Transmission and multiple reflection mechanisms of guided streamers propagating through grounded annular electrode and interacting with grounded surface electrode - Sorbonne Université Access content directly
Journal Articles Plasma Sources Science and Technology Year : 2022

Transmission and multiple reflection mechanisms of guided streamers propagating through grounded annular electrode and interacting with grounded surface electrode

Mécanismes de transmission et de réflexion multiple de streamers guidés se propageant à travers une électrode annulaire mise à la terre et interagissant avec une électrode de surface mise à la terre

H Decauchy
Thierry Dufour

Abstract

The repeatable dynamics and the reversal propagation of guided streamers remains a major question of fundamental physics. In this article, trains of positive guided streamers are generated within an atmospheric pressure plasma jet supplied in helium and polarized by a high-voltage nanosecond pulse generator. The device is completed by two distant targets: a grounded annular electrode (GAEL) coaxially centered around the capillary through which guided streamers can propagate, and a grounded surface electrode (GSEL) on which they can interact. The resulting transmitted and multiple reflected guided streamers are measured combining optical characterization (fast intensified charge-coupled device (ICCD) imaging) and electrical characterization (high voltage probe and current monitors). While the electrical approach provides information on the capacitive/conductive nature of the current peaks as well as on their positive/negative value, fast ICCD imaging distinguishes whether the guided streamers are incident, reflected or transmitted. Combining these two techniques allow us to demonstrate experimentally that the reflected streamers are negative contrarily to the others. Besides, four types of reflections have been highlighted: a reflection ( r ) at the outlet of the capillary, a reflection on the GSEL ( R ) and two reflections ( r ′ and r ″) observed when an incident guided streamer passes through the GAEL. The two techniques agree that the characteristic propagation times are always shorter for reflected negative streamers than for the positive ones propagating forward. Hence, for a GAEL placed 3 cm away from the high voltage electrode, propagation time is 80 ns for reflection versus 250 ns for transmission. These characteristic propagation times are even shorter when the annular electrode is brought closer to the surface electrode with velocities typically higher than 300 km s −1 . In addition, the intensity ratios of reflected/incident guided currents drop sharply, typically losing one decade over a counter-propagation length of only 3–5 cm. Finally, all these experimental data are utilized to build an equivalent electrical model that allow to better understand the dynamics of the guided streamers and explain their transmission and reflection modes upon their interaction with the two distant grounded electrodes.
La dynamique répétable et la propagation inverse des streamers guidés reste une question majeure de physique fondamentale. Dans cet article, des trains de streamers guidés positifs sont générés au sein d'un jet de plasma à pression atmosphérique alimenté en hélium et polarisé par un générateur d'impulsions nanosecondes à haute tension. Le dispositif est complété par deux cibles distantes : une électrode annulaire mise à la terre (GAEL) centrée coaxialement autour du capillaire à travers laquelle les streamers guidés peuvent se propager, et une électrode de surface mise à la terre (GSEL) sur laquelle ils peuvent interagir. Les courants guidés transmis et réfléchis multiples qui en résultent sont mesurés en combinant la caractérisation optique (imagerie rapide par dispositif à couplage de charge intensifié (ICCD)) et la caractérisation électrique (sonde haute tension et moniteurs de courant). Alors que l'approche électrique fournit des informations sur la nature capacitive/conductive des pics de courant ainsi que sur leur valeur positive/négative, l'imagerie ICCD rapide permet de distinguer si les courants guidés sont incidents, réfléchis ou transmis. La combinaison de ces deux techniques nous permet de démontrer expérimentalement que les streamers réfléchis sont négatifs contrairement aux autres. Par ailleurs, quatre types de réflexions ont été mis en évidence : une réflexion ( r ) à la sortie du capillaire, une réflexion sur le GSEL ( R ) et deux réflexions ( r ′ et r ″) observées lorsqu'un streamer guidé incident traverse le GAEL. Les deux techniques s'accordent pour dire que les temps de propagation caractéristiques sont toujours plus courts pour les streamers négatifs réfléchis que pour les positifs se propageant vers l'avant. Ainsi, pour un GAEL placé à 3 cm de l'électrode haute tension, le temps de propagation est de 80 ns pour la réflexion contre 250 ns pour la transmission. Ces temps de propagation caractéristiques sont encore plus courts lorsque l'électrode annulaire est rapprochée de l'électrode de surface avec des vitesses typiquement supérieures à 300 km s -1 . De plus, les rapports d'intensité des courants guidés réfléchis/incidents chutent fortement, perdant typiquement une décennie sur une longueur de contre-propagation de seulement 3-5 cm. Enfin, toutes ces données expérimentales sont utilisées pour construire un modèle électrique équivalent qui permet de mieux comprendre la dynamique des courants guidés et d'expliquer leurs modes de transmission et de réflexion lors de leur interaction avec les deux électrodes distantes mises à la terre.
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Dates and versions

hal-03939812 , version 1 (15-01-2023)

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Cite

H Decauchy, Thierry Dufour. Transmission and multiple reflection mechanisms of guided streamers propagating through grounded annular electrode and interacting with grounded surface electrode. Plasma Sources Science and Technology, 2022, 31 (11), pp.115017. ⟨10.1088/1361-6595/aca1da⟩. ⟨hal-03939812⟩
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