On phenomena in ionized gases

3. References 

[1] S. A. Norberg, E. Johnsen, M. J. Kushner, 

Plasma Sources Sci. Technol. 24 (2015) 035026. 

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

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

044008.  

[3]  N. Yu. Babaeva, Accepted for publication in 

Plasma Process. Polym. (2017).  

 

Topic number 14 

198

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

 

 

Surface Properties of Polymer Films obtained by Atmospheric Pressure 

Plasma Jet on SAE 1020 Steel 

 

L.L.G. Silva

P

1,2

P

, 

U

N.A. Ferraz

UP

1,2

P

, V. Prysiazhnyi

P

2

P

, K.G. Kostov

P

2

P

 

 

P

1

P

 Faculdade de Tecnologia de Pindamonhangaba – FATEC, Pindamonhangaba, SP, Brazil  

P

2

 Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá – FEG, Universidade Estadual Paulista – UNESP, 

Guaratinguetá, SP, Brazil,  

In  this  work  polymer  films  were  deposited  on  SAE  1020  steel  by  an  atmospheric  plasma  jet  system  using 

hexamethyldisiloxane  (HMDSO)  monomer  as  polymerizing  agent.  Several  experimental  parameters,  such  as, 

deposition  time,  deposition  mode  (continuous  deposition  and  deposition  alternated with surface activation) and 

voltage waveform were varied. A decrease of the water contact angle from 98° up to 28° was observed for the 

samples  without  and  with  deposited  film,  respectively.  As  evidenced  by  SEM  the  polymer  films  exhibited  a 

cauliflower  structure,  which  can  also  influence  the  surface  wettability.  The  results  of  electrochemical 

measurements  presented  a  slight  improvement  of  the  corrosion  potential  and  corrosion  current  density  of  SAE 

1020 steel after the HMDSO film deposition.

 

 

1. Introduction  

Nowadays  there  exist  several  methods  to  obtain 

polymer films for corrosion protection. However, in 

the  most  applications;  the  reactors  are  operated  at 

low  pressure,  which  requires  an  expensive  vacuum 

system.  Plasma  deposition  at  atmospheric  pressure 

has emerged as an alternative approach because it is 

economically 

favourable 

and 

environmentally 

friendly.  However,  still  there  are  few  studies  about 

atmospheric  plasma  deposition  on  the  metallic 

surface.  Lommatzsch  et  al.  grew  HMDSO  films  on 

aluminium by using atmospheric plasma jet [1]. This 

work  deals  with  the  study  of  plasma  jet  deposition 

of HMDSO films on SAE1020 steel. 

 

2. Experimental 

    

The plasma jet system consists of a 18.0mm-diam 

Pyrex tube terminating with a horn-like nozzle, HV 

electrode  placed  inside  it  and  a  grounded  electrode 

covered by glass table beneath the tube. Plasma was 

excited  by  an  AC  power  supply  operating  at  19.0 

kHz  and  voltage  amplitude  of  15.0  kVp-p.  The 

device was flushed with 1.0 L/min argon flow and a 

mixture  of  air/monomer  at  flow  rate  of  0.1  L/min 

was  introduced.  Samples  (12.5  mm  diameter  discs 

SAE 1020 steel) were exposed to plasma for 5 to 20 

min. at a nozzle-to-sample distance of 6 mm. 

 

3. Results and Discussion 

     The  water  contact  angle  decreased  from  98°  for 

the  uncoated  sample  up  to  28°  for  the  coated 

sample.  Therefore  the  HMDSO  film  deposition 

using  plasma  jet  led  to  a  hydrophilic  surface.  As 

evidenced  by  the  Fig.  1  the  film  consists  of 

cauliflower  structures  with  many  pores  that  allow 

spreading of the water drop. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 1: SEM image of HMDSO film (10,000 X) 

 

   

As  shown  in  the  figure  2  the  coated  sample 

presented  a  nobler  behavior  because  its  corrosion 

potential  is  more  positive  (-0,59V)  when  compared 

to the standard sample (-0,62V). The same behavior 

was  observed  in  the  open  circuit  potential  curves. 

The  coated  steel  sample  presented  a  corrosion 

current  density  of  about  1.5  x  10

-6

  A/cm²,  which  is 

slightly lower than the reference one. 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig. 2: 

Polarization curves of steel samples 

4. References 

[1]  U.  Lommatzsch,  J.  Ihde,  Plasma  Processes 

and Polymers. 6, (2009) 642. 

14 

 

 

199

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

 

 

Near-cathode layers of arc discharges and diffuse mode of current transfer 

to cathodes of vacuum arcs  

 

M. S. Benilov and L. G. Benilova 

 

P

Departamento de Física, FCEE, Universidade da Madeira, Largo do Município, 9000 Funchal, Portugal 

Instituto de Plasmas e Fusão Nuclear, Instituto Superior Técnico, Universidade de Lisboa, Lisboa, Portugal  

 

Analytical  results  on  integral  characteristics  of  near-cathode  arc  plasma  layers,  available  in  the 

literature for different limiting cases, are revisited and modified where appropriate. A complete set 

of ready-for-use formulas for the whole range of conditions relevant for both vacuum arcs and arcs 

burning in ambient gases is given. As an example, the formulas are applied to analysis of spotless 

attachments of vacuum arcs to cathodes made of lead or chromium.  

 

Under  typical conditions of arc discharges, both 

in  vacuum  and  ambient  gases,  the  ion  flux  to  the 

cathode  surface  is  generated  in  a  thin  near-cathode 

plasma  layer.  A  reasonably  accurate  description  of 

this  layer  is  of  primary  importance  for 

understanding  and  modelling  of  arc-cathode 

interaction,  which,  in  turn,  is  indispensable  for 

understanding  and  modelling  of  both  the  cathode 

and the arc on the whole. What is needed to this end 

in  the  first  place  are  not  detailed  distributions  of 

plasma parameters in near-cathode layers, but rather 

integral  characteristics  relevant  for  modelling  the 

arc-cathode  interaction.  In  order  to  facilitate 

practical 

applications, 

results 

on 

these 

characteristics should preferably be delivered in the 

form  of  analytical  formulas.  A  number  of  such 

formulas, 

derived 

under 

some 

or 

other 

approximations  by  means  of  different  integral 

models, are available in the literature. Note that the 

integral  models  used  in  the  derivation,  while  being 

simple,  adequately  reflect  the  most  important 

physical processes and are sufficiently accurate. 

The  aim  of  this  work  is  to  revisit  analytical 

results  on  relevant  integral  characteristics  of  near-

cathode  arc  layers  available  in  the  literature  for 

different  limiting  cases,  to  modify  these  results 

where appropriate, and to present a complete set of 

ready-for-use  formulas  for  the  whole  range  of 

conditions  relevant  for  both  vacuum  arcs  and  arcs 

burning in ambient gases. The most important such 

characteristics  are:  electric  field  at  the  cathode 

surface  (which  is  needed  for  evaluation  of  the 

electron  emission  current);  currents  of  ions  and 

plasma  electrons  reaching  the  cathode  surface;  and 

energy  and  momentum  delivered  to  the  cathode 

surface by the ion current, which play in important 

role  in  heating  of  the  cathode  to  temperatures 

sufficient  for  electron  emission  and  formation  of 

cathode jets and droplets.  

As an example, the derived formulas are applied 

to  analysis  of  spotless  attachments  of  vacuum  arcs 

to  cathodes  made  of  lead  or  chromium.  For  both 

metals,  the  usual  mechanism  of  current  transfer  to 

vacuum  arc  cathodes  cannot  sustain  current 

densities  of  the  order  of  10

5

-10

6

  A  m

-2

 observed in 

the  experiment.  The  reason  is  that  the  electrical 

power  deposited  into  the  electron  gas  in  the  near-

cathode space-charge sheath is too low.  

It  was  hypothesized  [1]  that  in  such  cases  the 

electrical  power  is  supplied  to  the  electron  gas 

primarily  in  the  bulk  plasma,  rather  than  in  the 

sheath,  and  a  high  level  of  electron  energy  at  the 

sheath edge is sustained by electron heat conduction 

from the bulk plasma. The density of current of ions 

diffusing  to  the  sheath  edge  from  the  quasi-neutral 

plasma  was  estimated  with  the  use  of  the  relation 

between  the  plasma  pressure  at  the  edge  of  the 

ionization  layer  and  the  equilibrium  vapour 

pressure, derived in this work. The obtained values 

are comparable to the experimental current density, 

which  supports  the  above  hypothesis  for  both  lead 

and chromium cathodes. The difference between the 

plasma  pressure  at  the  edge  of  the  ionization  layer 

and the equilibrium vapour pressure for the case of 

chromium cathode exceeds that for the case of lead 

cathode  by  about  a  factor  of  2  and  produces  a 

stronger  effect  over  the  ion  current.  Note  that  the 

latter effect was disregarded in the previous analysis 

of  spotless  arc  attachment  to  chromium  cathodes 

performed in [1]. 

This  work  was  supported  in  part  by  FCT  of 

Portugal 

through 

the 

project 

Pest-

OE/UID/FIS/50010/2013. 

 

References 

[1]  M.  S.  Benilov  and  L.  G.  Benilova,  IEEE 

Trans. Plasma Sci. (2015) 43, 2247-2252 

Topic 3 

200

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

 

 

Steady equilibrium co-rotating dust vortices in a streaming sheared plasma 

 

Modhuchandra Laishram

1

, Devendra Sharma

1

, and P. K. Kaw

1

 

 

P

1

P

 Institute for Plasma Research, Bhat, Gandhinagar, India, 382428

 

 

Highly  charged  micron  size  dust  particles  suspended  in  a  plasma  often  form  clouds  localized  by 

electrostatic  potential  non-uniformities  and  gravitational  field  [1].  Force  fields with nonvanishing 

curl  in  these  clouds  drive  self-organized  vortex  flow  motion  [2]  such  that  the  setup  replicates  a 

wide range of volumetrically driven bounded natural and complex flow systems. Addressing their 

viscous  fluid  like  regimes  using  2D  Navier-Stocks  model  allows  to  reveal  various  physical 

characteristics  of  a  variety  of  volumetrically  driven  bounded  flow  equilibria  and  highly  sheared 

vortex flows [3]. The 2D hydrodynamic formulation of the confined dust clouds and its nonlinear 

equilibrium  solutions  incorporating  finite  boundary  effect  shows  a  critical  transition  of  the 

boundary flow from the laminar to a boundary layer separated (BLS) nonlinear regime. The scaling 

of boundary layer width ∆r

3

 

∝ μ, uniquely dependent on the kinematic viscosity μ in linear regime 

turn into velocity dependent form ∆r

2

 (u

||

 /L

||

 ) 

∝ μ in the high Reynolds number nonlinear regime 

through  a  critical  kinematic  viscosity  μ*,  influencing  the  velocimetric  determination  of  the  dust 

viscosity  [4].  The  nonlinear  solutions  recover  development  of  vortex  scales  independent  of  finer 

structure  in  the  boundary.  The  transition  allows  formation  of  sequence  of  corotating  vortices 

separated  by  layers  of  high  shear  depending  on  varying  depth-to-width  called  the  aspect  ratio 

(L

z

/L

r

) of the dust confined domain. 

 

References 

[1] Manjit, Sharma, and Prabal,  Phys. of Plasma 

22 033703(2015). 

[2] Laishram, Sharma, and Kaw, Phys. of Plasma 

21 073703(2014). 

[3] Laishram, Sharma, and Kaw, Phys. Rev. E 91 

063110(2015). 

[4]  Laishram,  Sharma,  Prabal  and  Kaw,  Phys. 

Rev.  E**  Accepted,  Article  in  Press  (February-

2017). 

 

Topic number 12 

201

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

 

 

Gas temperature distribution in cathode fall region of hydrogen Grimm 

glow discharge  

 

M. Vasiljević

1

, G. Majstorović

2

 and N. M. Šišović

1

 

 

1

University of Belgrade, Faculty of Physics, 11001 Belgrade, P.O. Box 44, Serbia 

2

University of Defence, Military Academy, 11105 Belgrade, Pavla Jurišića Šturma 33, Serbia 

 

 

Optical emission spectroscopy technique is used to measure gas temperature distrubition in cathode 

fall (CF) region of an abnormal type glow discharge operating in hydrogen at low pressure. For the 

gas  temperature  estimation,  the  Q  branch  of  electronic  transition    d

3



u

-

,



'=0  a

3



g

+

, 



"=0 

(Fulcher- diagonal band)

 

is recorded and analyzed in the cathode fall region of  the Grimm type 

glow  discharge.  The  rotational  temperature  of  ground  vibrational  state  T

0

(n



,



)  determined  from 

the  rotational  population  density  distribution  in  an  excited  (n



,



)  vibrational  state  can  be 

considered as a valid estimation of the ground state rovibrational temperatutre i.e. H

2 

translational 

temperature T

tr

. 

 

1. Introduction 

Within the growing number of applications  original 

Grimm  design  glow  discharge  source  (GDS)  is 

successfully  used  as  an  excitation  source  for 

analytical spectroscopy of metal and alloy samples. 

The  knowledge  of  discharge  parameters  in  CF  

region  (the  electric  field  distribution,  excitation 

temperature,  translational  gas  temperature  T

tr

  of 

molecules  etc.)  is  of  particular  importance  for 

characterization of Grimm GDS. 

Here,  Fulcher-  diagonal  band  is  recorded  and 

analyzed  in  the  cathode  fall  region  of  glow 

discharge  in  hydrogen  for  the  gas  temperature 

mapping. 

 

2. Experimental 

A  detailed  description  of  a  modified  Grimm  GDS 

source  and  experimental  setup  is  given  in  [1].  The 

experiment  has  been  realized  in  hydrogen  (purity 

99.999%).  The  axial  intensity  distribution  of 

radiation is observed side-on through the anode slot. 

The  discharge  tube  was  translated  in  steps  

d=0.125  mm.  All  measurements  of  molecular 

spectra  are  performed  with  an  instrumental  profile 

very  close  to  Gaussian  with  full  width-at-half-

maximum  (FWHM)  of  0.014  nm  in  the  second 

diffraction  order.  Signals  from  thermoelectrically 

cooled CCD detector (2048 × 506 pixels, pixel size 

12 × 12 μm, -10 ºC) are collected and processed by 

PC. 

 

3. Results and discusion 

The  temperature  obtained  from  Q  branch  of  

Fulcher-  band  may  be  considered  as  the  most 

reliable for the temperature estimation, see details in 

Ref.  2.  The  Q  branch  lines  of  the  electronic 

transition  d

3



u

-

,



'  a

3



g

+

, 



"  (



'=



"=0)  are  well 

resolved  and  have  high  enough  intensities  in  the 

595-645 nm wavelength region. So, Boltzmann plot 

technique  is  used  for  evaluation  of  rotational 

temperature  T

rot 

(n',ν')  of  the  excited  state.  Within 

the  framework  of  model  discussed  in  [3],  the 

temperature  recalculated  for  the  ground  vibrational 

state  X

1

Σ

+

g

,



  =  0  is  two  times  larger  than  the 

rotational  temperature  of  excited  states  since  the 

rotational  constants  for  the upper and ground states 

are  (30.364  cm

−1

)  and  (60.853  cm

−1

),  respectively. 

The  results  obtained  for  gas  temperature  T

tr 

distribution  along  the  CF  region  are  presented  in 

Figure 1. 

 

Figure  1. The  axial distribution of gas  temperature of the 

H

2

  ground  state  X

1

Σ

+

g.

  Experimental  conditions: 

p = 4.5mbar; I = 13.4 mA; U= 775 V. 

4. References 

[1]  G.Lj.  Majstorović,  N.V.  Ivanović,  N.M. 

Šišović,  S.  Djurović,  N.  Konjević.  Plasma  Sources 

Sci Technol. 22 (2013) 045015. 

[2]  G.Lj.  Majstorović,  N.M.  Šišović,  N. 

Konjević.  Plasma  Sources  Sci  Technol.  16  (2007) 

750. 

[3] S.A. Astashkevich, M. Käning, E. Käning, N. 

V. Kokina, B.P. Lavrov, A. Ohl, J. Röpcke.  JQSRT 

56 (1996)725. 

6 

202

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

 

 

Plasma-surface interaction, blister formation and hydrogen retention on 

ITER relevant materials 

 

C. Quiros, G. Lombardi, J. Mougenot, M. Redolfi, K. Hassouni 

 

LSPM-CNRS Université Paris 13, Sorbonne Paris Cité, F-93490 Villetaneuse, France

 P

 

 

In  this  contribution we present a coupled approach diagnostics/modelling dealing with laboratory 

simulations of plasma-surface interactions in the frame of the ITER project. We made a focus on 

studying interaction between an hydrogen plasma and a surface of aluminum used as a surrogate to 

beryllium.  In  particular,  the  formation  kinetics  of  blisters  onto  the  surface  was  studied.  The 

corresponding  amount  of  hydrogen  which  diffused  and  is  trapped  in  the  material  was  quantified 

using a Molecular Rate Equation model. 

 

1. General

 

Plasma-wall  interactions  present  a  serious 

concern  in  existing  fusion  reactors.  Surface 

modification  of  PFC  (Plasma  Facing  Components), 

dust  formation  and  hydrogen  retention  are  some  of 

the  problems  that  have  to  be  resolved  before 

achieving sustainable nuclear fusion. Beryllium (Be) 

is has been chosen as a first wall material due to its 

high  thermal  conductivity,  low  neutron  activation, 

low  Z  and  its  affinity  to  oxygen.  However  it  is  a 

highly  toxic  material  and  it  has  to  be  handled  with 

great  caution.  As  proposed  by  [1,2]  aluminum  (Al) 

is a non-toxic proxy material to Be, which presents a 

similar  behavior  after  plasma  exposure.  Its  studies 

can therefore provide useful information that can be 

transposed  to  Be.  However,  their  hydrogen  isotope 

(HI)  retention  mechanisms  are  different.  In  this 

article,  experimental  and  model  results  are  first 

predicted  for  hydrogen  retention  and  blister 

formation  in  Al.  Next  a  numerical  comparison 

between Al and Be retention will be exposed.   

2. Experiments 

The  plasma  reactor  CASIMIR  (Chemical 

Ablation, 

Sputtering, 

Ionization, 

Multi-wall 

Interaction  and  Redeposition)  is  used  to  partially 

simulate  plasma  wall  interactions  processes.  This 

reactor  relies  on  the  ECR  (Electron  Cyclotron 

Resonance)  principle  to  produce  low  pressure  (10

3 

mbar)  and  high-density  plasmas  (10

11

  cm

-3

)  [3].  Al 

samples  were  exposed  to  hydrogen  plasma  at 

different fluences with a flux of ~ 1.7x10

20

 ions/m

2

s. 

After  6h  of  plasma  exposure,  corresponding  to  a 

fluence of ~3.6x10

24

 ions/m

2

, the Al surface shows a 

high  density  of  blisters  of  approximately  2.9x10

-4

 

blisters/µm  as  presented  in  Fig.1.  The  density  of 

blisters  doubles  after  the  sample  is  exposed  during 

12h.  The  cross  section  images  of  these  samples 

show  large  voids,  of  about  25-100  µm,  under  the 

blisters. These voids reach a depth of about 150 µm. 

There are also smaller voids, with a size of 1-5 µm, 

close to the surface of the sample.  

 

3. Modelling 

A macroscopic rate equations code has been used 

to  simulate  hydrogen  retention  in  materials  and 

bubble  formation  [4,5].  This  code  simulates  the 

depth  profile  of  hydrogen  isotopes,  the  hydrogen 

concentration  in  the  material  and  the  temperature 

distribution  in  the  exposed  material.  The  code  was 

initially  developed  to  simulate  HI  retention  in 

tungsten  (W),  however  it  has  been  extended  for  Al 

and  Be  and  used  to  simulate  the  plasma  conditions 

of  CASIMIR.  Three  types  of  traps  were  used  to 

simulate  the  experimental  results  on  Al:  vacancies, 

dislocations  and  bubbles.  This  numerical  approach 

has been extended to Be and some differences on HI 

retention with Al are presented.