On phenomena in ionized gases

Transport properties of hot dense plasmas 

 

S.K. Kodanova 

1

, T.S. Ramazanov 

1

, M.K. Issanova 

1

, E.E. Shokparbayeva 

1

 

 

1

IETP, Al-Farabi Kazakh National University, Almaty, Kazakhstan 

 

In  this  work  the  transport  properties  of  non-isothermal  dense  plasmas  were  studied.  Transport 

processes in dense plasmas were studied on the basis of the effective potentials using the Coulomb 

logarithm. These potentials take into consideration long-range multi-particle screening effects and 

short-range  quantum-mechanical  effects  in  two-temperature  plasmas.  The  obtained  results  were 

compared with the theoretical works of other authors and with the results of MD simulations. 

 

Investigation of transport properties of the dense 

plasma is a great importance for plasma physics, as 

well  as  for  the  problems  of  inertial  confinement 

fusion  (ICF),  warm  dense  matter  driven  by  heavy 

ion  beams  [1].  Experimental  investigation  of  dense 

nonideal  plasmas  based  on  using  of  a  shock  wave 

compression,  a  high-power  laser  and  an  ion 

accelerator devices [1-2].  

In  presented  work  transport  properties  of  hot  

dense,  non-isothermal  plasma  are  considered.  One 

of  the  important  values  describing  the  transport 

coefficients  of  deuterium-tritium  plasma  is  the 

Coulomb  logarithm.  The  Coulomb  logarithm  is 

obtained on the basis of effective potentials.  These 

interaction  potentials  take  into  consideration  long-

range  many  particle  screening  effects  as  well  as 

short-range quantum-mechanical effects [3]. 

The  Coulomb  logarithm  is  determined  by  the 

center of mass scattering angle 

c



 [4-5]: 

,

2

sin

1

max

0

2

2

bdb

b

b

c

























               (1) 

,

)

(

1

2

2

1

2

2

2

0



























r

b

E

r

r

dr

b

c

r

c







    (2) 

where 

2

2

1





m

E

c



  is  the  energy  of  the  center  of 

mass, 

)

(











m

m

m

m

m





 is the reduced mass 

of the particles of kinds α  and  β (electron and ion); 

)

(

2

2









m

e

Z

Z

b





,









,

max

min





b

b

    describes 

the 

minimum 

impact 

parameter, 

where 

is 

T

k

m

B







2







  is  the  thermal  de  Broglie 

wavelength. 

 

For  inertial  confinement  fusion  applications,  we 

have 

calculated 

diffusion 

and 

viscosity 

of 

deuterium-tritium  plasma  for  density 

3

5

cm

g





 

and  temperatures  ranging  from  2 to 

eV

10

using the 

Coulomb  Logarithm  based  on  effective  potentials. 

Fig.1  show  a  comparison  of  the  calculated  data  on 

diffusion  and  viscosity  in  a  DT  plasma  with  the 

theoretical results of other authors [6] such as finite-

temperature  Kohn-Sham  density-functional  theory 

molecular  dynamics  (QMD)  and  orbital-free 

molecular dynamics (OFMD). 

   

 (a) 

  

(b) 

Fig. 1. The diffusion (a) and viscosity (b) coefficients 

for the DT plasma as function of temperature. 

 

References 

[1]  V.E.  Fortov  et  al.  Physics-Uspekhi  51  (2) 

(2008). 

[2]  N.A.  Tahir  et  al.  Phys.  Plasmas  18  (2011) 

032704. 

[3]  T.S.  Ramazanov,  Zh.A.  Moldabekov,  M.T. 

Gabdullin. Phys.Rev. E 92 (20015) 023104. 

[4] 

M.K. 

Issanova, 

S.K. 

Kodanova, 

T.S. 

Ramazanov, et al. LPB 34 (2016) 457-466. 

[5]  T.S.  Ramazanov,  et  al.  Contrib.  Plasma  Phys.  

56 (5) (2016) 425-431. 

[6]

 J.D. Kress, J.S. Cohen, D.A. Horner, et al. Phys. 

Rev. E 82 (2010) 036404.

 

Topic number: 2 

235

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

 

 

 Effects of Air, N

2

, and CO

2

 Plasma Irradiation  

to Seeds of Radish Sprouts, Potato and Soybean 

  

Masaharu Shiratani, Thapanut Sarinont, Yosuke Wada, and Kazunori Koga 

 

P

Department of Electronics, Kyushu University, 744 Motooka, Nishi-ku, Fukuoka 819-0395, Japan 

 

We  compare  growth  enhancement  effects  of  air, N

2

, or CO

2

  plasma  irradiation  to  seeds  of  radish 

sprouts,  potato  and  soybean.  Air and CO

2

 plasma irradiation  in  a  short  duration  of  3  min lead to 

growth enhancement of plants in a long term for radish sprouts and potato. The maximum average 

length is 1.42 and 1.14 times as long as that of control for radish sprouts and potato, whereas the 

length  is  nearly  the  same  as  that  of  control  for  soybean.  N

2

  plasma  irradiation  shows  no  effects 

indicating reactive oxygen species are key species for the plant growth enhancement. 

 

1.  Introduction 

In recent years, a novel trend of plasma applications 

towards  biomedical  and  agricultural  areas  has 

spread wide, because

 

plasma can offer extracellular 

control  of  cell  division,  cell  growth,  and 

apoptosis.

1-6)

  Our  previous  study  shows,  for 

instance, that compared with non-treated seeds, air 

nonthermal  plasma  irradiated  seeds  lead  to  a 

11-percent  shorter  harvest  time,  a  56-percent 

increase  in  total  seed  weight,  and  a  39-percent 

increase in the number of seeds harvested from the 

grown plants.

5)

 In this study, we investigated effects 

of  plasma  irradiation  to  seeds  of  radish  sprouts, 

potato and soybean using  air, N

2

, or CO

2

 plasmas.  

 

2.  Experimental 

Experiments were carried out with a scalable DBD 

device  described  in  elsewhere.

5)

  The  discharge 

voltage and current were 9.2 kV and 0.2 A. Seeds of 

radish sprouts (R. sativus), potato (

S. tuberosum

) and 

soybean  (

G. max

)  were  employed  for  plasma 

irradiation. 10 seeds for each species were arranged 

at 3 mm below the electrodes in chamber filled with 

air, N

2

, or CO

2

. After 3 min plasma irradiation, the 

seeds were cultivated using a water tray for radish 

sprout and soybean, and  using soil for potato. The 

length of their stem was measured 7 days for beans 

and 30 days for potato and soybean after the onset 

of cultivation. 

 

 

3.  Results and discussion 

Table  1  shows  average  length  of  plants  7  days 

cultivation for Radish and soybean, and 30 days for 

Potato after 3 min plasma irradiation in dry air, N

2

 

and  CO

2

.  The  length  was  normalized  by  that  of 

control.. Radish sprouts has the maximum average 

length 1.42 times and 1.24 times longer than that of 

control  for  Air  and  CO

2

,  whereas  that  for  N

2

  is 

nearly  the  same  as  that  of  control.  CO

2

  plasma 

irradiation  to  soybean  brings  about  slight 

inactivation.  Average  length  of  Radish  and  Potato 

were significantly greater by Tukey test, P<0.1 with 

air  plasma  irradiation  than  that  control.  These 

results  clearly  show  that  each  species  has  its  own 

unique response to plasma irradiation. Because N

2

 

plasma  irradiation  shows  no  effects,  reactive 

oxygen species are key species for the plant growth 

enhancement. 

 

 

 Ambient gas species 

Plants 

Air 

N

2

 

CO

2

 

Radish 

142%* 

98% 

124%* 

Potato 

114%* 

106% 

108% 

Soybean 

96% 

102% 

84% 

 

Table 1.  Average length of plants 7 days cultivation 

for Radish and soybean, and 30 days for Potato after 3 

min plasma irradiation in dry air, N

2

 and CO

2

. The length 

was normalized by that of control. N=10, * : P<0.1. 

 

4.  Acknowledgements 

This  work  was  partly  supported  by  MEXT 

KAKENHI  Grant  Number  24108009  and  JSPS 

KAKENHI Grant Number 16H03895. 

 

5.  References 

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

(2008) 503. 

[2] S. Kitazaki, et al., Proc. IEEE TENCON (2010) 

1960. 

[3] S. Kitazaki, et al., Curr. Appl. Phys. 14 (2014) 

S149. 

[4] T. Sarinont, et al., Arch. Biochem. Biophys. 605 

(2016) 129. 

[5] K. Koga, et al.,

 

Appl. Phys. Express 9 (2016) 

016201. 

[6]  T.  Sarinont,  et  al.,  Matr.  Adv.  (2017)  doi.org/ 

10.1557/adv.2017.178. 

Topic Number 

236

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

 

 

Nitrization of graphite during its interaction with nitrogen 

plasma jet 

 

V.F. Chinnov, M.A. Sargsyan, D.I. Kavyrshin, A.V. Chistolinov 

 

PP

 Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia 

 

The  results  of  spectral  analysis  of  the  nitrogen  plasma  jet  and  graphite  surface  interaction  zone 

provide  quantitative  data  on  the  effect  of  the  surface  and  volumetric  graphite  nitrization  on  the 

component  composition  of  plasma.  The  analysis  was  conducted  with  spatial  and  temporal 

resolution  as  the  graphite  sample  was  heated  to  the  temperatures  of  2500  –  3000  K.  An 

experimental setup was designed and constructed that included a generator of high-enthalpy (H>20 

kJ/g) argon, nitrogen and air plasma jets with a diameter of 8-20 mm and a partitioned calorimeter 

that is designed to measure the heat fluxes in the plasma-sample interaction zone.  The measuring 

equipment used also included three high-speed video cameras, two fibre-optic spectrometers, one 

MS5204i 

spectrometer 

with 

a 

high-sensitivity 

matrix 

at 

its 

outlet.

 

1. Experimental set-up 

As  the  plasma  generator,  a  plasma  torch  with 

vortex stabilization and an expanding outlet channel 

is  used,  which  provides  a  high  flow  performance, 

efficient  heating  of  the  working  medium  and  low 

thermal  losses  into  a  water-cooled  surface  of  the 

anode. Broad research and technological capabilities 

of  such  plasma  torches  are  presented  in  [1].  The 

plasma  torch  with  an  expanding  output  electrode 

(anode) 6 or 10 mm diameter creates a downstream 

plasma jet with a temperature at the anode outlet of 

10000  –  15000  K,  which  is  defined  by  the  plasma 

forming gas (argon, nitrogen, air) and the current arc 

that  varies  in  100-400  A  range.  The  plasma  jet 

outflows into the air atmosphere at a rate defined by 

the plasma forming gas flow rate and plasma density 

at  the  nozzle  outlet.  Heat-resistant  sample  (in  this 

case  graphite)  is located on the plasma jet axis at a 

selected  distance  from  the  outlet  section  of  the 

plasma torch. The graphite sample has a cylindrical 

shape with the bottom flat surface being mounted on 

an uncooled tungsten rods 2mm in diameter.  

Spectral  systems  for  longitudinal  and  transverse 

scanning  of  the  plasma  jet  emission  enable 

continuous  monitoring  of  the  emission  spectra  with 

a  spatial  resolution  of  0.5  mm  throughout  the  tests. 

Monitoring  of  spatial-temporal  changes  of  plasma 

emission  spectra  is  performed  by  scanning  of  the 

plasma  jet’s  sharp  image  formed  by  lenses  using 

spectrometers’ fibre optic light guides. The detailed 

picture  of  changes  in  the  near-surface  region of the 

plasma  is  recorded  with  a  scale  of  1:1  on  the  high-

speed  camera  and  MS  5204i  spectrometer  with  an 

Andor  matrix  camera  at  the  spectrometer’s  outlet. 

The  Andor  camera  records  plasma’s  spectral 

intensity  distribution  along  the  vertical  z  axis  near 

the sample’s surface (0 – 5 mm above the sample’s  

 

surface) and thermal radiation  of the heated sample 

in the selected spectral range.  

 

2. Experimental results 

As  shown  by  a  comparison  of  the  experimental 

spectrum  with  the  model,  vibrational  and  rotational 

temperature of cyanogen drop when approaching the 

surface of the sample and the relative concentration 

of  cyanogen  increases  rapidly  (Table. 1). The latter 

is  probably  due  to the nitrization of the carbon that 

is  released  into  a  high-enthalpy  nitrogen  plasma 

stream  during  the  destruction  of  carbon  sample  in 

the  process  C+N→CN,  this  process  commences  at 

high  temperatures  in  both  the  gaseous  environment 

around  the  sample  and  on  the  sample’s  surface  [2, 

3].

  

Table 1. Temperatures and relative plasma component 

concentration above the investigated graphite sample 

Distance 

from the 

surface, 

mm 

Vibratio

nal 

temperat

ure, K 

Rotation

al 

temperat

ure, K 

Relative 

concentrat

ion of CN 

Relative 

concentrat

ion of 

N2+ 

2 

7800 

5500 

0,80 

0,20 

1 

7500 

5000 

0,87 

0,13 

0 

7000 

5000 

0,95 

0,05 

Another essential carbonaceous component that was 

observed  in  the  surface  region,  is  a  strong  spectral 

line C I 247,8 nm. 

 

3. References 

1.  E.Kh.  Isakaev,  O.A.  Sinkevich,  A.S.  Tyuftyaev 

and V.F. Chinnov, High Temp, 48 (2010) 97-125. 

2.  T.  Suzuki,  K  Fujita,  T.  Sakai.  J  Thermophysics 

Heat Tr., 24 3 (2010). 

3.  B.  Vancrayenest  and  Douglas  G.  Fletcher.  9th 

AIAA/ASME  Joint  Thermophysics  and  Heat 

Transfer Conference 2006,  

Topic number 6 

237

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

 

 

The movement of the optical inhomogeneities and the velocity of 

the plasma jet 

 

V.F. Chinnov, M.A. Sargsyan, M.Kh. Gadzhiev, D.I. Kavyrshin, M.A. Khromov 

 

Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia 

 

Movement  of  the  plasma  jets  during  transient  operation  flow  is  accompanied  by  a  large-scale 

turbulence, caused by twisting of the plasma flow needed to increase the resource life time of the 

cathode and the anode, the disruption of the boundary layer at the exit of the divergent nozzle of the 

plasma torch, the features of the current flow in the plasma jet and its binding to the electrodes, the 

roughness of the walls of the anode vortex channel, etc. When the plasma jet is registered by the 

video  camera  with  high  frequency  v  ≥  1∙10

4

  Hz  and  low  exposure  time  τ

e 

≤ 20  µs,  the “instant” 

structure of the turbulent flow can be obtained, with a typical size of turbulent moles of 5 – 10 mm, 

which is comparable to the radius of the jet. Therefore, in such flows the velocity measuring method 

could consist of measuring the velocity of plasma emission’s optical inhomogeneities that are caused 

by the turbulization of the jet. 

 

The  proposed  method  of  introducing  a  localized 

inhomogeneities in the plasma stream [1] consists of 

placing  in  the  desired  longitudinal  coordinate  along 

the diameter of plasma jet a source of plasma clumps, 

micro-  and  nanoparticles,  that  will  move  in  the 

plasma stream without slipping and that will have a 

different  luminous  intensity  when  compared  to  the 

surrounding environment. The plasma stream with a 

temperature 7000  – 8000 K that is generated by the 

plasma  torch  is  incident  on  the  rod  that  is  placed 

across  the  centre  of  the  plasma  stream.  The  formed 

sublimate  moves  away  from  the  rod  and  forms 

fragments  and  clumps  that  are  characterized  by  a 

bright  luminescence,  compact  form  and  their  weak 

change  over time  that  allows  to track  the  geometric 

centres  or  forefronts  of  these  clumps.  Optical 

inhomogeneities are recorded with one or two high-

speed cameras, which with the necessary field depth, 

the scale of M = 1:5 and spatial resolution of 30-59 

microns perform frame by frame video recording of 

the  extended  paraxial  region  of  the  stream  with  a 

frequency  of  (0.5-10)×10

4

  frames/s  and  selected 

exposure time τ

exp

 = 2-50 µs, which is determined by 

the luminosity of inhomogeneities and their velocity. 

The  velocity  of  these  clumps’  forefronts  was 

determined  by  the  scale  of  their  displacement  from 

frame to frame, and the time length between adjacent 

video frames τ=1/ν, where ν – the frame rate. 

Local  measurements  of  the  velocities  of  the 

microparticles that are ablated from the graphite rod’s 

surface  and  are  lying  in  the  center  plane  can  be 

accomplished by the synchronous illumination of this 

plane by “laser sheet” with a width of 1-1.5 mm and 

length of several diameters of the plasma jet, and front 

video registration of this plane. The pulse duration of 

a  repetitively  pulsed  laser  and  the  exposure  time  of 

the  camcorder  are  selected  in  accordance  with  the 

luminance and diffusing capacity of the particles and 

the speed of their movement. 

To test the effectiveness of this method a quantitative 

analysis was carried out on the results of high-speed 

video  recording  of  optical  inhomogeneities  in  the 

nitrogen plasma jet with a diameter of about 20 mm 

without the marker rod and with graphite, copper and 

tungsten rods with their diameters varying in 0.7 – 1.0 

mm range. The aggregate value of the velocity of the 

plasma’s “own” inhomogeneities and the velocity of 

inhomogeneities  introduced  by  the  rod  that  was 

placed  at  z  =  20  mm  in  the  zone  z 



30  mm  have 

similar values and show a reduction in the speed of 

the plasma jet as it propagates downstream from 160 

m/s at z=30 mm to 100 m/s at z = 70 mm.  

To  analyse  the  perturbing  influence  of  the  graphite 

sublimate  on  the  temperature  of  the  plasma  jet  a 

registration  of  the  plasma  emission  spectra  was 

performed at 1-2 mm downstream from the rod. 

The first results of the use of optical inhomogeneities 

introduced  into  the  stream  by  graphite  rods  for 

measuring  the  speed  of  the  plasma  jet,  show  the 

suitability of the proposed method and merit further 

development. 

 

The  work  was  partially  supported  by  Russian 

Foundation for Basic Research (№ 16-08-00323)  

 

 [1]  Russian  Federation  patent  application 

№2016150439, 

MPK9

 

G 01 P 5/20, (2016). 

 

Topic number 6 

238

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

 

 

 

 

 

Influence of humidity on formation of pulsed atmospheric pressure plasma 

streamers

 

 

N. Selaković

1

, J. Voráč

2

, N. Puač

1

, G. Malović

1

, P. Dvořák

2

 and Z. Lj. Petrović

1,3

 

 

1

 Institute of Physics, University of Belgrade, Pregrevica 118, 11080 Belgrade, Serbia 

 

2

 Department of Physical Electronics, Faculty of Science, Masaryk University, Kotlářská 2, Brno 611 37, 

 

Czech Republic

 

3

 Serbian Academy of Sciences, Knez Mihailova 35, 11000 Belgrade, Serbia

 

 

Atmospheric  pressure  plasma  jet  (APPJ)  falls  into  one  of  the  most  promising  non-equilibrium  low 

temperature plasma sources which are convenient for multiple applications. In order to achieve the best 

possible results in applications and explain the mechanisms that lead to the modification of the samples it 

is  necessary  to  perform  a  detailed  diagnostics  of  plasma  source.  Many  studies  showed  that  the  low-

frequency plasma jet's plume is made of fast pulsed atmospheric pressure plasma streamers (PAPS). In 

this  study  we  show  that  the  change  in  the  concentration  of  water  vapour  within  the  tube,  where  the 

feeding gas flows, significantly affect the formation of PAPS.

 

 

1. Introduction

 

The  expansion  of  low  temperature  atmospheric 

pressure  plasma  sources  used  in  the  treatment  of 

heat-sensitive samples carries step forward in future 

bio  technologies,  methods  of  healing,  etc.  These 

kind  of  plasmas  are  particularly  suitable  for 

treatment of the samples that do not tolerate vacuum 

and, more importantly, they produce a huge number 

of reactive chemical species in its composition.

 

We  have  designed  and  performed  detailed 

diagnostics  of  atmospheric  pressure  plasma  jet 

sources  with  several  types  of  electrode  geometries 

[1].  It  is  shown  that  the  formation  and  propagation 

of  PAPS  is  influenced  by  electrode  geometry,  but 

also  by  the  presence  of  the  water  vapour  in  the 

helium flow. The propagation of PAPS as a function 

of  humidity of  working  gas  was  observed  by  using 

an ICCD camera.

 

 

2. Experimental set-up

 

In  this  experiment  we  used  APPJ  [2]  that 

operates at 80 kHz and at 6.5 kV of applied voltage. 

We  have  used  transparent  PET  foils  coated  with 

indium  tin  oxide  as  the  powered  and  the  grounded 

electrode  (15 mm  wide).  The  electrodes  were 

wrapped  around  the  Pyrex  glass  tube  (O.D.  6 mm 

and  I.D. 4 mm). 

As  a  feeding  gas  we  have  used 

4 slm  of  helium  and  mixture  of  helium  and 

water 

vapour. 

To 

perform 

humidity 

measurements  within  the  flow  tube  we  set  up 

Vaisala  DMT143  dewpoint  transmitter  in  front 

of the glass tube. For PAPS evolution we set up 

the  ICCD  camera  that  recorded  the  discharge 

axially along the glass tube and the plume. 

 

3. Results

 

During  the  active  discharge  (water  vapour  not 

added in mixture) we noticed that the humidity 

measured  in  the  helium  flow  is  decreasing  and 

the  concentration  of  H

2

O  molecules  changes 

from 400 to 25 ppm

. Around 100 ppm of H

2

O we 

observe  shorter  range  of  PAPS. 

At  the 

concentration of 30 ppm PAPS starts to lose its 

original  shape  and  it  becomes  increasingly 

blurred.  At  concentration  of  about  20  ppm,  the 

PAPS  appear  blurred.  On  the  contrary,  a  high 

concentration  of  water  molecules  (above 

1000 ppm obtained with mixture of helium and 

water vapour) creates a saturated environment in 

which discharge starts to be quenched. 

 

This  research  has  been  supported  by  the  MESTD 

Serbia, project III41011 and ON171037 and 

project 

LO1411  (NPU  I)  funded  by  the  Ministry  of 

Education Youth and Sports of the Czech Republic

 

 

3. References

 

[1] N. Puač, D. Maletić, S. Lazović, G. Malović, 

A. Đorđević and Z. Lj. Petrović Appl Phys Lett. 101 

(2012) 24103 (2).

 

[2]  D.  Maletić,  N.  Puač,  N.  Selaković, 

S. Lazović,  G.  Malović,  A.  Đorđević  and 

Z. Lj. Petrović  Plasma  Sources  Sci.  Technol.  24 

(2015) 025006 (9pp).

 

10 

239

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