On phenomena in ionized gases

4. Conclusion 

A subcellular ambient image mass spectrometric 

system termed ambient nanoPALDI-MS  is reported 

for live tissue analysis.   It  enables  monitoring 

biological molecules without pretreatment and verify 

the molecular chemical properties, elemental 

compositions and chemical structures. 

5. References 

[1]  R.G.  Cooks, Z.  Ouyang, Z.  Takats, J.M. 

Wiseman, Science 311 (2006) 1566–1570. 

[2] R.A. Musah, E.O. Espinoza, R.B. Cody, A.D. 

Lesiak, E.D. Christensen, H.E. Moore, S. Maleknia, 

F.P. Drijfhout, Sci. Rep. 5 (2015) 11520.  

[3]  M.-Z.  Huanga,  S.-C.  Chenga, Y.-T.  Choa, J. 

Shiea, Anal. Chim. Acta 702 (2011) 1–15.

 

Topic number 17 

94

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

 

 

Dynamics of a complex plasma measured with a 3D light field camera 

 

V. Nosenko

P

, M. Jambor

P

, S. K. Zhdanov

P

, H. M. Thomas

P

 

 

P

Institut für Materialphysik im Weltraum, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR),  

D-82234 Weßling, Germany  

 

The dynamics of a single-layer complex plasma crystal was measured by performing its three-

dimensional (3D) imaging with a light field camera. To enrich the crystal's dynamics, the mode-

coupling instability (MCI) was triggered in it by lowering the discharge power below a threshold. 

3D coordinates of all particles in the crystal were extracted from the recorded video. All three 

fundamental wave modes of the plasma crystal were calculated from the particle velocity. In the 

out-of-plane spectrum, only the MCI-induced hot spots (corresponding to the unstable hybrid 

mode) were resolved. Both longitudinal in-plane and out-of-plane wave modes show profound 

anisotropy. The results are in agreement with theory and simulations and show that light field 

cameras can be used to measure 3D dynamics of complex plasmas. 

 

A complex (dusty) plasma is a suspension of 

micron-size solid particles in a weakly ionized gas. 

Particles acquire high electric charges, interact with 

each other and their environment, and often form 

strongly coupled subsystems. The particles can be 

individually imaged in real time, which makes 

complex plasmas excellent model systems to study 

various generic phenomena in liquids and solids. 

A long-standing challenge in the field of complex  

 

 

 

Fluctuation spectra of the particle velocity for a) 

longitudinal in-plane mode, b) out-of-plane mode. 

The white (red) dashed lines indicate the border of 

the ideal (real) first Brillouin zone. Both wave 

modes show profound anisotropy.  

plasmas is accurate measurement of individual 

particles' 3D coordinates. 3D imaging methods used 

so far include stereoscopy, color gradient method, 

laser tomography, digital in-line holography. A 

recent development is using light field cameras for 

single-camera, single-shot imaging of 3D particle 

suspensions. In a light field camera, an additional 

array of microlenses is placed just in front of the 

image sensor; this allows to measure not only the 

intensity, but also the direction of the light 

oncoming on a microlens. Dedicated software uses 

triangulation to calculate all three coordinates of the 

imaged particles. In [1], a commercial Raytrix R5 

light field camera was used to perform 3D imaging 

of a single-layer complex plasma crystal suspended 

in a rf discharge in argon. To enhance the out-of-

plane oscillations of particles, the mode-coupling 

instability was triggered by lowering the discharge 

power below a threshold. 

In this contribution, we present further analysis of 

the plasma crystal's wave modes calculated from the 

particles' 3D coordinates. The Fourier transform in 

space and time domains of the particle velocity was 

integrated over the hybrid mode frequency (in the 

range of 8.4-10.8 Hz), the result is plotted on the 

wave number (k

x

, k

y

) plane in the Figure. As is 

clearly seen, both wave modes show profound 

anisotropy. This result is consistent with a previous 

experiment, theory [2], and molecular dynamics 

simulations [3] and is explained by a shear 

deformation of the plasma crystal.  

[1] M. Jambor, V. Nosenko, S. K. Zhdanov, H. 

M. Thomas, Rev. Sci. Instrum. 87 (2016) 033505. 

[2] A. V. Ivlev, T. B. Röcker, L. Couëdel, V. 

Nosenko, C.-R. Du, Phys. Rev. E 91 (2015) 063108. 

[3] I. Laut, C. Räth, S. Zhdanov, V. Nosenko, L. 

Couëdel, H. M. Thomas, EPL 110 (2015) 65001. 

12 

95

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

 

 

Simulation of Triode High Voltage Glow Discharge Electron Sources With 

Taking Into Account The Anode Plasma Parameters 

I.V. Melnyk

UP

1

P

 

 

P

1

P

 National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky KPI”, Electronic Faculty, Electronic Devices 

Department, Kyiv, Ukraine  

 

This  paper  is  devoted  to  describing  the  algorithm  of  simulation  of  triode  high  voltage  glow 

discharge electron sources with including into consideration the parameters of anode plasma, such 

as  the  temperature  and  mobility  of  plasma  electrons.  For  calculation of anode plasma parameters 

estimated  relations  for  high  voltage  glow  discharge  have  been  used.  The  distinctive  feature  of 

proposed  methodic  of  calculation  is  using  of  iterative  algorithm,  which  allows  to  provide  the 

calculations  till  obtaining  the  equilibrium  between  the  force  of  electric  field  in  the  cathode-fall 

region and the force formed by the pressure of electron gas in anode plasma. Obtained results are 

very important to the experts in the industrial application of modern electron beam technologies. 

 

1. Introduction 

High  Voltage  Glow  Discharge  Electron  Sources 

(HVGDES)  are  widely  used  in  industry  today  for 

realizing  complex  technological  operations  of 

modern  electron  beam  technology  [1  –  3].  For 

effective  control  the  stability  of  current  of  high-

voltage glow discharge in such electron sources with 

low  time-constant  additional  low-voltage  discharge 

is  used  [4].  In  the  paper  [4]  the  methodic  of 

calculation  of  High  Voltage  Glow  Discharge 

(HVGD)  time  parameters,  based  on  defining  of 

anode  plasma  distance  through  estimation  the  level 

of gas ionization by the fast beam and slow plasma 

electrons,  as  well  as  on  the  equation  of  discharge 

self-maintained,  have  been  proposed.  But  main 

disadvantage of this method is necessity of using for 

such  calculations  important  data  about  the 

temperature  of  electron  gas  in  anode  plasma  and 

about mobility of electrons in it.  

The  improved  iteration  methodic  of  calculation 

of  anode  plasma  parameters  is  proposed  in  this 

report.  

2.  Method  of  iterative  calculation  of  the 

temperature and mobility of electron gas 

For  calculation  the  temperature  of  electron  gas 

and  mobility  of  electrons  in  anode  plasma  such 

estimative equations were used [5]: 

 

where  T

e

  –  temperature  of  electrons,  µ

e

  –  its’ 

mobility,  U

ac

  –  acceleration  voltage,  d

cp

  –  distance 

from  the  cathode  to  anode  plasma,  p

a0

  –  residual 

pressure  in  the  discharge  gap,  k  –  Boltzmann 

constant,  Q

ea

  –  average  cross-section  of  dissipation 

of  electrons  on  the  atoms  of  residual  gases,  U

c

  – 

control voltage, a, b – empiric constants [4, 5]. 

Iterative calculation of plasma boundary position 

by the equation (1) and by the equations, obtained in 

paper  [4],  was  provided,  till  the  value  of  cathode-

plasma  distance  dcp  became  equal  in  the  both 

variant  of  calculations.  Obtained  calculation  results 

for  energetic  efficiency  of  electron  sources  with 

considering  nitrogen  as  operation  gas  for  different 

values of control voltage are presented at Fig. 

 

3. Conclusion 

Obtained  results  are  mostly  similar  to  presented 

in paper [4], difference nearly 15 – 20% is observed 

for  the  small  and  high  values  of  control  voltage. 

Therefore  the  main  advantage  of  proposed  iteration 

methodic  is  absence  the  reference  to empirical data 

about the thermodynamic parameters of electron gas 

in anode plasma from the manuals [1, 5], which can 

be incorrect usually and must be strongly verified 

3. References 

[1]  Novikov  A.A. “High Voltage Glow Discharge Electron 

Sources  With  Anode  Plasma”,  Moscow,  “Energoatomizdat”, 

1983 (in russian). 

[2] Feinaeugle P., Mattausch G., Schmidt S., Roegner F.H., 

Society of Vacuum Coaters, 54-th Annual Technical Conference 

Proceedings, Chicago, pp. 202–209, 2011. 

[3]  Mattausch  G.,  Zimmermann  B.,  Fietzke  F.,  Heinss  J.P., 

Graffel  B.,  Winkler  F.,  Roegner  F.H.,  Metzner  C., 

“Elektrotechnica  and  Electronica  (E+E)”,  vol.  49,  №  5-6,  pp. 

183–195, 2014. 

[4]  Melnik  I.V.,  Radioelectronics  and  communication 

systems, Vol. 56, # 12, pp. 51 – 61, 2013. 

[5]  Raizer  Yu.P.  “Physic  of  Gas  Discharge”,  Moscow, 

Nauka, 1987. (in russian). 

Topic number 5 

96

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

 

 

 

1 

Investigation of arc binding to the hafnium cathode  

at atmospheric pressure

  

 

M. Kh. Gadzhiev, M. A. Sargsyan, D. V. Tereshonok and A. S. Tyuftyaev 

 

Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences - 13, bldg. 2 Izhorskaya str., 

Moscow, 125412, Russia

 

 

Our researchers present investigation of the argon and air arc binding to the hafnium cathode at 

atmosphere  pressure.  Working  DC  current  is  about  several  hundred  amperes.    Experiment  was 

made  on  a  plasmatron  with  a  conical  water-cooling  cathode.  Anode  is  presented  by  expanding 

copper channel. We assume that plasma of positive column is in LTE.  It allows using the method 

of  relative  intensities  for  measurement  of  the  electron  temperature  in  positive  column.  Electron 

concentration is determined by the Stark broadening. Surface cathode temperature is measured by 

the  high-speed  camera  which  is  used  as  a  pyrometer.  Obtained  results  are  compared  with  the 

results for the pure tungsten, lanthanated tungsten (W-2% La

2

O

3

) and thoriated tungsten (W-2% 

ThO

2

) cathodes. 

 

Arc discharge is one of the widely used discharges 

in  different  areas  such  as  metallurgy,  surface 

treatment,  welding  etc.  Understanding  of  plasma-

physical 

processes 

creates 

opportunities 

for 

optimization of industrial plants [1, 2].   

In  this  paper,  we  present  results  of  the 

investigation  of  the  arc  binding  to  the  hafnium 

cathode in argon and air at atmospheric pressure.  

Experimental  setup  includes  the  cathode  which  is 

embedded in the copper water-cooling cathode holder 

and  anode  which  is  presented  by  the  expending 

copper channel and vortex stabilization of the plasma 

torch [3, 4].  Working DC current was about several 

hundred amperes. 

Assuming  that  plasma  of  positive  column  is  in 

LTE  creates  an  opportunity  to  use  spectroscopy 

measurements  for  the  electron  temperature  which  is 

made  by  the  spectrometer  DFS-452.  Electron 

temperature  is  determined  by  the  method  of  relative 

intensities of the spectral lines from the same element 

and different ionization order.  Electron concentration 

is  determined  by  the  Stark  broadening.  In  argon 

plasma  the  spectral  lines  Ar  II  and  Ar  III  were  used 

with  the  wavelength  363.7  nm  and  329.3  nm 

respectively.    

Plasma  parameters  were  measured  at  different 

distances  from  the  cathode  tip  with  the  spatial  step 

0.1 mm. 

A  high  speed  black  and  white  camera  Phantom 

Miro  M110  with  the  spatial  resolution  of  about  25 

micrometers was used for measuring the temperature 

distribution  on  the  cathode  surface.  For  the 

cancellation  of  the  plasma  stream  we  used  an 

interface filter which is placed in front of the camera 

lens  (for  example  for  argon  lens  with  an  allowed 

bandwidth  of  589  nm  was  used).  Etalon  tungsten 

lamp with a brightness temperature 2400 K was used 

to perform the calibrations. 

 All  measurements  were  performed  after  some 

work  time  (tens  minutes)  of  the  plasma  torch.  

Obtained  plasma  parameters  are  compared  with  the 

results  (plasma  temperature,  electron  concentration 

and  cathode  surface  temperature)  for  the  pure 

tungsten [4], lanthanated tungsten (W-2% La

2

O

3

) [3] 

and  thoriated  tungsten  (W-2%  ThO

2

)  [6]  cathodes.  

Optimal 

plasma 

parameters 

for 

electric-arc 

technology  can  be  obtained  based on the comparison 

of  the  different  results  of  particular  discharge 

parameters. 

 

Experimental  part  was  supported  by  the  Russian 

Foundation  for  Basic  Research  (no.  15-08-00404 A) 

and  theoretical  part  was  supported  by  the 

President of  Russia Scholarship  for  young scientists 

(no. 

3812.2016.1

). 

 

[1]  Murphy  A.  B.,  Plasma  Chem.  Plasma 

Process., 35 (2015) 471. 

[2] M.S. Benilov, M. Carpaij and M.D. Cunha, J. 

Phys. D: Appl. Phys. 39 (2006) 2124 2134. 

[3]  M.Kh.  Gadzhiev,  M.A.  Sargsyan,  D.V. 

Tereshonok  and  A.S.  Tyuftyaev,  EPL.  111  (2015) 

25001. 

[4]  M.Kh.  Gadzhiev,  M.A.  Sargsyan,  D.V. 

Tereshonok  and  A.S.  Tyuftyaev,  EPL.  115  (2016) 

35002. 

 

Topic number 11 

97

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

 

 

 

Development and further improvement of a heat-treatment system 

using an arc driven by alternating magnetic field 

 

K. Takeda 

 

Professor emiritus of Akita Prefectural University, Uri-honjyo, Japan

 

 

 

Mechanical properties of a metal are modified by various heat treatments. A novel heat-treatment 

system is developed using a transferred arc which is driven by an alternating magnetic field imposed 

perpendicularly. The arc swings like a pendulum synchronizing with the change of the magnetic field. 

The amplitude of the arc motion and the distribution of the heat flow can be controlled by the flux 

density and the wave form of the imposed field. More than three times increase in Vickers hardness is 

obtained after the heat-treatment of carbon steel.  Tiny melted spots are often scattered on the treated 

surface.  Detailed observation reveals that the irregular movement of the anode spot results in such 

damage. Further study is required to understand why such irregularity occurs in the arc motion. 

 

1. Development of the heat-treatment system  

In an alternating magnetic field imposed to an arc 

perpendicularly, the anode root swings back and 

force as shown in Fig.1. 

    

 

 

  Fig.1 Schematic illustration of an arc driven by  

alternating magnetic field 

 

The amplitude of the arc motion increases with the 

increase of the magnetic flux density. The heat flux 

distribution can also be controlled by changing the 

wave form of the alternating field. Considering these 

advantages, a novel heat treatment  system has been 

developed. 

 

   

 

Fig.2   Arrngement of the developed heat treatment  

System [1] 

 

    The heat treatment device is composed of several 

systems. A transferred DC arc burns between a 

plasma torch and a work piece serving as an anode.  

The  work piece travels  in  horizontal  direction  by a 

platform driving mechanism. Various magnetic fields 

can be produced by  an AC current supply. After 

heating, the work piece is quenched from the back 

side of the plate by cooling water. 

  

2. Result of the heat treatment for carbon steel 

The carbon steel plate was heat-treated by the arc 

driven by an AC magnetic field with rectangular 

wave form at the frequency of 50Hz. Drastic increase 

of hardness was obtained as shown in Fig.3.  

 

Fig.3 Hardness distributions after the heat treatment

 

 

3. Research for further improvement 

    Surface damage with many tiny spots was often 

found on the heat-treated work piece. The detailed 

observation of the arc motion revealed that irregular 

movement as shown in Fig.4 resulted in the surface 

damage. For further improvement, it is required to 

study how to prevent such irregular arc motion. 

 

 

Fig.4 Irregular arc motion during one cycle of the imposed 

AC magnetic field 

 

Reference 

 [1] R.Akiho, M.Sugimoto, K.Takeda, Y.Noguchi, 

T.  Miura, Transaction JSME-C 79 (2013) 3979. 

15 

98

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

 

 

Formation and annihilation of 

??????

??????

−

-ions in an oxygen discharge  

 

D. A. Toneli

1

, R. S. Pessoa

2

, 

U

M. Roberto

1

, J. T. Gudmundsson

P

3,4

 

 

1

Technological Institute of Aeronautics, São José dos Campos, Brazil  

2

Paraíba Valley University, São José dos Campos, Brazil 

3

University of Iceland, Reykjavik, Iceland 

4

P

KTH Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden

 

 

Depending on the pressure and power, the density of 

O

2

−

-ions can be close to the density of 

O

−

-ions 

and it can become an important species for the charge neutrality in the plasma. Here we study the 

main channels for formation and annihilation of 

O

2

−

-ions through a Volume Averaged Global Model 

in the pressure range from 0.5 – 100 mTorr. Results show that formation of 

O

2

−

 is a charge exchange 

dominated  process;  however,  many  reactions  contribute to  the  loss  of 

O

2

−

  and their  contributions 

change in the range of pressure studied. For pressures below 2 mTorr, in a stainless steel cylindrical 

chamber, the loss of 

O

2

−

-ions is dominated by mutual neutralization of 

O

2

−

 and 

O

2

+

. For an anodized 

aluminium chamber loss of 

O

2

−

-ions is dominated by detachment reactions between 

O

2

−

 and 

O(

3

P). 

The results also show the importance of the metastable states for the oxygen discharge. 

 

Volume  Averaged  Global  Model  studies  of 

inductively  coupled  oxygen  discharges  have  shown 

that the mean density of 

O

2

−

-ions increases as pressure 

increases reaching values close to the mean density of 

O

−

-ions in the 100 mTorr range  [1, 2]. Calculations 

were  carried  out  for  a  stainless  steel  and  anodized 

aluminium cylindrical reactor chamber with radius R 

=  15  cm  and  length  L  =  30  cm.  The  flow  rate  of 

oxygen feedstock is 50 sccm, the gas temperature is 

600 K, and the absorbed power is 500 W. It was found 

that  formation  of 

O

2

−

  occurs  mostly  through  charge 

exchange  between 

O

−

  and 

O

2

(X

3

Σ

g

−

),  O

−

+

O

2

(X

3

Σ

g

−

) → O(

3

P) + O

2

−

, in both stainless steel and 

anodized aluminium chambers. This channel remains 

the  main  channel  for  the  formation  of 

O

2

−

-ions  even 

when  changes  in  the  electron  energy  distribution 

function are considered. 

Figure  1  shows  the  reaction  rates  for  the  main 

reactions which have significant contributions to the 

O

2

−

 loss process. These reactions are shown in Table 

1. The full reaction set used in the model can be found 

elsewhere [1]. Note that, for pressures below 2 mTorr, 

in a stainless steel chamber, reactions 5 and 6 are the 

dominant  channels.  In  an  anodized  aluminium 

chamber,  detachment  reactions  between 

O

2

−

  and 

O(

3

P) are the main channels for the O

2

−

 loss process. 

As  the  pressure  increases,  the  reaction  rates  for 

reactions  1,  2,  3,  and  4  increases.  Thus,  the  loss 

process for 

O

2

−

 is not dominated by only one reaction, 

but many reactions contribute to it and the role of each 

reaction is heavily pressure dependent. These results 

also  show  the  importance  of  the  metastable  states 

O

2

(a

1

∆

g

)  and  O

2

(b

1

Σ

g

+

)  in  oxygen  discharges  in 

particular at higher pressures.