On phenomena in ionized gases

3. Conclusions 

Several  overtone  transitions  of  N

2

H

+

  molecular 

ion in the near infrared spectral region were probed 

and  we  have  measured  the  kinetic  and  rotational 

temperature  of  these  ions  and  their  evolution  in 

discharge and afterglow plasma. The first results on 

recombination  of  N

2

H

+

  ions  with  electron  will  be 

presented at the conference.  

 

4. Acknowledgement 

This  work  was  partly  supported  by  Czech 

Science  Foundation  projects  GACR  17-08803S and 

GACR 15-15077S. 

 

5. References 

[1]  P.  Thaddeus  et  al.,  Astrophys.  J.  201  (1975) 

L25. 

[2]  E.  Herbst  et  al.,  Astrophys.  J.  215  (1977) 

503-510. 

[3]  T.  Amano  et  al.,  J.  Chem.  Phys.  92  (1990) 

6492. 

[4]  V.  Poterya  et  al.,  J.  Phys.  Chem.  A  109 

(2005) 7181. 

[5] E. Vigren et al., Astrophys. J. 757 (2012) 34. 

[6]  P.  Dohnal  et  al.,  J.  Chem.  Phys.  136  (2012) 

244304. 

Pulsed

MW

LN

2

/N

2

He/Ar/H /D

2

Pumping

Laser

Detector

2

H

2

/N

2 

7 

333

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

 

 

 Evaluation of plasma parameters during the explosive electron emission 

pulse of vacuum arc cathode spot cell 

 

M.M. Tsventoukh

UP

1

P

 

 

P

1

P

 Lebedev Physical Institute of Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia  

 

 

A  simple  complete  model  of  the  explosive 

emission  pulse  of  the  cathode  spot  cell  has  been 

proposed  that  involves  both  –  the  ignition  and  the 

decay of the explosive plasma. The ignition is due to 

the  hydrodynamic  tearing  of  the  liquid  metal  jet, 

propagating  into  the  plasma  generated  by  the 

preceding  explosive  cell.  The  decay  is  due  to  the 

plasma expansion and the density decrease down to 

the initiation one. The explosion per se is treated as 

the  transition  of  the  jet  material  over  the  critical 

state. 

The average parameters of the plasma have been 

evaluated. In particular, the plasma basic parameters 

–  the  density  and  temperature  are  about  10

20

  cm

-3

 

and 1 eV respectively. 

The  ratio  of  the  average  pressure  to  the  average 

current density has been evaluated  

 

<p>/<j> ≈ n

0

 T

cr

 / j

max

, 

 

where  n

0

  is  the  initial  (liquid-metal)  density,  T

cr

    is 

the  critical  temperature,  and  j

max

  is  the  maximal 

current  density  during  the  tearing  that  is  about  few 

GA/cm

2

.  This  ratio  gives  a  specific  plasma 

acceleration  force,  and  the  obtained  value  that  is 

about  tens  of  g  cm  /  C  s  agrees  with  the  measured 

recoil  force  and  with  the  product  of  measured  ion 

velocity and erosion rate, v

i 

× γ

i

.  

The average ohmic electric field <E> = <j/σ> has 

been found to be several tens of kV/cm. This field is 

responsible  for  the  current  transfer  through  the 

explosive  plasma  and,  hence,  the  cathode  potential 

fall formation. For the known cathode potential fall, 

the  corresponding  specific  plasma  size  is  several 

micrometers.  Such  a  plasma  is  formed  after  the 

explosion  of  the  entire  liquid-metal  jet. In addition, 

the  total  current  flowing  through  an  exploding 

liquid-metal  jet  has  been  estimated  to  be  some 

amperes.  

Finally,  a  general  estimate  of  the  plasma-to-

magnetic  pressure  ratio  β  =  8πp/B

2

,  for  a  current-

carrying plasma column has been derived 

 

β κ

2

 n R

2

 = 4m

e

c

2

/e

2

 = 1.41*10

13

 cm

-1

  

 

(where 

en

j

e

e

T

m

/

2





 < 1 is the current fraction) 

that  indicates  that  the  column  compression  by  a 

magnetic  field  (β  <  1)  takes  place  only  for  large-

scale  low-density  plasmas  (n  R

2

  >  10

14

  cm

-1

),  such 

that occurs far from explosive cells.  

Recall  that  we  have  considered  likely  lowest 

plasma  density  –  near  the  initiation  threshold  (10

18

 

cm

-3

)  and  have  derived  nearly  the  maximal  current 

density  (exceeding  1  GA/cm

2

).  One  should  stress 

that  there  is  no  issues of the space charge emission 

limitation as the current of this density flows inside 

a tearing liquid-metal jet. 

  

Work  was  supported  in  part  by  RFBR  grants  # 

15-38-20617-mol_a_ved,  16-08-01306-a  and  by 

Dmitry  Zimin  Dynasty  Foundation  at  2015  PhD 

grant. 

 

3 

334

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

 

 

 On steep gradients in plasmas confined at convex-concave magnetic field 

lines near the minimum in the longitudinal adiabatic invariant 

 

M.M. Tsventoukh

UP

1

P

, A.V. Kaziev

2

  

 

P

1

P

 Lebedev Physical Institute of Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia  

P

2

P

 National Research Nuclear University MEPhI, Moscow, Russia

 

 

 

The  formation  of  large  stable  plasma  gradients, 

e.g. in form of internal transport barriers, being of a 

strong  both  practical  and  fundamental  interest. 

Normally  the  larger  the  gradient  the  larger  the 

transport, and any deviation due to collective plasma 

behavior is of great interest. 

We  have  predicted  theoretically  that  there  is  a 

strong  stabilizing  action  against  convective  (flute-

interchange)  perturbations when plasma is confined 

by magnetic field of alternating-sign curvature – i.e. 

with 

convex–concave 

field 

lines 

[1]. 

The 

calculations  that  have  been  done  for  simple 

combinations  of  axisymmetric  mirrors  and  cusps 

according  to  the  kinetic  stability  criterion,  give 

strongly  centrally  peaked  stable  plasma  pressure 

profiles instead of shallow ones.  

Connection of the convex and concave field line 

parts  results  in  a  reduction  of  the  space charge that 

drives  the  unstable  E × B  motion,  as  there  is  an 

opposite  direction  of  the  particle  drift  in  a  non-

uniform field at convex and concave field lines. The 

pressure  peaking  arises  at  the  minimum  of  the 

second adiabatic invariant J = 



 v

║

 dl that takes place 

at  the  'middle'  of  a  tandem  mirror–cusp  transverse 

cross-section. Recall that there has been proposition 

by  Arsenin  [2-3]  that  there  is  a  plasma  interchange 

stability due to the alternating-sign curvature. 

The simple ideal MHD description gives a strong 

variation  in  the  stable  pressure  profile  due  to  the 

strong  variation  in  the  specific  volume  ∫dl/B:  the 

critical profile being p

MHD

  (∫dl/B)

-5/3

. However, we 

have  found  that  there  is  a  strong  variation  in  the 

stable  pressure  profile  at  regions  of  almost  equal 

specific  volume  –  near  min ∫dl/B,  with  curvature  of 

alternating  sign  –  with  appropriate  combination  of 

the convex and concave field line parts.  

Instead  of  the  well-known  maxJ  principle of the 

plasma stabilization [4], we have proposed that there 

is  an  additional  stability  of  the  plasmas  nearby  the 

field lines layer of the minJ. Recall that in tokamak 

maxJ  region  nearly  corresponds  to  the  region  near 

the  axis  within  minq  [5].  As  the  minimum  in  the  q 

nearly  corresponds  to  the  minimum  in  the  J,  one 

would  expect  somewhat  reduction  in  the  plasma 

convective  transport  near  minq  according  to  the 

mechanism proposed. 

We 

have 

performed 

an 

experimental 

investigation of the plasma confinement at magnetic 

confinement device of the alternating-sign curvature 

[6].  

For  the  experimental  research  of  this  effect,  a 

compact  magnetic  confinement  device  has  been 

modified  by  adding  of  the  external  current  coil  to 

fulfil  the  field-line  curvature  requirements.  The 

critical  convectively-stable  plasma pressure profiles 

calculation  in  this  experimental  geometry  and  the 

probe  measurements  of  the  spatial  plasma 

distribution  in  the  new  magnetic  configuration  of 

alternating-sign curvature have been performed.  

The experimental results give some support for a 

conclusion  that  there  is  an  increase  in  the  ion 

saturation current at the region near the minimum of 

the  specific  volume  min  ∫dl/B.  This  region 

corresponds  to  the  average  minimum  in  the  second 

adiabatic  invariant,  and  the  kinetic  description 

predicts the stable pressure profile peaking here due 

to reduction of charge separation by particle drift in 

alternating-sign curvature. 

For  further  experimental  investigations,  a 

stationary  microwave  device  has  been  used.  A 

mirror  geometry  has  been  created  by  axisymmetric 

coils,  Langmuir  and  magnetic  probes  have  been 

used for the measurements. 

 

Work  was  supported  in  part  by  RFBR  grants  # 

15-38-20617-mol_a_ved,  16-08-01306-a  and  by 

Dmitry  Zimin  Dynasty  Foundation  at  2015  PhD 

grant. 

 

[1]

 

Tsventoukh 2014 Nucl. Fusion 54 022004 

[2]

 

Arsenin V.V. 1983 JETP Lett 37 637  

[3]

 

Arsenin V.V. 1986 JETP Lett 43 346  

[4]

 

Marshall  N.  Rosenbluth  1968  Physics  of 

Fluids 11 869  

[5]

 

B.B. Kadomtsev 1966 JETP Lett 4 (1) 10  

[6]

 

Tsventoukh  et  al  2015  Nucl.  Fusion  55 

062001 

 

4 

335

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

 

 

Parallel computing of multidimensional hypersonic re-entry flows  

considering a state-to-state description 

 

M. Castela

P

1

P

, 

U

B. Lopez

UP

1,2

P

, and M. Lino da Silva

P

1

P

 

 

P

1

P

 Instituto de Plasmas e Fusão Nuclear, Instituto Superior Técnico, Universidade de Lisboa, Lisboa, Portugal  

P

2

P

 University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, IL 61801, USA 

 

The  present  study  aims  at  assessing  and  improving  the  scalability  of  the  recently  developed 

SPARK  code.  Accurate  predictions  of  hypersonic  re-entry  flows,  surrounding  an  inter-planetary 

exploratory  spacecraft,  are  still  extremely  difficult  due  to  the  high  coupling  between  non-

equilibrium  processes,  radiation  and  the  near-flow  field  during  the  entry  of  a  spacecraft  in  a 

planetary atmosphere. A high-fidelity simulation of these stringent aerothermodynamics conditions 

is still CPU limited and requires parallel computations. In the framework of the preparatory access 

to  PRACE  research  infrastructure  (Partnership  for  Advanced  Computing  in  Europe),  a  2D-

axyssimetric simulation with state-specific chemical description  was performed in order to access 

SPARK  scalability  tests  in  extremely  demanding  computational  conditions.  Both  the  numerical 

simulations and the code scalability tests will be presented.   

 

1. Introduction  

Physical-chemical 

processes 

occuring 

in 

extremely  nonequilibrium  atmospheric  entry  flows 

can only be adequately modelled through a state-to-

state description. Yet, coupling of CFD models with 

state-specific descriptions remains a daunting task.  

 

SPARK  aims  at  improving  the  prediction 

capability of numerical simulations of a wide range 

of  applications.  For  instance,  aerothermodynamics 

properties for hypersonic re-entry flows and thermal 

heat fluxes have been numerically studied in  by [1] 

using  SPARK.    Two  distinct  classes  of  physical 

models  are  implemented  in  SPARK,  enabling  the 

simulation  of  gas  thermodynamics  in  non-

equilibrium  conditions  considering  either  multi-

temperature models or state-specific models.  

 

2. Numerical setup 

The  model  is  implemented  in  the  in-house 

SPARK 

solver 

(Software 

Package 

for 

Aerodynamics, 

Radiation 

and 

Kinetics) 

[1] 

dedicated  to  compressible  aerothermodynamics 

simulations 

with 

detailed 

chemistry, 

multi-

temperature  models  and  state-specific  species 

characterization. SPARK is written in Fortran 03/08 

and  explores  newly  supported  object-oriented 

features,  enabling  the  encapsulation  of  different 

physical  models,  numerical  methods,  mesh-related 

operations  and  interface  communications  by  means 

of derived-types and type-bound procedures. 

A  2D-axisymmetric  computational  domain  of  a 

sphere-cone  aero-shell  geometry  is  considered. 

About  10  thousand  volume  cells  are  used  for  the 

computational  domain  discretization.  A  first 

convergence  run  is  performed  using  an  initial 

uniform  mesh  in  order  to  adapt  the  mesh  at  the 

shock  boundary  layer.  It  then  follows  a  second 

convergence  run  for  the  final  mesh  configuration. 

The  mesh  is  divided  into  multiple  blocks,  which 

allows  for  multicore  parallel  computation.  Each 

block  having  the  same  computational  load, 

characterized  by  an  evenly  distributed  number  of 

volume  cells.  A  second-order  finite  volume scheme 

is used for spatial discretization. Time integration of 

convective  terms  is  performed  explicitly  using  a 

second-order  scheme.  The  system  is  marched  in 

time  towards  convergence.  A  5-species  air  mixture 

(N2,  O2,  NO,  N  and  O)  with  a  vibrational  state-

specific  description  of  the  molecular  species  is 

considered.  The  chemical  model  requires  handling 

over 150 internal states and over 15 000 reactions. A 

very small CFL is required due to the stiffness of the 

chemical  source  terms  near  the  shock  boundary 

layer. The code is parallelized using Coarray Fortran 

feature, based on the Simple Program Multiple Data 

model,  where  each  replication  of  the  program  is 

called an image.  

 

3. Acknowledgements 

IPFN  activities  received  financial  support  from 

Fundacão  para  a  Ciencia  e  Tecnologia  through 

project  UID/FIS/50010/2013.  We  acknowledge 

PRACE  for  awarding  us  access  to  computing 

clusters. 

 

3. References 

[1]  B.  Lopez    and  M.  Lino  da  Silva,  46

th

  AIAA 

Thermophysics  Conference,  13–17  June  2016, 

Washington, D.C, 2016-4025. 

Topic number 5 

336

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

 

 

A reinvestigation on the energy levels of CO2 up to the dissociation limit 

 

J. Vargas

P

1

P

, 

U

B. Lopez

UP

1,2

P

, and M. Lino da Silva

P

1

P

 

 

P

1

P

 Instituto de Plasmas e Fusão Nuclear, Instituto Superior Técnico, Universidade de Lisboa, Lisboa, Portugal  

P

2

P

 University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, IL 61801, USA 

 

The  energy  levels  of  the  radiative  states  of  CO2  have  been  extensively  studied,  and  several  very 

accurate  databases  such  as  HITRAN/HITEMP  or  CDSD  exist  in  the  literature.  However, 

knowledge  on  the  near-dissociation  levels  of  CO2  is  lacking  due  to  the  absence  of  experimental 

data,  or  the  fact  that  transitions  from  these  higher-lying  levels  are  hidden  by  the  strongest 

transitions  of  lower  levels.  This  study  proposes  to  achieve  a  better  prediction  of  these  states 

through potential reconstruction methods. 

 

1. Introduction  

State-to-state  modelling  of  CO2  vibrational 

excitation processes is a current “hot-topic” in view 

of  such  diverse  applications  like  plasma  reforming 

of CO2 [1] and the modelling of atmospheric entries 

in Mars and Venus [2]. Typical modelling activities 

have  thus  far  delved  on  the  legacy  from  state-to-

state  modelling  of  atomic  and  molecular  diatomic 

plasmas,  with  preliminary  simulations  being  rather 

successful in reproducing experimental data. Indeed, 

the treatment of such a triatomic molecule like CO2 

may  be  simplified  with  some  baseline  assumptions 

like  the  separability  of  its  three  internal  modes  and 

the  determination  of  its  levels  up  to  dissociation 

through  polynomial  models  [1].  However,  if  the 

accuracy  of  such  approaches  is  to  be  increased, 

improved methods for the calculation of the overall 

manifold of vibrational levels needs to be achieved, 

based on potential reconstruction techniques. 

 

2. Potential reconstruction methods 

Lower-lying  levels  of  CO2  are  accurately 

described  to  the  10

-2

  cm

-1

  by  such  databases  like 

HITRAN  [3]  or  CDSD  [4].  From  these  extensive 

databases of levels, potential reconstruction methods 

have  been  developed  by  Huang  et  al.  at  NASA 

Ames to determine an accurate potential curve up to 

25,000  cm

-1

  [5].  Examples  for  the  assymmetric 

stretch  and  bending  modes  of  CO2  are  fresented  in 

Fig. 1. This potential curve serves as the baseline for 

this  work.  Here  we  will  present  an  adequate 

extrapolation  of  the  3  modes  of  CO2  up  to  the 

dissociation limit by adequate long-range potentials. 

Near-dissociation  levels  will  then be determined by 

solving the adequate radial Schrödinger equation on 

such  potentials.  The  resulting  extrapolated  levels 

will  follow  a  smoother  and  more  realistic 

distribution  up  to  the  dissociation  limit  than  the 

traditional polynomial expansions. 

 

 

Fig 1: Asymmetric stretch and bending energies of CO2 

 

3. Acknowledgements 

IPFN  activities  received  financial  support  from 

Fundacão  para  a  Ciencia  e  Tecnologia  through 

project  UID/FIS/50010/2013,  and  through  grant 

PD/BD/114325/2016  under  the  APPLAUSE  Ph.D 

programme. 

 

3. References 

[1]  T.  Kozak,  Plasma  Sources  Sci.  Tech.,  23(4), 

2004, pp. 045004. 

[2] A. Sahai et al., 2016, AIAA 2016-3695. 

[3]  L.S.  Rothman,  R.L.  Hawkins,  R.B.  Wattson, 

R.R. Gamache, JQSRT, 48(5), 1992, pp. 537-566. 

[4]  S.A.  Tashkun,  et  al.,  JQSRT,  112(9),  2011, 

pp. 1403–1410. 

[5]  X.  Huang  et  al.,  J.  Chem.  Phys.,  136(12), 

2012, pp. 124311. 

Topic number 5 

337

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

 

 

Radiation of FM-signal by plasma asymmetrical dipole antenna 

 

S. E. Andreev

1,3

, N .N. Bogachev

1,2,3

, N. G. Gusein-zade

1,2,3

  

 

P

 

P

1

P

 Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia 

2

P

 Medicobiologic faculyt, Pirogov Russian National Research Medical University (RNRMU), Moscow, Russia 

3

P

 Moscow technological university (MIREA), Moscow, Russia 

 

The actual problem of the development of plasma antennas is a study of the signal radiation. Previously, 

we  had  investigated  the  spectra  of  the  non-modulated  signal,  which  had  been  radiated  by  plasma 

asymmetrical  dipole  antenna.  Amplitudes  at  multiple  frequencies  of  the  input  non-modulated  signal 

frequency  had  been  amplified  by  plasma  antenna.  In  this  work,  we  have  experimentally  studied  the 

radiation  of  a  frequency  modulated  signal  (FM  signal)  by  plasma  asymmetric  dipole  antenna.  We  have 

obtained  spectra  of  the  FM  signal,  which  have  been  radiated  by  plasma  antenna  and  by  same  metal 

antenna.  These  spectra  were  compared  to  each  other  for  analysis  of  signal  nonlinear  distortions. 

Discovered distortions of radiated FM signal from plasma antenna are inappreciable. 

 

Plasma  antenna  is  type  of  antennas,  in  which 

plasma  is  used  as  waveguide,  radiated  or  control 

element  [1-7].  Studies  of  plasma  antennas  aim  to 

solving problems of modern radio engineering, such as 

the  invention  of  intelligent  antennas  with  fast 

reconfigurable  antenna  characteristics;  radar  visibility 

decrease of the antenna devices of military objects and 

equipment;  the  security  improving  of  radio  systems 

from  the  effects  of  electronic  warfare  and  destruction 

by atmospheric electrical discharges. 

The  plasma  antenna  can  be  divided  into  several 

classes:  plasma antenna of discharge tubes; solid-state 

plasma  (silicon)  antenna  (PSiAn);  jet  plasma  antenna 

and  others.  The  biggest  and  most  promising  class  is 

plasma  antennas  of  the  discharge  tubes.  In  this  paper 

we  study  the  plasma  asymmetrical  dipole  antenna 

(PADA)  to  the  discharge  tube  [1-7].  One  is  much  the 

same as a metal asymmetrical dipole antenna (MADA), 

and consists of a rod (dipole arm), which connect to the 

central conductor of the coaxial cable, and a conductive 

disk (screen), which connect  to the outer conductor of 

the coaxial cable. In the case of a plasma antenna metal 

rod  is  replaced  by  a  gas  discharge  tube  with  plasma. 

The  optimal  length  of  antenna  arm  is  considered 

quarter wave 

l

a

=λ/4.

 

In  [7]  we  had  investigated  the  spectra  of  the  non-

modulated  signal,  which  had  been  radiated  by  plasma 

asymmetrical  dipole  antenna.  Amplitudes  at  multiple 

frequencies  of  the  input  signal  frequency  had  been 

amplified by plasma antenna.  

In this work, we have experimentally studied the 

radiation  of  a  frequency  modulated  signal  (FM 

signal)  by  plasma  asymmetric  dipole  antenna.  The 

experimental  setup  scheme  of 

FM  signal  spectra 

measurements 

is  presented  on  fig.  1.  Modulating 

signal  go  from  the  message  source  (1)  to  the 

broadcast  set  VX-2100  (2).  FM  modulated  signal 

from  (2)  go  to  the  plasma  or  metal  antenna  (4) 

situated  on  the  positioner  (3).  The  plasma  or  metal 

antenna radiates signal and the measure antenna (5) 

receives signal. Amplitude spectrum of FM signal is 

shown  on  the  screen  of  spectrum  analyzer  Agilent 

PXA N 9030A (6). 

 

Fig 1. Scheme of the experimental setup. 

We  have  obtained  spectra  of  the  FM  signal, 

which have been radiated by plasma antenna and by 

same  metal  antenna.  These  spectra  were  compared 

to  each  other  for  analysis  of  signal  nonlinear 

distortions.  Discovered  distortions  of  radiated  FM 

signal from plasma antenna are inappreciable. 

The 

studies 

was 

supported 

by 

Russian 

Foundation  for  Basic  Research  (RFBR),  project 

number is 16-08-00859 a. 

[1]  G.  G.  Borg,  J.  H.  Harris,  et.  al.  Applied 

physics letters 74 (1999) 3272. 

[2]  J. P. Rayner, A. P. Whichello, A. D. Cheetham, 

IEEE Trans. on plasma science 32 (2004) 269.  

 [3] E. N. Istomin, D. M. Karfidov, et. al., Plasma 

Phys. Rep. 32 (2006) 388.  

[4]  J.  W.  Lv.  Li  Y.  Song,  Li  Z.  Chen  WSEAS 

Transactions on Communications  10 (2011) 323. 

[5] Z. Kiss’ovski, V. Vachkov  IJEAT 5 (2016) 330. 

[6]  B.  A.  Belyaev,  A.  A.  Leksikov,  et. al., IEEE 

Trans. on Plasma Science 42 (2014) 1552. 

[7] N. N. Bogachev, I. L. Bogdanevich, and N. G. 

Gusein-zade, 

10th 

EuCAP 

(2016) 

doi: 10.1109/EuCAP.2016.7481512 

338

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

 

  8