On phenomena in ionized gases

 

[1]  B.  Vayner.  XXXIth  ICPIG,  July  14-19,  2013, 

Granada, Spain   

55

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

 

 

A computational chemical kinetics study of a supersonic microwave plasma 

for CO

2

 dissociation  

 

V. Vermeiren, A. Berthelot, A. Bogaerts  

 

Research group PLASMANT, Department of Chemistry, University of Antwerp, Belgium   

 

Past experiments have reported

1

 a record high energy efficiency (up to 90%) for plasma based CO

2

 

dissociation by means of a supersonic microwave discharge. So far, no detailed description of the 

chemical  processes,  occurring  in  such  reactor,  has  been  reported.  In  this  work,  we  study  these 

processes  by  means  of  a  chemical  kinetics  model,  elucidating  the  crucial  role  of  the  asymmetric 

vibrational  modes  of  CO

2

.  This  model  uses  flow  values,  calculated  by  the  commercial  software 

package  COMSOL,  as  input  parameters  for  the  chemical  kinetics  model.  The  study  is  performed 

over  a  range  of  specific  energy  input  values,  by  varying  both  the  flow  rate  and  the  applied 

microwave power.  

 

1. Introduction 

Microwave  sustained  discharges  have  gained 

increasing  interest  as  a  possible  pathway  in  the 

reduction  of  anthropogenic  CO

2

  emission

2

.  Their 

non-equilibrium  nature  allows  for  a  very  efficient 

excitation  of  the  asymmetric  vibrational  modes, 

leading to dissociation

3,4

.  

Very  promising  experimental  results  have  been 

reported with a supersonic microwave discharge, in 

which  the  flow  passes  through  a  Laval  nozzle

1

.  In 

this  setup,  the  flow  passes  through  a  convergent-

divergent  nozzle,  which  creates  a  desired  pressure 

drop in addition to a supersonic flow velocity. 

So far, no computational chemical kinetics study has 

been  reported,  explaining  the  underlying  chemistry 

for such type of discharge, using a pure CO

2

 gas. 

 

 

 

2. Methodology 

This  computational  study  is  performed  by  a  0D 

chemical 

kinetics 

model, 

using 

the 

code  

ZDPlaskin

5

.  The  model  solves  various  balance 

equations for the different plasma species, providing 

the  evolution  of  the  species  densities  through  the 

reactor.  The  Electron  Energy  Distribution  Function 

is calculated at every computational point by a built-

in Boltzman solver, called BOLSIG+

6

.  

The  chemistry  set  which  is  used  in  this  work  is 

based  on  the  work  of  Kozák  et  al

3,4

.  It  takes  into 

account  all  the  CO

2

  asymmetric  mode  levels  up  to 

the  dissociation  energy  of  5.5eV,  together  with  4 

effective  low-lying  symmetric  stretching  and 

bending mode levels.  

 

3. Results 

In  figure  1,  we  show  the  calculated  values  for 

velocity and pressure when applying a total pressure 

of  2  atm  on  the  inlet.  The  results  show  the 

characteristic  pressure  drop  after  the  nozzle, 

followed  by  a shockwave, as is also experimentally 

observed for a similar setup

1,4

.  

 

4. References 

1

  Asisov  R.  I.,  Vakar  A.V.,  Jivotov  V.K.,  Proc.  of 

the USSR Academy of Sciences, 271 (1983). 

2

 

Fridman  A.,  Plasma  Chemistry,  Cambridge 

University Press (2012). 

3

  T.  Kozák  and  A.  Bogaerts,  Plasma  Sources  Sci. 

Technol. 23, 4  (2014). 

4 

T.  Kozák,  A.  Bogaerts,  Plasma  Sources  Sci. 

Technol. 24, 1 (2015). 

5

 Pancheshnyi S., Eismann B., Hagelaar G. J. M. and 

Pitchford L. C. 

Computer 

Code 

ZDPlasKin  

www.zdplaskin.laplace.univ-tlse.fr  

(2008).    

6

  Hagelaar  G.J.M.  and  Pitchford  L.C.,  Plasma 

Sources Sci. Technol. 14, 722 (2005). 

 

 

Figure 1: Calculated velocity magnitude [m/s] (left) and 

absolute  pressure  [Pa]  (right)  profiles  for  a  total  input 

pressure of 2 atm.

 

 

Topic number: 5 

56

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

 

 

Quantitative Evaluation of High-Energy Oxygen Negative Ion Flux 

in DC Magnetron Sputtering of Indium-Tin-Oxide 

 

H. Toyoda, H. Bae, T. Suyama, K. Setaka, H. Suzuki  

 

P

Departament of Electrical Engineering and Computer Science, Nagoya University, Nagoya, Japan 

 

Particle  flux  of  high-energy  (~a  few  100  eV)  negative  ions  from  indium-tin-oxide  target  in  DC 

magnetron plasma is evaluated quantitatively, using calorimetric method.  Spatial profile of heat flux 

from the target is measured and localized heat flux originated from high-energy O

-

 ion is observed.  

From an O

-

 kinetic energy of 240 eV measured by an energy-resolved mass spectrometer, O

-

 particle 

flux of 2x10

18

 ion/m

2

s is obtained.   

 

1. Introduction 

Indium  Tin  Oxide  (ITO)  is  popular  material  as  a 

transparent  conductive  film  because  of  its  low 

resistivity and high optical transmittance greater than 

80%. So  far,  ITO  films  are  used  in  many  industrial 

applications, such as solar cell, touch panel, flat panel 

display, image sensor, and so on. 

During  the  sputter  deposition  of  ITO  films, 

various  species  are  coming  to  the  film  depositing 

surface such as high energy negative ion, positive ion 

or electrons.   To give an insight into the key species 

for the film quality degradation, we have investigated 

sputter  deposition  of  ITO  films  using  a  magnetron 

sputter  device  where  40  MHz  VHF  power  is 

superposed to conventional DC power [1], reducing 

kinetic energy of high-energy oxygen negative ions.  

However, previous studies related to high-energy O

-

 

ions did not mention absolute value of particle flux 

impinging on the surface, as far as we know.  In this 

study,  particle  flux  of  high-energy  O

-

  ions  is 

quantitatively evaluated using calorimetric method.   

 

2. Experimental Set-up 

In  the  experiment,  Ar  gas  is  introduced  into  a 

cylindrical  chamber  (30  cm  in  diameter,  28  cm  in 

height) at a pressure of 0.4 Pa.  DC power (<250 V, 

<0.3  A)  is  applied  to  a  magnetron  sputtering  ITO 

target (12 cm in diameter).  A ring-shaped plasma of a 

2 cm in radius is produced.  A sheathed thermocouple 

is  installed  at  a  target-thermocouple  distance  of  10 

cm.    Heat  flux  is  measured  from  an  initial 

temperature  increase  rate  of  the  thermocouple  after 

turning on the plasma.  To measure radial profile of 

the heat flux, the thermocouple is movable parallel to 

the  target  plate.    To  discriminate  between  isotropic 

heat flux originated from the plasma surrounding the 

thermocouple and anisotropic heat flux coming from 

the  target,  a  small  shield  plate  is  installed  in  the 

vicinity  of  the  thermocouple.  Rotating  the 

thermocouple  with  the  shield  plate,  angle-resolved 

heat  flux  is  measured  and  the  heat  flux  originated 

from the high-energy O

-

 ions is evaluated.   

 

3. Results and discussion 

Figure shows radial profile of heat flux with and 

without the shield plate at a discharge current of 0.3 

A.    With  the  shield  plate,  heat  flux  monotonically 

decreases with the radial position.  Without the shield, 

however,  local  increase  of  the  heat  flux  at  a  radial 

position of 2 cm, i.e., just below the magnetron ring, 

is observed.  From space-resolved mass spectrometry, 

localized  high-energy  O

-

  ion  at  the  magnetron-ring 

radius  has  been  also  observed,  and  considering  this 

fact, the peak of heat flux is considered to be due to 

the high-energy O

-

 ions.  From the absolute heat flux 

measurement  from  O

-

  ions  and  O

-

  ion  energy 

measurement 

by 

the 

energy-resolved 

mass 

spectrometer,  particle  flux  of  2x10

18

  ions/m

2

s  is 

obtained  taking  account  for  energy  loss  by 

backscatter  of  surface-neutralized  O

-

  ion  and 

re-sputtering of ITO film by high-energy O

-

 ions.  

 

 Reference 

[1] H.Toyoda: J. Vac. Soc. Jpn. 51 (2008) 258. 

Topic number 8 

0

50

100

150

200

250

300

0

5

10

15

20

25

30

H

e

a

t 

F

lux 

De

n

s

ity 

(W

/m

2

)

Radial Position (mm)

without Shield

with Shield

Fig. 1.  Radial profile of heat flux 

with and without heat shield. 

57

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

 

 

Modelling the chemical and electrical impact of lightning in the upper 

atmospheric plasma of planetary atmospheres 

 

 

F.J. Pérez-Invernón

1

, F.J. Gordillo-Vázquez

1

 and A. Luque

1

 

1

 Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA), CSIC, Granada, Spain  

 

The  electromagnetic  field  created  by  terrestrial  lightning  discharges  has  a  chemical  and  an 

electrical  impact  in  the  plasma  existent  in  the  upper  atmosphere,  producing  Transient  Luminous 

Events (TLEs). We extend previous models of the impact of quasi-electrostatic field (QE) in the 

terrestrial  mesosphere  produced  by  cloud-to-ground  (CG)  lightning  discharges,  providing  the 

community with new tools to interpret observations from spacecraft. In addition, we use a Finite 

Difference Time-Domain (FDTD) model to investigate possible TLEs existence in the atmosphere 

of  giant  planets  caused  by  lightning-emitted  electromagnetic  pulses  (EMP).  Finally,  we  apply 

these  models  to  the  case  of  Venus  to  investigate  the  mesospheric  optical  signature  produced  by 

hypothetical  Venusian  intra-cloud  (IC)  lightning,  proposing  an  indirect  method  to  determine  the 

existence of lightning discharges in Venus from the Japanese spacecraft Akatsuki, orbiting Venus 

since December 2015. 

 

1. Impact of quasi-electrostatic field

 

   

The QE field produced by lightning induces glow 

discharges  in  the  upper  atmosphere.  We  have 

developed  a  2D  model  to  investigate  the  detailed 

chemical  impact  and  transient  optical  emissions 

produced  by  lightning  discharges  in  the  upper 

atmospheres of the Earth and Venus. 

 

On Earth, we extend the vibrational model proposed 

in  [1].  We  study  the  temporal  density  evolution  of 

136  species  interacting  through  1090  kinetic 

reactions  under  the  influence  of  a  QE  field  created 

by  CG  discharges.  We  predict  the  geometry  of  the 

resultant mesospheric optical emissions, and extract 

physical  information  from  brigthness  measurements 

of  the  Lyman-Birge-Hopfield  (LBH)  band,  second 

positive and first negative systems of nitrogen.

  

On  Venus, we define a chemical scheme composed 

by  27  species  interacting  through  79  kinetic 

reactions  [3].  We  calculate    the  expected 

mesospheric  optical  signature  of  hypothetical 

Venusian lightning, obtaining a transient increase in 

the  OI  (557  nm)  green  airglow  emissions, 

observable from Akatsuki spacecraft.

 

 

 

 

Figure 1: Emission brightness caused by a terrestrial CG 

lightning with a Change-Moment-Change of 350 C km. 

2. Impact of EMP pulses

 

   

Terrestrial  lightning  discharges  originate  EMPs 

that can excite the plasma of the upper atmosphere, 

producing fast (< 1 ms) optical emissions known as 

elves.  The  discovery  of  these  emissions  could 

provide new useful information about extraterrestrial 

atmospheres.

 

We have developed a 3D FDTD model to solve 

the Maxwell equations in the atmospheres of giant 

planets and Venus, using an Intra-Cloud (IC) 

lightning discharge as a source. This solver is 

coupled with Langevin’s equation for electrons and 

with a chemical scheme for each planet (Jupiter, 

Saturn [2]  and Venus [3]).  We study the influence 

of lightning channel inclination, background 

magnetic field and atmospheric composition. 

 

 

Figure  2:  Predicted  optical  emissions  in  the  upper 

atmosphere of Jupiter as seen from a spacecraft caused by 

EMP originated by a vertical lightning discharge. 

 

3. References 

[1] Gordillo

‐Vázquez, F. J. (2010). JGR. 115(A5). 

[2]  Luque,  A.,  Dubrovin,  D.,  Gordillo

-Vázquez,  F. 

J., Ebert, U., Parra-Rojas, F. C., Yair, Y., & Price, C. 

(2014). JGR, 119(10), 8705-8720. 

[3]  Pérez-Invernón,  F.  J.,  Luque,  A.,  & 

Gordillo

-Vázquez, F. J. (2016). JGR, 121(7), 7026-

7048. 

 

 

7 

58

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

Kinetic study on gas discharge plasma generated by focused microwaves 

 

Wei Yang

 

, Qianhong Zhou, Zhiwei Dong 

 

 

 Institute of Applied Physics and Computational Mathematics, Beijing, China  

Gas discharge plasmas generated by 

μs-pulse focused microwaves are investigated. The model is 

based on a self-consistent solution to Helmholtz equation for microwave field, particle continuity 

equations, and the energy balance equations, coupled with plasma kinetics. Two recent experiments 

were studied: a. sub-Megawatt (MW) X-band 9.4 GHz microwave breakdown in 200 Pa nitrogen; b. 

MW-class W-band 110 GHz microwave breakdown in 1~100 Torr air. In case a, the tracked density 

of electronic states N

2

(C

3

Π

u

) agreed with the measured intensity from second positive system (SPS) 

of  optical emission spectroscopy (OES). In case b, the simulation results reproduced the 

dependence of nitrogen vibrational and translational temperature on microwave fields and air 

pressure measured by OES. The underlying mechanisms for above coincidences were unveiled. 

 

 

1. Introduction  

The microwave gas breakdown has applications in 

beamed energy propulsion,  stand-off detection, and 

plasma heating in ITER.  While the focused 

microwave beam was usually used in the experiments, 

the theoretical predictions generally used the model 

of plane electromagnetic  (EM) wave. However, the 

discharge parameter is sensitive to the spatial field 

amplitude.  The difference between plane EM beam 

and focused beam used in experiments should be 

noted, especially in the study of energy deposition 

into gas breakdown plasma.  

We develop a plasma fluid model to study the gas 

discharge plasma generated by focused microwaves. 

The model calculates the particle  densities, electron 

temperature, nitrogen vibrational T

v

 and translational 

temperature  T

g

, and is time dependent  with 

microwave transmission and reflection considered in 

the Helmholtz wave equation.  Here we studied  two 

recent  experiments: a. sub-MW  X-band  microwave 

breakdown in 200 Pa nitrogen  [1]; b. MW-class 

W-band microwave breakdown in 1~100 Torr air [2]. 

The plasma decay in the afterglow is also investigated. 

The following just shows some important results, and 

more will be reported in the conference site. 

2. Results and discussions 

2.1. X-band microwave breakdown in nitrogen 

 

Fig. 1. Spatial and temporal distribution of excited states. 

The  spatial and temporal behaviour  of particle 

density  for excited states N

2

(C

3

Π

u

)  during pulsed 

microwave discharge in nitrogen is shown in Fig. 1. 

The spatial position of density peak moves upstream 

toward the microwave source  (x=0),  accompanying 

the propagation of plasma electrons.  The diffusion 

ionization front of plasma electrons impact neutral 

gases and generate excited states during its path 

toward microwave source. The de-excitation 

processes of quenching higher level excited states and 

optical transition  emission  result in generation of 

lower  level  excited states. The spatial integral of 

N

2

(C

3

Π

u

)  density shows similar trend with the 

previously measured intensity of SPS [1]. 

2.2. W-band microwave breakdown in air 

The dependences of T

v

 and T

g

 on gas pressure are 

shown in Fig. 2  near the breakdown threshold. The 

dependence of T

v

  on gas pressure from 1~100 Torr 

shows a Paschen-type curve.

  The vibrational 

excitation is strongly dependent on electron density, 

reduced electric field, and the microwave  plasma 

interacting time duration [3].

  The  T

g

  shows a 

monotonic decrease with  pressure,  and  the fast gas 

heating is attributed mostly to the available thermal 

energy in quenching of electronic excited states. 

 

Fig.  2.  Vibrational and translational temperature as a 

function of gas pressure near breakdown threshold. 

3. References 

[1] M. Mesko, Z. Bonaventura, P. Vasina, et al.,  

Plasma Sources Sci. Technol. 15 (2006) 574.  

[2]  J. S. Hummelt, M. A. Shapiro, and R. J. 

Temkin, Phys. Plasmas 19 (2012) 123509. 

[3]  W. Yang, Q. Zhou, and Z. Dong, Phys. 

Plasmas 24 (2017) 013111. 

9 

59

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

 

 

Fuzzy nanostructure growth on precious metals by He plasma irradiation 

 

 

S. Kajita

P

1

P

, T. Nojima

2

, Y. Tomita

2

, 

U

N. Ohno

P

2

, N. Yoshida

3

, M. Yajima

4

, T. Akiyama

4

, T. Yagi

5 

 

P

1

P

 IMaSS Nagoya University, Nagoya, Japan  

2

Graduate School of Engineering, Nagoya University, Nagoya, Japan 

3

Research Institute for Applied Mechanics, Kyushu University, Fukuoka, Japan 

4

National Institute for Fusion Science, Toki, Japan 

5

National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Tsukuba, Japan 

 

By helium plasma irradiation to precious metals including rhodium (Rh) and ruthenium (Ru), it was 

found that fiberform nanostructures were formed on the surface. By scanning electron microscopy 

and  transmission  electron  microscopy  analysis,  helium  bubble  growth  inside  the  fuzzy  structures 

were observed. It was likely that the fuzzy structures were easily formed by He plasma irradiation on 

Rh and Ru because the shear modulus was high similar to tungsten. 

 

1. Introduction 

It  was  found  in  plasma  material  interaction  in 

fusion  devices  that  helium  (He)  plasma  irradiation 

leads  to  the  formation  of  fiberform  fuzzy 

nanostructures on tungsten surface [1]. The incident 

ion  energy  and  surface  temperature  are  important 

parameters  to  control  the  surface  morphology 

changes.  Furthermore,  the  He  plasma  irradiation 

leads  to  the  nanostructure  formation  on  various 

metals  including  titanium,  nickel,  molybdenum  and 

so  on  [2].  Because  the  nano-structurization  of 

metallic  material  are  important  for  industrial 

application including for catalysis and photocatalysis, 

it would  be  of  interest  to  further  investigate  the  He 

plasma  irradiation  effects  on  other  metals  as  well 

which were not used for irradiation experiments. In 

this  study,  we  conducted  He  plasma  irradiation  on 

precious  metals  including  rhodium  (Rh)  and 

ruthenium (Ru).  

  

2. Experiments 

He plasma irradiation was conducted in the linear 

plasma  device  NAGDIS-II,  in  which  high  density 

(~10

19

  m

-3

)  He  plasmas  can  be  produced  in  steady 

state.  Rh  and  Ru  samples  were  prepared  by  a 

magnetron  sputtering  device.  The  sample  was 

negatively  biased,  and  the  surface  temperature  was 

increased  by  the  bombardment  of  He  ions.  The 

surface  temperature  was  measured  by  a  radiation 

thermometer.  Figure  1  shows  a  typical  scanning 

electron  microscope  (SEM)  micrograph  of  the  He 

plasma irradiated Rh surface. The incident ion energy 

was  ~45  eV,  the  surface  temperature  during  the 

irradiation was ~700 K, and the He ion fluence was 

1.1

x

10

26

  m

-2

.  It  was  found  that  fiberform 

nanostructures  were  formed  on  the  surface.  By 

transmission electron microscope (TEM) observation, 

elongated  bubbles  were  observed  in  the  fiberform 

structures. We also conducted He plasma irradiation 

on  Ru  sample.  Fiberform  structures  were  also 

observed on Ru sample which was exposed to the He 

plasma  at  the  surface  temperature  of  920  K,  the 

incident ion energy of ~45 eV, and the fluence of 2.4 

x

10

26

  m

-2

.  The  shear  modulus  of  Rh  and  Ru  at  the 

room temperature was 150 and 173 GPa, respectively, 

and  the  values  were  comparable  to  that  of  W  (161 

GPa). It is likely that nanostructure formation tends 

to take place when the shear modulus is high [3] such 

as Rh and Ru. 

 

 

Figure  1:  SEM  micrographs  of  He  plasma 

irradiated  Rh  surface.  The  length  of  the  bar  is  200 

nm.