On phenomena in ionized gases

1. Experiment  

Atmospheric  pressure  plasma  jet  on  the  basis  of 

dielectric  barrier  discharge  is  a  universal  source  of 

low  temperature  plasma  [1,2].  In  our  experiments 

cold  plasma  was  generated  in  the  noble  gas  flow 

through a quartz tube. Two parallel cylindrical foils 

(electrodes)  were  attached  to  the  quartz  tube  with 

length 80 mm, diameter 9 mm, an inner diameter of 

7 mm. The distance between two electrodes was 15 

mm. High voltage sinusoidal signal with a frequency 

f = 30 kHz was used. To register the current and the 

discharge  voltage  a  high  voltage  probe  (Tektronix 

P6015)  and  digital  oscilloscope  (Le  Croy  Wave  Jet 

354A)  were  used.  The  current  is  detected  by  low-

voltage  Le  Croy  probe  and  measuring  resistor  with 

resistance  of  100  Ohms.  The  optical  characteristics 

were  measured  by  optical  emission  spectrometer 

Solar Systems. 

  

2. Results 

Series  of  experiments  were  performed  to  determine 

the  optimal  gas  flow  and  to  identify  the  optimal 

conditions  for  obtaining  the  longest  plasma  jet 

length. With increasing gas flow rate the plasma jet 

length is increased up to a certain value and then the 

value  is  decreased  (Figure  1).  The  reason  for  such 

behaviour  is  transition  of  gas  flow  from  laminar  to 

turbulent regime at high gas velocities in the quartz 

tube [3]. The plasma jet length was also studied as a 

function of the applied voltage on the electrodes. To 

determine  the  surface  temperature  in  contact  with 

the  plasma  jet  the  copper  plate  and  a  thermocouple 

was  used.  The  results  showed  a  decrease  in  the 

treated copper plate temperature at higher gas flow.

 

It is also revealed that the surface temperature in the 

contact  with  argon  plasma  much  exceeds  the 

temperature  than  in  the  case  of  helium.  The 

emission  spectrum  was  investigated  for  argon  and 

helium  at  different  discharge  voltage  and  a  fixed 

frequency  and  gas  flow.  In  the  both  case  results  of 

optical  emission  spectroscopy  of  the  plasma  jet 

under atmospheric pressure indicates the presence of 

active  chemical  component  and  radicals  as  atomic 

oxygen, ozone, nitrous oxide and hydroxyl. 

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0

1

2

3

4

5

6

 

 Ar

         

  

He

         

 

L,

 c

m

Q, l/min

Figure 1. The dependence of plasma jet length on gas flow 

rate

 

 

3. References 

 [1]  J.  Winter,  R.  Brandenburg  and  K-D 

Weltmann, Plasma Sources Sci. Technol. 24 (2015) 

064001. 

[2]  Y.A.  Ussenov,  T.S.  Ramazanov,  M.T. 

Gabdullin,  M.K.  Dosbolayev,  T.T.  Daniyarov,  Kaz 

NU Bulletin. Physics series. 4 (55) 2015 

[3]    K.  Gazeli,  P.  Svarnas,  P.  Vafeas,  P.  K. 

Papadopoulos, A. Gkelios, and F. Clément, Journal 

of Applied Physics, 114 (2013) 103304. 

 

Topic number: 10 

217

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

 

 

PECVD of DLC & N-doped DLC Thin Films for Biomedical Applications  

 

Hyun-Jin Seo

P

1

P

, Aiping Zeng

1

P

, Sang-Hun Nam

1

P

, Byungyou Hong

P

2

P

, Jin-Hyo Boo

P

1

P

 

 

P

1

P

Department of Chemistry,  Sungkyunkwan University, Suwon 440-746, South Korea 

P

2

School of Electronic and Electrical Engineering, Sungkyunkwan University, Suwon 440-746, South Korea

 

 

We  have  deposited  pure  diamond-like  carbon  (DLC)  and  nitrogen  (N)-doped  DLC  thin  films  by 

plasma  enhanced  chemical  deposition  (PECVD)  method.  For  bio-medical  application  test,  nickel 

(Ni) nano particles have been electro-deposited on nitrogen-doped diamond-like carbon (N-DLC) 

thin film surface at potentials ranging from -1.1 V to -1.4 V vs Ag/AgCl in 0.1 M Na

2

SO

4 

aqueous

 

solution containing 4 mM NiCl

2

. Atomic force microscopy has been used to investigate the growth of 

the nano particles. The mean growth rate of the particles increases while the nucleic density decreases 

when the deposition potential becomes more negative. There is a tendency to obtain large particles at 

more negative potentials. The growth kinetics has been studied with the dependence of potentiostatic 

current density on the deposition time, and the growth mechanism has been explained by the cyclic 

voltammogram of N-DLC film electrode in the deposition solution. 

 

1. Introduction 

Metal  nano  particles  deposited  on  highly  boron 

doped diamond (BDD) thin film electrodes have been 

studied for electro-analysis application [1] because of 

the  large  potential  window  and  low  background 

current  and  inert  surface  with  BDD  electrodes. 

Recently,  there  is  effect  to  replace  BDD  electrodes 

with  nitrogen  doped  diamond-like  carbon  (N-DLC) 

electrodes,  which  have  many  chemical  and 

mechanical properties  similar  to  those  of  BDD  thin 

film  electrodes  and  can  be  deposited  under  easier 

conditions  and  have  smoother  surface  because  of 

amorphous  structure  [2].  Previously  the  authors  [3] 

have  reported  that  the  nickel  nano  particles  on 

N-DLC  film  possess  catalytic  function  for  glucose 

oxidation  which  indicates  the  potential  application 

for direct glucose sensing. 

In  this  work,  the  deposition  potential  has  been 

studied to control the nucleic density of nickel nano 

particles  deposited  on  N-DLC  film  electrodes.  This 

work is the first step to optimize nickel nano particles 

on N-DLC film for bio-medical sensing. 

2. Experimental 

The  N-DLC  film  was  cut  into  1.2  cm×1.2  cm 

squares 

for 

nano 

particle 

deposition 

and 

electrochemical  testing.  An  O-ring  fixture  with  an 

exposed  area  of  Φ  7  mm  was  designed  to  seal  the 

N-DLC film squares to service as working electrodes, 

and  a  platinum  plate  was  employed  as  the  count 

electrode  opposite  to  the  working  electrode.  An 

Ag/AgCl  electrode  with  saturated  KCl  aqueous 

solution  was  taken  as  the  reference  electrode.  The 

3-D  morphology  of  the  nano  particles  deposited  at 

different  potentials  is  presented  in  Fig.1  and 

compared  with  that  of  as-deposited  N-DLC  film 

surface. The surface of as-deposited N-DLC film  is 

very  smooth  at  atomic  scale.  The  nano  particles 

presents  the  shape  of  rods,  and  they  are  sharp 

(pine-like) at the deposition potential of -1.1 V, while 

they  become  dull  (corn-like)  when  the  deposition 

potential  gets  more  negative.  The  nano  particles 

deposited  at  -1.1  V  looks  like  jungles,  while  the 

particles are distantly separated at the more negative 

potentials.  

 

Fig.  1.  3-D  AFM  Images  for  the  nickel  nano 

particles  deposited  on  N-DLC  film  surface 

dependent on the deposition potential: a) -1.1 V, b) 

-1.2 V, and c) -1.3 V, and compared with that for e) 

the as-deposited DLC film surface. 

 

3. References  

[1] 

K.E.  Toghill,  R.G.  Compton,    Electroanalysis  22 

(2010) 1947. 

[2] 

G. Adamopoulos, C. Godet, C. Deslouis, H. Cachet, A. 

Lagrini, B. Saidani, Diamond Relat. Mater. 12 (2003) 

613. 

[3] 

A. Zeng, C. Jin, S.-J. Cho, H. O. Seo, Y.D. Kim, D.C. 

Lim,  D.  H.  Kim,  B.Y.  Hong,  J.-H.  Boo,  Mater.  Res. 

Bull. 47 (2012) 2713.

 

Topic number 17 

218

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

 

 

Anomalous nonlinear effects in a weakly ionized gas 

exposed to a strong shock wave  

 

J.V. Triaskin

P

1

P

, 

U

V.A. Pavlov

P

1

P

 

 

P

1

P

 Physics Department, St. Petersburg State University,

 

1, Ulyanovskaya str., Petrodvorets, 198504, St. 

Petersburg, Russia  

 

The  patterns  of  exposure  of  the  charged  components  to  a  strong  shock  wave  in  weakly  ionized 

non-isothermal  gas  have  been  studied.  The  assumption  of  the  ion  sound  is  used  for  the  plasma 

component.  Computer  simulation  is  based  on  the  hypothesis  of  neglecting  the  action  of  the 

charged  component  perturbations  upon  the  neutral  gas  component.  The  strong  anomalous 

nonlinear  effects  are  taking  place.  Joint  competitive  action  of  nonlinearity,  dispersion,  and 

dissipation  is  shown  in  formation  of  specific  plasma  «condensations»  and  «rarefactions».  In  a 

narrow range of shock wave speeds, the anomalous relaxation of plasma oscillations occurs behind 

the  front.  Essentially,  it  appears  in  the  total  ambipolar  entrainment  of  charged  components  by  a 

shock  wave.  This  effect  is  the  possible  a  result  of  strong  nonlinear  resonant  (with  the  respect  to 

shock wave speed) perturbation in the region ahead of the front. 

 

1. Introduction 

The  interaction  of  neutral  and  charged  gas 

components  is  in  a  high  interest.  This  attention  is 

caused  mostly  by  aerospace  applications  as  well  as 

for  exploring  the  nonlinear  wave  processes  in  the 

near-Earth  space.  In  this  work,  the  interaction  of 

strong shock waves and supersonic bodies with low-

ionized plasma is presented and discussed. 

A motivation to the study is the discovery of the 

effect  of  anomalous  supersonic  flow  of low-ionized 

plasma  around  a  body  in  the  absence  of  energy 

release  ahead  of  the  body  [1].  Later,  anomalous 

relaxation  and  instability  of  shock  waves  in  gases 

were  found  in  [2].  Generation  of  low-ionized  gas-

discharge  non-isothermal  plasma  ahead  of  a  body, 

streamlined  by  a  supersonic  flow,  allows  lowering 

the  intensity  of  a  strong  shock  wave  [3];  this  effect 

reduces the aerodynamic drag. 

The essence of the phenomenon is the formation 

of  a  region  with  elevated  concentration  of  charged 

particles  ahead  of  the  front  of  a  shock  wave  at 

certain  speed  of  the  latter.  This  critical  speed  is 

defined  by  the  electron  temperature  and  ion  mass. 

Laboratory  experiments  show  the  flow  around  a 

body by weakly ionized air to differ markedly from 

that  by  heated  neutral  air.  The  ‘plasma  effect’  is 

manifested  in  distancing  of  the  head  shock  wave 

from the body and lowering of its intensity. 

 

2. Results 

Under certain conditions, total ‘destruction’ of a 

shock  wave  is  possible  due  to  the  presence  of  gas 

ionization  ahead  of  the  body.  Analytical  studies 

assumed  rather  far-reaching  idealizations.  Based  on 

computer  simulation  [4],  formation  of  a  plasma 

precursor  was  shown  to  be  possible  ahead  of  the 

shock wave front – a soliton with a critical property: 

a non-monotonic resonant dependence of the soliton 

amplitude  on the  shock  wave  speed.  The  maximum 

perturbations  develop  at  values  of  the  shock  wave 

speed in the range 

                 

 

, (

 

 

 is the ion 

sound speed). 

In  such  situation,  a  sole,  densest  possible,  local 

condensation  of  charged  particles  is  formed  in  the 

precursor.  The  gas  in  the  ‘condensation’  is  not 

weakly  ionized  anymore,  and  charged  particles  can 

exert a reciprocal effect upon the neutral component 

and  the  shock  wave.  The  ‘competition’  between 

strong  nonlinearity  and  strong  dispersion  causes 

appearing  of  a  sharp  decrease  of  the  soliton 

amplitude  with  the  shock  wave  speed  growing 

beyond  critical  value 

 .  Previously  similar  effect 

have  been  found  in  [5]  in  hydrodynamic  and  called 

‘Houston’s horse’ effect. 

 

3. References 

[1] R.F.Avramenko, A.I. Klimov, Yu.L., Otkrytie 

No 007., (1986).  

[2]  G.Mishin,  A.P.Rjazin  et  al.,  Tech.Phys.11, 

(1981), pp.2315-2324 

[3]  V.A.  Pavlov,  Yu.L.  Serov.  3rd  Weakly 

Ionized  Gases  Workshop,  Norfolk,  USA,  (1999), 

AIAA-99-4852. 

[4]  V.  A.  Pavlov,  Plasma  Phys.  Rep.  22,  167 

(1996). 

[5]  V.A.  Pavlov.  Ya.  V.  Tryaskin.  Journal  of 

Applied  Mechanics  and  Technical  Physics,  (2015), 

Vol. 56, No. 3, pp. 361–368.

 

Topic 4 

219

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

 

 

 

Characteristics of recombination plasma in divergent magnetic field 

on the linear divertor simulator TPD-Sheet IV 

 

T. Takimoto

1

, R. Endo

1

, A. Tonegawa

1

, K. N. Sato

2

, K. Kawamura

1 

 

 1

Tokai University, 4-1-1 Kitakaname, Hiratsuka, Kanagawa, Japan 

2

 

Chubu Electric Power Co. lnc., 20-1, Kitasekiyama, Ohdaka, Aichi, Japan 

 

The relationship between recombination plasma and divergent magnetic field

 

has been investigated 

on  the  linear  divertor  simulator  TPD-Sheet  IV.  The  divergent  magnetic  field  was  performed  by 

individually  controlling  some  stationary  magnetic  coils  current  and  a  magnet  core.    The  neutral 

pressure in upstream and downstream (near the target) of the plasma (P

up

 and P

down

) was measured by 

Baratron vacuum gauges. The peak value of the neutral pressure difference (P

down

 – P

up

) depends on 

the magnetic field strength ratio (R

B

) between the upstream and downstream. This peak characteristic 

was similarly confirmed even if the discharge current was different. It is suggested that the degree of 

magnetic field divergence has the optimal value to promote recombination. 

 

1. Introduction 

The  divertor  design  for  stable  recombination 

plasma formation should be optimized to  handle  high 

heat and particle fluxes. Recently, a Super X divertor 

(SXD)  is  planned  to  accomplish  an  active  neutral 

particles control to improve plasma confinement in the 

high-performance  plasma  for  high  power  and  a  long 

pulse operation [1]. Both the divertor target geometry 

and the magnetic field design to be compatible with the 

high-performance  plasma  is  one  of  key  significant 

issues on stable recombination plasma. 

Although  there  are  a  number  of  papers  on  the 

numerical  simulation  of  the  SXD  configuration  [2], 

very little is known about the experimental simulation 

of  the  SXD-shaped  target  on  recombination  plasma 

formation. Design studies about SXD-shaped target in 

the divertor plasma are not easily understood because 

three-dimensional  geometry  of  the  target  in  divertor 

plasma of tokamaks is complex. Therefore, in order to 

verify  more  accurate  validity,  it  is  necessary  to 

investigate  by  basic  experiments  how  divergent 

magnetic  field  exerts  changes  on  the  plasma.  To  be 

more specific, it is important to clarify the relationship 

between recombination plasma and divergent magnetic 

field.  

We  carried  out  the  experiments  for  that  on  the 

linear  divertor  simulator  TPD-Sheet  IV  [3].  The 

divergent 

magnetic 

field 

was  performed  by 

individually controlling some stationary magnetic coils 

current  and  a  magnet  core.  It  was  measured  the 

electron temperature and density of the plasma near the 

target  by  a  Langmuir  probe.  The  neutral  pressure  in 

upstream  and  downstream  (near  the  target)  of  the 

plasma  (

P

up

  and 

P

down

)  was  measured  by  Baratron 

vacuum gauges. 

2. Results 

In the experiment, the recombination plasma was 

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

 

 

P

ressure differe

nce 



P

 [Pa]

Magnetic field stregth ratio R

B

 70A

 40A

 

Fig. 1.

 

The  relationship  between  the  pressure  difference 

peaks and the magnetic field strength ratio when 

the discharge current is 70 A and 40 A.  

 

generated  by  changing  the  gas  flow  rate.  In  the 

condition of the gas flow rate where the recombination 

plasma exists, a peak of the neutral pressure difference 

P = P

down

 - P

up

 was observed. The peak is considered 

to  indicate  the  degree  of  neutralization  by 

recombination.  Each  peak  showed  different  values 

depending on the magnetic field strength ratio between 

the upstream and downstream (R

B

). Figure 1 shows the 

relationship between the pressure difference peak and 

R

B

  when  the  discharge  current  was  70  A  and  40  A. 

Both discharge currents showed the characteristic that 

the pressure difference peaks became the maximum in 

a  certain  R

B

.  It  was  suggested  that  R

B

  (the  degree of 

magnetic  field  divergence)  has  the  optimal  value  to 

promote recombination.  

3. References 

[1]

 

P.  M.  Valanju  et  al.:  Fusion  Engineering  and 

Design 85 (2010) 46–52. 

[2]

 

E.  Havlíčková  et  al.:  Plasma  Phys.  Control. 

Fusion 57 (2015) 115001 (13pp).  

[3]

 

S. Tanaka et al.: Fusion Science and Technology, 

63 (2013) 420-422. 

8 

220

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

 

 

Deposition of diamond-like carbon film  

using high power impulse magnetron sputtering 

 

T. Ohta

1

, A. Ishikawa

U

1

, A. Oda

2

, H. Kohsaka

3

 

 

1

Department of Electrical and Electronic Engineering, Meijo University, Nagoya, Japan 

2

Department of Electrical and Electronic Engineering, Chiba Institute of Technology, Tsudanuma, Japan 

3

 Department of Mechanical Engineering, Gifu University, Gifu, Japan 

 

Hydrogen-free  diamond-like  carbon  film  was  deposited  by  using  high  power  impulse  magnetron 

sputtering in order to reduce the friction coefficient. The pressure dependence on the film structure 

was evaluated by using Raman spectroscopy. 

 

1. Introduction 

Diamond-Like  Carbon  (DLC)  film  has  excellent 

material  properties  such  as  chemical  stability,  high 

hardness,  low  friction,  and  so  on.  In  the  tribology 

field,  the  DLC  films  are  expected  to  be  applied  to 

sliding parts of cars due to its excellent features. The 

hydrogen-free  DLC  film  can  also  realize  the 

reduction of the friction coefficient [1]. A high power 

impulse  magnetron  sputtering  (HiPIMS),  which  is 

applying a high voltage in a short time to the target 

due to promote an ionization of the target particles, 

realizes a smooth surface, good adhesion and a very 

dense film.[2] In this study, hydrogen-free DLC films 

was deposited using HiPIMS. 

  

2. Experimental 

The  pulsed  voltage  of  from  600  to  670V  was 

applied to the target with the pulse duration of 50 μs 

and frequency of 500 Hz. Pure carbon target was used. 

The distance between the target and substrates were 

50 mm. The gas flow rate of Ar was 100sccm and the 

pressure  was  change  to  be  from  0.3  Pa  to  3  Pa. 

Negative  bias  voltage  of  100  V  was  applied  to  the 

substrate holder. Deposition time was 1 hour. 

 

3. Results 

Fig.1  shows  Raman  spectra  of  DLC  film  with 

various  pressures.  Raman  spectra  of  DLC  film  was 

composed of two peaks of D(disorder) band at 1350 

cm

-1

  and  G(graphite)  band  at  1590  cm

-1

.  G  band 

represents  the  graphite  structure  and  D  band 

represents the defect lattice. Raman spectra show the 

typical DLC film in the range of 0.3 to 1 Pa. However, 

graphite film was observed at 3 Pa. Fig.2 shows the 

intensity ratio of the D and G band (I

D

/I

G

) of Raman 

spectra as a function of pressure. I

D

/I

G

 was estimated 

from  the  deconvolution  of  Raman  spectra  and 

represents  relative  sp2/sp3  composition  ratio.  I

D

/I

G

 

decreased with decreasing pressure up to 0.5Pa and 

then increased below 0.5 Pa. This result indicates that 

the sp3 structure in films  increased with decreasing 

pressure due to ion bombardment. At below 0.5 Pa, 

however,  the  film  was  damaged  by  the  large  ion 

energy.