On phenomena in ionized gases

3. References 

[1] R. Kumar, R. Narayanan, A. Prasad, Phys. 

Plasmas 21 (2014) 123501. 

[2] M. Agop, D. G. Dimitriu, L. Vrajitoriu, M. 

Boicu, J. Phys. Soc. Jpn. 83 (2014) 054501. 

[3] K. S. W. Sing, D. H. Everett, R. A. W. Haul, 

L. Moscou, R. Pierotti, J. Rouquérol, T. 

Siemieniewska, Pure Appl. Chem., 57 (1985) 603. 

Topic number: 4 

248

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

 

 

Optical emission and mass spectrometric characterization of an 

atmospheric microwave plasma jet 

 

J. Lo

1

P

, L. Chauvet

P

1

P

, C. Muja

1

, L. Latrasse

P

2

P

, Ph. Guillot

1

 

 

1

 Laboratoire Diagnostics des Plasmas Hors Equilibre (DPHE), Université de Toulouse, INU Champollion, 

Albi, France  

2

P

SAIREM SA,Neyron, France 

 

In this work, characterization of a surface wave discharge (SWD) in argon at atmospheric pressure 

generated  by  a  surfatron  device  was  performed  by  optical  emission  spectroscopy  (OES),  iCCD 

imaging  and  Time-Of-Flight  Mass  Spectrometer  (TOF  MS).  The  objective  is  to  determine  the 

spatial  distributions  of  different  species  and  evaluate  different  ions  (TOF  MS)  generated  by  the 

source for different operating conditions.

 

 

Increasing  interest  in  cold  atmospheric  pressure 

plasma  jets  (APPJ)  has  been  observed  during  the 

last  decade.  Their  applications  are  largely 

investigated  in  various  fields  such  as  nanomaterial 

synthesis  [1],  decontamination  and  sterilization  [2], 

cancer  treatment  [3]  or  analytical  chemistry  [4]. 

Their  ability  to  propagate  in  open  air  and  to  allow 

the  formation  of  a  rich  chemical  environment 

populated by ions, radicals and excited species make 

them promising versatile tool. 

 

In  this  work,  the  surfatron  plasma  source  (S-

wave)  is  a  compact  source  designed  for  industrial 

and  laboratory  applications  which  operates  at 

atmospheric  pressure.  The  plasma  is  generated  in  a 

dielectric  tube  (4  mm  internal  diameter  and  6  mm 

external  diameter  placed  within  the  source)  by  a 

solid-state microwave generator (200 W, 2.45 GHz). 

The 

microwave 

electric 

field 

propagates 

longitudinally  at  the  dielectric/plasma  interface. 

Hence,  a  plasma  column  is  created  and  sustained 

with  lengths  varying  as  a  function  of  the  operating 

gas  flow,  microwave  power  and  gas  nature.  In  our 

case,  the  discharge  gas  is  Argon  maintained  at  1 

sl/min.  The  S-Wave  plasma  source  is  inductively 

coupled,  thus  only  two  tuning  adjustments  are 

provided to match the impedance. During operation, 

0  W  of  reflected  power  is  achieved  using  the 

integrated  tuners.  The  source  can  be  efficiently 

applied to the production of reactive/excited species. 

 

Resolved  spatial  optical  emission  distribution 

measurements  were  performed  with  an  optical 

spectrometer (HR2000+, Ocean Optics) and with an 

iCCD 

camera 

(PIMAX-2K-RB, 

Pearson 

Instruments).  The  optical  measurements  were 

performed with an iCCD camera coupled with filters 

to  observe  the  spatial  distributions  of  the  main 

species  emissions  (argon,  oxygen,  nitrogen).  The 

influence  of  the  power  will  be  presented  and 

discussed.  The  presence  of  the  ions  created  by  the 

jet will be investigated with a Time-Of-Flight Mass 

Spectrometer (TOF MS). 

 

 

Figure  1:  Intensities  of  argon  (751  nm)  and  oxygen  (777 

nm)  optical  emissions  as  a  function  of  axial  position 

associated  with  iCCD  camera  imaging  at  100 W  power 

input, 

1 sl/min

 argon. 

 

References 

 [1] S. Yu, K. Wang, S. Zuo, J. Liu, J. Zhang, J. 

Fang, Phys. Plasmas, 22 (2015), 103522. 

[2] 

E. 

Dolezalova, 

P. 

Lukes, 

Bioelectrochemistry, 103 (2015), 7-14.                    

[3]  P.-M.  Girard,  A.  Arabian,  M.  Fleury,  G. 

Bauville,  V.  Puech,  M.  Dutreix,  J.  Santos  Sousa, 

Sci. rep., 6 (2016). 

[4]  S.  Martinez-Jarquin,  R.  Winkler,  Trends  in 

Analytical Chemistry, 89, (2017), 133-145. 

Topic number 9  

249

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

 

 

 

 

Comparisons and scaling rules between N+N

2

 and N

2

+N

2

 collision induced 

dissociation cross sections from atomistic studies  

 

Fabrizio Esposito

P

1

P

, Ernesto Garcia

P

2

P

, Antonio Laganà

P

3

P

 

 

P

1

P

 Consiglio Nazionale delle Ricerche, PlasmiLab@Nanotec, Bari, Italy 

 

P

2

P

 Departamento de Quimica Fisica, Universidad del Pais Vasco (UPV/EHU), Vitoria, Spain 

 

3

P

 Dipartimento di Chimica, Biologia e Biotecnologie, Università degli studi di Perugia, Perugia, Italy  

 

Accurate  modeling  of  air  plasma  chemistry,  as  in  the  case  of  aerothermodynamics  or  electrical 

discharges  in  air,  needs  elementary  processes  data  with  at  least  the  specification  of  molecular 

vibration. Although this is presently well recognized in the literature, the associated heavy load of 

input data to handle can become an issue for both the dynamical and kinetic treatments. For this 

purpose we are developing some relationships between vibrationally dependent atom–diatom and 

diatom–diatom  collision  induced  dissociation  cross  sections,  and  we  show  their  successful 

application to the collisions of N+N

2

 and N

2

+N

2

.  

 

 

1. Scaling laws for collision induced dissociation 

 

Quantitative  knowledge  of  elementary  processes 

involved in plasmas are key to successfully perform 

accurate  kinetic  simulations.  The  issue  is  the  huge 

amount  of  data  to  treat,  both  in  dynamical 

calculations  and  in  kinetic  simulations.  The  aim  of 

this  work  [1]  is  to  study  collision  induced 

dissociation  detailed  data  in  atom–molecule  (AM) 

and  molecule–molecule  (MM)  collisions  involving 

nitrogen, 

obtained 

by 

molecular 

dynamics 

calculations,  considering  vibrational  states  in  the 

range  10–50  and  collision  energy  up  to  10 eV,  in 

order to formulate suitable scaling laws resulting in 

less  expensive  computational  procedures  and  easier 

to  handle  treatments  in  kinetic  simulations.  It  is 

shown  that,  while  a  direct  substitution  of  MM 

dissociation  cross  sections  with  AM  ones  might  be 

acceptable  only  at  very  high  collision  energy, 

scaling laws application allows to obtain quite good 

results on almost the whole energy range of interest. 

Two  relations  are  developed  in  this  work.  The  first 

one  allows  to  obtain  dissociation  cross  sections  of 

MM(v

1

,v

2

)  collisions,  being  v

1

,  v

2

  respectively  the 

initial  vibrational  states  of  the  two  molecules,  from 

the corresponding MM(v

1

,0), MM(v

2

,0) dissociation 

cross sections. The second relation links the AM(v) 

cross section with the MM(v,0) one, as in fig.1. As a 

consequence, using both relations allows in principle 

to  obtain  any  MM(v

1

,v

2

)  dissociation  cross  section, 

provided AM(v

1

), AM(v

2

) cross sections are known. 

The  advantage  is  clear,  being  a  three-body 

dynamical  calculation  significantly  less  expensive 

than  a  four-body  one.  The  possibility  of  a  compact 

expression  of  the  MM  dissociation  cross  sections, 

expressed  as  a  function  of  the  AM  ones,  is  also  an 

advantage for the kinetic codes where those data are 

used.  Rotation  of  the  vibrationally  more  excited 

molecule can be included in the scaling. Work is in 

progress  to  extend  these  scaling  laws  to  other 

collisional systems.  

  

2. References 

 [1]  F.Esposito,  E.Garcia,  and  A.Laganà,  Plasma 

Sources  Science  and  Technology,  26  (2017)  45005 

(doi:10.1088/1361-6595/aa5d27). 

 

 

Fig.1.  Comparison  of  computed  molecule-

molecule  collision  induced  dissociation  cross 

sections  from  the  shown  rovibrational  states  with 

corresponding  values  derived  from  atom-molecule 

ones.  

 

Topic 1 

250

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

 

 

Topic number 

Investigation of collisional processes in dense semiclassical plasma 

 

K.M. Turekhanova

1

, D.S. Kaliyeva

1 

 

 

1

IETP, al-Farabi Kazakh National University, 71, al-Farabi av., Almaty, 050040, Kazakhstan 

 

Abstract:  In  this  work  we  study  kinetic  processes  of  dense  semiclassical  plasma  with  the 

collective effect and screening. Collisional characteristics of plasma are obtained numerically by 

using several effective pseudopotential models with clear difference arising between them. 

 

1. Introduction    

    Currently,  a  clear  and  accurate  theoretical 

description  of  dense  plasma  remains  an  actual 

problem.  Kinetic  properties  are  the  most  important 

characteristics  of  dense  plasma,  the  study  of  attract 

more  and  more  interest.  Finding  the  particle 

distribution function is one of the main problems in 

plasma physics. In work [1] the form of the particle 

distribution  function  determined  by  various 

parameters and processes. The main mechanism that 

determines  the  fastest  part  of  the  distribution 

function is the escape of electrons to the walls. Also, 

electron  energy  distribution  functions  have  a  rich 

structure induced by super elastic collisions between 

excited  species  and  cold  electrons.  Super  elastic 

vibrational  collisions  play  an  important  role  in 

affecting the electron energy distribution function in 

a wide range of the electric field [2].  

 

2. Results 

    Due to the influence of external forces the particle 

distribution  function  deviates  from  the  equilibrium 

leading  to  the  change  of  the  average  energy  and 

directional  velocity  of  the  particles  and  the 

distribution function, which depends on the velocity 

components.  To  describe  this  processes,  the 

pseudopotentials  was  used  that  takes  into  account 

the charge screening at long distances and quantum 

effect of diffraction, which occurs in dense systems. 

As well, mean energy of the electrons was calculated 

by the Coulomb logarithm by using the distribution 

function in a strong field [3] for continuous collision 

cross section. The Coulomb logarithm determines by 

the scattering angle of particle in plasma. By solving 

the  scattering  angle  of  particle  we  got  collisional 

characteristics  of  dense  plasma  such  as  scattering 

sections, free lengths and frequencies of particles on 

the  basis  of  effective  pseudopotential  models.  The 

results obtained in this work are compared with the 

results  of  other  theoretical  methods  and  computer 

simulations. 

 

3. Conclusion 

    The  tail  of  distribution  function  of  particles  in 

external electric field increases with the decrease of 

plasma density parameter when we take into account 

quantum  mechanical  and  screening  effects.  This 

effect  is  possibly  connected  with  decrease  of  the 

collision  frequencies  [4]  and  with  the  formation  of 

some ordered structures in dense plasma.  

 

4. References 

    [1] M. Capitelli, G. Colonna, O. De Pascale et al. 

Plasma sources science and technology. 18. 014014 

(2009). 

    [2] L.D. Pietanza, G. Colonna, G. D’Ammando et 

al. Physics of Plasmas. 23. 013515 (2016). 

    [3]  A.A.  Kudryavtsev,  L.D.  Tsendin.  Technical 

Physics. 44. 1290 (1999) 

    [4]  T.S.  Ramazanov,  K.M.  Turekhanova.  Phys. 

Plasmas. 12. 102502 (2015) 

 

 

 

 

251

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

 

 

Dependence of anode glow on surrounding geometry in a parallel plate 

glow discharge plasma 

 

P. K. Barnwal, S. Kar, R. Narayanan, A. Ganguli, R. D. Tarey. 

 

Centre for Energy Studies, Indian Institute of Technology Delhi, Hauz Khas, New Delhi, India, 110016 

 

An  intense  anode  glow  is  observed  in  a  parallel  plate  glow  discharge  plasma  (cathode  to  anode 

surface  area  ratio  ≈  90;  cathode:  grounded)  that  strongly  depends  on  the  surrounding  geometry. 

The  electrode  system  was  placed  inside  a  grounded  vacuum  vessel.  The  experiments  were 

performed  in  three  configurations:  (a)  when  the  discharge  is  allowed  between  the  electrodes  by 

covering  them  with  a  glass  tube  and  mica  discs  at  the  ends,  the  anode  glow  appears  only  at  low 

currents.  (b)  When  a  deliberate  leak  is  introduced  using  smaller  diameter  mica  discs  that  allow 

plasma  to  escape  from  the  ends  to  reach  the  cathodic  vacuum  chamber,  the  anode  glow  is  still 

formed at low currents, but a negative differential resistance (NDR) along with hysteresis appear in 

the  I-V  characteristics.  (c)  However,  when  the  discharge  is  exposed  to  the  whole  chamber,  the 

anode glow is present at high discharge currents also, although the NDR and hysteresis disappear.  

 

1. Introduction 

Anode  glow  may  appear  at  low  discharge 

currents  to  maintain  the  discharge  [1,2]  by 

formation  of  a  potential  double  layer  which 

accelerates  the  electrons  near  the  anode,  energizing 

them to energies above the ionization energy of the 

gas,  which  causes  additional  ionization  near  the 

anode. The present paper correlates the dynamics of 

anode  glow  with  the  system  geometry  at  various 

discharge currents.   

 

2. Experimental setup 

The  experimental  setup  consists  of  a  cylindrical 

stainless steel chamber (inner diameter 150 mm and 

height  355  mm)  in  which  two  planar  electrodes 

(grounded cathode (dia. = 76 mm) and anode (dia. = 

8  mm))  were  placed  at  a  separation  of  35  mm.  A 

glass tube of inner diameter, 90 mm along with mica 

discs  at  the  two  ends,  were  used  to  cover  the 

electrode  system  to  isolate  the  plasma  from  the 

grounded  chamber  walls.  The  external  circuit  was 

completed  through  a  variable  DC  power  supply 

(1kV, 1A) and a variable ballast resistor. The argon 

gas pressure (p) was varied from 200 to 800 mTorr. 

The  experiments  were  carried  out  in  three  different 

configurations:  (a)  the  plasma  discharge  was 

completely  isolated  from  the  chamber  walls;  (b)  a 

small gap was permitted between the glass tube and 

the electrodes (at both ends); (c) both glass tube and 

mica discs were removed and the discharge was left 

fully uncovered. 

 

3. Results and discussion 

Discharge  characteristics  (plot  of  discharge 

voltage  (V)  versus  discharge  current  (I))  were 

observed  at  different  gas  pressures  for  all  three 

configurations.  In  configurations  (a)  and  (b),  the 

anode glow appears at low currents (≤ 2 mA) and its 

size and intensity are found to be linked to the slope 

of  the  I-V  characteristics.  More  interestingly,  an 

NDR  with  hysteresis  is  observed  in  the  I-V 

characteristics  in  configuration  (b).  However,  in 

configuration  (c),  the  anode  glow  is  present 

throughout, at all currents. Also, the size of the glow 

is larger and more intense than for configurations (a) 

and  (b).  Figure  (1)  shows  the  plasma  snap  shot  for 

covered (Fig. 1a) and uncovered (Fig.1b) conditions. 

 

Fig.  1.  Plasma  snap  shot  at  p  =  400  mTorr  for  covered 

(Fig.  a)  and  un-covered  (Fig. b) (at I

d

  = 0.55 mA and 30 

mA respectively).  

The  minimum  discharge  voltage  required  to 

sustain the discharge at 400 mTorr in configurations 

(a) and (b) is  V ≈ 225 V, which is greater than that 

for  configuration  (c),  for  which,  V  ≈  180  V.  The 

detailed experimental results will be presented in the 

conference. 

 

4. References 

[1]  K. G. Emeleus, Int. J. Electronics,  52 (1982) 

407.  

[2]  B.  Song,  N.  D.  Angelo,  R.  L.  Merlino,  J. 

Phys. D Appl. Phys., 24 (1991) 1789. 

Topic  number  8 

88 

252

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

 

 

RF plasma simulation using semi-analytical sheath model 

 

M. Miyashita

P

1

P

 

 

P

1

P

 Technology Reserch Center, Sumitomo Heavy Industries Ltd., Yokosuka, Japan  

P

 

 

We  have  developed  a  simulation  technique  to  calculate  sputtering  etch  rate  distribution  by 

accelerated energetic ions in radio frequency(RF) sheath within short computation time,  in order to 

develop a high density and low metal contamination plasma source. The estimated sputtering etch 

rate distribution on the RF antenna cover qualitatively reproduced the experimental result. 

 

1. Introduction 

We  have  developed  a  plasma  model  according 

to the equipment in order to design the new device [1]. 

This  paper  focuses  on  the  RF  plasma  source.  A  RF 

plasma source is expected as one of the plasma source 

with low metal contamination and high density. The 

plasma  is  sustained  by  providing  RF  power  of 

13.56MHz  through  U-shaped  antenna  in  chamber. 

The RF antenna is isolated by dielectric cover from 

plasma. In design, the sputtering etch rate distribution 

on  the  RF  antenna  cover  is  important.  However, 

expensive  calculation  cost  is  needed  for  RF 

simulation.  We  introduce  a  new  model  which  does 

not resolve sheath thickness by interface problem. 

 

2. Method 

2.1. Interface Problem 

The electronic fluid  equation in plasma connects 

to  usual  Poisson  equation  in  antenna  cover  and 

chamber with semi-analytical RF sheath model. This 

is  so  called  interface  problem.  The  calculation  cost 

can be reduced for the mesh of the sheath area can be 

ignored. 

We 

have 

developed 

a 

hybridized 

discontinuous  Galerkin  method  to  deal  with  this 

interface problems [2].  

 

2.2. Semi-analytical RF sheath model 

A  unified  RF  sheath  model  for  wide  frequency 

region is proposed in this report [3]. First of all, we 

investigated  the  mathematical  property  of  this  RF 

model  by  method  of  dynamical  system.  The  phase 

space diagram reveals stability of the trajectory. Thus 

far,  the  calculation  diverged  because  the  surface  of 

the dielectric is positively charging  if large voltage 

condition  is  applied  to  the  antenna  on  numerical 

simulation.  We  found  this  phenomenon  is  not  a 

numerical  divergence  but  a  problem  in  the  physical 

model. 

 

2.3. Ion Energy Distribution Function (IEDF) and 

sputtering etch rate. 

The  ion  energy  distribution  on  the  RF  antenna 

cover can be estimated from the potential waveform. 

An  approximation  of  ion  energy  distribution  is 

described  with  convolution  integral  by  Green 

function  and  sheath  voltage  wave  form  under  the 

some simple assumption [4]. The IEDF can be gotten 

by  inverse  Fourier  transformation.  Finally,  the 

sputtering  etch  rate  distribution  is  calculated  by   

using  the  estimated  IEDF  and  sputtering  yield.  The 

calculated sputtering etch rate distribution on the RF 

antenna  cover  is  compared  with  result  of 

measurement. 

 

3. Results and Discussions 

Fig.1  shows  the  sputtering  etch  rate  distribution 

on  the  RF  antenna  cover.  The  calculated  result 

qualitatively reproduced the experimental result. The 

rate in the proposed method is relatively larger than 

the  rate  in  the  conventional  single  frequency  model 

on the power supply side (0, 0.8m). In the near future, 

we  will  perform  experiment  by  improved  design 

using simulation technique. 

 

Fig.1  sputtering  etch  rate  distribution  on  the  RF 

antenna 

cover.