Research Paper

Unraveling ns plasma physics of streamers in water

The spectra are dominated by the black body continuum from the hot tungsten surface and line emissions from the hydrogen Balmer series. Typical temperatures from 6000K up to 8000K are reached for the tungsten surface corresponding to the boiling temperature of tungsten at varying tungsten vapor pressures. The analysis of the ignition process and the concurrent spectral features indicate that the plasma is initiated by field ionization of water molecules at the electrode surface. At the end of the pulse, field emission of electrons can occur. During the plasma pulse, it is postulated that the plasma contracts locally at the electrode surface forming a hot spot. This causes a characteristic contribution to the continuum emission at small wavelengths. The spectra also show pronounced emission lines of the hydrogen Balmer series.

Nanosecond plasmas in liquids are an important method to trigger the water chemistry for electrolysis or for biomedical applications in plasma medicine. The understanding of these chemical processes relies on knowing the variation of the temperatures in these dynamic plasmas. This is analyzed by monitoring nanosecond pulsed plasmas that are generated by high voltages (HV) at 20 kV and pulse lengths of 15 ns applied to a tungsten tip with 50 micrometer diameter immersed in water. Plasma emission is analyzed by optical emission spectroscopy (OES) ranging from UV wavelengths of 250nm to visible wavelengths of 850nm at a high temporal resolution of 2 ns.

The data indicate two contributions of the hydrogen line radiation that differ with respect to the degree of self-absorption. It is postulated that one contribution originates from a recombination region showing strong self absorption and one contribution from a ionization region showing very little self-absorption. The emission lines from the ionization region are evaluated assuming Stark broadening, that yielded electron densities up to 5 x 10^25 m^-3. The electron density evolution follows the same trend as the temporal evolution of the voltage applied to the tungsten tip. The propagation mechanism of the plasma is similar to that of a positive streamer in the gas phase, although in the liquid phase field effects such as electron transport by tunneling should play an important role.

It is striking that the electron density follows closely the voltage applied to the electrode during the rising and falling edge of the pulse. In nanosecond plasmas in gases at atmospheric pressures, the voltage and current exhibit usually a delay in between with the voltage rising first followed by the current due to the delayed build-up of the electron density in the ionization avalanche. During the plasma propagation in the liquid, however, the density of species is three orders of magnitudes higher, so that the build-up of charges is expected to be much faster compared to the variation of the voltage. The same also holds for recombination that should exhibit time constants of the order of ps at these densities. The actual electron density is then a balance between generation of free electrons in the high electric fields and their loss due to recombination. This is consistent with the observation that the electron density follows also the decrease of the voltage with a time constant of 8 ns. The decay of the electron density is not a free decay due to recombination, but rather follows a decreasing equilibrium value as a competition between ionization and recombination.

Forschungsarbeit

Entschlüsselung der ns-Plasmaphysik von Streamern in Wasser

Die Spektren werden durch das Schwarzkörperkontinuum von der heißen Wolframoberfläche und Linienemissionen der Wasserstoff-Balmer-Reihe dominiert. Für die Wolframoberfläche werden typische Temperaturen von 6000K bis 8000K erreicht, was der Siedetemperatur von Wolfram bei unterschiedlichen Wolfram-Dampfdrücken entspricht. Die Analyse des Zündvorgangs und der damit einhergehenden spektralen Merkmale weisen darauf hin, dass das Plasma durch Feldionisation von Wassermolekülen an der Elektrodenoberfläche initiiert wird. Am Ende des Pulses kann es zur Feldemission von Elektronen kommen. Während des Plasmapulses wird postuliert, dass sich das Plasma lokal an der Elektrodenoberfläche zusammenzieht und einen Hot Spot bildet. Dies verursacht einen charakteristischen Beitrag zur Kontinuumsemission bei kleinen Wellenlängen. Die Spektren zeigen auch ausgeprägte Emissionslinien der Wasserstoff-Balmer-Reihe.

Nanosekundenplasmen in Flüssigkeiten sind eine wichtige Methode zur Auslösung der Wasserchemie für die Elektrolyse oder für biomedizinische Anwendungen in der Plasmamedizin. Für das Verständnis dieser chemischen Prozesse ist es wichtig, die Variation der Temperaturen in diesen dynamischen Plasmen zu kennen. Dies wird durch die Beobachtung von Nanosekunden-gepulsten Plasmen analysiert, die durch Hochspannungen (HV) bei 20 kV und Pulslängen von 15 ns erzeugt werden, die an eine Wolframspitze mit 50 Mikrometer Durchmesser angelegt werden, die in Wasser eingetaucht ist. Die Plasmaemission wird mittels optischer Emissionsspektroskopie (OES) im Bereich von UV-Wellenlängen von 250nm bis zu sichtbaren Wellenlängen von 850nm bei einer hohen zeitlichen Auflösung von 2 ns analysiert.

Die Plasmastrahlung wird mit Hilfe der optischen Emissionsspektroskopie analysiert.

Die Daten deuten auf zwei Beiträge der Wasserstofflinienstrahlung hin, die sich hinsichtlich des Grades der Selbstabsorption unterscheiden. Es wird postuliert, dass ein Beitrag aus einer Rekombinationsregion mit starker Selbstabsorption und ein Beitrag aus einer Ionisationsregion mit sehr geringer Selbstabsorption stammt. Die Emissionslinien aus der Ionisationsregion werden unter der Annahme einer Stark-Verbreiterung ausgewertet, was Elektronendichten bis zu 5 x 10^25 m^-3 ergibt. Die Entwicklung der Elektronendichte folgt dem gleichen Trend wie die zeitliche Entwicklung der an der Wolframspitze angelegten Spannung. Der Ausbreitungsmechanismus des Plasmas ähnelt dem eines positiven Streamers in der Gasphase, obwohl in der flüssigen Phase Feldeffekte wie der Elektronentransport durch Tunneln eine wichtige Rolle spielen sollten.

Auffallend ist, dass die Elektronendichte der an der Elektrode angelegten Spannung während der steigenden und fallenden Flanke des Pulses eng folgt. In Nanosekundenplasmen in Gasen bei Atmosphärendruck weisen Spannung und Strom normalerweise eine Verzögerung auf, wobei die Spannung zuerst ansteigt, gefolgt vom Strom aufgrund des verzögerten Aufbaus der Elektronendichte in der Ionisationslawine. Während der Plasmaausbreitung in der Flüssigkeit ist die Dichte der Spezies jedoch um drei Größenordnungen höher, so dass der Aufbau der Ladungen im Vergleich zur Änderung der Spannung viel schneller erfolgen dürfte. Das Gleiche gilt auch für die Rekombination, die bei diesen Dichten Zeitkonstanten in der Größenordnung von ps aufweisen sollte. Die tatsächliche Elektronendichte ist dann ein Gleichgewicht zwischen der Erzeugung von freien Elektronen in den hohen elektrischen Feldern und deren Verlust durch Rekombination. Dies ist konsistent mit der Beobachtung, dass die Elektronendichte auch der Abnahme der Spannung mit einer Zeitkonstante von 8 ns folgt. Der Zerfall der Elektronendichte ist kein freier Zerfall aufgrund von Rekombination, sondern folgt einem abnehmenden Gleichgewichtswert als Konkurrenz zwischen Ionisation und Rekombination.

Successful cooperation of projects B1 & B7 of the CRC 1316

Setting up µs-pulsed plasma source in liquids at FHI, Berlin

In the framework of the cooperation between the projects B1 and B7 of the CRC 1316, the whole setup for µs-pulsed plasmas in liquids was transferred from Bochum to the FHI in Berlin. Afterwards, from February 17^th until February 21^st, 2020, PhD student Katharina Grosse from project B7 visited the group of Prof. Roldan Cuenya in Berlin to set up the experiment with the local PhD student Philipp Grosse from project B1. The cooperation between these projects should unravel the question, whether and how catalytic surfaces used for electrochemistry can be recovered by discharge treatment inside the electrolyte. With the move of the experiment from Bochum to Berlin and preliminary measurements, the first step is completed to investigate the influence of the plasma generated in-liquid species on the catalysts.

Katharina Grosse, project B7 of the CRC 1316