On phenomena in ionized gases

1. Introduction 

Controlled  electron  emission  in  vacuum  is  very 

interesting  for  applications  such  as  high  frequency 

amplifiers,  accelerators,  etc.  Most  of  the sources of 

electron  emission  are  localized  thermo-field 

emitters,  known  as  micro-protrusions  (MP), present 

on  the  surface  of  the  cathode.  The  electric  field  is 

locally  enhanced  at  the  MP  tip  where  initially  the 

cold  field-emission  occurs.  This  current  flowing 

along  the  MP  leads  to  the  MP  heating  by  the  Joule 

effect.  Consequently,  the  temperature  increases, 

facilitating  the  electron  emission  by  the  thermo-

ionic effect. If the temperature of the MP tip reaches 

the  melting  temperature,  the  cumulative  effects 

develop  thermo-emissive  instabilities  and  the 

breakdown  can  occur.  In  this  work,  we  present  the 

numerical analysis of the effect of the space charge 

on the electron emission and the breakdown voltage. 

 

2. Numerical model 

This  theoretical  work  focuses  on  the  description  of 

the electron emission of a field emitter. The problem 

is  reduced  to  a  2D  axisymmetric  time  dependent 

model.  The  electron  emission  is  given  on  the  MP 

surface  with  the  Murphy  and  Good  approximation 

[1].  The  MP  surface  temperature,  the  electric  field 

and  the  work  function  (φ=4.3  eV  for  titanium  (Ti)) 

are the  inputs of the  Murphy Good  model. The MP 

temperature  is  governed  by  the  Joule  heating  effect 

The  Joule  heating  effect  is  induced  by  the  current 

inside the MP. A complete description of this part of 

this  model  is  given  in  [3].  The  electric  field  is 

obtained  as  solution  of  Poisson  equation.  The 

electron  density  is  determined  from  the  mean 

number  of  emitted  electrons  filling  each  mesh 

during their flight. 

3. First results 

 

 

Fig.1. Electrical field (a), normal current density (b), 

and  temperature  (c)  at  the  surface  of  the  emission 

zone  of  a  titanium  elliptic  MP  for  V

cath 

=  -33.1  kV 

and d

gap

= 0.2

.

mm with and without space charge.  

 

For  V

cath 

=  -33.1  kV  and  d

gap 

=  0.2  mm,  Figure  1.a 

shows a decrease (9 % at the tip) of the electric field 

at  the  MP  surface  when  the  space  charge  is 

considered.  This  decrease  causes  a  reduction of the 

current  density  (2.5  times  lower  Fig  1.b) at the MP 

tip.  As  a  consequence,  the  Joule  effect  is  less 

important  and  the  temperature  at  the  surface 

decreases  as  well  (Fig  1.c).  Neglecting  the  space 

charge, the melting point (T

melting 

= 1930 K for Ti) is 

reached  whereas  with  the  space  charge  considered, 

the maximum tip temperature is only 1400 K. 

 

3. References 

   [1] E L Murphy et al. Phys. Rev.102 (1956) 1464 

   [2] W B Nottingham Phys. Rev.59 (1941) 906 

   [3]  B  Seznec  et  al.    J.  Phys.  D:  Appl.  Phys.  49 

(2016) 235502 

Topic number 

301

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

 

 

 The memory effect of pulsed plasma jets in He, Ar and N

2

 

 

M. van der Schans

P

1

P

, J.H. Savenije

1

, L.C. van Mouche

1

P

, M. van Ommeren

1

, R.G.J. Jongen

1

P

,  

W.L. IJzerman

1,2

 and S. Nijdam

1 

 

P

1

P

 Eindhoven University of Technology, Eindhoven, The Netherlands  

P

2

P

 Philips Lighting, Eindhoven, The Netherlands

 

 

When  an  atmospheric  pressure  plasma  jet  is  excited  by  pulsed  voltages  with  a  kHz-range repetition frequency, 

plasma bullets are typically generated. One of their most notable properties is that they follow a fixed path. This 

behavior  is  generally  ascribed  to  a  memory  effect,  where  the  remnants  of  previous  bullets  provide  a  guiding 

channel for the new bullet to follow. In this work the development of the memory effect is investigated during the 

first several voltage pulses using a high frame-rate camera with image intensifier. Helium, argon and nitrogen are 

used  as  feed  gas  and  flow  into  open  air.  For  helium,  all  consecutive  plasma bullets follow the same trajectory, 

with the exception of the very first one. In contrast, for argon and nitrogen the length of the trajectory develops 

during the first ~10 voltage pulses, which is shown to be closely related to transport of remnants in the gas flow. 

 

1. Introduction 

Atmospheric  pressure  plasma  jets  have  received 

much  interest  in  the  past  few  decades  for  their 

numerous  potential  applications  in  materials 

processing  and  biomedicine  [1].  When  pulsed 

voltages  in  the  kHz-range  are  used  to  to  excite  the 

jet, typically so-called ‘plasma bullets’ are visible in 

short  exposure  ICCD  photographs.  These  plasma 

bullets  are streamer-like discharges with the special 

property  that  they  are  very  periodic  and  all  follow 

the  same  fixed  trajectory.  This  behavior  is  usually 

explained by a memory effect where the presence of 

discharge  remnants  from  previous  plasma  bullets 

provide  a  guiding  channel  for  the  next  bullet  [1,2].  

However,  currently  not  much  is  known  about  the 

precise  mechanisms  and  development  of  the 

memory  effect  during  the  first cycles of the plasma 

jet.  In  this  contribution  we  show  how  the  memory 

effect develops when helium, argon and nitrogen are 

used as feed gas and flow into open air. In addition, 

an  experiment  to  investigate  the  role  of  charged 

species in the discharge remnants is discussed. 

 

2. Development of the memory effect 

To  investigate  the  development  of  the  memory 

effect,  the  trajectories  of  the  discharges  during  the 

first  few  voltage  pulses  are  recorded.  This  is  done 

by  photographing  the  optical  emission  with  a  high 

frame-rate  camera  with  image  intensifier,  which 

makes  it  possible  to  record  the  trajectories  of 

consecutive individual discharges up to several kHz 

repetition rates. 

When  using  helium  as  feed  gas,  the  trajectories 

of  all  plasma  bullets  are  the  same,  with  the 

exception  of  the  very  first  one.  The  plasma  bullets 

travel  along,  and  are  guided  by,  the  outflowing 

stream  of  helium  and  the  remnants  of  previous 

discharges  only  ensure  that  the  jet  reignites  during 

the next voltage pulse. 

In contrast, when either argon or nitrogen is used 

as feed gas, a development phase of about 10 cycles 

is  observed.  In  these  first  10  discharges  the 

trajectory of the plasma bullet grows along the axis 

of  the  jet  until  it  reaches  its  final  length  and 

becomes repeatable. By numerical simulation of the 

gas  flow,  it  is  found  that  the  length  of  a  trajectory 

corresponds  to  the  distance  particles  have  travelled 

in  the  flow  starting  from  the  first  discharge.  This 

implies  that  in  this  case  the  guiding  mechanism  is 

not  just  related  to  the  presence  of  the  outflowing 

feed  gas,  but  rather  to  the  presence  of  discharge 

remnants that are transported in the gas flow.  

 

3. The role of charged species 

Next  we  would  like  to  know  what  species 

constitute  the  discharge  remnants  and  what  their 

role  is.  Previous  work  by  Nijdam  et  al  has  shown 

the  role  free  electrons  in  the  guiding  of  positive 

streamers  [3].  To  investigate  this  for  the  pulsed 

plasma  jet,  another  experiment  is  performed  where 

an external electric field is applied perpendicular to 

the  bullet’s  propagation  direction  between  two 

discharges.  The  first  results  using  nitrogen  as  feed 

gas  demonstrate  that  the  trajectories  can  in  fact  be 

manipulated this way and hence that charged species 

play  an  important  role  in  the  memory  effect. 

 

References 

[1] X Lu, G Naidis, M Laroussi, K. Ostrikov, Phys. 

Rep. 540 (540) 123-166 

[2]  S  Hofmann,  A  Sobota,  P  Bruggeman,  IEEE 

Trans. Plasma Sci. 40 (2012) 2888-2899 

[3]  S  Nijdam,  J  Teunissen,  E  Takahashi,  U  Ebert, 

Plasma Sources Sci. Technol. 25 (2016) 044001

 

10 

302

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

 

 

Departure from Maxwellian electron energy distribution function in 

microwave argon plasmas at atmospheric pressure 

 

A. Durocher-Jean

P

1

P

 and L. Stafford

L

. UP

1

P

 

 

1

Département de physique, Université de Montréal, Montréal, Québec, Canada 

 

Optical  emission  spectroscopy  was  used  to  analyse  the  EEDF  in  atmospheric-pressure  argon 

plasmas  sustained  by  surface  wave.  Using  emission  lines  from  Ar  >4p  levels,  an  excitation 

temperature  of  0.37eV  was  obtained  from  the  Boltzmann  plot.  On  the  other  hand,  the  electron 

temperature  determined  by  comparing  the  emission  intensities  from  Ar  4p-to-4s  transitions  to 

those  predicted  by  a  collisional-radiative  (C-R)  model  assuming  a  Maxwellian  EEDF  yielded 

1.55eV.  Departure  from  a  Maxwellian  EEDF  was  confirmed  by  allowing  non-Maxwellian 

distributions  in  the  C-R  model  and  obtaining  a  much  better  experimental/theoretical  agreement. 

Moreover,  the  distribution  yielding  the  best  fit  was  consistent  with  the  excitation  temperature  at 

low electron energies but was characterized by a high-energy tail. 

 

1. Introduction  

Surface-wave plasmas are very attractive tools to 

study  phenomena in ionized gases because they can 

be  sustained  over  a  wide  range  of  experimental 

conditions. In many studies reported in literature, the 

electron  population  is  described  by  a  Maxwellian 

Electron Energy Distribution Function (EEDF), even 

under  atmospheric-pressure  plasma  conditions.  In 

this  work,  optical  emission  spectroscopy  is  used  to 

analyse possible departure from Maxwellian EEDFs 

in  argon  plasmas  produced  by  surface  waves  in  the 

microwave regime. 

2. Experimental setup and data analysis 

The microwave plasma was sustained at 2.45GHz 

in  a  fused  silica  tube  (6mm  ID,  8mm  OD)  with  a 

surfaguide  wave  launcher.  All  measurements  were 

recorded with an absorbed power of 500W, at 10cm 

downstream  from  the  launching  gap.  The  Ar  mass 

flow rate was set to 0.5slm and the tube was open to 

ambient air. Optical emission spectra were recorded 

over  two  wavelength  ranges.  The  first  one  covered 

the  400-700  nm  range  and  was  used  to  record 

emission  lines  from  Ar  >4p  levels.  Assuming 

Boltzmann  equilibrium  for  these  states  [1],  the  Ar 

lines  were  used  to  extract an  excitation temperature 

(T

exc

)  from  the  Boltzmann  plot.  The  second  range 

(700-900  nm)  was  used  to  analyse  Ar  4p-4s 

transitions.  The  Ar  lines  were  then  fitted  with  a 

collisional-radiative  model  to  extract  the  mean 

electron energy 〈

??????〉. The electron energy probability 

function  (EEPF)  was  allowed  to  be  a  generalized 

probability  function 

exp⁡[(?????? 〈??????〉

⁄

)

??????

],  where  the 

Maxwellian  EEPF  corresponds  to  n=1  and  only  in 

such a case is 〈

??????〉⁡ the electron temperature T

e

. 

3. Results 

In this study, T

exc

 was 0.37eV whereas the value 

of  T

e

  obtained  assuming  a  Maxwellian  EEPF  was 

1.55eV. While T

exc

 most likely describes low-energy 

electrons  (up  to  ~1eV),  direct  and  stepwise 

excitation reactions considered in the C-R model are 

sensitive  to  both  low  and  high-energy  electrons, 

hence the  difference.  As  shown  in  Fig.  1,  departure 

from  a  Maxwellian  EEDF  was  confirmed  by 

decreasing the  n parameter in the generalized  EEPF 

function  and  obtaining  a  lower  standard  deviation 

(better agreement) between measured and simulated 

emission  spectra.  The  best  fit  was  obtained  for 

n=0.6. In such condition, the EEPF displayed in Fig. 

2  presents  a  similar  trend  to  T

exc

  at  low  electron 

energies.  However,  a  high-energy  tail  is  observed, 

which  is  consistent  with  the  higher  Te  value 

obtained with n=1.

 

10

15

10

16

10

17

10

18

10

19

0.1

0.5

0.9

1.3

1.7

2.1

2.5

n=1

Minimum: 39.4

Elec

tron

 T

empe

ratu

re (e

V)

Ar 1s

2

 number density 

(

m

-3

)

10

15

10

16

10

17

10

18

10

19

0.1

0.5

0.9

1.3

1.7

2.1

2.5

n=0.6

Minimum: 38.6

38.6

83.0

 Fig. 1: Percentage standard deviation colormaps for a 

Maxwellian (left) and n=0.6 generalized (right) EEPFs

 

 

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

10

-5

10

-4

10

-3

10

-2

10

-1

10

0

10

1

10

2

Elec

tron

 e

ne

rgy 

pro

ba

bi

lit

y 

fu

nc

tio

n

Electron energy (eV)

 Generalized Distribution (

n=0.6; =0.23eV)

 Maxwell-Boltzmann Distribution (

T

e

=1.55eV)

 T

exc

= 0.37eV

  

Fig. 2: EEPFs calculated from T

e

, T

exc

, 〈

??????〉, and n. 

 

4. References 

[1] 

M. D. Calzada, M. Sáez, and M. C. Garcı

́a, J. 

Appl. Phys. 88, 34 (2000). 

6 

303

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

 

 

Tangential and Normal Electric Field Imaging using Mueller Ellipsometry 

for kHz driven Atmospheric Jet in Controlled Environment  

 

Elmar Slikboer

1, 2

, Enric Garcia-Caurel

2

, Ana Sobota

3

 and Olivier Guaitella

1

  

 

P

1

P

 

LPP, CNRS, Ecole Polytechnique, UPMC, Université Paris-Saclay, 91128 Palaiseau, France  

P

2

P

 LPICM, CNRS, Ecole Polytechnique, Université Paris-Saclay, 91128 Palaiseau, France 

3

Department of Applied Physics, EPG, Eindhoven University of Technology, The Netherlands 

 

Imaging Mueller Ellipsometry is applied for the kHz-driven atmospheric pressure plasma jet (APPJ) 

to measure electric fields in a controlled environment to study the effect of different gas mixtures. 

The method exploits the electro-optic effect of dielectric BSO and Fe:LiNbO

3

 crystals to visualize 

the induced electric field. This field is present due to charges deposited on the target surface by the 

APPJ. This induces a local change of refractive index according to the Pockels effect. For the first 

time a Fe:LiNbO

3

 crystal

 

is examined under exposure of an APPJ, which reveals imaging about the 

tangential field components. 

1. Introduction 

The field induced on surfaces as well as the charge 

transferred  to  a  target  are  key  parameters  for  the 

control  of  any  application  of  atmospheric  pressure 

plasma  jets  (APPJ).  These  parameters  are  in 

particular strongly dependant on the composition of 

the  surrounding  atmosphere  in  which  the  APPJ  is 

expanding.  

Using the Pockels effect it is possible to measure 

electric fields induced in dielectric targets. This can 

be  imaged  by  measuring  the  retardance  light 

experiences as it travels through the crystal. Electric 

fields are induced by charges deposited by the APPJ, 

which is operated at 2 kV with a 30 kHz sine wave. 

Every positive half period a guided ionization wave 

is  generated  and  deposits  charges  at  the  surface. 

These are removed with a weak back discharge when 

the voltage polarity changes [1].  

Mueller  Ellipsometry  is  a  more  general  form  of 

Ellipsometry,  since  it  allows  depolarization  of  the 

light by the sample. As such a complete measurement 

includes  information  about  the  optical  properties  of 

the  target  regarding  dichroism,  retardation  and 

depolarization. This is important to correctly describe 

what is happening in the target when it is in contact 

with the guided ionization waves. 

2. 

Imaging 

Mueller 

Ellipsometry 

and 

experimental setup 

Figure  1  shows  the  obtained  Mueller  matrix  of 

BSO after impact of the ionization wave created by 

the  APPJ.  Using  the  differential  decomposition 

method  the  measured  Mueller  matrix  is  analysed  to 

obtain the optical properties of the used crystals. As 

the light travels at normal incident through the target 

the  induced  linear  retardance  relates  to  the  normal 

electric  field  component  when  the  BSO  crystal  is 

used.  It  relates  to  the  tangential  component  when 

using Fe:LiNbO

3

. This is due to the respective crystal 

structure and orientation, i.e. cubic 23 symmetry for 

BSO and trigonal 3m for Fe:LiNbO

3

, while both have 

a z-cut orientation. 

The normal component of the field is strongest at 

the  impact  point  where  the  charges  are  deposited. 

This is visible in the induced retardance, visible in the 

matrix elements (3, 4) and (4, 3). The tangential field 

would show a larger spread within the crystal (figures 

not included). The images are an average throughout 

the  thickness  of  the  crystal,  which  is  0.5  mm.  The 

APPJ  is  targeting  the  crystal  at  45  degrees 

horizontally and is positioned on the left hand side of 

the  figures.  Both  the  APPJ  and  target  are  within  an 

airtight glass cell which allows for measurements in a 

controlled environment. 

Figure 1: The measured Mueller matrix (rad) of BSO 

under exposure of the APPJ, after impact of the guided 

ionization waves. Using 1

??????s exposure time and 6.7 x 8.9 

mm

2

 image size.  

We have already performed an extensive parametric 

study with a jet expanding in the room air [2]. This 

new  study  investigates  the  normal  and  tangential 

surface field with a similar APPJ in a controlled gas 

environment. 

3. References 

[1]  E.  Slikboer,  O  Guaitella,  A.  Sobota,

 

Plasma 

Sources Sci. Technol. 25.3 (2016) 03LT04 

[2] E. Slikboer, E. Garcia-Caurel, O. Guaitella, A. 

Sobota,

 

Plasma

 

Sources

 

Sci.

 

Technol.

 

26.3

 

(2017) 

035002 

Topic 6 

304

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

 

 

Influence of pressure on electrical discharge/arc transition. 

 

R. Landfried, T. Leblanc, E. Odic, Ph. Teste 

GeePs  |  Group of electrical engineering - Paris, UMR CNRS 8507,  

CentraleSupélec, Univ. Paris-Sud, Université Paris-Saclay, 

Sorbonne Universités, UPMC Univ Paris 06 

11 rue Joliot-Curie, Plateau de Moulon 91192 Gif-sur-Yvette CEDEX, France 

 

This paper reports on investigations of transitions between electrical discharges and electric arcs in 

argon atmosphere for different values of gas pressure. Results show that transitions may occur for 

same current intensity values whose range was found to be pressure dependent. .