Abstract—Effective generation of biochemically active species
inside a liquid can be performed by an electric discharge in small
gas bubbles admixed from outside into the liquid. In such a case,
active species are produced by a gas discharge plasma inside
bubbles and then transported due to diffusion into the liquid. This
paper presents experimental data of electric discharges in small
bubbles inserted into a thin dielectric tube filled with water. A
low-frequency regime of periodic electrical breakdowns is revealed
and described.
Index Terms—Gas discharges, plasma generation, plasma
materials-processing applications.
APROMISING approach that allows us to generate radicals
in a liquid is an electric discharge in the water filled with
gas bubbles. However, in normal situations, gas bubbles travel
chaotically in a liquid and rise to the top due to Archimedes’
force which hampers experimental observations of electrical
breakdown in a gas bubble. In addition, breakdown voltage
Ub = Ebl across a bubble surrounded by a liquid can be reached
only under pulsed superposition of high voltage (HV) U0 on
the liquid. Here, Eb is the gas breakdown electric field strength,
l is the length of the bubble, and U0 > Ub is for fast breakdown.
The rise time τ of the pulse has to meet the condition
τ < εε0/σ, where the displacement current in a liquid has to
exceed the conduction current. Here, ε and ε0 are dielectric permittivities
of the liquid and vacuum. Thus, at high magnitudes
in σ and Ub, pulsed generators having nanosecond and many
kilovolt pulses are required.
To avoid bubble immersion and using HV nanosecond
pulses, we have localized the bubble at fixed points. A thin
(inner diameter is 2.5 mm) and long (100-mm) quartz tube
oriented horizontally was used (Fig. 1). This tube was filled
with a water solution having different electrical conductivities
(20 µS/cm for distilled water and 12 mS/cm for a physiological
solution). An initial bubble of 4–5 mm in diameter was
filled with ambient air at atmospheric pressure. HV pulses of up to 20 kV were applied. Typical rise times and duration
of the pulses are 0.1 µs and 3 s, respectively. Current and
voltage waveforms were recorded by a TDS520D oscilloscope.
Images of the bubbles were taken by a Panasonic NV-GS500
video frame camera under 25 frames/s at an exposure time of
20 ms. Another video camera with the same or better parameters
could be used in the experiments. HV pulse was
applied in 2 s after camera triggering. The first frame in the
sequence of video frames, which records the discharge image,
corresponds to the first current pulse in periodic breakdown of a
gas bubble.
We recorded that electrical breakdown in a single gas bubble
inserted in narrow dielectric tube filled with a conductive
liquid occurs in a filamentary mode (Fig. 2). The individual
thickness of these numerous filaments is smaller than the
inner diameter of the tube. The filaments are nonstationary
in space and time, twist like snakes, and, therefore, nonuniformly
occupy the bulk of the bubble. We suppose that the
high-frequency noisy component of electric current seen in
Fig. 3 is associated with the nonstationarity of the current
filaments. If we neglect the noisy current component, one can
say that electrical breakdown in a single gas bubble forms
almost periodic current pulses of trapezoidal shape, even if
applied voltage is practically constant or slowly diminishing.
The typical period of such breakdown pulsations is rather
long—about 0.5 s.
The voltage drop across gas bubbles increases with diminishing
current over each period of pulsations (Fig. 3). When the electric current diminishes to a critical value, it nearly
extinguishes. The voltage drop across the bubble at this moment
quickly increases to the breakdown magnitude, and breakdown
occurs again. These pulses are correlated with periodic extension
and shrinking of gas bubble in its length (Fig. 3). For a
bubble located near the anode, the bubble shrinks to its initial
size. A bubble located in the middle of the tube does not
shrink to initial size. The initial bubble can be fragmented after
breakdown into several smaller bubbles [Fig. 2(d)]. The average
current (i.e., averaged over high-frequency noise) decreases
with an increase in length L of the bubble. The average voltage
drop U across the bubble grows with increasing length of the
bubble.
The free-running pulsations in the length of gas bubble
likely occur due to an electrical breakdown and gas discharge
inside the bubble. After electrical breakdown, evaporation of
liquid begins that results in a growing gas pressure inside
the bubble and its expansion. The water vapor is an electronattaching
gas. Therefore, the increase in length of a bubble
(i.e., increase in total intensity of electron-attaching processes)
results in decreasing the electron number density, and the
current drops. On extinction of the discharge inside the bubble,
water vapor condenses rapidly. The bubble length diminishes
again to its initial size, and a new breakdown in sequence
repeats.
Abstract—Effective generation of biochemically active speciesinside a liquid can be performed by an electric discharge in smallgas bubbles admixed from outside into the liquid. In such a case,active species are produced by a gas discharge plasma insidebubbles and then transported due to diffusion into the liquid. Thispaper presents experimental data of electric discharges in smallbubbles inserted into a thin dielectric tube filled with water. Alow-frequency regime of periodic electrical breakdowns is revealedand described.Index Terms—Gas discharges, plasma generation, plasmamaterials-processing applications.APROMISING approach that allows us to generate radicalsin a liquid is an electric discharge in the water filled withgas bubbles. However, in normal situations, gas bubbles travelchaotically in a liquid and rise to the top due to Archimedes’force which hampers experimental observations of electricalbreakdown in a gas bubble. In addition, breakdown voltageUb = Ebl across a bubble surrounded by a liquid can be reachedonly under pulsed superposition of high voltage (HV) U0 onthe liquid. Here, Eb is the gas breakdown electric field strength,l is the length of the bubble, and U0 > Ub is for fast breakdown.The rise time τ of the pulse has to meet the conditionτ < εε0/σ, where the displacement current in a liquid has toexceed the conduction current. Here, ε and ε0 are dielectric permittivitiesของเหลวและสุญญากาศ ดังนั้น ที่ magnitudes สูงσและยูบี สูงกำเนิด nanosecond และหลายkilovolt กะพริบจำเป็นเพื่อหลีกเลี่ยงการแช่ฟองและใช้ HV nanosecondกะพริบ เรามีภาษาท้องถิ่นฟองจุดถาวร แบบบาง(มีเส้นผ่าศูนย์กลางภายใน 2.5 mm) และความยาวหลอดควอตซ์ (100 mm)มุ่งเน้นในแนวนอนได้ใช้ (Fig. 1) หลอดนี้ก็เต็มไปมีการแก้ไขปัญหาน้ำมีค่าการนำไฟฟ้าต่างกัน(20 µS/cm สำหรับน้ำกลั่นและ 12 mS/cm ในการสรีรวิทยาการแก้ปัญหา) มีฟองเป็นต้น 4 – 5 มม.เส้นผ่านศูนย์กลางเต็มไป ด้วยสภาวะอากาศที่ความดันบรรยากาศ กะพริบ HV ถึง 20 kV ถูกนำไปใช้ และระยะเวลาเพิ่มขึ้นทั่วไปการกะพริบเป็น 0.1 µs และ 3 s ตามลำดับ ปัจจุบัน และแรงดันไฟฟ้า waveforms ถูกบันทึก โดย TDS520D oscilloscopeภาพของฟองอากาศที่ถ่ายโดยพานาโซนิค NV-GS500กล้องวิดีโอเฟรมใต้เฟรม 25 s เวลาการเปิดรับแสง20 นางสาวกล้องวิดีโออีก ด้วยพารามิเตอร์เดียวกัน หรือดีกว่าสามารถใช้ในการทดลอง HV ชีพจรได้ใช้ใน 2 s หลังจากกล้องเรียก เฟรมแรกในการลำดับของเฟรมวิดีโอ ซึ่งบันทึกภาพการปล่อยสอดคล้องกับชีพจรปัจจุบันแรกในงวดแบ่งเป็นฟองแก๊สเราบันทึกที่แบ่งไฟฟ้าในฟองก๊าซเดียวใส่ในหลอดเป็นฉนวนแคบเต็มไป ด้วยการไฟฟ้าของเหลวเกิดขึ้นในโหมด filamentary (Fig. 2) แต่ละคนความหนาของ filaments ที่มากมายเหล่านี้มีขนาดเล็กกว่าเส้นผ่าศูนย์กลางภายในของท่อ Filaments เป็น nonstationaryในพื้นที่และเวลา บิดเช่นงู และ จึง nonuniformlyครอบครองจำนวนมากฟอง เราสมมติว่า การคอมโพเนนต์คะสูงความถี่ของกระแสไฟฟ้าในFig. 3 จะเกี่ยวข้องกับ nonstationarity ของปัจจุบันfilaments ถ้าเราละเลยส่วนประกอบปัจจุบันคะ หนึ่งสามารถพูดที่แบ่งไฟฟ้าในแบบฟอร์มเป็นฟองแก๊สเดียวกะพริบเป็นระยะ ๆ เกือบปัจจุบันรูปร่าง trapezoidal แม้ว่าแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ได้จริงคง หรือลดลงอย่างช้า ๆเช่น pulsations แบ่งระยะโดยทั่วไปจะค่อนข้างยาว — เกี่ยวกับ 0.5 sปล่อยแรงดันข้ามเพิ่มฟองก๊าซมีปัจจุบันแต่ละระยะ pulsations (Fig. 3) เมื่อกระแสไฟฟ้าค่อย ๆ หายไปเป็นค่าที่สำคัญ มันเกือบextinguishes ปล่อยแรงดันไฟฟ้าทั่วฟอง ณขณะนี้เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วถึงขนาดแบ่ง การแบ่งเกิดขึ้นอีก กะพริบเหล่านี้มี correlated มีส่วนขยายเป็นครั้งคราวและลดขนาดของฟองแก๊สในความยาว (Fig. 3) สำหรับการฟองที่อยู่ใกล้ขั้วบวก ลดขนาดของฟองเป็นการเริ่มขนาด ไม่มีฟองอยู่กลางท่อย่อให้ขนาดเริ่มต้น สามารถจะกระจัดกระจายฟองเริ่มต้นหลังจากแบ่งเป็นฟองอากาศขนาดเล็กหลาย [Fig. 2(d)] ค่าเฉลี่ยปัจจุบัน (เช่น averaged กว่าเสียงความถี่สูง) ลดลงด้วยการเพิ่มความยาว L ของฟอง แรงดันไฟฟ้าเฉลี่ยฝากยูทั่วฟองเติบโต ด้วยการเพิ่มความยาวของใบฟองPulsations ทำฟรียาวของฟองก๊าซมีแนวโน้มเกิดการปล่อยแบ่งและแก๊สไฟฟ้าภายในฟอง หลังจากแบ่งไฟฟ้า การระเหยของของเหลวเริ่มต้นผลที่ความดันแก๊สเติบโตภายในฟองและขยายความ ไอน้ำเป็นการ electronattachingก๊าซ ดังนั้น เพิ่มความยาวของฟอง(เช่น เพิ่มความเข้มรวมของอิเล็กตรอนที่มีการแนบกระบวนการ)ผลในการลดความหนาแน่นหมายเลขอิเล็กตรอน และปัจจุบันลดลง บนดับปล่อยภายในฟองไอน้ำมีการควบแน่นอย่างรวดเร็ว ความยาวของฟองค่อย ๆ หายไปอีกครั้งกับขนาดเริ่มต้น การแบ่งใหม่ตามลำดับทำซ้ำ
การแปล กรุณารอสักครู่..