On phenomena in ionized gases

1. Introduction 

The discharge processes in bubbles in water 

attract much attention recently, but the physics of the 

discharge in a bubble has not been fully understood 

yet. In addition,  we also have insufficient 

understanding about  the effects of electromagnetic 

fields on the formation processes of bubbles in water. 

In this work, we observed the bubble formation from 

the tip of a needle electrode which was connected to a 

high-voltage power supply. A unique point of the 

present experiment is that the needle electrode faced 

the gas-liquid  boundary of a laser ablation-induced 

cavitation bubble. 

2. Experiment 

A titanium plate, which was electrically grounded, 

was installed in water, and it was irradiated by 

focused Nd:YAG laser pulses from the normal 

direction. A needle electrode, which was connected 

to a high-voltage power supply, was placed at a 

distance from the ablation point. The irradiation of 

the laser pulse induced a cavitation bubble. The 

cavitation bubble had the dynamics of the expansion, 

the shrinkage, and the collapse, but the tip of the 

electrode was separated from the gas-liquid boundary 

of the  cavitation bubble  even when the bubble size 

became maximum. 

3. Results and discussion 

Figure 1  shows shadowgraph pictures and the 

waveforms of the voltage and the current. We 

employed a pulsed power supply in this experiment, 

and the high voltage was switched on at a delay time 

of T

0

=267 

µs after the irradiation of the laser pulse. 

Figure 1(a) shows the shadowgraph picture at this 

timing.  The shadows of a hemispherical cavitation 

bubble and the needle electrode are seen in Fig. 1(a). 

After the spiky displacement current, a conduction 

current of approximately 20 mA passed from the 

needle electrode to the grounded titanium plate. At a 

delay time of T

1

=320 

µs, we observed the formation 

of a bubble from the tip of the needle electrode, as 

shown in Fig. 1(b). The bubble was lengthened 

toward to gas-liquid boundary of the cavitation 

bubble. The discharge between the needle electrode 

and the titanium plate occurred  at a delay time of 

T

2

=334 

µs,  when the bubble connected the cavitation 

bubble and the needle electrode, as shown in Fig. 1(c). 

It is noted here that a similar bubble formation was 

observed even when we employed an alumina target. 

Since the conduction current was negligible in the 

case using the alumina target, it is considered that the 

bubble formation was not caused by the Joule heating 

of water. 

Topic number 12 

T

0

=267 

μs

T

1

=320 

μs

T

2

=334 

μs

-2

0

2

4

6

8

-20

0

20

40

60

80

100

120

250

300

350

400

V

ol

ta

ge  

(k

V

)

C

u

rre

n

t  

(mA

)

Time after laser ablation  (

µ

s)

Voltage

Current

T

0

T

1

T

2

(d)

Fig. 1  (a)-(c)  Shadowgraph images observed at 

various delay times, and (d) voltage and 

current waveforms. 

65

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

Topic number: 10

Measurement of the CH rotational temperature in DBD discharges in

CH

4

/CO

2

/He mixtures and simulation of the gas temperature

N. Pinhão

P

1

P

, J. Branco

2

P

1

P   

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

2

 Centro de Ciências e Tecnologias Nucleares, Instituto Superior Técnico, Universidade de Lisboa, Lisboa,

Portugal

This work is dedicated to the measurement of the CH rotational temperature on micro-discharges in

an   atmospheric   pressure  DBD   plasma  in  CH

4

/CO

2

/He   mixtures. The   rotational   temperature   is

obtained from the optical emission of  the CH (A 

2

Δ - X 

2

Σ)  transition. The discharge is produced

either by an ac or fast pulse generators. The CH rotational population shows a bimodal distribution

with a high temperature tail and thermalized body. To evaluate if the rotational temperature is a

good indication of the gas temperature, we have computed the gas temperature profile for a given

input   power   through   the   simultaneous   solution   of   the   heat   and   Navier-Stokes   equations.  The

modeling values are consistent with the rotational temperatures obtained.

1. Introduction

Non-thermal plasmas have been used for the

conversion   of   methane/CO

2

  mixtures   into

synthesis gas (CO/H

2

) and higher hydrocarbons.

In order to understand the chemical kinetics and

build   reliable   models   for   these   mixtures,   it   is

necessary   to   know   the   gas   temperature   of   the

micro-discharges.   Previous   studies   on   CH

4

  and

CH

4

/CO

2

  mixtures [1] using the CH (A 

2

Δ  – X

2

Σ) transition have found rotational temperatures,

T

r

, between 50-200 degree higher on the micro-

discharges   than   the   volume   averaged   gas

temperature. In this work we study the influence

of   the   specific   energy   input,   the   dilution   in

helium, and the type of power supply on T

r

. In

order to assess the gas temperature distribution

on the reactor and compare with the T

r

, we build

a   model  for   the   gas  and  heat  fluxes  along  the

reactor taking into account the input power, the

chemical energy efficiency and the energy losses

to the surrounding air.

2. Experimental set-up and modeling

The experimental system is described in [2].

It is a cylindrical DBD reactor powered by three

type  of  generators:   a   sinusoidal  generator   with

frequencies   of   5-20   kHz   and   two   pulse

generators: (i) a solid state switch producing 1.2

μs width rectangular pulses with 80 ns raise time

and repetition rate of 2-10 kHz and, (ii) a drift

step recovery diode  generator  producing pulses

with <4 ns rise time, 10 ns FWHM and repetition

rate of up to 3.5 kHz. The CH rotational bands

were monitored with a mini-optical spectrometer

with a 1.7 nm resolution and cooled to -10 ºC.

The   numerical   results   were   obtained   with   the

Elmer   multi-physics   FEM   code   coupling   the

Navier-Stokes and the heat equations. The power

input corresponds to the experimental values.

3. Results

3. References

[1] J. Luque, M. Kraus, A. Wokaun, K. haffner,

U. Kogelschatz and B. Eliasson  J. Appl. Phys.  93

(2003) 4432-4438.

[2]   N.   Pinhão,  A.   Moura,   J.B.   Branco   and   J.

Neves Int. J. Hydrogen Energy 41 (2016) 9245

Acknowledgments: This work was funded by Portuguese FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologia, under

project UID/FIS/50010/2013.

Figure 1: CH spectra showing the hot tail. Points:

experimental results; lines: fit with LIFBASE

Figure   2:   Color   scale:   Gas   velocity  on   the   reactor;

Contour lines: temperature distribution from 300 K to

580 K with steps of 25 K

66

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

 

 

Realistic 3D Particle Modelling of Discharge Inception  

near Ice Particles and other Dielectric Objects

 

C. Rutjes

P

1

P

, 

U

J. Teunissen

1,2

P

, U. Ebert

P

1,3

P

 

 

P

1

P

 Centrum Wiskunde & Informatica, Amsterdam, The Netherlands 

 

P

2

P

 Centre for Mathematical Plasma-Astrophysics, KU Leuven, Leuven, Belgium

 

P

3

P

 Eindhoven University of Technology (TU/e), Eindhoven, The Netherland 

 

Prior to streamer formation, when the numbers of charged particles in the relevant region are still 

relatively low, a fluid discharge model is not appropriate. We have developed a particle model to 

study  the  initial  phase,  specifically  the  stochastic  nature  of  positive  streamer  inception  near 

dielectrics and other surfaces. The model is motivated by lightning initiation near ice particles in 

thunderclouds,  but  can  be  applied  more  generally  to  jitter  in  discharge  inception.  The  model  is 

designed  such  as  to  easily  continue  with  3D  streamer  simulations  in  the  Afivo  framework.  This 

enables the first 3D streamer simulations that start with realistic initial distributions of electrons and 

ions. 

 

1. Problem setting 

In  thunderstorms,  streamers  (as  precursors  for 

lightning leaders) can be initiated from hydrometeors 

(droplets,  graupel,  ice  needles,  etc.).  These 

hydrometeors  locally  enhance  the  thundercloud 

electric field to values above electric breakdown; the 

initial electrons in the humid air of the cloud may be 

provided  by  extensive  air  showers  [1].  Typically, 

streamers  are  modelled  with  a  deterministic  fluid 

model  (i.e.  drift-diffusion-reaction  coupled  with 

Poisson), which is now possible in full 3D with the 

Afivo framework [2]. 

However,  under  typical  subcritical  conditions 

electrons will only multiply in regions of local field 

enhancement  to  values  above  breakdown  that  can 

occur  near  a  dielectric  object.  For  typical 

hydrometeors this region is at most of the order of a 

cubic  millimetre.  Hence  only  individual  electron 

avalanches – with their intrinsically random nature – 

are  entering  the  breakdown  area  sequentially.  On 

these  scales,  a  deterministic  fluid  description  is  not 

valid.  Therefore,  we  have  developed  a  stochastic 

particle model to study the behaviour of the system 

described  above,  to  calculate  the  probability  of 

streamer inception for a given hydrometeor, electric 

field and initial electron density.  

 

2. The DIPIC3D code

 

The  DIPIC3D  (Discharge  Inception  Particle  in 

Cell  3D)  code  is  a  further  development  of  the  code 

used in [3] and assumes that initially space charge is 

not  important,  enabling  fast  parallel  computation  of 

the particle dynamics in the electric field. The initial 

electric field can be loaded from third party software 

packages like COMSOL®.  In addition, the code can 

project  particles  into  cells  of  the  octree  grids  in  the 

Afivo framework [2], which includes adaptive mesh 

refinement  (AMR),  a  geometric  multigrid  solver, 

shared-memory  (OpenMP)  parallelism  and  it 

supports output in Silo and VTK file formats. In this 

manner, space charge effects can be included in the 

later  stage  of  the  discharge  evolution,  but  currently 

still excluding polarization, which is fair for ice where 

the  dielectric  constant  for  fields  changing  on  the 

nanosecond  scale  is  relativity  low  (~3  compared  to 

~90 for stationary fields). 

 

3. Results

 

First  results  show  that  the  discharge  starts  with 

great  jitter  and  usually  off  the  symmetry  axis, 

demanding  a  stochastic  approach  in  full  3D  for 

streamer  inception  in  realistic  thunderstorm 

conditions.  We  will  present  the  latest  developments 

of  the  DIPIC3D  code  and  discuss  our  simulation 

results. After publication, the software will be made 

available as open source.

 

 

4. Acknowledgments 

C.R.  acknowledges  funding  by  FOM  Project  No. 

12PR3041,  and  J.T.  by  postdoctoral  fellowship 

12Q6117N from FWO.

 

 

5. References 

[1]  A.  Dubinova  et  al.,  Prediction  of  lightning 

inception  by  large  ice  particles  and  extensive  air 

showers, Phys. Rev. Lett. 115 (2015) 015002. 

[2] J. Teunissen and U. Ebert, Afivo: a framework 

for  quadtree/octree  AMR  with  shared  memory 

parallelization  and  geometric  multigrid  methods, 

submitted 

to 

Comp. 

Phys. 

Comm., 

arxiv.org/abs/1701.04329. 

[3]  J.  Teunissen  and  U.  Ebert,  3D  PIC-MCC 

simulations  of  discharge  inception  around  a  sharp 

anode  in  nitrogen/oxygen  mixtures,  Plasma  Sources 

Sci. Technol. 25 (2016) 044005. 

 

5 

67

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

 

 

Investigation of Ion Dynamics in Collisionless RF Sheath  

 

Yunchang Jang

P

1

P

, 

U

H.-J. Roh

UP

1

P

, N.-K. Kim

1

1

P

, S. Ryu

1

, Y. Jin

1

, S. Shim

2

, M. Choi

2

, S. Jeong

2

, 

J. Cho

2

, D. Sung

2

, Gon-Ho Kim

P

1

. 

 

P

1

PED

e 

 Deoartment of Energy Systems Engineering, Seoul National University, Seoul, Korea  

2

PED

e 

 Mechatronics R&D Center, Samsung Electronics Co., Ltd, Hwaseong, Korea 

 

It  was  invesigated  that  energy  spread  of  ion  energy  distribution  (IED)  which  is  known  as  being 

governed by the dynamics of ion in RF sheath and the magnitude of RF voltage peak. Semi-analytic 

models was derived from concept of ion response time (τ

i

) in previous study. However, the property 

of ion response time (τ

i

) was not clearly understood. In this study, τ

i

 was investigated with varying RF 

period  (τ

rf

)  in  a  low  pressure  Ar  plasma.  Experiment  results  revealed  that  the  time  scale  of  ion 

response time is determined by one of the ion plasma frequency (ω

pi

) rather than the ion transit time 

across the sheath (τ

ion

) in this high-density plasma.  

 

1. Background 

The dynamics of ion motion in the collisionless rf 

sheaths play an important role in the determination of 

the  energy  spread  of  ion  energy  distribution  (IED) 

with varying RF. Miller et al. proposed the concept of 

ion  response  time  (τ

i

)  to  RF  sheath  voltage  and 

assumed that ion thermal motion at sheath boundary 

determine IED [1]. Sobolewski et al. [2] represented 

that the ion energy broadness (ΔE

i

) is in terms of the 

sheath voltage oscillation (V

pp

) and τ

i

 /τ

rf

 as shown in 

Equation 1 by using Miller’s theory.  

 

1/2

2

2

2

1

2

/

i

pp

i

rf

E

eV

 









 







  

(1) 

Previous IED analyses adopted this equation as a 

function of ion transit imte across the sheath (τ

ion

)/τ

rf

 

with a correction factor to explain the experiments or 

simulation  results  of  ion  energy  spread  [3]. 

Specifically,  the  correction  factor  played  important 

role in the analyses. In this study, we focused on what 

physics  governs  the  correction  factor,  consequently 

defining  the  ion  response  time  τ

i 

with  RF  voltage 

oscillation.  Experimental  data  taken  in  the  low 

pressure Ar plasma with various RFs were compared 

to  Equation  (1)  with  the  time  scale  of  τ

ion

  and  time 

scaled of 1/ω

pi

. 

2. Experimental setup 

Experiment  were  performed  in  an  argon 

VHF-CCP  at  20  mTorr  which  has  the  ratio  of 

maximum  sheath  size  to  ion  mean  free  path  ~  2. 

Various ranges of RF (from τ

i

 /τ

rf 

~ 0.05 to τ

i

 /τ

rf 

~10) 

were  applied  to  bottom  electrode  to  enhance  the 

incident ion energy with very high frequency (VHF, 

τ

i

/τ

rf 

~10)  which  was  applied  on  the  top  electrode 

(showerhead) to sustain plasma. One RF bias power 

was applied to bottom electrode alone

. 

A commercial 

retarding field analyser (Impedans, Vertex V4.0.10) 

was  employed  to  measure  IED.  Plasma  density, 

electron  temperature  and  plasma  potential  were 

measured by using RF compensated Langmuir probe.  

3. Results and Discussion 

Experimental results of ΔE

i 

to V

pp

 are summarized 

in  Figure  1.  It  is  compared  with  models  under 

assumptions that ion response time is ion transit time 

(indicated  by  solid  and  dotted  lines)  or  one  of  ion 

plasma  frequency  (indicated  by  dashed  line).  The 

dashed  line  is  agreed  well  with  the  experiments 

results,  implying  that  the  ion  energy  arriving  at 

surfaces is governed by the ion thermal motion at the 

sheath  boundary.  Consequently,  it  determines  the 

initial condition of ion acceleration.  



ion



rf

 ~ 0.08



ion



rf

 ~ 0.5



ion



rf

 ~ 3.2



ion



rf

 ~ 3.4



ion



rf

 ~ 9.2

 



i

 = ((2.25)

0.5

/2



)



ion

 [2]

 



i

 = 1/



pi

 = (kT

e

/V

dc

)



ion

 [2]

 



i

 =



ion

 [3]

0.1

1

10

0.01

0.1

1

 

 



E

 / 2

eV

s



ion

 / 



rf

 

Figure  1.  The  ratio  of  ion  energy  broadness  to  sheath 

voltage  magnitude  as  a  function  of 

τ

ion

/τ

rf

 

(symbols)  for 

comparison between models (lines).  

4. References 

[1]  P.A.  Miller  and  M.E.  Riley,  J.  Appl.  Phys.  82 

(1997) 3689.  

[2]  M.A.  Sobolewski,  Y.  Wang,  and  A.  Goyette,  J. 

Appl. Phys. 91 (2002) 6303. 

[3]  A.C.F. 

Wu, 

M.A. 

Lieberman, 

and 

J.P. 

Verboncoeur, J. Appl. Phyis. 101 (2007) 056105 

Acknowledgements 

This work was partly supported by the Brain Korea 21 

Plus  Project  (No.  21A20130012821)  and  Samsung 

Electronics Co., Ltd

. (Project No. 0620-20160027) 

8 

68

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

 

 

Spectroscopic study of low pressure, low temperature H

2

-CH

4

-CO

2

 

microwave plasmas used for large area deposition of nanocrystalline 

diamond films  

 

A. S. C. Nave

1

, B. Baudrillart

2

, S. Hamann

1

, F. Bénédic

2

, G. Lombardi

2

, A. Gicquel

2

, 

J. H. van Helden

1

,

 

J. Röpcke

1

 

 

1

 INP Greifswald, 17489 Greifswald, Germany 

2 

LSPM CNRS UPR 3407 Université Paris 13, 93430 Villetaneuse, France 

 

In a distributed antenna array (DAA) reactor, microwave H

2

 plasmas with admixtures of 2.5% CH

4

 

and  1%  CO

2

  used  for  the  deposition  of  nanocrystalline  diamond  films  have  been  studied  by 

infrared absorption and optical emission spectroscopy techniques.