On phenomena in ionized gases

1. Introduction 

Austenite  stainless  steel  is  widely  used  for  food 

processing equipments and chemical plants due to its 

good  corrosion  resistance.  However,  this  steel  does 

not  have  high  hardness  and  wear  resistance. 

Therefore, the wider application has been limited. To 

overcome  the  shortcoming,  studies  to  form  S  phase 

on austenite surface has been carried out all over the 

world  [1].  S  phase  is  austenite  phase  that  contains 

dense  nitrogen.  This  phase  has  not  only  good 

corrosion  resistance  but  also  high  surface  hardness 

and wear resistance. 

We need remove the passivation film of stainless 

steel surface to diffuse nitrogen. This film is removed 

by  sputtering  in  low-pressure  plasma  nitriding.  On 

the 

other 

hand, 

We 

have 

developed 

atmospheric-pressure  plasma  nitriding  as  unique 

technology [2]. However, it is impossible to sputter it 

in  atmospheric-pressure  plasma.  Therefore,  we 

attempted the use of hydrogen to reduce passivation 

film to form the S phase by the atmospheric-pressure 

plasma. 

2. Experimental setup 

JIS SUS304 (25×25×5 mm

3

) was used as a sample. 

A  ceramic  heater  was  used  to  control  treatment 

temperature to 425°C. N

2

/H

2

 mixed gas (N

2

 97%, H

2

 

3%) is used as the operating gas. The pulsed voltage 

of 5 kV and 21 kHz was applied to the inner electrode 

and  the  generated  jet  plume  is  sprayed  onto  the 

sample surface.

 

The duration is 2h. 

3. Results and discussions 

Metallographic structure of  sample  cross-section 

is  shown  in  Fig.  1.  The  thin  film  is  formed  on  the 

outermost surface. 

XRD patterns of sample surface is shown in Fig. 2. 

Here, r is the distance from irradiation center. S and γ 

indicate the S phase and the base metal, respectively. 

We can obviously see S from  r  =  0  to  12  mm.  The 

position of S shifts toward low 2θ with increasing r. 

This  indicates  that  nitrogen  concentration  increases 

with  r.

 

This  is  probably  attributed  to  that  surface 

temperature and diffusion coefficient decrease with r. 

Moreover, intensity of S decreases with increasing r. 

This  corresponds  to  that  thickness  of  S  phase 

decreases with r. Additionally, hardness test proved 

that surface hardness increases. 

In conclusion, we  succeeded in forming  S  phase 

by  atmospheric-pressure  plasma  for  the  first  time. 

This  indicates  that  reduction  of  passivation  film  by 

hydrogen is successful. 

This  work  was  supported  by  JSPS  KAKENHI 

Grant Number 15K17482. 

4. References 

[1] Y. Sun

 

et al., J. Mater. Sci. 34 (1999) 4793. 

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

(2013) 26. 

14 

 

Fig. 2 

XRD patterns of sample surface. 

 

Fig. 1 

Metallographic  structure  of  sample 

cross-section. 

169

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

 

 

Surface charge measurements on different dielectrics 

in diffuse and filamentary barrier discharges 

 

R. Tschiersch

1

, S. Nemschokmichal

1

, M. Bogaczyk

2

 and J. Meichsner

1

  

 

1

 Institute of Physics, University of Greifswald, 17489 Greifswald, Germany  

2

 Leibniz Institute for Plasma Science and Technology, 17489 Greifswald, Germany

 

 

The  presented  work  reports  on  the  successful  extension  of  the  surface  charge  diagnostics  via  the 

electro-optic Pockels effect of a bismuth silicon oxide (BSO) crystal to dielectrics used in common 

barrier discharge configurations, such as borosilicate glass, alumina and magnesia. The focus is on 

the  impact  of  these  dielectrics  on  the  diffuse  discharge  in  helium  due  to  different  secondary 

electron emission coefficients, and on the importance of the surface charge memory effect for the 

re-ignition behaviour of self-stabilized discharge filaments operated in helium-nitrogen mixtures. 

 

1. Introduction 

Previously,  we  reported  on  the  measurement  of 

surface  charges  in  barrier  discharges  (BDs)  using 

the electro-optic Pockels effect of a bismuth silicon 

oxide  (BSO)  crystal  [1,2].  It  was  shown  that  the 

surface charge morphology and dynamics determine 

the  re-ignition  behavior  of  the  discharge  and  its 

lateral appearance, known as surface memory effect. 

The  present  work  [3]  makes  this  powerful  method 

accessible  to  common  dielectrics,  e.g.,  borosilicate 

glass,  alumina  and  magnesia.  Fundamental  issues 

are  addressed  such  as  the  quantitative  evidence  of 

the  surface  memory  effect,  and  the  estimation  of 

SEE  coefficients  for  the  different  dielectrics  using 

Townsend’s criterion for the breakdown voltage. 

  

2. Discharge configuration and diagnostics 

The discharge is operated inside a plane-parallel 

electrode  configuration  shielded  by  dielectrics  on 

both sides to the gas gap of 3 mm. At the pressure of 

1  bar,  the  diffuse  glow-like  BD  is  driven  by  sine-

wave voltage in helium and self-stabilized discharge 

filaments  are  operated  by  square-wave  voltage  in 

helium  with  10  vol.%  nitrogen  admixture.  Surface 

charges are measured on borosilicate glass, alumina 

or magnesia covering the electro-optic BSO crystal. 

The  surface  charge  diagnostics  is  based  on  the 

change  in  polarization  of  light,  induced  by  surface 

charges on the BSO crystal and detected by a CCD 

camera. Additionally, current-voltage characteristics 

as  well  as  the  spatio-temporal  development  of  the 

optical emission from the discharge are measured. 

 

3. Selected results 

Figure 1 highlights the outstanding importance of 

the surface memory effect. In (a), a reduction of the 

feeding  voltage  amplitude  from  3.2  kV  to  2.2  kV 

causes  the  transition  from  arbitrary  distributed  to 

self-stabilized  discharge  filaments,  revealed  by  the 

averaged  surface  charge  density  distribution  σ(x,y). 

Each  surface charge spot significantly enhances the 

local  electric  field  across  the  gas  gap,  as  shown  in 

(b)  by  the  recalculated  gap  voltage  distribution  just 

before  the  breakdown.  At  the  surrounding  region, 

where  no  surface  charges  are  present,  the  gap 

voltage  amounts  to  1.6  kV.  However,  at  the  center 

of  the  surface  charge  spot,  the  gap  voltage  is  more 

than  1  kV  higher.  This  difference  in  gap  voltage 

distribution  explains  the  periodic  re-ignition  of  the 

discharge filaments at the same positions as well as 

the  loss  in  lateral  order  when  the  feeding  voltage 

amplitude exceeds about 3 kV. 

 

 

 

Fig. 1: (a) Surface charge density distribution σ(x,y) after 

the filamentary discharge breakdown for different feeding 

voltage  amplitudes  U

ext

,  and  (b)  gap  voltage  distribution 

U

gap

(x,y). Borosilicate glass on top of the BSO crystal. 

 

4. References 

[1] M Bogaczyk, R Wild, L Stollenwerk and H-E 

Wagner, J. Phys. D: Appl. Phys. 45 (2012) 465202 

[2] R Tschiersch, M Bogaczyk and H-E Wagner, 

J. Phys. D: Appl. Phys. 47 (2014) 365204 

[3]  R  Tschiersch,  S  Nemschokmichal,  M 

Bogaczyk and J Meichsner, J. Phys. D: Appl. Phys. 

50 (2017) 105207

 

Topic number 6 

170

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

 

 

Direct synthesis of hydrogenated graphene using decomposition  

of hydrocarbons in plasma jet 

 

R. Amirov, E. Isakaev, M. Shavelkina 

 

Joint Institute for High Temperatures of Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia  

 

The synthesis of hydrogenated graphene using a high current DC plasma torch has been 

investigated. In the experiment the hydrocarbons with the working gas (helium, argon, nitrogen) 

have been introduced into the plasma jet, wherein heating and decompositions of components 

occurred in the plasma jet followed by condensation of the synthesis product. Products have been 

characterized by X-ray photoelectron spectroscopy, field emission scanning electron microscopy 

and Raman spectroscopy. Thermal stability and phase composition of products were evaluated by 

thermogravimetry and differential scanning calorimetry. It was found that by varying the 

parameters it was possible to achieve hydrogen to carbon ratio in final product up to 1:4. 

 

1. Introduction 

As a derivative of graphene, graphane is a 

nonmagnetic semiconductor with an energy gap 

formed by 100% hydrogenation of graphene with 

stoichiometry CH. Graphane opens new possibilities 

for the use of carbon based materials in applications 

involving manipulation of electronic properties, 

thermal conductivity, hydrogen storage, and 

magnetization. Graphane usually prepared in two 

steps by hydrogenation of graphene that was 

synthesized before. 

2. Methods 

For the synthesis of hydrogenated graphene in 

one step a high current DC plasma torch was used. 

In the experiment the carbon precursors (propane-

butane, methane, acetylene) with the working gas 

(helium, argon, nitrogen) have been introduced into 

the plasma jet, wherein heating and decompositions 

of components occurred in the plasma jet followed 

by condensation of the synthesis product. The 

plasma torch electric power reached 40 kW. The 

main parameters were: varying pressure in the range 

from 150 to 730 Torr and gas flow rate. Products 

have been characterized by X-ray photoelectron 

spectroscopy, field emission scanning electron 

microscopy and Raman spectroscopy. Thermal 

stability and phase composition of products were 

evaluated by thermogravimetry and differential 

scanning calorimetry. Express - gravimetry (vario 

MICRO cube) method have been used to determine 

the elemental composition of synthesized product.  

3. Results 

Experimental results confirmed the possibility of 

hydrogenation of graphene in its synthesis. Figure 1 

shows a typical SEM image of hydrogenated 

graphene structures that are morphologically 

identical to the structure obtained by the use of 

plasma afterglow [1]. Figure 2 presents Raman 

spectrum of the sample synthesized at 710 Torr 

using helium and propane-butane plasma. There are 

two characteristic peaks for graphane G (1581 cm

-1

) 

and 2D (2692 cm

-1

) [2]. D peak located at 1347 cm

-1

 

appearing in graphene due to violation of the 

translational symmetry of the sp2 C-C bonds due to 

the formation of sp3 C-H bonds. Analysis of 2D 

peak form shows that the synthesized graphene 

structures are double-layer.  

 

Figure 1.  SEM image of graphane 

 

Figure 2. Raman spectrum of hydrogenated graphene  

Direct method express - gravimetry found the 

ratio of the content of H:C in the samples. By 

varying the synthesis parameters it was possible to 

achieve hydrogen to carbon ratio up to 1:4.  

 

4. References 

[1] B Eren, D. Hug, L. Marot and et al. J. 

Nanotechnol. 3 (2012) 852.

 

[2] 

D.C. Elias, R.R. Nair, T.M.G. Mohiuddin 

and et al, Science, 323 (2009) 610.

 

15 

171

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

 

 

Transport Characteristics of Reactive Oxygen Species in Cell Membranes 

with Molecular Dynamics - Superposition Effect of Electric Field -  

 

R. Imai

1

, S. Uchida

1

, F. Tochikubo

1 

 

1

Graduate School of Science and Engineering, Tokyo Metropolitan University, Tokyo, Japan  

 

Reactive  oxygen  species  generated  by  plasma  irradiation  have  various  medical  effects  to  cell 

membranes.  Efficient  transport  of  reactive  oxygen  species  into  cells  are  essential  for  those 

appropriate  regulations.  Therefore,  we  focused  on  the  electric  field  superposition  effect  during 

plasma irradiation. In present work, transport behavior of reactive oxygen species under electric field 

application was simulated using classical molecular dynamics. The threshold of channel formation 

was 0.4 V/nm, which

 corresponded to the general breakdown of biological membranes

. The 

z-direction  diffusion  coefficient  of  reactive  oxygen  species  greatly  increased.  The  number  of 

hydroperoxy raidcals penetrated into the channel was larger than that of hydrogen peroxide since 

hydroperoxy radicals accumulate at the interface between water and lipid. 

 

1. Introduction 

Recently,  some  stabilization  techniques  of 

atmospheric  pressure  non-equilibrium  plasma  have 

been established. Therefore, plasma medical science 

is rapidly developing as a new research field. In the 

field, it has been found that reactive oxygen species 

(ROS)  generated  by  above  plasma  are  important 

factors  of  various  medical  effects.  However, 

polarized  ROS  have  no  significant  membrane 

permeability  [1].  We  focused  on  the  superposition 

effect  of  applied  electric  field  during  plasma 

irradiation.  The  similar  process  to  electroporation 

would  form  water  channels  in  cell  membranes  and 

promote  the  transport  of  ROS.  In  the  present  work, 

the  deformation  of  cell  membrane  by  electric  field 

application  was  modeled  with  classical  molecular 

dynamics.  The  influence  of  electric  field  on  the 

diffusion coefficient of ROS was also discussed.  

 

2. Analytical Method 

In the  present  analysis,  dipalmitoylphosphatidyl- 

choline (DPPC) was selected as typical phospholipid 

of cell membranes. The analytical membrane model 

was  constructed  with  128  DPPC  and  3655  water 

molecules. 

We 

adopted 

force 

fields 

of 

GROMOS43A1-S3 [2] for lipid and SPC for water, 

respectively.  30  molecules  of  hydrogen  peroxide 

(H

2

O

2

), hydroperoxy radical (HO

2

) or singlet oxygen 

(

1

O

2

) were also involved in the membrane model. At 

first,  we  equilibrated  the  pressure,  density  and 

temperature of system as to be 1.05 bar, 1000 kg/m

3

, 

and 

323 

K 

using 

Parrinello-Rahman 

and 

Nose-Hoover  methods.  Then,  we  performed  MD 

simulations  of  20  ns  using  a  general  software 

GROMACS 5.1.2. The strength of electric field was 

varied from 0.1 to 0.5 V/nm. The time step was set to 

2.0 fs.  

3. Results and Discussion 

With respect to the electric filed strength, it was 

found that the threshold of channel formation was 0.4 

V/nm. This value almost corresponded to the general 

breakdown  of  cell  membranes.  For  example,  Fig.  1 

shows the transport dynamics of H

2

O

2

 at 0.5 V/nm. In 

this case, the channel formation time was 6.15 ns. As 

is  shown  in  table  1,  the  z-direction  diffusion 

coefficient averaged during 1 ns was 230 μm

2

/s after 

channel formation. In comparison with the diffusion 

coefficient  at  non-electric  field,  it  is  clear  that  the 

membrane permeability of H

2

O

2

 was improved by the 

assistance of channel. On the other hand, HO

2

 easily 

accumulated at the interface between water and lipid 

[1].  Consequently,  most  of  HO

2

  around  membrane 

surface effectively flowed into the channel.  

 

 

Fig. 1. Transport dynamics of H

2

O

2 

 at 0.5 V/nm of electric 

field. The transient time is (a) 6.15 ns and (b) 6.75 ns. The 

right  window  of  each  figure  represents  only  water 

molecules with VDW display style.  

 

Table 1. Dependence of diffusion coefficient of ROS on 

electric field 

Insert 

0.5 V/nm [μm

2

/s] 

Non-electric field [μm

2

/s] 

H

2

O

2 

230 

1.8 

HO

2 

279 

6.2 

 

4. References 

[1]  R.  M.  Cordeiro,  Biochim.  Biophys.  Acta  1838 

(2014) 438-444 

[2]  S.  W.  Chiu,  S.  A.  Pandit,  H.  L.  Scott  and  E. 

Jalobsson, J. Phy. Chem. B 113 (2009) 2748

 

5 

172

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

 

 

A

 magnetized RF ion source for space propulsion applications 

 

L. Dubois

P

1

P

, F. Gaboriau

1

P

, L. Liard

1

1

P P

, J.P. Boeuf

1

 

 

P

1

P

 LAPLACE, Université de Toulouse, CNRS, INPT, UPS, 118 Route de Narbonne, 31062 Toulouse, France 

 

In  the  framework  of  an  innovative  double  stage  Hall  thruster  concept,  a  new  magnetized 

Inductively-Coupled Plasma (ICP) source with internal coil coupling is studied. The coil, inserted 

in a dielectric tube, is driven by a radiofrequency power supply. An internal magnet is  introduced 

in  the  coil  to  confine  the  plasma.  A  RF  compensated  Langmuir  probe  is used to measure plasma 

parameters such as ion densities, electron temperatures, and electron energy probability functions. 

A  parametric  study  is  conducted  by  varying  pressure  (from  0.5 mTorr to 10 mTorr) and coupled 

power (from 50W to 200W). A capacitive probe is designed to quantify the capacitive coupling by 

measuring the radiofrequency plasma potential. Then, a particular focus is placed on the effects of 

the power supply frequency variation.  

 

1. Issues of Hall thrusters 

Hall thrusters are plasma sources that are known 

to  deliver  high  ion  ejection  speed,  which  implies  a 

very high specific impulse. However, since the same 

electric field provides electron energy for ionization 

and  controls  ion  acceleration,  thrust  and  specific 

impulse are closely linked.  

In  the  next  generation  of  satellites,  electric 

propulsion will be used not only for orbit raising but 

also for station keeping. Thus, an important issue is 

to  design  versatile  thrusters  able  to  operate 

efficiently  at  high  thrust  and  moderate  specific 

impulse or high specific impulse and lower thrust. 

 

2. Toward a double stage Hall thruster 

The double stage Hall thruster concept allows to 

separate control of ionization and acceleration since 

ionization  is  provided  in  a  separate  plasma  source 

while  ion  acceleration  is  performed  through  a 

magnetic barrier, as in a standard Hall thruster.  

The concept of double stage itself raises practical 

and  fundamental  questions.  Putting  an  ion  source 

behind  a  magnetic  barrier  may  lead  to  ion losses at 

the  walls  or  large  plasma  instabilities  [1]. 

Preliminary  studies  show  that  ion  losses  and 

instabilities can be minimized if the plasmas source 

is  magnetically  confined  and  placed  as  close  as 

possible to the acceleration region. 

In view of this, we have designed a new concept 

of  double  stage  thruster.  The  ionization  stage  is  an 

ICP  source  with  a  coil  inserted  in  the  central 

cylinder  of  the  thruster  [2].  A  closed  magnetic 

circuit is included to confine the plasma and reduce 

wall  losses.  This  may  provide  a  lower  electron 

temperature and an increase of the electron density. 

A laboratory prototype based on this concept, called 

ID-Hall (Inductive Double-Stage Hall thruster) has 

been built and is being characterized.  

3. Characterization of the ion source  

Before  integrating  all  parts  of  the  system,  an 

overall  characterization  of  the  plasma  without  a 

closed magnetic circuit is presented. The first results 

were  obtained  working  with  Argon  using  a 

cylindrical  coil  driven  by  a  radiofrequency  power 

supply. An internal magnet was added to confine the 

plasma. We used a RF compensated Langmuir probe 

and a capacitive probe for the diagnostics.  

 

 

Fig.1: ICP magnetized plasma generated by the coil with 

internal magnet

 

In  this  presentation,  we  present  the  first  results 

regarding  the  electronic  densities,  temperatures, 

energy  probability  functions,  and  efficiency  of 

coupling.  The  pressure  was  varied  from  0.5  mTorr 

to  10  mTorr  and  the  coupled  power  from  50W  to 

200W.  The  influence  of  the  static  magnetic  field 

intensity  was  studied  in  addition  to  the  impact  of