On phenomena in ionized gases

References 

[1]  N.  Terayama,  J.  Plasma  Fusion  Res.,  87,  548 

(2011). 

[2]  A.  P.  Ehiasarian  et  al.,  Pure  and  Applied 

Chemistry, 82, 1247 (2010). 

 

1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800

0.3Pa

0.5Pa

1Pa

3Pa

Raman shift (cm

-1

)

Int

e

ns

it

y (

a

.u.)

 

Fig. 1. Raman spectra with various pressures. 

 

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

0

0.5

1

1.5

2

2.5

I

D

/I

G

pressure(Pa)

 

Fig. 2. I

D

/I

G

  as a function of pressure . 

Topic number 14   

221

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

 

 

 

Development of electric propulsion using ICR heating on TPD-Sheet IV  

 

M. Nishimura

P

1

P

, 

U

T. Takimoto

UP

1

P

, A. Tonegawa

P

1

P

, H. Horisawa

P

1

P P

, K. N. Sato

P

2

P P

, K. Kawamura

1

P

 

 

1

Tokai University, 4-1-1 Kitakaname, Hiratsuka, Kanagawa, Japan 

2

 

Chubu Electric Power Co. lnc., 20-1, Kitasekiyama, Ohdaka, Aichi, Japan 

 

The  electric  propulsion  using  an  ion  cyclotron  resonance  (ICR)  heating  on  our  experimental 

apparatus  TPD-Sheet  IV  has  been  developed  to  control  the  thrust  and  specific  impulse  by 

manipulating RF powers for plasma production and ion heating.  Ion acceleration  of high density 

sheet plasma (~10

18

 m

-3

) in divergent magnetic field by ICR is investigated.  The RF electrodes are 

made  of  two  parallel  plates.    The  ion  energy  in  the  perpendicular  direction  was  measured  by  a 

diamagnetic loop coil.  The experimental condition is helium gas and discharge current 30~50 A.  

Ion  energy  in  the  perpendicular  direction  of  the  magnetic  line  increased  by  the  ion-cyclotron 

resonance.  Also, ions were accelerated along the axis of the magnetic line by divergent magnetic 

field.   

 

1. Introduction 

An  electric  propulsion  system  is  one  of  the  key 

elements in future space exploration projects and has 

been  developed  for  various  space  missions. 

Development of a high power-density plasma thruster 

with a  higher specific  impulse  and  a  larger  thrust  is 

prerequisite  for  a  manned  interplanetary  space 

thruster  [1].  Development  of  Variable  Specific 

Impulse Magneto-plasma  Rocket (VASIMR) engine 

proposed by NASA's Dr. F. R. Chang Diaz et al has 

proceeded. In this system, the thrust and the specific 

thrust are controlled freely by manipulating in powers 

for  plasma  production  and  ion  heating  and  various 

engine operations according to the  mission situation 

can  be  realized.  [2].  The  ion  cyclotron  resonance 

heating  (ICRH)  causes  perpendicular  direction  ion 

heating, followed by the energy conversion from the 

perpendicular  to  parallel  direction  by  divergent 

magnetic  field.  In  the  steady  state  plasma, 

experimental  results  of  the  ion  heating  have  been 

reported  in  the  low-density  plasma  (~10

17

  m

-3

)  by 

ICRH [3]. 

In this study, experimental  of ion acceleration  of 

high-density  sheet  plasma  (~10

18

  m

-3

)  in  the  steady 

state by ICRH has been conducted on a linear plasma 

device  TPD-Sheet  IV.  Since  the  thickness  of  the 

plasma sheet is small, which is about twice of an ion 

Larmor  radius,  efficient  ion  heating  with  relatively 

lower powers by using ICRH can be expected. 

 

2. Experimental Setup 

Shown  in  Fig.1,  The  TPD-Sheet  IV  device 

consists  of  the  sheet  plasma  source,  magnetic  coils, 

radio-frequency  (RF)  heating  part,  a  measurement 

part,  end  chamber,  a  vacuum  exhaust.  With  a 

magnetic field power source (300 A, ~60 V) and nine 

coils,  maximum  magnetic  field  of  0.12  T  can  be 

generated  in  the  heating  region.  Various  magnetic 

field structures can be formed by using a small power 

source  (300  A,  ~10  V)  for  the  two  coils  at  z-axis 

direction end of the device.  

The RF applying circuit consists of the RF power 

supply,  a  matching  circuit  and  RF  electrodes.  The 

maximum output of the RF power supply is about 500 

W.  The  RF  electrodes  is  a  parallel  flat  plate  with  a 

width  of  60  mm  and  a  length  of  200  mm  and 

experiments  were  conducted  in  the  excitation 

frequency  range  of  200  to  600  kHz.

 

The  plasma  is 

sandwiched between the two parallel plate electrodes. 

The electron density and the electron temperature 

are measured by a fast scanning Langmuir probe.  The 

ion  temperature  T

i

⊥

  and  T

i//

  are  measured  by  the 

diamagnetic  loop  coil  and  a  Faraday  cup, 

respectively.  The thrust measured was conducted by 

a target pendulum [3]. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. References 

[1]

 

A. Ando, K. Takahashi, Y. Izawa, K. Suzuki, Y. 

Hoshino,  IEPC-2013-338,  33th  Int.  Electric 

Propulsion Conference (2013) 

[2]

 

A.  Ando,  JAXA  research  and  development 

report. JAXA-RR-09-003 (2010) 

[3]

 

T.  Iijima,  S.  Hagiwara,  Fusion  Science  and 

Technology. Vol.63, No. 1T, 417-419 (2013) 

17 

Fig.1. Schematic diagram of TPD-Sheet IV 

222

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

 

 

Development of a compact water-cooled surface wave plasma source  

for remote plasma processing 

  

H. J. You, W. I. Choo

P

 

 

P

Plasma Technology Research Center, National Fusion Research Institute, Gunsan, Republic of Korea  

P

 

 

A compact surface wave plasma source was newly developed for remote plasma processing such as 

chamber cleaning, dry etching(SiO

2

, Si

3

N

4

, Silicon), photoresist stripping(SU-8), and decapsulation 

of microchips. The source was designed to be compact but to have high flow rate plasma generation 

and  high  gas  decomposition  rate  so  that  it  could  bring  higher  radical  generation,  increased 

throughput, and uniform processing. In this presentation, we present results of microwave electric 

field simulations, and then we show experimental results on the source performances.  

 

1. Introduction 

As for cleaning process of  unwanted deposits on 

processing  chamber  wall  and  its  tooling,  the  most 

advanced  cleaning  method  is  so-called  “remote 

plasma source cleaning(RPSC)”. In the RPSC, input 

gases(i.e. NF

3

) are supplied to a remote plasma source 

where they are dissociated into constituent atoms(F, 

N, F

2

, and N

2

), then the active species transported to 

the  interior  of  the  processing  chamber.  The  first 

generation 

of 

remote 

plasma 

source 

was 

surfaguide-type  microwave  discharge  since  it  has 

wide range of operating pressure and high rate of gas 

dissociation.  However,  the  microwave  source  had 

some limitations on flow rate capability and hardware 

simplicity;  The  surfaguide  discharge  source  used  a 

dielectric  tube  as  a  discharge  chamber,  so  the  tube 

could not withstand some high level of plasma load. 

Also  due  to  bulky  set  of  supporting  microwave 

hardware(tuning  stubs,  circulator/dummy  load,  and 

large-size high voltage power supply, it was difficult 

to have simple configuration and smaller footprint.  

Therefore,  the  next  generation  of  microwave 

remote  plasma  source  should  have  higher  flow  rate 

capability  and  compactness,  which  allow  for 

extendibility  to  faster,  larger  cleaning  process  and 

reduced  complexity.  In  this  presentation,  a  new 

compact  microwave  plasma  source  sustained  by 

surface wave is introduced. We describe the design of 

the  source  and  show  the  results  of  microwave 

electromagnetic simulations. Further, results of NF3 

plasma  experiments  is  given  on  plasma  operation 

ranges and gas decomposition rates. 

 

2. A Water-cooled Surface Wave Plasma Source 

The  source  was  designed  to  be  compact  but  to 

generate  high  flow  rate  plasma  with  high  gas 

decomposition  so  that  it  could  result  higher  active 

species(radicals) 

generation 

and 

increased 

throughput.  The  above  features  were  accomplished 

by  an  efficient  microwave  coupling  and  a 

water-cooled plasma region. As shown in Fig. 1, the 

microwave  is  fed  by  WR340  waveguide.  High 

microwave  field  is  coupled  to  a  plasma  region  by  a  

coupling rod that is intruded into the wide side of the 

waveguide inner wall. Plasma is mainly generated in 

a conical crucible-type alumina chamber. The conical 

end of the plasma chamber is  made to be located in 

the opposite side of the waveguide and face with the 

coupling rod. The coupling rod is water cooled. The 

crucible  plasma  region  is  surrounded  by  an 

aluminium nitride(AlN) cover(shaped like a cap), and 

downstream plasma region is also by a tightly fitted 

aluminium(Al)  jacket.  Here,  both  surrounding 

structures  are  actively  cooled  by  water  again. 

Therefore,  inside  and  outside  of  the  waveguide,  the 

plasma chamber can be efficiently cooled by the AlN 

cover  and  the  Al  jacket,  respectively.  It  is  worth 

noting that the microwave coupled to plasma region 

does  not  meet  any  obstacles  like  cooling  media  as 

previous  surfaguide  sources  do.  This  is  why  the 

present source has efficient plasma generation. 

Coupling rod

Conical 

crucible-type 

alumina chamber

Input gas

(i.e. NF3 gas)

Water input

Water output

WR340 

waveguide

Downstream 

plasma chamber

Water cooled 

aluminum jacket

Output of 

Dissociated gases

(F, F2, N, N2)

Plasma

Water line

AlN cover

 

Fig.  1.  A  sectional  view  of  the  compact  water-cooled 

surface wave plasma source. 

It  was  found  that  the  generated  plasma  can  be 

sustained  from  1  kW  of  microwave  power  with  10 

slm NF

3

 gas. Typically, higher power gives brighter 

plasma generation and higher gas decomposition. The 

measured decomposition rate was ranged from 80 to 

99 % with 1-3 kW. 

9 

223

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

 

Retention and transmission of deuterium  

in tungsten on D-He mixture plasma 

 

T. Hayashi

1

, T. Takimoto

1

, A. Tonegawa

1

, Y. Matsumura

1

, K. N. Sato

2

, K. Kawamura

1

 

 

P

1

P

 Tokai University, 4-1-1, Kitakaname, Hiratsuka, Kanagawa, Japan

  

P

2

P

 Chubu Electric Power Co. Inc., 20-1, Kitasekiyama, Ohdaka, Aichi, Japan 

 

Effects of deuterium ‘(D) retention and transmission properties in the tungsten (W) material on D-He 

mixture plasma have been investigated on a linear plasma device TPD-Sheet IV. Used as sample is 

ITER grade tungsten. Titanium (Ti) target was placed on the back side of W target to investigate the 

retention and transmission properties.  The amount of D retention in W increases with increasing the 

pure  D  plasma  flux.    On  the  other  hand,  the  amount  of  D  retention  in  W  is  nearly  constant  with 

increasing the D-He plasma flux.  At the same time, the amount of the D retention in Ti increases with 

increasing the D-He plasma flux. It was found that the incident flux of D-He mixture plasma effects on 

the transmission of D in W. 

 

1. Introduction 

Tungsten  (W)  was  chosen  as  a  plasma-facing 

material  in  the  ITER  divertor  region  because  of  its 

high  melting  temperature,  high  thermal  conductivity 

and low sputtering erosion yield.  In the divertor, it is 

inflowing that hydrogen isotopes  as  fuel  particles  of 

unreacted besides helium ash.  In the inflow to come a 

lot of fuel particles, there is also a fuel particles that 

result  in  accumulated  and  occluded  in  diverter 

material  [1,  2].So  it  is  important  to  understand  the 

behavior  of  hydrogen  isotopes  in  tungsten  of  the 

divertor wall material.  

In  this  study,  we  have  performed  the  irradiation 

experiments  using  deuterium  and  helium  mixed 

plasma in order to investigate the effect of deuterium 

retention and  transmission  properties  in  the  tungsten 

material by helium. 

 

2. Experimental Setup 

The samples were exposed to plasma in the linear 

divertor plasma simulator TPD-Sheet IV at the Tokai 

University.  Either  D  plasmas,  or  He  mixed  D  (D  + 

He) plasmas was used. Samples were positioned at the 

end  of  the  plasma  column.  Used  as  sample  is  ITER 

grade  tungsten  in  the  form  of  square  plate  with  the 

thickness  1mm,  was  annealed  to  adjust  the  crystal 

grain  boundaries.  The  deuterium  transmission 

property of the tungsten material was investigated by 

the  titanium  plate  which  is  mounted  behind  the 

tungsten  as  deuterium  storage  materials.  The  ion 

density in the D-He mixture plasma was measured by 

the omegatron mass analyzer.  

 

3. Experimental Results 

The retention property of deuterium with regards to 

the ion density ratio of helium is investigated. 

 When 

the gas flow rate of the helium is increased, amount of 

deuterium in tungsten did not change and the amount 

of deuterium in titanium increased.  

The retention property of deuterium with regards to 

incident  flux  is  shown  in  Fig.  1.  The  amount  of  D 

retention  in  W  increases  with  increasing  the  pure  D 

plasma  flux.    On  the  other  hand,  the  amount  of  D 

retention in W is nearly constant  with  increasing  the 

D-He plasma flux.  At the same time, the amount of 

the D  retention  in  titanium  increases  with  increasing 

the D-He plasma flux.  It was found that the incident 

flux  of  D-He  mixture  plasma  effects  on  the 

transmission of deuterium in tungsten.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig. 1. Retention property of D

2

 regarding incident flux 

 

References 

 [1] J. P. Roszell, et al., Journal of Nuclear Materials, 

438 (2013) S1084-S1087. 

[2]  R.  Causey,  et  al.,  Journal  of  Nuclear  Materials, 

266-269 (1999) 467-471.

 

 

3 

224

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

 

 

 

Antibacterial and non-fouling Cu/C:F nanocomposites  deposited onto 

poly(ether-ether-ketone) folis 

 

A. Kuzminova

1

, J. Kratochvíl

1,2

, O. Kylián

1

, H. Langhansová

2

, J. Lieskovská

2

, J. Štěrba

2

,  

V. Straňák

2

, H. Biederman

1

  

 

1

 Charles University, Faculty of Mathematics and Physics, Prague, Czech Republic 

2

 University od South Bohemia in České Budějovice, Faculty of Science, České Budějovice, Czech Republic 

 

The  main  aim  of  this  study  was  investigation  of  antibacterial  and  biofouling  properties  of 

nanocomposites  based  on  Cu  nanoparticles  produced  by  means  of  gas  aggregation  source  of 

nanoparticles and embedded into hydrophobic fluorocarbon matrix deposited by low pressure  RF 

magnetron sputtering. All biological tests were performed on nanocomposite coatings deposited on 

poly(ether-ether-ketone) 

foils used as  substrate  material.  It is shown that such nanocomposites 

are  capable  to  reduce  by  5  orders  of  magnitude  amount  of  E.  Coli  bacteria  in  solution  within  6 

hours of incubation as well as to maintain limited osteoblasts adhesion.   

 

1. Introduction 

Nowadays,  polymers  are  applied  in  numerous 

ranges  of  industries  comprising  for  example  food 

packaging,  medicine,  aerospace  and  etc.  This  is 

connected  with  their  low  cost  and  favourable  bulk 

properties.  One  of  the  relatively  new  and  high-

performance  polymers  is  poly(ether-ether-ketone) 

(PEEK)  that  is  considered  as  promising  candidate 

for  replacing  metal implant  components.    However, 

similarly  to  other  common  polymers,  PEEK 

possesses  low  biocompatibility,  which  limits  its 

broader  use.  Because  of  this  various  methods  were 

investigated to improve its surface properties such as 

for instance plasma treatment performed with aim to 

tailor its surface energy and biofouling.  

Another issue that is in particular connected with 

body  implants  is  possible  colonization  of  their 

surfaces  by  bacteria  that  may  lead  to  the  formation 

of  highly  resistant  biofilms  and  onset  of  infections.  

One  possible  strategy  to  lower  probability  of  such 

undesirable  events  is  coating  of  implants  with 

antibacterial  films.  Probably  the  most  studied 

antibacterial  materials  are  the  ones  based  on  Ag 

nanoparticles.  However,  Ag  at  higher  doses  exhibit 

cytotoxicity  and  as  it  is  readily  accumulated  in 

aquatic  plants  and  animals  its  use  appeared  to 

represent  serious  environmental  concerns.  In  this 

study,  we  therefore  proposed  to  add  antibacterial 

properties  to  PEEK  foils  by  deposition  of 

nanocomposites  based  on  copper  nanoparticles 

(NPs)  embedded  into  a  hydrophobic  fluorocarbon 

matrix that in addition limits the adhesion of cells.   

 

2. Experimental 

Produced  coatings  had  two  layer  structure  (Fig. 

1).  PEEK  foils  were  initially  seeded  by  Cu  NPs 

deposited  by  a  gas  aggregation  source  of 

nanoparticles.  The  films  of  Cu  NPs  particles  were 

subsequently  overcoated  by  C:F  layer  deposited  by 

RF  magnetron  sputtering  of  PTFE  target.  The 

samples  were  characterised  from  the  point  of  view 

of  their  morphology  (AFM,  SEM),  chemical 

composition  (XPS)  as  well  as  with  respect  to  their 

biofouling and antibacterial activity. For the later E. 

Coli 

bacteria 

were 

selected 

as 

reference 

microorganism  and  the  biofouling  of  produced 

nanocomposites was tested using .osteoblast cells.  

 

Fig. 1.   Schematics of structure of prepared 

nanocomposites 

3. Results 

Biological  tests  showed  promising  antibacterial 

activity  of  prepared  Cu/C:F  nanocomposites  that 

caused progressive reduction of E. Coli bacteria with 

incubation  time.  Moreover,  it  was  found  that  both 

thickness  of  C:F  overcoat  layer  and  amount  of 

deposited  Cu  NPs  influence  kinetics  of  bacteria 

reduction:  the  decline  of  bacteria  count  was  more 

pronounced  with  increasing  amount  of  Cu  NPs  and 

decreasing thickness of the top C:F coatings. For the 

highest amount of Cu NPs and the smallest thickness 

of  matrix  material  in  the  nanocomposite  5-log 

reduction  of  bacteria  capable  to  form  colonies  was 

observed  after  6  hours  of  incubation  in  the  bacteria 

solution.  In  addition,  all  samples  showed  non-

fouling character.   

 

Acknowledgement 

This  work  was  supported  by  grant  GACR  16-

14024S  from  the  Grant  Agency  of  the  Czech 

Republic. 

17 

225

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

 

 

Electron collision cross section set of C

2

F

4

 gas 

 

S. Kawaguchi

1

, K. Takahashi

1

, and K. Satoh

1

 

 

1

 Muroran Institute of Technology, Muroran, Japan 

 

Electron collision cross section set of perfluoroethylene (C

2

F

4

) gas  is  proposed  in  this  work.  The 

proposed cross section set consists of an elastic  collision, two  kinds of  vibrational  excitation,  ten 

kinds of electronic excitation, ten kinds of ionization, and seven kinds of electron attachment cross 

sections.  Electron  transport  coefficients,  such  as  electron  drift  velocity,  effective  ionization 

coefficient, and longitudinal diffusion coefficient, in C

2

F

4

 gas and C

2

F

4

/Ar mixtures are calculated 

exactly  by  Monte  Carlo  simulation  using  the  proposed  cross  section  set,  and  those  calculated 

transport coefficients are found to agree well with measured data. This confirms the reliability of the 

proposed cross section set.