Criterion for establishing deviations from the local thermodynamic equilibrium in atmospheric pressure plasma jets

Abstract

In this paper a dimensionless parameter is defined which allows the prediction of the thermodynamic state in the field-free plasma jet of D. C. operated plasma torches of various designs. This dimensionless parameterP is derived from the conservation equations applied to a two-step temperature and velocity model and contains only quantities which can be experimentally determined without using sophisticated equipment. Critical values ofP based on a critical electron density of 10¹⁶ cm⁻³ have been calculated for argon, hydrogen, nitrogen, oxygen, and helium and corresponding values of P_crit have been determined experimentally for two different D. C. operated argon plasma torches using various diagnostic techniques. The experimental values corroborate the assumptions made for the calculation of P_crit. ForP < P_crit, substantial deviations from the local thermodynamic equilibrium (LTE) may occur.

Zusammenfassung

Zur thermodynamischen Beschreibung des Plasmazustandes im feldfreien Strahl verschiedener Gleichstrom Plasmabrenner wird ein dimensionsloser Parameter eingeführt, der aus den Erhaltungsgleichungen, angewandt auf ein Zweistufenmodell, gewonnen wird. Dieser ParameterP, der für Argon, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Helium mit der Annahme einer kritischen Elektronendichte von 10¹⁶cm⁻³ berechnet wurde, enthält nur Größen, die sich mit geringem experimentellem Aufwand bestimmen lassen. Durch die Anwendung einer Reihe diagnostischer Verfahren auf zwei verschiedene Argon-Plasmabrenner erhält man entsprechende kritische Parameter, die die theoretischen Annahmen bestätigen. Im FalleP < P_crit sind wesentliche Abweichungen vom lokalen thermodynamischen Gleichgewicht (LTE) zu erwarten.