Spectroscopy of electric discharge plasma in metal vapours
The radial profiles of the temperature and electron density in the plasma of the electric arc between composition electrodes based on cooper (Cu-Mo, Cu-W) are studied by optical spectroscopy techniques. The electron density and the temperature in plasma as initial parameters were used in the calcula...
Gespeichert in:
| Datum: | 2005 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | English |
| Veröffentlicht: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2005
|
| Schriftenreihe: | Вопросы атомной науки и техники |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79818 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Spectroscopy of electric discharge plasma in metal vapours / A.N. Veklich, V.Ye. Osidach // Вопросы атомной науки и техники. — 2005. — № 2. — С. 229-231. — Бібліогр.: 2 назв. — англ. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-79818 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-798182025-02-09T17:08:09Z Spectroscopy of electric discharge plasma in metal vapours Спектроскопія електророзрядної плазми у парах металів Спектроскопия электроразрядной плазмы в парах металлов Veklich, A.N. Osidach, V.Ye. Plasma diagnostics The radial profiles of the temperature and electron density in the plasma of the electric arc between composition electrodes based on cooper (Cu-Mo, Cu-W) are studied by optical spectroscopy techniques. The electron density and the temperature in plasma as initial parameters were used in the calculation of the plasma composition in local thermodynamical equilibrium (LTE) assumption. We used the Saha’s equation for copper, nitrogen, oxygen and W (or Mo) atoms, dissociation equation for nitrogen and oxygen atoms, the equation of plasma electrical neutrality and Dalton’s law as well. So, it would be possible to determine the amounts of metal vapours in plasma. Методами оптичної спектроскопії визначені радіальні профілі температури та електронної концентрації в плазмі електричної дуги між композиційними електродами на основі міді (Cu-Mo, Cu-W). У припущенні наявності локальної термодинамічної рівноваги для обчислення рівноважного складу плазми в якості базових параметрів використані електронна концентрація та температура плазми. Розв’язувалась система, що складається з рівнянь Саха для атомів міді, азоту, кисню та вольфраму (або молібдену), рівнянь дисоціації для молекул азоту та кисню, рівняння електронейтральності і рівняння, що описує закон Дальтона. Реалізована таким чином методика дозволить визначити вміст парів металів у плазмі. Методами оптической спектроскопии получены радиальные профили температуры и электронной концентрации в плазме электрической дуги между композиционными электродами на основе меди (Cu-Mo, Cu-W). В предположении наличия локального термодинамического равновесия для расчета равновесного состава плазмы в качестве базовых параметров использованы электронная концентрация и температура плазмы. Решалась система, состоящая из уравнений Саха для атомов меди, азота, кислорода и вольфрама (или молибдена), уравнений диссоциации для молекул азота и кислорода, уравнения электронейтральности и уравнения, описывающего закон Дальтона. Реализованная таким образом методика позволит определить содержание паров металлов в плазме. 2005 Article Spectroscopy of electric discharge plasma in metal vapours / A.N. Veklich, V.Ye. Osidach // Вопросы атомной науки и техники. — 2005. — № 2. — С. 229-231. — Бібліогр.: 2 назв. — англ. 1562-6016 PACS: 52.70.-m, 52.80.Mg https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79818 en Вопросы атомной науки и техники application/pdf Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
English |
| topic |
Plasma diagnostics Plasma diagnostics |
| spellingShingle |
Plasma diagnostics Plasma diagnostics Veklich, A.N. Osidach, V.Ye. Spectroscopy of electric discharge plasma in metal vapours Вопросы атомной науки и техники |
| description |
The radial profiles of the temperature and electron density in the plasma of the electric arc between composition electrodes based on cooper (Cu-Mo, Cu-W) are studied by optical spectroscopy techniques. The electron density and the temperature in plasma as initial parameters were used in the calculation of the plasma composition in local thermodynamical equilibrium (LTE) assumption. We used the Saha’s equation for copper, nitrogen, oxygen and W (or Mo) atoms, dissociation equation for nitrogen and oxygen atoms, the equation of plasma electrical neutrality and Dalton’s law as well. So, it would be possible to determine the amounts of metal vapours in plasma. |
| format |
Article |
| author |
Veklich, A.N. Osidach, V.Ye. |
| author_facet |
Veklich, A.N. Osidach, V.Ye. |
| author_sort |
Veklich, A.N. |
| title |
Spectroscopy of electric discharge plasma in metal vapours |
| title_short |
Spectroscopy of electric discharge plasma in metal vapours |
| title_full |
Spectroscopy of electric discharge plasma in metal vapours |
| title_fullStr |
Spectroscopy of electric discharge plasma in metal vapours |
| title_full_unstemmed |
Spectroscopy of electric discharge plasma in metal vapours |
| title_sort |
spectroscopy of electric discharge plasma in metal vapours |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| publishDate |
2005 |
| topic_facet |
Plasma diagnostics |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79818 |
| citation_txt |
Spectroscopy of electric discharge plasma in metal vapours / A.N. Veklich, V.Ye. Osidach // Вопросы атомной науки и техники. — 2005. — № 2. — С. 229-231. — Бібліогр.: 2 назв. — англ. |
| series |
Вопросы атомной науки и техники |
| work_keys_str_mv |
AT veklichan spectroscopyofelectricdischargeplasmainmetalvapours AT osidachvye spectroscopyofelectricdischargeplasmainmetalvapours AT veklichan spektroskopíâelektrorozrâdnoíplazmiuparahmetalív AT osidachvye spektroskopíâelektrorozrâdnoíplazmiuparahmetalív AT veklichan spektroskopiâélektrorazrâdnojplazmyvparahmetallov AT osidachvye spektroskopiâélektrorazrâdnojplazmyvparahmetallov |
| first_indexed |
2025-11-28T10:36:42Z |
| last_indexed |
2025-11-28T10:36:42Z |
| _version_ |
1850030122618322944 |
| fulltext |
SPECTROSCOPY OF ELECTRIC DISCHARGE PLASMA IN METAL
VAPOURS
A.N. Veklich, V.Ye. Osidach
Taras Shevchenko Kyiv National University
The radial profiles of the temperature and electron density in the plasma of the electric arc between composition
electrodes based on cooper (Cu-Mo, Cu-W) are studied by optical spectroscopy techniques. The electron density and
the temperature in plasma as initial parameters were used in the calculation of the plasma composition in local
thermodynamical equilibrium (LTE) assumption. We used the Saha’s equation for copper, nitrogen, oxygen and W (or
Mo) atoms, dissociation equation for nitrogen and oxygen atoms, the equation of plasma electrical neutrality and
Dalton’s law as well. So, it would be possible to determine the amounts of metal vapours in plasma.
PACS: 52.70.-m, 52.80.Mg
INTRODUCTION
As well known, parameters of electric arc plasma which
appear between contacts surfaces of switching devices
depend on the electrodes materials. The copper based
composition materials (for example, Cu-W and Cu-Mo) are
often used in the electrical engineering as electrode
materials.
In our previous investigations of free burning in air
electric arc between consumable electrodes we
determined the electron density and the temperature in
plasma by the optical spectroscopy [1, 2]. In a case of
LTE the plasma composition can be calculated. So,
obtained in such manner plasma parameters can be used
for developing of the physical model of this
multicomponent plasma source.
1. EXPERIMENTAL SETUP
The experimental setup was described in our previous
paper [1]. The electric arc is ignited between two non-
cooled electrodes E1, E2 (see Fig.1). No stabilization of
arc column is used. The discharge column is focused on
entrance split of the monochromator MDR-12 by the lens
O. The image of the arc was rotated on 90є by Dovet
prism to realize the measurements of radial profiles of
spectral intensities. The CCD linear image sensor SONY
ILX526A provided a registration of spectral lines on exit
split of monochromator. The ISA slot of IBM PC in
control and data transferring was used.
E1
E2 O D
MDR-12
PC CCD
Fig.1
In such manner experimental setup allows to
determine the radial distribution of radiation from any
cross section of plasma object on specific spectral line.
The hardware and software was especially designed for
laboratory and industry plasma research.
The investigation was carried out at the arc current
30A and discharge gaps lak = 2, 4, 6 and 8 mm between
Cu, Cu-W, Cu-Mo and Cu-Mo-LaB6 electrodes. In
discharge gap of 8 mm the measurements were performed
for the various distances from cathode (FC): 1 mm, 2 mm,
4 mm (center), 6 mm and 7 mm. The temperature radial
profiles were calculated from relative intensities of two
CuI spectral lines 521.8 and 510.5 nm.
Fig.2
In a combination with a Fabry-Perot interferometer
the spectrometer provides simultaneous registration of
spatial and spectral distribution of radiation intensities
(see Fig.2)[2].
Thus, the spectrometer allows measuring contours of
spectral lines in different spatial points of plasma volume.
As the plasma source is not uniform there is a problem
to obtain the local values of plasma parameters in a
discharge (electron density in our case of dominating
Stark broadening of spectral line CuI 515.3 nm) using this
interferogramm.
In a previous paper the method based on the
simulation of such experiment was suggested [2].
Problems of Atomic Science and Technology. Series: Plasma Physics (11). 2005. № 2. P. 229-231 229
2. RESULTS AND DISCUSSIONS
2.1 RADIAL DISTRIBUTIONS OF THE
TEMPERATURE AND ELECTRON DENSITY IN
THE PLASMA OF THE ELECTRIC ARC
In Fig. 3 the obtained radial distributions of the
temperature (a, b, c, d, e) and electron density (f) in
plasma of electric arc discharge between cooper and
composition electrodes on the cooper base are shown.
0 2 4 6 8
3000
6000
9000
12000
lak=8mm I=30A
Cu
Cu-Mo
Cu-W
Cu-Mo-LaB6
r,mm
T,K
a
0 1 2 3 4 5
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
Cu-Mo I=30A
T,K
r,mm
l
ak
=2mm
lak=4mm
lak=6mm
l
ak
=8mm
b
0 2 4 6 8
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000 lak=2mm
lak=4mm
lak=6mm
lak=8mm
Cu-W I=30AT,K
r,mm
c
0 1 2 3 4 5
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
Cu-Mo I=30A lak=8mm
T,K
r,mm
1mm FC
2mm FC
Center
6mm FC
7mm FC
d
0 2 4 6 8
0
5000
10000
15000
20000
1mm FC
2mm FC
Center
6mm FC
7mm FC
Cu-W I=30A l
ak
=8mm
T,K
r,mm
e
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
Cu-Mo, 30A, 515.3 nm
Ne*1016, cm-3
r, mm
lak=2mm
lak=4mm
lak=6mm
lak=8mm
f
Fig.3
2.2 PLASMA COMPOSITION OF THE ELECTRIC
ARC DISCHARGE BETWEEN Cu-W, Cu-Mo
ELECTRODES IN AIR
The obtained electron density and the temperature in
plasma as initial parameters were used in the calculation
230
of the plasma composition in LTE assumption. We used
the Saha’s equation for copper, nitrogen, oxygen and
metal Me (W or Mo) atoms, dissociation equation for
nitrogen and oxygen atoms, the equation of plasma
electrical neutrality and Dalton’s law as well.
n NnNOnOnCunMe=ne (1)
2nenCunMenNnOnNOnN 2
nO2
= P
KT
(2)
nN 2
nNnNnNOnNO=
=3 .72 nO 2
nOnOnNOnNO
(3)
ne⋅nNO
nNO
=S NO T (4)
ne⋅nN
nN
=S N T (5)
ne⋅nO
nO
=S O T (6)
ne⋅nCu
nCu
=SCu T (7)
ne⋅nMe
nMe
=S Me T (8)
nO⋅nN
nNO
=K NO T (9)
n
O 2
nO 2
=K O2
T (10)
n
N 2
nN 2
=K N 2
T (11)
So, it would be possible to determine the amounts of
metal vapours in plasma.
CONCLUSIONS
The investigations of temperature and electron density
radial distributions in plasma of arc discharge between
composition electrodes are carried out. The technique of
the determining of amounts of metal vapours in plasma is
suggested.
REFERENCES
1. A.N.Veklich, V.Ye. Osidach. Spectroscopy diagnostics
of free burning electric arc plasma // Second International
Young Scientists' Conference On Applied Physics.
Ukraine. June, 19-21, 2002/ Kyiv, 2002, p.90-91.
2. A.N. Veklich, V.Ye. Osidach. The determination of
electron density in electric arc discharge plasma //Bulletin
of the University of Kyiv. Series: Physics & Mathematics.
2004, N2, p.428-435.
СПЕКТРОСКОПИЯ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЫ В ПАРАХ МЕТАЛЛОВ
А.Н. Веклич, В.Е. Осидач
Методами оптической спектроскопии получены радиальные профили температуры и электронной
концентрации в плазме электрической дуги между композиционными электродами на основе меди (Cu-Mo, Cu-W).
В предположении наличия локального термодинамического равновесия для расчета равновесного состава
плазмы в качестве базовых параметров использованы электронная концентрация и температура плазмы.
Решалась система, состоящая из уравнений Саха для атомов меди, азота, кислорода и вольфрама (или
молибдена), уравнений диссоциации для молекул азота и кислорода, уравнения электронейтральности и
уравнения, описывающего закон Дальтона. Реализованная таким образом методика позволит определить
содержание паров металлов в плазме.
СПЕКТРОСКОПІЯ ЕЛЕКТРОРОЗРЯДНОЇ ПЛАЗМИ У ПАРАХ МЕТАЛІВ
А.М. Веклич, В.Е. Осідач
Методами оптичної спектроскопії визначені радіальні профілі температури та електронної концентрації в
плазмі електричної дуги між композиційними електродами на основі міді (Cu-Mo, Cu-W). У припущенні
наявності локальної термодинамічної рівноваги для обчислення рівноважного складу плазми в якості базових
параметрів використані електронна концентрація та температура плазми. Розв’язувалась система, що
складається з рівнянь Саха для атомів міді, азоту, кисню та вольфраму (або молібдену), рівнянь дисоціації для
молекул азоту та кисню, рівняння електронейтральності і рівняння, що описує закон Дальтона. Реалізована
таким чином методика дозволить визначити вміст парів металів у плазмі.
231
|