Detekce vodíkových radikálů v plazmatu

Bc. Marek Talába

Master's thesis

Detection of hydrogen radicals in plasma

Abstract:

In this thesis we focus on the detection of hydrogen radicals in plasma using two-photon absorption laser induced fluorescence (TALIF). The detection was carried out in two systems, a dielectric barrier discharge (DBD) and externally heated planar atomizer (EHPA), at atmospheric pressure with a gas composition consisting of argon, hydrogen and oxygen. In the case of the DBD the hydrogen radical concentrations were obtained as a function of various discharge parameters, like working gas flow rates, discharge phase and the power supplied to the discharge apparatus. At a constant argon flow rate and a hydrogen flow rate changing between 6-30% of the total flow rate there was a gradual decrease of the concentration of hydrogen radicals, as a consequence of a less intense discharge and thus a lower dissociation in a hydrogen-rich gas mixture. Furthermore, it turned out that small amounts of molecular oxygen added to the constant flow of argon and molecular hydrogen create, in the vicinity of the working gas inlet, a region depleted of atomic hydrogen, which is consumed by rapid reactions with atomic and molecular oxygen resulting in hydroperoxyl and hydroxyl radicals. Outside this region the hydrogen radical concentrations achieve a roughly constant value of 3*10^21 m^-3. In the case of EHPA the absolute concentrations of hydrogen atoms were obtained for different temperatures of a resistance wire, with the help of which the walls of the atomizer were heated, and also as a function of different work gas flow rates. We found that the maximum hydrogen atom concentration was located close to the inlet of the working gases into the atomizer, where a small hydrogen fire was burning. The maximal concentration value 4*10^22 m^-3 was detected for a near stoichiometric mixture of molecular oxygen and molecular hydrogen. It was also observed that the concentration of these particles increased with the rising temperature of the atomizer walls. For individual measurements a thorough description of the measurement is present, as well as a detailed analysis and discussion of all the obtained results.

Abstract:

V tejto diplomovej práci sa venujeme detekcii vodíkových radikálov v plazme pomocou fluorescencie indukovanej dvojfotónovou absoprciou laserového žiarenia (TALIF). Detekcia prebiehala v dvoch systémoch, ktorými boli objemový dielektrický bariérový výboj (DBD) a externe vyhrievaný planárny atomizátor (EHPA). V oboch prípadoch boli častice detekované za atmosferického tlaku v zmesi plynov argónu, vodíku a kyslíku. V prípade objemového DBD boli získané závislosti koncentrácií na rôznych parametroch výboja, ktorými boli prietoky pracovných plynov, fáza výboja a výkon dodávaný do výbojovej aparatúry. Pri konštantnom prietoku argónu a rastúcom prietoku vodíku v medziach 6 - 30% celkového prietoku dochádzalo k postupnému poklesu koncentrácie vodíkových radikálov, čo bolo spôsobené horším horením výboja v prostredí bohatom na H_2 a teda horšou disociáciou. Ďalej sa ukázalo, že malé množstvá molekulárneho kyslíku pridané ku konštantnej hodnote prietoku argónu a molekulárneho vodíku vytvoria v okolí miesta pripúšťania pracovných plynov do výboja oblasť ochudobnenú o atomárny vodík, ktorý bol spotrebovaný rýchlymi reakciami s atomárnym a molekulárnym kyslíkom na hydroperoxyl a hydroxylový radikál. Mimo tejto oblasti sa koncentrácia atomárneho vodíku pohybovala okolo hodnoty 3*10^21 m^-3. V prípade EHPA boli absolútne koncentrácie vodíkových atómov získané v závislosti ako na teplote stien atomizátoru, tak aj na prietokoch pracovných plynov. Ukázalo sa, že maximum koncentrácie vodíkových atómov sa nachádzalo v blízkosti prívodu pracovných plynov do atomizátoru, kde horel malý vodíkový plameniok. Najvyššej koncentrácie v plamienku bolo dosiahnuté v stechiometrickej zmesi vodíku a kyslíku, kedy koncentrácia dosahovala hodnoty 4*10^22 m^-3. Taktiež bolo pozorované, že koncentrácia týchto častíc narastá s rastúcou teplotou stien atomizárotu. Práca taktiež podrobne popisuje samotné meranie a spracovanie dát spolu s komentárom všetkých nameraných výsledkov.

Keywords

Vodík, Laserom indukovaná fluorescencia, LIF, TALIF, DBD, EHPA, absolútna koncentrácia, kalibrácia kryptónom, Hydrogen, Laser-induced fluorescence, Absolut concentration, krypton calibration

Language used: Slovak

Date on which the thesis was submitted / produced: 10. 5. 2016

Thesis defence

• Date of defence: 13. 6. 2016
• Supervisor: Mgr. Pavel Dvořák, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / field:
Physics / Plasma Physics