On phenomena in ionized gases

2. Evidencing oxidation at the surface

 

More  recently,  a  sequential  approach  has  been 

recently  proposed,  where  pollutants  are  first  ad-

sorbed  on  the  material,  then  oxidized  by  switching 

on  the  plasma.  Monitoring  the  gas  phase  composi-

tion  AND  the  VOCs  adsorbed  onto  the  catalytic 

surface allows analysing oxidation mechanisms [5].  

Different  parameters  are  studied,  such  as  the  in-

jected power, the relative humidity, the type of VOC 

and  the  type  of  catalytic  materials.  In-plasma  and 

post-plasma  configuration  are  studied  [5-6].  The 

analysis  of  the  chemical  composition  of  the  gas 

phase  is  performed  using  an  FTIR  cell  and  the  in 

situ  surface  analysis  of  adsorbed  species  and  inter-

mediates is followed using a DRIFTS cell  

In  addition,  we  will  present  results  obtained  us-

ing  Sorbent-TRACK,    a  new  device  ,  developed  to 

monitor  adsorption  and  surface  oxidation  of  pollu-

tants under direct plasma exposure [7-8]. It is based 

on  direct  transmitted  Fourier  Transformed  Infrared 

(FTIR)  spectroscopy.  Performances  and  sensitivity 

of  Sorbent-TRACK  are  reported  Adsorption  and 

oxidation of acetone leads to production of adsorbed 

isobutene  and  acetic  acid,  where  oxidation  of  iso-

propanol  gives  mainly  to  adsorbed  acetone,  mesityl 

oxide and acetate.  

  

References

 

[1]  F. Thevenet,  L. Sivachandiran, O. Guaitella, C.  Bara-

kat,  A.  Rousseau,  J.  Phys.  D:  Appl.  Phys,  2014  J. 

Phys. D: Appl. Phys. 47 224011  

[2] A. Ogata, K. Yamanouchi, K. Mizuno, S. Kushiyama, T. 

Yamamoto, Plasma Chem. Plasma Process. 19 (1999) 

383-394 

[3]  H.H.  Kim,  A.  Ogata,  S.  Futamura,  J.  Phys.  D:  Appl. 

Phys. 38 (2005) 1292–1300 

[4]  F.  Holzer,  U.  Roland,  F.D.  Kopincke,  Appl.  Catal.  B: 

Env. 38 (2002) 163-171 

[5]  C.  Barakata,  P.  Gravejat,  O.  Guaitella,  F. Thevenet, A. 

Rousseau,  Applied  Catalysis  B:  Environmental  147 

(2014) 302– 313 

[6]  L.  Sivachandiran  ,  F.  Thevenet,    A.  Rousseau,  Plasma 

Chemistry & Plasma Processing, (2013)  

[7]  Z.  Jia  and  A.  Rousseau,  Scientific  Reports,  6,  31888; 

(2016). 

[8]  Z.  Jia,  X.  Wang,  F.  Thevenet,  A.  Rousseau 

Plasma Process Polym. 2017;e1600114  

This  work  has  been  supported  by  ANR,  French  DGA, 

LABEX PLAS@PAR and ALKOTHERM 

10  

7

8

The Von Engel & Franklin Prize Lecture

9

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

 

 

 Distribution Functions in Non-Equilibrium Plasmas 

 

Uwe Czarnetzki

UP

1

P

 

 

P

1

P

 Institute for Plasma and Atomic Physics, Faculty for Physics and Astronomy, 

Ruhr-University Bochum, Germany  

 

The  non-equilibrium  character  of  low-temperature  plasmas  is  exhibited  by  the  form  of  the 

distribution  functions  of  free  electrons  and  ions  as  well  as  in  the  population  of  excited  states  of 

atoms  and  molecules.  Strong  interactions  between  particles  from  different  ensembles  as  well  as 

inhomogeneous and non-stationary electric fields are usually causing the complex forms of non-

equilibrium  distributions.  The  talk  will  show  a  number  of  experimental  examples  ranging  from 

low  to  atmospheric  pressures.  The  underlying  physical  mechanisms  will  be  explained,  the 

diagnostic techniques highlighted, and the consequences for application and diagnostics discussed. 

 

1. Introduction 

Low-temperature  plasmas  are  characterized  by 

non-equilibrium  distribution  functions.  Generally, 

the various particle ensembles do not share the same 

distribution and typically also the particles within an 

ensemble, especially electrons and ions but also the 

population  of  bounded  states  in  neutrals,  do  not 

follow thermal distributions, i.e. cannot be described 

by  a  Maxwell-Boltzmann  equilibrium  distribution. 

This  deviation  from  thermal  equilibrium  is  caused 

by  weak  interaction  between  particles  within  an 

ensemble  but  strong  interaction  with  particles  from 

other 

ensembles. 

Further, 

oscillating 

and 

inhomogeneous electric fields on a scale shorter than 

the  charged  particle  mean  free  path  can  have  a 

strong  contribution.  Consequently,  the  particular 

form  of  the  non-equilibrium  distributions  and  the 

processes causing their formation are at the heart of 

the physics in these systems. The distributions play a 

key  role  for  all  physical  processes,  in  particular 

excitation  and  ionization  but  also  transport 

properties can be very sensitive. 

In  this  talk  a  selection  of  particular  non- 

equilibrium conditions of interest in recent research 

and application is presented. The underlying physics 

is  explained,  the  various  aspects  are  illustrated  by 

experimental  examples,  and  the  diagnostic 

techniques  are  introduced.  Recent  advances  and 

current challenges are highlighted. Examples will be 

shown from three general categories. 

 

2. Examples 

2.1. Electron Distribution Function 

In Radiofrequency discharges the oscillating and 

spatially  inhomogeneous  electric  field  can  lead  to 

ballistic  electrons  and  correspondingly  strong 

deviations  from  simple  Maxwellian  distribution 

functions.  The  related  excitation  patterns  are  the 

basis of spectroscopic access to the spatial-temporal 

dynamics.  In  ICP  the  evanescent  electric  field 

penetrating into the plasma can again be imaged by 

taking  advantage  of  the  temporal  modulation  of  the 

EVDF.  Further  downstream  at  sufficiently  low 

pressures,  the  EEDF  becomes  non-local  which  in 

principle  allows  determination  in  the  entire  volume 

from  a  single  measurement  in  the  centre.  Arrays  of 

smaller  ICPs  with  a  clear  phase  correlation  provide 

an  opportunity  for  a  new  plasma  source  based  on 

non-collisional heating of electrons. 

 

2.2. Ion Distribution Function 

IVDF in non-equilibrium plasmas generally show 

show  complex  profiles  which  are  additionally 

strongly  depending  on  the  particular  location  in  the 

plasma.  Recently  it  was  discovered  that  in  case  of 

charge-exchange  dominated  transport  at  low 

pressures,  measurements  taken  on  the  wall  allow  a 

full  spatially  resolved  reconstruction  of  the 

distribution  function  and  basically  all  plasma 

parameters,  including  also  the  electron  density  and 

temperature  as  well  as  the  ambipolar  electric  field 

and  potential.  While  at  low  pressures  the  IVDF  is 

effectively  one-dimensional,  it  exhibits  a  much 

wider  angular  distribution  at  higher  pressures.  This 

has  consequences  not  only  for  the  interaction  with 

surfaces  but  requires  also  careful  interpretation  of 

measurements. 

 

2.3. Bounded Electrons in Atoms and Molecules 

The  distribution  of  bounded  electrons  in  non- 

equilibrium  plasmas  is  usually  governed  by  a 

balance  between  collisional  excitation  and  radiative 

and  collisional  de-excitation.  In  the  afterglow 

recombination of cold electrons can lead to an even 

stronger deviation from thermodynamic equilibrium 

by  population  of  highly  excited  Rydberg  states. 

Recently  it  was  discovered  that  in  the  afterglow  of 

atmospheric  pressure  discharges  in  Helium  actually 

almost  all  free  electrons  are  converted  to  Helium 

Rydberg molecules. 

 

11

12

Topical Invited Lectures

13

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

 

 

 

1 

Pre-breakdown phenomena and discharges in gas-liquid system  

 

Babaeva N.Yu., Naidis G.V., Panov V.A., Smirnov B.M.,  

Son E.E. and Tereshonok D.V. 

 

Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences - 13, bldg. 2 Izhorskaya str., 

Moscow, 125412, Russia

 

 

Presented  work  consists  of  two  parts:  experimental  and  theoretical  investigations  of  pre-

breakdown  and  discharge  in  disperse  systems.  We  theoretically  investigated  the  development of 

discharge in two types of bubble clusters immersed in water and transformer oil: seven and fifteen 

equidistant  bubbles  with  the  prevalence  of  a  horizontal  orientation  perpendicular  to  the  applied 

electric field. The bubbles were filled with air. We present the principal difference in the streamer 

propagation  from  bubble-to-bubble  due  to  mutual  polarization  of  bubbles.  Hydrodynamics 

simulation  for  the  movement  of  the  dielectric  liquid  under  the  electrostrictive  stress  was 

performed. We also investigated cavitation of a dielectric liquid under the ponderomotive forces. 

Results of the simulation are in good agreement with the experiment. 

 

One of the main properties of a system consisting 

of  a  liquid  with  gaseous  bubbles  is  the  low  electric 

field  strength  of  electric  breakdown  in  comparison 

with  a  pure  liquid.  Presented  work  consists  of  two 

parts:  experimental  and  theoretical  investigations  of 

pre-breakdown  and  discharge  in  such  disperse 

systems. 

Experimental  setup  for  the  investigation  of  the 

electrical  breakdown  in  fluid  with  a  gas  contains  the 

microporous  membrane  which  is  made  of  anodized 

alumina  with  an  average  pore  size  (100  ±  50)  nm. 

The  distance  between  the  pores  is  300  nm,  a 

thickness  of  the  porous  layer  is  200  microns. 

Experiments  with  the  penetration  of  the  gas  into  the 

liquid  through  a  porous  medium  are  performed.  Gas 

forms bubbles in the liquid which float. 

 

Optical  interference  method  and  statistical 

analysis  of  interferometric  images  was  used  in  order 

to  obtain  the  distribution  of  the  microbubbles.  The 

most probable value obtained for the mixture of "air-

water"  (without  the  addition  of  surfactants)  is  about 

70-80 

microns. 

 We 

experimentally 

studied the development of 

discharge 

in 

such 

multiphase system. 

 

We  theoretically  investigated  the  development  of 

discharge in two types of bubble clusters immersed in 

water  and  transformer  oil:  seven  and  fifteen 

equidistant  bubbles  with  the  prevalence  of  a 

horizontal  orientation  perpendicular  to  the  applied 

electric  field.  The  bubbles  were  filled  with  air.  We 

show  the  principal  difference  in  the  streamer 

propagation  from  bubble-to-bubble  due  to  mutual 

polarization of bubbles.  

It’s  well  known  that  the  fluid  stream  flows  in  the 

direction  towards  the  high  electric  field.  Fluid 

behavior with a different permittivity is calculated on 

the  basis  of  the  hydrodynamics  numerical simulation 

in the strong inhomogeneous pulsed electric field. The 

negative  pressure  under  ponderomotive  forces  can 

lead  to  the  cavitations  near  the  needle  electrode  and 

can lead to the occurrence of the electrical breakdown 

in  the  fluid.    Results  of  the  simulation  are  compared 

with the experiment for the cavity extension.  

The main results are presented in papers [1-8]. 

 

This  work  is  supported  by  the  Russian  Science 

Foundation (Project Number 14-50-00124). 

 

[1]  Babaeva  N.Yu.,  Tereshonok  D.V.,   Naidis 

G.V., J. Phys. D: Appl. Phys. 48 (2015) 355201. 

[2] 

Naidis  G.V.,  IEEE  Transactions  on  Plasma 

Science. 

 43 (2015) No. 9  3138-3141. 

[3]  Natalia  Yu.  Babaeva,  PSST  24  (2015) 

034012. 

[4]  Babaeva  N.Yu.,  Tereshonok  D.V.,   Naidis 

G.V.  and  Smirnov B.M., J. Phys. D: Appl. Phys. 49 

(2016) 025202 

[5]  Boris  M.  Smirnov  and  R.  Stephen  Berry, 

Chemistry Central Journal 9 (2015) 48 1-8. 

[6]  V.  P.  Krainov,  B.  M.  Smirnov  and  D.  V. 

Tereshonok, EPL 108 (2014) 34002-34002. 

[7]  Dmitry  V  Tereshonok,  Natalia  Yu  Babaeva, 

George  V  Naidis  and  Boris  M  Smirnov,  J.  Phys.  D: 

Appl. Phys. 49 (2016) 505501. 

[8] Dmitry V Tereshonok, J. Phys. D: Appl. Phys. 

50 (2017) 015603. 

Topic number 10 

15

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

 

 

Atmospheric pressure plasmas for surface and medical applications

 

 

K. G. Kostov

P

1

P

, V. Prisyazhnyi

1

, A. H. R. Castro

1

, T. M. C. Nishime

1

, C. Y. Koga-Ito

P

2

P

,          

T. S. M. Mui

1

, L. L. G. da Silva

1

, R. P. Mota

1

, A. C. Borges

2

, M. Machida

3

 

 

P

1

P

Faculty of Engineering – FEG ,  São Paulo State University – UNESP, Guaratinguetá, SP, Brazil  

P

2

P

Institute of Science & Techology – ICT, São Paulo State University – UNESP, São José dos Campos, SP, Brazil 

 

3

Insitute of Physics – IFGW, University of Campinas – UNICAMP, Campinas, SP, Brazil

 

 

Non-thermal 

plasma  jets  at  atmospheric  pressure  have  attracted  much  attention  in  recent  years 

due  to  their  simplicity  and  low  cost  combined  with  a  great  variety  of  applications  ranging  from 

material processing to medicine. This work will give a brief overview of recent works focusing on 

the research and development performed at FEG, UNESP. 

 

1. Introduction 

The  cold  atmospheric  pressure  plasma  jets 

(APPJs) were first reported in nineteen-nineties and 

since then they have been subject of intense research 

and development. For instance, over the last decade 

the  number  of  publications  on  plasma  jets  in  the 

literature has grown exponentially [1]. Also, various 

high  impact  journals  published  special  issues  and 

review 

papers 

dedicated 

on 

APPJs. 

A 

distinguishable  feature  of  cold  plasma  jets  is  that 

they  can  be  operated  in  air  and  provide  enhanced 

chemistry  via  production  of  reactive  species 

(radicals,  photons  and  charged  particles)  while  the 

gas  temperature  is  maintained  sufficiently  low  for 

processing  of  organic  and  biological  components. 

Nowadays,  plasma  jets  are  routinely  used  in 

material  processing  for  surface  cleaning  and 

deposition,  etching,  surface  activation  of  polymers, 

decontamination  of  surfaces  etc.  [1].  Recently, 

application  of  non-thermal  plasma  jets  in  living 

tissues  has  been  extensively  studied  giving  the 

origin of so-called plasma medicine [1, 2].  

 

2. Experimental 

2.1. Plasma jet geometry 

An important issue for the operation of a plasma 

jet  is  its  geometry,  which  together  with  dielectric 

properties  of  the  substrate,  strongly  influences  the 

shape and the extension of generated plasma plume. 

Therefore,  depending  on  the  intended  application 

many  different  plasma  jet  configurations  have  been 

investigated.  Here,  we  report  the  effect  of  a  horn-

like jet nozzle, which allows extending plasma over 

larger area of the sample. This jet configuration was 

used for adhesion improvement of Al alloys and also 

for treatment of seeds.  

 

2.2. Plasma polymerization 

A three-electrode plasma jet configuration (one  

powered  electrode  and  two  grounded)  was 

especially developed for deposition of polymer films 

at  atmospheric  pressure.  Argon  was  employed  as 

working  gas  for  plasma  generation.  Mixtures  of  air 

with  acetylene  or  hexamethyldisiloxane  (HMDSO) 

were  used  as  polymerizing  agents.  The  films  were 

deposited on glass substrates placed on an auxiliary 

grounded 

electrode 

and 

can 

be 

used 

as 

biocompatible coating or for corrosion protection. 

 

2.3. Plasma jet at the end of long plastic tube 

A crucial question in plasma medicine is how to 

deliver  active  plasma  species  to  tissues  or  organs 

inside  human  body.  Most  commercially  available 

plasma  sources  are  too  big  and  rigid  for  this 

purpose.  Here,  we  report  a  method  that  allows 

generation of cold plasma jet at the end of long (up 

to  few  meters),  flexible,  plastic  tube.  The  tube  can 

be held with hand without risk of electric shock and 

the plasma jet can be easily handled and directed to 

a  target.  Here,  we  will  describe  the  method  and 

present  some  results  of  surface  modification  of 

polymers.  Also,  in-vitro  experiments  for  microbial 

inactivation  using  APPJs  at  the  end  of  plastic  tube 

will be presented. Special attention will be given to 

plasma  treatment  of  biofilms  that  represent  major 

infection risk for medical gear in hospitals. 

 

2.4. Microbial inactivation in-vivo  

Finally,  we  will  report  some  results  of  in-vivo 

tests  performed  on  the  tongues  of  laboratory  rats 

that were experimentally infected with C. albicans. 

 

3. References 

[1]  J.  Winter,  R.  Brandenburg,  and  K.-D. 

Weltmann, Plasma Sources Sci. Technol. 24 (2015) 

064001. 

[2]  H.  Tanaka  and  M.  Hori,  J.  Clin.  Biochem. 

Nutr. 60 (2017) 29. 

10 

16

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

 

 

Nanosecond pulsed discharges: generation, measurement  

and plasma processing 

 

U

T. Huiskamp

UP

1

P

, F.J.C.M. Beckers

1

, E.J.M. van Heesch

1

, W.F.L.M. Hoeben

P

1

P

  

and A.J.M. Pemen

1 

 

P

1

P

 Eindhoven University of Technology, Electrical Energy Systems Group, Department of Electrical Engineering, 

Eindhoven, The Netherlands ([e-mail]) 

 

In this contribution we report on our recent progress in generating and measuring nanosecond 

pulsed discharges for plasma processing applications. The nanosecond pulses are generated by a 

single-line pulse topology which is able to output 0.5-10-ns, positive and negative 0-50-kV pulses 

with a rise time of less than 200 ps at a pulse repetition rate of 1 kHz. With D-dot and B-dot 

sensors and spatiotemporal resolved iCCD imaging we monitor voltage and current waveforms and 

the development of the streamer discharge. In addition, we perform several plasma processing 

experiments. The results show extremely high yields in ozone generation and NO removal. A 

general conclusions is that the  shortest rise time pulses result in the highest plasma processing 

yields and the highest streamer velocities. 

 

1. Introduction 

It has been known for some time that pulsed 

discharges result in high plasma processing  yields. 

In this project we developed (sub)nanosecond 

pulsed power technology to explore this further. 

 

2. Technology 

The nanosecond  pulse technology consists of an 

adjustable, microsecond charged, pulse forming 

line,  switched by a fast oil spark gap,  that outputs 

0.5-10 ns, ±0-50-kV pulses with  an adjustable rise 

time with a minimum of less than 200 ps  (example 

in Fig. 1)  [1].  In addition, we developed high-

frequency D-dot and B-dot sensors to measure the 

(sub)ns pulses [2]. 

 

Fig. 1 Example waveforms of the ns pulse source. 

 

3. Transient plasma interaction 

In this topic we first  studied  the energy transfer 

from the pulse source to the highly dynamic plasma 

load with the result that we can achieve a very high 

energy transfer (over 90 %) [3]. Second, we studied 

the development of the streamer discharges in the 

plasma reactor with spatiotemporally resolved iCCD 

imaging  [4]. The conclusion from the imaging 

results is that the development of the streamers is a 

complex interaction of the  length of the plasma 

reactor and the local voltage in the reactor as a result 

of the propagation and attenuation of the very short 

nanosecond pulses.