On phenomena in ionized gases

3. Summary 

Pressure  waves  were  detectable  with  the 

optical  wave  microphone  inside  the  plume  of 

plasma jets.  

 

 

4. References 

[1] F. Mitsugi, T. Nakamiya, Y. Sonoda, T. Kawasaki, 

IEEE Trans. Plasma Sci., 44 (2016) 2759. 

[2]  F.  Mitsugi,  S.  Kusumegi,  T.  Kawasaki,  T. 

Nakamiya, Y. Sonoda, IEEE Trans. Plasma Sci.,  44 

(2016) 3077. 

 

6 

212

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

 

 

Dusty plasma structures in gas- metal vapor mixtures 

 

M.K. Dosbolayev

1

, A.R. Abdirakhmanov

1

, T.S. Ramazanov

1

 and S.A. Maiorov

 2 

 

1

 IETP, al-Farabi Kazakh National University, 71, al-Farabi av., Almaty, 050040, Kazakhstan 

2

Prokhorov General Physics Institute, Russian Academy of Sciences, Vavilov st. 38, Moscow, 119991, Russia 

[e-mail]

  

 

In this paper the results of experimental study of the properties of the buffer and dusty plasma in 

mixtures of metal vapor and gas (Ar and He) are presented. Time characteristics (p=f(t); I=f(t)) of 

the  gas  discharge  were  obtained  and  analyzed.  In  addition,  number  of  features  of  combustion  of 

buffer discharge in a mixture of metal vapors and gas, and change of the properties of plasma-dust 

structures in it were identified. 

 

1. Introduction 

The  discharge  in  mixtures  of  metal  vapor  with 

inert  gases  is  commonly  used  in  various  practical 

applications:  to  create  pulsed  atomic  lasers  with 

high  temperature  active  element to create discharge 

light sources. 

Recently,  technologies  to  produce  nanoparticles 

from  condensed  metal  vapors  in  different  plasma 

environments  leading  to  the  formation  of  complex 

plasma are intensively tested. 

Thus,  there  are  two  types  of  plasma  of  complex 

composition. Firstly, discharge in mixtures of metal 

vapor with inert gases. In this case, during discharge 

metal  vapors do not agglomerate, and participate in 

the  form  of  individual  atoms  and  molecules.  Since 

the  metal  atoms  are  easily  ionized  compared  to  the 

atoms of the gas, it is easier to ionize gas-discharge 

medium.  Secondly,  the  metal  vapors,  for  example 

during  cathode  material  sputtering,  entering  the 

discharge  zone  of  the  cathode  agglomerate  and 

become  part  of  the  plasma  as  individual  charged 

nano- and micro particles. 

Effect 

of 

composition 

of 

gas 

on 

the 

characteristics 

of 

the 

dust 

formations 

was 

investigated  in  [1-3],  where  it  is  shown  that  the 

discharge  in  a  mixture  of  different  gases  leads  to  a 

very significant change in the characteristics of both 

electronic and ionic plasma components. Moreover, 

the  gas  discharge  characteristics  can  vary  greatly 

even at very low concentration of impurities. 

 

2. Results 

Experiments  were  carried  out  in  a  vertical 

discharge  tube  in  classic  version.  The  procedure  of 

the  experiment  is  as  follows:  the  discharge  tube  is 

filled with homogeneous gas and the initial value of 

pressure  is  set,  it  is  usually  p≈0.17  tor.  In  a  few 

minutes  discharge  is  ignited  (Fig.  1,  vertical  dotted 

line  on  the  left).  The  initial  value  of  the  discharge 

current is set so that during combustion of discharge 

cathode  material  is  sputtered.  This  is  evidenced  by 

increase  in  pressure  within  the  tube,  the  process 

continues  relatively  long  time  until  the  discharge is 

extinguished  (Fig.  1,  vertical  dotted  line  on  the 

right).  The  result  is  formation  of  discharge  in 

mixture of cathode metal vapors and gas. 

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

 

p

 I

t, s

p, tor

(Ar)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

I, mA

 

Figure  1.  Time  characteristics  of  the  gas  discharge 

(p=f(t); I=f(t)) 

 

So,  the  dust-plasma  formations  in  a  stratified 

glow  discharge  (first  striation  from  the  cathode)  in 

pure gas and in mixture of pure gas and metal vapor 

were  investigated.  For  characteristics  of  structural 

properties  of  dust  formations  pair  correlation 

functions were also obtained.       

 

3. References 

[1]

 

S.A.  Maiorov,  T.S.  Ramazanov,  K.N. 

Dzhumagulova, A.N. Jumabekov, M.K. Dosbolayev. 

Physics of Plasmas 15 (2008) 093701. 

[2]

 

T.S.  Ramazanov,  T.T.  Daniyarov,  S.A. 

Maiorov,  S.K.  Kodanova,  M.K.  Dosbolayev  and 

E.B.  Zhankarashev,  Contrib.  Plasma  Phys.  51, 

(2011) 505-508.

 

[3]

 

M.K.  Dosbolayev,  A.U.  Utegenov,  T.S. 

Ramazanov,  and  T.T.  Daniyarov,  Contrib.  Plasma 

Phys. 53, (2013),  426 –431.

 

213

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

 

 

Topic number 

STUDY OF PROCESSES OF DUST FORMATION IN TNER ON 

MODEL SET OF PULSED PLASMA ACCELERATOR 

 

M.K. Dosbolayev

1

, A.B. Tazhen

1

, A.U. Utegenov

1

, T.S. Ramazanov

1

 

 

1

 IETP, al-Farabi Kazakh National University, 71, al-Farabi av., Almaty, 050040, Kazakhstan 

 

In  this  work  the  results  of  the  experimental  investigation  of  dust  formation  after  interaction  of 

pulsed plasma flow with candidate material of thermonuclear reactor in PPA-30 are presented. Via 

Raman  spectrometer  it  was  revealed,  that  after  interaction  of  plasma,  the  surface  structure  of 

graphite  target  becomes  amorphous.  Also  in  this  experimental  work,  the  materials  with  fractal 

surface as in tokamaks, which was appeared by the erosion, were obtained. 

 

1. Introduction 

Since the eighties of the last century, an interest 

in  the  creation  of  controlled  thermonuclear  fusion 

reactors  with  magnetic  confinement  has  been 

actively  developing  for  domestic  and  industrial 

using.  Due  to  this,  tokamak  is  the  most  perspective 

device  for  its  implementation.  It  is  known,  that  the 

main 

problem 

of 

realization 

of 

controlled 

thermonuclear  fusion  is  the  dust  formation,  which 

appears  after  interaction  pulsed  plasma  flow  with 

the components of reactor, placed inside the vacuum 

chamber.  It  has  been  established  that  the  dust 

microparticles  form  layers  in  the  form  of  films, 

which  can  be  carried  out  of  the  chamber  and,  thus, 

be  distributed  in  other  systems  of  the  reactor. 

Thereby, the accumulation of dust and precipitation 

of film in the volume of reactor play a negative role. 

First  of  all,  it  leads  to  instability  of  combustion  of 

high  temperature  plasma  and  nucleation  of 

breakdowns, 

secondly, 

to 

the 

capture 

and 

accumulation of tritium, which is a problem for safe 

of  reactor  operation  and  its  economy  [1]. 

Composition  of  particles  includes  materials  of  the 

first  wall  and  other  internal  elements  of  structure, 

which  are  typically  graphite,  titanium,  tungsten, 

beryllium and steel.   

 

2. Results 

The  experiments  were  performed  on  a  plasma 

accelerator  PPA-30.  Device  consists  of  two  coaxial 

electrodes, separated by an insulator. To investigate 

the  dust  formation  after  irradiation  of  the  material 

with  pulsed  plasma  flow,  graphite  plate  was  used. 

After  the  collision  with  the  target  of  plasma  flow, 

formed dust particles collected by separate container 

for further analysis (Figure 1). Analysis showed that 

the  structure  of  obtained  particles  has  a  rough 

surface and the particle size varies in the range ~ 10-

45 micron.  

According  to  the  Raman  spectrum  [2]  it  was 

revealed 

that 

the 

graphite 

surface 

is 

an 

inhomogeneous.  The  Raman  spectrum  of  the 

defective area of the sample, which is characterized 

by  an  increase  in  the  peak  intensity  of  D,  the  total 

broadening of the peaks and the peak offset G in the 

high  frequency  region  with  a  value  of  1595  cm

-1

 

suggests a certain degree of amorphous structure.  

 

Figure 

1. 

Principle 

schematic  of  the  model 

experimental  set-up.  1-system  of  electrodes,  2-plasma 

flow, 3-graphite plate, 4-container of separate. 

 

3. Conclusion 

Experimental results of study of processes of the 

dust  formation  on  model  set  in  IETP  KazNU  are 

shown.  According  to  the  results  of  synergetic 

analysis of erosion products, it was found that after 

interacting  with  pulsed  plasma  flow,  the  target 

surface  becomes  amorphous,  which  indicated  the 

increasing  of  D  peak  in the Raman spectrum of the 

irradiated target.    

 

4. References 

[1]

 

J.C. Flanagan, M. Sertoli, M. Bacharis et al. 

Plasma  physics  and  controlled  fusion.  57  (2015) 

014037.  

[2]

 

J.R.  Ferrero,  K.  Nakamoto,  C.W.  Brown. 

Introductory  Raman  Spectroscopy.  Second  Edition. 

Elsevier (2003). 

 

 

 

 

214

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

 

 

Effect of accumulated charge desorption in atmospheric pressure dielectric 

barrier discharges 

 

H. Akashi and T. Yoshinaga

UP

 

 

P

Dept. of App. Phys., National Defense Academy, Yokosuka, Japan 

P

 

 

Recently,  atmospheric  dielectric  barrier  discharges  are  widely  applied  to  various  fields,  such  as 

ozone generation, surface modification and so on. In dielectric barrier discharges, there are many 

parameters which affect to plasma significantly, so less attentions on interaction between plasma 

and  dielectric  surfaces.  In  the  present  paper,  desorption  of  accumulated  charges  on  dielectric 

surfaces is considered in atmospheric pressure dielectric barrier discharges using two dimensional 

fluid model. It is found that the waveforms of discharge current and voltage are similar to the results 

of no desorption case, however, electrons and ions in the vicinity of the dielectrics significantly 

increase with consideration of desorption, such as low secondary electron emission condition.  

 

1. Introduction 

Recently, 

atmospheric 

dielectric 

barrier 

discharges  (DBDs)  are  widely  applied  to  various 

fields,  such  as  ozone  generation,  decomposition  of 

toxics, surface modification, medical sterilization and 

so on. However, in dielectric barrier discharges, there 

are  many  parameters  which  affect  to  plasma 

significantly,  such  as  dielectric  materials  and  its 

thicknesses,  geometries  of  electrodes,  gas,  gas 

pressure  and  gas  mixtures,  applied  voltage 

waveforms,  and  so  on.  Less  attentions  on  the 

interaction  between  plasma  and  dielectric  surfaces 

and have been almost neglected. Golubovskii et al [1], 

simulated 

Atmospheric 

Pressure 

Townsend 

Discharges  (APTG)  using  one  dimensional  fluid 

model. Recently, Itoh et al [2] also mentioned about 

desorption  from dielectrics  in DBDs. In the present 

paper,  desorption  of  accumulated  charges  on 

dielectric  surfaces  is  considered  in  atmospheric 

pressure  dielectric  barrier  discharges  using  two 

dimensional  fluid  model  [3,4]  and  the  effect  of 

desorption on DBD has been discussed. 

2. Simulation model and Results 

The  present  simulation  model  is  the  same  as 

ref.[3,4].  7.5kV  and  200kHz  sinusoidal  voltage  is 

applied to 760Torr Oxygen gas. Boundary condition 

at  x=0,  0.6cm  is  periodical.  And  charges  are 

accumulated on the dielectric surfaces. In the present 

paper, desorption from dielectric is considered. 

Figure  1  shows  the  one  cycle  averaged  spatial 

distributions  of  electron  densities  w/o  and  w/  the 

desorption  effect.  As  shown  in  the  figure*(a), 

electrons are locally generated and each high density 

regions consist of 5 filaments (streamers). However, 

with the considering desorption, high electron density 

regions  are  formed  widely  in  x  direction  in  the 

vicinity  of  the  dielectrics.  In  the  case  of  w/o 

desorption, electrons are recombine with ions on the 

dielectrics,  but  distributed  on  the  dielectrics 

uniformly.  In  the  case  of  w/  desorption,  the 

accumulated  electrons  uniformly  distributed  on  the 

dielectrics desorb gradually into the discharge space. 

As  a  result,  total  electron  density  in  the  discharge 

space becomes higher than conventional model. And 

only  two  kinds  of  streamers  can  be  obtained  with 

consideration  of  desorption  case  in  spite  of  three 

without consideration of desorption case. 

3. References 

[1] Y.B.Golubovskii, et al, J.Phys. D: Appl.Phys. 

Vol.35, pp.751-761 (2002)  

[2]  H.Itoh  et  al,  ESCAMPIG  XXIII,  Bratislava, 

Slovakia, p.192 (2016) 

[3] G.Takahashi and H.Akashi, IEEJ Trans. FM, 

Vol.131, No.3, pp.205-210 (2011) (in Japanese) 

[4]  G.Takahashi  and  H.Akashi,  IEEE  Trans.  PS, 

Vol.39, No.11, pp.234-235 (2011) 

 

Topic number 10

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.20

0.15

0.10

0.05

0.00

x (cm)

y (cm

)

0.0e+000

1.5e+011

3.0e+011

electron density(cm-3)

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.20

0.15

0.10

0.05

0.00

x (cm)

y (cm

)

0.0e+000

1.5e+011

3.0e+011

electron density (cm-3)

Fig.1. Spatial distributions of electron density

(one cycle average). (a) without consideration of 

desorption. (b) with consideration of desorption.

(a)

(b)

215

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

 

 

Investigation of compositions in plasma-irradiated buffer evoking 

TRP-channel mediated calcium response 

 

S. Sasaki

P

1

P

, Y. Zheng

P1

1

P

, M. Kanzaki

P

2

P

, T. Kaneko

1

 

 

P

1

P

 Department of Electronic Engineering, Tohoku University, Sendai, Japan  

P

2

P

 Department of Biomedical Engineering, Tohoku University, Sendai, Japan

 

 

Although  plasma  medicine  is  a  rapidly  emerging  field  and  medical  applications  using 

non-equilibrium atmospheric pressure plasma are promising, the interaction mechanism between the 

plasmas and living cells remains unclear. In order to enhance understandings of the interaction, we 

focused on transient receptor potential (TRP) channel(s) on cell membrane as biological targets of 

APP-produced reactive species and investigated the concentrations of hydrogen peroxide (H

2

O

2

) and 

the potency of the reactive species for evoking calcium responses through TRP channel.  The results 

suggest  that  the  precursor(s)  of  H

2

O

2

  may  be  responsible  for  the  APP-induced 

TRP-channel-mediated calcium responses. 

 

1. Introduction 

Plasma medicine is a rapidly emerging field, and a 

number  of  researchers  have  reported  innovative 

applications 

of 

non-equilibrium 

atmospheric 

pressure  plasma  (APP)  [1,  2].  While  the  fact  that 

reactive  species  are  key  components  of  APP  in  the 

plasma  medical  treatment  is  now  widely  accepted, 

the  interaction  mechanism  between  the  reactive 

species and living cells remains unclear. Because the 

first contact of the species with cells is considered to 

be just the membrane lipids or the membrane proteins, 

we  have  intensively  investigated  the  APP-induced 

changes in cell membrane transports.  

Thus, we experimentally showed that unclassified 

reactive  species  in  APP-irradiated  solution  can 

trigger  physiologically  relevant  Ca

2+

  influx  through 

transient receptor potential (TRP) channel(s) on cell 

membrane  [3].  However,  it  is  still  challenging  to 

specify the key species and the key member of TRP 

family.  Therefore,  we  tried  to  measure  the 

APP-produced  reactive  species  and  the  induced 

calcium response through TRP channels.  

 

2. Experimental Apparatus 

APP  was  generated  using  low  frequency  (LF) 

(frequency:  8  -  10  kHz,  voltage:  5  -  12  kV)  with 

Helium  gas  flow,  which  was  exposed  to  the 

biological buffer. The plasma-irradiated solution was 

put on a hot plate (37°C) for a retention time t

r

, and 

added  to  mouse  fibroblast  cells  3T3-L1  (indirect 

plasma  irradiation)  or  added  to  hydrogen  peroxide 

monitoring probe.  Real-time  changes  in  the  amount 

of  the  intracellular  calcium  ion  concentration 

([Ca

2+

]

i

) were obtained using a calcium indicator fluo 

4 and a confocal microscope.  

 

 

3. Experimental Results and Discussion 

Figure  1  shows  that  (a)  the  concentration  of 

hydrogen  peroxide  (H

2

O

2

)  in  plasma-irradiated 

solution at varying t

r

 and (b)time course of changes in 

the  average  [Ca

2+

]

i

  of  3T3-L1  cells  stimulated  with 

plasma-irradiated solution at t

r

 = 30 s, 300 s, and 600 

s.  The  concentration  of  H

2

O

2

  increased  but  the 

production  rate  decreased  with  time  after  APP 

irradiation,  which  indicating  that  APP-irradiated 

solution  gradually  lost  the  capacity  to  produce  the 

precursor  of  H

2

O

2

  with  time.  As  t

r

  increased,  the 

APP-induced  increase  in  [Ca

2+

]

i

  was  lower.  These 

results  suggest  that  the  precursor(s)  of  H

2

O

2

  is 

responsible  for  the  APP-induced  calcium  response. 

In  the  presentation,  I  will  show  the  result  on  the 

mechanism  of  not  only  calcium  responses  but  also 

other  membrane  transports  evoked  by  APP 

irradiation.  

 

 

[1]  G.  Fridman,  et  al.,  Plasma  Process.  Polym.  5 

(2008) 503. 

[2] S. Sasaki, et al.: J. Phys. D: Appl. Phys. 49 (2016) 

334002. 

[3] S. Sasaki, et al., Sci. Rep. 6 (2016) 25728. 

17 

(a) 

 

(b) 

 

Fig. 1. (a) The concentration of hydrogen peroxide (C

H2O2

) in 

plasma-irradiated  solution  at  varying  t

r

  and  (b)time  course  of 

changes in the average [Ca

2+

]

i

 of 3T3-L1 cells stimulated with 

plasma-irradiated

 

solution at t

r

 = 30 s, 300 s, and 600 s.  

0

100 200 300 400 500 600

0

10

20

30

40

50

t

r 

(s)

C

H

2

O

2

(

μ

M)

216

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

 

 

Comparative analysis of properties of helium and argon atmospheric 

pressure plasma jets  

 

Y.А. Ussenov

1,2

,  A.S. Pazyl

1

, A.K. Akildinova

1

, M.K. Dosbolayev

1,3

,  M.T. Gabdullin

1

,  

T. T. Daniyarov

1

, T.S. Ramazanov

1,3

 

 

1 

Al-Farabi  Kazakh  National University, NNLOT, Al-Farabi, 71, 050040, Almaty 

2

Institute of applied science and information technologies, Shashkina, 40/48, 050038, Almaty 

3

Al-Farabi Kazakh  National University, IETP, Al-Farabi, 71, 050040, Almaty 

 

 

This  paper  presents  the  results  of  studies  of  the  structure,  electrical,  optical  properties  and 

temperature of the atmospheric pressure plasma jet in noble gases, such as helium and argon. The 

length  and  shape  of  the  plasma  jet  at  different  gas  flow  rates  and  values  of  high  voltage  on  the 

discharge  electrodes  were  compared.  Dynamic  and  static  current-voltage  characteristics  on  the 

basis of the oscillograms were also analyzed. Discharge spectra were obtained by optical emission 

spectroscopy method and compared for He and Ar gases. Temperature of treating surface (cupper 

plate) measured by thermocouple at different values of gas flow rate.