On phenomena in ionized gases


Download 9.74 Mb.
Pdf ko'rish
bet76/85
Sana24.01.2018
Hajmi9.74 Mb.
#25134
1   ...   72   73   74   75   76   77   78   79   ...   85

3. References. 

[1] C. Charles and R. Boswell, Phys. Plasmas 11 



(2004) 1706.  

[2]  H.  Byhring  et al., Phys. Plasmas  15  (2008) 

102113. 

[3]  N. Gulbrandsen  et al., Phys. Plasmas  22 

(2015) 033505.  

Topic number 8 

Ratio 

357


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

 

 

357 

Studies of laser-induced plasma in argon using emission spectroscopy 

and laser Thomson scattering:  thermodynamic equilibrium and 

plasma heating by the probe laser beam

 

 



T. Pięta

UP

1



P

, M. Sankhe

2

2



U

K. Dzierzega

1

, S. Pellerin



P

2

P



, M. Wartel

2

, W. Zawadzki



1

, and B. Pokrzywka

3

 

 



P

 

P

1

P

 M. Smoluchowski Institute of Physics, Jagellonian University, ul. Łojasiewicza 11, 30-348 Kraków, Poland 

2

P

 GREMI: Groupe de Recherches sur l’Energétique des Milieux Ionisés, CNRS, Université d’Orléans, France 



3

 Mt Suhora Observatory, Pedagogical University of Cracow, 30-084 Kraków, Poland 

 

Scattering of electromagnetic waves by free electron of a plasma, named the Thomson scattering is 



a  powerful  and  largely  used  method  to  measure  important  plasma  parameter  –  the  electron 

temperature T

e

 and density n



e

. Thomson scattering has played an important role in the studies of 

nuclear fusion plasmas where it is still the most reliable method for measurements of the electron 

temperature. However, using high power probe laser beam to generate a scattered signal by free 

electrons can lead to plasma heating via inverse Bremsstrahlung and thus can modify the plasma 

parameters. In this work, we have studied the effect of the probe beam laser energy on T

e

 and n


e

 in 


argon plasma and the existence of the local thermodynamic equilibrium (LTE). 

 

1. Experimental setup 

The  plasma  was  created  with  frequency  doubled 

Nd:YAG  laser,  at  532 nm  pulses  of  4.5 ns  duration 

and a repetition rate of 10 Hz, by focussing the laser 

beam  in  a  chamber  filled  with  1 bar  argon.  For  the 

Thomson  scattering  (TS),  another  Nd:YAG  laser  at 

532  nm,  named  “the  probe  laser”,  with  similar 

duration  as  the  plasma  generating  one  and  energy 

from 1 mJ to 15 mJ, was used. The probe laser beam 

is directed perpendicularly to the  plasma generating 

one and the emission from laser induced plasma and 

the scattered light were observed at 90° and imaged 

onto  an  entrance  slit  of  a  spectrograph  (Acton  SP-

2750i).  

The radiation scattered from free charges is mainly 

due  to  electrons  because  their  mass  is  much  lower 

than the mass of ions resulting in their much higher 

acceleration  in  an  electric  field  of  the  laser  and 

consequently large dipole radiation. Applied to laser-

induced  plasma,  TS  allows  to  directly  determine 

parameters  of  the  plasma  electrons  e.g.  T

e

  and  n


e

 

without 



any 

assumption 

about 

plasma 


thermodynamic equilibrium.  

2. LTE in the argon plasma 

Laser-induced  plasma  (LIP)  is  usually  described 

statistically  assuming  the  local  thermodynamic 

equilibrium  (LTE).  At  this  approach,  velocities  of 

plasma  components,  populations  of  their  energy 

levels  and  chemical  composition  of  plasma  are 

described  by  the  Maxwellian  velocity  distribution 

function, the Boltzmann distribution function and the 

Saha-Eggert  equation,  respectively.  Each  of  these 

functions is dependent on the distinctive temperature: 

kinetic, excitation and ionic - which are equal under 

LTE  conditions.  Unfortunately,  it  is  very  common 

that the LTE plasma is assumed a priori, without any 

experimental  verification.  Even  if  such  validation 

takes  place,  usually  only  optical  emission  methods 

are applied. 

The main goal of this work was to investigate the 

equilibrium state of laser-induced plasma in argon at 

different stages of its evolution using optical emission 

spectroscopy  (OES)  and  laser  Thomson  scattering 

(LTS)  technique

1

.  Spatially  resolved  electron 



temperature  and  electron  density  were  directly 

derived from TS spectra while excitation temperature 

was calculated from the spectra of argon atoms and 

ions employing the Boltzmann plot method.  



Our preliminary results show huge discrepancy 

between intensity ratios of ionic to atomic argon lines 

computed  with  measured  electron  density  and 

temperature and assuming plasma in LTE, and those 

directly  obtained  from  emission  spectra.  It  implies 

either  incorrect  data  processing  or  some  principal 

problems  with thermodynamic state  in such  kind  of 

plasma. 


3. TS for the electron parameters measurements 

Using high power probe laser beam to generate a 

scattered signal by free electrons can lead to plasma 

heating  via  inverse  Bremsstrahlung  and  modify  the 

plasma  parameters  Our  first  results  show  that  in 

general the electron density seems not to be disturbed 

or modified by the probe laser. It is not the case for 

the  electron  temperature:  Te  could  be  considerably 

increased by the probe laser beam.  

 

1



 K. Dzierżęga, A. Mendys, B. Pokrzywka, What can we 

learn  about  laser-induced  plasmas  from  Thomson 

scattering  experiments,  Spectrochim.  Acta  Part  B  98 

(2014), 76  

358


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

 

 



 Electric field measurements in DBD plasma jet using intensity ratio of 

helium lines  

 

M. M. Kuraica



P

1

P



U

G. B. Sretenović



1

P

, V. V. Kovačević



P

1

P



, I. B. Krstić

P

1



, B. M. Obradović

1

, N. 



Cvetenović

1, 2


 and R. Brandenburg

3

P



  

 

P



1

P

 University of Belgrade, Faculty of Physics, Belgrade, Serbia 

P

2

P

 Faculty of Transport and Traffic Engineering, University of Belgrade, Belgrade, Serbia 



3

 Leibniz Institute for Plasma Science and Technology (INP Greifswald), Greifswald, Germany

 

 



In this paper a method is proposed and tested for electric field measurements in the streamer head 

of DBD helium plasma jet. The method uses intensity ratio of two helium singlet lines: He I 2

1

P-

3



1

D at 667.8 nm and He I 2

1

P-3


1

S at 728.1 nm. The method is based on our earlier work in helium 

dielectric barrier discharge (DBD). Collisional-radiative model for the involved atomic levels is 

utilized to obtain the functional dependence of the line ratio on the local electric filed strength. 

The obtained values of the electric field are compared with the results obtained by Stark 

polarization spectroscopy. 

 

 

1. Introduction 

One of the most promising and patient friendly 

plasma devices for biomedical applications is non-

thermal atmospheric pressure plasma jet. It can be 

found in various constructions and under various 

operation conditions. Non-thermal atmospheric 

pressure plasma jet requires noble gas as working 

media and AC or pulsed high voltage supply. It is a 

source of guided ionization waves, typically one 

ionization wave – streamer per one voltage half 

cycle. If discharge gets in contact with target, 

streamer becomes only one part of the entire 

discharge which transforms to transient glow 

discharge. The electric field strength is one the most 

important parameters of streamer discharges and the 

knowledge of the electric field in the streamer head 

can give information about other parameters, such as 

electron density and production of different active 

chemical species. The well-established Stark 

polarization spectroscopy method suffers from a low 

intensity of used helium lines, thus the new les 

demanding method would be of great interest [1,2]. 

Here we present preliminary results of the electric 

field measurements in the streamer head of DBD 

helium plasma jet using the intensity ratio of two 

helium singlet lines: He I 2

1

P-3


1

D at 667.8 nm and 

He I 2

1

P-3



1

S at 728.1 nm [3]. 



2. Experiment 

Investigated DBD plasma jet consisted of quartz 

capillary of the inner diameter of 1 mm and outer 

diameter of 2 mm, with two metallic electrodes 

wrapped around it. The amplitude of applied 

sinusoidal voltage was 2.5 kV and the frequency was 

10 kHz. Five millimetres downstream the exit tube 

copper grounded electrode was placed. High 

resolution spectrometer equipped with iCCD camera 

was used for all measurements. 



3. Results 

Figure 1 presents comparison of the results obtained 

by two methods. The preliminary results are 

promising and further studies should be preceded. 

-1

0

1



2

3

4



5

6

7



8

9

0



5

10

15



20

25

30



U = 5.0 kV

pp

E [kV



/cm]

z [mm]


 Line ratio

 Stark polarization spectroscopy

Glass tube

Gro


u

n

d



e

d

 pl



at

e

 el



ec

tr

od



e

G

rou



nd

ed r


ing

 el


ec

tr

od



e

Effluent


 

Figure 1: Comparison of the electric field strength inside 

the capillary of the plasma jet and in the effluent obtained 

by two independent methods. 

4. References 

[1]  M. M. Kuraica and N. Konjević  Appl. Phys. 

Lett. 70 (1997) 1521–3 

[2]  G. B. Sretenović, I. B. Krstić, V. V. 

Kovačević, B. M. Obradović and M. M. Kuraica  J. 

Phys. D. Appl. Phys. 47 (2014)102001 

[3]   S. S. Ivković, G. B. Sretenović,

 

B. M. 



Obradović, N. Cvetanović and M. M. Kuraica  J. 

Phys. D. Appl. Phys. 47 (2014) 55204 

 



359



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

 

 



W-band Extended Interaction Oscillator based on a                          

pseudospark-sourced electron beam  

 

A.W. Cross



1

, H. Yin


1

, L. Zhang

1

, W. He


1

, Y. Yin


2

, J. Zhao

3

 and A.D.R. Phelps



 

P



1

P

 Department of Physics, SUPA, University of Strathclyde, Glasgow, G4 0NG, United Kingdom                         



2

University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu, 610054, China  

3

P

High Voltage Division, School of Electrical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an, 710049, China  

 

The pseudospark discharge is a low-pressure gas discharge, capable of generating extremely high 



currents  within  short  rise  times  by  means  of  a  hollow  cathode  structure.  A  high-quality,  sub-

millimetre  diameter electron beam was  generated during the discharge process which possesses a 

high current density and brightness. A pseudospark (PS) sourced electron beam did not require the 

use of an external guide magnetic field as the beam is self-focused by ion channel focusing. The PS 

electron beam was used to  drive a W-band (75-110 GHz) Extended Interaction Oscillator (EIO). The 

EIO  combines  the  merit  of  a  short  interaction  length  and  is  best  suited  to  be  driven  by  a small 

diameter,  high  current  density  electron  beam.  The  pseudospark  discharge  is  therefore  an  ideal 

cathode  for an EIO. Experimental results presented will show that with a 35 kV discharge voltage, 

the  EIO  successfully  produced  W -band  radiation  pulses  with  200  W  peak  power  and  20  ns 

duration, agreeing well with the 3D Particle-in-Cell (PIC) simulations using MAGIC. 

 

1. Introduction 

A pseudospark  (PS) is an axially symmetric, self-

sustained,  transient,  low  pressure  (typically  50–500 

mTorr)  gas  discharge  in  a  hollow  cathode/planar 

anode  configuration,  which  operates  on  the  low 

pressure  side  of  the  hollow  cathode  analog  to  the 

Paschen curve [1]. The production of higher current-

density  electron  beams,  compared  to  thermionic 

cathodes,  from  a  pseudospark  discharge  has  been 

convincingly  demonstrated  [2].  The  current  density 

of a pseudospark-sourced electron beam can achieve 

~1kA/cm


2

  [3],  which  enables  a  wide  range  of 

applications  in  generating  millimetre  and  terahertz 

radiation.  



 

2. Experimental results  

A  four-gap  pseudospark  discharge chamber was 

used which can hold-off a discharge voltage of up to 

40 kV, was connected to a W-band EIO, fig 1.  

 

Fig. 1.  Experimental setup of the W-band EIO based on a 

pseudospark-sourced  electron  beam  and  the  schematic 

drawing of the experiment

 



The  discharge  voltage was swept from 38 kV to 

25kV  to  achieve  the  maximum  output  power.  The 

peak  power  of  the  radiation  was  measured  to  be 

200W.  The  output  frequency  was  measured  to  be 

~94GHz.  

 

3. Conclusion 

The pseudospark-sourced electron beam which is 

focused  by  the  positive  ion  channel  generated  from 

the pseudospark discharge process was successfully 

used  to  drive  a  W-band  EIO  circuit  to  generate 

coherent  radiation.  The  background  unmagnetized 

plasma can be considered as a dielectric media with 

a  dielectric  constant  of  ε

r

=1-ωpe


2

2



.  As  the 

operating  frequency  is  far  away  from  the  plasma 

frequency the plasma would have negligible effect on 

the output power of the EIO.  As the current density 

of  the  pseudospark-soured  electron  is  much  higher 

than  a  thermionic  electron  beam,  it  is  an  excellent 

electron  beam  source  to  drive  a  pulsed  EIO  circuit 

operating  at higher frequencies with reasonable high 

radiation power.

 

 

3. References  

[1]  K.  Frank  and  J.  Christiansen,  IEEE  Trans. 

Plasma Sci., 17, 748 (1989). 

[2]  H.  Yin,  A.  W.  Cross,  at  al  Phys.  Plasmas  16, 

063105 (2009). 

[3]

 

W.  He,  L.  Zhang  D.  Bowes,  H.  Yin,  et  al  



Applied Physics Letters, 107, 913, 133501, 2015. 

360



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

 

 



Effect of Plasma Activated Medium on human Head & Neck cancerous 

Tumor Spheroids.

  

 



J.Chauvin

1,2


P

U



F.Judée

1

P



, N.Merbahi

P

1



P

, P.Vicendo

P

2

P



 

P

1

P

 Université de Toulouse - LAPLACE, UPS, Toulouse, France  

P

2

P

 Université de Toulouse -

 

IMRCP, CNRS, Toulouse, France 

 

This  work  investigates  the  effect  of  Plasma  Activated  Medium  (PAM)  on  human  head  and  neck 



cancerous  cells  using  FaDu  multicellular  tumour  spheroids  (MCTS).  Results  indicate  that  PAM 

induces cell detachment as soon as the first day post PAM treatment and in a PAM time-dependant 

manner. The presence of hydrogen peroxide in PAM has been shown to be responsible for this cell 

detachment. However, a rapid regrowth of the multicellular tumour spheroids size is observed after 

PAM treatment probably due to a defense mechanism exhibited by FaDu cells. To counteract this 

effect, successive treatment were done and growth inhibition obtained.  

 

1. Introduction 

Chemotherapy  and  radiotherapy  have  a  low  rate 

of  success  against  Head  and  Neck  Cancer  due  to  a 

high level of resistance [1].  

For  over  a  decade,  cold  atmospheric  plasma  has 

been  studied  in  the  biomedical  field.  It  high 

reactivity  allow  the  creation  of  RONS  [2]  that  are 

cytotoxic on various cancer cell lines [3-4] and may 

induce cell death via apoptosis [4].  

Recently,  we  reported  that  PAM  induced  cell 

death  mainly  by  the  involvement  of  hydrogen 

peroxide [3].   

This  work  studies  the  effect  of  PAM  on  FaDu 

MultiCellular  Tumor  Spheroids  (MCTS)  and  the 

involvement  of  hydrogen  peroxide  in  PAM 

treatment.  

 

2. Results 

The first  effect  observed is a volume loss at day 

one 

post-treatment 



associated 

with 


cell 


detachment.  This  effect  may  be  attributed  to  H

2

O



2

The second effect is a rapid re-growth the following 



days  attributed  to  the  auto-organization  of  MCTS 

and FaDu defence mechanism (Fig. 1).  

 

 

Fig  1.  Relative  growth  of  spheroid  after  PAM 



treatment for several exposure times.  

This  increase  of  spheroids  growth  may  be 

attributed  both  to  loss  of  MCTS  auto-organization 

and  to  FaDu  defense  mechanisms  induced  by  an 

external attack. 

After  4  successive  treatments  (Fig.  2),  FaDu 

MCTS  were  successfully  disrupted.  However,  after 

each treatment the previously exhibited effects: cell 

detachment  and  proliferation  were  observed  until 

the forth one.  

 

Fig 2. Successive treatment of FaDu spheroids 



 

3. References 

 

[1]  Mutschelknaus  L,  Peters  C,  Winkler  K, 



Yentrapalli R, Heider T, Atkinson MJ, Exosomes Derived 

from  Squamous  Head  and  Neck  Cancer  Promote  Cell 

Survival after Ionizing Radiation, PLoS ONE2016 11[3]: 

e0152213 

[2]

 

Fridman,  A;  Plasma  Chemistry,  Cambridge: 



Cambridge University Press2008, 1017 p 

[3]


 

Judée, F.; Fongia, C.; Ducommun, B.; Yousfi, M.; 

Lobjois, V.; Merbahi, N. Short and Long Time Effects of 

Low  Temperature  Plasma  Activated  Media  on  3D 

Multicellular  Tumor  Spheroids,  Sci  Reports,  2016,  6

21421. 


 [4]

 

Utsumi, F.; Kajiyama, H.; Nakamura, K.; Tanaka, 



H.;  Hori,  M.;  Kikkawa,  F.  Selective  Cytotoxicity  of 

Indirect  Nonequilibrium  Atmospheric  Pressure  Plasma 

against  Ovarian  Clear-Cell  Carcinoma,  Springerplus, 

2014, 3, 398. DOI: 10.1186/2193-1801-3-398 

17 


361

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

 

 



PTR-TOF analyzis of glow discharge products in Titan related atmosphere 

  

 

S. Chudjak



P

, F. Krcma

P

, V. Mazankova 



 

Faculty of Chemistry, Brno University of Technology, Brno, Czech Republic

 

 



 

The  glow  discharge  at  atmospheric  pressure  was  generated  in  the  nitrogen-methane  (1  to  5  %) 

gaseous mixtures related to the Titan’s atmosphere. The discharge itself was monitored by optical 

emission  spectrometry  that  confirmed  presence  of  active  nitrogen  species  and  various  radicals 

formed from methane. Besides them, the CN spectral bands were observed. Intensities of all light 

emitting  species  were  studied  in  the  dependence  on  applied  power  and  composition  of  nitrogen-

methane  mixture.  The  stable  discharge  products  were  analysed  by  proton  transfer  time  of  flight 

mass spectrometry of the exhausting gas. Presence of huge number of amino and cyano compounds 

was confirmed as well as aliphatic and some aromatic hydrocarbons. Their relative concentrations 

were determined under the same conditions as optical emission spectra were collected. 

 

1. Introduction 

The  laboratory  studies  of  chemical  processes 

initiated  by  electrical  discharges  in  extra-terrestrial 

planetary  atmosphere’s  gaseous  mixtures  started  to 

be important during last years because of observing 

many exoplanets and search of potential exo-biology 

or  even  exo-life.  The  most  studied  exo-atmosphere 

is  Titan’s  one  because  it  was  proposed  that  current 

Titan’s  atmosphere  is  similar  \as  Earth  atmosphere 

before life formation. 



Download 9.74 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   72   73   74   75   76   77   78   79   ...   85




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling