On phenomena in ionized gases

Quantification of UV/VUV photon fluxes of hydrogen plasmas by 

spectroscopy and by collisional radiative modelling  

 

U. Fantz

1,2

, S. Briefi

2

, R. Friedl

2

, C. Fröhler

1

, D. Rauner

1

, D. Wünderlich

1

 

 

1

Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Boltzmannstr. 2, D-85748 Garching, Germany  

2

AG Experimentelle Plasmaphysik, Universität Augsburg, Universitätsstr. 1, D-86159 Augsburg, Germany

 

 

Photon fluxes are derived from absolutely calibrated UV/VUV spectroscopic measurements at a 

planar ICP discharge at 2 MHz in the pressure range of 1 Pa to 10 Pa. It is shown that the photon 

fluxes  are  comparable  or  even  slightly  higher  than  the  ion  fluxes  onto  a  surface  making  it 

necessary  to  consider  their  impact  for  surface  treatment  processes.  In  order  to  predict  photon 

fluxes  for  other  parameters,  collisional  radiative  modelling  is  used  taking  into  account  opacity 

effects  of  the  Lyman lines. For the molecules ro-vibrationally resolved Corona models are used 

for deriving photon fluxes in different wavelength regions. 

 

Hydrogen plasmas exhibit intense molecular and 

atomic radiation in the UV/VUV range. Besides the 

Lyman  lines,  the  resonant  Lyman  (B–X  transition) 

and  Werner  band  (C–X  transition)  of  the  molecule 

are most prominent in the wavelength region 90 nm 

to  170  nm,  partly  overlapping  each  other  [1].  The 

radiation  of  the  continuum  transition  (a–b)  in  the 

triplet system is less intense but ranges from 120 nm 

to  600  nm  with  its  maximum  around  200  nm.  In 

contrast to the radiation in the visible spectral range, 

the energy of the UV/VUV photons is much higher, 

ranging from several eV up to above ten eV.  Hence, 

UV/VUV  photon  fluxes  onto  surfaces  can  become 

relevant for controlling surface treatment processes.  

Previous  investigations  on  photon  fluxes  and 

radiant power of UV/VUV photons in hydrogen and 

nitrogen  plasmas  for  a  cylindrical  ICP  [1]  revealed 

that  about  20%  of  the  RF  power  delivered  by  the 

generator  is  radiated.  The  photon  fluxes  are  in  the 

range  of  5

10

20

  m

-2

s

-1

  and  thus  close  to  the  ion 

fluxes at the pressure of 3 Pa. 

The  present  investigations  focus  on  measure-

ments in a planar ICP at 2 MHz and power levels up 

to 1 kW allowing for studying photon fluxes in the 

pressure range from 1 Pa to 10 Pa.  Figure 1 shows 

that,  at  a  pressure  of  3  Pa,  the  photon  flux  in  the 

VUV is distributed between the L



 line, the Lyman 

band  (representing  photons  in  the  energy  range  of 

6.5 – 9.5 eV)  and  the  measured  interval  of  the 

Werner  band  (photon  energies  between  9.5 eV  and 

10.3 eV) with slightly decreasing contributions. The 

measured values are compared to calculations based 

either  on  the  collisional  radiative  model  for  the 

atoms (optically thin) or on ro-vibrationally resolved 

Corona models. 

 

Figure 1. Photon fluxes measured in an ICP discharge 

at 3 Pa and 700 W RF power. Predictions obtained from 

CR (optically thin) and Corona modelling are also shown. 

 

As the experiment is equipped with a RF phase-

resolved  voltage/-current  measurement,  the  power 

coupled to the plasma and thus the RF efficiency can 

be  quantified.  The  extension  of  the  pressure  range 

allows  studying  opacity  effects.  The  predictive 

modelling  capability  of  the  collisional  radiative 

models  can  be  checked  by  comparison  with 

measurements.  Furthermore,  the  ro-vibrational 

Corona model for prediction of photon fluxes of the 

Lyman band is extended by considering the cascades 

from the EF-state. 

Predictive  modelling  of  photon  fluxes  are 

presented as well for a variation of electron density 

and  temperature.  The  influence  of  the  degree  of 

dissociation is discussed.  

 

References 

[1] U. Fantz, S. Briefi, D. Rauner, D Wünderlich, 

Plasma Sources Sci. Technol. 25 (2016) 045006. 

 

Topic number: 8 

194

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

 

 

Radial and temporal density profiles of Ar(1s

5

) metastables 

in a nanosecond pulsed plasma jet impinging on different dielectric surfaces 

 

K. Gazeli

P

1

P

, 

U

G. Bauville

UP

1

P

, M. Fleury

P

1

P

, O. Neveu

P

1

P

, P. Jeanney

1

, S. Pasquiers

1

, J. Santos Sousa

1

 

 

1

P

 LPGP, CNRS, Univ. Paris-Sud, Université Paris-Saclay, 91405 Orsay, France 

 

We  report  on  the  radial-temporal  distribution  of  Ar(1s

5

)  absolute  density  in  a  cold  nanosecond 

pulsed  plasma  jet  impinging  on  ungrounded  flat  surfaces  of  different  dielectric  constants.  The 

plasma was produced in the form of Guided Streamers (GSs) propagating through the argon gas 

channel at velocities of some 100s of km/s, reaching the surface in some 10s of ns and spreading 

on  it.  The  influence of  each  surface on  the  Ar(1s

5

)  absolute  density  radial  and  temporal  profiles 

and  on  the  GSs  optical  characteristics  was  evaluated  for  two  gas  flow  rates,  300  and  400 sccm 

(standard cubic centimetres per minute). At these conditions, a diffuse discharge was established in 

contrast with the free-jet case (no target). This allowed reliable quantification of the Ar(1s

5

) radial 

density by means of a TDLAS setup and Abel-inverted profiles of the Ar(1s

5

) transversal density. 

 

1. Introduction 

Atmospheric Pressure Plasma Jets (APPJs) in the 

form of Guided Streamers (GSs) [1,2] are sources of 

abundant  (re)active  species,  among  which,  various 

metastables.  Metastables  preserve  their  energies  for 

relatively  long  time,  contributing  this  way  to  the 

plasma  reactivity,  which  is  important  for  various 

applications.  To  map  their  absolute  densities  in  He 

APPJs, 

Tunable 

Diode 

Laser 

Absorption 

Spectroscopy  (TDLAS)  has  been  applied  [2]. 

Nonetheless,  for  Ar  APPJs  this  technique  must  be 

applied  wisely  due  to  their  filamentary  nature  in 

some  cases  [1].  This  work  is  devoted  to  the 

measurement  of  the  spatiotemporal  density  of 

Ar(1s

5

) metastables in an argon APPJ impinging on 

dielectric  flat  surfaces,  for  conditions  which  give  a 

diffuse  plasma,  allowing  a  precise  mapping  of  the 

absolute density in both axial and radial coordinates. 

 

2. Experimental setup and results 

A coaxial DBD reactor was employed to produce 

GSs in pure argon (flow rate range: 300−400 sccm) 

[1]. The reactor was driven by high voltage positive 

pulses  (6±0.06 kV,  224±3 ns  FWHM,  20 kHz).  The 

dielectric  targets  (floating  potential)  were  made  of 

glass  (e

r

≈4,  see  Figure  1)  and  alumina  (e

r

≈9),  and 

were  placed  5 mm  away  from  the  end  of  the 

reactor’s  tube.  At  these  conditions,  diffuse 

discharges  were  established,  allowing  reliable 

application  of  TDLAS  to  measure  the  spatial  (i.e., 

axial−z and transversal−y, see Figure 1(a)) and the 

temporal  (over  a  voltage  impulse)  distribution  of 

Ar(1s

5

).  This  was  achieved  by  tuning  the  laser’s 

wavelength  to  be  in  resonance  with  the  radiative 

transition  2p

9

−1s

5 

of  the  excited  Ar  at  811.531 nm. 

Emission spectroscopy and ICCD imaging were also 

performed.  The  reactor−target  system  was  mounted 

in µm-stages (z and y displacement). The absorption 

was  recorded  along  the  z-  and  y-axis  in  steps  of 

0.5 mm and 10 µm, respectively. 

 

 

Figure 1. (a) Argon APPJ impinging on a glass surface 

(the  laser  beam  in  the  TDLAS  setup  is  illustrated  in 

yellow)  (b)  ICCD  image  (3 ns  gate)  revealing  diffuse 

discharge features. 

 

The  presence  of  the  targets  allowed  the  formation 

of diffuse discharges (see Figure 1). The transversal 

absorption  profiles  appeared  well  symmetric  and 

reproducible.  Thus,  Abel  inversion  [2]  was 

performed to map radial absolute density profiles at 

different  z  positions.  Densities  of  some  10

14

 cm

–3

 

were  measured,  depending  on  the  gas  flow  rate, 

axial  position  and  target  material.  Besides,  the 

effective  lifetime  of  Ar(1s

5

)  varied  between  50  and 

400 ns,  also  depending  on  the  operating  condition. 

These  results  suggest  that  this  device  may  be 

employed  for  the  desorption  of  organic  molecules 

present in trace amounts on the studied surfaces [1]. 

  

3. References 

[1]  X.  Damany,  S.  Pasquiers,  N.  Blin-Simiand, 

G. Bauville, B. Bournonville, M. Fleury, P. Jeanney, 

J. Santos Sousa, Eur. Phys. J. Appl. Phys. 75 (2016) 

24713. 

[2] C. Douat, I. Kacem, N. Sadeghi, G. Bauville, 

M.  Fleury,  V.  Puech,  J.  Phys.  D.:  Appl.  Phys.  49 

(2016) 285204. 

Topic 10 

195

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

 

 

Microwave capillary discharge as way to influence biological objects 

 

A. G. Akopdzhanov

1

, K.V. Artemyev

2

., N .N. Bogachev

1,2

, A. M. Davydov

2

, I. Yu. Egorova

3

,  

N. G. Gusein-zade

1,2

, I. A. Kossyi

2

, N.L. Shimanowskii

1

  

 

P

1

P

 Medicobiologic faculyt, Pirogov Russian National Research Medical University (RNRMU), Moscow, Russia

 

P

2

P

 Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences (GPI RAS), Moscow, Russia 

3

State Science Institution National Research Institute of Veterinary Virology and Microbiology of Russian 

Academy of Agricultural Sciences, Moscow, Russia 

 

We have studied microwave capillary discharge influence on culture of healthy and tumor cells.

 

A 

experimental  setup  of    microwave  capillary  discharge  excite  have  been  made.  The  discharge 

influenced the cell cultures. We have shown the possibility of local effects of the plasma filament 

on  the  viability  of  live  cells  with  a  high  potential  therapy  for  primary  and  secondary  cancer 

formations.  We  used  the  culture  of  tumor  cells  Hela  and  prostate  cancer  and  cell  culture  of 

fibroblasts as objects of our research. The authors assume the use of standard chemotherapy with 

plasma  influence  to  increase  the  effectiveness  of  the  therapy  of  cancer  formations  by  rising  the 

permeability of cell membranes. 

 

We  have  studied  microwave  capillary  discharge 

influence on culture of healthy and tumor cells. The 

experimental  setup  scheme  of  microwave  capillary 

discharge  treatment  of  cell  cultures  is  presented  on 

fig. 1. We have used the coaxial waveguide with the 

shortened  central  electrode  (the  inner  conductor). 

The  inner  conductor  is  shorter  than  outer  electrode 

(conductor) (2). The central electrode is hollow and 

also serves as a gas pipeline. The outer electrode (2) 

is  grid  with  cells  which  size  provides  almost 

complete  shielding  of  the  microwave  radiation  and 

allows  the  discharge  monitoring  and  measurement 

of its parameters. The discharge (4) was excited in a 

quartz capillary (3) which has been tightly fitted on 

the  central  electrode.  The  inner  diameter  of  the 

quartz  capillary  is  d

c

=1-1.5  mm.  The  discharge 

influenced  the  cell  cultures.  Argon  was  used  as  a 

working  gas  in  our  experiments.  The  microwave 

radiation 

frequency 

was 

f=2.45 

GHz. 

The 

microwave  power  in  the  pulse  was  P=2  kW.  The 

pulse  duration  was  ranged  from  10  till  20  mcs  and 

the pulse repetition rate was 50 Hz.  

As  shown  in  [1,2]  the  plasma  torch  generated 

contracted  (diameter  200  µm)  plasmoid  (plasma 

filament)  with  electron  concentration  n

e

  =  10

16

-10

17

 

cm

-3

 in each pulse. The electron temperature was T

e

 

≈ 2 eV. 

We have shown the possibility of local effects of 

the plasma filament on the viability of live cells with 

a  high  potential  therapy  for  primary  and  secondary 

cancer  formations.  We  used  the  culture  of  tumor 

cells  Hela  and  prostate  cancer  and  cell  culture  of 

fibroblasts as objects of our research. MTT-test was 

used  to  evaluate  the  viability  of  cell  cultures.  The 

authors  assume  the  use  of  standard  chemotherapy 

with  plasma  influence  to  increase  the  effectiveness 

of  the  therapy  of  cancer  formations  by  rising  the 

permeability  of  cell  membranes.  This  study  is 

supported  by  Russian  Science  Foundation,  project 

number 17-19-01583. 

 

Fig 1. Scheme of experimental setup. 

 [1] S.I. Gritsinin, P.A. Gushchin, A.M. Davydov et 

al. Plasma Phys. Rep. (2013) 39: 644. 

[2]  S.I.  Gritsinin,  A.M.  Davydov,  I.A.  Kossyi, 

Plasma Phys. Rep. (2015) 41: 591.  

17 

196

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

 

 

Diffuse discharges in helium and air: role of fast secondary electrons  

 

N. Babaeva, D. Tereshonok, G. Naidis, E. Son 

 

Joint Institute for High Temperatures Russian Academy of Sciences, Izhorskaya 13, Moscow 125412, Russia 

 

We report on results from a computational investigation of nanosecond pulsed discharges in 

helium and air using a two-dimensional fluid and fluid-Monte  Carlo simulations. Essential 

difference between discharges initiated in helium and air is  observed. The diffuse discharge in 

helium is formed due to fast (but not runaway) secondary electrons as a result of ion bombardment 

of the cathode and Auger neutralization without any assumptions  on the critical role of runaway 

electrons. Energetic secondary electrons emitted from surfaces are treated by the kinetic Electron 

Monte Carlo Module with account for elastic, inelastic and super elastic collisions. Conventional 

fluid equations describe the bulk electrons with relatively low mean energy.  

 

1. Introduction 

Diffuse discharges in atmospheric pressure air, 

helium  and other gases in tube-to-plane gaps  are 

initiated by short  high-voltage pulses using cathodes 

of small radius of curvature.  The diffuse forms of 

such discharges are usually  attributed to gas pre-

ionization by runaway  electrons [1]. 

2. The model 

We computationally investigated the formation of 

nanosecond pulsed discharges in helium and air 

using a two-dimensional fluid and fluid-Monte Carlo 

simulations.  The model, nonPDPSIM, used in this 

paper  is discussed in Refs.  [2,3].  The discharge is 

ignited in a cylindrical chamber between a tubular 

and a plane electrode. The voltage pulse amplitude is 

120 kV and the pulse rise time is 1 ns. For air (O

2

+

 

ions dominate) the energy of  the beam of fast 

secondary electrons is 4 eV, for helium – 16 eV.  

3.Results 

The ionization sources S

MC

  produced by fast 

electrons and electron density  in the conventional 

streamer with account for fast electrons are shown in 

figure 1. Tracks of electron avalanches  in front of 

the streamer are clearly visible in figure 1b and 1e. 

These tracks follow the trajectories of sources S

MC

.  

In air only a  few avalanches produced by fast 

electrons are observed  which  do not overlap and 

thus cannot result in essential pre-ionization in the 

gap.  The resulting discharge is shown in Figure 1c. 

In helium multiple overlapping avalanches produced 

by fast electrons are observed  thus indicating the 

generation of the diffuse discharge.  The resulting 

electron density is shown in figure 1f.  

4.Acknowledgements 

The authors would like to thank Professor Mark J. 

Kushner for the elegant Electron Monte Carlo 

Module.  This work is supported by the Russian 

Science Foundation (Project Number 14-50-00124). 

 

 

Figure 1.  Ionization sources S

MC

  produced by beams of 

fast  secondary  electrons and resulting electron density in 

the evolving streamer shown for two time moments.  

(a,b,c) – air, (d,e,f) – helium. 

 

5. References 

[1]  T. Shao, C. Zhang, Z. Niu, P. Yan,V. F. 

Tarasenko, E. Kh. Baksht, I. D. Kostyrya, and V. 

Shutko, J. Appl. Phys.109 (2011) 083306. 

[2] N. Yu. Babaeva, D. V. Tereshonok, and G. V. 

Naidis,  Plasma Sources Sci. Technol.  25  (2016) 

044008.  

[3] M. J.  Kushner, J. Appl. Phys. 95  (2004) 846. 

 

Topic number 5 

197

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

 

 

Reactive fluxes and ion activation energy to particulates in air and on 

dielectric surfaces 

 

N. Babaeva 

 

Joint Institute for High Temperatures Russian Academy of Sciences, Izhorskaya 13/2, Moscow, 125412, Russia 

 

We report on a computational study of the intersection of plasma filaments in a dielectric barrier 

discharge with two small particulates suspended in air or residing on surfaces. The particulates are 

separated by a distant commensurate with the filament radius (140 

μm). The particulates residing 

on the substrate surface can be totally or partially enveloped by the sheath formed beneath the 

positive filament and the substrate.  Ion energies and fluxes incident on the particulate depend on 

dielectric properties of the underlying substrate material. Fluxes of photons, ions and radicals are 

recoded simultaneously with ion energy and angular distributions.  By varying the dielectric 

constant of the substrate the energies of ions and fluxes of radicals can be controlled. 

 

 

1. Introduction 

We study the ion energy and angular distributions 

incident on dielectric curved surfaces of particles 

resulting from the intersection of a DBD filament 

with small particulates-bacteria suspended in air or 

residing on surfaces. In this contribution, the model 

nonPDPSIM  is used [1,2].

 

The gas mixture is 

atmospheric-pressure humid air N

2

/O

2

/H

2

O  = 

79/20/1 at 300 K.  The ion energies are 

simultaneously recorded along with the fluxes of 

photons, ions and reactive oxygen species. 

2. Results and discussions 

We show that the relative location of the particle 

with respect to the filament axis determines the 

asymmetry of treatment on a short plasma time 

scale.  The particulates residing on the substrate can 

be partially or totally immersed in the sheath formed 

beneath the filament and the substrate.  If the size of 

the particle residing on surface is smaller or 

commensurate with the width of the sheath region 

(which is typically 15-20  µm), the sheath may 

partially envelope the particulate.  The  electric field 

in the sheath can accelerate ions to energies as high 

as a few tens of eV. However, these ions arrive to 

the surfaces with grazing angles. In addition, the 

sheath region is depleted by electrons and ions as 

compared to the bulk. This fact is often ignored 

while considering the bacteria treatment with 

positive filaments in DBDs.  

Ion and radical fluxes and ion energy and density 

incident onto the particulate may depend on 

dielectric constant of the underlying substrate 

materials  (figure 1).  By varying the dielectric 

constant of the substrate on which a particulate or 

bacteria reside the energies of ions and fluxes of 

radicals incident onto the surface can be controlled. 

 

 

 

 

 

 

Figure  1. Close-up of the filament  plasma (O

2

+

  ions 

density)  in vicinity of two  particulates  (20 µm diameter) 

suspended in air (a) and on the substrate surface with 

ε/ε

0

 

=4 (b) and  

ε/ε

0

 = 16 (c). 

Our investigation is  relevant to the field of 

plasma medicine wherein  the bacteria are treated for 

sterilization purposes. For this purpose, more study 

must be done on the size of particulate  totally or 

partially enveloped by the sheath [3]. 

The work is supported by the  Russian 

Foundation for Basic Research under Grant 17-

52-53044.