On phenomena in ionized gases

1. Introduction 

C

2

F

4

 gas has attracted attention as a substitution of 

CF

4

  and  c-C

4

F

8

  [1],  which  are  used  in  the  plasma 

etching of  SiO

2

 film and  have  high  global  warming 

potential. The electron collision cross section set of 

C

2

F

4

 gas was reported by Yoshida et al. [2] However, 

the  values  of  electron  drift  velocity,  longitudinal 

diffusion  coefficient,  and  effective  ionization 

coefficient  calculated  from  the  cross  section  set  do 

not  necessarily  agree  with  measured  data  [2,  3]. 

Three partial ionization cross sections are included in 

the  cross  section  set,  but  electron  attachment  cross 

sections  are  not.  Furthermore,  ten  kinds  of  partial 

ionization  [4] and six  kinds  of  dissociative  electron 

attachment cross sections [5], which are not included 

in Yoshida’s s set, have been reported, so that these 

partial cross sections must be considered to increase 

the accuracy of cross section set. 

In this work, detailed and reliable cross section set 

of C

2

F

4

 gas is proposed. The proposed cross section 

set includes the information on partial ionization and 

electron attachment cross sections obtained from the 

experiments [4, 5]. Electron transport coefficients in 

C

2

F

4

 gas and C

2

F

4

/Ar mixtures are calculated exactly 

by our Monte Carlo simulation [6] and the reliability 

of  the  proposed  cross  section  set  is  confirmed  by 

comparing the calculated transport coefficients with 

the measured data [2, 3]. 

2. Cross sections and simulation conditions 

The  proposed  cross  section  set  consists  of  an 

elastic collision q

el

, two vibrational excitation q

vib

, ten 

electronic excitaion q

ex

, ten ionization  q

i

, and seven 

electron attachment q

a

 cross sections. The shape of q

el

 

follows  the  data  measured  by  Panajotovic  et  al.  [7] 

For  q

vib

,  two  cross  sections  q

v1

  and  q

v2

,  whose 

threshold energies are respectively 0.12 eV and 0.23 

eV,  are  considered,  based  on  measured  electron 

energy loss spectra [7]. The shape of q

v1

 follows the 

integral cross section  reported  by Panajotovic  et  al. 

[7], and that of q

v2

 is estimated. For q

ex

, ten kinds of 

cross  sections  theoretically  calculated  by  Winstead 

and McKoy [8] are used, but q

ex

 for 

1

B

1u

(V) and the 

others  are  multiplied  by  factors  of  1.7  and  0.6, 

respectively. For q

i

, partial cross  sections  related  to 

the  generation  of  C

2

F

4

+

,  C

2

F

3

+

,  C

2

F

2

+

,  C

2

F

+

,  CF

3

+

, 

CF

2

+

, CF

+

, C

2

+

, C

+

, and F

+

 follow the data measured 

by Haaland and Jiao [4]. For electron attachment, the 

yield curves of F

-

, CF

-

, F

2

-

, CF

2

-

, CF

3

-

, and C

2

F

3

-

 by 

electron collision with a C

2

F

4

 molecule, measured by 

Illenberger et al. [5] are used as the shapes of q

a

, and 

those magnitudes are estimated. Furthermore, q

a

 for 

the  generation  of  C

2

F

4

-

  is  added  to  fit  calculated 

effective ionization coefficient to the measured data. 

For  simulating  the  behaviour  of  electrons  in 

C

2

F

4

/Ar  mixtures,  the  cross  section  set  of  Ar 

recommended by the institute of electrical engineers 

of Japan [9] is used, and electron collisions with C

2

F

4

 

or  Ar  molecules  are  only  considered.  Reported 

differential cross sections [7, 10] are used to simulate 

electron scattering after the elastic collision with the 

C

2

F

4

  molecule  exactly,  and  isotropic  electron 

scattering is assumed after the other collisions. 

3. Results and discussion 

The calculated values of electron drift velocity W, 

effective  ionization  coefficient,  and  longitudinal 

diffusion  coefficient  in  C

2

F

4

  gas  are  found  to  agree 

with  the  measured  data  [2,  3].  Furthermore,  good 

agreement  on  W  in  C

2

F

4

/Ar  mixtures  between 

calculated  and  measured  data  [3]  is  found.  This 

confirms the reliability of the proposed set. 

4. References 

 

[1]  S. Takahashi et al., Jpn. J. Appl. Phys. 44 (2005) L781. 

[2]  K. Yoshida et al., J. Appl. Phys. 91 (2002) 2637. 

[3]  A. N. Goyette et al., J. Chem. Phys. 114 (2001) 8932. 

[4]  P.  Haaland  and  C.  Jiao,  Air  Force  Research  Laboratory  Report, 

AFRL-PR-WP-TR-2001-2061 (2000). 

[5]  E. Illenberger et al., J. Chem. Phys. 103 (1995) 1406. 

[6]  S. Kawaguchi et al., Jpn. J. Appl. Phys. 55 (2016) 07LD03. 

[7]  R. Panajotovic et al., J. Chem. Phys. 121 (2004) 4559. 

[8]  C. Winstead and V. McKoy, J. Chem. Phys. 116 (2002) 1380. 

[9]  Y. Sakai, Appl. Phys. Surf. Sci. 192 (2002) 327. 

[10] C. Winstead and V. McKoy, J. Chem. Phys. 122 (2005) 23404. 

Topic number: 01 

226

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

 

 

 Dusty Plasma Manipulation via 

Driving Voltage Waveform Tailoring in an RF discharge 

 

N.Kh. Bastykova

1

, Z. Donko

2

, S.K. Kodanova

1

, T.S. Ramazanov

1

,  

Zh.A. Moldabekov

1

, M.K. Dosbolayev

1

 

 

 

1

 Institute of Experimental and Theoretical Physics, Al-Farabi Kazakh National University, Al-

Farabi 71, Almaty, 050040, Kazakhstan  

2

 Wigner Research Centre for Physics, Institute for Solid State Physics and Optics, Hungarian 

Academy of Sciences, Budapest 1525, Hungary 

 

The effect of the excitation waveform on the plasma properties and the equilibrium position of dust particles 

are investigated by using harmonic and alternating-phase waveforms that may as  well include an additional 

DC  component.  Considerable  changes  of  the  plasma  properties  (density,  temperature)  in  the  case  of 

alternating-phase waveforms are  found. The electron dynamics and the position of the dust particles can be 

controlled by the change of the driving voltage waveform and the specific electric field configuration allows 

controlling the position of dust particles in the plasma. 

 

1. Introduction 

The manipulation of dusty plasma properties is of 

great  interest  both  for  the  theoretical  understanding 

of  the  fundamental  characteristics  of  strongly 

coupled 

systems 

and 

for 

applications. 

A 

considerable  progress  has  been  made  on  the 

manipulation  of  dusty  plasmas  using  lasers  [1]–[2] 

and  via  modification  of  external  electric  and 

magnetic fields [3].  

2. PIC/MCC simulation results 

The  discharge  is  described  by  particle-in-cell 

simulation  incorporating  Monte  Carlo  treatment  of 

collision (PIC/MCC) processes [4]–[5].  

We  consider  the  following  types  of  driving 

voltage waveforms (see Fig. 1), with an amplitude of 

ϕ

0

 = 100 V:  

1) harmonic RF voltage excitation:  

ϕ(t) = ϕ

0 

sin[2π f

RF

t];  

2)  excitation  of  the  discharge  with  alternating 

phase  of  the  driving  voltage  with  an  additional  DC 

bias,  ϕ(t) = ϕ

0 

sin[2π f

RF

t  +  sin[2π(2 × f

RF

)t]]  +  ϕ

DC

, 

where  the  phase  of  the  RF  voltage  alternates  as 

sin[2π(2  ×  f

RF

)t],  and  ϕ

DC

  is  the  additional  dc 

voltage. 

In Fig. 2, the density profiles of the electrons and 

ions  are  shown  for  the  three  types  of  excitation 

waveform  considered.  The  alternating-phase  of  the  

driving  voltage  leads  to  an  increase  of  the  electron 

and  ion  densities  in  the  plasma  due  to  the  strong 

electron heating. The additional DC bias results in a 

decrease  of  the  peak  density  and  shifts  the  peak 

position of the density profiles toward the grounded 

electrode. 

Combination  of  the  two  methods  (the  phase 

modulation  and  additional  DC  bias)  gives  more 

flexibility in realizing a control of the spatial profiles 

of electron (ion) density (temperature) and the forces 

exerted on dust particles [6].  

 

Fig1. Plasma excitation waveforms 

 

Fig2. Ion (thick lines) and electron (thin lines) density 

profiles for the different excitation waveforms considered

. 

3. References 

[1] M. Bonitz, C. Henning, and D. Block, Rep. Prog. 

Phys., 73 (2010) 066501. 

[2]  V.  Nosenko  and  J.  Goree,  Phys.  Rev.  Lett.,  93 

(2015) 155004-1. 

[3]  E.  Thomas,  Jr.,  B.  Lynch,  U.  Konopka,  et  al, 

Phys. Plasmas, 22(2015) 030701. 

[4] Z. Donkó, Plasma Sour. Sci. Technol., 20 (2011) 

024001. 

[5] N. K. Bastykova, A. Zs. Kovács,  et al., Contrib. 

Plasma Phys., 55(2015)  671. 

[6]  N.Kh.  Bastykova,  Z.  Donkó,  S.K.  Kodanova,  et 

al IEEE Trans. Plasma Science, 44(2016) 545.

 

Topic number: 9   

227

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

 

 

Evidence of the paracetamol’s aromatic ring breaking 

thanks to a non-thermal plasma 

 

Y. Baloul

1

, C. Colas

2,3

, O. Aubry

1

, H. Rabat

1

, Benoit Maunit

2

, D. Hong

1 

 

P

1

P

 GREMI, UMR 7344 CNRS / Université d’Orléans, France 

P

2

P

 ICOA, UMR 7311 CNRS / Université d’Orléans, France 

3P

3

 CBM, UPR 4301 CNRS / Université d’Orléans, France 

 

This study deals with the treatment of drug residue in aqueous media by using non-thermal plasma 

which  may  generate  many  oxidizing  species,  such  as  O,  OH,  O

3

,  H

2

O

2

,  etc.  More  precisely, 

paracetamol  solution  was  treated  in  a  plasma  reactor  with  multiple  needle-to-plate  structure.  The 

treated  solution  was  analyzed  by  high  resolution  mass  spectrometry  which  allowed  to  determine 

with certainty several products, such as nitric acid and nitrate ion. But, further experiments, such as 

the use of labeled paracetamol, were necessary to identify other products like the dicarboxylic acid. 

The identification of this latter acid showed clearly that the non-thermal plasma enabled to break 

the paracetamol’s aromatic ring. 

 

The  advanced  oxidation  process  using  non-

thermal  plasma  (NTP)  is  a  promising  technique  for 

the  treatment  of  drug  residue  in  aqueous  media  [1-

2]. Indeed, many oxidizing species, such as O, OH, 

O

3

,  H

2

O

2

,  etc.  are  produced  by  the  NTP  depending 

on their experimental conditions. 

Our group works on the treatment of paracetamol 

(C

8

H

9

NO

2

) in an aqueous medium by a NTP created 

in a multiple needle-to-plate reactor [3] and obtained 

about full degradation of paracetamol under specific 

conditions  [4].  In  order  to  determine  the 

mechanisms of degradation, the treated solution was 

analyzed  by  high  resolution  mass  spectrometry 

(HRMS)  using  a  Q-TOF.  Several  products,  such  as 

nitric  acid  and  nitrate  ion,  were  easily  determined 

with  certainty,  while  others  required  further 

experiments 

as 

described 

partly 

in 

this 

communication. 

In  fact,  this  communication  reports  the 

identification  of  the  dicarboxylic  acid  in  treated 

solution, and so the evidence of the breaking of the 

aromatic  ring  of  paracetamol  by  the  NTP,  through 

the  investigation  of  the  chemical  species,  of 

molecular  mass  of  199.0481,  produced  during  the 

treatment. Indeed, the mass peak of high intensity at 

m/z  =  198.0413,  in  negative  mode  (figure  1), 

corresponds  to  the  ion  having  a  condensed  formula 

C

8

H

8

NO

5

-

.  A  multitude  of  skeletal  formulas  can 

match  the  above  condensed  formula,  but  by  taking 

into  account  the  structure  of  paracetamol,  only  two 

of  them  are  retained:  tetraphenol  which  is  an 

aromatic compound and dicarboxylic acid which has 

a  broken  aromatic  ring.  The  skeletal  formulas  of 

these  two  latter  spacies  are  shown  in  figure  2.  In 

order  to  prove  that  the  dicarboxylic  acid  was 

produced  by  plasma,  labeled  paracetamol  with  four 

Deuterium  on  aromatic  ring  was  used  during  the 

degradation by NTP and studies have been made by 

HRMS  and  tandem  MS  technique.  The  details  of 

these  investigations  will  be  presented  at  the 

conference. 

 

Figure 1. mass spectrum of a paracetamol solution 

treated by plasma. 

 

N

H

O

O

H

O

H

OH

OH

    

N

H

O

HOOC

HOOC

 

 

Figure 2. Tetraphenol and dicarboxylic acid skeletal 

formulas. 

References 

[1]  B.  R.  Locke,  M.  Sato,  P.  Sunka,  M,  R. 

Hoffmann,  J.  S.  Chang,  Ind,  Eng,  Chem,  Res, 

(2006), 45, 882–905 

[2] M. Magureanu, D. Piroi, N. B. Mandache, V. 

David, A. Medvedovici, C. Bradu, V. I. Parvulescu, 

Water Res, (2011), 45, 3407–3416 

[3] Y. Baloul, H. Rabat, D. Hong, S. Chuon, and 

O. Aubry, IJPEST, (2016), 10, 2, 102-107 

[4]  Y.  Baloul,  H.  Rabat,  C.  Colas,  B.  Maunit, 

O.Aubry, D. Hong, HAKONE XV, September 11

th

–

16

th

, 2016, Brno, Czech Republic 

17 

228

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

 

 

Combined electrical and optical diagnostics of surface discharges in high-

voltage systems  

 

R. Kozakov

1

P

, M. Bogaczyk

1

P

, S. Arumugam

2

, S. Gortschakow

1

P 

 

1

Leibniz Institute for Plasma Science and Technology, Greifswald, Germany 

2

University of Rostock, Rostock, Germany

 

 

Diagnostics  of  surface  discharges  in  power  apparatus  during  their  initial  stage  is  of  great 

importance for the electric power generation and delivery system. The typical rise times of a single 

discharge event are of sub-nanosecond scale and represent a challenging task for measurements of 

the current pulse form due to signal distortion through the measuring circuit. In contrast to this, the 

optical  signals  do  not  suffer  on  the  transmission  line  limitations  and  can  be  principally  used  for 

diagnostics.  This  work  focusses  on  the  precise  measurements  of  both  the  electric  current  of  an 

individual  discharge  and  of  its  optical  signal.  It  is  shown  that  optical  signals  carry  the  same 

information as conventional electric methods, like e.g. phase resolved partial discharge diagrams. 

 

1. Experimental setup 

Two  circular  glass  plates  covered  on  one  side 

with  transparent  conducting  ITO  layer  were  put 

together in a polyacrylics (PA) housing, as shown in 

Fig.  1.  The  gap  between  glass  and  PA  surfaces  is 

about  0.5  mm.  The  voltage  was  supplied by copper 

rings  contacted  with  the  ITO  layers.  One  is 

connected  with  the  grounded  electrode,  the  other 

one is connected to the high-voltage power supply. 

 

Figure 1: Experimental setup.  

 

 

Figure 2: Measured profiles of electric current (black) and 

optical signal (blue and red curves). 

Surface  discharges  could  be  observed  in  such 

arrangement,  when  a  high  voltage  was  applied  (16 

kV

pp

,  50  Hz).  The  electric  current  was  measured 

with a current transducer CT-1. Optical signals were 

recorded with the help of a photomultiplier (PMT). 

2.  Results  

Typical  measured  profiles  of the electric current 

and  optical  signal  of  a  single  discharge  pulse  are 

shown in Fig. 2. Three partially overlapping current 

pulses  of  a  typical  width  of  20-50  ns  can  be 

identified. The corresponding optical signal exhibits 

widths of about 100-200 ns. For each current pulse, 

the  apparent  charge  value  was  obtained  by 

integration of the measured profile. Similar quantity  

 

Figure 3: Correlation between charge transferred in single 

discharge and light intensity in the same discharge. 

was  calculated  for  optical  signals  by  integration  of 

the  profiles  resulting  in  intensity.  The  light 

intensity-charge  diagram  is  shown  in  Fig.3.  Here, 

the  electrical  signals  and  the  corresponding  optical 

emissions  of  4000  subsequent  current  pulses  were 

recorded  simultaneously.  Several  structures  were 

observed  in  this  diagram,  which  are  characteristics 

for this type of discharge. A further improvement in 

the  description  of  the  electric  current  by  an  optical 

signal  can  be  achieved  by  application  of  signal 

deconvolution  based  on  known  regularization 

algorithms (see red curve figure 2).

 

Acknowledgements 

The  work  was  supported  by  German  ministry  for 

Education and Research, grant FKZ 03SF0476. 

 

Topic #6 

229

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

 

 

 

Research on Active Species Production Mechanism of an Atmospheric 

He-Water Plasma Jet  

 

J.J Liu

P

1

P

, X.G. Wang

P

1

P

, Z.Z Zhuo

1

P

  

 

P

1

P

 Department of Mechanical and Electrical Engineering, Guangzhou University, 

 Guangzhou, Guangdong, 510006, P.R. China  

P

 

 

Abstract: The active species (OH, O and H

2

O

2

) in plasma play important role in bacterial killing and 

wound  healing.  Low  gas  temperature  of  plasma  is  another  requirement  while  treating  heat  labile 

tissue. A DBD structured He-H

2

O plasma jet can effectively produce OH and H

2

O

2

 with low gas 

temperature.  In  this  paper,  optical  emission  lines  in  plasma  jet  are  measured,  gas  temperature, 

vibrational temperature, electron density and electron temperature are deduced from these lines. In 

conjunction with 2D neutral gas and 1D fluid model simulation, the production and loss mechanism 

of  OH  (A-X)  is  electron  collisional  dissociation  and  OH+OH→H

2

O

2

  reaction.  Meanwhile,  H

2

O

2

 

production  in  saline  solution  indicates  that  the  highest  energy  efficiency  of  H

2

O

2

  production  is 

achieved with He/H

2

O plasma jet in bullet mode when water vapor concentration is 1200ppm.  

 

1. Introduction  

Atmospheric plasma has attracted lots of attention due 

to  its  wide  applications  in  bio-medicine,  material, 

environment  and  chemical  engineering.[1]  With  the 

development of plasma medicine, liquid-containing plasma 

can not only realize blood and tissue coagulation,

 necrotic 

tissue removal and kidney stone elimination [2] based on its 

physical effect, but also achieve low temperature treatment 

on  many  diseases,  such  as:  wound  healing,  chronic  and 

acute  injury,  cancer  and  tumour  [3]  due  to  its  excellent 

chemical function. 

Low  temperature  and  abundant  chemically  reactive 

species are two main requirements for plasmas treating heat 

labile materials (live tissue, organic materials etc). A DBD 

structured He/H

2

O plasma jet can effectively produce OH 

and  H

2

O

2

  with  low  gas  temperature.  At  present,  some 

possible  reactions  to  produce  OH(A)  and  H

2

O

2

  are 

concluded,  however,  the  main  mechanism  to  produce 

OH(A)/ H

2

O

2

 and the influence  of  plasma  working  mode 

and water vapour concentration on their generation are still 

not  clear.  It  is  generally  regarded  that  the  accurate 

measurements of electron density and electron temperature 

play key role on the analysis of reactive species production 

mechanism.  In  this  paper,  the  main  generation  and  loss 

mechanisms of OH(A) and H

2

O

2 

will be found out by both 

experimental measurements of time-spatial distribution of 

OH(A)  emission  intensity,  electron  density  and  electron 

temperature  and  neutral  gas/plasma  fluid  simulation  at 

different working modes and water vapor concentrations.