On phenomena in ionized gases

2. Experimental 

The  atmospheric  pressure  DC  glow  discharge  at 

energy of up to 50 W was created between stainless 

steel electrodes in pure nitrogen containing 1-5 % of 

methane.  The  flow  rate  of  gaseous  mixture  was 

fixed  at  100  Sccm.  Whole  system  was  evacuated 

before measurement by rotary oil pump to minimize 

the  gaseous  mixture  contamination  by  oxygen.  The 

optical emission spectra of discharge were collected 

using  Jobin  Yvon  TRIAX  550  spectrometer  with 

CCD  detector.  The  exhaust  gas  was  analysed  using 

proton  transfer  time  of  flight  mass  spectrometry 

allowing  simultaneous  detection  of  many  stable 

discharge products without fragmentation. 

3. Results 

The nitrogen molecular second positive and first 

negative  bands  and  CN  violet  CN  bands  were 

determined  as  the  most  intense  in  the  discharge 

emission  spectra.  The  hydrogen  lines  and  C

2

  Swan 

molecular  bands  were  determined,  too.  Using  these 

spectra,  the  rotational  temperature  of  about  2000 K 

was  calculated.  This  temperature  is  nearly 

independent  on  the  applied  power  and  slightly 

increases with the increase of the methane content in 

the  gaseous  mixture.  The  vibrational  temperature 

obtained  from  neutral  nitrogen  molecule  is  also not 

dependent  on  the  applied  power  but  it  increases 

nearly directly proportionally from 300 K (at 1% of 

methane)  to  3600  K  (at  5%  of  methane).  In  the 

contrary,  vibrational  temperatures  obtained  from 

nitrogen  molecular  ion  and  CN  showed  the  same 

trend: temperature is decreasing with the increase of 

nitrogen  in  the  gaseous  mixture  and  they  are 

increasing  directly  proportionally  with  applied 

discharge  power.  Both  of  them  are  significantly 

higher  (up  to  5700  K)  than  was  calculated  for 

neutral nitrogen. 

An  example  of  PTR-TOF  spectrum  is  given  on 

Fig.  1  there  the  main  determined  compounds  are 

marked. Totally, 32 compounds were identified and 

their relative intensities were studied under the same 

conditions as were used for the OES measurements.   

 

Acknowledgement 

This  work  was  supported  by  the  Czech  Ministry  of 

Education,  Youth  and  Sports  under  project 

LD15011 and in was carried out as a part of broader 

research  done  under  the  frame  of  COST  Action 

TD1308.

 

Topic  number  7 

7 

362

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

 

   

 

 

Atmospheric pressure plasma treatment of agricultural seeds with effect 

on wettability and surface chemical changes

 

 

Vlasta Štěpánová

1

, Pavel Slavíček

1

, Jakub Kelar

1

, Jan Prášil

2

, Milan Smékal

2

, 

Monika Stupavská

1

, Jana Jurmanová

1

, Mirko Černák

1

 

 

P

1

P

 Department of Physical Electronics, Faculty of Science, Masaryk University, Czech Republic  

P

2

P

 SEMO a.s, Smržice, Czech Republic

 

 

Diffuse  coplanar  surface  barrier  discharge  (DCSBD)  at  atmospheric  pressure  in  ambient  air  was 

used for plasma treatment of agricultural seeds. The aim of plasma treatment was improvement of 

wettability  and  potential  reduction  of  pathogens.  Lettuce  seeds  were  plasma  treated  for  a  few 

seconds  and  analyzed  with  SEM,  XPS  and  method  for  measurement  of  water  uptake.  Surface 

morphology  was  not  affected  with  plasma  treatment.  Plasma  treatment  caused  surface  chemical 

changes and improvement of water uptake with only slight decrease of germination in comparison 

with untreated seeds. Change in percentage of chemical bonds containing carbon and oxygen was 

observed. Significant increase of O/C ratio after few seconds of plasma treatment was reached. 

 

Improvement  of  germination,  reduction  of  diseases, 

changing  of  water  absorption  properties  are  crucial 

parameters for growth process of agricultural seeds. 

Different  plasma  sources  are  used  for  plasma 

treatment of seeds.  

Plasma  treatment  of  agricultural  seeds  e.g. 

lettuce  using

  Diffuse  coplanar  surface  barrier 

discharge  (DCSBD)  operating  in  ambient  air  at 

atmospheric 

pressure 

is 

presented 

in 

this 

contribution.  

Diagnostics  methods  used  for  evaluation  of 

plasma  treated  seeds  were:  scanning  electron 

microscopy 

(SEM), 

X-ray 

photoelectron 

spectroscopy (XPS) and method for measurement of 

water uptake (Washburn method). 

Germination  of  plasma  treated  seeds  is 

depending  on  the  duration  of  plasma  treatment.  No 

structural  damages  were  observed  on  lettuce  seeds 

plasma  treated  for  10 s  (Figure  1).  Improvement  of 

water uptake after the plasma treatment was obvious 

which is important for planting of seeds. Increase in 

content of oxygen and decrease in content of carbon 

was  observed  after  the  plasma  treatment.  O/C  ratio 

significantly increased after plasma treatment which 

indicates  hydrophilization  of  seeds.  Potential  effect 

of 

plasma 

treatment 

on 

pathogens 

and 

microorganisms incidence on seeds will be studied.  

The conclusion is that DCSBD plasma treatment 

in  order  of  few  seconds  is  able  to  affect  the 

properties of agricultural seeds. 

 

Acknowledgements:  

This  research  has  been  supported  by  the  project 

LO1411  (NPU  I)  funded  by  Ministry  of  Education, 

Youth and Sports of Czech Republic. 

 

 

  

 

Figure  1.  Surface  morphology  of  plasma  treated 

lettuce seeds. 

 

Topic number 17 

363

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

 

 

Theoretical and experimental study of plasma jet interaction with surface  

 

I. Schweigert

P

1,

 P

2

P

, 

U

L. Lin

P

1

P

, M. Keidar

1

 

 

P

1

P

 George Washington University, Washington D.C. 20052, USA 

P

2

P

 Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics, Novosibirsk 630090, Russia 

 

 

Characteristics of streamer propagating over helium jet at atmospheric pressure are studied in 2D 

simulations and in the experiment. This type of streamer often referred as cold atmospheric plasma 

jet is widely used for medical applications. We study effect of surface presence and interaction of 

the  streamer  with  surface  with  different  properties  (surface  charge,  ion-electron  emission,  biased 

surface).  The  enhancement  of  streamer  properties  is  obtained  with  biased  ring  placed  some 

distance from dielectric tube.  

 

Cold  atmospheric  plasma  (CAP)  jet  becomes  attractive 

research  topic  due  to  different  applications,  in  particular 

for  cancer  treatments  (see  for  example  [1]).

 

The  CAP  jet 

forms as a result of ionization along the gas flow passing 

through  high  voltage  electrodes.  Streamer  propagates  by 

ionizing  neutral  particles  at  front.  In  Ref.  [2],

 

the idea of 

using a ring with DC voltage was proposed. It was shown 

that  the  jet  length  can  be  changed  by  setting  up  different 

ring potentials. 

 

 

 

Fig. 1. Experiment: CAP jet with a ring potential and grid. 

 

To  study  the  effect  of  additional  DC  voltage  from 

the  ring  and  interaction  of  jet  with  a  surface  we 

performed  experimental  and  computational  analysis 

of  CAP  jet  shown  in  Fig.1.  The  jet  is  generated  by 

an  AC  voltage  of  4  kV  pk-pk  at  12.44kHz  in  a 

5LPM helium flow. The ring with applied voltage is 

place  1  cm  apart  from  the  discharge  tube. 

Additionally  a  grid  made  from  crossed  wares 

covered  by  dielectric  is  placed  4  cm  apart  from 

discharge  tube  which models a cell membrane. The 

photographs  of  some  details  of  experimental  set  up  

is  shown  in  Fig.  1.  We  have  performed  2D 

simulations  of  DC  discharge  in  dielectric  tube  and 

streamer formation and propagation outside of tube. 

In  our  simulation  model  we  use  the  fluid  approach 

with  additional  continuity  equation  for  electron 

energy.  The  surface  charge  accumulation  and  ion-

electron  emission  are  taken  into  account.  We 

assume  that  streamer  propagates  over  helium  at 

atmospheric gas pressure. In 

Fig. 2, the ionization rate 

and  electrical  field  distribution    are  shown  at  the  time 

when streamer head is 3 cm apart from the discharge tube 

exit (at z=2.5 cm) for the case of a 10 V ring potential.  

0.05 0.10 0.15

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

r, cm

z

, 

c

m

1.0E17

1.6E17

2.6E17

4.2E17

6.9E17

1.1E18

1.8E18

2.9E18

4.7E18

7.6E18

1.2E19

2.0E19

0.2 0.4 0.6

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

r, cm

z

,c

m

10.00

1009

2008

3007

4006

5005

6004

7003

8002

9001

10000

 

Figure 2.  Simulation: Ionization rate, 1/cm

3

s (left) and 

electrical field, V/cm (ring) with a ring with 10 V bias. 

 

In  simulation  the  ionization  front  speed  is  about 

17 km/s. The ionization rate is about 2x10

19   

cm

-3

s

-1

 

and  this  value  is  constant  during  streamer 

propagation up to 4 cm and then quickly decreases. 

Note  that  in  simulation  the  gas  flow  is  assumed  to 

be laminar. Streamer channel radius  is 300 microns. 

The  electrical  field  E    in  streamer  head  is about  10 

kV/cm. 

The 

measured 

and 

computed 

jet 

characteristics are in good agreement. A variation of 

ring  potential  from  -1.5  kV  to  1.5  kV  considerably 

affect  CAP  jet  properties.  The  sheath  structure  and 

strength  of  electrical  field  near  grid  surface  are 

essentially  changed  for  different  surface  potentials 

and emission yield. 

 

[1] M. Keidar at al Br. J. Cancer 105 (2011) 1295.  

[2] A. Shashurin, M. N. Shneider, and M. Keidar, 

 Plasma Sources Sci. Technol. 21 (2012) 034006. 

Topic number 3 

364

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

 

 

Optical Emission Spectroscopy Investigations in a Non-Transferred DC 

Plasma Torch 

 

Vidhi Goyal, P. Bharathi and G. Ravi  

 

 Institute for Plasma Research, Bhat, Gandhinagar-382428, India 

 

We  present  the  nitrogen  species  evolution  and  plasma  temperature  measurements  [1]  at  different 

operating  conditions  of  a  non-transferred  dc  plasma  torch.  For  estimations  of  plasma  parameters, 

high resolution optical emission spectroscopy (OES) is performed for  wide range of gas flow rates 

(20 to 60 lpm) in the presence of external magnetic field (100 to 300 G) for various currents (70 to 

120 A) at atmospheric pressure with nitrogen as working gas. These OES investigations allow us to 

study  the  variation  of  the  dominant  species  with  various  operational  parameters  of  the  torch.  The 

plasma  temperature  is  estimated  from  three  independent  techniques:    (i)    intensity  analysis  of 

molecular bands of first negative systems of N

2

+

, (ii) Boltzmann plot of neutral atomic lines and (iii) 

line  broadening  analysis  of  the  same  neutral  nitrogen  lines.  For  the  former  two  techniques,  local 

thermodynamic equilibrium (LTE) is assumed.  These estimations yield  plasma temperature in the 

range  of  3000  –  8000  K  for  the  range  of  parameters  mentioned  above.  Additionally,  influence  of 

various  operating  parameters  on  the  plasma  temperature  is  also  presented  and  discussed  in  this 

work. 

 

A  comprehensive  study  on  the  fluctuations  of  the 

arc  root  and  column in a non-transferred  dc plasma 

torch  requires  estimations  of  plasma  parameters  for 

various  operational  conditions  of  the  torch.  Such 

studies  are  necessary  to  understand  the  complex 

interaction  between  different  forces  that  act  on  the 

plasma  column  and  lead  to  the  above  mentioned 

fluctuations.  In  the  present  work,  OES  on  a  dc 

plasma  torch  was  performed  using  0.5  m  ARC 

spectrograph  with  PI  CCD  and  1800  l/mm  grating. 

Studies  on  the  behaviour  of  the  species  evolution 

and  presence  of  dominant  species  are  carried  out. 

The  plasma  temperature  is  obtained  using  N

2

+

  FNS 

bands  (Fig.  1)  and  excited  emissions  from  neutral 

Nitrogen  atoms  (wavelength  range:  740  nm  to 

1100nm).

 

 

Figure 1 - Experimental data of N

2

 FNS band for 20 lpm, 

70A discharge current and 100 G external magnetic field. 

Study  further  shows  that  neutral  atomic  nitrogen  is 

the dominant species in the discharge. The intensity 

of  dominant  specie  is  maximum  at  nozzle  exit  and 

decreases  along  the  plume.  The  intensity  v/s 

pressure  scaling  shows  a  decrease  of  intensity 

indicating  a  lower  temperature  at  higher  gas  flow. 

Few  N

2

+

  FNS  molecular  bands  (Fig.  2)  are  also 

simulated  using  LIFBASE  software  to  benchmark 

the  experimentally  obtained  temperature values  and 

show good agreement.

 

 

 

Figure  2  -  N

2

  FNS  band  simulation  for  20  lpm,  70A       

discharge current and 100 G external magnetic field. 

 

3. References 

 [1]  Boulos,  M.  I.,  Fauchais,  P.,  and  Pfender  E., 

Thermal  Plasmas:  Fundamentals  and  Applications, 

Plenum Press, New York, (1994) 

11 

365

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

 

 

Dynamics of a nanosecond diffuse pin-to-plane discharge – 

Effects of pin material at high overvoltage 

 

P. Tardiveau, A. Brisset, P. Jeanney 

 

Laboratoire de Physique des Gaz et des Plasmas, CNRS, Paris-Saclay Université, 91400, Orsay, France 

 

The  dynamics  and  propagation  speed  of  a  pin-to-plane  discharge  generated  in  atmospheric  air 

under high nanosecond overvoltage is analyzed and discussed for different pin materials. Pulses of 

85kV  with  2ns  rise  time  are  applied  to  a  conical  pin  electrode  made  of  different  materials: 

aluminum,  titanium,  stainless  steel,  copper,  molybdenum  and  tungsten.  Discharge  propagation 

speed is derived from sub-nanosecond time resolved imaging of the discharge front location with 

an accuracy of 0.3 mm/ns. Results clearly show the slowdown of the discharge with the tungsten 

electrode  and,  to  a  lesser  extent,  with  aluminum.  For  these  two  materials,  the  average  speed  is 

decreased respectively by 20 and 10 % compared to the case of copper electrode. 

 

1. Introduction 

Pin-to-plane  discharges  generated  under  very  high 

overvoltage (> 500%) nanosecond pulses, showing a 

large  and  diffuse  pattern in  atmospheric  air, are  not 

extensively studied and fully understood [1]. At such 

high  voltages,  the  very  intense  electric  field  at  the 

pin might induce non local mechanisms and specific 

behaviour  (runaway  electrons,  X-ray  emission). 

Some  previous  studies,  in  similar  configurations, 

seem  to  show  X-rays  emission  from  the  electrodes 

[2],  which  should  depend  on  their  material  type 

since X-rays would arise from high energy electrons 

impact  on  the  electrodes.  Within  this  scope  and 

considering that possible X-rays could influence the 

dynamics  of  discharges  by  photo-ionization  effects, 

our  study  focuses  on  the  only  effect  of  the  pin 

electrode  material  on  the  propagation  speed,  all  the 

other 

experimental 

parameters 

remaining 

unchanged. 

 

2. Experimental 

The  diffuse  discharge  starts  to  develop  from  a  pin 

electrode with a well calibrated conical shape and a 

tip radius of about 30 µm. It extends and propagates 

towards a plane at 25 mm from the pin. A very high 

electric field (> 5000 Td at the pin, down to 20 Td at 

the  plane)  is  generated  by  a  +85  kV  peak  voltage 

nanosecond pulse (2 ns rise time and 5 ns width) at 5 

Hz.  Experiments  are  carried  out  with  synthetic  air 

(1l/min)  at  atmospheric  pressure.  Light  emission 

from  the  discharge  (mainly  N

2

(C-B)  spectrum)  is 

recorded  with  an  intensified  4-Picos  Stanford 

Camera (200 ps time gate) through a UV-visible lens 

(F/2.8).  Propagation  speed  is  derived  from  time 

resolved  sequences  of  the  discharge  front  location.  

Taking into account the jitter of the camera (100 ps) 

and  the  reproducibility  of  the  discharge  for  given 

conditions, 

uncertainty 

on 

measurements 

is 

estimated  to  ±  0.3  mm/ns.  Figure  1  shows  the 

results  for  six  different  materials  classified,  on  x-

axis, according to the energy of their characteristic X 

emission  line  (K

α

).  Electronic  impacts  can  produce 

X-rays  of  respectively  1.5,  8  and  59  keV  with 

aluminum, copper and tungsten. 

 

3. Results 

Discharge  propagation  is  clearly  slower  with 

tungsten pin (speed 20 % less than with copper) and 

speed reaches  lower  maxima  for  decreasing K

α

  line 

energy  between  copper  and  aluminum.  Pin  material 

can  have  significant  effects  on  discharge  dynamics 

at very high electric field. 

 

 

 

 

Figure 1. Discharge speed for six different pin anode 

materials according to the energy of X- ray K

α

 line    

 

3. References 

[1]  P  Tardiveau  et  al  2016  Plasma  Sources  Sci. 

Technol. 25 054005

 

 

[2]  C  V  Nguyen  et  al  2010  J.  Phys.  D:  Appl. 

Phys. 43 025202 

366

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

 

 Plasma structures induced by external  

 magnetic field  

 

I. Schweigert

1,2

, M. Keidar

1

 

 

1

George Washington University, Washington D.C. 20052, USA 

2

 Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics, Novosibirsk, Russia 

  

The characteristics of 2D periodical structures in propulsion type magnetized plasma are studied in 

kinetic  PIC  MCC  simulations.    With  increasing  an  obliqueness    of  magnetic  field  the  ridges 

(maxima)  of  electron  and  ion  densities  form in the plasma volume in cylindrical  chamber. These 

ridges are shifted relative each other that results in the formation of two-dimensional double-layers 

structure. Depending on Larmor radius  and Debye length  up to nineteen potential steps  appear 

across the oblique magnetic field.  

 

 

Recently  some  methods  to  control  the  Hall  effect 

thruster  characteristics  with  applying  the  oblique 

magnetic  field  with  respect  to  the  channel  walls    is 

widely  discussed  (see,  [1]).  Nevertheless  with 

increasing  the  inclination  of  the  magnetic  field,  

discharge  plasma  properties  can  essentially  change. 

For example, a several stationary, magnetized, two-

dimensional weak double-layers  were observed in a 

laboratory  experiment    for  this  type  of  plasma    by 

Intrator, Menard, Hershkowitz [2]. 

In this paper, in kinetic simulations we consider the 

dc  discharge  plasma  in  the  external  oblique 

magnetic  field  at  pressure,  P=0.0001  Torr.  Our 

purpose  is  to  study  the  plasma  structure 

modification 

with 

 

changing 

the 

electron 

temperature, 

 

magnetic 

field 

strength 

and 

obliqueness  for  the  conditions  similar  to  the  Hall 

thruster  ones.  In  our  simulations,  the  plasma  is 

embedded  in  a  cylindrical  chamber  with  the  radius 

of  4  cm    and  the  height  H=10  cm.  All  walls  are 

grounded and the cathode is biased with -90 V (grey 

in  Fig.  1).  The  magnetic  field  B=25-100  G  and 

magnetic  field  angle  α

B

  =0-77

o

.  To  describe    the 

plasma in electro-magnetic field at low gas pressure 

we  solve  Boltzmann  equations  for  the    distribution 

functions for electrons and ions with particle-in cell 

Monte  Carlo  collision  method.  The  Poisson 

equation  was  solved  to  find  the  electrical  potential 

and electrical field distributions.

  

The  periodical  structure  with  ridges  of  ion  and 

electron  densities  was  found  for  larger  obliqueness 

of magnetic field (see Fig.1). With increasing α

B  

the 

periodical plasma structure becomes clearly visible. 

The electron and ion ridges are shifted with respect 

to  each  other  and  double–layer  structure  appears 

across  B-field  and  along  the  potential  rise.  The 

double-layers  structure  forms  due  to  a  distortion  of 

local  quasineutrality  in  the  presence  of  oblique 

magnetic  field.  The  electron  is  shifted  from  the ion 

in the direction normal to B-field and a local charge 

appears.  

 

1

2

3

4

2

4

6

8

10

(d)

1

2

3

4

2

4

6

8

10

r, cm

z,

 cm

0

2.9E7

5.7E7

8.6E7

1.1E8

1.4E8

1.7E8

2.0E8

r, cm

z,

 c

m

(a)

 

Fig. 1. Distribution of ne, cm-3  for α

B

= 55

o

 (left) and 77 

(right), B=50 G, Te=2.5 eV. 

 

4

6

8

10

1.0

1.5

2.0

3.0

3.5

2

3

4

5

6

7

8

9

10

r, cm

z,

 c

m

90.0

90.6

91.3

91.9

92.6

93.0

j

i

/1

0

-6

, A

/c

m

2

z, cm

 

 

Fig.2. Ion current density over z near  side wall for α

B

=10

o

 

(solid) and 65

 o

 (dashed), potential (insert).  

 

The  ion  current  shown  in  Fig.  2  clearly  indicates  

the periodical plasma structure. This effect can lead 

to an additional local erosion of wall material.  

 

[1] J.Miedzik, et al, Phys. Plasmas 22, 043511 (2015).  K. 

G. Xu, et al, Phys. Plasmas 19, 103502 (2012). 

[2] T. Intrator, J. Menard, and N. Hershkowitz, Physics of 

Fluids B,  5, 806 (1993). 

Topic number 8 

367

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