On phenomena in ionized gases

2. Experimental setup 

The schematic diagram of the experimental apparatus is 

shown  in  0.  The  powered  electrode  is  a  capillary  needle 

with inner and outer diameter of 0.8mm and 1.2 mm, where 

as  a  copper  ring  electrode  and  a  stainless  steel  plate 

electrode are connected to the ground. The frequency of the 

applied voltage is 20 kHz. The outer and inner diameters of 

the glass tube are 2mm and 1.3 mm respectively. The axial 

distances between different electrodes are shown in 0. The 

working gas is a helium and water vapor mixture which is 

realized by mixing two channels of helium flow, one being 

a dry helium (99.996%) and the other being helium flowing 

through a water bubbling system. The total gas flow rate is 

4slm,  and  the  water  vapor  concentration  is  controlled  by 

adjusting the ratio of the dry (F

dry

) and moist helium (F

moist

) 

flow rates. The optical emission spectra are measured at the 

plasma contact point on the surface of stainless steel plate. 

 

F

IG

.1

 

S

CHEMATIC EXPERIMENTAL SETUP

 

 

3. References 

 [1]  K.  Becker,  A.  Koutsospyros,  S.  M.  Yin,  C. 

Christodoulatos,  N.  Abramzon,  J.  C.  Joaquin,  G. 

Brelles-Marino,  Plasma  Physics  and  Controlled  Fusion. 

47( 2005) B513. 

[2] P. Sunka, Physics of Plasmas. 8 (2001) 2587. 

[3] M. G. Kong, G. Kroesen, G. Morfill, T. Nosenko, J. 

van Dijk, J. L. Zimmermann, New Journal of Physics. 11 

(2009) 115012.

 

Topic number 

230

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

 

 

 

Simulation of prebiotic atmospheres by atmospheric pressure glow 

discharge generated in nitrogen-methane gas mixture  

 

D. Trunec

1

, V. Mazankova

2

, L. Torokova

P

2

, N. J. Mason

3

 

 

P

1

P

 Faculty of Science, Masaryk University, Kotlarska 2, Brno 611 37, Czech Republic 

2

Faculty of Chemistry, Brno University of Technology, Purkynova 464/118, 612 00 Brno, Czech Republic 

3

Department of Physical Sciences, Open University, Walton Hall, Milton Keynes MK7 6AA, United Kingdom 

 

We  studied  chemical  reactions  in  N

2

  +  CH

4

  mixture  initiated  by  DC  glow  discharge.  This 

experiment was designed to mimic prebiotic atmospheres. The content of CH

4

 was set to 2%, the 

total pressure was set to 101 kPa and the gas temperature to 300 K. The composition of products 

from  these  reactions  was  studied  by  GC-MS  and  FTIR.  A  kinetic  model  for  reactions  in  this 

mixture  was  developed.  The  influence  of  CO

2

  admixture  to  N

2

  +  CH

4

  was  also  investigated 

experimentally and theoretically. It was assumed in the model that 2% of nitrogen was dissociated 

to nitrogen atoms in the ground state, the CH

4

 was fully dissociated into 90% of CH

3

 and 10% of 

CH

2

. This was taken as initial conditions for the calculations and the kinetic equations were solved 

numerically for time from 0 to 10 s.

 

 

1. Introduction 

The  gliding  arc  configuration  of  atmospheric 

pressure  discharge  has  been  shown  to  be  a  good 

mimic of processes in the prebiotic atmospheres [1]. 

The  present  work  is  focused  on  comparison  of 

experimental  data  and  data  from  kinetic  model  for 

chemical  reactions  in  N

2

+CH

4

  gas  mixtures  and 

admixture  of  the  carbon  dioxide  (CO

2

)  from  1%  to 

3 %. The neutral products generated in the discharge 

were  identified  and  quantified  by  the  means  of  the 

Fourier-Transform-Infra-Red  spectroscopy  (FTIR) 

and  by  Gas  Chromatography  Mass  Spectroscopy 

(GC-MS). 

 

2. Experimental set-up 

The  experimental  set-up  was  in  detail  described 

in our previous studies [1]. An atmospheric pressure 

DC  glow  discharge  was  created  between  two 

stainless  steel  electrodes  separated  by  a  2  mm  gap. 

The discharge was operated at an applied voltage of 

350 V  and  discharge  current  in  range  from  15  to 

40 mA  in  pure  nitrogen  with  1–5  %  of  CH

4

  (both 

gases  having  quoted  purity  of  99.995  %)  with 

admixture of 1 and 3 % of CO

2

 at the total flow rate 

of  50  sccm.  The flow rates of all gases through the 

reactor were regulated using mass flow controllers.. 

 

3. Kinetic model 

The  kinetic  model  uses  mainly  the  set  of 

chemical  reactions  and  their  rate  coefficients  from 

Loison et al [2]. In our model 189 different particle 

types  and  986  chemical  reactions  were  taken  into 

account.  Also  reactions  with  oxygen  and  oxygen 

containing  species  were  involved  in  the  model, 

although  the  calculations  were  performed  firstly 

without any oxygen. The different initial conditions 

resulted  in  small  changes  in  the  product  concen-

trations,  however,  the  main  discrepancies  between 

the model and experimental results were not solved.  

 

4. Results  

The  comparison  of  results  from  experiment  and 

model  is  shown  in  Tab.1.  The  HCN  concentration 

was  calculated  from  the  model  in  agreement  with 

experimental data. The NH

3

 concentration predicted 

by  model  is  about  three  orders  lower  than  in 

experiment. This can be caused by surface reactions 

which are not include in the model.  

When  from  1  to  3%  of  CO

2

  was  added  to  N

2

  + 

CH

4

  mixture,  then  only  CO  was  detected 

additionally in the experiment and the production of 

HCN  was  increased.  No  other  oxygen  containing 

compounds  were  detected,  however  the  model 

predicted creation of formaldehyde.  

 

Tab. 1 Comparison of results from experiment and model. 

 

experiment (ppm) 

model (ppm) 

HCN 

2000 

1600 

NH

3

 

1500 

0.2 

C

2

H

6

 

n/a 

400 

C

2

H

2 

n/a 

31 

 

 

5. References 

[1]L.  Torokova,  J.  Watson,  F.  Krcma,  V. 

Mazankova,  N.  J.  Mason,  G.  Horvath,  S.  Matejcik. 

Contrib. Plasm. Phys., 55 (2015) 470. 

[2]  J.  C.  Loison,  E.  Hébrard,  M.  Dobrijevic,  K.  M. 

Hickson,  F.  Caralp,  V.  Hue,  G.  Gronoff,  O.  Venot, 

Y. Bénilan, Icarus, 247 (2015) 218. 

Topic number: 1 

231

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

 

 

Numerical modelling of high-pressure arc discharges:                      

matching LTE arc core with the electrodes 

 

M. Lisnyak

1

, M. D. Cunha

2,3

, J-M. Bauchire

1

, M.S. Benilov

2,3

 

 

1 

GREMI, UMR 7344, Université d’Orléans, 14 Rue d'Issoudun, Orléans, 45067, France 

2

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

3

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

 

Numerical simulations of electric arcs burning in high-pressure gases are commonly performed by 

means  of  a  model  in  which  the  arc  plasma  is  assumed  to  be  in  local  thermodynamic  equilibrium 

(LTE). In this work, this model is supplemented with a self-consistent description of the interaction 

of  the  LTE  arc  bulk  with  the  electrodes.  This  is  done  with  the  use  of  the  equation  of  balance  of 

energy in the non-equilibrium near-electrode layers that separate the LTE bulk from the electrodes. 

As an example, the developed model has been applied to a short free-burning arc in atmospheric-

pressure argon in a wide range of arc currents, from 20 to 200 A. The simulation results have been 

compared  with  those  from  a  model  that  does  not  rely  on  assumptions  of  thermal  or  ionization 

equilibrium in the bulk plasma, as well as with the experiment, and a good agreement was found. 

 

Numerical  modelling  of  high-pressure  electric 

arcs  is  of  high  interest  due  to  many  industrial 

applications.  The  essential  elements  of  the 

numerical  models  are interfaces separating the bulk 

plasma  from  the  electrodes,  which  are  supposed  to 

provide  a  reasonably  accurate  description  of  the 

physics governing the plasma-electrode interaction.

 

 

The  choice  of  the  model  of  plasma-electrode 

interaction  depends  on  the  description  of  the  bulk 

plasma  being  used.  As  far  as  the  plasma-cathode 

interaction is concerned, self-consistent models exist 

for a fully non-equilibrium  (NLTE) description and 

a two-temperature (2T) description, which takes into 

account  different  electron  and  heavy-particle 

temperatures but assumes ionization equilibrium. On 

the other hand, most works dedicated to simulation 

of  high-pressure  arc  discharges  employ  the 

assumption  of  LTE.  LTE  models  are  significantly 

simpler  than  the  NLTE  and  2T  models;  their 

numerical realization is simpler, may rely on ready-

to-use specialized software such as Equilibrium DC 

Discharge  (sub)module  of  the  Plasma  module  of 

commercial  software  COMSOL  Multiphysics,  and 

requires  less  computation  resources.  It  is  therefore 

highly desirable to develop a self-consistent method 

of matching solutions in the LTE bulk plasma and in 

the electrodes.  

A  self-consistent  matching  of  an  LTE  bulk 

plasma  with  a  cathode,  proposed  in  this  work,  is 

based  on  the  balance  of  energy  in the near-cathode 

non-equilibrium  plasma  layer,  which  comprises  a 

quasi-neutral  ionization  layer  and  a  space-charge 

sheath  [1].  The  matching  of  an  LTE  bulk  plasma 

with  an anode is based on the balance of energy in 

the near-anode layer and on a pre-computed value of 

the so-called anode heating voltage. 

The  system  of  MHD  equations  is  solved  in  the 

LTE  bulk  plasma.  The  heat  conduction  and  current 

continuity  equations  are  solved  in  the  electrodes. 

Solutions  in  the  different  domains  are  matched 

through  boundary  conditions.  The  commercial 

software COMSOL Multiphysics is employed. 

As  an  example,  simulation  results  are  reported 

for  the conditions of experiment [2]:  a free-burning 

1  cm-long  atmospheric-pressure  argon  arc  with  a 

rode tungsten cathode and a plane copper anode, the 

arc current varying from 20 to 200 A. The effect of 

the  cathode  shape  on  the  arc  temperature  has  been 

investigated as well. 

The computed distributions of plasma parameters 

are  compared  with  those  obtained  by  means  of  the 

NLTE 

approach 

[3]. 

The 

current-voltage 

characteristic  of  the  arc  is  compared  with  the 

experiment [2]. In both cases, a good agreement has 

been found. 

The work at Université d’Orléans was supported 

by  Zodiac  aerospace  and  the  work  at  Universidade 

da  Madeira  was  supported  by  FCT  of  Portugal 

through the project Pest-OE/UID/FIS/50010/2013. 

 

References 

[1] M. S. Benilov and A. Marotta, J. Phys. D: Appl. 

Phys., vol. 28, no. 9, p. 1869, Sep. 1995. 

[2]  N.  K.  Mitrofanov  and  S.  M.  Shkol’nik,  Tech. 

Phys., vol. 52, no. 6, pp. 711–720, 2007 

[3] M. Baeva, M. S. Benilov, N. A. Almeida, and D. 

Uhrlandt, J. Phys. D: Appl. Phys., vol. 49, no. 24, p. 

245205, 2016.  

Topic 11 

232

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

 

 

Behaviour of a short electric arc between bus-bars electrodes: numerical 

and experimental study  

 

Marina Lisnyak

1

, Moussa Chnani

2

, Alain Gautier

2

, Jean-Marc Bauchire

1

 

 

1 

GREMI, UMR 7344, Université d’Orléans, 14 Rue d'Issoudun, Orléans, 45067, France 

2 

Zodiac Aero Electric, Zodiac Aerospace, 7, rue des Longs Quartiers, 93108, France  

 

The behaviour of the electric arcs between plane electrodes is in high interest due to their presence 

in  industrial  applications,  such  as  low  voltage  circuit  breakers.  In  this  contribution,  numerical 

simulations  of  an  electric  arc  displacement  are  shown.  The  calculations  are  supported  with 

experimental  investigations.  Magneto-hydrodynamic  approach  has  been  chosen  for  the  arc 

description, while the plasma is assumed to be in local thermal equilibrium. The arc movement is 

realized  by  displacement  of  the  electrodes  attachments,  which  is  determined  experimentally.  The 

calculations  are  performed  using  commercial  software  COMSOL  Multiphysics.  The  simulation 

results have been compared with the experiment, and show similar arc behaviour. 

 

1. Introduction 

Study  of  the  electric  arc  displacement  between 

bus-bar  electrodes  is  of  high  interest  due  to  many 

industrial  applications,  such  as  low  voltage  circuit 

breakers  (CB)  [1]–[3].  Understanding  of  the  arc 

displacement behaviour helps to predict and control 

successful  switching  capability  of  the  CB.  The 

interest of the present work is to investigate similar 

phenomena  in  the  context  of  its  appearance  in 

electrical  networks  of  aircrafts,  while  an  arc  fault 

takes  place.  In  this  work,  numerical  simulations  of 

the  electric  arc  are  performed  and  supported  with 

the experimental investigations. 

System  of  magneto-hydrodynamic  equations 

provides mathematical description of the electric arc 

phenomena,  while  the  arc  plasma  is  assumed  to  be 

in local thermal equilibrium (LTE). The complexity 

arises  with  the  arc  displacement  description,  while 

there  is  still  no  universally  accepted  opinion  about 

the underlying mechanisms. 

Numerically  the  model  has  been  realized  using  the 

commercial software COMSOL Multiphysics®. 

 

2. Results 

A  three-dimensional  modelling  of  a  moving  arc 

between  the  bus-bars  electrodes  is  performed.  The 

size  of  the  calculation  domain  is  60x60x30mm, 

including  the  bus-bar  electrodes  (copper)  and 

surrounding  gas  (argon  at  1 atm).  The  electrodes 

have a length of 40 mm, a square cross section with 

3x3 mm,  and  the  gap  between  them  is  20 mm.  The 

arc is supplied with a DC current of 200 A and 4 ms 

duration. 

The  initial  values  of  a  stationary  arc  with  fixed 

positions  have  been  used  to  obtain  the  time-

dependent  solution  of  the  problem.  The  cathode 

attachment  exists  in  spot  mode,  as  the  anode  one, 

while  the  spot  radius  and  the  temperature  is 

introduced  in  the  model  as  fixed  parameters.  Arc 

displacement  along  the  electrode  is  realized  by 

displacement  of  the  cathode  and  anode  attachments 

with  fixed  velocity.  The  different  arc  behaviour  is 

observed  for  different  displacement  velocities.  The 

example  of  the  simulation  results  is  presented  in 

figure  1  for  the  fixed  arc  displacement  velocity 

5 m/s. 

 

Figure 1: Temperature evolution (K) of the arc plasma.  

The  simulation  results  are  supplied  with  the 

experimental  investigations,  which  gives  an 

estimation  of  the  arc  displacement  velocity.  High 

speed  video-images  of  the  arc  emission  have  been 

compared  with  the  computed  arc  temperature 

distributions and show similar arc behaviour. 

 

3. References 

[1]  B.  Swierczynski,  J.  J.  Gonzalez,  P.  Teulet,  P. 

Freton,  and  A.  Gleizes,  J.  Phys.  D:  Appl.  Phys., 

2004. 

[2]  M.  Lindmayer,  E.  Marzahn,  A.  Mutzke,  T. 

Ruther, and M. Springstubbe, IEEE Trans. Compon. 

Packag. Technol., 2006. 

[3]  F. Yang et al., J. Phys. D: Appl. Phys, 2013. 

 

Topic 11 

233

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

Topic number 1

Measurements and kinetic computations of electron transport parameters

in CO

2

 in an extended E/N range

I. Korolov

UP

1

P

, M.Vass

P

1

P

, D. Loffhagen

P

2

P

, N. Pinhão

3

P

, Z. Donkó

1

P

1

P

 Institute for Solid State Physics and Optics, Wigner Research Centre for Physics, Hungarian Academy of

Sciences, 1121 Budapest, Konkoly Thege Miklós str. 29-33, Hungary

P

2

P

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

P

3

P

 Instituto de Plasmas e Fusão Nuclear, Instituto Superior Técnico, Universidade de Lisboa, Lisboa, Portugal 

The transport coefficients of electrons (bulk drift velocity,  longitudinal diffusion coefficient, and

effective ionization frequency) in CO

2

 have been measured under time-of-flight conditions over a

wide range of the reduced electric field, 15 Td ≤ E/N ≤ 2660 Td, in a scanning drift tube apparatus.

These parameters are compared to the results of previous experimental studies, as well as to results

of solutions of the   electron   Boltzmann equation under different approximations and of Monte

Carlo simulations. The experimental results extend the range of E/N in comparison with earlier

studies. The computational results demonstrate the need for further improvement of the electron

collision cross section data for CO

2

 taking into account the present experimental data. 

1. Introduction

The reduction of CO

2

  emission is one of the

key challenges for the next decades. One of the

solutions may be the recycling of CO

2

 to produce

hydrocarbon-based fuels, and non-thermal plas-

ma technologies can contribute to this challenge.

It is crucial, however, to improve our knowledge

on   the   fundamental   properties,   in   particular

electron collision cross sections and the electron

transport   parameters.   For   this   purpose   swarm

experiments play an important role.

2. Experimental apparatus

We   have   developed   [1]   an   experimental

apparatus   operating   under   time-of-flight   (TOF)

conditions to record “swarm maps” that show the

spatio-temporal development of electron clouds.

The bulk drift velocity W, longitudinal diffusion

coefficient D

L

 and effective ionization frequency

υ

eff

, are obtained by fitting the experimental and

theoretical   forms   of   this   electron   swarm,

assuming hydrodynamic conditions. From these

data   the   effective   (steady-state)   Townsend

ionization coefficient, α, can also be derived.

3. Numerical methods

The experimental results are supplemented by

numerical modelling and simulation. In addition

to   Monte   Carlo   simulation,   three   different

methods have been applied to solve the electron

Boltzmann equation: (i) a multiterm method for

spatially   homogeneous   conditions,   (ii)   a

multiterm   method   for   spatially   inhomogeneous

conditions,   and   (iii)   a   density   gradient

representation   of   the   electron   velocity

distribution   function.   The   CO

2

  cross   sections

available on LxCat [2] were used.

4. Results

We found significant differences between the

present   and   other   published   experimental   data,

with the numerical results for  all  cross section

sets   tested,  demonstrating   the   need   for   further

improvement of the  CO

2

 electron collision cross

section   data   [3].  The   figure   below   exemplifies

these differences for D

L

.

5. References

[1] I. Korolov, M. Vass, N. Kh. Bastykova and

Z. Donkó, Rev. Sci. Instrum. 87 (2016) 063102

[2] 

http://www.lxcat.net

[3]   M.   Vass   I.   Korolov,   D.   Loffhagen,   N.

Pinhão, Z. Donkó. Plasma Sources Sci. Technol.

(in print)

Acknowledments

:  

This work was supported by OTKA/Hungary, via grant K105476, FCT/Portugal, under projects

UID/FIS/50010/2013 and UID/FIS/PTDC/FIS-PLA/1420/2014 (PREMiERE). The studies were performed in the framework

of the Collaborative Research Centre Transregio 24 ``Fundamentals of Complex Plasmas''. 

Measured   values   (symbols)   of   D

L

N   in  comparison   with

values computed (lines) using different cross sections sets [2].

234

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