On phenomena in ionized gases

References 

[1]

 

J. Sharpe, et al., Fusion Eng. Des. 63-64 (2002) 

153. 

[2]

 

A.  Uccello,  et  al.,  Phys.  Plasmas  23  (2016) 

102506. 

[3]

 

G.  Gervasini,  et  al.,  J.  Fusion  Energ.  36 

(2017) 25-39.

 

[4]

 

M. Bacharis, et al., Phys. Plasmas 17 (2010) 

042505. 

 

Topic 5 

2.3

2.4

2.5

2.6

2.7

2.8

2.9

3

-1.8

-1.7

-1.6

-1.5

-1.4

-1.3

-1.2

r [m]

z 

[m]

R 

From here 

LCMS 

22

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

 

 

Non-conventional plasma and sheath diagnostics: 

force probes and calorimetric probes  

 

Thomas Trottenberg and Holger Kersten 

 

P

Institute of Experimental and Applied Physics, University of Kiel, 

D-24098 Kiel, Germany  

P

 

 

 

The  talk  focusses  on  measurements  of  forces  that  low-temperature  plasmas  exert  on  a  boundary. 

Two different discharge types are used:  a microwave generated plasma and a parallel plate radio-

frequency  discharge.  The  force  measuring  probe  uses  a  small  test  surface  integrated  into  a 

grounded wall or a grounded electrode, respectively. It is found that the plasma exerts pressures in 

the order of magnitude of the electron pressure in front of the wall, where the plasma pressure can 

range from below the electron pressure to a few times the electron pressure. Moderate collisions in 

the  plasma  seem  to  enhance  the  pressure  at  the  wall,  whereas  too  many  collisions  reduce  the 

pressure.  A  recently  published  model  is  discussed.  Furthermore,  another  non-conventional 

diagnostic, the calorimetric probe, is shortly presented together with measurements. 

 

 

 

Recently,  we  reported  on  simple  experiments  that 

allowed measurements of the forces exerted by low-

temperature  plasmas  on  boundaries  [1,2].  The 

measured  “plasma  pressures”  were  in  the  order  of 

magnitude of up to a few times the electron pressure 

close  to  the  sheath  edge,  i.e.  some  10  mPa.  

 

 

 

Fig.  1.  Metal  wall  or  electrode  with  integrated  force 

probe. Only a small detail of the 170 mm disk is shown. 

 

 

The  forces  were  discussed  on  the  basis  of  a  simple 

model  taking  into  account  the  momentum  fluxes 

across  the  sheath  edge.  It  was  concluded  that  ion-

neutral  collisions  in  the  presheath  can  enhance  the 

force caused by electron pressure and ion flux by  a 

larger  accelerated  mass  consisting  of  ions  and  fast 

neutral atoms. 

 

The  force  probe  is  based  on  a  cantilever  and  a  test 

surface attached to its free end. The displacement is 

measured interferometrically and translated into the 

causing  force  by  calibration.  Figure  1  shows  the 

implementation of the wall with probe. The circular 

test  surface  is  flush  with  front  surface  of  the  wall. 

Langmuir  probes  are  used  for  the  basic  diagnostics 

of the plasma environments (microwave plasma and 

radio-frequency parallel plate discharge). 

  

The  measurements  are  discussed  in  the  light  of  a 

model for plane geometry [3]. 

 

Currently,  we  are  working  on  the  application  of 

additional  diagnostics  (retarding  field  analyzer  and 

calorimetric probe), which are integrated in the wall 

similarly to the force probe. 

 

 

References

 

[1]  T.  Trottenberg,  T.  Richter,  and  H.  Kersten.  Eur. 

Phys. J. D 69, 91 (2015). 

[2]  T.  Trottenberg  and  H.  Kersten.  Plasma  Sources 

Sci. Technol., accepted for publication (2017). 

[3] U. Czarnetzki and T. V. Tsankov, Eur. Phys. J. D 

69, 236 (2015). 

Topic 6 

23

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

 

 

Diagnostics of atmospheric pressure plasma jets 

 

A. West

P

, J. Bredin, S. Schröter

P

, K. Niemi

P

, T. Gans, J. Dedrick, D. O’Connell, E.Wagenaars 

 

York Plasma Institute, Department of Physics, University of York, York, YO10 5DD, UK 

 

Atmospheric-pressure plasma jets (APPJs) are widely studied for potential applications in industry 

and  healthcare.  Plasma  diagnostics  play  a  pivotal  role  in  developing  an  understanding  of  the 

science underpinning APPJs. This is essential to guarantee effective and safe use of these devices 

in  applications.  We  present  a  picosecond  Two-photon  Absorption  Laser  Induced  Fluorescence 

technique  that  is  capable  of  directly  measuring  the  effects  of  collisional  quenching  on  the 

fluorescence decay and therefore allows accurate, absolute measurements of densities of N and O 

radicals in the open-air effluent of an APPJ. Additional power measurements allow the study of 

energy efficiency of N and O generation in APPJs as a function of operating frequency. 

 

1. Introduction 

Atmospheric-pressure  plasma  jets  (APPJs)  are 

examples  of  plasmas  that  can  operate  in  open  air, 

remain  at  room  temperature  and  still  have  a  non-

equilibrium  chemistry.  The  unique  combination  of 

characteristics  of  these  APPJ  devices  makes  them 

ideal  tools  for  novel  applications  in  industry  and 

healthcare,  e.g.  surface  modification  of  plastics, 

plasma  medicine  and  photoresist  removal  [1-3]. 

Although  it  is  clear  that  reactive  species  play  a 

pivotal  role  in  the  success  of  APPJs  in  many 

applications,  the  exact  mechanisms  through  which 

APPJs  affect  target  surfaces  remain  largely 

unknown.  Moreover,  control  of  the  mixture  of 

reactive  species  production  as  a  function  of 

operational 

parameters 

is 

often 

empirical. 

Diagnostics  of  APPJs  play  an  important  role  in 

further  developing  our  understanding  of  the  plasma 

chemistry  and  will  enable  increases  in  treatment 

efficacy. 

 

2.  Picosecond  Two-photon  Absorption  Laser 

Induced Fluorescence 

Two-photon 

Absorption 

Laser 

Induced 

Fluorescence (TALIF) is a well-known technique in 

low-pressure  plasmas  for  the  measurement  of 

absolute  densities  of  atomic  species  such  as  O,  N 

and  H.  Unfortunately,  application  of  this  technique 

on  APPJs  that  are  operating  under  realistic 

conditions for applications, i.e. in open air and with 

complex  admixtures,  is  not  straightforward.  The 

highly collisional environment of APPJs means that 

collisional  quenching  of  the  laser-excited  state 

becomes  significant  and  needs  to  be  taken  into 

account. For well-controlled atmospheres and simple 

admixtures  the  effect  can  be  estimated  using 

quenching  coefficients  [4],  however  under  realistic 

operating  conditions  the  identity  and  density  of  the 

quenching  partners  is  unknown  due  to  the 

complexity  of  the  plasma  chemistry.  An  alternative 

is a direct measurement of the fluorescence decay on 

sub-nanosecond 

timescales. 

We 

present 

a 

picosecond  TALIF  diagnostic  which  uses  a  sub-ns 

laser  (30  ps)  and  iCCD  camera  (200  ps),  which 

allows  us  to  measure  the  quenching-affected 

fluorescence decay rate directly and deduce absolute 

measurements of O and N density maps in the open-

air effluent of an APPJ. 

 

3. Power measurements 

Measurements  of  the  power  dissipated  in  the 

plasma are of critical importance not only for further 

developing  our  understanding  of  APPJs,  e.g.  via 

comparison with modelling, but also in applications, 

e.g.  for  the  optimisation  of  energy  efficiency.  

Conceptually, measuring power in a radio-frequency 

(rf)  circuit  is  relatively  straightforward;  however  in 

practice  it  often  turns  out  to  be  difficult  to  perform 

these  measurements  due  to  the  small  powers 

dissipated  and  the  mostly  capacitive  nature  of  the 

load.  We  present  a  flexible,  ‘post-matching’ 

technique  that  is  capable  of  providing  accurate 

measurements  of  power  dissipated  in  rf-driven 

APPJs.  This  diagnostic  is  subsequently  used  to 

investigate  the  efficiency  of  the  production  of 

reactive  O  and  N  species  for  different  rf  excitation 

frequencies (13.56 MHz - 40.68 MHz). 

 

4. Acknowledgments 

The  authors  acknowledge  support  from  the  UK 

EPSRC (EP/K018388/1 & EP/H003797/1) 

 

5. References 

[1] D. Shaw et al., Plasma Sources Sci. Technol. 25 

(2016) 065018. 

[2] A.M. Hirst et al., Br. J. Cancer 112 (2015) 1536. 

[3] A. West et al., Plasma Sources Sci. Technol. 25 

(2016) 02LT01. 

[4]  E.  Wagenaars  et  al.,  Plasma  Sources  Sci. 

Technol. 21 (2012) 042002. 

6 

24

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

 

 

Microhollow cathode discharges on silicon devices  

 

R. Dussart

P

1

P

, R

URM

. Michaud

U

1

P

, V. Felix

1

P

, A. Stolz

1

, O. Aubry

1

, P. Lefaucheux

P

1

 , S. Dzikowski

2

, 

V. Schulz-von der Gathen

2

, L.J. Overzet

3

 

 

P

1

P

 GREMI, Univ. Orleans - CNRS, 14 rue d’Issoudun, BP 6744, 45067 Orléans, France  

2

Experimental Physics II, Ruhr-Universität Bochum, 44780 Bochum, Germany 

P

3

PSAL, University of Texas at Dallas, Richardson, TX 75080-3021, USA 

 

DC  Microhollow  cathode  discharges  have  been  produced  on  silicon  platforms  through  different 

gases  such  as  He,  Ar  and  N

2

.  Silicon  cathodes  were  investigated  first,  but  induced  many 

instabilities.  Other  materials  deposited  on  the  silicon  were  also  tested  and  show  much  different 

behaviours.  The  microplasmas  were  optically  and  electrically  characterized.  The  microreactors 

were  also  characterized  after  operation  by  SEM  observations.  Some  new  geometries  were  also 

tested  to  allow  the  injection  of  higher  currents  and  powers  (up  to  1  W  per  microdicharge).  By 

inversing the polarity, a quite different behaviour was evidenced that will be discussed as well.   

 

1. Introduction 

DC  Microhollow  cathode  discharges  (MHCD) 

were  first  introduced  in  the  mid  90’s  [1].  Due  to 

their  dimension  and  their  large  surface  to  volume 

ratio,  the  produced  microplasma  remains  cold  and 

can  stably  operate  at  atmospheric  pressure  in  the 

normal regime provided the cathode area is not fully 

utilized  [2].  Microhollow  cathode  discharges  on 

silicon  platforms  were  first  studied  by  J.  G.  Eden’s 

group  [3].  Silicon  processing  intensively  developed 

for 

microelectronic 

devices 

offers 

many 

opportunities  to  design  new,  original  and  efficient 

devices to produce high density microplasmas.  

An  array  of  1064  microplasmas  using  an  etched 

silicon  cathode  could  be  completely  ignited  [4]. 

Unfortunately,  the  device  operation  is  unstable  and 

produces  many  current  spikes  that  significantly 

damage the microcavities and lead to device failure. 

The  mechanism  responsible  for  this  unstable 

operation and short lifetime was investigated [5]. In 

this  paper,  we  discuss  different  possibilities  to 

enhance the stability of microdischarges  made from 

silicon wafers. 

 

2. Experiment 

A  microreactor  is  schematically  represented  in 

Fig. 1. A ballast resistor is used to limit the current.  

100 µm

Nickel 

SiO

2 

(6 µm)

Silicon

(500 µm)

V

S

+

-

Gold

(100 nm)

 

Figure 1: Schematic of a microdischarge reactor 

 

In  this  particular  configuration,  the  silicon 

cathode was covered by a metal thin film (nickel in 

this example). More than 15 individual process steps 

are necessary to create such a structure. The devices 

were then tested in 3 different gases: He, Ar and N

2

.

 

 

3. Results  

An  example  of  a  microdischarge  operating  in 

Argon (150 µm diameter cavity) is shown in Fig. 2. 

A  very  stable  operation  is  obtained  using  the 

configuration  shown  in  Fig.  1.  The  lifetime  of  the 

microreactor with a confined cathode is much longer 

when using nickel than with silicon. Other materials 

were  also  investigated.  Interestingly,  the  same  type 

of instability is obtained using a tungsten cathode as 

with  silicon.  Modifying  the  geometry,  it  was 

possible to inject a total power of up to 40 W in an 

array of 38 argon microplasmas. 

   

 

Figure 2: Single microdischarge operating in Argon. 

 

In the case of inverted polarity, a bright spot appears 

in the middle of the cavity.  

 

4. References 

[1] K.H. Schoenbach et al., Appl. Phys. Lett. 68 

(1996) 13–15 

[2] T. Dufour et al. , Appl. Phys. Lett. 93 (2008) 

71508 

 [3]  J.G.  Eden  et  al.,  J.  Phys.  D:  Appl.  Phys.  36 

(2003) 2869–77  

[4] M.K. Kulsreshath et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 

33 (2012) 285202 

[5] V. Felix et al., PSST 25 (2016) 025021  

10 

25

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

 

 

Recent developments in probe diagnostics 

 

C. Ionita

1

, B.S. Schneider

1

, S. Costea

1

, J. Kovačič

2

, M. Spolaore

3

, V. Naulin

4

,  

N. Vianello

3

, J.J. Rasmussen

4

, T. Gyergyek

2,5

, R. Stärz

1,6

, R. Schrittwieser

1

 

 

1

Institute for Ion Physics and Applied Physics, University of Innsbruck, Austria 

2

Reactor Physics Department, Jožef Stefan Institute, Ljubljana, Slovenia 

3

Consorzio RFX, Padua, Italy 

4

Department of Physics, Technical University of Denmark, Kgs. Lyngby, Denmark 

5

Faculty of Electrical Engineering, University of Ljubljana, Slovenia 

6

 Mechatronic Department, Management Center Innsbruck. A-6020 Innsbruck, Austria

 

 

Plasma probes are well established diagnostic tools. The easiest and fastest accessible parameter is 

their floating potential. While the floating potential of a cold probe is not very significant, we re-

port on probes  with  the floating potential close to or ideally equal to the plasma potential. Such 

probes can either be electron emissive probes or so-called electron screening probes (e.g. ball-pen 

probes). We have developed strong emissive probes and a new type of electron screening probe, 

the bunker probe. By arrays of such probes also the electric field can be determined.  

 

1. Introduction 

Plasma probes are  simple  and  inexpensive  with 

good spatial and temporal resolution. The easiest 

measureable parameter of a probe is its floating po-

tential  V

fl

, which in case of a Cold Langmuir Probe 

(CLP) is of limited value since V

fl

  will  regularly be 

more negative than the more important plasma po-

tential 

Φ

pl

.  

We developed Plasma Potential Probes (PPP) the 

floating potential of which is close or even equal to 

Φ

pl

.  The best known are  Electron Emissive Probes 

(EEP). Other types are the Ball-Pen Probe (BPP) [1] 

and the novel BUnker Probe (BUP)

 [2]

.  

 

2. Plasma Potential Probes (PPP) 

To shift the floating potential of a probe as close 

as possible to 

Φ

pl

, (i)  the inflowing plasma electron 

current must be compensated by an approx.  equal 

emission  current  or  (ii)  the surplus of electron cur-

rent must be screened off the probe until its magni-

tude  roughly  equals that of the ions. This is tanta-

mount to making the probe's current-voltage charac-

teristic  (IV-trace)  symmetric.  Method  (i)  is realised 

in EEPs by heating the probe until sufficient electron 

emission;  (ii)  can only be 

attained in a strong magnet-

ic field as in case of the 

BPP or the BUP.  

 

2.1. 

Electron Emissive 

Probes (EEP) 

Our novel strong and ro-

bust  EEP [3]  takes favoura-

ble use of the  basic proper-

ties of Highly Orientated 

Pyrolytic Graphite (HOPG). 

An indirectly heated HOPG pin is shown in Fig. 1. 

HOPG has strongly different values of electric resis-

tivity and heat conduction in directions perpendicu-

lar to each other as indicated in 

Fig. 1. 

 

2.2. 

Electron Screening 

Probes (ESP)  

For a BPP to work properly 

it must be quite exactly aligned 

perpendicular to the magnetic 

field  B. In contrast to that,  our 

novel BUP (Fig. 2) floats on the 

plasma potential also for a 

much larger range of angles 

with respect to B.  

 

3. Acknowledgement 

This work has been carried out within the framework 

of the EUROfusion Consortium and has received funding 

from the EURATOM research and training programme 

2014-2018 under Grant Agreement No. 633053. The 

views and opinions expressed herein do not necessarily 

reflect those of the European Commission. This work was 

also supported by the Friedrich Schiedel Foundation for 

Energy Technology and  the Commission for the Coordi-

nation of Nuclear Fusion Research in Austria (Austrian 

Academy of Sciences). 

 

4. References 

[1] J. Adamek et al. Czech. J. Phys. 55  (2005) 

235. 

[2] S. Costea et al., Rev. Sci. Instrum. 87 (2016), 

053510. 

[3] B.S. Schneider et al., Proc. Sci., on line: 

http://pos.sissa.it/archive/conferences/240/072/ECP

D2015_072.pdf.

 

6, Topical Inv. 

Fig. 1: Electron Emis-

sive Probe  

Fig. 2: Bunker 

probe 

26

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

 

 

Electric field measurements in surface discharges in atmospheric air  

over solid and liquid dielectrics 

 

M. Simeni Simeni

1

, B.M. Goldberg

2

, C. Zhang

3

, K. Frederickson

1

,  

W.R. Lempert

1

, and I.V. Adamovich

1

 

1 

Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Ohio State University 

2

 Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Princeton University 

3

 Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing, China 

 

Time-resolved and spatially resolved electric field is measured in ns pulse dielectric barrier 

discharges sustained in ambient air over solid and liquid dielectric surfaces. The measurements are 

done using ps four-wave mixing diagnostics. The results indicate significant electric field reduction 

following ns pulse breakdown, followed by electric field reversal as the applied voltage is reduced. 

After the discharge pulse, the electric field decays on microsecond time scale, due to surface 

charge neutralization. The present results yield quantitative insight into kinetics of ns pulse surface 

ionization wave discharges and provide detailed experimental data for validation of kinetic models 

of ns pulse surface discharges. 

 

This work presents the results of temporally and 

spatially resolved electric field measurements in 

a nanosecond pulse discharge in atmospheric 

air, sustained between a razor edge high-voltage 

electrode and a plane grounded electrode 

covered by a thin dielectric plate or a by a layer 

of distilled water. The electric field is measured 

by picosecond four-wave mixing in a collinear 

phase-matching geometry, with time resolution 

of approximately 2 ns, using an absolute 

calibration provided by measurements of a 

known electrostatic electric field. In discharges 

over quartz plate and over liquid surface, the 

results demonstrate electric field offset on the 

discharge center plane before the discharge 

pulse due to surface charge accumulation on the 

dielectric from the weaker, opposite polarity 

pre-pulse. During the discharge pulse, the 

electric field follows the applied voltage until 

“forward” breakdown occurs, after which the 

field in the plasma is significantly reduced due 

to charge separation. When the applied voltage 

is reduced, the field in the plasma reverses 

direction and increases again, until the weak 

“reverse” breakdown occurs, producing a 

secondary transient reduction in the electric 

field. After the pulse, the field is gradually 

reduced on a microsecond time scale, likely due 

to residual surface charge neutralization by 

transport of opposite polarity charges from the 

plasma. Spatially resolved electric field 

measurements show that the discharge develops 

as a surface ionization wave. Significant surface 

charge accumulation on the dielectric surface is 

detected near the end of the discharge pulse. 

Spatially resolved measurements of electric field 

vector components demonstrate that the vertical 

electric field in the surface ionization wave 

peaks ahead of the horizontal electric field. 

Behind the wave, the vertical field remains low, 

near the detection limit, while the horizontal 

field is gradually reduced to near the detection 

limit at the discharge center plane. These results 

are consistent with time-resolved measurements 

of electric field components, which also indicate 

that vertical electric field reverses direction after 

the ionization wave. 

Topic numbers 3, 6 

 

 

Figure 1. Time-resolved electric field measured in the 

negative polarity ns pulse discharge pulse over liquid 

water, on the 

discharge center plane ~ 100 μm below the 

high-voltage electrode

. 

27

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