On phenomena in ionized gases

1. Experimental device 

To  inflame  aluminium  powder  we  used  a 

Hartmann tube which is a polycarbonate transparent 

cylinder  fitted  with  two  tungsten  electrodes  that  are 

cerium  doped,  having  a  cylindrical  shape  with  a 

diameter  of  2.4  mm  whose  ends  are  tip  shaped  with 

an  angle  of  40°.  Compressed  air  blower  spreads  the 

deposited  metallic  dust  and  the  spark  generator 

provides the discharge which inflames the dust.    

 

 

2. Minimum Ignition Energy (MIE) 

The spark discharge energy is correlated with the 

discharge duration and the Langlie test [1] is used to 

determine  the  inflammation  probability  of  a  dust 

cloud  with  the  spark  discharge  energy.  The 

determined  MIE  of  350  mg  of  aluminium  powder 

with a mean particle diameter between 15 µm and 25 

µm is equal to 15.13 mJ. 

 

3. Pyrometric and spectroscopic temperatures 

Pyrometric  measured  temperatures  are  close  to 

2600  K  and  correspond  to  the  burning  particles 

temperatures  in  the  Hartmann  tube.  However 

spectroscopic  measured  temperatures  using  vibro-

rotational  lines  of  AlO  are  about  3000  K  and 

correspond  to  gas  molecules  temperatures  and  are 

certainly representative of temperature in flame front. 

 

4. Ignition delay 

The spark discharge interacts with the flammable 

medium  through  an  ignition  delay  during  which  all 

the  chemical  processes  of  heat  transfer  from  the 

spark  to  the  inflammable  product  take  place.  The 

ignition  delay  follows  a  parabolic  evolution  versus 

the  dust  mass  concentration.  The  average  value  is 

around 25 ms. 

 

5. Spark temperature 

To  evaluate  the  discharge  energy,  it  is  necessary 

to  determine  the  spark  temperature.  The  spark 

discharge  duration  is  fixed  to  100  µs.  Optical 

emission  spectroscopy  is  used  for  the  acquisition  of 

the WI emission lines from different zones of the arc. 

An  Abel  inversion  was  performed  to  set  up  a  radial 

distribution of the measured emissivity by defining a 

cylinder  of  radius  r  whose  axis  corresponds  to  the 

inter-electrode  axis.  Spatial-time  evolution  of  WI 

excitation  temperature  is  given  assuming  excitation 

equilibrium and using Boltzmann plot.

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. References 

 [1]  S.  Bernard  &  al.  Statistical Method for the 

Determination of the Ignition Energy of Dust Cloud-

Experimental Validation, Journal of lost prevention in 

the process industries, 23-3 (2010), 404-411. 

74 

Figure 1 : Excitation Temperature at 50 µs

 

148

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

 

 

Collisional-radiative model of iron vapour released in thermal arc plasma 

from molten electrodes 

 

 

U

M. Baeva

UP

1

P

, D. Uhrlandt

P1

1

P

, A. B. Murphy

P

2

P

 

 

P

1

P

 Leibniz Institute for Plasma Science and Technology, Felix-Hausdorff-Strasse 2, 17489 Greifswald, Germany  

P

2

P

 CSIRO Manufacturing, PO Box 218, Lindfield NSW 2070, Australia 

 

 

A collisional-radiative model for technological plasmas is set up. It considers the ground state and 

fifty effective levels of atomic iron, and one level for singly-ionized iron. The model provides the 

population  of  excited  states  of  iron  due  to  collisional  and  radiative  processes.  It  is  applied  to  a 

thermal  argon  arc  plasma,  in  which  iron  vapour  is  released  respectively  from  the  molten  steel 

anode  in  tungsten-inert  gas  and  from  the  consumable  iron  electrode  in  a  gas-metal  welding  arc. 

Input  parameters  are  provided  by  magnetohydrodynamic  simulations.  The  results  clearly  identify 

the  conditions  in  the  arc  under  which  the  atomic  state  distribution  satisfies  the  Boltzmann 

distribution, with an excitation temperature equal to the plasma temperature or deviates from it.  

 

Iron  vapour  is  important  in  many  arc  plasma 

processes. The electronic structure of the iron atom 

is  characterized  by  energy  levels  and  ionization 

potential  being  lower  than  the  energy  of  the  first 

excited state of the shielding gas [1], i.e. iron atoms 

are  more  easily  excited  and  ionized  and  can 

influence  the  radiative  and  electrical  arc  plasma 

properties.  To  obtain  the  population  of  excited 

states, cross-sections and transition probabilities for 

excitation 

and 

de-excitation, 

ionization 

and 

recombination,  and  radiative  processes  between  the 

levels  are  required.  However,  there  exists  a  drastic 

lack  of  data  in  the  literature  for  iron  atoms.  Data 

obtained in the Opacity Project and the Iron Project 

is  restricted  to  astrophysical  applications  [2].  For 

that  reason,  collisional  data  is  described  in  the 

model  by  means  of  theoretical  approximations  [3]. 

Atomic transition probabilities data for allowed and 

forbidden  transitions  is  critically  evaluated  and 

given  in  [4].  The  net  result  of  emission  and 

absorption  transitions  between  two  levels  is 

considered with transition probabilities modified by 

the  optical  escape  factor.  The  model  neglects  the 

transport  of  excited  atoms  [5].  It  is  applicable  to 

technological  plasmas  both  in  and  out  of  local 

thermodynamic 

equilibrium 

(LTE). 

Magneto-

hydrodynamic simulations of tungsten-inert gas and 

gas-metal welding arcs serve with input parameters. 

The atomic state distribution (ASD) obtained for 

gas-metal  tungsten  arc  is  shown  in  Fig.  1.  At  low 

temperatures  (a)  observed  respectively  near  the 

consumable  electrode  and  the  workpiece,  the  ASD 

deviates  from  the  equilibrium  one  (straight  line). 

Then, temperature determination from line intensity 

measurements  can  be  inaccurate.    Deviations  from 

thermal  equilibrium  occur.  In  contrast,  in  the  most 

of  the  central  part  of  the  arc  column  where  the 

temperature  is  high  (b),  the  excitation  temperature 

and  the  plasma  temperature  are  equal.  The 

application  of  diagnostic  techniques  that  are  based 

on the assumption of LTE is better justified. 

 

 

Fig.1  Atomic  state  distribution  of  iron  at  a)  low  and  b) 

high  temperatures  in  gas-metal  welding  arc  plasma.  In 

each case, results are shown for two iron partial pressures. 

The straight lines represent Boltzmann distributions. 

 

The  work  was  supported  by  DFG  under  Grant 

UH106/11-1. 

 

References 

[1]  C.E.  Moore,  Atomic  energy  levels,  vol.  2, 

Ntl. Bur. Stand. (US) Circ. 467 (1952, repr. 1971).  

[2] D.G. Hummer et al, A&A, 279, 298 (1993). 

[3]  L.  Vriens,  A.H.M.  Smeets,  Phys.  Rev.  A, 

22(3), 940 (1981). 

[4] J. R. Fuhr, W. L. Wiese, J. Phys. Chem. Ref. 

Data, 35(4), 1669 (2006) 

[5]  B.  Van  der  Sijde  et  al,  Beitr.  Plasmaphysik, 

24, 447 (1984)

 

Topic number 11 

149

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

 

 

Energy dependence of intensity ratio between nitrogen spectral lines of N II 

and N I from electrostatic discharge in air 

 

T. Miura 

 

P

National Institute of Occupational Safety and Health, Japan, 1-4-6, Kiyose, Tokyo 204-0024, Japan 

P

 

 

For development of practical method to estimate energy of spark discharge in air without electrical 

measurements,  dependence  of  spectral  characteristics  of  light  emission  from  the  discharge  on 

electrostatic energy was investigated. It was found that the relative light intensity of N II to N I 

increased with electrostatic energy in the region from 0.1 mJ to 10 mJ. 

 

1. Introduction 

For  risk  assessment  of  fires  caused  by  spark, 

minimum  ignition  energy  of  the  combustibles  has 

been  well  evaluated  using  explosion  apparatus, 

including  a  spark  generator  and  a  basic  electric 

circuit with a capacitor, resistor, induction coil, and 

high-voltage  supply.  However,  estimating  the 

energy of an actual spark—such as a spark between 

an  electrified  human  body  and  an  ungrounded 

conductor—from  the  condition  of  an  equivalent 

electric circuit is impossible in practice, even if the 

surface  potential  of  the  human  body  can  be 

measured.  

We has studied spectral characteristics of  spark 

discharge  in  air.  It  was  found  that  the  relative 

intensity of the emission line from N II to that from 

N I increased with the initial electrostatic energy of 

the charged capacitor. In this study, dependence of 

their  intensity  ratio  on  electrostatic  energy  was 

measured in detail. 

 

2. Experiment 

A  spark  was  generated  in  a  gap  between  two 

spherical  electrodes  during  the  process  of  their 

approaching  each  other;  one  was  grounded  and  the 

other  was  connected  to  a  high-voltage  charged 

capacitor. The electrodes were made of stainless steel, 

and their radius of curvature was 7 mm. The speed of 

approach was in the region between 0.5 and 5 mm/s. 

The room temperature was 24-27ºC, and the relative 

humidity was 30-60%. The maximum voltage was 6 

kV.  Capacities  were  varied  from  47  to  1000  pF. 

Simultaneously  discharge  current  was  measured  by 

means of current probe with digital oscilloscope and 

recoded. 

 

3. Results and discussions 

Figure 1 shows the typical spectrum of a spark due 

to a capacitor discharge in air. The spectrum shows 

emission lines from electronic excited nitrogen atoms 

(N I), monovalent positive ions (N II), and so on. 

The intensity ratio of N II to N I was measured as a 

function  of  the  electrostatic  energy  accumulated  to 

the capacitor before discharge, as shown in Figure 2. 

The electrostatic energy was varied by changing the 

voltage  of  the  capacitor.  The  intensities  were 

obtained by integrating the spectrum’s peak without 

any background. 

As shown in Figure 2, the relative intensity of N II 

increased  with  the  electrostatic  energy  of  the 

capacitor.  The  current  measurement  implied  that 

accumulated  charge  was  almost  discharged.  A 

function between the ratio and the energy was found, 

although each voltage group has individual line. 

450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950

0

0.5

1

N

 I

I 

500 

nm

N

 I

 822 

nm

H



N II

N II

N 

I, 

N

 II

O I

Wavelength [nm]

In

te

ns

ity

 [

a.

 u

.]

 

Fig.1. Emission spectrum of spark discharge 

(470 pF, 3.0 kV)

 

10

-1

1

10

0

0.5

1

 2±0.5 kV

 3

 4

 5

 6

Electrostatic energy [mJ]

N

 II/

N

 I

 

Fig.2. Relation between the relative intensity of the N II 

emission to the N I and the initial electrostatic energy of 

the capacitor, categorised by the applied voltages. 

Topic number 

150

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

 

 

Simulating Propagation of Spots over Cathodes of High-Power 

Vacuum Circuit Breakers  

 

M. D. Cunha

P

1,2

P

, N. Wenzel

P

3

, 

U

M. S. Benilov

UP

1,2

P

, W. Hartmann

P

3

 

 

P

1

Departamento de Física, FCEE, Universidade da Madeira, Largo do Município, 9000 Funchal, Portugal  

P

2

P

 Instituto de Plasmas e Fusão Nuclear, IST, Universidade de Lisboa, Portugal 

P

3

P

 Siemens AG, Corporate Technology, Günther-Scharowsky-Strasse 1, 91058 Erlangen, Germany 

 

A model of an ensemble of a large number of spots on cathodes of high-power vacuum circuit 

breakers is developed by means of generalization of the concept of random walk of a single 

cathode spot in low-current vacuum arcs. The model is formulated in terms of a convection-

diffusion equation governing the evolution of the distribution of spots along the cathode, taking 

into account the variation of the total number of spots with the arc current. A reasonably good 

agreement between the model and the experiment is found. The model can be used as a module of 

global numerical models of the interruption process in high-power vacuum circuit breakers. 

 

1. The model 

The motion of a spot on a cathode of a vacuum 

arc can be described as a random walk consisting of 

a sequence of displacements with a characteristic 

step length and a characteristic time interval, and 

with probabilities dependent on the spot location. 

The evolution of the probability of a spot to be at a 

certain position at a certain time instant is governed 

by the Fokker-Planck equation. Assuming that there 

is no interaction between individual spots and 

multiplying the above-mentioned equation by the 

total number of spots, we obtain an equation 

governing the evolution of the surface density of 

spots. Creation of new spots and extinction of 

existing ones is accounted for with the use of the 

assumption that the net local rate of creation of spots 

is proportional to the local density of those already 

existing. The proportionality coefficient is 

determined from the condition that the total number 

of spots at each moment conforms to the 

instantaneous value of the arc current, which is 

essential for the model to be applicable to high-

power vacuum circuit breakers. The drift velocity is 

associated with the retrograde motion of the spots in 

a tangential magnetic field and was estimated from 

the experimental data [1] with the account of the 

effect of axial magnetic fields [2]. It is assumed that 

the spots are extinguished on reaching the boundary 

of the contact. 

 

2. Results 

The above-described model was applied to 

conditions of experiments [3, 4]. An example is 

shown in Fig. 1. The figure refers to the case of a 

cathode made of CuCr25 with a diameter of 40 mm 

operating under a sinusoidal current wave with 

frequency of 50 Hz and current peak of 7 kA, with 

variable axial magnetic field B

n

. The agreement 

between simulation results and the experiment is 

reasonably good. 

 

0.4

0.8

1.2

1.6

0

4

8

12

16

20

R (mm)

t (ms)

B

n

 = 0

10 mT 70 mT

 

Fig.1 Time dependence of cathode arc root radius. 

Lines: modelling. Symbols: experiment [4, Fig. 12]. 

 

3. Acknowledgements 

The work at Universidade da Madeira was 

supported in part by FCT of Portugal through the 

project Pest-OE/UID/FIS/50010/2013 and in part by 

Siemens AG. 

 

4. References 

[1] A.M. Chaly, K.K. Zabello and S.M. 

Shkol’nik, in Proc. 26th Int. Symp. Discharges 

Electr. Insul. Vacuum, vol. 1, pp. 229-232 (2014). 

[2] A.M. Chaly and S.M. Shkol’nik, IEEE Trans. 

Plasma Sci., vol. 39, no. 6, pp. 1311-1318 (2011). 

[3] W. Hartmann, A. Lawall, R. Renz, M. 

Römheld, N. Wenzel, W. Wietzorek, IEEE Trans. 

Plasma Sci., vol. 39, no. 6, pp. 1324-1329 (2011). 

[4] X. Song, Z. Shi, C. Liu, S. Jia and L. Wang, 

IEEE Trans. Plasma Sci., vol. 41, no. 8, pp. 2061-

2067 (2013). 

 

Topic 3 

151

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

 

 

Astronomical radio-reception techniques for emission spectroscopy  

of molecular and short lived species in cold plasmas  

 

I. Tanarro

1

, B. Alemán

2,4

, R. J. Peláez

1

, V. J. Herrero

1

, J. L. Doménech

1

, P. de Vicente

3

,  

J. D. Gallego

3

, J. R. Pardo

2

, K. Lauwaet

2

, G. Santoro

2

,

 J. A. Martín-Gago

2

, J. Cernicharo

2

 

 

1

Inst. de Estructura de la Materia, CSIC,  Serrano 123, 28006 Madrid (Spain)  

[e-mail]

 

2

Inst. de Ciencia de Materiales de Madrid, CSIC, Sor Juana Ines de la Cruz 3, 28049 Cantoblanco (Spain) 

 

3

Observatorio de Yebes, IGN, Guadalajara (Spain), 

4

IMDEA Materiales, Eric Kandel 2, 28096 Getafe (Spain) 

 

In this work we describe the proof of concept of the use of standard radio-astronomy receivers to 

conduct emission spectroscopy of different molecular precursors and products at room 

temperatures in low pressure plasmas. The goal is to obtain in laboratories valuable spectroscopic 

information on rotational transitions of molecular species of astrophysical interest at high spectral 

resolution. An inductively coupled RF discharge was employed to generate the plasma. OCS, CS

2

 

and O

2

 were used as plasma precursors. The experiment was performed with the 33-50 GHz band 

HEMT detector available in the Observatory of Yebes (Spain), where the beam of its radio-

telescope of 40 m diameter pointing towards the zenith was used as cold emission background.  

 

1.

 

Introduction 

With the increasing use and continuous 

development of powerful radio-telescopes (like 

ALMA), spectral line surveys at mm and sub-mm 

wavelengths have enhanced tremendously the 

detection of stable molecules and transient species in 

interstellar molecular clouds and other astronomical 

regions. Evaluation of these data takes great 

advantage of laboratory information on the spectral 

fingerprints and reactivity of these species. In this 

work we describe the successful joint use of 

standard

 

radio-astronomy High Electron Mobility 

Transistor (HEMT) receivers and plasma reactors for 

laboratory simulations of astrophysical observations. 

 

2.

 

Experimental set-up 

The plasma was produced in a 25 cm diameter, 

42 cm length SS vacuum chamber by an inductively 

coupled RF discharge (13.56 MHz) through a 

refrigerated Cu coil inserted axially. Upilex 

windows of 75 

m thickness were placed at both 

ends of the chamber. A differentially pumped mass 

spectrometer was used to identify the plasma 

precursors and stable products. Gas pressures 

 10-

30 Pa allowed stable plasma operation and produced 

similar column densities to those of typical 

interstellar clouds. 

The radio-receiver operated in the 33-50 GHz 

spectral band, with 2 GHz bandwidth and 38 kHz 

spectral resolution. Data were acquired with a Fast 

Fourier Transform Spectrometer. A frequency 

switching method for background subtraction was 

used for stable gas detection, whereas turning on and 

off the plasma was most convenient to detect short 

lived species. Depending on the weather conditions, 

the background for emission measurements came 

from the antenna of the radio-telescope pointing 

towards the zenith (clear blue sky) or from a 

blackbody load of liquid N

2

 (cloudy or rainy 

weather), implying 42 K or 77 K, respectively, at 45 

GHz spectral frequency.   

 

3.

 

Results 

OCS was selected for preliminary gas detection 

in the observing emission band, displaying 

maximum equivalent radiation temperatures of 

 4 

K. At the lowest pressure (5 Pa), its linewidth was 

due in part to thermal broadening and at the highest 

one (60 Pa), it was dominated by pressure 

broadening. OCS and CS

2

 were selected as plasma 

precursors of the CS radical, which emits also in this 

region. It was routinely detected in different plasma 

conditions, with equivalent temperatures up to 3 K. 

O

2

 discharges applied after sulphur deposition on the 

reactor walls by the previous S rich containing OCS 

and CS

2

 plasmas allowed the surface generation of 

SO

2

 and the detection of its rotational transitions in 

different bending vibrational states, v

2

 = 0,1,2, the 

intensity of the transitions from upper levels 

increasing with discharge power.  

The RF discharge didn’t induce any 

electromagnetic spurious signals in the receivers, 

and astronomical detection of a SiO maser in the 

AGB star TX Cam showed identical results with 

plasma on and off.  

In conclusion, these experiments confirm the 

viability of using standard radio-astronomy receivers 

to detect molecular and short lived species in gas 

simulation chambers based on plasma reactors. 

 

Topic number 6 

152

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