Оцінка електронної густини, температури та електричних характеристик дугової плазми з кремнієм при атмосферному тиску

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2023.289006

Ключові слова:

дуговий розряд, кремнеземна затравка, електронна густина, електронна температура, зонди Ленгмюра

Анотація

Плазмова технологія стоїть на передньому краї численних промислових застосувань, пропонуючи різноманітні рішення від обробки матеріалів до аерокосмічної техніки. У цьому дослідженні використовується єдина методика зонда Ленгмюра, що працює при атмосферному тиску, для ретельного вивчення трансформаційного впливу засівання кремнезему на низькотемпературну дугову плазму. Дослідження розкриває динамічну взаємодію електронів та іонів у плазмі, розкриваючи ключові електричні властивості. Електричні властивості ВАХ плазми дуг перед затравкою, що має плаваючу напругу –39 В, демонструють електронні та іонні струми для різних напруг зонда. Розрахована густина електронів становить 2,11×1013 м–3, а температура електронів становить 6,25 еВ. ВАХ показує плаваючий потенціал приблизно –35 В і –37 В після затравки дугової плазми з використанням кремнезему в присутності порошку та зерна оксиду алюмінію (2 % за вагою) відповідно. Після посіву було виявлено, що температура електронів падає до 1,18 еВ для порошку, тоді як 1,16 еВ для зерна, а густина електронів зростає до 2×1016 м–3 для порошку та 1,84×1016 м–3 для зерна. Крім того, спостерігається помітне падіння температури електронів і помітне підвищення густини електронів. Ця нерівноважна поведінка пов’язана з каталітичною функцією кремнезему, яка посилюється присутністю оксиду алюмінію. Крім того, підвищена іонізуюча активність, спричинена непружними електронними зіткненнями, призводить до того, що температура електронів у плазмі дуг, засіяних кремнеземом, зростає з напругою розряду. Ці висновки можуть мати важливе значення для вдосконалення плазмових технологій у різноманітних промислових застосуваннях, оскільки вони надають глибоку інформацію про те, як засівання кремнезему впливає на властивості дугової плазми

Спонсор дослідження

  • Financial support of the University Grants Commission (UGC), Nepal is very much appreciated.

Біографії авторів

Vijay Kumar Jha, Tribhuvan University

PhD Scholar

Central Department of Physics

Lekha Nath Mishra, Tribhuvan University

PhD, Associate Professor, Head of Department

Department of Physics

Patan Multiple Campus, Patandhoka

Bijoyendra Narayan, Jamuni Lal College

Professor, PhD

Department of Physics

Saddam Husain Dhobi, Tribhuvan University; Nepal Academy of Science and Technology

PhD Scholar

Central Department of Physics

Arun Kumar Shah, Tribhuvan University

PhD Scholar

Central Department of Physics

Susmita Jha, Tribhuvan University

Master of Science

Central Department of Chemistry

Посилання

  1. Shah, A. K., Shrestha, R., Sah, R. L., Nakarmi, J. J., Mishra, L. N. (2022). Experimental study of dielectric barrier discharge in an atmospheric air pressure and its electrical characterization. JP Journal of Heat and Mass Transfer, 30, 135–150. doi: https://doi.org/10.17654/0973576322060
  2. Dolai, B., Prajapati, R. P. (2017). Rayleigh-Taylor instability and internal waves in strongly coupled quantum plasma. Physics of Plasmas, 24 (11). doi: https://doi.org/10.1063/1.5000414
  3. Thakur, G., Khanal, R., Narayan, B. (2019). Characterization of Arc Plasma by Movable Single and Double Langmuir Probes. Fusion Science and Technology, 75 (4), 324–329. doi: https://doi.org/10.1080/15361055.2019.1579623
  4. Mishra, L. N., Shibata, K., Ito, H., Yugami, N., Nishida, Y. (2003). Characteristics of electron cyclotron resonance plasma generated in a rectangular waveguide by high-power microwave. Review of Scientific Instruments, 75 (1), 84–89. doi: https://doi.org/10.1063/1.1630858
  5. Brockhaus, A., Borchardt, C., Engemann, J. (1994). Langmuir probe measurements in commercial plasma plants. Plasma Sources Science and Technology, 3 (4), 539–544. doi: https://doi.org/10.1088/0963-0252/3/4/011
  6. Ben Salem, D., Carton, O., Fakhouri, H., Pulpytel, J., Arefi-Khonsari, F. (2014). Deposition of Water Stable Plasma Polymerized Acrylic Acid/MBA Organic Coatings by Atmospheric Pressure Air Plasma Jet. Plasma Processes and Polymers, 11 (3), 269–278. doi: https://doi.org/10.1002/ppap.201300064
  7. Shakya, A., Baniya, H. B., Pradhan, S. P., Basnet, N., Adhikari, R., Subedi, D. P., Regmi, S. (2022). Cold Plasma as a Practical Approach to Cancer Treatment. Plasma Medicine, 12 (4), 57–73. doi: https://doi.org/10.1615/plasmamed.2023047628
  8. Olszewski, P., Li, J. F., Liu, D. X., Walsh, J. L. (2014). Optimizing the electrical excitation of an atmospheric pressure plasma advanced oxidation process. Journal of Hazardous Materials, 279, 60–66. doi: https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2014.06.059
  9. Mizuno, A., Yamazaki, Y., Ito, H., Yoshida, H. (1992). AC energized ferroelectric pellet bed gas cleaner. IEEE Transactions on Industry Applications, 28 (3), 535–540. doi: https://doi.org/10.1109/28.137431
  10. Francke, K.-P., Miessner, H., Rudolph, R. (2000). Plasmacatalytic processes for environmental problems. Catalysis Today, 59 (3-4), 411–416. doi: https://doi.org/10.1016/s0920-5861(00)00306-0
  11. Boutonnet Kizling, M., Järås, S. G. (1996). A review of the use of plasma techniques in catalyst preparation and catalytic reactions. Applied Catalysis A: General, 147 (1), 1–21. doi: https://doi.org/10.1016/s0926-860x(96)00215-3
  12. Bromberg, L., Cohn, D. R., Rabinovich, A., O’Brie, C., Hochgreb, S. (1998). Plasma Reforming of Methane. Energy & Fuels, 12 (1), 11–18. doi: https://doi.org/10.1021/ef9701091
  13. Korzhyk, V., Khaskin, V., Grynyuk, A., Ganushchak, O., Peleshenko, S., Konoreva, O. et al. (2021). Comparing features in metallurgical interaction when applying different techniques of arc and plasma surfacing of steel wire on titanium. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4 (12 (112)), 6–17. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.238634
  14. Schmidt-Szałowski, K., Borucka, A., Jodzis, S. (1990). Catalytic activity of silica in ozone formation in electrical discharges. Plasma Chemistry and Plasma Processing, 10 (3), 443–450. doi: https://doi.org/10.1007/bf01447202
  15. Gruenwald, J., Reynvaan, J., Geistlinger, P. (2018). Basic plasma parameters and physical properties of inverted He fireballs. Plasma Sources Science and Technology, 27 (1), 015008. doi: https://doi.org/10.1088/1361-6595/aaa332
  16. Nagi, Ł., Kozioł, M., Zygarlicki, J. (2020). Comparative Analysis of Optical Radiation Emitted by Electric Arc Generated at AC and DC Voltage. Energies, 13 (19), 5137. doi: https://doi.org/10.3390/en13195137
  17. Armijo, K., Clem, P., Kotovsky, D., Demosthenous, B., Tanbakuchi, A., Martinez, R., Muna, A., LaFleur, C. (2019). Electrical Arc Fault Particle Size Characterization. doi: https://doi.org/10.2172/1592574
  18. Shigeta, M., Hirayama, Y., Ghedini, E. (2021). Computational Study of Quenching Effects on Growth Processes and Size Distributions of Silicon Nanoparticles at a Thermal Plasma Tail. Nanomaterials, 11 (6), 1370. doi: https://doi.org/10.3390/nano11061370
  19. Shigeta, M., Tanaka, M., Ghedini, E. (2019). Numerical Analysis of the Correlation between Arc Plasma Fluctuation and Nanoparticle Growth–Transport under Atmospheric Pressure. Nanomaterials, 9 (12), 1736. doi: https://doi.org/10.3390/nano9121736
  20. Asai, S., Miyasaka, F., Nomura, K., Ogino, Y., Tanaka, M., Shigeta, M., Yamane, S. (2020). Recent Progresses of Welding and Joining Engineering. Journal of the Japan Welding Society, 89 (5), 322–335. doi: https://doi.org/10.2207/jjws.89.322
  21. Shigeta, M. (2018). Modeling and simulation of a turbulent‐like thermal plasma jet for nanopowder production. IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering, 14 (1), 16–28. doi: https://doi.org/10.1002/tee.22761
  22. Shigeta, M. (2020). Simulating Turbulent Thermal Plasma Flows for Nanopowder Fabrication. Plasma Chemistry and Plasma Processing, 40 (3), 775–794. doi: https://doi.org/10.1007/s11090-020-10060-8
  23. Porrang, S., Rahemi, N., Davaran, S., Mahdavi, M., Hassanzadeh, B., Gholipour, A. M. (2021). Direct surface modification of mesoporous silica nanoparticles by DBD plasma as a green approach to prepare dual-responsive drug delivery system. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, 123, 47–58. doi: https://doi.org/10.1016/j.jtice.2021.05.024
  24. Banerjee, S., Adhikari, E., Sapkota, P., Sebastian, A., Ptasinska, S. (2020). Atmospheric Pressure Plasma Deposition of TiO2: A Review. Materials, 13 (13), 2931. doi: https://doi.org/10.3390/ma13132931
  25. Dasgupta, D., Peddi, S., Saini, D. K., Ghosh, A. (2022). Mobile Nanobots for Prevention of Root Canal Treatment Failure. Advanced Healthcare Materials, 11 (14). doi: https://doi.org/10.1002/adhm.202200232
  26. Kumaresan, L., Shanmugavelayutham, G., Surendran, S., Sim, U. (2022). Thermal plasma arc discharge method for high-yield production of hexagonal AlN nanoparticles: synthesis and characterization. Journal of the Korean Ceramic Society, 59 (3), 338–349. doi: https://doi.org/10.1007/s43207-021-00177-7
  27. Huang, Y., Li, Q., Xue, X., Xu, H., Huang, J., Fan, D. (2022). Electrostatic probe analysis of SiO2 activating flux powders transition behavior in Powder Pool Coupled Activating TIG alternating current arc plasma for aluminum alloy. Journal of Manufacturing Processes, 84, 600–609. doi: https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2022.10.029
  28. Conversano, R. W., Lobbia, R. B., Kerber, T. V., Tilley, K. C., Goebel, D. M., Reilly, S. W. (2019). Performance characterization of a low-power magnetically shielded Hall thruster with an internally-mounted hollow cathode. Plasma Sources Science and Technology, 28 (10), 105011. doi: https://doi.org/10.1088/1361-6595/ab47de
  29. Fauchais, P. (1984). Applications physico-chimiques des plasmas d’arc. Revue de Physique Appliquée, 19 (12), 1013–1045. doi: https://doi.org/10.1051/rphysap:0198400190120101300
  30. Hassouba, M. A., Galaly, A. R., Rashed, U. M. (2013). Analysis of cylindrical Langmuir probe using experiment and different theories. Plasma Physics Reports, 39 (3), 255–262. doi: https://doi.org/10.1134/s1063780x13030033
  31. Honglertkongsakul, K., Chaiyakun, S., Witit-anun, N., Kongsri, W., Limsuwan, P. (2012). Single Langmuir Probe Measurements in an Unbalanced Magnetron Sputtering System. Procedia Engineering, 32, 962–968. doi: https://doi.org/10.1016/j.proeng.2012.02.039
Оцінка електронної густини, температури та електричних характеристик дугової плазми з кремнієм при атмосферному тиску

##submission.downloads##

Опубліковано

2023-10-31

Як цитувати

Jha, V. K., Mishra, L. N., Narayan, B., Dhobi, S. H., Shah, A. K., & Jha, S. (2023). Оцінка електронної густини, температури та електричних характеристик дугової плазми з кремнієм при атмосферному тиску. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5(5 (125), 6–14. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2023.289006

Номер

Том 5 № 5 (125) (2023): Прикладна фізика

Розділ

Прикладна фізика

Ліцензія

Авторське право (c) 2023 Vijay Kumar Jha, Lekha Nath Mishra, Bijoyendra Narayan, Saddam Husain Dhobi, Arun Kumar Shah, Susmita Jha

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.