Fast energy relaxation in the afterglow of a nanosecond capillary discharge in nitrogen/oxygen mixtures

by Nikita Lepikhin

Doctoral thesis in Physique des plasmas

Under the supervision of Svetlana Starikovskaia and Nikolay Popov.

defended on 07-12-2017

in Paris Saclay , under the authority of École doctorale Ondes et Matière (Orsay, Essonne ; 2015-....) , in a partnership with École polytechnique (Palaiseau, Essonne) (Établissement opérateur d'inscription) and Laboratoire de Physique des Plasmas (Palaiseau) (laboratoire) .

Thesis committee President: Stéphane Pasquiers.

Thesis committee members: Svetlana Starikovskaia, Nikolay Popov, Nader Sadeghi, Luca Perfetti.

Examiners: Giorgio Dilecce, Éric Robert.


  • Abstract

    The main aim of the present work was to investigate, how the plasma kinetics changes at the conditions of high specific energy deposition at high reduced electric fields. The nanosecond capillary discharge was used as an experimental tool. The measurements are performed for pure nitrogen and nitrogen/oxygen mixtures. Electric parameters of the discharge are measured: the applied voltage, the energy deposition, the electric field, and the electric current. The spectra of the optical emission of the discharge are obtained. The electron density in the discharge pulses is measured. The plasma decay is studied by the measurements of the electron density in the afterglow of the discharge as well. The processes controlling the plasma decay are determined. Depopulation of excited molecules on the example of N2(C) state of molecular nitrogen is studied in nitrogen/oxygen mixtures. The processes responsible for depopulation of excited species in the afterglow of the nanosecond discharge at high specific deposited energy at high reduced electric field are discussed. The radial distributions of the excited species at different gas compositions are investigated and compared. The experimental and numerical studies of the processes responsible for fast gas heating in pure nitrogen and in nitrogen/oxygen mixtures in the afterglow of nanosecond capillary discharge are performed. The peculiarities of the fast gas heating at conditions of the nanosecond discharge at high specific deposited energy at high reduced electric field are discussed. The modification of the kinetic scheme currently in use is proposed.

  • Alternative Title

    Relaxation rapide de l'énergie dans la post‐luminescence d’une décharge capillaire nanoseconde dans les mélanges azote/oxygène


  • Abstract

    L'objectif principal du présent travail était d'étudier, comment la cinétique du plasma change dans les conditions de dépôt d'énergie spécifique élevé dans des champs électriques réduits élevé. La décharge capillaire nanoseconde a été utilisée comme outil expérimental. Les mesures sont effectuées dans l'azote pur et dans les mélanges azote/oxygène. Les paramètres électriques de la décharge sont mesurés: la tension appliquée, le dépôt d'énergie, le champ électrique et le courant électrique. Les spectres de l'émission optique de la décharge sont obtenus. La densité électronique dans les impulsions de décharge est mesurée. La décroissance du plasma est étudiée par les mesures de la densité électronique dans la post‐luminescence de la décharge. Les processus contrôlant la décroissance du plasma sont déterminés. La dépopulation de molécules excitées sur l'exemple de l'azote moléculaire N2(C) est étudié dans des mélanges azote/oxygène. Les processus responsables de la dépopulation des espèces excitées lors de la post‐luminescence de la décharge de nanoseconde à les conditions de dépôt d'énergie spécifique élevé dans des champs électriques réduits élevé sont examinés. La distribution radiale des espèces excitées à différentes compositions de gaz sont étudiée et comparées. L'étude expérimentale et numérique des processus responsables du chauffage rapide du gaz dans l'azote pur et dans les mélanges azote/oxygène dans la post‐luminescence de la décharge capillaire à la nanoseconde sont effectuées. Les particularités du chauffage rapide du gaz aux conditions de la décharge de nanoseconde à de dépôt d'énergie spécifique élevé dans des champs électriques réduits élevé sont étudués. La modification du schéma cinétique actuellement utilisé est proposée.


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