On phenomena in ionized gases

2. Experimental setup 

Stark  broadening  measurements  were  performed 

on  two  welding  processes:  GTAW  with  Argon  and 

GMAW  aluminum.  For  the  simultaneous  fine 

spectral  resolution  of  a  wide  spectral  range  an 

Echelle  spectrometer  supplied  with  a  CCD  detector 

(Aryelle  Butterfly  400,  LTB  Lasertechnik  Berlin) 

was used. The light from the plasma volume with a 

cross  section  of  1 mm  is  collected  by  a  fiber  optic. 

In order to obtain a two dimensional signal different 

points  of  the  plasma  column  are  scanned  along  the 

horizontal arc axis. 

3. References 

[1]  Sven  Goecke.  PhD  thesis,  Technische 

Universität Berlich, 2004. 

[2]  H. R.  Griem.  Plasma  spectroscopy.  New 

York: McGraw-Hill, 1964. 

[3]  M Kühn-Kauffeldt, 

J-L 

Marqués, 

and 

J Schein.  Journal  of  Physics  D:  Applied  Physics, 

48(1):012001, 2015. 

[4]  A B Murphy. Journal of Physics D: Applied 

Physics, 43(43):434001, 2010. 

[5]  S Pellerin,  K Musiol,  B Pokrzywka,  and 

J Chapelle. Journal of Physics B: Atomic, Molecular 

and Optical Physics, 29(17):3911, 1996. 

[6]  S. Sahal-Brechot,  M.S.  Dimitrijevic,  and 

Moreau N. Stark-b database. http://stark-b.obspm.fr, 

2014. 

[7]  J. Torres,  M.J.  van de  Sande,  J.J.A.M. 

van der 

Mullen, 

A. Gamero, 

and 

A. Sola. 

Spectrochimica  Acta  Part  B:  Atomic  Spectroscopy, 

61(1):58 – 68, 2006. 

[8]  S Zielinska, 

S Pellerin, 

K Dzierzega, 

F Valensi,  K Musiol,  and  F Briand.  Journal  of 

Physics D: Applied Physics, 43(43):434005, 2010. 

Topic 6 

78

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

 

 

 O atom kinetics in CO

2

 pulsed glow discharges   

 

A.S. Morillo-Candas

1*

, B.L.M. Klarenaar

2

, R. Engeln

2

, A. Chatterjee

1

, J-P. Booth

1

,  

T. Silva

3

, V. Guerra

3

, O. Guaitella

P

1

 

 

1

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

91128 Palaiseau, France

 

2

Department of Applied Physics, Eindhoven University of Technology, 5600 MB Eindhoven, The Netherlands 

3

Instituto de Plasmas e Fusão Nuclear, Instituto Superior Técnico, Universidade de Lisboa 1049-001 Lisboa, 

Portugal 

*Contact e-mail: 

[e-mail] 

 

O atoms play a key role in the efficiency of CO

2

 plasma recycling processes because their reactions 

can  either  promote  or  reduce  the  conversion  of  CO

2

.  We  have  measured  the  O  atom  density  and 

recombination probability by means of actinometry and TALIF and compared the results with the 

time evolution of CO measured by FTIR spectroscopy in pulsed glow discharge.  

 

1. Introduction   

Different  strategies  have  emerged  to  deal  with 

the  excess  of  CO

2

  emissions,  whose  increasing 

proportion  in  the  atmosphere  is  the  major  cause  of 

the  global  warming.  One  of  these  approaches  is 

focused on CO

2

 recycling, which is an initial step in 

building  more  complex  organic  molecules,  such  as 

energy-dense  hydrocarbon  fuels.

 

In  this  regard,  the 

dissociation  of  CO

2

  to  CO,  as  a  first  step,  through 

the  so  called  “vibration  up-pumping  mechanism”  is 

believed to be the most efficient method, especially 

through  the  excitation  of  the  asymmetric-stretch 

vibrational mode of CO

2

 [1].

 

The dissociation of CO

2

 results in the production 

of O atoms that can recombine into O

2

, oxidize CO 

back into CO

2

, or on the contrary dissociate further 

CO

2

. O atoms therefore play a key role, beneficial or 

not  for  the  efficiency  of  CO

2

  conversion.  To 

investigate the fundamentals of CO

2

 plasma kinetics, 

a  simple  glow  discharge  powered  with  pulsed  or 

modulated voltage is studied. This simple discharge 

allows  to  measure  fundamental  parameters  such  as 

the vibrational excitation of CO and CO

2

 [2], the gas 

temperature  and  the  electric  field.  This  paper 

focuses on the measurement of O atom densities and 

recombination  probabilities  on  the  reactor  wall  and 

their comparison with CO production.    

 

2. Experimental setup 

The temporal evolution of the different species is 

studied  by  means  of  time-resolved  in  situ  FTIR 

spectroscopy,  actinometry  and  TALIF.  The  CO

2

 

plasma  is  ignited  in  a  cylindrical  Pyrex  tube  (2  cm 

inner  diameter  and  22  cm  or  64  cm  length)  plasma 

reactor. Water circulating around the reactor allows 

control  of  the  wall  temperature  between  5-50°C. 

Different  gas  flows  (up  to  50  sccm),  pressures 

(millibar  range),  currents  (10  to  50  mA)  and  pulse 

durations (millisecond range) were investigated.  

 

3. Results  

In  actinometry  experiments,  the  ratio  of  the 

intensities of O atom lines (at 777 nm and 845 nm) 

over Argon line at 750 nm were recorded and fitted 

obtaining the O atom recombination coefficient. The 

O atom characteristic decay time was found to be in 

the  order  of  tens  of  milliseconds.  Noticeable 

differences were observed in CO

2

 compared to pure 

O

2

, especially as a function of the wall temperature. 

The absolute O atom density was also obtained and 

compared  with  TALIF  measurements.  The  time 

evolution  of  the  dissociation  fraction  (ratio  of  CO 

over  (CO+CO

2

))  was  determined  under  similar 

conditions  by  absorption  spectroscopy  (FTIR)  and 

compared with the O atom density evolution. These 

results are analysed in light of a kinetic model [3]. 

 

 

4. Acknowledgments  

This  research  is  conducted  within  the  LABEX 

Plas@par  project,  and  received  financial  state  support 

managed by the Agence Nationale de la Recherche, as 

part  of  the  programme  "Investissements  d'avenir", 

reference  ANR-11-IDEX-0004-02.  V.  Guerra  and  T. 

Silva were partially supported by the Portuguese FCT, 

under  Projects  UID/FIS/50010/2013  and  PTDC/FIS-

PLA/1420/2014. 

 

5. References 

[1]  A.  Fridman  (2008),  Plasma  Chemistry. 

Cambridge University Press. 259–354. 

[2]  B.L.M.  Klarenaar  et  al.,  contribution 

submitted to ICPIG (2017). 

[3]  T.  Silva  et  al.,  contribution  submitted  to 

ICPIG (2017).

 

Topic number: 3 

79

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

 

 

Cell death Mechanism on human colorectal cancer after PAM (Plasma 

Activated Medium) treatment  

 

J. Chauvin

1,2

, F. Judée

1

, P. Vicendo

2

, N. Merbahi

1

, M.P. Rols

3

, L.Gibot

3

, M.Golzio

3

, M. 

Yousfi

1

 

 

1

LAPLACE, Université de Toulouse, CNRS, INPT, UPS, Toulouse 31000, France 

2

IMRCP, Université de Toulouse, CNRS, UPS, Toulouse 31000, France 

3

IPBS, CNRS, Toulouse 31000, France

 

 

Cell death mechanism was investigated on HCT116 MCTS (Multi-Cellular Tumor Spheroids) with a luminescent 

analysis of the cell viability by measuring the Adenosine triphosphate (ATP) rate in cells. A fluorescence analysis 

was  also  conducted  to  investigate  DNA  damage,  cell  permeabilization  and  caspase  detection  as  a  mean  to 

indicate  apoptosis.  After  a  several  hours  in  Plasma  Activated  Medium  (PAM)  cells  begin  to  detach  from  the 

MCTS as the level of ATP decreases. This loss in ATP can be attributed to the decrease  in living cells. At the 

same time an increase in caspase intensity is occurring as well as cell permeabilization which are characteristic of 

apoptosis. 

 

 

1. Introduction 

Cold  atmospheric  pressure  plasmas  have 

received  a growing  interest in the past few years in 

the  biomedical  field  and  more  precisely  cancer 

treatment  [1].  Recently,  some  studies  used  plasma 

activated medium (PAM) and have demonstrated an 

interesting  effect  on  cancer  cells  like  a  decrease  of 

cell  proliferation  [2],  DNA  damage  [1]  and 

apoptosis  [3].  The  main  advantage  of  PAM  is  its 

possibility to be prepared in advance and then stored 

at  the  right  temperature  in  order  to  be  used  later 

since  the  aqueous  plasma  byproducts  can  remain 

active up to several days [1]. 

The present work investigates the effect of PAM on 

HTC116  MultiCellular  Tumor  Spheroid  and  cell 

death  mechanisms.  MCTS  is  a  model  that  mimics 

the  3D  organization  and  the  regionalization  of  a 

micro-tumor region. The medium was activated with 

a  plasma  jet  based  on  a  dielectric  barrier  discharge 

configuration  excited  by  high  voltage  square  pulse 

with a Helium gas flow fixed at 3L/min. 

2. Results 

 

The  present  work  investigates  cell  death 

mechanism  occurring  in  human  colorectal  cancer 

tumor  spheroids  after  PAM  treatment.  Fig  1  shows 

light  images  of  MCTS  HCT116  spheroids  after 

PAM  treatment  and  a  cell  detachment  is  observed 

between 4-6H after treatment.  

 

 

Fig  1.  Light  Images  of  MCTS  HCT116  after 

PAM treatment.  

 

In  order  to  understand  this  cell  detachment,  early 

cell  death  mechanism  was  investigated.  ATP  levels 

were  quantified  and  a  rapid  decrease  as  soon  as  in 

the first 30 min post-treatment was observed (Fig 2).  

 

Fig  2.  Normalized  ATP  luminescence  evolution 

after  transfer  of  MCTS  into  PAM  (Cell  viability 

evaluated by ATP luminescence).  

 

DNA  damages  were  also  investigated  and  have 

previously  been  demonstrated  to  be  linked  to  the 

presence  of  hydrogen  peroxide  inducing  this  cell 

detachment. [1] 

Fluorescent  analysis  of  cell  permeabilization  and 

apoptosis  were  conducted  underlying  apoptosis  as 

the main cell death mechanism.  

 

3. References 

 

[1] F. Judée et al. Sci Rep, 22, 21421 (2016) 

[2]

 

N.  Hattori  et  al, International  Journal  of 

Oncology, 47, 1655-1662 (2015). 

[3]

 

K.  Torii  et  al.,  Gastric  Cancer,  18,  635-643 

(2014) 

17 

80

33

nd

ICPIG, July 9–14, 2017, Lisbon, Portugal

Sensitivity analysis and uncertainty quantification for electric field

determination in air from FNS and SPS intensity ratio

P. B´ılek

1

, A. Obrusn´ık

1

, T. Hoder

1

, M. ˇSimek

2

, Z. Bonaventura

1

1

Department of Physical Electronics, Masaryk University, Fac. Sci., Kotl´aˇrsk´a 2, 611 37 Brno, Czechia.

2

Department of Pulse Plasma Systems, Institute of Plasma Physics, Academy of Sciences of the Czech

Republic, Za Slovankou 3, 182 00 Prague, Czech Republic

Frequently used method for the determination of electric field in air discharges is based on the

measurement of the ratio of luminous intensities emitted by radiative states of N

2

(C

3

Π

u

)

(second

positive system) and N

+

2

(B

2

Σ

u

)

(first negative system)[1, 2, 3]. This method is used for wide range

of pressures from sea level pressures, where it is applied for example to investigation of dielectric

barrier discharge, down to very low pressures at ionospheric altitudes for remote sensing of Tran-

sient Luminous Events, e.g., lightnings, sprites and blue jets. It is well known that quenching rates

of N

2

(C

3

Π

u

)

and N

+

2

(B

2

Σ

u

)

determined by various experimental methods exhibit serious discrep-

ancies. Therefore we aim to investigate the impact of uncertainties in values of these rates on electric

field determined from FNS/SPS intensity ratio.

1. Problem description

In order to investigate densities of chemical

species in air, we have implemented plasma chem-

istry model, which contains 617 processes for N

2

:O

2

(80%:20%) mixture.

Time evolution for plasma

chemistry is solved in 0D for an electric field that rep-

resents passage of an ionization wave at a given point.

We present uncertainty quantification and sensitivity

analysis for the kinetic scheme for resulting intensity

ratio of the FNS and the SPS. This analysis is based

on the Elementary Effects (EEs) method invented by

Morris [4]. The EEs reveal the most important re-

actions [5] at particular pressure conditions. As an

example, the most important processes for FNS/SPS

intensity ratio at sea level pressure are shown in ta-

ble 1, figure 1 shows sensitivity plot for these con-

ditions. Uncertainty quantification based on Monte

Carlo methods will be applied to investigate the im-

pact of uncertainties in values of rate coefficients and

quenching rates on electric field determination from

FNS/SPS intensity ratio.

Table 1: The key reactions for the ratio FNS/ SPS.

no. reaction

10

e + N

2

−→

N

2

(C

3

Π

u

) + e

28

e + N

2

−→

N

+

2

(B

2

Σ

u

) + 2e

331 N

+

2

(B

2

Σ

u

) + N

2

−→ N

+

2

+ N

2

23

e + N

2

−→

N

+

2

+ 2e

25

e + O

2

−→

O

+

2

+ 2e

332 N

+

2

(B

2

Σ

u

) + O

2

−→ N

+

2

+ O + O(1S)

366 N

+

2

(B

2

Σ

u

) + N

2

+ O

2

−→ N

+

4

+ O

2

130 N

2

(C

3

Π

u

) + O

2

−→ N

2

+ O + O(1S)

50

e + N

+

2

−→

N

+

2

(B

2

Σ

u

) + e

Figure 1: EEs for FNS and SPS ratio.

2. Acknowledgements

This research has been supported by the Czech

Science Foundation research project 15-04023S.

3. References

[1] T. Hoder et al., Plasma Sources Sci. Technol.

25

(2016) 045021.

[2] Z. Bonaventura et al., Plasma Sources Sci. Tech-

nol.

20 (2011) 035012.

[3] S. Starikovskaia et al., J. Phys. D: Appl. Phys.

43 (2010) 124007.

[4] M. D. Morris, Technometrics

33 (1991) 161–

174.

[5] M. M. Turner, Plasma Sources Sci. Technol.

25

(2015) 015003.

81

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

 

 

On the influence of ferroelectric materials in a packed-bed DBD reactor  

 

A. Gómez-Ramírez

P

1, 2

P

, R. Álvarez

UP

2

P

, F. J. García-García

2

, A. Palmero

2

P

, A. R. González-

Elípe

2

, J. Cotrino

1, 2

 

 

P

1

P  

Departamento de Física Atómica, Molecular y Nuclear, Universidad de Sevilla, Avda. Reina Mercedes, 42022 

Sevilla, Spain.  

P

2

P

 Laboratory of Nanotechnology on Surfaces, Instituto de Ciencia de los Materiales de Sevilla (CSIC-Uni. 

Sevilla), Sevilla, Spain 

 

This work reports a study of atmospheric pressure barrier plasmas using ferroelectric materials as 

packed-bed  barrier  instead  of  classical  dielectrics.  Electrical  characterization  of  the  discharge 

shows  higher  values  of  the  current  that  increases  non-linearly  with  the  applied  voltage  when 

ferroelectrics  are  used.  It  contributes  to  enhance  the  efficiency  of  plasma-gas  processes  taking 

place in this kind of reactors.  

 

Due to their outstanding properties, such as high 

electrical 

permittivity, 

piezoelectricity 

or 

pyroelectricity 

responses, 

applications 

of 

ferroelectric materials are spreading across different 

research  areas.  Recently,  several  authors  have 

claimed the revolutionary character of ferroelectrics 

for  future  disruptive  technologies,  for  instance  in 

memory  storage  devices,  transistors  or  surface 

acoustic  wave  applications  [1].  In  the  field  of 

plasmas,  ferroelectrics  have  been  integrated  in 

plasma  actuators  [2]  or  as  barrier  materials  in 

packed-bed  discharge  reactors,  where  it  was  found 

that  they  contribute  to  enhance  the  process 

performance in different plasma gas reactions [3, 4]. 

Trying  to  shed  some  light  into  the  role  of 

ferroelectrics  to  promote  certain  chemical  reactions 

in  atmospheric  pressure  plasma  reactors,  in  this 

work  we  investigate  the  electrical  behaviour  of  a 

parallel  plate  packed  bed  barrier  discharge 

moderated  by  ferroelectrics  instead  of  classical 

dielectric materials. Figure 1 shows a scheme of the 

reactor  used.  It  consists  of  two  parallel  electrodes 

separated  by  a  packed-bed  barrier,  which  could  be 

constituted  by  barium  titanate  (BaTiO

3

)  or  lead 

zirconate  titanate  (PZT)  pellets,  both  ferroelectrics, 

or  by  common  dielectrics,  as  alumina  or  quartz. 

Several experiments were performed to compare the 

electrical  response  of  the  reactor  filled  with  each 

one  of  these  materials  by  varying  both  voltage  and 

frequency, either in the absence or in the presence of 

plasma.  The  current  through  the  plasma  and  the 

impedance  of  the  whole  system  were  analysed,  and 

temperature was varied to check the performance of 

the  ferroelectrics  close  to  the  Curie  point.  All 

measurements  were  carried  out  at  atmospheric 

pressure. 

Results 

showed 

a 

higher 

current 

when 

ferroelectrics  were used, being the effect noticeable 

on  both  the  frequency  and  the  voltage  domains. 

Furthermore, when increasing the voltage, measured 

current followed a strong non-linear response, which 

can  be  explained  in  terms  of  the  dependence  of 

ferroelectric  permittivity  with  the  voltage.  These 

finding  are  used  to  explain  the  enhanced  efficiency 

reported  in  ferroelectric  packed-bed  reactors 

operated under atmospheric pressure conditions.  

 

Figure 1. Scheme of the DBD reactor. 

 

References 

[1] A.I. Khan, K. Chatterjee, B. Wang, S. Drapcho, 

L.  You,  C.  Serrao,  S.R.  Bakaul,  R.  Ramesh,  S. 

Salahuddin, Nat. Mater. 14, (2015) 182.  

 [2]  M.J.  Johnson,  D.B.  Go,  Appl.  Phys.  Lett.  105, 

(2015) 264102. 

[3]  A.  Gómez-Ramírez,  A.M.  Montoro-Damas, 

M.A.  Rodríguez,  A.R.  González-Elipe,  J.  Cotrino, 

Chem. Eng. J. 314 (2017) 311-319. 

[4]  A.  Gómez-Ramírez,  J.  Cotrino,  R.M.  Lambert, 

A.R.  González-Elípe,  Plasma  Sources  Sci.  Technol. 

24 (2015) 065011. 

 

Acknowledgements 

We  acknowledge  financial  support  from  Junta  de 

Andalucía  through  the  project  P12–2265MO  and 

from  the  European  Regional  Development  Funds 

program  (EU-FEDER)  and  the  MINECO  (project 

MAT2013-40852. 

10 

82

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

 

 

Topic number: 18 

High Power Impulse Magnetron Sputtering:  

An overview on the benefits of ultra-short pulse operating mode  

 

I.-L. Velicu

1

,V. Tiron

2

, G. Popa

1

 

 

 

1

Faculty of Physics, Alexandru Ioan Cuza University of Iasi, Iasi-700506, Romania 

2

Research Department, Faculty of Physics, Alexandru Ioan Cuza University of Iasi, Iasi-700506, Romania 

 

This work highlights the benefits of operating the HiPIMS discharge in ultra-short pulse (< 10μs) 

mode, with the help of a comparative analysis on the results corresponding to the topological, 

structural and mechanical characterization of Cu thin films deposited by dcMS and HiPIMS. 

Operating the HiPIMS discharge with ultra-short pulses of 3μs, in the presence of an additional 

magnetic field, makes it possible to grow high-quality thin films, with low RMS surface 

roughness, high hardness to Young’s modulus ratio, and low coefficient of friction. The additional 

magnetic field changes the plasma sheath’s properties, improves the ion transport towards the 

substrate, leading to high metal ionized flux fraction and high deposition rates.  

 

High Power Impulse Magnetron Sputtering 

(HiPIMS), an attractive physical vapour deposition 

technology, has revolutionized the abilities of mag-

netron sputtering, enabling new perspectives in thin 

films engineering, especially due to its dense plasma 

and high ionization degree of sputtered material. 

The main aim of the present study was to make a 

step towards HiPIMS industrialization, trying to 

overcome its deposition rate drawback, which may 

have serious economic consequences for industrial 

process, to optimize its process and to enhance and 

tailor the properties of thin films deposited by 

HiPIMS / reactive-HiPIMS from a large variety of 

sputtering targets (Fe

73.5

Cu

1

Nb

3

Si

15.5

B

7

, Ti, Ni, Cu, 

Zn, Ta, W etc.).  

To fulfill the goal, we investigated the processes 

occurring at the target and substrate surface, as well 

as the target-to-substrate particle transport processes. 

Cathode voltage and current waveforms, fast 

imaging, tunable diode-laser induced fluorescence, 

tunable diode-laser absorption spectroscopy, time-

resolved optical emission spectroscopy, time-

averaged ion current of an electrical probe, energy-

resolved mass spectrometry and deposition rate 

investigations were performed for this purpose. 

The results of all our studies have led to the same 

conclusion: operating the HiPIMS discharge with 

ultra-short pulses (< 10 μs) offers several remarkable 

benefits: (i) enhancement of deposition rate (we 

found that in HiPIMS assisted by an external 

magnetic field created with a toroidal-shaped 

permanent magnet placed in front of a strong 

balanced magnetron, for some materials, the depo-

sition rate is even higher compared with the case of 

conventional  dc  magnetron sputtering) [1]; (ii) 

possibility to control the ionization degree which 

allows to tune the properties of the films (density, 

adhesion, hardness, friction and roughness) [2]; (iii) 

stoichiometry preservation in the case of films 

sputtered from multi-elements targets. There are a 

few other benefits, worth mentioning, for the 

reactive HiPIMS discharge as: (i) hysteresis 

reduction; (ii) overcoming the problems related to 

the transition between metal and compound mode; 

(iii) avoidance of electric arc development; (iv) 

possibility to tune the composition and structure of 

elemental or compound (oxides, nitrides and 

oxinitrides) thin films [3].  

To exemplify some of these benefits, the table 

below presents values of deposition rate (S), fraction 

of ionized metal species flux (Θ), RMS surface 

roughness (R), average grain size (D), hardness (H), 

and Young’s modulus (E) corresponding to 800 nm 

nanocrystalline Cu thin films deposited by direct 

current magnetron sputtering (dcMS) and HiPIMS 

operated with ultra-short pulses of 3 μs in the 

presence / absence of an additional magnetic field 

(m.f.).  

 

 

S  

(Å/s) 

Θ 

(%) 

R 

(nm) 

D 

(nm) 

H 

(GPa) 

E 

(GPa) 

dcMS 5.8  3  12.1 11.3 2.6 119.6 

HiPIMS 

3.8 

50 

5.8 

24.7 

2.9 

129.5 

m.f.-

HiPIMS 

7.7 80 1.5 35.6 3.7 148.2