On phenomena in ionized gases

Instantaneous charge state of Uranium projectiles in fully ionized plasmas 

from energy loss experiments

 

R. Morales, M.D. Barriga-Carrasco, Ignacio Moreno 

 

E.T.S.I. Industriales, Universidad de Castilla-La Mancha, E-13071 Ciudad Real, Spain 

 

The instantaneous charge state of uranium ions traveling through a fully ionized hydrogen plasma 

has been theoretically studied and compared with an energy loss experiment. For this purpose, two 

different methods to estimate the instantaneous charge state of the projectile have been employed: 

(1)  rate  equations  using  ionization  and  recombination  cross  sections,  and  (2)  equilibrium  charge 

state  formulas  for  plasmas.  The  equilibrium  charge  state  of  projectiles  in  plasmas  is  not  always 

reached, and therefore, a non-equilibrium or an instantaneous description of the projectile charge 

is necessary. The charge state of projectile ions cannot be measured, except after exiting the target, 

and experimental data remain very scarce. The knowledge of the charge state of heavy ions is of 

significance on accelerator, fusion plasma physics and high energy density physics applications. 

 

1. Introduction 

The  inertial  confinement  fusion  driven  by  heavy 

ion  beams  is  one  of  the  method  to  obtain  energy 

using fusion reactions. Understanding the physics of 

heavy ions traveling through plasmas is an important 

topic  in  plasma  physics.  Heavy  ions  possess  good 

features to heat small samples of matter reaching the 

necessary  temperature  and  density  for  the  nuclear 

fusion takes place. 

On  the  other  hand,  conventional  stripping 

techniques  are  limited  in  their  applicability,  e.g. 

short lifetime in foil stripper and lower efficiency in 

gas  stripper.  To  reach  long  lifetime  and  higher 

efficiency,  the use of plasma as a stripping medium 

has been studied. In stripper devices, one of the most 

important  thing  is  the  prediction  of  the  final  charge 

state distribution of the ion beam and its total energy 

loss, which the presented work focuses on. 

2. Theoretical model 

For  a  projectile  traveling  through  a  target,  the 

charge fraction distribution is usually calculated as, 

  (1)  

where F

q 

is the projectile fraction with charge state q 

and the α are the ionization and recombination rates 

[1]. 

 

On the other hand, the instantaneous charge state 

can be also estimated by a simple analytic equiation: 

 (2) 

where  x  is  the  plasma  length,  Q

eq 

is the equilibrium 

charge  state  and  Q

0 

is the initial charge state. λ

ion

  is 

the ionization length estimated from [2].  

The  energy  loss  of  the  projectile  is  estimated  in  the 

RPA approximation as described in [3]. 

3. Results 

 

Fig.1: Instantaneous charge state of U ions in a H plasma. 

 

Fig. 2: Energy loss of U ions in a H plasma as a function 

of plasma density for several initial charge states.

 

4. References 

[1]

 

T. Peter and J. Meyer-ter-Vehn, Phys. Rev. A 

43, 2015 (1991). 

[2]

 

R. Morales and M.D. Barriga-Carrasco (sent to 

Phys. Plasmas, accepted). 

[3]

 

M.D. Barriga-Carrasco, D. Casas and R. 

Morales, Phys. Rev. E 93, 033204 (2016). 

4 

315

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

 

 

Experimental study of microwave plasma breakdown  

in microstrip devices for power limiting applications 

 

A. Simon

1

, R. Pascaud

1

, T. Callegari

2

, L. Liard

2

, O. Pascal

2 

 

P

1

ISAE-SUPAERO, Université de Toulouse, Toulouse, France 

P

2

Université de Toulouse; UPS, INPT, CNRS; LAPLACE (Laboratoire Plasma et Conversion d’Energie); 118  

Route de Narbonne, F-31062 Toulouse, France 

 

This poster presents microstrip devices including self-power-limiting capability thanks to plasma microdischarge. 

A classic DC microhollow cathode discharge is therefore ignited under the ground plane of the microstrip device. 

When the microwave power reaches a tunable threshold, the plasma expands to the upper part of the microstrip 

circuit,  which  causes  a  major  change  in  its  behaviour.  The  upper  part  of  the  plasma  is  then  controlled  both  by 

microwave  and  DC  power.  Different  microstrip  devices  are  experimentally  characterized  with  their  microwave 

parameters to get insight on the role of the electromagnetic field on the plasma extension.  All exhibits the self-

power-limiting capability, at different levels depending on the intensity of the microwave electromagnetic field at 

the plasma location.

 

 

1. Plasma as microwave protection element 

Plasmas  have  been  used  for  power  protection  in 

high frequency communications for a long time, for 

example  in  T/R  tubes  [1].  The  recent  explosion  of 

microwave communication devices of smaller power 

range  has  triggered  a  need  for  protection  on 

microstrip devices.  

Plasma  presents  two  main  advantages  in  this 

purpose:  it  handles  a  microwave  power  higher  than 

any other existing solution (diode, varicap, MEM…) 

and  insertion  losses  on  the  device  can  remain 

extremely low. 

 

2. Plasma microdischarges in microstrip devices 

Fig 1: The "off" (a) and "on" (b) state of the microstrip 

device with self-power-limiting capabilities 

 

The  ignition of a Micro Hollow Cathode  Discharge 

(MHCD)  with  a  typical  breakdown  of  300  V  under 

the  ground  plane  (Figure  1a)  allows  the  generation 

of  plasma  above  the  microstrip  line  at  very  low 

power threshold, typically 1 Watt (Figure 1b) [2]. 

 

3. Study of microwave plasma breakdown 

In  this  poster,  we  present  an  experimental  work 

that  aim  at  evaluating  the  characteristics  of  the 

plasma  generated  on  the  upper  part  by  microwave 

power.  

Each  microstrip  device  is  inserted  in  a  vacuum 

chamber.  Pressure  in  argon  varies  from  1  to  100 

Torr. The plasma is ignited in a cylindrical aperture 

whose  diameter  depends  on  the  pressure  work. 

Different microstrip circuits are characterized with S 

parameters and power balance to understand the role 

of the electromagnetic field on the plasma formation 

and  stability.  Self-power-limiting  capability  is 

demonstrated,  and  the  trigger  level  can  be 

controlled.  Depending on the circuit design, plasma 

effect  of  the  microwave  power  can  be  either 

absorptive or reflective.  

 

4. References 

[1]  A.  Kraszewski,  “Microwave  Gas  Discharge 

Devices”, lliffe Books Ltd. (1967). 

[2] R. Pascaud et al., Electronics Letters, vol. 51, 

no. 14, pp. 1090-1092, (2015).

 

 

 

Topic 9 

b) 

Metallic microstrip

Plasma Microdischarge Dielectric layer

Cathode

Metallic Ground plane/ Anode

Dielectric layer

High power microwave signal

a) 

Metallic microstrip

Plasma Microdischarge

Dielectric layer

Cathode

Metallic Ground plane/ Anode

Dielectric layer

Low power microwave signal

316

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

 

 

 Influence of target on electric field in kHz-driven atmospheric pressure 

plasma jet in Helium

 

 

A. Sobota

1

, V. V. Kovačević

2

, G. B. Sretenović

2

, I. B. Krstić

2

, B. M. Obradović

2

, M. M. 

Kuraica

2

, E. Slikboer

3

, O. Guaitella

3

 

 

 

1

Eindhoven University of Technology, EPG, Postbus 513, 5600MB Eindhoven, 

The Netherlands  

2

University of Belgrade, Faculty of Physics, PO Box 44, 11001 Belgrade, Serbia 

3

LPP, Ecole Polytechnique, Route de Saclay, 91128 Palaiseau, France 

*Contact e-mail: 

[e-mail]

 

 

 

The understanding of the dynamic of impingement of atmospheric pressure plasma jet is the key 

for their use in many applications. The electric field strength has been measured above and onto 

different surfaces, dielectric, metallic or liquid, by means of Stark polarization spectroscopy. In the 

case of dielectric surfaces, the electric field strength values are compared with measurements based 

on Pockels effect obtained with an imaging polarimeter.   

 

1. Introduction 

The term “atmospheric pressure plasma jets 

(APPJ)” represents many diverse plasma sources 

having usually in common to be operated with a 

flow of noble gas inside a small diameter tube. They 

have been the focus of many studies because of their 

potential interest in biomedical applications and 

surface treatment technologies. For all these 

applications,  it is always crucial to understand and 

control  the interaction of the APPJ with a target 

which can be dielectric  or  conductive, solid or 

liquid.    The surface exposed to an APPJ can be 

physically and/or chemically modified by the 

plasma, but the target can also influence the 

discharge development.  A key parameter to study 

the properties of APPJ in contact with targets is the 

electric field induced by the plasma above and onto 

various surfaces.  

In this study, electric field in helium plasma jet 

impacting dielectric, metallic or liquid surfaces  is 

measured by means of Stark polarization 

spectroscopy  as described in [1].  The results on 

dielectric surfaces are compared with surface 

electric field strength measurement based on 

Pockels effect obtained with an imaging polarimeter 

described in [2]. The influence of  gas mixing 

between helium and surrounding atmosphere is also 

monitored with Schlieren imaging. 

 

2. Experimental setups 

The jet source used for this work has been 

described in [1,2]. The powered electrode is a 

needle  metal tube (inner diameter of 0.8 mm) 

centered inside a Pyrex capillary (inner diameter 2.5 

mm, outer diameter 4 mm). A metal ring (3 mm 

long) on the outer side of the capillary is used as the 

grounded electrode. The gap between the two 

electrodes was 5 mm, while the distance from the 

grounded electrode to the end of capillary was 20 

mm for the entire study. Helium flow through the 

capillary is regulated using mass flow controller in 

range of 700-2000 SCCM. The jet is powered by 

sine voltage at 30 kHz, 2 kV in amplitude. The jet 

source was most of the time vertical above a target. 

The targets used were glass disks, grounded disks, 

or distilled water reservoir.  

 

3. Results analysis 

We had already measured that electric field 

strength in the plume of this APPJ is increasing with 

distance from the capillary tip because of gas mixing 

with air and constriction of the plume [1]. At a given 

distance from the tip of the  capillary, the field 

strength at the impact on a target is significantly 

higher than without surfaces. It is shown that 

enhancement of field due to the surface happens 

only on a very thin layer above the surface. Very 

high values of electric field (up to 40 kV/cm) can be 

obtained on surfaces. The gas flow dynamics above 

the surface is also strongly modified by the plasma.   

 

3. Acknowledgments  

AS would like to thank the European Cooperation in 

Science  and Technology Action COST TD1208 for 

financial support for a short-term scientific mission 

 

4. References 

[1]  A.  Sobota  et al (2016) Plasma Sources 

Science and Technology, 25 (6), 065026. 

[2] E. Slikboer et al, contribution to ICPIG 2017

 

Topic number 10 

317

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

 

 

O

2

 dissociation in plasma and problem of O

2

 cross sections set  

 

J.P. Booth

1

, O. Guaitella

1

, A. Chatterjee

1

, S. Zyryanov

2

, D. Lopaev

2

, D. Voloshin

2

 and T. 

Rakhimova

2 

 

1

 

Laboratoire de Physique des Plasmas, CNRS, Ecole Polytechnique, UPMC Univ Paris 06, Univ Paris-Sud 

2 

Skobeltsyn Institure of Nulcear Physics, Lomonosov Moscow State University, Russian Federation

 

DC  glow  discharges  in  pure  O

2

  in  a  Pyrex  tube  were  studied  to  determine  dissociation  rate 

constant  over  a  wide  range  of  E/N  and  thereby  to  probe  O

2

  dissociation  cross  section  close  to 

threshold.  Electric  field,  E, was found from probe measurements  while the gas density, N, from 

the gas temperature  derived from the O

2

(b

1

g

+

) 

 O

2

(X

3

g

-

) emission spectrum. O atom density 

(as well ratio O/N ratio) was measured by HR TALIF while O/N ratio was also determined by Ar 

actinometry. Time-resolved actinometry of partially-modulated discharges was used to probe the 

O loss rate. The O

2

 dissociation rate constant was determined as a function of E/N, and compared 

to  calculations  from  different  O

2

 cross section sets. This comparison allowed  validation of a  the 

self-consistent cross section set for O

2

.      

 

1. Introduction  

Chemical  activity  of  oxygen  plasma  is  mainly 

provided  by  odd  oxygen  (O  atoms  and  ozone).  O

2

 

dissociation by electron impact is the main channel of 

O  atoms  production,  therefore  the  O

2

  dissociation 

cross  section,  together  with  electron  energy 

distribution function define the chemical efficiency of 

oxygen  plasmas.  Nevertheless,  the  cross-section  for 

electron  impact  dissociation  of  molecular  oxygen  is 

the subject of active debate, especially near threshold. 

The  available  experimental  cross  sections  near  the 

threshold predict a much lower dissociation rate than 

that  observed.  Furthermore,  O

2 

dissociation  is  an 

important  electron  energy  loss  channel,  influencing 

electron  transport.  Cross  section  sets  consistent  with 

observed 

transport 

coefficients 

require 

an 

unrealistically high value of the O

2

 dissociation cross 

section.  This  motivated  a  study  of  the  dissociation 

rate 

constant 

to 

validate 

the 

near-threshold 

dissociation  cross  section  and,  indirectly,  the  self-

consistent cross sections set for O

2

. 

 

2. Experiment  

Time-resolved  absolute  density  measurements  are 

needed to probe O atoms kinetics. The measurements 

were  carried  out  in  DC  glow  discharge  in  pure  O

2

, 

generated  in  water-cooled  Pyrex  glass  tube  of  2  cm 

diameter  and  ~50  cm  length.  The  discharge  current 

was controlled by a large (68k ) ballast resistor, and 

could  be  modulated  (5-15%)  by  shunting  a  smaller 

resistor  installed  between  the  discharge  and  ground. 

The 

electric 

field 

was 

found 

from 

probe 

measurements,  and  the  gas  density  was  calculated 

using the gas temperature deduced from the O

2

(b

1

g

+

) 

 O

2

(X

3

g

-

) emission spectrum. The O atom density 

and  O/N  ratio  was  measured  by  the  HR  TALIF 

method while the O/N ratio was also determined from 

actinometry 

using 

Ar 

atoms. 

Time-resolved 

actinometry  in  partially-modulated  discharges  was 

used to probe the loss rate of O atoms.  

The O

2

 dissociation rate constant as a function of 

E/N, calculated from the balance between O loss and 

production rates is shown in figure 1.     

This  research  was  conducted  in  the  scope  of  the 

KaPPA  International  Associated  Laboratory  (LIA), 

performed within the LABEX Plas@par project, and 

received  financial  state  aid  managed  by  the  Agence 

Nationale de la Recherche, as part of the programme 

"Investissements  d'avenir"  under  the  reference  ANR-

11-IDEX-0004-02.  It  was  also  supported  by  the 

Applied  Materials  University  Research  Partnership 

Program. Russian team was also supported by RFBR 

grant 16-52-16024. 

40

60

80

100 120 140

10

-10

10

-9

10

-8

new set

K

O2

dis

 (cm

3

/s)

E/N (Td)

Phelps set

F

igure  1.  O

2

  dissociation  rate  constant  as  a  function  of 

the reduced electric field E/N. 

 

Topic 1 

318

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

 

 

Micro-glass capillary focusing of plasma ion beams and creation of 

microstructures 

 

Sanjeev Kumar Maurya and Sudeep Bhattacharjee 

 

Department of Physics, Indian Institute of Technology - Kanpur, Kanpur 208016 

 

Intense  microwave  plasmas  have been used as an ion source for  applications in microstructuring. 

Microstructures having aspect ratio in the range 100 - 1000 have been created using 26 keV Ar, Kr 

and Ne ion beams with beam size ~ 1.5 µm. To prevent loss of beam current and further focus the 

beam, micro-glass capillary will be employed after the plasma electrode, from where the beams are 

extracted.  Ion  beam  current  and  beam  spot  size,  will  be  measured  as  a  function  of  extraction 

voltage  for  different  capillary  outlet  diameters.  The  capillary  which  provides  the  smallest  beam 

spot size, will be implemented in the system. Further, different structures will be created using Ar, 

Kr, and Ne ion beams.  

 

1. Introduction 

Ion  beam  is  a  necessary  tool  in  science  and 

technology  and  can  be  used  in  many  applications 

such as milling, patterning,  high resolution  imaging 

and  implantation.  Many  emerging  applications 

require rapid processing and non-toxic inert gaseous 

ion  beams.  In  order  to  serve  above  applications, 

there  are  efforts  to  develop  gaseous  plasmas  ion 

beam  tools  which  can  be  non-toxic  and  therefore 

suitable  for  biomaterials  and  semiconductors,  and 

provide  an  option  for  rapid  processing  without 

metallic  contamination  due  to  higher  currents.  To 

address  these  requirements,  a  microwave  plasma 

based  multi-element  ion  beam  system  has  been 

developed  in  our  laboratory  which  can  deliver  ions 

of  a  variety  of  gaseous  elements  (Ar,  Kr,  Ne)  of 

beam  size  ~  1.5  µm,  beam  currents  in  the  range  ~ 

1.5 nA – 10 µA and beam energy up to 30 keV [

1

].  

2. Experimental Setup

 

 

The  experimental  setup  consists  of  three 

major  parts  namely,  plasma  column,  beam  column 

and experimental chamber. 

 

FIG.  1.  MW:  microwaves,  WG:  wave  guide,  W:  quartz 

window,  GC:  guiding  cylinder,  GI:  gas  inlet,  MC: 

multicusp, TMP: turbo molecular pump,  EL: Einzel Lens 

system,  BL:  beam  limiter,  FC:  Faraday  cup,  GV:  gate 

valve, V

1

, V

S

, V

2

: high voltages, A: ammeter

 

 

In the plasma column, a high density plasma 

(~10

11

  cm

-3

)  is  created  with  the  help  of  2.45  GHz 

microwave  and  confined  in  an  octupole  multicusp. 

Beam  column  consists  of  plasma  electrode  (PLE), 

Einzel  lens  (EL)  and  beam  limiter  (BL)  which  are 

used  to  extract  and  focus  the  ion  beams.  EL

1

,  EL

2

 

and  BL  electrodes  are  biased  to  negative  high 

voltages  V

1 

(~  –2  kV),  V

2

  (=  18–30  kV)  and  V

S

  (= 

2/3  V

2

)  respectively  to  provide  the  desired 

acceleration  and  adequate  focusing  to  the  beam.  A 

copper  (Cu)  thin  film  (50  nm)  biased  to  V

2

  is 

mounted on the XYZθ stage manipulator for moving 

the  sample  in  the  desired  direction  with  required 

writing speed. For measuring the ion beam current, a 

Faraday cup is used after EL

2

.