On phenomena in ionized gases

In

te

n

s

ity

 (a

.u

.)

Wavelength (nm)

 

 

Photoluminescence of GQDs in aqueous solution

Figure  1.  Photoluminescence  of  GQDs  in  aqueous 

solution, upon irradiation with a LED ( = 410 nm).  

 

2. Photoluminescence of GQDs 

The  GQDs  were  obtained  in  a  suspension  after  the 

chemical  treatment  of  the  graphene  sheets  in  acid 

environment  under  mild  sonication  for  15  –  20  h, 

followed  by  neutralization.  The  solution  was  then 

irradiated  with  UV  light  from  a  commercial  blue 

LED.  Optical emission spectroscopy measurements 

were  performed  with  a  Czerny-Turner  spectrometer 

coupled  to  a  photomultiplier  for  wavelengths 

between  300  –  700  nm.  The  photoluminescence  of 

GQDs, although weak compared to the main peak of 

the  LED  at  410  nm,  is  evidenced  by  the  rise  of  a 

broad peak centered at 510 nm (figure 1). Posterior 

SEM and Raman analysis confirmed the presence of 

GQDs  in  the  obtained  suspension.  The  observed 

photoluminescence  is  clearly  originated  by  the 

GQDs  in  the  solution,  since  no  similar  effect  was 

observed  upon  irradiation  of  the  LED  on  reference 

solutions containing graphene sheets as synthesized, 

i.e. without chemical treatment. 

 

3. Final remarks 

GQDs  in  an  aqueous  solution,  obtained  after  the 

chemical  treatment  of  plasma  produced  free 

standing 

graphene 

sheets, 

exhibited 

clear 

photoluminescence  upon  irradiation  with  a  LED  ( 

=  410  nm). The effect is evidenced by  the rise of a 

broad peak centered at 510 nm. 

 

4. References 

[1] M. Bacon, S. J. Bradley, and T. Nann. Particle & 

Particle Systems Characterization 31.4 (2014) 415-

428. 

[2] Zhu, Shoujun, et al. Nano Research 8.2 (2015) 

355-381. 

[3] E. Tatarova, et al., Journal of Physics D: Applied 

Physics 47.38 (2014) 385501. 

[4] E. Tatarova, N. Bundaleska, J. Ph. Sarrette, and 

C. M. Ferreira, Plasma Sources Sci. Technol. 23 

(2014) 063002.  

 

Acknowledgements 

This  work  was  funded  by  the  Portuguese  FCT  – 

Fundação  para  a  Ciência  e  a  Tecnologia,  under 

project  UID/FIS/50010/2013  and  grant  number 

SFRH/BD/52412/2013 (PD-F APPLAuSE). 

17 

73

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

 

 

Comparative cross-correlation spectroscopy study of positive and negative 

polarity transient spark discharge in ambient air 

 

M. Janda

1

, A. Sarani

2

, T. Hoder

3

, T. Gerling

2

, R. Brandenburg

2

, Z. Machala

1

 

 

P

1

P

 Faculty of Mathematics, Physics and Informatics, Comenius University in Bratislava, Slovakia  

P

2

P

 

INP Greifswald e.V., Greifswald, Germany 

P

3

P

 Faculty of Science, Masaryk University

, Brno, Czech Republic 

 

A  streamer-to-spark  transition  in  a  self-pulsing  transient  spark  (TS)  discharge  of  positive  and 

negative  polarity  in  air  was  investigated  using  cross-correlation  spectroscopy.  The temporal 

evolution  of  the  TS  was  recorded  for  several  spectral  bands  and  lines.  The  results  enable  the 

visualization  of  the  different  phases  of  discharge  development.  In  positive  polarity,  we  observed 

the primary and the secondary streamer, both propagating from the needle anode towards the plane 

cathode.  In  the  negative  polarity,  the  primary  streamer  propagating  from  the  needle  cathode  was 

followed by the backward propagating streamer. The transition to the spark was not recorded due 

to relatively long (0.3-1.5 µs) and irregular streamer-to-spark transition phase. 

 

1. 

Introduction

 

The  transient  spark  (TS)  is  a  dc-operated,  self-

pulsing  filamentary  discharge  [1].  We  optically 

explore the evolution of TS in ambient air in needle-

to-plane  geometry  at  mean  pulse  repetition  rate  ~2-

3 kHz.  Negative  and  positive  needle  polarity  are 

compared.  We  used  cross-correlation  spectroscopy 

(CCS)  that  provides  sufficient  spatial  and  temporal 

resolution,  high  sensitivity,  and  is  suitable  for  the 

investigation of randomly appearing discharges [2].  

 

2. Results 

The  temporal  evolution  of  the  TS  was  recorded 

for  several  spectral  bands  and  lines:  the  second 

positive  system  SPS  of  N

2

  (337.1  nm),  the  first 

negative system FNS of N

2

+

 (391.4 nm), and atomic 

oxygen (777.1 nm).  

In  the  positive  polarity,  primary  and  secondary 

streamers  are  observed,  both  propagating  from  the 

needle  anode  towards  the  planar  cathode  (Fig. 1). 

During  the  primary  streamer,  the  emission  of  the 

SPS dominates, but weak emissions of the FNS and 

O*  are  also  observed.  During  the  secondary 

streamer, only SPS emission is obtained. During the 

streamer-to-spark  transition,  the  emission  comes 

from  the  atomic  lines  and  the  FNS,  but  no  SPS 

emission was observed.  

In  the  negative  polarity,  the  SPS  emission 

propagating  from  the  needle  cathode  towards  the 

anode  dominates  during  the  initial  discharge  phase, 

similar  as  seen  in  Trichel  pulses.  When  the  SPS 

emission  reaches  the  anode,  the  emissions  of  FNS 

and  O*  appear  in  the  whole  gap.  In  the  SPS  signal 

we  observed  another  event  moving  towards  the 

cathode  (Fig.  2),  assumed  as  backward  propagating 

streamer. 

 

Fig. 1: CCS record of the TS evolution, positive polarity. 

 

Fig. 2: CCS record of the TS evolution, negative polarity.

 

 

3. References

 

[1] M. Janda, V. Martišovitš, Z. Machala, Plasma 

Sources Sci. Technol. 20 (2011) 035015. 

[2] T. Hoder, M. Cernak, J. Paillol, D. Loffhagen, 

R. Brandenburg, Phys. Rev. E 86 (2012) 055401. 

 

Acknowledgement:  Effort  sponsored  by  the  Slovak 

Research and Development Agency APVV-0134-12. 

10 

74

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

 

 

In-flight modification of metallic nanoparticles by low pressure RF plasma  

 

 

O. Kylian, A. Kuzminova, J. Hanus, M. 

Vaydulych,

 

A. Choukourov, M.Cieslar,  

D. Slavinska, H. Biederman 

 

1

 Charles University, Faculty of Mathematics and Physics, Prague, Czech Republic 

 

Metallic nanoparticles were produced by means of a gas aggregation source based on DC planar 

magnetron with subsequent in-flight modification by auxiliary RF plasma operated either in Ar/O

2

 

or  Ar/n-hexane  working  gas  mixtures.  It  is  shown  that  under  appropriate  conditions  oxygen-

containing auxiliary plasma is capable to oxidise metallic nanoparticles. In contrast, addition of an 

organic  precursor  resulted  in  the  formation  of  a  thin  hydrocarbon  plasma  polymer  shell  around 

metallic nanoparticles and thus core@shell nanoparticles were successfully produced.  

 

1. Introduction 

Vacuum-based  techniques  have  been  gradually 

developed  and  studied  for  production  of  metallic 

nanoparticles  (NPs)  over  many  years.  In  particular, 

methods that utilize gas aggregations cluster sources 

(GAS)  and  are  based  on  magnetron  sputtering 

received much attention in recent years. GAS has the 

advantage  of  producing  NPs  in  its  volume  so  they 

reach the substrate in the form of a beam of already 

formed entities. This is a highly valuable feature for 

fabrication  of  nanocomposites  as  it  enables  an 

independent  control  of  both  the  NP  deposition  and 

the  growth  of  a  matrix.    Furthermore,  modification 

of  NPs  prior  they  reach  the  substrate  is  in  high 

demand for many applications that range from solar 

or fuel cells to the biomedical field. The main aim of 

this study is to investigate the possibility of in-flight 

plasma  modification  of  metallic  NPs  produced  by 

GAS.  

 

2. Experimental 

Metallic  nanoparticles  (Ti,  Ag,  Cu)  were 

produced  by  means  of  a  GAS  based  on  a  planar, 

water-cooled, 3-inch DC magnetron. Ar was used as 

a  working  gas  whose  pressure  in  the  GAS 

aggregation  chamber  was  set  at  40  Pa.  The 

magnetron  current  was  chosen  depending  on  the 

sputtering  material  in  the  range  between  200  mA 

(Ag, Cu) to 400 mA (Ti). 

Leaving  the  GAS,  the  NPs  entered  a  glass  tube 

equipped  with  an  external  circular  electrode  which 

served for the excitation of auxiliary RF plasma as is 

schematically  depicted  in  Figure  1.  Applied  RF 

power  was  up  to  10  W.  Oxygen  or  n-hexane  were 

added to the gas phase of the glass tube for in-flight 

modification  of  the  NPs.  The  GAS/glass  tube 

assembly  was  attached  to  the  main  deposition 

chamber  where  substrates  were  placed  to  collect 

modified  NPs.  The  pressure  inside  the  main 

deposition chamber was kept below 1 Pa. 

 

Figure 1. Experimental set-up 

 

3. Results 

Measurements  of  chemical  composition  (XPS), 

morphology  (SEM,  TEM)  and  optical  properties 

(UV-Vis spectrophotometry) of produced NPs have 

shown  that  auxiliary  RF  plasma  caused  substantial 

changes in their properties as compared to NPs that 

were produced without RF plasma.  

First,  it  was  confirmed  that  presence  of  oxygen 

leads  to  rapid  oxidation  of  produced  NPs.  In 

contrast, the use of n-hexane resulted in formation of 

few  nm  thick  hydrocarbon  plasma  polymer  shells 

around  the  metal  NPs  as  confirmed  by  HRTEM. 

These  results  clearly  showed  the  feasibility  of  this 

technique for in-flight modification of metallic NPs 

and opened the possibility to use such modified NPs 

as  building  blocks  for  fabrication  of  advanced 

functional coatings.  

 

 

Acknowledgement 

This work was supported by the grant GACR 13-

09853S  from  the  Grant  Agency  of  the  Czech 

Republic. 

Topic number 

75

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

Topic number 5

Effect of runaway electron preionization on discharge breakdown

in air at atmospheric pressure: simulation study

Z. Bonaventura

1

, O. Chanrion

2

, A. Bourdon

3

, F. Pechereau

4

, F. Tholin

5

and T. Neubert

3

1

Masaryk University, Faculty of Science, Department of Physical Electronics, Brno, Czech Republic.

2

Technical University of Denmark, National Space Institute (DTU Space), Kgs. Lyngby, Denmark.

3

LPP, CNRS, Ecole polytechnique, UPMC Univ Paris 06, Univ. Paris-Sud, Observatoire de Paris, Universit´e

Paris-Saclay, Sorbonne Universit´es, PSL Research University, 91128 Palaiseau, France

4

CERFACS, 42 Avenue Coriolis, 31057 Toulouse, France

5

ONERA, DMPH Department, 29 avenue de la Division Leclerc, 92322 Chˆatillon Cedex, France

The runaway electron mechanism is of great importance for the understanding of the generation

of X- and gamma rays in atmospheric discharges. Thermal runaway and the runaway electron

avalanche discharge mechanisms are suggested to participate in the generation of Terrestrial Gamma

ray Flashes. Thanks to development of both power supplies and diagnostic techniques, a number of

experiments have been performed to study the discharges obtained using high voltage pulses with

subnanosecond rise fronts. These discharges are also characterized by the presence of X-rays and

runaway electrons. We use a 2D axisymmetric beam-bulk hybrid model, to study discharge break-

down appearing in a negative point-to-plane gap submitted to very high voltage pulse of 50 kV.

1. Introduction

The runaway electron mechanism is of great im-

portance for the understanding of the generation of x-

and gamma rays in atmospheric discharges [1]. Run-

away electrons play also an important role for break-

down and discharge development in laboratory condi-

tions [3, 2]. Both nanosecond discharges in an inho-

mogeneous electric field and atmospheric discharges

are characterized by the presence of X-rays and run-

away electrons [4].

2. Model and discussion

Negative streamer is simulated in a point-to-plane

electrode configuration using a 2D axisymmetric hy-

brid beam-bulk approach [5]. Simulations are per-

formed without pre-ionization or photoionization in

order to emphasize the role of high-energy electrons.

The discharge is initiated with a neutral gaussian

plasma cloud composed of electrons and ions at rest

in the vicinity of the pointed electrode. The results

show the effect of high energy electrons on discharge

development. While overtaking the discharge front,

the high energy electrons pre-ionize the gas ahead and

leave a trace of secondary seed electrons that in turn

facilitate discharge propagation. As a result discharge

with a support of fast electrons propagates signifi-

cantly faster compared to discharge where the effect

of fast electrons has not been considered, see figure 1.

3. Acknowledgements

This collaborative effort was supported by the

European Science Foundation through the Re-

search Networking Program:

Thunderstorm ef-

fects on the atmosphere-ionosphere system (TEA-

IS). This work has been done partially within the

LABEX Plas@par project and has received finan-

cial state aid managed by the Agence Nationale de

la Recherche as part of the programme ”Investisse-

ments d avenir” under the reference ANR-11-IDEX-

0004-02. ZB acknowledges support from the Czech

Science Foundation research project 15-04023S.

Figure 1: Negative streamer discharge onset close to the

pointed electrode. Left: without runaways; Right: with

runaways.

4. References

[1] J.R. Dwyer et al., Space Sci. Rev.

173 (2012),

133–196.

[2] E. Marode et al., Plasma Sources Sci. Technol.

25 (2016) 064004.

[3] P. Tardiveau, et al, J. Phys. D: Appl. Phys.

42

(2009) 175202.

[4] I. D. Kostyrya and V. F. Tarasenko, Plasma

Physics Reports

41 3 (2015) 269–273.

[5] O. Chanrion et al., Environ. Res. Lett.

9 (2014)

055003.

76

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

 

 

 Flow characterization of the electro-thermal plume induced by 

nanosecond repetitively pulsed microplasmas 

 

T. Orriere, N. Benard, E. Moreau, D. Z. Pai 

 

Institut PPRIME (CNRS UPR 3346, Université de Poitiers, ISAE-ENSMA). 

SP2MI – Teleport2 Bd Marie & Pierre Curie BP 30179, 86962 Futuroscope, France 

 

The  aim  of  this  study  is  to  describe  the  main  characteristics  of  an  electro-thermal  plume  produced  by  the 

interaction  between  a  nanosecond  repetitively  pulsed  microplasma  generated  between  two  tungsten  electrodes 

and a DC biased metallic plate at a distance of 40 mm. The plume was studied by particle image velocimetry and 

Schlieren  photography.  The  generated  flow  has  a  bi-planar  topology  and  is  characterized  by  both  thermal  and 

electrohydrodynamic flow. The impacts of the main parameters of the discharge are discussed, such as the pulse 

repetition  frequency,  plate  distance  and  applied  voltage.  We  will  show  how  the  properties  at  the  micro-meter 

scale influence the generated flow. 

 

1. Introduction 

Non  thermal  plasmas  generated  in  atmospheric 

air are useful in many research areas. Because of the 

complex  composition  of  air,  the  selection  of  useful 

reactions  and  power  management  are  difficult 

challenges. Furthermore, the presence of oxygen can 

cause  strong  heating  and  prevent  the  use  of  a  more 

energetic  and  reactive  discharge  such  as  an  arc  or 

spark 

for 

certain 

applications. 

Nanosecond 

repetitively  pulsed  (NRP)  discharges     [1]  can 

overcome  these  disadvantages  by  temporal  control 

of  the  discharge  regime  and  mean  electron  energy. 

These properties can be enhanced by adding surface 

interactions  i.e.  by  confining  the  discharge  to  the 

micrometer scale. For materials applications, several 

configurations  for  the  transport  of  reactive  species 

from  the  plasma  reactor  to  a  substrate  have  been 

studied  such  as  jets,  sprays  or  just  by  placing  the 

substrate  in  contact  or  near  the  discharge   [2].  The 

aim  of  this  study  is  to  confine  a  NRP  discharge  to 

200  µm  in  atmospheric  air  in  a  pin-to-pin 

configuration  and  investigate  the  impact  of  the 

presence  of  a  DC  biased  electrode  40  mm  away 

from  the  micro-plasma.  The  generated  flow  was 

analyzed  by  particle  image  velocimetry  (PIV)  and 

Schlieren photography. 

 

2. Experimental setup 

NRP  micro-discharges  were  generated  at 

atmospheric  pressure  in  open  air  at  room 

temperature  between  two  tungsten  electrodes 

sharpened  to  280  µm  radius  of  curvature  and 

inclined  at  an  angle  of  45°.  High  voltage  pulses, 

with 11-15 ns duration and up to 6 kV in amplitude 

were  applied  across  this  gap.  For  PIV,  a  laser  was 

used to probe the flow at 16.25 kHz, with the beam 

shaped  into  a  1-mm  thick  laser  sheet  to  illuminate 

seed particles. 

3. Discussion  

The  presence  of  the  plate  with  an  applied 

potential  of  -14  kV  or  14  kV  placed  near  (i.e.  at  a 

distance  of  5  to  40  mm  from  the  microplasma)  the 

microplasma  generates  an  electrohydrodynamic 

flow.  The  velocity  field  in  one  dimension  is 

presented in figure 1. The maximum flow velocity is 

not  positioned  along  the  central  axis  of  the  plume. 

We  can  identify  the  stagnation  point  on  the  plate 

along the center axis. The flow is not axisymmetric 

because  the  flow  field  is  different  in  the 

perpendicular  plane.  After the presentation of some 

properties  of  the  microplasma,  the  topology  of  the 

flow  will  be  discussed  further  by  presenting  results 

with  temporal  resolution  and  better  spatial 

resolution.  The  transport  of  the  reactive  plasma 

chemical species will also be discussed. 

 

 

Fig.  1.  Mean  velocity  field  obtained  over  6000 

snapshots, the microplasma is placed at x = 0 mm and the 

plate at x = 40 mm

 

3. References 

[1]  D. 

Packan, 

Ph.D. 

thesis, 

Stanford 

University, 2003. 

[2]  D.  Z.  Pai,  K.  (Ken)  Ostrikov,  S.  Kumar, D. 

A. Lacoste, I. Levchenko, and C. O. Laux, Sci. Rep. 

3, (2013). 

2 

77

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

 

 

Stark broadening of multiple Ar I lines as a diagnostics tool for transient 

welding arcs containing metal vapor

 

M. Kühn-Kauffeldt

1

, J.-L. Marquès

2

, J. Schein

1

 

1

Institut for plasma technology and mathematics, Universität der Bundeswehr München, Neubiberg 

2

Institute for automation and control, Universität der Bundeswehr München, Neubiberg

 

The aim of this work is to determine plasma parameters in Gas Tungsten Arc Welding (GTAW) and Gas 

Metal  Arc  Welding  (GMAW)  processes  by  using  a  combination  of  Stark  broadened  696.54 nm, 

738.40 nm,  763.51 nm  and  794.8 nm  Ar I  lines.  The  line  widths  obtained  from  the  measurements  are 

correlated  with  results  of  other  emission  spectroscopy  measurement  techniques  and  Thomson  Scattering 

carried  out  in  the  same  processes  [3].  Theoretical  data  available  in  the  literature  is  compared  to  the 

obtained dataset for Ar I lines. It is used to discuss properties of the plasma and the influence of the metal 

vapor  in  the  investigated  processes.  Moreover  the  usability  of  these  lines  as  a  diagnostic  tool  for 

simultaneous  determination  of  electron  densities  and  electron  temperatures  with  current  theoretical 

approaches is discussed. 

1. Introduction 

One  of  the  most  common  industrial  welding 

processes is GMAW. Due to a good process control 

in  particular  the  pulsed  GMAW  process  is 

interesting  for  industrial  application.  However  it  is 

not fully understood how the metal droplets and the 

resulting metal vapor interact in the plasma and thus 

influence  the  quality  of  the  final  join.  Despite  of  a 

number 

of 

experimental 

investigations 

and 

modelling  of the process that have been carried out 

so  far,  there  is  still  a  need  for  further  experimental 

data  in  order  to  understand  the  physical  processes 

within the arc and to obtain a reliable verification of 

its  model  [4].  Especially  for  aluminum  as  wire 

electrode 

only 

few 

emission 

spectroscopy 

investigations of electron temperature and density in 

the arc plasma have been carried out so far [1]. 

Stark broadening technique has been widely used 

to  determine  electron  densities  and  temperatures  in 

welding applications. Since species typically present 

in  a  welding  process  underlie  to  a  quadratic  Stark 

effect, line profiles have a temperature and electron 

density  dependence.  Thus  several  Stark  broadened 

lines  can  be  combined  in  order  to  determine 

temperature  and  density  simultaneously.  This 

method was applied in [8] using Ar I and Fe I lines. 

However for welding processes, where Fe is not 

present,  this  method  is  not  applicable.  Theoretical 

data  for  broadening  of  different  Ar  I  lines  is 

available  in  the  literature  [6,  5,  2].  Thus  it  is 

desirable  to  develop  a  two  line  Stark  broadening 

measurement  method  which  uses  Ar  lines  –  a 

shielding  gas  typically  used  in  many  types  of 

welding  processes.  Similar  approach,  which  uses 

different  line  of  the  same  element,  was  used  to 

determine  plasma  parameters  in  a  microwave 

discharge by [7]. The aim of this work is to evaluate 

the usability of multiple Ar I lies as a diagnostic tool 

for  plasma  parameter  determination  in  GMAW 

processes.