Project B7 - Nanosecond plasmas

Extreme Conditions in Plasma in Liquids

Nanosecond plasmas in liquids play an important role in the field of decontamination, electrolysis or plasma medicine. The understanding of these very dynamic plasmas requires information about the temporal variation of species densities and temperatures. This is analyzed by monitoring nanosecond plasmas that are generated by high voltages (HV) between 14 kV and 26 kV and pulse lengths of 10 ns applied to a tungsten tip with 50 µm diameter immersed in water. Ignition of the plasma causes the formation of a cavitation bubble that is monitored by shadowgraphy to measure the dynamic of the created bubble and the sound speed of the emitted acoustic waves surrounding this tungsten tip.

The temporal evolution of the bubble size is compared with cavitation theory yielding good agreement for an initial bubble radius of 25 µm with an initial pressure of GPa at a temperature of 1200 K for a high voltage of 18 kV. This yields an initial energy in the range of a few 10-5 J that varies with the applied high voltage. The dissipated energy by the plasma drives the adiabatic expansion of water vapor inside the bubble from its initial supercritical state to a low pressure, low temperature state at maximum bubble expansion reaching values of 10^3 Pa and 50 K, respectively. These predictions from cavitation theory are corroborated by optical emission spectroscopy (OES). After igniting the nanosecond plasma, the electrical power oscillates in the feed line between HV pulser and plasma chamber with a ring down time of the order of 60 ns. These reflected pulses re-ignite a plasma inside the expanding bubble periodically. Broadband emission due to recombination and Bremsstrahlung becomes visible within the first 100 ns. At later times, line emission dominates. Stark broadening of the spectral lines of H_alpha (656 nm) and OI (777 nm) is evaluated to determine both the electron density and the electron temperature in these re-ignited plasmas.

Projekt B7 - Nanosekunden-Plasmen

Extreme Bedingungen in Plasmen in Flüssigkeiten

Nanosekundenplasmen in Flüssigkeiten spielen eine wichtige Rolle im Bereich der Dekontamination, Elektrolyse oder Plasmamedizin. Das Verständnis dieser sehr dynamischen Plasmen erfordert Informationen über die zeitliche Variation von Speziesdichten und Temperaturen. Dies wird durch die Beobachtung von Nanosekundenplasmen analysiert, die durch Hochspannungen (HV) zwischen 14 kV und 26 kV und Pulslängen von 10 ns erzeugt werden, die an eine in Wasser eingetauchte Wolframspitze mit 50 µm Durchmesser angelegt werden. Die Zündung des Plasmas bewirkt die Bildung einer Kavitationsblase, die mit Hilfe der Schattengrafie überwacht wird, um die Dynamik der erzeugten Blase und die Schallgeschwindigkeit der emittierten akustischen Wellen in der Umgebung dieser Wolframspitze zu messen.

Die zeitliche Entwicklung der Blasengröße wird mit der Kavitationstheorie verglichen und ergibt eine gute Übereinstimmung für einen anfänglichen Blasenradius von 25 µm mit einem Anfangsdruck von GPa bei einer Temperatur von 1200 K für eine Hochspannung von 18 kV. Daraus ergibt sich eine Anfangsenergie im Bereich von einigen 10-5 J, die mit der angelegten Hochspannung variiert. Die dissipierte Energie des Plasmas treibt die adiabatische Ausdehnung des Wasserdampfs innerhalb der Blase vom anfänglichen überkritischen Zustand in einen Zustand mit niedrigem Druck und niedriger Temperatur bei maximaler Blasenausdehnung, die Werte von 10^3 Pa bzw. 50 K erreicht. Diese Vorhersagen aus der Kavitationstheorie werden durch die optische Emissionsspektroskopie (OES) untermauert. Nach dem Zünden des Nanosekunden-Plasmas oszilliert die elektrische Leistung in der Zuleitung zwischen HV-Pulser und Plasmakammer mit einer Abklingzeit in der Größenordnung von 60 ns. Diese reflektierten Pulse zünden das Plasma innerhalb der expandierenden Blase periodisch neu. Breitbandige Emission aufgrund von Rekombination und Bremsstrahlung wird innerhalb der ersten 100 ns sichtbar. Zu späteren Zeiten dominiert die Linienemission. Die Starke Verbreiterung der Spektrallinien von H_alpha (656 nm) und OI (777 nm) wird ausgewertet, um sowohl die Elektronendichte als auch die Elektronentemperatur in diesen wiedergezündeten Plasmen zu bestimmen.

MGK

Workshop Electrochemistry

The team of the PI Timo Jacob at University Ulm organized a workshop on the basics and applications of electrochemistry. The similarity to plasma science is striking, with the Debye-Hückel theory being at the core of both systems - plasmas and electrochemistry in the electrolyte. Nevertheless, significant differences exist because the boundary layer in the electrolyte in front of an electrode is much more complex than in a plasma sheath region. The workshop topics ranged from a general introduction to electrochemistry to methods to electro catalysis up to the theoretical modeling of electrochemical processes.