On phenomena in ionized gases

Acknowledgements 

This research was funded by the Czech Science

 

 

 

 

 

 

 

 

Foundation project 16-09721Y and by the project

 

 

 

 

 

 

 

LO1411 (NPU I) of Ministry of Education Youth

 

     

   

 

 

and Sports of Czech Republic. 

 

References 

[1] P.J. Bruggeman et al. Plasma sources sci. 

technol. 

​25​.5 (2016) 053002. 

[2] J. Voráč et al. Plasma sources sci. technol.  

26

​.2 (2017) 025010. 

[3] J. Voráč et al. submitted to J. Phys. D:  

Appl. phys. 

[4] massiveOES software package  

https://bitbucket.org/OES_muni/massiveoes 

 

 

182

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

 

 

Charge transfer and ultra-fast imaging  

of the surface barrier discharge at argon/water interface 

 

P. Synek

P

1

P

, 

U

Yu. S. Akishev

UP

2,3

P

, A. Petryakov

P

2

P

, N. Trushkin

P

2

P

, J. Voráč

1

, T. Hoder

P

1

P

 

 

P

1

P

 Department of Physical Electronics, Masaryk University, Brno, Czech Republic  

P

2

P

 State Research Centre of Russian Federation, TRINITI, Moscow, Russia 

 

3

P

 National Research Nuclear University MEPhI, Moscow, Russia 

 

We  report  on  time  resolved  study  of  the  charge  transfer  and  2D  imaging  of  the  surface  barrier 

discharge emerging from liquid electrode in atmospheric pressure argon. Using a precise analysis 

of  the  constructed  Q-V  plots  (Lissajous  figures)  the  different  modes  of  the  barrier  discharge  are 

identified. Electrical signatures found in Q-V plots are linked to the optical appearances recorded 

by  ICCD  camera  and  the  mechanisms  are  discussed.  Special  nanosecond  gated  camera  enabling 

multiple expositions in a row for a single discharge event reveal the spatiotemporal development 

of the discharge luminosity. A light emission of an excited gas prior to the breakdown is detected 

as  well  as  the  subsequent  contraction  to  the  streamer-driven  filament.  The  streamer-to-leader 

transition is evidenced, too.  

 

1. Introduction 

Recently, the water containing plasmas attach an 

intensive  attention  [1],  mostly  due  to  the  emerging 

applications in plasma medicine or polymer surface 

treatment  [2].  A  special  case  of  the  discharge 

generation  in  contact  with  water  is  the  surface 

barrier discharge, where one electrode is created by 

water. Water interface wetting the dielectric surface 

in gas atmosphere creates so called triple junction or 

triple  line,  where  the  Laplacian  electric  field  can 

reach  highly  elevated  values  if  a  voltage  source  is 

used.  As  a  consequence,  transient  plasma  is 

generated  at  this  interface.  This  phenomenon  is 

considered a complication in electro-wetting devices 

or  it  can  be  favourable  for  polymer  surface 

treatment, as shown in [2] and patented. 

 

2. Experimental results and discussion 

The discharge is driven by 100 kHz sine applied 

voltage  and  thus  the  pre-ionization  plays  an 

important  role  here.  The  applied  voltage  is 

connected to the embedded electrode in fused silica 

cuvette while the deionized water outside the cuvette 

is grounded. Precise electrical measurements enable 

the  construction  of  Q-V  plots  –  a  charge-voltage 

phase  space  attractors  describing  the  dynamical 

system  [3].  Two  different  modes  of  the  barrier 

discharge operation are identified. A low-power one, 

where  the  discharge  is  generated  just  at  the  triple-

line,  see  in  Fig.1,  and  a  high-power  one,  where  the 

surface  of  the  cuvette  is  covered  by  streamer  and 

leader  channels.  Special  nanosecond  gated  camera 

enabling  multiple  short  expositions  in  a  row  for  a 

single  discharge  event  reveal  the  spatiotemporal 

development  of  the  discharge  luminosity.  The 

charge  accumulation  during  the  pre-breakdown 

phase  is  visualised  on  timescale  of  units  of 

microseconds.  Also  a  subsequent  contraction  to  the 

streamer-driven filament is observed. The streamer-

to-leader  transition  is  evidenced,  spreading  the 

surface  charge  over  a  surface  area  of  units  of 

centimetres. 

 

 

Fig.1: Discharge emerging in argon atmosphere at triple-

junction consisting of argon/water/fused silica interface. 

The triple junction line is created by the elevated water 

interface wetting the fused silica cuvette. The micro-

discharges are reflected at the water surface below. 

 

3. Acknowledgements 

This  research  was  funded  by  the  Czech  Science 

Foundation  project  16-09721Y  and  by  the  project 

LO1411  (NPU  I)  of  Ministry  of  Education  Youth 

and Sports of Czech Republic.

 

 

4. References 

[1]  P.  Bruggeman  et  al.  Plasma  Sources  Sci. 

Technol. 25 (2016) 053002 

[2]  D.  Pavlinák  et  al.  Appl.  Phys.  Lett.  105  (2014) 

154102 

[3] P. Synek, Yu. Akishev et al., J. Appl. Phys. to be 

submitted

 

Topic number 6 

183

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

Numerical study on the dynamics of He plasma jets with N

2

 or O

2

 admixtures 

P. Viegas, A. Bourdon

LPP, CNRS, Ecole polytechnique, UPMC Univ Paris 06, Univ. Paris-Sud, Observatoire de Paris, Université Paris-

Saclay, Sorbonne Universités, PSL Research University, 91128 Palaiseau, France

Simulations performed with a 2D fluid model address the study of the dynamics of Helium plasma jets in

dielectric tubes with several admixtures of N

2

  or O

2

  and different geometrical set-ups, applied voltage

waveforms   and   repetition   frequencies,   to   compare   with   several   experimental   conditions.   Recently

different techniques have been developed  to measure the electric field in plasmas jets. In this work,

comparisons are carried out between simulations on the electric field measured by an external electro-

optic probe and measurements based on the Pockels effect. The influence of different gas mixtures and

species kinetics on the jet post-discharge is also addressed. Finally, for repetitive conditions, the influence

of initial conditions of species densities and surface charge deposition for the next jet is studied. 

1. Introduction

Recently,   to   tailor   the   generation   of   reactive

species in plasma jets for biomedical applications,

several research groups [1-3] have studied the use of

admixtures (mostly O

2

 and N

2

) to the helium buffer.

Furthermore, there exists also a recent interest for

the consideration of electric field associated with the

plasma   plume   delivery   over   tissues,   with   the

development   of   several   different   measurement

techniques of the electric field [4-7].

In this work, we present a numerical study on the

dynamics of a Helium plasma discharge with N

2

 or

O

2

 admixtures in a dielectric tube. At the tube exit,

the mixing of helium with air is neglected. However,

to be close to experimental conditions a grounded

target is set at 1 cm from the tube exit. In this work,

we focus on the calculation of electric field and its

comparison   with   experimental   results   in   different

conditions   (geometry,   applied   voltage,   repetition

frequency) for both positive and negative polarities

and for different gas mixtures. 

2. Numerical model and results

The simulations are performed with a 2D fluid

model.  In order to study the influence of different

amounts   of   N

2

  and   O

2  

admixture   on   the   helium

discharge dynamics, detailed kinetic schemes have

been used.

We   first   compare   time-resolved   measurements

using an electro-optic probe [4] and simulations of

longitudinal and radial electric field components, as

well   as   the   creation   of   species   such   as   He*,

associated with plasma propagation in the dielectric

tube and in the plasma plume. A good agreement is

obtained on the dynamics of both components of the

electric field during the ionization front propagation

in the tube. After the arrival of the ionization front at

the grounded target, a rebound of electric  field is

observed for both positive and negative polarities of

the applied voltage. Interestingly, a first increase of

the density of He* is observed behind the ionization

front and a second increase is observed due to the

electric filed rebound. Then, a detailed study of the

influence  of the geometry of the  set-up (electrode

inside or outside the tube, location of the target) is

presented.

Second,   we   compare   simulations   with   the

technique   of   measuring   the   electric   field   through

charge   deposition   on   a   dielectric   surface

perpendicular to jet propagation [6].

Finally,   as   in   most   experimental   conditions,

sinusoidal or repetitive voltage pulses are used, we

have studied the post-discharge of a jet for different

gas mixtures. The dependence on the gas mixture of

the initial conditions at the breakdown of each jet is

also   obtained   for   different   repetition   frequencies.

Focus is given to the densities of species left in the

gas inside the tube between discharges, as well as to

the surface charges left in the tube inner walls.

3. References

[1] S. Iseni, S. Zhang, F. van Gessel, S. Hofmann,

B.   van   Ham,   S.   Reuter,  K.-D.  Weltmann   and   P.

Bruggeman, New J. Phys. 16

 

123011 (2014)

[2]   B.  van   Gessel,   R.   Brandenburg   and   P.

Bruggeman Appl. Phys. Lett. 103 064103 (2013)

[3]  A.   Bourdon,  T.   Darny,   F.   Pechereau,   J.-M.

Pouvesle, P. Viegas, S. Iseni and E. Robert, Plasma

Sources Sci. Technol. 25 035002 (2016)

[4] T. Darny, C. Douat, V. Puech. J.-M. Pouvesle,

S. Dozias and E. Robert, Proc. of the 6th Int. Conf.

on Plasma Medicine, Bratislava, Slovakia (2016)

[5] A. Sobota et al., Plasma Sources Sci. Technol.

25 065026 (2016)

[6]   E.   Slikboer,   O.   Guaitella   and   A.   Sobota,

Plasma Sources Sci. Technol. 25 03LT04 (2016)

[7]   G.   B.   Sretenovic,   I.   B.   Krstic,   V.   V.

Kovacevic, B. M. Obradovic and M. M. Kuraica, J.

Phys. D: Appl. Phys. 47 102001 (2014)

10

184

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

 

 

Gasification of crude glycerine: experimental and theoretical study 

 

Q. Follador

1

, D.M.G. Leite

1

, A. Essiptchouk

P

2

PP

 

 

P

1

 Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), São José dos Campos, SP, Brazil

 

2

 Instituto de Ciência e Tecnologia, São Paulo State University (UNESP), São José dos Campos, Brazil  

 

Biofuels  industry  produces  demethylated  crude  glycerine  on  a  large  scale,  which  presents  a 

potential raw material for the production of several high-benefit by-products. The aim of this work 

is to study the production of synthesis gas from crude glycerine via thermal plasma processing. The 

experiments  were  carried  out  at  the  plasma-chemical  reactor  operated  at  33  kW.  The  mean 

operating  temperature  was  ~1000K  and  the  feedstock  flow  rate  –  5  g/s.  The  concentration  of  H

2

 

and  CO  on  the  final  gas  were  34%  and  24%,  respectively,  as  measured  by  chromatography.  The 

experimental  results  were  compared  with  numerical  simulation  of  the  process,  assuming  the 

thermodinamical  equilibrium  conditions.  This  study  shows that synthesis gas could be effectively 

produced from crude glycerol through the thermal plasma treatment. 

 

The looking up for alternative energy sources has 

been  proving,  over  the  last  years,  that  reducing  the 

harmful  effects,  caused  by  the  fossil  fuels  use,  is  a 

right way for improving of the human life quality. A 

plasma-chemical experimental system is used in this 

work for the study of biofuel plasma reforming. The 

system consists of a compact, water-cooled, plasma-

chemical  reactor  working  with  a  transferred  arc  at 

atmospheric  pressure,  a  DC  power  supply,  a 

glycerol  supply  system,  a  gas  scrubber,  and  an 

exhaust  fun  for  controlling  of  the  inside  reactor 

pressure. 

A 

mass-spectrometer 

and 

a 

gas 

chromatograph 

were 

used 

to 

quantify 

the 

components  of  the  produced  gases.  In  order  to 

eliminate  moisture  before  the  quantitative  analysis 

the  sampling  gas  was  conducted  through  condenser 

immersed  in  a  thermostatic  bath  with  the 

temperature -5°C. 

In  experiments,  the  crude  glycerine  with  15,5% 

of  water  and  1.9%  of  sulphur  was  used.  The  flow 

rate  of  feedstock  was  calibrated  for  5×10

-3

  kg/s  of 

crude  glycerol.  The  arc  current  and  interelectrode 

distance were adjusted to operate at power of 33 kW 

to  maintain  an  average  temperature  inside  the 

reactor  at  1000±50  K  during  the  tests.  Small 

quantity of air, gasification agent, was added. Under 

these  conditions,  the  sample  of  produced  gas 

contained  34%  of  H

2

  and  24%  of  CO  with 

remainder compounds like carbon dioxide, methane, 

and  lights  hydrocarbons.  In  order  to  evaluate  the 

reforming  performance  of  the  experimental  system, 

it  was  quantified  in  terms  of  energy  conversion 

efficiency (relation between the lower heating value 

of  the  synthesis  gas  and  sum  of  the  lower  heating 

value  of  glycerine  and  the  plasma  torch  power), 

which attains approximately 36%.  

A  numerical  simulation  of  the  process  was 

carried  out  in  a  thermodynamic  equilibrium 

approximation.  The  obtained  experimental  data 

corroborate  well  with  the  theoretical  results  and 

confirm  the  potential  available  in  the  plasma 

gasification process of crude glycerine. 

 

Figure.  Numerical  simulation  (solid  lines)  versus 

experimental data (points)

  

A  comparison  with  experimental  works  of 

different authors and methods, [1]-[3], indicates that 

the reforming process may be improved that requires 

more  detailed  studies  together  with  a  kinetic 

modelling.  

We  acknowledge  FAPESP  and  CAPES  for 

financial support of work. 

 

[1] Tamošiūnas, A., Valatkevičius P., Grigaitienė 

V.,  Valinčius  V.,  Striūgas  N.  J.  Cleaner  Production 

130 (2016) 187 

[2] Yoon S.J., Yun, Y.M., Seo M.W., Kim, Y.K., 

Ra,  H.W.,  Lee,  J.G.,  Int.  J.  Hydrogen  Energy,  38 

(2013) 14559. 

[3]  Zhu  X.,  Hoang  T.,  Lobban  L.L.,  Mallison 

R.G., Chem Commun (2009) 2908 

 

17 

185

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

 

 

Bell’s instability in the laboratory: pre-experiment simulation study  

 

Chun-Sung Jao

1

, Ye Chen

1

, Matthias Gross

1

, Gregor Loisch

1

, Alberto Martinez de la 

Ossa

2

, Jacek Niemiec

3

,Jens Osterhof

2

, Martin Pohl

1,4

, Frank Stephan

1

, Sergei Vafin

1,4

 

 

P

1

P

 DESY, Zeuthen, Germany 

P

2

P

 DESY, Hamburg, Germany 

P

3

P

 Institute of Nuclear Physics PAN, Krakow, Poland 

P

4

P

 Institute of Physics and Astronomy, University of Potsdam, Potsdam-Golm, Germany

 

 

The  difusive  shock  acceleration  is  considered  as  a  process  to  generate  high  energy  cosmic  ray 

particles.  For  efficient  acceleration,  magnetic  field  fluctuations  stronger  than  the  background 

interstellar field are indispensable in the upstream region of the shock. Bell’s instability, a parallel 

electromagnetic  instability  driven  by  streaming  cosmic  rays,  is  a  candidate  for  providing  the 

required  magnetic  turbulence  [1].  The  properties  of  Bell’s  instability  had  been  investigated  with 

MHD  studies  and  PIC  simulations  [1,2].  We  attempt  to  develop  an  experiment  for  testing  the 

saturation level and mechanism of Bell’s instability in the laboratory. Here we would present the 

pre-experiment numerical investigations, based mainly on fully kinetic Particle-In-Cell simulations, 

that study physical conditions for the Bell’s instability to occur in our laboratory experiment and its 

expected properties. 

 

References 

[1] Bell, A. R. 2004, MNRAS, 353, 550 

[2] Niemiec, J., Pohl, M., Bret, A., & Stroman, T.  

2010, ApJ, 709, 1148  

Topic number 7 

186

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

 

 

High resolution infrared spectroscopy of ions of astrophysical interest: 

H

35

Cl

+

 and H

37

Cl

+

, investigated in a cold plasma  

 

J. L. Doménech

P

1

P

, I. Tanarro

1

, Brian Drouin

P

2

P

, V. J. Herrero

1

, J. Cernicharo

3 

 

1

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

[e-mail]

 

P

2

P

Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, 4800 Oak Grove Drive,  

Pasadena, CA 91109-8099 (USA)  

3

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

 

In this work we have accurately measured the frequencies of an extensive set of vibration-rotation 

lines of the v = 1

0 band of H

35

Cl

+

 and H

37

Cl

+

 in the mid-IR at high spectral resolution, using a 

difference frequency spectrometer and a hollow cathode discharge reactor. We have also 

performed an extended and improved isotope independent fit with mm-wave, optical and infrared 

data. The chloroniumyl cation, HCl

+

,

 

was identified for the first time in space in 2012 with the 

Herschel Space Observatory. Now that the Herschel mission is over, IR observations from ground 

platforms at high spectral resolution can be an alternative and complementary tool to the mm and 

sub-mm observations, and a way to build up in the study of HCl

+

 and other hydrides.  

 

1. Introduction 

The study of interstellar hydrides has received a 

great push in recent years, much of it due to 

observations like that of HCl

+

 [1,2] from the 

Herschel Space Observatory. Since hydrides are 

some of the first molecules to form in space from 

atomic gas and molecular hydrogen, they provide 

invaluable information about the environment in 

which they are found. With the end of the Herschel 

mission, IR observations from the ground may be 

one of the few available means to further study this 

ion in space. 

In this work we provide 

a

ccurate wavenumber 

measurements of 183 vibration–rotation lines of 

H

35

Cl

+

 and H

37

Cl

+

, measured with a difference-

frequency laser spectrometer in a hollow cathode 

discharge, and provide a new and improved global 

fit of vis-UV, IR and mm-wave spectroscopic data 

that will aid in future studies of this molecule [3]. 

 

2. Experimental set-up 

The experimental set-up was described earlier 

[4]. It is based on an infrared difference-frequency 

laser spectrometer and a dc modulated hollow 

cathode discharge reactor with multipass White cell 

configuration (22.4 m optical path length). The 

discharge current was 325 mA, with 400 V rms 

between electrodes. A flowing mixture of 

 1 mbar 

He with traces of HCl  (<0.001 mbar) was used as 

gas precursor. The cathode was refrigerated by water 

or cold N

2

. Double modulation in amplitude of the 

discharge and the laser at two different frequencies 

in the kHz range, and phase-sensitive detection at 

the sum frequency, allowed discrimination of 

absorptions due to longer lived species in the plasma 

and IR background removal.  

The IR radiation was generated by mixing the 

outputs of an Ar

+

 laser and a tuneable ring dye laser 

in a LiNbO

3

 crystal contained in a temperature-

controlled oven, covering without gaps the 1900–

4300 cm

−1

 region with 

 1 mW IR power. The 

accuracy (3σ) in the IR frequency was 10 MHz 

(3.3×10

−4

 cm

−1

). The instrumental resolution was 

∼3 

MHz (10

−4

 cm

−1

), so the observed line widths were 

limited by the Doppler effect.