On phenomena in ionized gases

High-resolution laser-induced fluorescence in 

the pre-sheath of a positively biased probe  

 

F. Skiff

P

P

, 

U

R. Hood

P

, R. Merlino, and S. Baalrud  

 

P

Department of Physics and Astronomy, University of Iowa, Iowa City Iowa, USA

 

 

We  address  the  general  problem  of  precision  measurements  of  ion  distribution  functions  in  the 

presheath region of a probe.  The goal is to obtain sub-millimeter (Debye length) spatial resolution 

and bandwidth comparable to the ion-plasma frequency.  Even with the large scattering cross section 

of  laser-induced  fluorescence  (LIF)  this  resolution  is  not  possible  directly  because  of  the  limited 

photon count rate.  We report measurements of high-resolution ion flow and density profiles and 

explore the implementation of auto and cross-correlation functions techniques involving both LIF 

and  small  electric  field  probes  to  measure  the  fluctuations  and  ultimately  the  transport  in  the 

presheath region of a positively biased probe in an unmagnetized DC Argon plasma discharge. 

 

1. Introduction 

The detailed nature of the plasma sheath continues 

to be a topic of intense research, being important both 

for understanding the plasma boundary as well as the 

currents  collected  by  electric  probes.    In  particular, 

the importance of instabilities that may occur in the 

plasma  presheath  is  now  recognized.    Direct 

observation of these instabilities is complicated by the 

fact  that  they  occur  in  non-uniform  regions  of  the 

plasma where the relevant spatial and temporal scales 

are  small.    The  goal  of  this  work  is  to  develop 

techniques  for  making  in-situ  measurements  of  ion 

distribution  functions  with  sufficient  spatial  and 

temporal  resolution  to  enable  measurement  of 

unstable waves and their effects. 

 

 

       

             Figure 1 Experiemmental set-up. 

 

2. Experimental set-up 

A  DC  Argon  gas  discharge  in  a  cylindrical  multi-

dipole chamber of radius 30 cm and length of 1m is 

outfitted  with  a  high  efficiency  imaging  light-

collection system capable of simultaneously imaging 

the  light  from  two  independent  LIF  systems  onto 

identical 16 element PMTs connected to a 32 channel 

photon counting system or to an 120 MHz acquisition 

system that can time-stamp the arrival of photons in 

each channel.  A schematic of the set-up is shown in 

figure 1. 

By 

computing 

auto 

and 

cross-correlation 

functions it is possible to measure power spectra with 

a photon statistics noise floor that can be improved by 

obtaining  large  ensemble  averages.    Stationary 

conditions are obtained by feedback control of plasma 

parameters. 

Initial 

results 

demonstrating 

high 

spatial 

resolution LIF of the ion distribution functions in the 

vicinity  of  a  positively  biased  probe  have  already 

been  obtained [1].    Preliminary  results  of  high  time 

resolution  measurements  will  be  presented  and 

discussed. 

 

3. Acknowlegements 

Research  supported    by  the  NSF-DOE  joint 

program  on  plasma  science.    DOE  grant 

DESC0016473 

 

3.1 References 

[1]  R.  Hood,  B.  Scheiner,  S.  D.  Baalrud,  M.  M. 

Hopkins, E. V. Barnat, B. T. Yee, R. L. Merlino, and 

F. Skiff, Physics of Plasmas 23, 113503 (2016). 

 

Topic number 6 

377

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

 

 

Influence of water temperature on stability of three dimensional 

atmospheric plasma using water-dielectric multi layer electrode 

 

T. Misawa

P

1

 

 

P

1

P

 Dept. Electrical and Electronic Engineering, Graduate school of Science and Engineering, Saga University 

 

In this study, the development of discharge method using water dielectric multi layer electrode 

were carried out in order to improve the stability of three dimensional atmospheric discharge plasma. 

This electrode is composed of the glass container which include the pure water as an insulator put on 

the metal electrode. By the interaction between temperature dependency of the dielectric constant of 

the water and electric discharge, it is possible to easily generate the atmospheric pressure Ar plasma 

of three dimensional shape. The structure and dynamics of discharge structure of atmospheric plasma 

was drastically change with the increase of water temperature. This plasma is suitable for plasma 

treatment of three dimensional shaped objects, fruit and agricultural products. 

 

1. Introduction 

The  atmospheric  discharge  technique  using  the 

water dielectric multi layer electrode [1] can generate 

three  dimensional  shaped  atmospheric  plasma  to 

which  be  useful  for  various  application.  In  this 

technique,  the  water  temperature  has  the  important 

role  for  the  phenomena  of  discharge  (Fig.1(a)-(c)). 

This  electrode  is  composed  of  metal  electrode  and 

glass  container  which  involve  the  water.  The 

localization  of  atmospheric  discharge  arises  by 

un-uniformity  of  the  electric  field  around  the 

electrode  surface.  Then,  the  water  around  the 

localized discharge in the container is heated by the 

strong  electric  field,  and  the  dielectric  constant  of 

same place decreases in comparison with neighbour 

area. As a result, the localized discharge is moved to 

the neighbour area, where the dielectric  constant  is 

larger than previous discharge place and it is easy to 

discharge. According to the above effect, it seems to 

be possible to stably generate the atmospheric plasma 

in  the  complicated  shaped  electrode  like  the  flask 

shape  (Fig.1(d))  [2].  In  order  to  clarify  the  role  of 

water temperature on atmospheric plasma generated 

by  water  dielectric  multi  layer  electrode,  the 

dependence of water temperature on the atmospheric 

discharge condition using water dielectric multi layer 

electrode was observed. 

2. Experimental setup and discussion 

The  experiment  was  carried  out  using  coaxial 

water  dielectric  multi  layer  electrode  using  strait 

shaped  cooling  pipe  with  constant  temperature 

system. The water temperature was controlled from 

several to 70 

°C

. The Ar gas (1 atm in pressure and 3 

L/min  in  flow  rate)  and  ac  high  voltage  (10kHz, 

9kVp-p)  was  applied  between  inner  and  outer 

electrodes. The pattern of the electric discharge along 

inside  surface  of  inner  glass  tube  was  observed  by 

exposure  photographing  using  digital  camera.  The 

pattern of discharge changed with increase of water 

temperature  shown  in  Fig.2.  In  the  case  of  1.5 

°C

, 

filamentary discharge structure was generated on the 

inner  surface  of  glass  tube  (Fig.2(a)).  With  the 

increase  of  water  temperature,  the  uniform 

atmospheric discharge was generated (Fig.2(b)-(d)). 

In  the  case  of  70 

°C

,  it  was  observed  that  the 

filamentary discharge structure moves at high speed 

in  the  inner  glass  tube  by  the  high  shutter  speed 

observation  of  1  [ms],  and  moving  speed  was 

200-500 [mm/s].  

3. References 

[1] Tatsuya Misawa, Nobuya Hayashi, Japan patent 

JP6083093B, PCT/JP2012/079297. 

[2]  Tatsuya  Misawa,  et  al.,  Frontier  of  Applied 

Plasma  Technology,  Vol.6,  No.1,  pp.1-5(2013) 

(ISSN: 1883-5589). 

Topic number 

Temp. increase

=>

 decrease

(c)

plasma

transport

E

localized

plasma

(a)

E

localized

plasma

Temp. increase

=>

 decrease

(b)

(d): 9kV

p-p

Ar gas

3 L/min

   

Fig.1  Schematic and typical discharge of water 

dielectric multi layer electrode 

 

Fig.2  Dependence of water temperature on discharge. 

(a): T=1.5°C, (b): T=70°C, (c): T=70°C and 1 msec. 

378

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

 

 

Levitation of Dust in a Magnetised RF Plasma 

 

B. J. Harris

P

1

P

, 

U

P. M. Bryant

UP

1

P

 

 

P

1

P

 Department of Electrical Engineering and Electronics, University of Liverpool  

 

Dust  contamination  in  plasmas  remains  a  significant  problem  in  fusion  machines.  Obtaining  the 

plasma parameters, in order to understand dust transport, in a magnetised plasma is a challenging 

problem. Preliminary results of dust levitation in a magnetised RF plasma show a variation of dust 

height  with  increasing  magnetic  field  strength.  Emissive  probe  measurements  exhibit  a  rapid 

increase in plasma potential followed by a plateau region with increasing magnetic field. Further 

work,  using  optical  imaging  and  dust  oscillations  to  provide  the  plasma  parameters  and  dust 

charge, will be presented at ICPIG. 

 

1. Introduction 

Magnetised  dusty  plasmas  naturally  occur  in 

space,  fusion  and  industrial  plasmas.  Whether  in 

planetary  rings,  tokamaks,  or  magnetrons,  basic 

information  about  dust  continues  to  be  elusive.  In 

ITER  an  estimated  1  ton  of  dust  will  be  produced 

per  year  [1],  reducing  energy  production  and 

initiating disruptive instabilities.  

2. Experimental Setup 

2.1. Plasma Reactor 

Ar  plasma  is  generated  at  13.56  MHz  in  a 

parallel  plate  capacitively  coupled  cell.  The  Al 

chamber, 14 cm sq by 7.5 cm deep, is placed inside 

a  uniform  magnetic  field  (to  within  0.3  %)  by  a 

Helmholtz  coil.  The  4  cm  diameter  lower  driven 

electrode  is    located  4.5  cm  from  the  upper 

transparent  ITO  grounded  electrode.  RF  plasma  is 

generated  by  a  Dressler  Cesar  136  supply  coupled 

through  a  matching  unit  to  the  powered  electrode. 

Melamine Formaldehyde particles (10 µm diameter) 

were  then  levitated,  in  the  plasma,  balanced  by  the 

sheath electric field and gravity. 

2.2. Diagnostics 

The  dust  is  illuminated  by  a  laser  system  that 

generates  a  vertically  scanning  laser  sheet.  A  300 

mW beam, 1 mm diameter at 532 nm, is enlarged to 

4 mm by a beam expander. This is transformed into 

a laser sheet by cylindrical lenses. A system of two 

rotating mirrors [2] allows vertical adjustment of the 

laser  sheet  within  the  chamber.  The  light  scattered 

by  the  dust  particles  is  recorded  by  a  Photron 

FASTCAM ultima APX camera. An emissive probe, 

with  50  µm  diameter  thoriated  tungsten  wire,  was 

used  to  measure  the  plasma  potential  using  the 

floating potential method in strong emission [3]. 

 

3. Results and Conclusions 

As  shown  in  Figure  1  at  lower  pressures  (2  Pa) 

the  dust  falls  with  increasing  magnetic  field.  At 

higher pressures (6 - 10 Pa), the dust falls and then 

rises  with  increasing  magnetic  field.  At  field 

strengths  greater  than  0.04 T,  the  dust  levitation 

height does not change. This seems to coincide with 

the  plasma  potential  measurements,  which  increase 

up  to  0.08  T  and  then  varies  weakly  with  magnetic 

field. Recently, theoretical studies have shown that a 

magnetic  field  changes  the  dust  surface  charge  [4]. 

Furthermore,  the  plasma  parameters  and  electric 

field  are  expected  to  change  with  increasing 

magnetic  field.  This  will  also  alter  the  dust  charge 

and  levitation  height.  Further  experiments  using  a 

novel line ratio imaging technique to obtain electron 

density  and  temperature  maps,  at  different  field 

strengths,  are  planned.  Also,  dust  oscillation 

observations, combined with emissive probe plasma 

potential  measurements,  will  be  used  to  obtain  the 

dust  charge  and  electric  field  at  different  field 

strengths. These will be presented at ICPIG. 

4. References 

[1] V.N. Tsytovich et al., Physics-Uspekhi 41 (1998) 

815.  

[2] D. Samsonov et al., Rev. Sci. Instrum. 79, (2008) 

035102. 

[3] J.P. Sheehan et al., Plasma Sources Sci. Technol. 

20 (2011) 063001. 

[4]  D.  Lange  et  al.,  J.  Plasma  Phys.  82,  (2016) 

905820101. 

     

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure  1  -  Change  in  dust  levitation  height  with 

magnetic field. The plasma potential measurement 

at 0.25 T is not shown on the figure. 

12 

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

Magnetic Flux Density (T)

6

8

10

12

14

16

18

Height from Lower Electrode (mm)

1 W 2.2 Pa

1 W 6.3 Pa

1 W 9.6 Pa

5 W 2.2 Pa

5 W 6.3 Pa

5 W 9.6 Pa

10 W 2.2 Pa

10 W 6.3 Pa

10 W 9.6 Pa

20

25

30

35

40

45

50

Plasma Potential (V) (Dotted Line)

379

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

 

 

Synthesis of Metallic Nanoparticles using a Submerged Pulsed Arc 

 

 

C. L. Rojo Blanco

P

P

, S. Muhl 

 

P

Instituto de Investigaciones en Materiales, Universidad Nacional Autonoma de Mexico, CDMX, México,  

P

 

 

 

1. General  

We  describe  the  use  of  a  submerged  pulsed  high-

current arc of for the controllable preparation of Fe-

Bi nanoparticles using Fe and Bi electrodes. The arc 

was  produced  in  D.I.  water  and  the  nanoparticles 

were  removed  from  the  reaction  chamber  by  the 

liquid  flow.  The  nanoparticles  were  separated  and 

collected 

depending 

on 

their 

characteristics 

(magnetic,  heavy  or  light).  It  was  found  that  the 

heavy and the light nanoparticles were very similar. 

The  structure  and  the  morphology  of  the 

nanoparticles  were  studied  using  SEM,  EDS,  XRD 

and  optical  absorption.  We  observed  an  average 

particle size between 5 and 20 nm, a high percent of 

oxygen,  a  low  percent  of  bismuth  in  the  magnetic 

nanoparticles and no iron in the heavy and the light 

nanoparticles. 

Larger 

bi-metal 

spheres 

of 

approximately  1.0  micron  diameter  were  observed 

that  had  Fe  cores  covered  with  Bi.  The  temporal 

variation  of  the  arc  was  studied  using  a  high  speed 

Phantom  camera.  Both  direct  observation  and 

shadowgraphy using an expanded 532nm laser were 

performed.  The short time volume and the speed of 

the  bubble  explosion  increased  with  the  energy 

applied  to  the  system,  and  while  the  volume  grew 

linearly  with  time,  the  speed  of  the  expansion  was 

superlinear.  Finally,  longer  times  we  observed  a 

somewhat  complicated  the  bubble  evolution:  first 

the bubble expanded, reached an equilibrium state, it 

then  contracted  before  again  expanding,  and  then 

finally it dispersed.

 

14 

380

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

 

 

  

 

Understanding the nature of near-anode plasma conditions in DC 1 Atm 

pressure glows and the role that it may play in plasma self-organization  

 

Y. Kovach

P

1

P

, M.C. Garcia

P

2

P

, J.E. Foster

P

1

P

  

 

P

1

P

 Department of Nuclear Engineering, University of Michigan, Ann Arbor, U.S.A.  

P

2

P

 Department of Applied Physics, Universidad de Cordoba, Cordoba, Spain  

 

DC  atmospheric  glows  have  attracted  much  interest  in  recent  years.    The  origin  of  plasma  self-

organization  on  both  metal  and  liquid  electrodes  is  not  well  understood.  These  discharges  with 

liquid electrodes can also be used to produce nanoparticles efficiently in solution.  In this work, we 

describe electrical and spectroscopic characteristics of DC atmospheric pressure glows. A spatially 

resolved  spectroscopic  survey  near  the  plasma-electrode  interface  is  presented.    This  detailed 

information  on  gas  temperature  and  plasma  density  yields  insight  into  physical  processes  taking 

place there and provides a basis for speculation on the origin of the self-organization. The vapor 

cloud, which often appears around the main plasma column, is postulated to play a role in mass 

transport and discharge maintenance.  Here, we present spectroscopic measurements of this region 

and comment on its composition and overall origin. Work supported by DOE DE-SC0001939.  

 

1. Introduction 

Self-organization  occurs  in  a  variety  of 

biological,  physical,  chemical,  and  cognitive 

systems.  In  plasma  physics,  self-organization  is 

observed  in  phenomena  ranging  from  plasmoid 

formation  in  low  pressure,  RF  plasmas  to  large-

scale,  and  magnetized  structures  observed  on  the 

surface of the sun. Of recent interest is the puzzling 

formation  of  self-organization  patterns  on  the 

surface of liquid anodes in 1 ATM DC glows. Shirai 

[1]  documented  an  array  of  such  patterns  over  a 

broad  parameter  spaced  including  the  variation  of 

gap spacing, current, and sensitivity to feed gas trace 

oxygen  concentration.    While  these  patterns  are  of 

academic  interest  in  regards  to  understanding 

collective phenomena, the appearance of the patterns 

may play an important role in the sub-surface liquid 

phase  chemistry,  driving  convection  and  inducing 

thermal gradients.  

In many studies to date, salt water is typically 

used  as  the  electrolyte  in  these  discharges.    In  this 

current  work,  the  effect  of  a  different  electrolyte—

copper  sulfate—was  investigated.    At  similar 

solution conductivities and applied voltages reported 

previously with salt water, it was found that the self-

organization patterns are markedly different. As can 

be  seen  in  figure  1  which  shows  a  side-by-side 

comparison  between  the  salt-water  pattern  and  the 

copper  sulfate  pattern.  A  new,  complex,  was  also 

observed  with  CuSO

4

.    What  role  does  the 

electrolyte  play  in  determining  the  pattern  shape? 

This  observation  suggests  that  electrolyte  ion  mass 

or perhaps ionization state of solution ions may play 

a key role in determining overall pattern shape. This 

dependence has not previously been explored.  

Figure  1  depicts  another  interesting  comparison 

between the salt-water solution and a copper sulfate 

solution  for  a  DC  glow.  The  transport  of  ions  and 

electrons as well as the role of electrolytic species to 

discharge 

maintenance  is 

not 

well 

understood. 

What  is  quite 

apparent 

however  both 

cases  is  the 

appearance  of 

a 

prominent 

halo 

that 

surrounds  the 

main  plasma  column.  Spectroscopic  analysis  of  the 

halo suggests that it consists of sodium in the case of 

the  salt  electrolyte  and  copper  in  the  case  of  the 

copper  sulfate  solution.    In  this  case,  clearly  the 

solution  ions  play  a  role  not  only  in  electrolytic 

processes  in  solution  but  also  apparently  in  the  gas 

phase.    How  does  the  introduction  of  these  low 

ionization  potential  species  into  the  plasma  column 

affect  ionization  there?  Is  penning  ionization 

therefore  an  important  process  in  discharge 

maintenance?  The  relationship  between  this  ionic 

mass  transport  into  the  gas  phase  requires  further 

elucidation. 

2. References 

 [1]  N.  Shirai,  S.Uchida  and  F.  Tochikubo, 

Plasma Sources Sci. Technol. 23(2014). 

3 

 

Fig.  1  –  Plasma  emission  clouds 

image  with  patterns  at  2.2kV, 

8mm  gap  length  with  200  sccm 

He  flow.  Note:  (L)  NaCl 

solution. (R) CuSO

4

 solution. 

381

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

 

 

Diagnostics of Chemically Active Plasma of RF Capacitive-coupled 

Discharge in H

2