On phenomena in ionized gases

Decay of radiation of the sliding surface discharge and the combined 

volume discharge  

 

A. Kuznetsov

1

, I. Mursenkova

1

, I. Znamenskaya

1

  

 

1 

Faculty of Physics, Lomonosov Moscow State University, Leninskie Gory, 119991 Moscow,Russia 

 

The  radiation  decay  of  the  sliding  surface  discharge  and  of  the  combined  volume  discharge  with 

plasma  electrodes  lasting  hundreds  of  nanoseconds  in  air  have  been  studied  experimentally  by 

means  of  time  resolved  nanosecond  ICCD  imaging  and  streak  diagnostics  of  the  discharges 

development. Investigations were carried out at a voltage of 20-30 kV at air pressure of 2-160 torr. 

Analysis reveals the differences in the character of the radiation decay of two types of discharges. 

The radiation decay time of volume discharge decreases with increasing pressure at pressure of 10-

100 torr. The decay time of the diffuse channels of sliding surface discharge is almost constant at 

pressure below 60 torr and increases at higher pressures.  

 

1. Experimental setup and measurements 

High  efficiency  contribution  to  gas  heating 

during nanosecond discharge is used to control high-

speed flow characteristics in aerodynamics [1-2]. In 

this  work,  the  features  of  radiation  of  the  sliding 

surface  discharge  [2]  and  the  combined  volume 

discharge  [3]  are  investigated  with  nanosecond 

resolution  using  High-speed 

ICCD

  cameras  of 

spectral range 380-880 nm (BIFO Company). 

The experiments were conducted in the discharge 

chamber  with  rectangular  channel  [2,  3].  Sliding 

surface  discharge  of  30×100  mm

2 

area  consists  of 

diffuse and bright channels moving over a dielectric 

surface  [2].  Combined  volume  discharge  occurs 

between two sliding surface discharges, which form 

two  plasma  electrodes  at  24  mm  distance  between 

them.  20-30  kV  voltage  pulses  initiated  the 

discharges.  The  discharge  current  pulse  had 

amplitude  of  ~1  kA  and  duration  of  ~200  ns.  The 

radiation  spectra  were  recorded  using  AVASpec-

2048FT spectrometer in the range 174-1100 nm. 

  

2. Results and discussion 

The  second  positive  system  of  molecular 

nitrogen  (C→B)  determines  the  main  part  of  the 

spectra of the discharges. Volume discharge reveals 

the  diffusive  uniform  radiation  with  duration  of 

~200  ns.  Duration  of  diffuse  part  of  sliding surface 

discharge close to 200 ns. The radiation of the bright 

channels  lasts  several  times  longer  (Fig.  1)  and 

increases with increasing pressure. 

We  have  determined  the decay time of radiation 

by  processing  the  dependence  of  radiation  intensity 

on time for two types of discharges (Fig.  1). Decay 

times  of  the  radiation  of  volume  discharge  and 

diffuse radiation of the sliding surface discharge are 

close when pressure less than 100 Tor and have the 

value of ~40 ns. The radiation decay time of volume 

discharge  decreases  weakly  when  the  pressure  is 

rising. The decay time of the diffuse channels of the 

surface  sliding  discharge  remains  nearly  constant 

when  pressure  is  lower  than  60  torr  but  increases 

significantly at higher pressures. This can be due to 

kinetic  processes  that  lead  to  a  population  of  the 

C

3

П

u

 state of the nitrogen molecule. 

 

  

 

 

Fig.  1.    Streak  image  of  sliding  surface  discharge  at 

pressure  76  torr  (left);  the  decay  time  of  the  diffuse 

channels  of  surface  sliding  discharge  (1)  and  the  decay 

time of the volume discharge (2) (right). Voltage is 25 kV. 

 

3. Acknowledgements  

Russian 

Foundation 

for 

Basic 

Research 

supported this study, project No. 14-08-00777.  

 

4. References 

[1]  D.  Bayoda,  N.  Benard,  and  E.  Moreau.  J. 

Appl. Phys. (2015) 118. 

[2]  I.A.  Znamenskaya,  D.F.    Latfullin,  A.E. 

Lutsky,  I.V.  Mursenkova,  Tech.  Phys.  Lett.  36 

(2010) 795. 

[3] I. Mursenkova, I. Znamenskaya, I. Ostapenko. 

Proc. of 31 International Conference on Phenomena 

in Ionized Gases (2013) 75_1. 

10 

139

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

 

 

Ball lightning as a key for the solution of an energy problem  

by means of muon-catalyzed fusion   

 

A.G. Oreshko

P

1

P

, 

U

A.A. Oreshko

UP

2

P

, T.B. Mavlyudov

P

1

P

  

 

P

1

P

 Moscow Aviation Institute, National Aerospace Research University, Moscow, Russia  

2

P

All-Russian Scientific Research Institute of Physical -Technical and Radiotechnical Measurements,   

Mendeleevo, Moscow region, Russia 

 

The main aim of the work is to develop a method for solving the problem of energy by using 

muons that are obtained by reacting of a ball lightning with a dense medium. On basis of experi-

ments on the interaction of a ball lightning with a dense medium it was shown that in this case there 

is a generation of muons and muon neutrino, i.e. cascade process is realized, which is similar to the 

process in extensive air showers. The usage of ball lightning as a source of muons for muon-

catalyzed fusion in reactors will improve conditions of operation and allow carrying out the nuclear 

fusion reaction at a lower temperature without insoluble problems which are characteristic of tradi-

tional methods of fusion. 

 

As is known traditional methods of receiving of 

nuclear fusion reactions have a number of insoluble 

problems [1]. One of the main problems that have 

no solutions in the reactors with magnetic confine-

ment is anomalous plasma transport on chamber 

walls. Anomalous transport of plasma is caused by 

an instability due to the charge separation and the 

formation of electrical domains – so-called domain 

instability [2]. Domain instability is a characteristic 

state of plasma in the presence of strong fields and 

high temperature. There is no methods in Nature for 

suppressing this instability. Therefore it is necessary 

to look for more simple and more efficient methods 

for successful solving the problem of nuclear fusion.  

The analysis shows that the energy problem can 

be solved on the basis of the muon-сatalyzed fusion. 

The concept of muonic catalytic fusion is one of 

most promising approaches to nuclear fusion. The 

only obstacle for muon-сatalyzed fusion

 

realization 

is the high cost of muons in existing devices for 

their obtaining. Existing giant sources of muons 

require considerable quantity of energy to produce 

muons. In the experiments it was established that the 

ball lightning has extremely high penetrating ability, 

i.e. phenomena of superpassability [3]. This phe-

nomenon may be explained by multistage generation 

of particles due to interaction of high-energy protons 

of external shell of the ball lightning with dense 

medium [4]. An interaction of protons with atoms or 

molecules of dense medium causes appearance of 

neutral and charged pions. The decay of the pions is 

accompanied by appearance of either negative 

muons and muon antineutrinos or positive muons 

and muon neutrinos. The generation of muons at 

interaction of the ball lightning with dense medium 

makes it possible to use of them for nuclear fusion 

purposes. Only the cycle associated with the usage 

of negative muons represents the interest.  

The analysis shows that the cheapest source of 

muons can be a ball lightning that interacts with the 

dense low temperature deuterium-tritium plasma. 

An electric power of facility to produce the ball 

lightnings "Prometheus" including system of control 

is equal to 5.4 kW, and its square is 6 m

2

. An inter-

esting application is a periodic injection of ball 

lightnings into the chamber of the reactor of nuclear 

fu-sion which was preliminary filled of plasma. The 

proposed method of nuclear fusion has a number of 

significant advantages compared to the existing me-

thods. The method is based on real data obtained by 

the authors in the experiments on generation of ball 

lightnings. The suggested method of solution of the 

fusion problem requires an experimental validation. 

The cost of creating the demo version of nuclear fu-

sion reactor based on muon catalysis is symbolic.

 

A 

physical model of the reactor was created. Experi-

ments were performed in water steam.  

May be we should understand the expression 

P.L.Kapitza "Ball lightning is a small window in the 

great unknown world" as a hint to the effect that the 

ball lightning is a unique key to the solution of the 

problem of obtaining clean energy.

 

 

References 

[1] G.J.Linhart, Quo vadis fusion?

 

Nukleonika, 

54 (4) (2009) 305-309. 

[2] A.G.Oreshko, Proc. 41

st

 EPS Conf. on Plasma 

Physics, Berlin (2014), P2.144.  

[3] A.G.Oreshko, Journ.of Plasma Physics, 71 

(3) (2015) 18 p. 

[4] A.G.Oreshko, A.A.Oreshko, Proc. 43

th

 EPS 

Conf. on Plasma Physics, Leuven (2016), P2.110 . 

Topic number: 18 

140

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

 

 

Negative ion mobility and ion-molecule reactions in O

2

 

with a trace amount 

of moisture 

 

Y. Okuyama

1

P

, K. Arai

2

, S. Suzuki

P

2

P

, H. Itoh

2

 

 

P

1

P

 National Institute of Technology, Tomakomai College, Hokkaido, Japan 

 

P

2

P

 Chiba Institute of Technology, Chiba, Japan 

 

The mobility of negative ions was measured in O

2

 while varying the H

2

O concentration using a 

high-pressure  ion  drift  tube  with  a  point-plane  gap  acts  as  a  negative  ion  detector.  The  H

2

O 

concentration  was  monitored  during  the  mobility  measurement  with  a  trace  moisture  analyser. 

Decreasing mobility were observed with increasing the H

2

O concentration between 15 to 17000 ppb 

as 2.39, 2.31, 2.21 and 2.15 cm

2

/V·s. The mobility 2.39 cm

2

/V·s is considered as O

4

ˉ, and then O

4

ˉ 

was  converted  to  O

2

ˉ·(H

2

O),  O

2

ˉ·(H

2

O)

2

  and  O

2

ˉ·(H

2

O)

3

  by  ion-molecule  reactions.  Thus, 

decreasing mobility could be interpreted as the variations of ion species by ion-molecule reactions 

which were reproduced by solving the continue equations using the modified rate coefficients. 

 

1. Introduction 

We have been measured negative ion mobility in 

O

2

 at high-pressures using a high-pressure ion drift 

tube with a point-plate gap acts as an ion detector [1, 

2]. At such high-pressures, the negative ion mobility 

is  strongly  affected  by  impurities  although  the 

concentrations  of  impurities  are  lower  than  a  few 

ppm.  In  this  paper,  we  describe  the  results  of  ion 

mobility measurement and ion-molecule reactions in 

O

2

 with a trace amount of moisture. 

2. Experimental set up 

The measurement method used for negative  ion 

mobility  had  already  been  described  in  previous 

papers  [1,  2].  During  the  measurements,  H

2

O 

concentrations were monitored by  a  trace  moisture 

analyzer (HALO-H

2

O: Tiger Optics) whose principle 

is based on a cavity ring-down spectroscopy [3] using 

a light of which wave length is 1392.53 nm. 

3. Results and discussions 

Figure  1  shows  the  obtained  mobilities  and  the 

corresponding relative intensities of ions calculated 

using  the  rate  coefficients  in  zero  dimension.  The 

mobility 2.39 cm

2

/V·s was observed in the range of 

H

2

O concentration between 15 to 450 ppb which is 

considered  as  O

4

ˉ.  After  that,  the  mobility  is 

decreased  to  2.31,  2.21  cm

2

/V·s  considered  as 

O

2

ˉ·(H

2

O) and O

2

ˉ·(H

2

O)

2

 in the H

2

O concentration 

450 to 4600, 4600 to 17000 ppb, respectively. The 

mobility  2.15  cm

2

/V·s  considered  as  O

2

ˉ·(H

2

O)

3

  is 

also  observed  at  the  range  of  H

2

O  concentration 

between 12500 to 17000 ppb. 

We considered the sequential progress of negative 

ions in O

2

 with a little amount of moisture as shown 

in fig. 2. O

2

ˉ having a mobility 2.17 cm

2

/V·s [4] was 

never  observed  in  our  experiment  because 

measurements were carried out around atmospheric 

pressure. In fig. 1 (b), the rate coefficients k

1

, k

2

 and 

k

3

  reported  by  others  [5-8]  were  used  for  the 

calculation. In contrast, other rate coefficients k

4

, k

5

 

and k

6

 were modified to fit in experiments because 

some of them were not sufficiently to convince us. 

The result is shown in fig.1 (b) as an example. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Acknowledgement 

This  work  was  supported  by  JSPS  KAKENHI 

GRANT Number 16K18065. 

4. References 

[1] Y. Okuyama et al., J. Phys. D, 45, (2012) 195202 

[2]

 

Y. Okuyama et al., IEEJ Trans. FM, 133, (2013) 

578−584 (in Japanese) 

[3]

 

H. Abe and K. Yamada, Sens. Actuators A, 165 

(2011) 230-238 

[4]

 

R. M. Snuggs et al., Phys. Rev. A, 3 (1971) 477 

[5]

 

J. L. Pack and A. V. Phelps, J Chem. Phys, 44, 

1870 -1883 (1966) 

[6]

 

L G McKnight and J Sawina, Phys. Rev. A, 4, 

1043 (1971) 

[7]

 

J. D. Payzant and P. Kebarle, J. Chem. Phys, 56, 

3482 - 3487 (1972) 

[8]

 

D. A. Parkes, Trans. Faraday Soc, 67, 711 (1971) 

ultrahigh-purity O

2

2

2

2

high-purity O

450 ppb

4600 ppb

ultrahigh-purity O  added with H O

2.8

2.6

2.4

2.2

100

80

60

40

20

10

2

H O concentration (ppb)

Re

lat

iv

e i

nt

en

sit

y 

of

 io

ns

 (%

)

100

1000

10000

0

0

M

ob

ili

ty

 μ

(c

m

 /V

 s)

2 

Fig.  1  Observed  mobilities  and 

their  relative  ion  intensities 

against H

2

O concentration. 

 

O

4

ˉ 

O

2

ˉ•(H

2

O)  O

2

ˉ•(H

2

O)

2

 

O

2

ˉ•(H

2

O)

3

 

(a) 

(b) 

Fig.  2  Reactions  of 

ions in O

2

 with H

2

O. 

 

k

1

 

k

3_1

 

k

2

 

k

4_1

 

k

4_2

 

k

2_2

 

k

5_1

 

k

5_2

 

k

6_1

 

k

6_2

 

141

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

 

 

Comparative study on atmospheric-pressure plasma nitriding processes 

with pulsed-arc jet and barrier discharge 

 

R. Ichiki

1

, K. Kitamura

1

, A. Maeda

1

, R. Sannomiya

1

, K. Yamanouchi

1

, S. Chiba

1

, M. Kono

1

 

T. Onomoto

2

, S. Akamine

1

, S. Kanazawa

1

 

 

1

 Faculty of Engineering, Oita University, Oita, Japan 

2

 Fukuoka Industrial Technology Center, Kitakyushu, Japan

 

 

We have demonstrated nitrogen atom diffusion into steel surface using the atmospheric-pressure the 

atmospheric-pressure pulsed-arc (PA) jet and the dielectric barrier discharge (DBD). The elementary 

processes occurring in the two kinds of atmospheric-pressure plasmas proved to differ considerably; 

that is, the PA jet nitriding involves NH radicals as key radicals, while NH is not essential in the DBD 

nitriding. 

 

1. Introduction 

Plasma  nitriding  is  one  of  the  case  hardening 

technologies for upgrading the mechanical properties 

of  steel  surface  by  nitrogen  atom  (N)  diffusion.  In 

industry,  low-pressure  plasmas  are  utilized  for 

plasma  nitriding.  On  the  other  hand,  our  group  has 

developed atmospheric pressure plasma methods for 

nitriding  to  offer  novel  material  processing  to 

industry. For the present, we achieved nitriding with 

the pulsed-arc (PA) plasma jet [1] and the dielectric 

barrier discharge (DBD) [2]. In this paper, we discuss 

the  chemical  and  physical  differences  of  the  two 

nitriding  methods  to  understand  the  elementary 

process and technological potential of them. 

 

2. Experimental 

2.1. PA jet nitriding 

The  pulsed-arc  is  ignited  inside  the  cylindrical 

electrode,  where  the  pulsed  voltage  of  5  kV  and 

several 



s is applied to the inner electrode at 21 kpps. 

The operating gas is N

2

/H

2

 mixture at the flow ratio 

of 99:1. The afterglow (jet plume) is sprayed onto the 

steel sample at 530

○

C. 

2.2. DBD nitriding 

One  of  the  planer  electrodes  is  the  sample 

electrode  to  be  treated.  The  opposite  electrode  is 

fitted with an alumina barrier of 2.5 mm in thickness. 

The discharge gap is 1 mm. The ac voltage of 5.7 kV 

and  12.8  kHz  is  applied  to  the  sample  electrode  to 

ignite DBD. The operating gas is N

2

/H

2

 mixture at the 

flow  ratio  of  9:1.  The  treatment  temperature  is 

530

○

C. 

 

3. Results and discussions 

We  have  achieved  to  diffuse  N  atoms  into  steel 

surfaces by the both experimental procedures. Here, 

the thickness of the hardened layer, several 10 



m, is 

similar to the conventional nitriding of industrial use. 

Fig. 1 shows the comparison of optical emission 

spectra from the two plasmas during the treatment. In 

the PA jet, the emission of NH is dominant, implying 

that NH radicals are actively produced. Besides, the 

NH emission is found to decrease with increasing H

2

 

addition  to  the  operating  gas.  Moreover,  we 

demonstrated that the diffusion amount of N into the 

steel  is  decreased  by  increasing  H

2

.  These  facts 

indicates  that  NH  is  the  key  radical  in  the  PA  jet 

nitriding. 

 

On the other hand, we see that in the DBD, no NH 

peak appears, while N

2

 2nd positive band is dominant. 

In  addition,  we  have  succeeded  in  DBD  nitriding 

even  without  H

2

  addition.  These  facts  indicate  that 

NH is not essential in the DBD nitriding. In addition, 

the  N  atom  emission  is  not  observed,  implying  that 

the active production of N is unlikely. We regard the 

dissociative  adsorption  of  excited  N

2

  as  a  possible 

scenario of N diffusion. 

This  work  was  supported  by  JSPS  KAKENHI 

Grant Number 15K17482. 

 

4. References 

[1]  H.  Nagamatsu  et  al.,  Surf.  Coat.  Technol.  225 

(2013) 26. 

[2]  K.  Kitamura  et  al.,  Proc.  21st  Intl.  Conf.  Gas 

Discharge their Appl. (2016) 429.

 

14 

 

Fig. 1  Optical emission spectra of plasmas. 

142

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

 

 

 

Characterization of carbon films by microwave-plasma assisted chemical