On phenomena in ionized gases

2. Experiment 

A premixed burner was fixed on a dielectric base 

plate. The side of the flame was covered with a quartz 

tube. A 10-mm-high  aluminium  electrode was 

attached on the outside of the quartz tube, and it was 

connected to  a high-voltage power supply  with an 

oscillation frequency of 1 kHz. The burner was 

electrically grounded.  Asymmetric DBD was 

produced inside the quartz tube and was superposed 

onto the bottom part of the flame using this 

experimental configuration. The image of the optical 

emission intensity of OH  from the top  part  of the 

flame were captured using an ICCD camera.  In 

addition, laser-induced fluorescence (LIF) imaging 

spectroscopy was employed to estimate the  spatial 

distribution of the ground-state OH radical density. 

3. Results and discussion 

Figure 1(a) shows the optical emission image of 

the top part of the flame in the absence of DBD, while 

we observed the optical emission images shown in 

Figs. 1(b)-1(k) in the presence of DBD at various 

phases of the applied voltage.  We observed the 

temporal variation in the flame length in the presence 

of DBD. In addition, we observed the formation  of 

local minimums in the axial distribution of the optical 

emission intensity. As illustrated by  the oblique 

broken lines in the figure, the local minimums moved 

toward the upper side of the  vertical direction at a 

constant speed.  The propagation speed of the local 

minimums agreed well with the flow speed of the gas. 

The interval between the arrival times of the local 

minimums at the fixed position was approximately 

0.18-0.2 ms, suggesting that the rates of combustion 

reactions become  less efficient at the interval of 

0.18-0.2 ms in the bottom part of the flame. The less 

efficient reactions may be caused by the overshooting 

of the rates of combustion reactions by the 

superposition of the  pulsed plasma.  Therefore,  the 

interval of 0.18-0.2 ms could be understood as the 

eigenfrequency of the plasma-assisted combustion 

reaction system. 

Topic number 17 

(a) w/o

(b) 0 ms

(c) 0.1 ms (d) 0.2 ms (e) 0.3 ms (f) 0.4 ms (g) 0.5 ms (h) 0.6 ms (i) 0.7 ms (j) 0.8 ms (k) 0.9 ms

h (mm)

68

96

77

(i)

(ii)

(iii)

(iv)

(v)

(vi)

Fig. 1  Optical emission images of the top part of the flame observed in the absence (a) and presence 

(b)-(k) of DBD 

208

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

 

 

 

Role of spectral region of discharge emission on 

initial electron generation for inducing surface discharge in air 

 

Y. Kashiwagi

P

1

 

 

P

1

P

 National Institute of Technology, Kisarazu College, Chiba, Japan  

P

 

 

The present study clarifies the spectral region of discharge emission that is effective for triggering 

surface  discharge  in  air.  Light  emitted  from  a  bulk  discharge  generated  between  two  needle 

electrodes irradiates a dielectric plate between two additional electrodes, inducing surface discharge. 

By changing the cut-on wavelength of an optical filter placed between the needle electrodes and the 

dielectric plate, the range of wavelengths that effectively generates the initial electrons that trigger 

the surface discharge is measured. The triggering probabilities change abruptly between 112 nm and 

125 nm (9.9 - 11 eV), where oxygen and nitrogen emission lines are located. Thus, these lines play an 

important role in triggering surface discharge under the conditions used. 

 

1. Introduction 

Understanding  the  supply  mechanisms  of  initial 

electrons is valuable knowledge because it is useful

 

for  both  practical  application  and  inhibition  of 

discharge.  This  report  investigates  which  discharge 

emission wavelengths are effective for generating the 

initial electrons that induce surface discharge.  

 

2. Experimental setup and procedure 

Figure  1  shows  the  experimental  setup.  Light 

emitted  from  a  bulk  discharge  generated  by  needle 

electrode system Eb passes through an optical filter 

and  irradiates  the  vicinity  of  an  electrode  Es, 

inducing surface discharge. The probabilities that the 

light emitted from the bulk discharge triggers surface 

discharge  are  measured  for  different  filter  cut-on 

wavelengths.  The  number  of  trials  is  100  for  each 

filter and the impulse voltage applied to Es is +30 kV, 

0.7/80 µs.

 

 

3. Result and discussion 

The results are shown in Figure 2. In the cases of 

no  filter  (w/o)  and  a  112-nm  filter  (MgF

2

),  the 

discharge probability is high. The probability rapidly 

decreases from 112 nm to 125 nm (CaF

2

). Thus, the 

emission  wavelengths  of  112nm  -  125  nm  play  an 

important  role  in  triggering  the  surface  discharge 

under the conditions used. 

 

4. Conclusion 

Several  oxygen  and  nitrogen  emission  lines  are 

located  in  this  region  [1].  Furthermore,  the 

photoabsorption  coefficient  for  O

2

  in  this  range  is 

relatively  small  only  in  several  narrow  regions  [2]. 

Therefore, it is considered that the emission spectral 

lines between 112 nm and 125 nm (9.9 - 11 eV) play 

an  important  role  in  generating  the  initial  electrons 

that lead to surface discharge in air. 

Fig.  1.  Schematic  diagram  of  the  experimental  setup. 

Surface discharge around Es is triggered by bulk discharge 

generated around Eb (perpendicular to the paper). 

 

 

Fig.  2.  Measured  probability  of  triggering  discharge  on 

insulator plate by bulk discharge. 

 

 

5. References 

[1]  T.  G.  Rogers,  et  al.,  IEEE  Trans.  on  Plasma 

Science, 38, 10  (2010) 2764-2770  

[2] K. Watanabe, et al., J. Chem. Phys. 21 (1953) 

1026-1030 

 1 

209

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

 

 

Study on the Generation Rate of Chemical Reactive Species in Dielectric 

Barrier Discharge depending on External Flow Rate 

 

Sangheum Eom, Sung-Young Yoon, Changho Yi, Hyeongwon Jeon, Seong Bong Kim,  

Suk Jae Yoo and Seungmin Ryu 

 

Plasma Technology Research Center, National Fusion Research Institute, Gunsan-city, Korea  

P

 

 

The generations of chemical  reactive  species,  such  as  O

3

  and  NO,  were  investigated  in  dielectric 

barrier discharge (DBD) plasma depending on different external air flow rates. The generations of O

3

 

and  NO  are  a  function  of  gas  temperature  in  the  plasma  volume  and  the  gas  temperature  can  be 

affected by the air flow. The generation rates of O

3

 and NO were measured using gas analysers and 

the gas temperature is assumed from the temperatures of electrode. The gas flow distributions were 

visualized using background-oriented schlieren (BOS) as the external air flow rate varies from 0 to 

20 lpm. As the air flow rate was increased, the generation rate of O

3

 was increased from 0 to 3.61 

mg/min. In the contrary, the generation rate of NO was decreased from 0.21 to 0 μg/min.

 

 

1. Introduction 

It  is  important  to  use  appropriate  chemical 

reactive  species  to  obtain  the  effective  results  for 

specific  applications.  For  example,  O

3

  has  been 

explored  for  enhancement  of  agri-food  preserving 

efficiency  [1]  and  NO  for  prevention  of  agri-food 

ripening [2]. 

2. Experimental Set-up 

 

Figure 1. Experimental Set-up 

The  experimental  set-up  for  measurements  of 

generation rate is described figure 1. The generation 

rates of O

3

 and NO were measured by using the gas 

analysers depending on the variation of external  air 

flow rates from 0 to 20 lpm.  

There are two method were performed to analysis 

of a correlation between the external air flow rate and 

gas temperature.  Due to the limitation  on  the  direct 

measurement  of  gas  temperature  in  the  plasma 

volume, the gas flow distributions were visualized by 

background-oriented  schlieren  (BOS)  [3]  and  the 

temperatures of electrode were taken by IR camera. 

3. Experimental Results 

The generation rates of O

3

 and NO, temperatures 

of electrode and visualizations of gas flow depending 

on the different external air flow rate were depicted 

as shown in the figure 2(a), 2(b) and 3, respectively. 

As  external  air  flow  rate  was  increased,  the 

generation  rate  of  O

3

  was  increased  from  0  to  3.61 

mg/min.  In  the  contrary,  the  generation  rate  of  NO 

was decreased from 0.21 to 0 μg/min. 

0

5

10

15

20

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

Species

 O

3

 NO

External Air Flow Rate (lpm)

O

3

 (mg/

min

)

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

NO 

(



g/

min

)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

 

 

Measured Postion

 Top Right

 Top Left

 Bottom Right

 Bottom Left

T

em

p

era

tu

re 

o

f Electro

d

e (°

C)

External Air Flow Rate (lpm)

 

Figure 2. Generation rates of O

3

 and NO (a) and 

temperature of electrodes (b)

 

 

Figure 3. Background-oriented schlieren images 

4. Discussions 

In order to understand the influence of external air 

flow  rates  on  the  generation  of  O

3

  and  NO  more 

precisely, follow-up research, such as simulation for 

numerical analysis, is needed. 

5. Acknowledgement 

This  work  was  supported  by  R&D  Program  of 

‘Plasma  Advanced  Technology  for  Agriculture  and 

Food (Plasma Farming)’ through the National Fusion 

Research  Institute  of  Korea  (NFRI)  funded  by  the 

Government funds. 

6. Reference 

[1]  Horvitz S. and Cantalejo M. J., Crit. Rev. 

Food Sci. Nutr. 54 (2014) 312–39 

[2]  Eum H. L., Lee E. J. and Hong S. J., Kor. J. 

Hort. Sci. Technol. 32 (2014) 666–72 

[3]  Hargather M. J. and Settles G. S., Hvac&R 

Res. 17 (2011) 771–80

 

17 

210

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

Time-evolution of ONOO

–

 concentration in the water treated with

air plasma and its relationship to the production of OH radicals

S. Miyamoto

1

, K. Nishimoto

1

, S. Imai

2

, T. Shirafuji

1

PP

1

 Deparment of physical Electronics and Informatics, Graduate School of Engineering,

Osaka City University, Osaka, Japan

2

Panasonic Corporation, Osaka, Japan

P

We measured time-evolution of the concentration of ONOO

–

 together with that of OH, O

2

–

, NO

2

–

,

NO

3

–

, and H

2

O

2

 in the water treated with air plasma for 60 min. The concentration of ONOO– was

less than detection limit for the first 15 min and detected at 30 min or later, where the concentration

increased from 6 to 9 μM. The concentration of OH simultaneously increased at around 30 min.

These characteristics indicate that OH is supplied not only directly from plasma but also indirectly

through formation of ONOO–, which suggests possibility of sustained release of OH in water treated

with air plasma. Saturation in the concentration of NO

2

–

 and steep decrease in the concentration of

H

2

O

2

 and O

2

–

 at around 30 min suggest that these species may play some roles to produce ONOO

–

.

1. Introduction

Air-plasma treatment generates various RONS

which  include  OH,  O

2

–

, ONOO

–

, NO

2

–

, NO

3

–

, and

H

2

O

2

. Among them, ONOO

–

 has a unique nature of

relatively long lifetime of 1.9 s at physiological pH

and release OH radicals during its decomposition

reaction sequences [1]. This feature may be used to

deliver  short-lifetime  (~  ns)  OH  radicals  to  remote

locations from a plasma/liquid interface. Thus, we

have measured ONOO

–

 together with the other

RONS to discuss reaction mechanisms.

2. Experimental Setup

We treated deionized water using coaxial-type

DBD, of which details have been reported elsewhere

[2]. Treatment time was 60 min. We measured

ONOO

–

 by means of fluorescence spectroscopy using

nitrative stress sensing pyrromethene dye (NiSPY-3,

Goryokayaku, Japan) [3]. O

2

–

 and OH were measured

using  ESR.  NO

2

–

 and NO

3

–

 were measured ion

chromatography.

3. Results and discussion

Figure 1 show time-evolution in the concentration

of measured RONS, ONOO

–

 was not detected for the

first  15  min,  and  appeared  at  30  min  or  later.  Its

concentration increased from 6 to 9 μM for the last 30

min. OH radical appeared simultaneously at around

30 min. These characteristics clearly indicate that OH

radicals can be supplied not only directly from

plasma but also indirectly through formation of

ONOO

–

, which suggests possibility of susutained

release  of  OH  radicals  in  water  treated  with  air

plasma. Saturation in the concentration of NO

2

–

 and

steep decrease in the concentration of H

2

O

2

 and O

2

–

suggest that these species may contribute to produce

ONOO

–

.

Acknowledgements

This work was partly supported by JSPS MEXT

KAKENHI Grant Numbers 15H03585 and

15K13391.

References

[1]  J. S. Beckman et al, PNAS 87, 1620 (1990).

[2]  S. Imai et al, IEEE Trans. Plasma Sci. 43, 2166

(2015).

[3]   T.  Ueno  et  al,  J.  Am.  Chem.  Soc. 128, 10640

(2006).

17

Fig. 1 Concentration of RONS in water measured as a

function of air-plasma treatment time.

25

20

15

10

5

0

C

o

n

c

e

n

tr

a

ti

o

n

(u

M

)

60

50

40

30

20

10

0

Treatment time (min)

OH

O

2

–

ONOO

–

5

4

3

2

1

0

C

o

n

c

e

n

tr

a

ti

o

n

(m

M

)

NO

2

–

H

2

O

2

NO

3

–

(1/100)

(a)

(b)

211

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

 

 

Optical wave microphone measurements on pressure waves emitted from 

plasma jets  

 

F. Mitsugi

P

1

P

, 

U

S. Kusumegi

P

1

P

, S. Aoqui

P

2

P

, T. Nakamiya

P

3

P

, Y. Sonoda

P

3

P

, T. Kawasaki

P

4

P

  

 

P

1

P

 Graduate school of science and technology, Kumamoto University, Kumamoto, Japan  

P

2

P

 Faculty of computer and information sciences, Sojo University, Kumamoto, Japan 

 

3

P

 Industrial engineering department, Tokai University, Kumamoto, Japan 

4

P

 Faculty of Engineering, Nippon Bunri University, Oita, Japan

 

 

The aim of this research is to detect pressure waves that are emitted from plasma jets using an optical 

wave microphone technique and to analyse the frequency relationship between pressure waves and 

applied voltage waveform.  

 

1. Introduction 

Plasma  jets  have  been  expected  to  be  used  in 

various applications such as biomedical usage. There 

have  been  many  reports  on  electrical  and  optical 

measurements  about  plasma  jets.  One  of  the 

important observations from practical point of view 

on what plasma jets emit is pressure waves because 

pressure  waves  can  directly  influence  on  targets  or 

penetrate into liquid, tissues, and so on.  

In  this  work,  we  utilized  a  fibered  optical  wave 

microphone,  which  works  based  on  Fraunhofer 

diffraction  of  phase  objects  and  improves  upon  a 

conventional optical wave microphone with regard to 

signal-to-noise  ratio,  to  detect  pressure  waves 

generated  inside  He  plasma  jets  with  the  electrode 

configuration  of  dielectric  barrier  discharge.  The 

frequency  of  applied  voltage  dependence  on  the 

generation  of  pressure  waves  from  plasma  jets  was 

investigated  in  different  He  gas  flow  rates.  The 

distribution of pressure waves along radius direction 

of plasma jets at different distances downstream from 

the tip of the device was also discussed. 

 

 

2. Results and discussions 

It was obvious from the optical wave microphone 

measurement  that  pressure  waves  are  emitted  from 

plasma jets. Figure 1. shows the detected signals of 

pressure  waves  and  its  intensity  distribution  inside 

plasma jets operated at frequency  of  2.8  kHz  and  7 

L/min.  of  He  gas.  The  position  of  a  series  of  the 

measurements was 5 mm downstream from the tip of 

a glass tube. The width of the pressure waves in He 

jet  was  estimated  to  be  approximately  3  mm  which 

corresponded to that of plasma plume. The pressure 

waves  were  completely  degenerated  and  some 

pressure changes such as turbulence was detected at 

20 mm downstream from the tip although plasma jet 

can be observable clearly at the position. 

 

-2

-1

0

1

2

3

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

O

p

ti

ca

l 

w

a

v

e 

m

ic

ro

p

h

o

n

e 

(m

V

)

Time (ms)

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

x

0

=1.5 mm

1.0 mm

-1.5 mm

-1.0 mm

-0.5 mm

0.5 mm

0 mm

 

Fig. 1   Waveforms of detected pressure waves at 

different positions along radius direction. Plasma jets 

were operated at frequency of 2.8 kHz and 7 L/min. 

He gas.