On phenomena in ionized gases

1. Introduction & theory 

Electrically powered spacecraft propulsions  have 

a  wide  application  in  use  with  space  vehicles. 

However,  modern  space-programs  aims  require 

thrusters  those  main  characteristics  such  as:  thrust, 

specific impulse and life time must be far beyond of 

currently  available  ones  [1].  Thus  researching  of 

physical process of HT is still important. The excited 

state  populations  density  (ESPD)  is  indicator  of  the 

presence  defined  process  (ionization,  excitation, 

transfer etс.) in the plasma and its parameters [2].  

2. Experimental setup 

Experiments  are  performed  in  the  vacuum  test 

facility  –  TMVC11  [3].

 

The  work  pressure  is 

approximately  8×10

-5

  mbar.    Pumping  produces  by 

Nd: YAG pulsed laser with wave length wide 192 – 

2600 nm and with the output pulse energy from 1 to 

400 mJ. Impulse duration is 5…9 ns.

 

Measurements 

of the ESPD were made for points (volume of about 

16 mm

3

) all  over the plane perpendicular to thruster 

axis  in  five  positions  on  this  axis  (10  mm,  50  mm, 

100 mm) and for 4 location of objective. 

2. Results & conclusions 

In  this  paper,  we  describe  the  results  of  a  ESPD 

of Hall thruster in 3D by LIF compare  with passive 

diagnostic  method.  We  explored  10  transitions  by 

LIF  and  more  than  60  by  passive  diagnostics.  The 

value  of  the  measurements  error  is  shown  on  the  

fig. 1. The results of  ESPD for ions and neutrals are 

demonstrated  on  fig  2.  Neutral  atoms  ESPD  is 

comparatively  homogeneous  for  different  thruster 

region  and  state  with  good  agreement  with  passive 

method.    It  can  be  described  using  one  model 

(Collision–Radiative  model).  Ions  ESPD  not 

uniform  at  cathode  area  and  near  the  thruster  face 

and  strongly  depends  on  transitions  that  lead  to 

divergence  results  of  two  method.  In  other  words 

ones  needs  multilevel  kinetic  model  for  linking  to 

excited 

state 

populations 

density 

and 

ion 

concentrations 

 

Fig.1. Measurements errors. 

 

Fig 2. ESPD for ions and neutral atoms

. 

Classic  model  can  be  used  for  far  plume  region  or 

for specific electron levels. Also was notice that ion 

ESPD is strongly not Boltzman.

  

3. References 

[1]  Griem  H.  Plasma  Spectroscopy.  ─  M.: 

Atomizdat, 1969. ─ 452 pages. 

[2]  Hani  Kamhawi,  Wensheng  Huang  et  al. 

Overview  of  the  Development  of  the  Solar  Electric 

Propulsion  Technology  Demonstration  Mission 

12.5-kW Hall Thruster, AIAA 2014-3898 

 [3]  Krivoruchko  D.D.,  Skrilev  A.V.  Skorokhod 

E.P.  ,  Excited  state  population  density    and  

spontaneous  emission probabilities  ХеI   plasma of  

Hall Thruster , MAI proceeding,  № 92, 2017. 

 

1,E+03

1,E+05

1,E+07

1,E+09

1,E+11

1,E+13

1,E+15

9

10

11

12

13

14

15

16

17

N

i

/g

i

E, eV

Neutral

Ion +

Topic number 6 

88

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

 

 

AC electric arcs burning in and outside of the discharge channels 

of high voltage three-phase plasma torches 

 

A. V. Surov

P

, S. D. Popov, E. O. Serba, Gh. V. Nakonechny, V. A. Spodobin, 

A. V. Pavlov, A. V. Nikonov, O. M. Stepanova

 

 

P

Institute for Electrophysics and Electric Power of Russian Academy of Sciences (IEE RAS), 

 Dvortsovaya emb. 18, 191186, St.Petersburg, Russia  

 

Characteristics  of  AC  electric  arcs,  burning  in  the  experimental  three-phase  generators  of thermal 

plasma are investigated. Part of the arc column is burning outside the device discharge channel. Arc 

currents were up to 85 A (rms), voltage drops were up to 3.3 kV. Average temperature of working 

gas exceeded 3000 K and in discharge zone temperature was above 8000 K.  

 

1. Introduction 

High-efficiency thermal plasma generators having 

a long life time of operation are required for plasma-

chemical  applications  [1-3].  Electric  arc  plasma 

torches allow energy transfer to the working gas with 

high  efficiency.  Direct  current  (DC)  plasma  torches 

have been used for a wide range of applications [2]. 

However,  the  thermal  efficiency  of  DC  plasma 

torches as a rule does not exceed 80%. The operating 

cost  is  an  important  parameter  for  industrial 

applications,  so  achieving  of  a  high  efficiency  is  an 

urgent  task.  Industrial  application  of  alternating 

current  (AC)  plasma  systems  is  considered  in  [3]. 

IEE  RAS  conducts  research  on  physics  of  gas 

discharge  aimed  at  obtaining  of  the  new  data 

required  for  the  development  of  high-efficiency 

thermal  plasma  generators.  Experimental  models  of 

high-voltage  plasma  generators  have  been  created. 

The  thermal  efficiency  of  plasma  torches  reaches 

95%,  the  resource  of  continuous  operation  is  up  to 

2000 hours [4]. The work is devoted to investigation 

of electric arcs in a variety of environments, burning 

in the split cylindrical channels and closes outside of 

the housing. 

 

2. Experimental setup, methods and results 

Experiments  were  conducted  at  the  work  of  arc 

systems  in  the  open  space  at  atmospheric  pressure 

and when working on the plasma chemical reactor. In 

figure 1 shows the schematic of experimental devices 

and  photo  of  the  torch  with  arc,  burning  outside  of 

the  discharge  channels.  The  form  of  the  arc  quickly 

changes  due  to  surrounding  conditions  where  flows 

from  channels  are  mixing.  Video  recording  was 

conducted  at  speed  4000  fps.  Measurements  of  the 

arc  current  and  voltage  drop  on  various  parts  of  the 

arc  column  were  carried  out  using  the  high  voltage 

measuring 

system 

and 

multi-channel 

signal 

acquisition.  To  conduct  extensive  experimentation 

with  halogen-containing  gases  and  vapors  under 

atmospheric  and  elevated  pressure  (upto  5  bar)  a 

diagnostic chamber with windows was developed. 

 

 

Fig. 1. Schematic of three-phase AC electric arc plasma 

system and photo of outside part of arc. 1 – power supply, 

2 – cases, 3 – electrode, 4 – swirling gas flow, 5- arc. 

 

Experimental studies of the high-voltage AC arcs, 

depending on the composition of the plasma-forming 

gas  (air,  CO

2

,  CH

4

,  steam  and  mixtures)  and 

flowrate,  parameters  of  the  power  source,  influence 

of 

external 

conditions 

were 

carried 

out. 

Measurements  of  parameters  of  electric  arcs  with 

currents  of  85  A  (rms),  the  voltage  drops  to  3.3  kV 

(rms)  are  performed,  dynamic  characteristics  are 

obtained.  Average  temperature  of  working  gas 

exceeded 3000 K and in discharge zone temperature 

was above 8000 K.  

 

3. Acknowledgements 

The work is supported by RFBR grant 15-08-05909.  

 

4. References 

[1]  Rutberg  P.G.,  Kuznetsov  V.A.,  Popov  V.E., 

Bratsev  A.N.,  Popov  S.D.,  Surov  A.V.,  Green 

Energy and Technology, 115 (2013) 261-287. 

[2]  J.  Mostaghimi,  M.  I.  Boulos  Plasma  Chem. 

Plasma Proc. 35 (2015) 421–36.

 

[3]  L.  Fulcheri,  F.  Fabry,  S.  Takali,  V.  Rohani

 

Plasma Chem. Plasma Proc. 35 (2015) 565–85 

[4]  A.V.  Surov,  S.D.  Popov,  V.E.  Popov,  D.I. 

Subbotin,  E.O.  Serba,  V.A.  Spodobin,  Gh.V. 

Nakonechny, 

A.V. 

Pavlov, 

Fuel 

(2017), 

http://dx.doi.org/10.1016/j.fuel.2017.02.104

 

11 

89

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

 

 

3D modelling of Negative Ion extraction in ITER-like NBI 

via massive parallel calculations 

 

A. Revel

1,2

, S. Mochalskyy

1

, I.M. Montellano

1

, Dirk Wünderlich

1

, Ursel Fantz

1

, T. Minea

2

 

 

1

Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Boltzmannstr. 2, D-85748, Garching, Germany 

2

P2

LPGP, Laboratoire de Physique des Gaz et Plasmas, UMR 8578, CNRS, Univ. Paris-Sud, Université Paris-

Saclay, Orsay CEDEX, 91405, France 

 

Neutral Beam Injection (NBI) is one of the key elements for additional heating and current drive in 

fusion devices. The NBI  system for ITER  is based on the extraction and acceleration of negative 

ions (NI) produced in a low pressure plasma with complex 3D magnetic fields. The modelling of 

the extraction region is of high interest as it mostly determines the NI beam characteristics such as 

current  density,  emittance,  etc.  Modelling  these  very  high  electron  density  (~  10

17

  m

-3

)  plasmas 

using Particle-in-Cell (PIC) simulations demands refined mesh and together with the 3D treatment 

huge  computation  resources  to  respect  the  stability  criteria.  The  comparative  results  obtained  by 

several  numerical  schemes  are  discussed  and  the  main  features  of  the  NI  beam  are  presented  as 

issued from massive parallel calculations.  

 

1. Introduction 

The  NBI  for  ITER  is  based  on  NI  extracted  from 

low  pressure  plasma  ion  source.  A  total  current  of 

40 A  will  be  further  accelerated  up  to  1 MeV  by  a 

multi-grid, multi-aperture extraction system. 

The  RF  prototype  source  for  ITER  corresponds  to 

1/8  size  of  the  ITER  source  [1  and  references  in]. 

Understanding  of  the  NI  beam  formation  is  of  high 

importance  for  the  optimisation  of the beam optics. 

The  beam  divergence  affects  its  focusing  and  can 

lead  to  serious  power  load  on  beam  line 

components, and even to the failures of the system. 

Moreover,  plasma  electrons  are  co-extracted 

together  with  NI.  In  order  to  reduce  electron 

extraction,  a  bias  potential  is  applied  to  the  first 

grid, the plasma grid (PG), and additionally complex 

3D  magnetic  fields  are  used.  Hence,  modelling  of 

the  extraction  region  is  necessarily  3D  to  take  into 

account this complex field topology. 

 

2. Numerical modelling schemes 

The  ONIX  code  uses  the  Particle-in-Cell  Monte-

Carlo collision approach for modelling a part of the 

extraction  region:  a  small  volume  surrounding  a 

single extraction aperture. This volume extends each 

side of the PG, 2 cm in the plasma source and 1 cm 

outside. Details are given in [2]. 

The  influence  of  the  mesh  size,  of  electron 

thermalization in the particle injection region and of 

different  particle  re-injection  schemes,  investigated 

by  massive  parallel  simulations,  are  presented  and 

discussed [3]. 

 

 

 

3. Results and discussion 

 

 

 

Fig.1.  (a)  Cross  section  of  a  NI  beamlet  obtained  by 

ONIX  with  4096  CPUs  for  the  configuration  of  the 

prototype  source;  NI  beam  emittance  for  (b)  NI  coming 

from  the  plasma  volume  and  (c)  from  the  conical  part  of 

the PG. 

 

Independent of the numerical schemes, the NI beam 

features (Fig. 1) are very alike. It comes out that the 

NI beamlet is composed of two NI ensembles: one is 

well  focused  and  originates  from  the  plasma 

volume.  A  second  one  originates  from  the 

chamfered  wall  of  the  aperture  that  provides  an 

overfocused  beamlet  and  dominates  the  current 

density. 

 

4. References 

[1] B. Heinemann  et al. New Journal of Physics 19 

(2017) 015001 

[2]  S.  Mochalskyy  et  al.  Nucl.  Fusion  10  (2016) 

106025 

[3]  A.  Revel  et  al.  Nucl.  Fusion  (2017)  to  be 

submitted 

Topic number 

90

Poster Contributions

91

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

 

 

 Similarity of gas discharges at low pressure in the gaps  

between two plane-parallel electrodes 

 

Y. Fu

P

, 

U

X. Wang

P

, S. Yang, X. Zou, H. Luo

P

  

 

P

Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing, China  

P

 

 

The experiments show that the breakdown voltage of the gap between plane-parallel electrodes can 

be expressed with U

b

 = f (p·d, d/r) where p, d, r are gas pressure, gap length and electrode radius, 

respectively. It was proved that U

b

 = f (p·d, d/r) fulfils two necessary conditions for the similar 

discharges, which implies that U

b

 = f (p·d, d/r) is an expression of the similarity theorem in non- 

uniform electric field. There exist similar glow discharges in argon only when the scaled-down 

factor k for the two gaps is limited, which was explained that the forbidden processes such as the 

stepwise ionization and the inelastic collision of second kind violate the similarity of discharge as k 

increases. The Paschen’s curves for the gaps with a same d but different r intersect as p rises, which 

was explained based on the mean free path length of the electrons inversely proportional to p and the 

electron impact ionization coefficient exponentially increasing with the electric field. 

 

If two gaps are similar in geometry with all linear 

dimensions in proportion, they are called geometri- 

cally similar gaps. If the discharges in these gaps have 

same voltage-current characteristics, they are said to 

be similar. For the similar discharges, the physical 

parameters of the plasma in one gap are proportional 

to those in the other gap. Similarity of gas discharge 

enables us to use the known properties of the 

discharge in one gap to extrapolate the features of the 

discharges in the other geometrically similar gap for 

which the experimental studies may not be feasible or 

even possible.   

Paschen’s law, U

b

 = f  (p·d), described the gas 

breakdown in uniform electric field. Townsend 

indicated that Paschen’s law is just a special case of a 

more general similarity theorem which can be applied 

equally to the discharges in non-uniform fields if the 

discharges are dominated by the electron collision. In 

this paper, the results from the investigation of the 

discharge similarity in low-pressure gas between 

plane-parallel electrodes were presented. 

It was found by experiments that the breakdown 

voltage of the gap depends not only on the product of 

gas pressure p and gap length d but also on the aspect 

ratio of the gas gap d/r where r is the electrode radius, 

i.e., U

b

 = f (p·d, d/r). It was mathematically proved 

that U

b

 = f (p·d, d/r) fulfils two necessary conditions 

for the similar discharges in the non-uniform electric 

field, which implies that U

b

 = f  (p·d,  d/r) is an 

expression of the similarity theorem in the breakdown 

of a gap between two plane-parallel electrodes and 

confirms the Townsend’s prediction that the general 

similarity theorem can be applied equally to the 

breakdowns in non-uniform fields. 

It was also found by experiments that there exist 

similar glow discharges in argon only when the 

scaled-down factor  k for two geometrically similar 

gaps is limited. By theoretical analysis, it was 

explained that the forbidden processes such as the 

stepwise ionization and the inelastic collision of 

second kind violate the similarity of discharge as k 

increases, which was verified by the numerical 

simulations of the discharges with or without these 

two forbidden processes taken into account. 

The intersection of Paschen’s curves for the gaps 

with a same gap length but different electrode radius 

was observed. While the breakdown voltage 

increases with the increase of the nonuniformity in 

the electric field of the gap at lower pressures, it 

decreases at higher pressures. The reason for the 

intersection of Paschen’s curves was given based on 

the mean free path length of the electrons inversely 

proportional to the gas pressure and the electron 

impact ionization coefficient exponentially 

increasing with the electric field. The intersection of 

the Paschen’s curves was qualitatively reproduced by 

numerical simulation. 

The authors would like to thank the National 

Natural Science Foundation of China for supporting 

the research under contracts 51477087 and 

51377095. 

Topic number: 8 

93

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

 

 

Development of ambient desorption/ionization source using ultrafast laser 

and nonthermal atmospheric pressure helium plasma jet for ambient 

imaging mass spectrometry 

 

J. Y. Kim

P

1

P

, E. S. Seo

UP

1

P

, H. Kim

P

2

P

, D.-K. Lim

P

3

P

, D. W. Moon

1

 

 

P

1

P

 Department of New Biology, DGIST, Daegu, Republic of Korea 

P

2

P

 Division of Nano and Energy Convergence Research, DGIST, Daegu, Republic of Korea 

3

P

 KU-KIST Graduate School of Converging Science and Technology, Korea University, Seoul, Republic of Korea

 

 

We report a high spatial resolution ambient mass spectrometry (MS) system that allows us to 

sensitively image the live hippocampal tissue at ambient environment in the subcellular level. The 

method is based on an efficient desorption process by femtosecond (fs) laser assisted with 

nanoparticles and a subsequent ionization step by applying nonthermal plasma for ambient MS 

imaging. The desorption of molecules from live tissues was found to be greatly enhanced by the 

strong photothermal effect of gold nanorods and fs laser. The subsequent ionization process with 

nonthermal atmospheric helium plasma jets enabled production of sufficient amounts of molecular 

ions of important molecules from a live hippocampal tissue.  Combining the ambient nanoPALDI 

with microscopic sample scanning, MS imaging with spatial resolution of 1.4 µm could be obtained 

with a sampling depth down to several tens of µm. 

 

1. Introduction 

Although ambient ionization  mass spectrometry 

(MS) is a promising analytic technique for biological 

samples because of its ambient analytic process and 

no or minimal sample pretreatment  [1-3],  their 

applications are still limited due to the insufficient 

spatial resolution of several tens and hundreds 

micrometers. Here, we report a new ambient imaging 

mass spectrometric method with  high  spatial 

resolution based on gold nanorod assisted 

femtosecond laser desorption and subsequent 

non-thermal plasma induced ionization, termed 

ambient nanoparticle and plasma assisted laser 

desorption ionization (ambient nanoPALDI) MS. 

2. Methods 

Non-thermal helium atmospheric pressure plasma 

jets (APPJs) and femtosecond near infrared lasers are 

used as ambient sampling/ionization sources. The 

energetic light generated by femtosecond  lasers 

focuses on a very small spot of the sample through 

the objective lens. At same time, non-thermal 

atmospheric pressure plasma jet  device forms the 

plasma medium on the sample. The desorption of 

molecules from live tissues is found to be greatly 

enhanced by the strong photothermal effect of gold 

nanorods and femtosecond laser, and the subsequent 

ionization process with nonthermal atmospheric 

helium plasma jets enabled production of sufficient 

amount of molecular ions of important molecules 

from a live hippocampal tissue. 

3. Experimental Results  

Combined the ambient nanoPALDI with 

microscopic sample scanning, MS imaging with 

spatial resolution of 

1.4 µm 

can be obtained with a 

sampling depth down to several tens of µm. The 

linear crater generated by ambient nanoPALDI on a 

hippocampal tissue is exceptionally sharp with the 

side wall width of around 1 µm and a flat plateau in 

the bottom. Gold nanorods are uniformly distributed 

over tissues by cellular uptake of live cells in tissues 

without any toxic effects and responsible for the high 

molecular ion intensity and the high spatial 

resolution. Our ambient nanoPALDI-MS effectively 

ablates the bulk molecular constituents down to at 

least several tens of µm while keeping the high 

spatial resolution which minimizes the sampling 

problem to represent the whole tissue. From the 

mouse hippocampal tissue, MS imaging of 

bio-molecules including monoacylglycerols, 

cholesterols, ceramides, fragments of sphingolipids 

and glycerophospholipids has been obtained.