On phenomena in ionized gases

Characterization of ECR produced hydrogen plasma for H

-

 generation 

 

 

P. Singh, R. Gaur, D. Sahu, R. Narayanan, A. Ganguli, R. D. Tarey 

 

 

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

 

 

Experiments have been carried out in low pressures (≤1.5 mtorr) hydrogen plasmas in a vacuum 

chamber attached to a compact electron cyclotron resonance (ECR) source. The electron 

temperature and density, measured by a Langmuir probe, are seen to fall slowly along the axis 

away from the ECR source. Using the experimental data and a global model the density of 

different positive ion species, H

+

, H

2

+

, H

3

+

 are estimated. It is found that H

3

+

 is the dominant 

species at low pressures. It also turns out electron temperature plays a pivotal role in determining 

collisional energy loss. Work is in progress to determine the optimum conditions for H

-

 

generation. 

 

 

1. Introduction  

Negative hydrogen ion (H¯) beams have great 

importance for neutral beam heating of fusion 

plasmas because they can be efficiently charge-

neutralized to form neutral beams at particle 

energies of ~ 1 MeV [1]. In order for the scheme to 

be successful it is important that one be able to 

produce high density, robust, very-large volume 

hydrogen plasma over a large cross-section so that 

the required ion current (~ 30 – 40 amps over an 

area of 1sq.m.) can be extracted. To make such a 

technology viable and sustainable, it is important to 

be able to produce the starting hydrogen plasma 

extremely efficiently in terms of power input to the 

device. Since very few studies [2] exist on the 

characterization of non-equilibrium hydrogen 

plasma at low pressures, it becomes important to 

undertake such studies. In addition, most of the 

plasma sources for H¯ production are RF based, 

whereas the present study is Electron Cyclotron 

Resonance (ECR) based.  

 

 

Fig.1 Schematic of Experimental Setup

 

2. Experimental Setup 

Experiments were performed inside a stainless 

steel cylindrical chamber (length 

≈ 75 cm, ID ≈ 50 

cm) attached coaxially to a Compact ECR Plasma 

Source (CEPS) as shown in Fig. 1 [3]. The CEPS 

has a cylindrical plasma source section (ID 

≈ 9.1 cm, 

length 

≈ 11.5 cm) with coaxially arranged NdFeB 

permanent ring magnets. Microwaves at 2.45 GHz 

are used to produce plasma inside the CEPS. The 

magnetic field of the ring magnets not only provides 

the ECR magnetic field, but also penetrates the 

larger expansion chamber into which the plasma 

diffuses, guided by the magnetic field.  

3. Results and Discussion 

Experiments were performed at 0.5mTorr-

1.5mtorr pressure and 200-1000W power. At 1mtorr 

pressure and 500W power it is found that the 

electron density (n

e

) decreases slowly along the 

chamber axis from 

≈ 4.0×10

10

 cm

-3

 (at z 

≈ 15 cm) to 

≈ 0.7×10

10

 cm

-3

 (z 

≈ 60 cm), with the corresponding 

electron temperature (T

e

) decreasing from 

≈ 6.2 eV 

to about 2.7 eV.  

 

    

 Fig.2 Variation of (a) Electron temperature and (b) 

density with axial position. Pressure 

≈

 1 mtorr and power 

≈

 500 W.

 

Taking  T

e

 as input, a global model is used to 

determine the positive ion species in the plasma. 

Although  n

e

 (Fig.2) is calculated assuming the 

positive ions are H

+

, simulation from a global model 

indicates that different ion species, H

+

, H

2

+

, H

3

+ 

are 

present and at low pressure H

3

+

 might be the 

dominant species. In that case n

e

 will be increased 

by a factor of 1.732. Further it was found out that if 

the neutral species is mostly H

2 

rather than H, the 

collisional energy loss hence the input power to the 

plasma would need to be higher. Effort is under way 

to determine the optimum conditions for H

-

 

production. Detailed results will be presented at the 

conference.  

4. References 

[1] M. Bacal and M. Wada, Appl. Phys. Rev.,  2, 

(2015) 021305. 

[2] D. Sahu and S. Bhattacharjee, J. Appl. Phys., 112, 

(2012) 063304 . 

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

25, (2016) 025026.      

Topic number 9 

258

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

 

 

Influence of dielectric barrier thickness on the reactor temperature of glass 

beads packed bed DBD reactor 

 

S.K.P.Veerapandian

P

1

, A.Nikiforov

1

, C.Leys

1

, N.De Geyter

1

, J.-M. Giraudon

2

, J.-F. Lamonier

2

 

and R.Morent

1

 

1

 Research Unit Plasma Technology, Department of Applied Physics, Faculty of Engineering and Architecture, 

Ghent University, Ghent, Belgium 

2

 

Unité de Catalyse et Chimie du Solide UCCS, UMR CNRS 8181,Université de Lille, Lille, France 

P

 

 

A  glass  beads  packed  bed  dielectric  barrier  discharge  (PBDBD)  reactor  is  used  in  this  work  to 

study the effect of wall thickness of the reactor on the evolution of the reactor wall temperature and 

on  the  formation  of  by-products  such  as  NO

x

  and  ozone.  The  temperature  of  the  reactor  wall 

increases  with  increasing  the  input  voltage.  The  formation  of  ozone  decreases  when  the  reactor 

wall temperature is 47±1˚C which results in the formation of toxic by-products such as NO

2

. The 

maximum ozone concentration is obtained for the reactor with a wall thickness of 1.5 mm, which 

shows a lower increase in temperature for a particular input power. The maximum toluene removal 

efficiency of 60±4% is obtained for the PBDBD reactor with a wall thickness of 1.5 mm. 

 

1. Introduction 

The  removal  of  low  concentration  volatile 

organic  compounds  (VOCs)  from  an  air  stream 

using non thermal plasma (NTP) technology such as 

PBDBD  reactor  is  of  great  interest  due  to  its  cost 

and  energy  efficiency.  The  temperature  of  the 

reactor  and  the  packing  material  increases  with  the 

input  voltage  and  this  influences  the  plasma 

discharge characteristics and thus the VOC removal 

efficiency and the formation of by-products. 

In  this  work,  the  influence  of  the  dielectric 

barrier  thickness  of  the  PBDBD  reactor  on  the 

reactor  wall  temperature  and  formation  of  by-

products such as ozone and NO

2

 are examined.     

2. Experimental 

The  PBDBD  reactor  used  in  this  work  is  a 

cylindrical  DBD  reactor  filled  with  borosilicate 

glass beads (φ 3 mm, ε

r

 =  4.6). The inner stainless 

steel  high  voltage  electrode  (powered  by  an  AC 

power  supply  of  50  kHz)  is  placed  along  the  axis 

and  an  iron  mesh  around  the  outer  surface  of  the 

dielectric  barrier  acts  as  ground  electrode.  The 

different  reactor  wall  thicknesses  (w)  used  in  this 

work are 1.5, 2.0 and 3.0 mm. Dry air polluted with 

300 ppm of toluene is fed into the plasma reactor. 

The  formation  of  different  by-products  after 

plasma  treatment  is  investigated  with  FTIR.  The 

concentration  of  ozone  in  the  outlet  stream  is 

measured  using  an  UV  absorption  based  ozone 

detector (Teledyne, Model 465M). The temperature 

of  the  reactor  is  measured  using  a  thermocouple 

(Farnell, Type-K) attached to the reactor wall in the 

middle of the discharge region.  

3. Results 

The  temperature  of  the  reactor  wall  increases 

with  increasing  the  input  power  for  a  particular 

reactor  wall  thickness.  Figure  1  shows  that  the 

increase  in  temperature  (ΔT)  is  the  lowest  for  the 

reactor  with  lowest  wall  thickness  (w=1.5  mm). 

Figure  1  shows  that  the  ozone  concentration 

increases  with  increase  in  specific  input  energy 

(SIE)  and  then  decreases  when  the  reactor  wall 

temperature of is higher than 47±1˚C due to thermal 

dissociation of ozone[1] and thus formation of NO

2

 

increases[2] due to ozone generation stop. 

 

Figure  1.  Ozone  production  (solid  symbol)  and 

increase  in  wall  temperature  (ΔT)  after  10  minutes 

of  plasma  ignition  (open  symbol)  as  a  function  of 

SIE  for  PBDBD  reactor  of  different  reactor  wall 

thicknesses (3.0 mm, 2.0 mm and 1.5 mm)  

Thus  the  formation  of  ozone  is  higher  for  the 

reactor  with  wall  thickness  1.5  mm  as  the  increase 

in  temperature  for  this  reactor  is  lower  for  a 

particular  input  power.  Also, the maximum toluene 

removal  efficiency  of  60±4%  is  obtained  for  the 

PBDBD reactor with the wall thickness of 1.5 mm.      

4. References 

[1]  W.  Mista  and  R.  Kacprzyk,  Catal.  Today,  137 

(2008) 345-349. 

[2] S. Pekárek, Eur. Phys. J. D, 61 (2011), 657-662. 

17 

259

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

 

 

Electronegativity and negative ion kinetics in O

2 

ICP during E-H transition 

 

Th. Wegner

1,2

, J. Meichsner

1

 

1

 

2

currently:

 

Max Planck Institute for Plasma Physics, Greifswald, Germany  

 Institute of Physics, Ernst Moritz Arndt University Greifswald, Greifswald, Germany, 

 

Important plasma species, e.g., density of electrons, negative atomic oxygen ions, singlet 

metastable and ground state molecular oxygen as well as the electron and gas temperature were 

quantified  using comprehensive plasma diagnostics. In particular, the negative ion kinetics was 

evaluated taking into account the O

-

 particle balance equation with the relevant rate constants from 

literature. During the E-H transition a continuous reduction of the electronegativity was observed 

over two orders of magnitude.   

 

1. Introduction 

Oxygen plasmas  have  been  widely  studied in 

experiment and simulation as a model system for 

electronegative plasmas. Furthermore, oxygen is 

used as reactive plasma  processing gas in low or 

atmospheric pressure discharges  to produce atomic 

oxygen and ozone as well as secondary reaction 

products in gas phase, e.g., OH,  H

2

O

2

,  NO

x

. The 

interaction of these reactive species with materials is 

applied in plasma surface processing,  e.g., surface 

oxidation/functionalisation, degradation and plasma 

etching.  Here,  we investigated experimentally 

inductively coupled radio frequency  plasmas  (RF 

ICP)  in pure oxygen at low pressure using 

comprehensive plasma diagnostics. The changing 

plasma parameters during the E-H transition were 

systematically  studied and the underlying species 

kinetics, in particular the negative ion kinetics, was 

evaluated.       

 

2. Experimental 

The  configuration of the RF ICP at  13.56 MHz 

consists of a plane double  spiral antenna  of about 

120 mm in  diameter  with 2.75 windings. The RF 

power up to 500W or coil voltage of about 8 kV was 

coupled to the centre connection,  whereas the 

ground potential was applied at the  two  opposite 

ends of the coil. The coil was installed in a quartz 

cylinder immersed in the cylindrical vacuum vessel, 

[1].  

The installed plasma diagnostics includes electric 

probe measurement, 160 GHz Gaussian beam 

microwave interferometry, emission and absorption 

spectroscopy, phase resolved optical emission 

spectroscopy (PROES)  as well as laser photo 

detachment experiment, [2, 3].  

 

3. Results 

All plasma parameters, e.g., electron density and 

temperature, reveal a continuous E-H transition for 

pressures  lower than 35 Pa. Here,  a  hybrid  (E/H) 

mode was observed, that means the capacitive and 

inductive electron heating appears simultaneously in 

the  RF  cycle.  The  negative  atomic  oxygen  ion 

density was determined by laser photo detachment 

experiment  and  the  rate equation calculation.  The 

electronegativity 

α

=n

O-

/n

e

 during the E-H transition 

decreases from about 20 in the E-mode to 0.1 in the 

H-mode, see Fig.1.  

 

Figure 1: Electronegativity vs. electron density during E-

H transition from O

- 

laser photo  detachment  experiment 

and O

-

 

rate equation calculation. 

 

The rate equation calculation for the negative atomic 

oxygen ion provides the dominant reaction channels 

for O

- 

generation and loss, respectively. These are 

for the E/H and the H mode the dissociative electron 

attachment reaction with O

2

(X) and O

2

(a

1

∆

) as well 

as  the  ion-ion recombination and the detachment 

with atomic oxygen.      

 

4. References 

[1] Th. Wegner, C. Küllig, J. Meichsner Contrib. 

Plasma Phys. 55 (2015) 728  

[2] Th. Wegner, C. Küllig, J. Meichsner, Plasma  

Sources Sci. Technol. 26 (2017) 025006 

[3] Th. Wegner, C. Küllig, J. Meichsner, Plasma  

Sources Sci. Technol.

 

26 (2017) 025007   

Topic number 9 

260

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

 

 

 

Experimental Investigation of the Asymmetric Surface Dielectric Barrier 

Discharge Driven by AC/DC Voltage  

 

F. Sohbatzadeh, H. Mahdavi, and M. Mehdipour 

Department of Atomic and Molecular Physics, Faculty of Basic Sciences, University of Mazandaran, Iran. 

 

The effects of AC and DC voltages on asymmetric surface dielectric barrier discharge were examined regarding 

to  the  offset  voltage,  surface  charge  deposition  and  induced  electric  wind  velocity.    The  surface  potential,  the 

electric  wind  velocity  and  the  produced  thrust  were  measured.  Our  results  showed  that  by  increasing  the  DC 

voltage of the lower electrode, the surface potential increases and the electric wind velocity decreases. On other 

hand, by applying the AC voltage to the upper electrode and the DC offset to the lower one, higher wind velocity 

induces.  The  direction  of  the  electric  wind  is  independent  of  the  applied  voltages,  but  its  magnitude  and  the 

surface potential depend on the amplitude and polarities of the applied voltage. 

 

1. Introduction  

The  surface  dielectric barrier discharge which is 

a  common  used  method  to  generate  atmospheric 

non-thermal plasma, was proposed for the first time 

by  Roth  et  al.  to  apply  in  flow  control  applications 

[1].  It  is  composed  of  two  asymmetric  planar 

electrodes that one of them is exposed to the air and 

the  other  one  is  encapsulated  by  a  dielectric  layer 

[2]. The generated plasma in this structure can cause 

momentum  transfer  to  the  ambient  gas.  The 

resulting  electric  wind  can  modify  the  boundary 

layer  properties.  In  this  work,  we  investigate  the 

effect of the AC and the DC offset voltages applied 

simultaneously to the lower and upper electrodes on 

the  surface  potential  and  the  induced  electric  wind 

velocity. 

2. Experimental setup and measurements  

 At  first,  a  sinusoidal  AC  high  voltage  with  20 

kV

PP

 at 5.5 kHz was applied to the upper electrode, 

while a DC offset simultaneously was applied to the 

lower  electrode.    Then  the  applied  voltages  were 

exchanged.  The  surface  potential  and  the  electric 

wind  velocity  measurements  were  carried  out  by 

using  an  electrostatic  voltmeter  probe  and  the  pitot 

tube  technique.  A  schematic  picture  of  the 

experimental setup was shown in figure 1. 

 

 

Figure  1:  schematic  picture  of  the  electrical  arrangement 

and the generated plasma. 

3. Results  

As  shown  in  figures  2  and  3,  by  increasing  DC 

offset  voltages  the  magnitudes  of  the  surface 

potential  increases  and  the  electric  wind  velocities 

decrease in downstream of the electrode.  As can be 

seen  in  figure  2,  the  electric  wind  velocity  and 

subsequently  its  extension  for  the  negative  DC 

offset  were  greater  than  the  positive  case.  The  sign 

of  the  potential  was  negative  for  the  positive  DC 

offset  and  always  positive  for  the  ground  and  the 

negative one.

 

By changing the electrode voltages the 

electric  wind  velocity  induced  by  the  negative  DC 

offset was very low with maximum value of about 2 

m/s.  This  result  was  illustrated  in  figure  3. 

Moreover, the maximum thrust was obtained for the 

ground case, which was approximately 18 mN/m. 

 

Figure 2: velocity and surface potential of the AC voltage 

applied  to  the  upper  electrode  and  positive(left)/negative 

(right) DC offset voltages to the lower one. 

 

Figure  3:  positive  DC  offset  voltage  applied to the upper 

electrode and AC voltage to the lower one. 

4. References 

[1] J. R. Roth, Phys. Plasmas 10 (2003) 2117. 

[2]  E.  Moreau,  J.  Phys.  D:  Appl.  Phys.  40(3) 

(2007) 605–636.

 

17 

261

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

 

 

Weakly ionized plasma effects on mitigation of shock waves 

F. Sohbatzadeh, M. Mehdipoor and H. Mahdavi  

 Department of Physics, Faculty of Basic Sciences, University of Mazandaran, Babolsar, Iran. 

 

In  this  work,  shock  wave  modification  by  a  DC  glow  discharge  was  investigated,  theoretically. 

Numerical results showed that the electric field distribution has significant effects on shock front.  

Also,  the  electron  temperature  and  their  diffusion  were  found  to  be  effective  parameters  on  the 

plasmaaerodynamic. It was found that the plasma can deflect the incoming flow and modifies the 

structure of shock waves. The effect of the electric field strength was also examined in this work. 

Equilibrium and non-equilibrium assumptions for the plasma were examined to demonstrate heat 

and momentum transfer contributions in supersonic flow control.  

 

1. Introduction  

Since  non-  thermal  plasmas  generated  in 

relatively  low  power  input,  therefore  they  are  the 

appropriate  discharges  for  use  in  aeronautic.  Some 

authors  believe  that  thermal  effects  [1]  and  transfer 

momentum  to  the  incident  fluid  particles  (neutrals) 

can  modify  the  flow  properties,  locally  [2].  

Therefore

,  we  will  use  a  theoretical  model  to 

examine  the  physical  mechanisms  governing  the 

plasma  flow  control  for  supersonic  incident  flow. 

W

e took a wedge geometry in which the plasma was 

created in front of the wedge by electrical discharge. 

The  cathode  electrode  and  anodes  assumed  to  be 

positioned  on  the  front  and  the  side  walls  of  the 

wedge, respectively. The DC voltage on the cathode 

was  -10  kV.  Here  we  assumed  the  electric  field 

components as 

E

X

=

E

0

1 + (aξ)

2

  

 ,

E

Y

=

ξE

0

1 + (bξ)

2

  

        (1)  

Where 

E

0

  is  electric  field  amplitude  and

 

ξ = y/L. 

Here  L  is  cathode  length  and  dimensionless 

parameters a and b are constant.  a and b are either 1 

or  0.7  depending  on  the  cathode  configuration  such 

as flatness or sharpness

.

 

2. Basic equation  

We assumed a weakly ionized plasma that produced 

by the external electric field. Also, we assumed that 

the incoming flow having Mach number M=2.5 and 

p=0.175 atm. We used momentum transfer equation 

for  electrons,  ions  and  neutrals  with  taking  into 

account of collision frequencies for electron-neutral, 

electron-ion,  and  ion-neutral  interactions.  We  also 

employed  the  energy  equation  for  each  species. 

Some of our numerical analysis are as follows:  

1-

 

Thermal effect does not play a major role in 

the weakly ionized glow discharge. 

2-

 

The  distribution  of  the  electric  field  has 

more effect on the shock front position than 

the electric field strength 

3-

 

For  higher  values  of  the  electric  field,  the 

electron temperature  has  not  any  significant 

effect on deflection angle of flow. 

4-

 

Incoming  flow  is  deflected  after  interacting 

with the plasma. 

Figure  1,  shows  the  effect  of  the  different 

electric  field  distributions  on  the  shock  wave 

angle. In figure 2, the change in attached shock 

by  electric  field  distributions  is  seen.  From 

figure 2, one can conclude that the electric filed 

distribution  affects  the  shock  properties 

significantly.  It  is  also  seen  that  the  electric 

field  strength  has  minor  effect  with  respect  to 

the field distribution.