Axial structure of DC glow discharge negative glow in nitrogen
We registered axial profiles of electron temperature, plasma potential and concentration of the direct current glow discharge in nitrogen at different gas pressure and discharge current values. We observed that in a broad range of experimental conditions the plasma concentration experiences 15…16 ti...
Saved in:
| Published in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Date: | 2012 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | English |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2012
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/109207 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Axial structure of DC glow discharge negative glow in nitrogen / V.A. Lisovskiy, V.A. Derevyanko, E.A. Kravchenko, V.D. Yegorenkov // Вопросы атомной науки и техники. — 2012. — № 6. — С. 199-201. — Бібліогр.: 7 назв. — англ. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860147819706318848 |
|---|---|
| author | Lisovskiy, V.A. Derevyanko, V.A. Kravchenko, E.A. Yegorenkov, V.D. |
| author_facet | Lisovskiy, V.A. Derevyanko, V.A. Kravchenko, E.A. Yegorenkov, V.D. |
| citation_txt | Axial structure of DC glow discharge negative glow in nitrogen / V.A. Lisovskiy, V.A. Derevyanko, E.A. Kravchenko, V.D. Yegorenkov // Вопросы атомной науки и техники. — 2012. — № 6. — С. 199-201. — Бібліогр.: 7 назв. — англ. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | We registered axial profiles of electron temperature, plasma potential and concentration of the direct current glow discharge in nitrogen at different gas pressure and discharge current values. We observed that in a broad range of experimental conditions the plasma concentration experiences 15…16 times decrease along the negative glow length. Maximum values of plasma concentration and electron temperature are registered at the cathode end of the negative glow, and the electric field strength is small. On leaving the cathode the plasma concentration and electron temperature in the negative glow are decreasing, here a region with a negative field may also form.
Осевые профили температуры электронов, потенциала и плотности плазмы тлеющего разряда постоянного тока в азоте измерены методом ленгмюровского зонда при различных значениях давления газа и разрядного тока. Показано, что в широком диапазоне экспериментальных условий на длине отрицательного свечения плотность плазмы уменьшается в 15-16 раз. Максимальные плотность плазмы и температура электронов наблюдаются на катодном конце отрицательного свечения, а напряженность электрического поля мала. При удалении от катода плотность плазмы и температура электронов в отрицательном свечении уменьшаются, здесь же может сформироваться область с отрицательным полем.
Осьові профілі температури електронів, потенціалу і густини плазми тліючого розряду постійного струму в азоті виміряні методом ленгмюрівського зонда при різних значеннях тиску газу і розрядного струму. Показано, що в широкому діапазоні експериментальних умов на довжині негативного світіння густина плазми зменшується в 15-16 разів. Максимальні густина плазми і температура електронів спостерігаються на катодному кінці негативного світіння, а напруженість електричного поля мала. При віддаленні від катода густина плазми і температура електронів в негативному світінні зменшуються, тут же може сформуватися область із негативним полем.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:50:48Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №6(82) 199
AXIAL STRUCTURE OF DC GLOW DISCHARGE NEGATIVE GLOW IN
NITROGEN
V.A. Lisovskiy 1,2, V.A. Derevyanko 1, E.A. Kravchenko 1, V.D. Yegorenkov 1
1V.N. Karazin Kharkov National University, Kharkov, Ukraine;
2Scientific Center of Physical Technologies, Kharkov, Ukraine
We registered axial profiles of electron temperature, plasma potential and concentration of the direct current
glow discharge in nitrogen at different gas pressure and discharge current values. We observed that in a broad range
of experimental conditions the plasma concentration experiences 15…16 times decrease along the negative glow
length. Maximum values of plasma concentration and electron temperature are registered at the cathode end of the
negative glow, and the electric field strength is small. On leaving the cathode the plasma concentration and electron
temperature in the negative glow are decreasing, here a region with a negative field may also form.
PACS: 52.80.Hc
INTRODUCTION
Direct current glow discharge is widely applied in
pumping gas lasers, for nitriding surfaces of various
materials, tools, plasma sterilization etc. Broad
application of the glow discharge in technologies
requires deeper understanding of physical processes
taking place in the discharge. Therefore recently there
appeared a large number of papers devoted to studying
the direct current glow discharge [1-4]. However,
though the dc glow discharge seems to be studied quite
well, there are a number of questions needing
additional research. Therefore studies of glow
discharge (as a whole and of some particular parts of it)
are of great interest. This report employs a single
Langmuir probe to register axial profiles of plasma
parameters in a negative glow of dc glow discharge in
nitrogen.
1. EXPERIMENTAL
Fig. 1 depicts the experimental device setup we
employed. We performed our studies in nitrogen within
the pressure range of p=0.05−0.5 Torr. The flat cathode
and anode were spaced L=245 mm apart. The inner
diameter of the cylindrical discharge glass tube was
56 mm.
We registered plasma parameter profiles with a
single nichrome Langmuir probe 1.5 mm long and
0.18 mm in diameter. A generator fed a sawtooth
potential to the probe. This potential was reduced with
a resistive divider (containing resistors Rd1 and Rd2) and
then it was fed to 24-digit analog-to-digital converter
(ADC). The probe current under measurement was
reduced with a shunt (resistor Rsh) and was also sent to
ADC. The ADC signal ran through a galvanic isolation
device and reached a computer through the RS-232
interface.
We employed the following technique for the
determination of plasma parameters. First, we found
the second derivative of the probe current over the
probe voltage and assumed as the plasma potential the
voltage value at which this derivative runs through a
zero. The ion branch Ii of the probe CVC is usually
described with a power dependence [5] Ii=a·(ϕpl−Upr)b.
Then we chose constants a and b in this approximation
formula. After that we subtracted the ion current Ii
from the registered probe current Ipr to determine the
electron current to the probe Ie=Ipr−Ii. The dependence
of the electron current logarithm ln(Ie) on the probe
potential Upr within the range between the floating and
plasma potentials possesses a linear section (under the
condition that cold electrons have a maxwellian
distribution with the temperature Te). Then the electron
temperature was determined from the tilt angle of this
linear section according to the formula Te=ΔUp/Δln(Ie)
[eV], where Δln(Ie) is the change in the electron current
logarithm within the change of the probe potential ΔUp,
corresponding to this linear section.
Plasma concentration ni was calculated from the
ion branch of the probe current Ipr and the measured
electron temperature Те according to the technique
described in papers [6, 7]. For this we employed the
formula **
, III iipr ⋅= , where
en
M
kTAI i
i
e
π2
* =
,
*
21
*
Li II γγ= , k is the Boltzmann constant, Mi is the ion
mass; I*
L is the Laframboise current, η
π
=
2*
LI . The
coefficients γ1 and γ2 are functions depending on ion
concentration, electron temperature and gas pressure
( )1 2 1,2, , ,i ef n T pγ γ = [6, 7]. As a result we have a
cumbersome equation the left-hand side of which
Rd2
Rd1
Rsh
RS232
ADC
Gas
supply
Pumping
V
AnodeCathode
Udc
R
A
PC
Probe
Fig. 1.Experimental device setup for studying the dc
glow discharge
200 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №6(82)
contains the probe current we register, and the right-
hand side depends on gas pressure, electron
temperature and plasma concentration. Numerical
solution of this equation permitted us to determine the
concentration of positive ions. Here we employed the
values of electron temperature and ion probe current
determined from the probe CVCs.
2. EXPERIMENTAL RESULTS
Consider the axial profiles of plasma parameters
shown in Fig.2 for the nitrogen pressure of 0.05 Torr.
Here the anode is located to the left, and the cathode is
to the right. Under these conditions the glow discharge
consists of a cathode sheath and a negative glow
approaching the anode surface (the maximum possible
negative glow length might be larger but only a part of
it found its place inside this inter-electrode gap). The
electron temperature Te was 0.3…0.5 eV almost within
the total discharge gap but near the negative glow-
cathode sheath interface we observed a sharp Te
increase. Electric field is usually small in the negative
glow what is supported by the axial potential profile we
registered. One observes in Fig.2 that the voltage drop
across the total negative glow amount to about 3 V.
The average field intensity was approximately
0.15 V/cm.
The axial profile of the positive ion concentration
possesses a maximum in the negative glow not far from
the cathode sheath boundary. Moving away from the
cathode the ion concentration falls uniformly almost to
the anode according to the power law 1/z0.8, if the z
coordinate is counted from the cathode surface. And
only near the anode surface the ion concentrations falls
fast to zero.
Probe measurements in the cathode sheath are
impeded because the electron concentration is small
and ions are moving to the probe surface as a
directional flow. This leads to a perturbation of the ion
branch form and the technique for treating the probe
CVC we use becomes incorrect.
Now consider a case with higher gas pressure.
Fig.3 presents the data for the nitrogen pressure of
0.3 Torr, here the discharge current was 5 mA. Electron
temperature in the negative glow decreases from the
cathode sheath boundary and it approaches the smallest
value Te≈1.2 eV at the anode end of the negative glow.
Along the negative glow the plasma potential lowers
by about 5 V. Axial profile of plasma concentration
possesses a maximum in the negative glow near the
cathode sheath boundary similar to the case of low
pressure. Along the negative glow the plasma
concentration decreases by about 16 times and it
approaches its minimum in the transition region to the
dark Faraday space. Note that the plasma concentration
decrease by 15…16 times was observed at all nitrogen
pressure and discharge current values when the
negative glow completely found its place within the
inter-electrode gap.
Fig. 4 shows the normalized axial profiles of
plasma density in the negative glow for different
pressures of nitrogen and discharge currents. These
profiles are well superimposed on each other.
The ratio of the maximum plasma density in the
negative glow to the density at its boundary with the
Faraday dark space is approximately equal to 15.8.
0,0
0,5
1,0
1,5
-20
-15
-10
-5
0
5
0 50 100 150 200108
109
Anode
T e ,
eV
Negative glow Cathode
ϕ
, V
L, mm
N
i ,
cm
-3
-2
0
2
4
6
8
10
E,
V
/c
m
Fig. 2. Axial profiles of electron temperature, plasma
potential and concentration of positive ions at
nitrogen pressure of 0.05 Torr and the discharge
current of 1 mA
0
1
2
3
4
-208
-206
-204
-202
-200
180 200 220 240
109
1010
Cathode
T e ,
eV
Negative glow
ϕ
,
V
L, mm
N
i ,
cm
-3
-10
-5
0
5
10
15
20
E,
V
/c
m
Fig. 3.Axial profiles of electron temperature, plasma
potential and concentration of positive ions at
nitrogen pressure of 0.3 Torr and discharge current of
5 mA
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №6(82) 201
CONCLUSIONS
Thus this paper reports the studies with a
Langmuir probe technique of axial plasma parameters
such as electron temperature, potential and plasma
concentration of dc glow discharge in nitrogen at
different gas pressure values. It demonstrates that in the
negative glow the electric field strength is small and
axial profiles of plasma concentration and electron
temperature possess maxima. These parameters
approach their minima at the negative glow- Faraday
dark space interface. Along the negative glow the
plasma concentration is found to decrease
15…16 times еt al gas pressure and discharge current
values we studied.
REFERENCES
1. M.A. Lieberman, A.J. Lichtenberg // Principles of
Plasma Discharges and Materials Processing.
Hoboken, NJ: Wiley, 2005.
2. V.A. Lisovskiy, S.D. Yakovin, V.D. Yegorenkov.
Low-pressure gas breakdown in uniform dc electric
field // J. Phys. D: Appl. Phys. 2000, v.33, №21,
p. 2722–2730.
3. V.A. Lisovskiy, V.A. Koval, V.D. Yegorenkov. Dc
breakdown of low pressure gas in long tubes // Physics
Letters A. 2011, v.375, № 19, p. 1986–1989.
4. V.A. Lisovskiy, V.A. Koval, E.P. Artushenko,
V.D. Yegorenkov. Validating the Goldstein–Wehner
law for the stratified positive column of dc discharge in
an undergraduate laboratory // Eur. J. Phys. 2012,
v. 33, № 6, p. 1537–1545.
5. G.J. Schulz, S.C. Brown. Microwave Study of
Positive Ion Collection by Probes // Phys. Rev. 1955,
v. 98, № 6, p. 1642–1649.
6. Z. Zakrzewski, T. Kopiczynski. Effect of collisions
on positive ion collection by a cylindrical Langmuir
probe // Plasma Physics. 1974, v. 16, №12, p. 1195-
1198.
7. M. Tichý, M. Šícha, P. David, T. David.A collisional
model of the positive ion collection by a cylindrical
Langmuir probe // Contrib. Plasma Phys. 1994, v. 34,
№ 1, p. 59-68.
Article received 20.09.12
АКСИАЛЬНАЯ СТРУКТУРА ОТРИЦАТЕЛЬНОГО СВЕЧЕНИЯ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА
ПОСТОЯННОГО ТОКА В АЗОТЕ
В.А. Лисовский, В.А. Деревянко, Е.А. Кравченко, В.Д. Егоренков
Осевые профили температуры электронов, потенциала и плотности плазмы тлеющего разряда
постоянного тока в азоте измерены методом ленгмюровского зонда при различных значениях давления
газа и разрядного тока. Показано, что в широком диапазоне экспериментальных условий на длине
отрицательного свечения плотность плазмы уменьшается в 15-16 раз. Максимальные плотность плазмы и
температура электронов наблюдаются на катодном конце отрицательного свечения, а напряженность
электрического поля мала. При удалении от катода плотность плазмы и температура электронов в
отрицательном свечении уменьшаются, здесь же может сформироваться область с отрицательным полем.
АКСИАЛЬНА СТРУКТУРА НЕГАТИВНОГО СВІТІННЯ ТЛІЮЧОГО РОЗРЯДУ ПОСТІЙНОГО
СТРУМУ В АЗОТІ
В.О. Лісовський, В.О. Дерев’янко, К.О. Кравченко, В.Д. Єгоренков
Осьові профілі температури електронів, потенціалу і густини плазми тліючого розряду постійного
струму в азоті виміряні методом ленгмюрівського зонда при різних значеннях тиску газу і розрядного
струму. Показано, що в широкому діапазоні експериментальних умов на довжині негативного світіння
густина плазми зменшується в 15-16 разів. Максимальні густина плазми і температура електронів
спостерігаються на катодному кінці негативного світіння, а напруженість електричного поля мала. При
віддаленні від катода густина плазми і температура електронів в негативному світінні зменшуються, тут
же може сформуватися область із негативним полем.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
n i /n
i.m
ax
L/ Lmax
0.3 Torr, 5 mA
0.3 Torr, 30 mA
0.5 Torr, 15 mA
0.15 Torr, 0.5 mA
Fig. 4. The normalized axial profiles of plasma
density in the negative glow for different
pressures of nitrogen and discharge current
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-109207 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | English |
| last_indexed | 2025-12-07T17:50:48Z |
| publishDate | 2012 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Lisovskiy, V.A. Derevyanko, V.A. Kravchenko, E.A. Yegorenkov, V.D. 2016-11-21T19:51:01Z 2016-11-21T19:51:01Z 2012 Axial structure of DC glow discharge negative glow in nitrogen / V.A. Lisovskiy, V.A. Derevyanko, E.A. Kravchenko, V.D. Yegorenkov // Вопросы атомной науки и техники. — 2012. — № 6. — С. 199-201. — Бібліогр.: 7 назв. — англ. 1562-6016 PACS: 52.80.Hc https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/109207 We registered axial profiles of electron temperature, plasma potential and concentration of the direct current glow discharge in nitrogen at different gas pressure and discharge current values. We observed that in a broad range of experimental conditions the plasma concentration experiences 15…16 times decrease along the negative glow length. Maximum values of plasma concentration and electron temperature are registered at the cathode end of the negative glow, and the electric field strength is small. On leaving the cathode the plasma concentration and electron temperature in the negative glow are decreasing, here a region with a negative field may also form. Осевые профили температуры электронов, потенциала и плотности плазмы тлеющего разряда постоянного тока в азоте измерены методом ленгмюровского зонда при различных значениях давления газа и разрядного тока. Показано, что в широком диапазоне экспериментальных условий на длине отрицательного свечения плотность плазмы уменьшается в 15-16 раз. Максимальные плотность плазмы и температура электронов наблюдаются на катодном конце отрицательного свечения, а напряженность электрического поля мала. При удалении от катода плотность плазмы и температура электронов в отрицательном свечении уменьшаются, здесь же может сформироваться область с отрицательным полем. Осьові профілі температури електронів, потенціалу і густини плазми тліючого розряду постійного струму в азоті виміряні методом ленгмюрівського зонда при різних значеннях тиску газу і розрядного струму. Показано, що в широкому діапазоні експериментальних умов на довжині негативного світіння густина плазми зменшується в 15-16 разів. Максимальні густина плазми і температура електронів спостерігаються на катодному кінці негативного світіння, а напруженість електричного поля мала. При віддаленні від катода густина плазми і температура електронів в негативному світінні зменшуються, тут же може сформуватися область із негативним полем. en Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Низкотемпературная плазма и плазменные технологии Axial structure of DC glow discharge negative glow in nitrogen Аксиальная структура отрицательного свечения тлеющего разряда постоянного тока в азоте Аксиальна структура негативного світіння тліючого розряду постійного струму в азоті Article published earlier |
| spellingShingle | Axial structure of DC glow discharge negative glow in nitrogen Lisovskiy, V.A. Derevyanko, V.A. Kravchenko, E.A. Yegorenkov, V.D. Низкотемпературная плазма и плазменные технологии |
| title | Axial structure of DC glow discharge negative glow in nitrogen |
| title_alt | Аксиальная структура отрицательного свечения тлеющего разряда постоянного тока в азоте Аксиальна структура негативного світіння тліючого розряду постійного струму в азоті |
| title_full | Axial structure of DC glow discharge negative glow in nitrogen |
| title_fullStr | Axial structure of DC glow discharge negative glow in nitrogen |
| title_full_unstemmed | Axial structure of DC glow discharge negative glow in nitrogen |
| title_short | Axial structure of DC glow discharge negative glow in nitrogen |
| title_sort | axial structure of dc glow discharge negative glow in nitrogen |
| topic | Низкотемпературная плазма и плазменные технологии |
| topic_facet | Низкотемпературная плазма и плазменные технологии |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/109207 |
| work_keys_str_mv | AT lisovskiyva axialstructureofdcglowdischargenegativeglowinnitrogen AT derevyankova axialstructureofdcglowdischargenegativeglowinnitrogen AT kravchenkoea axialstructureofdcglowdischargenegativeglowinnitrogen AT yegorenkovvd axialstructureofdcglowdischargenegativeglowinnitrogen AT lisovskiyva aksialʹnaâstrukturaotricatelʹnogosvečeniâtleûŝegorazrâdapostoânnogotokavazote AT derevyankova aksialʹnaâstrukturaotricatelʹnogosvečeniâtleûŝegorazrâdapostoânnogotokavazote AT kravchenkoea aksialʹnaâstrukturaotricatelʹnogosvečeniâtleûŝegorazrâdapostoânnogotokavazote AT yegorenkovvd aksialʹnaâstrukturaotricatelʹnogosvečeniâtleûŝegorazrâdapostoânnogotokavazote AT lisovskiyva aksialʹnastrukturanegativnogosvítínnâtlíûčogorozrâdupostíinogostrumuvazotí AT derevyankova aksialʹnastrukturanegativnogosvítínnâtlíûčogorozrâdupostíinogostrumuvazotí AT kravchenkoea aksialʹnastrukturanegativnogosvítínnâtlíûčogorozrâdupostíinogostrumuvazotí AT yegorenkovvd aksialʹnastrukturanegativnogosvítínnâtlíûčogorozrâdupostíinogostrumuvazotí |