On phenomena in ionized gases

2. Results 

In  full  late  afterglow  conditions,  the  N-atom  gas 

phase chemistry is essentially reduced to the  3-body 

recombination process and the N-atom density  [N] is 

related  to  the  N

2

  1

st

  pos  emission  at  580nm  I

580

 

through relation (1): 

I

580

 = k [N]

2

 , 

 

 

 

(1) 

where the proportionality constant k can be obtained 

by  NO  titration  [1].  Similarly,  the  emission  intensity 

I

385

 of the CN violet system at 385 nm can be used to 

obtain  the  absolute  C-atom  concentration,  once  the 

N-atom density is known. 

Varying the CH

4

 amount (< 3

0

/

00

) and the pressure 

in the 4-20 Torr range, it is found that the [C]/[N] ratio 

shows  a  peak  maximum  for  the  N

2

/0.4

0

/

00

CH

4

  gas 

mixture and that a maximum [C] atom density of 4.7 

10

13

 cm

-3

 is obtained at 13 Torr, with a corresponding 

N-atom density equal to 8.3 10

14

 cm

-3

. 

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

0

1

2

3

4

5

0

1

2

3

4

5

[C

] 

(i

n

 1

0

13

 cm

-3

)

 

 

[N

] 

(i

n

 1

0

15

 cm

-3

)

Pressure (Torr)

 [N]

 [C]

 

Pressure variation of N and C-atoms densities in 

the N

2

/0.4

0

/

00

CH

4

 late afterglow 

(0.5 slpm, 100 Watt) 

Anatase  nanocrystals  and  ALD  TiO

2

  samples 

were  exposed  in  optimal  afterglow  conditions  at 

temperatures ranging between 20 and 300°C and XPS 

analysis of the treated samples is in progress

. 

 

3. References  

[1] H. Zerrouki, A. Ricard, J.P. Sarrette, Contrib. 

Plasma Phys. 54 (2014) 827. 

Topic number  14

 

numbe1r  

120

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

Reduction of heat-fluxes during re-entry using magnetic fields

K. Lüskow

1

, S. Kemnitz

2

, G. Bandelow

1

, J. Duras

3

, D. Kahnfeld

1

, P. Matthias

1

, R. Schneider

1

,

D. Konigorski

4

P

1

P

 Institute for Physics, Ernst-Moritz-Arndt University of Greifswald, Greifswald, Germany 

P

2

P

 Institute for Computer Science, University of Rostock, Rostock, Germany

P

3

P

 Department of Applied Mathematics, Physics and Humanities, Nuremberger Institute for Technology,

Nuremberg, Germany

P

4

P

 Airbus Operations GmbH, Emerging Technologies and Concepts, Hamburg, Germany

In wind-tunnel experiments a heat flux reduction was observed by applying magnetic fields. The

underlying mechanism is still unexplained. One possible reason is the indirect effect of magnetic

fields on the total heat flux. The application of magnetic fields influences the flux of electrons

and ions, and through charge-exchange collisions also the dominant contribution of neutrals in

the heat flux.

To reduce heat fluxes during re-entry one idea

is to use magnetic fields that shield the spacecraft

from  the  flux[1].   In  2002   the  European   Space

Agency   started   an   investigation   on   heat-flux

mitigations by externally applied magnetic fields

in partially-ionised argon-flows [2]. In these test

experiments   due   to   large   differences   between

plasma   density   (~10

17

  m

-3

)   and   neutral   density

(~10

21

  m

-3

),   most  of  the  heat-flux  is  carried  by

neutrals. Therefore, it is not directly expected that

it can be reduced by magnetic fields. 

Figure 1: Magnetic field and simulation domain.

To   study   such   scenarios   the   Particle-in-Cell

method   with   Monte-Carlo   collisions   [3,4]   was

used.   The   simulation   reproduces   the   heat   flux

reduction qualitatively. The magnetic field leads to

a change in electron and ion density by affecting

the  trajectories  of  the  charged  particles  through

the   Lorentz   force.   Magnetic   field   lines   in   the

dipole-like   field   converge   to   the   centre   of   the

target. As particles are guided into this region a

shield of high plasma density builds up in front of

the target. Neutral transport is affected by charge

exchange   collisions   with   ions   acting   as   a

momentum sink for the neutrals and reducing the

neutral axial velocity. By this, the resulting total

neutral   heat   flux   is   reduced.   Ion   heat   flux   is

increased only  weakly,  because the radial losses

due   to   the   magnetic   field   and   turbulence   get

stronger. In addition, the simulation was verified

against   experimental   spectroscopy  using  optical

emission analysis. In the free stream region a loss

of intensity for all wavelengths appeared, whereas

in front of the target an increase of the intensity is

observed.   Both  effects   were  in  good  agreement

with the experiment. 

Figure 2: Simulated radial profile of the total heat

flux onto the target.

A  photo   was   simulated   from   the   calculated

optical   emission   spectrum.   The   simulation

reproduces   the   observed   optical   effects   when

applying the external magnetic field. These effects

are an overall red shift, a smaller bright emission

region  close to  the  arc   jet  exit  and  an  emission

region in front of the target.

[1]   M.L.   Blosser,   NASA   Technical

Memorandum. 110296 (1996).

[2]  A.   Gülhan  et.   al.,   J.   of  Spacecrafts   and

Rockets. 46 (2009), 274-283.

[3]   D.   Tskhakaya   et.   al.,   Contributions   to

Plasma Physics. 47 (2007), 563-594.

[4]   K.   Matyash   et.   al.,   Contributions   to

Plasma Physics. 47 (2007), 595-634.

5

121

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

 

 

Microcrater formation model under cathode spot plasma of a vacuum arc 

 

G. A. Mesyats

1

 and I. V. Uimanov

2

 

 

P

1

P

 P.N. Lebedev Physical Institute, RAS, Moscow 119991, Russia  

P

2

P

 Institute of Electrophysics, UB RAS, Ekaterinburg 620016, Rissia

 

 

A semiempirical hydrodynamic model based on the cellular structure of the cathode spot of a 

vacuum arc has been developed to describe the formation of a microcrater on the cathode under 

dense cathode spot plasma. In the context of a 2D axisymmetric problem statement of charge, 

heat, and mass transfer in a cathode, the formation of a crater on a copper cathode has been 

simulated. It has been shown that for the cell current ranging between 1.6 and 7 A and the time of 

current flow through a cell ranging between 15 and 60 ns, the crater diameter is 3–7 µm. In these 

cases, the current density at the center of a cathode spot cell is 

∼10

12

 A/m

2

, and the average current 

density in a cell, determined using the crater diameter, is 

∼10

11

 A/m

2

. The obtained results are in 

agreement with experimental data on the crater size, cathode spot lifetime, and cathode spot 

current density at near-threshold arc currents. 

 

1. Introduction 

According to numerous observations, any 

vacuum arc track on a cathode has a substructure of 

microcraters. Based on these observations, the ecton 

mechanism of the operation of a cathode spot (CS) 

was proposed [1]. The CS comprises an active area 

of a cathode, heated to above its melting 

temperature, and the adjacent dense CS plasma. The 

ecton model assumes a cyclic operation of individual 

CS cells having micrometer spatial dimensions and 

lifetimes of several tens of nanoseconds. Recently, 

some advances have been made in the theoretical 

study of the role of the liquid-metal phase in the 

initiation and operation of a CS cell [2–4]. 

2. Model description and Results 

In the context of a 2D axisymmetric statement of 

the problem of the charge, heat, and mass transfer in 

a cathode, a semiempirical hydrodynamic model  has  

been developed to describe the formation of a 

microcrater and the initial stage of the formation of 

liquid-metal jets in a cell of the cathode spot of a 

vacuum arc. The model includes experimentally 

obtained characteristics of the cathode spot plasma 

interacting with the cathode, such as the pressure 

exerted by the plasma on the cathode and the power 

dissipated in the cathode. The crater formation has 

been simulated for a copper cathode at a constant CS 

cell current. It has been shown that for the cell 

current ranging between 1.6 and 7 A and the time of 

current flow through the cell ranging between 15 

and 60 ns, the crater diameter is 3–7 µm. The 

simulation predicted the maximum current density in 

the cell center equal to (1–3)

⋅10

12

 A/m

2

 for all 

calculation variants where the formation of a 

micrometer-size crater took several tens of 

nanoseconds. The mean current density in the cell 

determined  in  terms  of  the  crater diameter  is  an 

 

Fig. 1. Results of the numerical simulation of the micro-

crater formation (Cu, i

c

 = 3.2 A, r

0

 = 0.8 μm).  

order of magnitude lower, ~10

11

 A/m

2

. These results 

are in agreement with experimental data [1] on the 

crater size, cathode spot lifetime, and cathode spot 

current density at near-threshold arc currents. 

The work was performed under state assignment 

(theme No. 0389-2014-0005) and supported in part by the 

RFBR (grants Nos. 16-08-01099, 15-08-01648). 

3. References 

[1] G.A. Mesyats, Cathode Phenomena in a 

Vacuum Discharge: The Breakdown, the Spark, and 

the Arc. Moscow: Nauka, 2000. 

[2] Mesyats G.A and Uimanov I.V., IEEE Trans. 

on Plasm. Sci., 43 (2015) 2241-2246. 

[3] M. A. Gashkov, N. M. Zubarev,, O. V. 

Zubareva, G. A. Mesyats and I. V. Uimanov, J. of 

Exp. and Theor. Phys., 122 (2016) 776–786. 

[4] M.A. Gashkov, N.M. Zubarev, G.A. Mesyats, 

and I.V. Uimanov, Pis’ma Zh. Tekh. Fiz., 42 (2016) 

48–55. 

Topic number

122

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

 

Remote sensing of plasma phenomena in the upper atmosphere of the Earth 

by ground-based optical emission spectroscopy 

F. J. Gordillo-Vázquez

1

, M. Passas

1

, J. Sánchez, A. Luque, O. Van der Velde

2

, J. Montanya

2

 

 

1

Solar System Department, IAA - CSIC, Glorieta de la Astronomía s/n, Granada, Spain

 

2

Universitat Politècnica de Catalunya (UPC), C. Colom, 1, Terrassa, Spain 

*Contact e-mail: 

[e-mail]

 

 

Remote sensing of the Earth mesosphere (50 - 90 km altitude) is difficult because it is too high for 

atmospheric balloons and usually too low for most satellite sensing. The occurrence of Transient 

Luminous Events (TLEs) in the upper layers of the atmosphere connected to lightning activity in 

the  troposphere  (0  -  14  km)  can  be  now  remotely  sensed  with  GRASSP,  the  GRanada  Sprite 

Spectrograph and Polarimeter, which can provide middle resolution (0.24 nm) spectra of transient 

plasma phenomena occurring in the mesosphere of the Earth. Spectra recorded with GRASSP can 

provide valuable information about key features of the mesosphere through remote sensing of such 

transient plasmas. We present preliminary results of gas temperatures and the degree of vibrational 

excitation of mesospheric air plasmas. 

 

1. Introduction 

 

       The  first  and  simultaneous  spectroscopic  cam-

paigns of TLEs were carried out in the mid 1990s [1, 

2],  soon  after  the  discovery  of  TLEs  in  1989  [3]. 

These initial campaigns provided preliminary results 

on  the  optical  emissions  of  TLEs  corresponding  to 

the  first  positive  system  (FPS)  of  N

2

(B

3

Π

g

)  → 

N

2

(A

3

Σ

+

u

)  in  the  visible  and  near  infrared  (NIR) 

spectral  range  (540–840  nm)  recorded  at  standard 

video rate (30 fps) and at low (between 9 and 6 nm) 

spectral resolution. 

      More  recently,  in  2007,  spectroscopic  observa-

tions of sprite optical emissions between 640 nm and 

820  nm  provided  information  on  the  relative  vibra-

tional concentrations of the emitting electronic state 

N

2

(B

3

Π

g

, v') at different altitudes using higher video 

rate (300 fps) and higher spectral resolution (3 nm) 

spectrographs  [4]  originally  designed  for  aurora 

spectroscopy [5]. 

     The  above  mentioned  sporadic  TLE  spectrosco-

pic  campaigns  identified  some  of  the  key  optical 

emissions  from  sprites  (a  type  of  TLE)  and  were 

even  able  to  quantify  some  of  the  vibrational  con-

centrations  of  the  emitting  levels  in  reasonable 

agreement with model predictions [6]. However, the 

best spectral resolution achieved to date is 3 nm and 

it  is  not  enough  to  spectrally  resolve  the  different 

low-lying  vibro-rotational  transitions  of  the  FPS  of 

N

2

. 

     This contribution focuses on (1) the latest upgra-

des of the GRanada Sprite Spectrograph and Polari-

meter  (GRASSP),  a  ground-based  medium-high 

spectral resolution spectrograph aimed at characteri-

zing  from  ground  the  spectroscopic  fingerprints  of 

all sort of TLEs occurring in the mesosphere of the 

Earth  and  (2)  the  GRASSP  2015,  2016  summer-

autumn  TLE  spectroscopic  campaign  in  Europe 

when  we  got  the  first  ever  recorded  high-resolution 

spectra  of  sprite  halos  and  columniform  and  carrot-

like sprites.  

    High-resolution  spectra  of  TLEs  recorded  with 

GRASSP  are  a  valuable  tool  to  remotely  probe  the 

upper  atmosphere  of  the  Earth  and  extract  informa-

tion about the gas temperature and the distribution of 

vibrational  levels  of  N

2

(B

3

Π

g

)  underlying  some  of 

the transient optical emissions of TLEs. 

     GRASSP  works  at  0.24  nm  spectral  resolution 

covering the spectral range between 700 nm and 800 

nm.  The  last  version  of  GRASSP  is  currently  in-

stalled in Castellgalí, Barcelona (Spain), it is aimed 

and  operated  manually  by  the  operator  from  the 

UPC group on-site or operated remotely from IAA-

CSIC in Granada.  

GRASSP  is  already  being  used  for  systematic 

TLE spectroscopic surveys in Europe as part of the 

ground  support  for  the  future  Atmospheric  Space 

Interaction  Monitor  (ASIM)  and  the  Tool  for  the 

Analysis  of  RAdiation  from  LightNIng  and  Sprites 

(TARANIS) space missions to be launch by the end 

of 2017 and 2018, respectively. 

 

2. References 

[1] S. B. Mende, R. L. Rairden, G. R. Swenson, and 

W. A. Lyons, (1995) Geophys. Res. Lett. 22, 2633 

[2] D. L. Hampton, M. J. Heavner, E. M. Wescott, 

and D. D. Sentman, (1996) Geophys. Res. Lett. 23, 

89  

[3] R. C. Franz, R. J. Nemzek, and J. R. Winckler, 

(1990) Science 249, 48 

[4] T. Kanmae, H. C. Stenbaek-Nielsen, and M. G. 

McHarg, (2007) Geophys. Res. Lett. 34, L07, 810 

[5] T. J. Hallinan, H. C. Stenbaek-Nielsen, and C. S. 

Deehr, (1985) J. Geophys. Res. 90, 8461–8475  

[6] F. J. Gordillo-Vázquez, A. Luque, and M. Simek, 

(2011) J. Geophys. Res. (Space Phys) 116, A09, 319 

Topic number 7 

123

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

 

 

Metastable Molecules in O

2

 Plasmas probed by  

 High-Resolution Fourier Transform Absorption Spectroscopy  

 

A.Chatterjee

P

1,2

P

, J.P. Booth

P

1

P

,

U

 O. Guaitella

1

, N. De Oliviera

2

 ,L. Nahon

2

 ,C.M. Western

3

 

 

P

1

P

 Laboratoire de Physique des Plasmas, CNRS, Ecole Polytechnique, UPMC Univ Paris 06, Univ Paris-Sud, 

Observatoire de Paris,Université Paris-Saclay, Sorbonne Universités, PSL Research University, F-91128 

Palaiseau, Franc, 

2

P

 Synchrotron SOLEIL, Gif Sur Yevette, France; 

3

 University of Bristol, UK 

 

DC  glow  discharges  in  pure  oxygen  were  studied  by  high  resolution  (~10

6

)  VUV  absorption 

spectroscopy using synchrotron radiation and a Fourier Transform Spectrometer. O

2

(X), O

2

 (a), O

2

 

(b) and ground state O atoms were observed, allowing their absolute densities to be determined as 

a function of gas pressure and discharge current. 

 

1. Introduction  

Electrical  discharges  in  oxygen-containing  gases 

are  found  widely  in  nature  and  are  used  for  many 

industrial  processes  including  etching,  polymer 

stripping  and  surface  cleaning  as  well  as  for 

sterilization  and  other  biomedical  applications. 

Metastable  molecules  (a 

1



g 

and  b 

1



g

)  and  atomic 

oxygen produced in such plasmas play a vital role in 

the  plasma  characteristics.  Since  they  destroy  O

- 

negative

 

ions  by  associative  detachment  reactions, 

they have a strong effect on the plasma conductivity 

and reactivity. They are principally lost by reactions 

at  the  chamber  walls,  but  the  surface  reaction 

coefficients  are  poorly  known,  limiting  the 

predictive power of models. 

Vacuum  ultraviolet  absorption  spectroscopy  is  a 

promising  technique  for  detecting  these  transient 

species. However, their VUV spectrum has not been 

measured since Ogawa et al. [2,3] in the 1970’s. We 

have  used  the  excellent  spectral  resolution  (~10

6

) 

and  accuracy  of  the  DESIRS  VUV  Fourier-

Transform (FTS) branch at synchrotron Soleil [1] to 

revisit these measurements. Combining with spectral 

simulations  we  can  identify  the  best  transitions  for 

future  time  resolved  kinetic  measurements  on  the 

monochromatic branch of the DESIRS beamline. 

 

2. Experimental Setup 

The  DC  discharge  was  excited  in  a  40cm  long,  1.2 

cm  id  Pyrex  tube  with  water  cooling  and  stainless 

steel  electrodes  and  MgF

2

  windows  to  transmit  the 

VUV beam. The transmitted light in the region 120-

170 nm is analysed with the FTS [1]. 

 

3. Results 

Fig  1  compares  our  results  with  the  spectra  of 

Ogawa et al. O

2

 X, a and b bands are observed, with 

high  resolution,  allowing  the  rotational  temperature 

to  be  determined.  The  O

2

  X  and  a  state  densities 

were determined using the data of Ogawa. 

120

125

130

135

140

145

-1

0

1

2

3

4p

1



u 

 



 b

O

2

 X(Ogawa), 2.5x10

16

 cm

-2

Opt

ic

al 

depth 

Wavelength(nm)

O

2

 a

1



g

(Ogawa), 4x10

15

 cm

-2

O atom

3

S

0



3

P

j

O

2

 e'



 a 

O

2

 a 

& 

O

2

 X

 

Fig.1.  Absorption  spectrum  of  50  mA  discharge, 

10mBar He + 0.05mBar O

2