On phenomena in ionized gases

1. General  

Although already more than two decades ago the 

feasibility  of  the  deposition  of  nanocrystalline 

diamond  (NCD)  has  been  shown  [1],  the  further 

development  of  this  technology  is  still  of  great 

importance,  in  particular,  as  far  the  treatment  of 

large  substrates  at  relatively  low  temperatures  is 

concerned.  The  physical  properties  of  NCD  are 

comparable  to  polycrystalline  diamond  (PCD), 

however,  compared  to  PCD,  NCD  films  are 

characterized  by  a  very  low  roughness,  which  is 

independent on the thickness of the layers. A wider 

commercial  use  of  NCD  films  has  been  limited  so 

far  (i)  by  insufficient  adhesion  properties  to 

substrates  and  (ii)  by  the  requirement  of  high 

substrate  temperatures  above  800  °C  damaging 

sensitive substrates in the deposition process. 

 

2. Experimental 

In  2007  Latrasse  and  co-workers  developed  a 

new  approach  to  provide  high  density  microwave 

plasma  sources  for  large  area  depositions  while 

ensuring relatively low substrate temperatures below 

400 °C. This new concept to realize a planar reactor 

comprises  a  2-dimensional  matrix  of  several  single 

microwave  plasma  source  elements  without  using 

magnetic  fields  [2].  Based  on  this  2-dimensional 

matrix  approach  of  microwave  antennas  a  4  x  4 

configuration  has  been  successfully  used  to  deposit 

uniform NCD films with very low surface roughness 

between 5 – 10 nm and a grain size in the range of 

10 – 20 nm on a 4 inch wafer in 2014 [3]. 

The  deeper  understanding  of  the  complex 

chemistry  in  H

2

-CH

4

-CO

2

  microwave  plasmas  will 

be  a  crucial  step  for  the  further  improvement  of 

large  scale  NCD  deposition  at  low  substrate 

temperatures.  In  the  present  contribution  optical 

emission  spectroscopy  in  the  visible  spectral  range 

has  been  combined  with  absorption  spectroscopy 

(AS) in the mid-infrared spectral. For the latter one 

two  different  radiation  sources  have  been  used. 

Firstly,  traditional  lead  salt  lasers,  since  several 

decades employed in tunable diode laser absorption 

spectroscopy.  Secondly,  a  new  laser  class,  external 

cavity quantum cascade lasers (EC-QCLs), which up 

to  now  have  only  been  used  in  limited  cases  in 

plasma  diagnostics.  In  contrast  to  lead  salt  lasers 

EC-QCLs can be tuned over a spectral range greater 

than 100 cm

-1

 with a mode-hop free tuning range of 

the order of 80 cm

-1

.  

 

3. Results 

Using  AS  the  absolute  concentrations  of  the 

methyl  radical  and  of  five  stable  molecules,  CH

4

, 

CO

2

,  CO,  C

2

H

2

  and  C

2

H

6

,  were  monitored  in  the 

reactor.  Reliable  information  about  the  neutral  gas 

temperature  is  a  crucial  precondition  for  the 

determination  of  concentrations  of  molecular 

species.  Monitoring  a  variety  of  CO  lines  in  the 

ground  state  and  in  three  hot  bands  enabled  an 

extensive  temperature  analysis  providing  novel 

insights  into  energetic  aspects  of  the  multi 

component  plasma.  An  additional  target  was  to 

derive  fragmentation  rates  of  the  CH

4

  and  CO

2

 

precursors and their conversion rates to the reaction 

products. The influence of the discharge parameters 

power and pressure on the molecular concentrations 

was another focus of interest. 

 

3. References 

[1] D. M. Gruen, X. Pan, A. R. Krauss, S. Liu, J. 

Luo, C.N. Foster, J. Vac. Sci. Technol. A 12 (1994) 

1491. 

[2] L. Latrasse, A. Lacoste, J. Sirou, J. Pelletier, 

Plasma Sources Sci. Technol. 16 (2007) 7. 

[3] H.-A. Mehedi, J. Achard, D. Rats, O. Brinza, 

A.  Tallaire,  V.  Mille,  F.  Silva,  C.  Provent,  A. 

Gicquel, Diamond Rel. Mat. 47 (2014) 58. 

14 

69

XXXIII ICPIG, July 9-14, 2017, Estoril/Lisbon, Portugal 

 

 

Control methods of RONS in Dielectric Barrier Discharge  

 

Seungmin Ryu, Hyeongwon Jeon, Sangheum Eom, Jungwoo Yoon, Suk Jae Yoo and Seong 

Bong Kim  

 

Plasma Technology Research Center, National Fusion Research Institute, Gunsan-city, Korea  

P

 

Plasma  in  natural  air  condition  can  produce  reactive  oxygen  and  nitrogen  species  (RONS) 

simultaneously  but  ROS  (Reactive  Oxygen  Species)  and  RNS  (Reactive  Nitrogen  Species)  has 

different  application  in  the  field  of  postharvest.  ROS  is  a  powerful  disinfectant  and  RNS  is  an 

inhibitor  of  agri-food  ripening.  Therefore  the  production  rate  control  of  RONS  is  important. 

Frequency  and  flowrate  of  air  can  be  methods  of  RONS  concentration  control  factor.  Applied 

frequency range was from 0.1 to 8 kHz and atmospheric air flow rate was from 0 to 20 l/m. The 

generation rates of O

3

, NO and NO

2

 were measured by the gas analysers. As external air flow rate was 

increased,  the  generation  rate  of  O

3

  was  increased  from  0  to  3.61  mg/min.  In  the  contrary,  the 

generation rate of NO was decreased from 0.21 to 0 μg/min. Frequency can control the production 

rate of RONS and optimum ozone and NO generation frequency was 3 and 8 kHz respectively. 

 

1. Introduction 

32%  of  all  agri-food  in  the  world  was  lost  or 

wasted per year. The big two cause of food waste is 

rottenness by fungi and ripening by hormone. Ozone, 

OH radical, O radical, hydrogen peroxide are called 

as ROS and it is powerful disinfectant of fungi  [1]. 

NO and NO

2

 are called as RNS and considered as a 

key  species  in  hormone-regulated  processes  [2]. 

Plasma discharge of air produces complex RONS but, 

only  particular  chemical  reactive  species  might  be 

useful to special purpose therefore, it is necessary to 

produce appropriate ROS or RNS. The flow rate and 

frequency was selected as affecting factors of RONS 

production rate.  

2. Experimental Set-up 

 

Figure 1. Experimental Set-up 

Figure  1  shows  the  experimental  set-up  for 

measurements  of  electrical,  optical  and  chemical 

properties  of  plasma  discharge  with  different  flow 

rate and frequencies.   

3. Experimental Results 

Figure 2  shows  the  results  of  ozone  and  NO 

concentration changes with different flow rates. 

As  external  air  flow  rate  was  increased,  the 

generation  rate  of  O

3

  was  increased  from  0  to 

3.61 mg/min. In the contrary, the generation rate 

of  NO  was  decreased  from  0.21  to  0  μg/min. 

Figure 3 shows the optimum frequency for generating 

maximum ozone or NO generation. 3 kHz is best to 

produce ozone and 8 kHz to nitric oxide. 

 

0

5

10

15

20

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

Species

 O

3

 NO

External Air Flow Rate (lpm)

O

3

 (

m

g

/m

in

)

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

N

O

 (m

g

/m

in

)

 

Figure 2. Generation rates of O

3

 and NO by flow rates 

 

Figure 3. Concentration of O

3

 (a) and NO (b) according to 

the frequency

 

4. Discussions 

Frequency and air flow rate might be related to the 

plasma region bulk temperature. Temperature can be 

one  key  factor  of  RONS  production  and  it  is 

necessary to study further. 

5. Acknowledgement 

This  work  was  supported  by  R&D  Program  of 

‘Plasma  Advanced  Technology  for  Agriculture  and 

Food (Plasma Farming)’ through the National Fusion 

Research  Institute  of  Korea  (NFRI)  funded  by  the 

Government funds. 

6. Reference 

[1]  S.  Horvitz,  M.  J.  Cantalejo,  Food 

Science and Nutrition

, 54 (2014) 312-339 

[2] Lili Deng et al., Postharvest Biology and 

Technology

 84 (2013) 9–15  -NO 

17 

70

XXXIII ICPIG, July 9-14, 2017, Estoril/Lisbon, Portugal 

 

 

   

 

 

Topic number 6 

A novel non-invasive technique for detection and analysis of harmonics in 

Radio Frequency plasmas 

 

A. Rawat, A. Ganguli, R. Narayanan, R. D. Tarey 

 

Centre for Energy Studies, Indian Institute of Technology, New Delhi 110016, India 

 

In this work, a new plasma diagnostic technique is proposed to analyze the harmonics generated in 

Radio Frequency (RF) discharges accurately using a Dual Directional Coupler (DDC). A careful 

and complete analysis not only determines the harmonics present in plasma, but also yields 

accurately the power in the forward and reflected waves of the fundamental and each harmonic 

generated in the plasma, which makes it a valuable plasma diagnostic tool. Apart from this, one 

can estimate the complex impedance and reflection coefficient at the plasma end for each 

harmonic as well as the fundamental. This non-invasive, calibrated experimental technique may 

prove useful in formulating a systematic model which enhances understanding of RF plasma 

heating at low pressures. 

 

1. Introduction 

In Radio Frequency (RF) discharges, two 

mechanisms of electron heating play crucial roles: 

(i) Ohmic heating at high pressures, due to electron- 

neutral collisions and (ii) Stochastic heating at low 

pressures, due to electron-sheath interaction [1, 2]. 

Due to the non-linear sheath behaviour, harmonics 

are generated in the plasma, which need to be 

considered for understanding how the RF power is 

coupled at low pressures. In this paper, a novel, non-

invasive harmonic probe technique is presented that 

characterizes the plasma-generated-harmonics of a 

parallel-plate RF discharge using calibrated 

broadband Dual Directional Coupler (DDC). This 

technique determines the dominant harmonics 

produced by the plasma and yields accurately the 

forward and reflected power in the fundamental and 

harmonics. 

 

2. Experimental Details and Methodology 

The experiment is carried out in a 13.56 MHz, 

RF discharge system with parallel plate electrode 

geometry as shown in Fig. 1. The measured plasma 

densities are in the range 10

9 

- 10

10

 cm

-3

 and electron 

temperatures in the range 1 - 2.5 eV. The 

experimental parameters varied are the RF power 

(25 - 60 W) and Argon gas pressure (10 - 80 mTorr). 

 

Figure 1 Experimental set up for harmonics analysis using 

DDC and Capacitive Probe.

 

A matching network was not used in the present 

experiments as its coupling capacitance allows the 

(plasma) load to develop a high DC self-bias voltage 

that can damage the DDC. However, an isolator has 

to be used to isolate the generator from the power 

flowing from the load to the generator. 

The two DDC output signals yield the total 

forward (from the generator to the load) and reverse 

(from the load to the generator) power flow in the 

fundamental and the harmonics. The two output 

signals of the DDC are actually a superposition of 

the fundamental and harmonics produced by the 

plasma. The contribution of each frequency to the 

total signal is carried out by Fast Fourier Transform 

(FFT), from which other data like forward and 

reflected power, complex impedance at load etc. 

may also be determined for each frequency. 

    

3. Results and Conclusions 

While detailed results will be presented during 

the conference, the results indicate that among all 

the harmonics generated in the plasma, power 

content of the third harmonic (40.68 MHz) 

dominates in the present experiments. Since RF 

isolator absorbs all the harmonics generated from the 

plasma, this diagnostic gives way to characterize the 

different harmonics in a non-invasive manner. This 

precise information can be used to develop a better 

model for understanding power coupling in the low 

pressure regime.  

 

4. References 

[1] M. A. Lieberman and A. J. 

Lichtenberg, Principles of Plasma Discharges and 

Materials Processing, Wiley, New York, (1994). 

[2] J. Schulze, Z. Donko, D. Luggenholscher and 

U. Czarnetzki, 

Plasma Sources Sci. Technol.

, 18, 

(2009) 034011. 

P1

(input)

P2

(output)

P3 (forward)

DDC3001

Langmuir 

Probe

Capacitive 

Probe

40dB, 0.1 – 1000 MHz

P4 (reflected)

Oscilloscope

HDO4032

Ch1 Ch2

50 Ω

50 Ω

RF Generator

13.56MHz

RF Isolator

71

XXXIII ICPIG, July 9-14, 2017, Estoril/Lisbon, Portugal 

 

 

Active and passive optical diagnostics in a model HV circuit breaker 

 

E.Panousis

1

, P. Stoller

1

, J.Carstensen

1

, V.Teppati

1

, R.Methling

2

, St.Franke

2

, S.Gortschakow

2

  

 

1

 ABB Corporate Research Center, ABB Schweiz AG, Baden - Switzerland  

2

 Leibniz Institute for Plasma Science and Technology (INP), Greifswald - Germany   

 

We present results on the probing of an air arc in a HV circuit breaker model geometry using two 

distinct experimental techniques. First we apply Speckle imaging, an active refractive index based 

technique that yields quantitative information on the radial temperature distribution T(r) via a 

generalization of the Gladstone-Dale law [1]. Second, in a passive technique we use high speed 

video imaging of selected atomic (O-I) and ionic species (N-II) using appropriate narrow band 

filters. Post-processing the videos also allows to obtain T(r) based on the Fowler-Milner method 

[3] for the atomic emission. The results of the two techniques are found to be in good agreement. 

 

1. Introduction and Experimental Set-Up 

Optical diagnostics are a non-invasive means of 

probing the spatio-temporal evolution of key 

quantities (e.g. temperature) in the understanding of 

the phenomena in HV switching arcs: such 

experimental data are important for the 

benchmarking of CFD simulations that are used in 

the development of HV gas circuit breakers. The 

goal of the present work is to provide such validated 

data by employing two distinct optical diagnostic 

techniques and comparing their findings. 

On the one hand we apply the Speckle 

interferometric technique [1] which probes the 

spatial derivative of the refractive index by 

illuminating the arc with a pulsed (20ns, 60kHz) 

Nd:YAG laser at 532nm. On the other hand we 

record the emissions of selected atomic and ionic 

lines with the use of a high speed video camera (1μs 

integration time, 20kfps) [2]. In both cases we record 

side-on images that are used for deriving 2D 

information by Abel inversion based on a rotational 

symmetry assumption. Furthermore, the temperature 

is estimated under an LTE assumption, that should 

be valid in the conditions here investigated.  

The aforementioned methods are employed for 

the probing of a switching arc in a simplified circuit 

breaker model suitable for such optical diagnostic 

measurements [1]. The test object was operated in air 

at an exhaust pressure of 1 bar, while the arc was 

blown with quasi-constant pressure in the range of 

3.5 to 8 bar. Sonic flow conditions in the arcing zone 

are thus ensured, while the interaction of the gaseous 

arc with the surrounding PTFE nozzle walls and 

CuW electrodes is negligible.     

2. Results and Discussion   

Fig. 1 shows the evolution of arc mantle and arc 

core diameters as a function of arc current (I) under a 

a constant blowing pressure of 8 bar. These are 

estimated both from Speckle measurements [1] as 

well as from measuring the luminous lateral extent 

of the corresponding video frames    

0

1

2

3

4

5

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0

1

2

3

4

5

 Speckle (0.5 



 



cold

)

Camera (O - I)

 Speckle (10kK)

Camera (N-II)

Mant

le

 [mm]

Cor

e

 [mm]

arc current [kA]

Speckle

Speckle

Video (O-I)

O-atom 

(777nm)

N-ion 

(568nm)

Video (N-II)

 

Figure 1: Current (I) dependence of arc mantle and core 

diameters. The dashed eye-guides correspond to a √I law. 

Fig. 2 shows the radial distribution of 

temperature as estimated by the Speckle technique 

and the O-I emission intensity using the method [3].   

0 .0

0.5

1 .0

1.5

2 .0

2 .5

3.0

0

5

1 0

1 5

2 0

2 5

 O -I em ission

 S peck le

T

e

mp

er

a

tur

e

 [

k

K

]

rad iu s  [m m ]

 

Figure 2: Radial distribution of temperature T(r) for a 

1kA air arc at 3.5 bar blowing pressure. 

We observe in both figures a good agreement 

between the two measurement techniques: validated 

measurements of a switching arc are thus obtained.  

3. References 

 [1] P.C. Stoller et al, J. Phys. D: Appl. Phys., 

vol. 48, 015501, 2015 

 [2]  R.  Methling  et al, Plasma Phys. Technol., 

vol. 2, 167-170, 2015 

 [3]

 

R. H. Fowler, E. A. Milner, Roy. Astron.Soc. 

vol. 83, 403, 1923

 

Topic #6 

72

XXXIII ICPIG, July 9-14, 2017, Estoril/Lisbon, Portugal 

 

 

Photoluminescence of plasma produced graphene quantum dots 

 

S. Espinho

PP

, N. Bundaleska, J. Henriques, F. M. Dias and E. Tatarova 

 

P

 Instituto de Plasmas e Fusão Nuclear, Instituto Superior Técnico, Universidade de Lisboa, Lisboa, Portugal  

 

Free-standing  graphene  sheets  were  synthesized  using  surface  wave  driven  microwave  plasmas, 

operating  at  2.45  GHz  stimulating  frequency  and  at  atmospheric  pressure.  A  chemical  treatment 

has  been  applied  to  cut  the  sheets  and  obtain  small  size,  less  than  10  nm  particles,  i.e.  graphene 

quantum  dots  (GQDs)  in  an  aqueous  solution.  The  obtained  suspension  was  then  irradiated  with 

soft UV light emitted by a commercial blue LED ( = 410 nm). The photoluminescence of GQDs 

was evidenced by the rise of a broad peak at 510 nm, following the main one radiated by the LED. 

SEM and Raman analysis further confirmed the presence of GQDs in the suspension.  

 

1. Introduction 

Graphene  quantum  dots  are  nanometer  sized 

fragments  (<  10  nm)  of  graphene  that  demonstrate 

unique properties and show significant potential for 

many applications, ranging from energy storage and 

conversion,  to  optoelectronics  and  nano-medicine 

[1].  Their  photoluminescence  is  one  of  their  most 

promising  properties  for applications.  However, the 

mechanism behind this phenomenon is not yet fully 

understood  [2].  In  the  present  work,  free-standing 

graphene  sheets  were  synthesized  using  microwave 

plasmas  driven  by  surface  waves  at  2.45  GHz 

stimulating  frequency  and  at  atmospheric  pressure 

as described in detail in [3, 4]. A chemical route has 

been  applied  to  cut  and  reduce  the  size  of  the 

graphene  sheets,  so  as  to  obtain  GQDs  in  an 

aqueous solution.  

450

500

550

600

650

700

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05