šimek, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics / Plasma Physics