On phenomena in ionized gases

 

3. Methods of spatial absorption measurements 

Radial density profiles of 2s and 2p- states were first 

measured by classic absorption method. Theoretical 

description of the method can be found in [2]. For 

ICP plasma source a Doppler lineshape is assumed 

and a Voigt lineshape for the main source. The 

second method was a modified line ratios method, 

proposed in [3], which allows to determine densities 

and radial profiles of absorbing atoms by solving a 

system of emission flux ratio equations. 

 

4. Results 

Profiles of excited states in argon and neon 

measured in different lines show good agreement. 

Absolute density values of 1s-states in argon are 

lower than in neon and radial profiles in neon are 

wider. Distinctions in radial profiles are related to 

differences in dependencies of ionization rates on 

the electron density. Nonlinear dependence in argon 

is much stronger than in neon. Figure 1 compares 

measured radial profiles of 2p-levels. 

 

Figure 1. 2p profiles in neon (a) at i/R=40 mA/cm and 

argon (b) at i/R =17,4 mA/cm in selected emission lines. 

 

5. References 

[1] Y. B. Golubovskii et al., Plasma Sources Sci. 

Technol. 20 (2011) 53002. 

[2] J. Loureiro, J. Amorim, Kinetics and 

spectroscopy of low temperature plasmas, Springer 

Int. Publ. (2016). 

[3] M. Schulze et al., J. Phys. D. Appl. Phys. 41 

(2008) 65206. 

Topic number 4 

267

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

 

 

Dependence of double layer potential on the properties of anode spot plasma 

 

 

Yuna Lee

P

1

, Kyoung-Jae Chung

UP

1

, Y. S. Hwang

P

1

 

 

P

1

P

 Department of Nulcear Engineering, Seoul National University, Seoul, 08826, KOREA.  

 

The anode spot is successfully utilized to plasma ion source because of its high power efficiency 

with generating high plasma density near to aperture. It is important to figure out how to control the 

anode spot size at plasma ion source so as to enhance ion beam current. In this paper, we investigate 

the relationship among the anode spot size, bias current and operating parameters such as operating 

pressure and bias voltage. We find that properties of anode spot including its size is closely correlated 

with  the  double  layer  potential  between  the  anode  and  the  ambient  plasma.  The  experimentally 

measured  anode  spot  size  show  good  agreements  with  the  estimated  one  using  particle  balance 

between the production and loss of ions inside the anode spot. 

 

1. Introduction 

An  anode  spot  plasma  is  localized  high  density 

plasma, generated in front of a small electrode biased 

positively  with  respect  to  the  plasma  potential  of 

ambient  plasma  and  distinguished  with  ambient 

plasma  by  a  potential  difference,  called  as  double 

layer. We have proposed a new approach to produce 

high ion beam current using localized characteristics 

of anode spot plasma near the extraction aperture [1]. 

Recently, we found that the anode spot plasma size 

should  be  comparable  to  bias  electrode  in  order  to 

enhance  the  ion  beam  current  with  stable  operation 

[2]. Song [3] proposed that the size of anode spot is 

proportional  to  the  reciprocal  of  pressure  and 

electron-impact ionization cross section of ionization 

potential. However, we experimentally observed that 

the  length  of  anode  spot  is  expanded  by  increasing 

the bias voltage even if operated at fixed pressure. In 

the present work, it is figured out that the relationship 

between  changes  of  anode  spot  size  and  operating 

parameters  such  as  operating  pressure  and  bias 

voltage  is  explained  in  terms  of  double  layer 

potential. 

 

2. Experimental setup 

The basic structure is the same as that used in our 

previous  work  [4].  The  ambient  plasma  (argon, 

10-100mTorr)  is  generated  by  inductive  coupling 

with fixed RF power of 150 W at the frequency of 13. 

56  MHz.  The  anode  spot  is  generated  in  front  of  a 

planar  electrode  of  6  mm  in  diameter.  A  DC  P/S 

drives the positive voltage in range of 0-100 V on the 

bias probe through a limiting resistor of 100 Ω.  An 

axially movable Langmuir probe (D : 0.1 mm, L : 2.5 

mm)  is  used  to  measure  the  plasma  properties. 

Shapes and sizes of anode spot plasmas are recorded 

by a commercial digital camera. 

 

3. Experimental Results and discussion  

Measured  plasma  properties  of  ambient  plasma 

and  anode  spot  show  that  the  anode  spot  expands 

with  decreasing  the  double  layer  potential  or 

increasing  the  operating  pressure.  Based  on  the 

experimental  result,  the  length  of  anode  spot  is 

derived  from  the  particle  balance  between  ion 

production inside the anode spot and ion loss through 

the  surface  of  anode  spot.  The  estimated  size  of 

anode spot using the particle balance is comparable 

to  the  experimentally  measured  one  which  is 

determined  by  double  layer  potential  variation  with 

increasing bias voltage. 

 

4. Conclusion 

It is confirmed that not only the operating pressure 

but also the double layer potential has an influence on 

the  determination  of  anode  spot  size.  The  present 

work is helpful to understand the relationship among 

the bias current, anode spot size and extracted beam 

current  and  also  give  an  information  about  the 

operating parameters ranges of anode spot plasma ion 

source with stable operation 

 

5. Acknowledgement 

This  work  was  supported  by  the  technology 

innovation  program  (No.  10067509)  funded  by  the 

Ministry of Trade, Industry & Energy (MI, KOREA). 

 

6. References 

[1]  Y.  J.  Kim,  D.  H.  Park,  H.  S.  Jeong  and  Y.  S. 

Hwang, Rev. Sci. Instrum. 77 (2006) 03B507.  

[2] Yuna Lee, Kyoung-Jae Chung and Y. S. Hwang, 

Cur. Appl. Phys. 15 (2015) pp.1599-1605.  

[3] B. Song, N. D. Angelo and R. L. Merlino, J. Phys. 

D: Appl. Phys. 24 (1991) 1789. 

[4]  Yeong-Shin  Park,  Yuna  Lee,  J.  J.  Dang, 

Kyoung-Jae  Chung  and  Y.  S.  Hwang,  Rev.  Sci. 

Instrum.85 (2014).02A508. 

8) 

268

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

 

 

 Effect of discharge tube temperature on the density of N(

4

S

o

) 

in a remote nitrogen plasma source 

 

M. Shimabayashi

1

, K. Kurihara

2

, and K. Sasaki

1

 

 

P

1

 Division of Quantum Science and Engineering, Hokkaido University, Sapporo 060-8628, Japan 

2

Toshiba corp. resident at Imec, Kapeldreef 75, 3001 Leuven, Belgium 

 

We investigated the characteristics of surface nitriding of 4H-SiC using a remote nitrogen plasma to 

improve the carrier mobility of a SiC-based power transistor.  Our  previous  report suggests the 

possibility of an efficient, low-damage nitriding process using the remote nitrogen plasma which 

has a high flux ratio of N

2

(A

3

Σ

u

+

)/N(

4

S

o

). In this paper, we tried to control the densities of reactive 

nitrogen species by heating  the discharge tube.  Quartz  and p-BN tubes were employed  for the 

discharge tube. We observed the increase in the N(

4

S

o

) density with the discharge tube temperature 

between 20 and 600 

o

C.  On the other hand,  the  N(

4

S

o

)  density  was roughly independent of the 

discharge tube temperature when we employed a quartz tube.  

 

1. Introduction 

The control of the flux ratio of reactive species 

supplied from a reactive plasma is of importance in 

various plasma processing technologies to optimize 

their performances. We are investigating the 

characteristics of surface nitriding of 4H-SiC using a 

remote nitrogen plasma to improve the carrier 

mobility of a  SiC-based  power transistor. In  a 

previous report,  we pointed out a  possibility of an 

efficient, low-damage nitriding process using the 

remote nitrogen plasma which have high flux ratio of 

N

2

(A

3

Σ

u

+

)/N(

4

S

o

) [1]. To realize the control of the 

flux ratio of reactive nitrogen species, we investigated 

the effect of the material of the discharge tube and its 

temperature. In this paper, we report the effect of the 

discharge tube temperature on the N(

4

S

o

) density in 

the spatial afterglow region of the remote nitrogen 

plasma. 

2. Experiment 

The nitrogen plasma was produced by attaching a 

microwave resonator on the outside of a quartz or p-

BN tube.  The  resonator was connected to a 

microwave power supply at 2.45 GHz. The 

microwave power was 100 W. The bottom side of the 

discharge  tube  was  connected to a stainless-steel 

cylindrical chamber. The gas pressure was adjusted at 

0.5 Torr by controlling the pumping speed.  We 

attached  a kanthal spiral wire  on the outside of the 

discharge tube in the region between the microwave 

resonator and the stainless-steel chamber. The 

discharge tube was heated up to 600 

o

C by applying a 

heating power to the kanthal wire. The N(

4

S

o

) density 

was measured in the spatial afterglow region by 

vacuum ultraviolet absorption spectroscopy. The 

distance between the microwave resonator and the 

measurement position was 12 and 13 cm when 

employing the quartz and p-BN tubes, respectively. 

 

3. Results and Discussion 

Figures 1(a) and 1(b) show the relationships 

between the N(

4

S

o

)  density and the discharge tube 

temperature  when we employed a quartz and p-BN 

tubes, respectively.  As shown in the Fig.  1(b),  we 

observed the increase in the N(

4

S

o

) density with the 

discharge tube temperature when we employed the p-

BN tube. On the other hand, the N(

4

S

o

) density was 

roughly independent of the temperature when we 

employed the quartz tube.  Since the N(

4

S

o

) density 

decreased with the distance from the microwave 

resonator, the result shown in Fig. 1(b) may be caused 

by the decrease in the surface loss probability of 

N(

4

S

o

)  on the surface of the p-BN tube at a high 

temperature. Another possibility is the production of 

N(

4

S

o

) in the region between the microwave resonator 

and the measurement position due to collisions 

among vibrationally excited molecular nitrogen (the 

V-V pumping-up mechanism). 

4. References 

 [1] M. Shimabayashi, K. Kurihara, and K. Sasaki, 

Jpn. J. Appl. Phys. 55 (2016) 036503.

 

Topic number 8 

Fig.1. Relationship between density of 

N(

4

S

o

)

 and 

temperature of (a) quartz and (b) p-BN tubes 

in the spatial afterglow region. 

Temperature (

o

C) 

D

en

sity

 (

m

-3

) 

(a) 

(b) 

269

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

 

 

Gas flow modifications by a kHz microsecond atmospheric pressure plasma 

jet  

 

X. Damany

1

, P. Viegas

2

, S. Dozias

1

, J-M. Pouvesle

1

, A. Bourdon

2

, E. Robert

1

  

 

1 

GREMI, UMR7344 CNRS Université d’Orléans, Orléans, France 

2

 LPP, CNRS, Ecole polytechnique, UPMC Univ Paris 06, Univ Paris-Sud, Observatoire de Paris, Université 

Paris-Saclay, Sorbonne Universités, PSL Research University, 91128 Palaiseau, France 

 

In this work we present Schlieren images of a Plasma Gun discharge fed with several helium buffer 

admixtures (pure, O

2

, N

2

). It has been demonstrated that efficient gas flow channelling is observed 

with pure helium. Such gas flow channelling is also proven to be dependent on voltage polarity and 

frequency. Analysis of the role of molecular admixtures (N

2

 or O

2

) confirms the non-thermal nature 

of  the  effect  and  the  potential  crucial  role  of  large  negative  ions.  In  order  to  get  a  better 

understanding of this effect, numerical simulations have been carried out to study the dynamics of 

formation  of  positive  and  negative  ions  in  helium  with various amounts of  N

2

  or  O

2 

admixtures. 

The influence of mixing the gases in the buffer or downstream is also studied. 

 

1. Introduction 

Atmospheric  pressure  plasma  jets  are  effective 

for biomedical applications thanks to several factors 

but  mainly  due  to  reactive  oxygen  and  nitrogen 

species (RONS). Yet, it has been shown that plasma 

jets  change  the  gas  flow,  influencing  RONS 

production  and  delivery.  Several  parameters  have 

already  been  investigated  with  pure  helium  fed 

plasma  such  as  pulse  frequency,  gas  flowrate  and 

voltage polarity [1]. Even though it sounds tempting 

to  add  O

2

  or  N

2

  to  enhance  RONS’  production,  no 

study shows how it modifies the gas flow. 

In  this  study  we  present  Schlieren  images  of  a 

Plasma  Gun  (PG)  discharge  fed  with  pure  helium 

and  then with admixture of O

2

 and N

2

. Gases were 

mixed  in  two  different  places:  before  and  after  the 

reactor.  The  collected  images  were  compared  to 

numerical  simulation  results  of  plasma  jet 

propagation  in  conditions  as  close  as  possible  to 

experiments. 

2. Experimental Setup and modelling 

PG  is  powered  by  µs  duration  voltage  pulses.  A 

conductive  grounded  metallic  plate  is  placed  2  cm 

away  from  the  glass  capillary  outlet  in  order  to 

mimic PG operation for biomedical applications. A 

classic Z-Schlieren is used to reveal rare gas density 

gradients  in  ambient  air.  The  simulations  are 

performed  with  a  2D  fluid  model  for  plasma 

propagation  with  several  He-N

2

  and  He-O

2

  gas 

mixtures using detailed kinetic schemes [2,3].  

3. Results 

In pure helium, the gas flow structure was mainly 

controlled  by  voltage  polarity  and  pulse  frequency. 

There exists a limitation in frequency depending on 

gas  flow,  for  example  500  Hz  at  0,5l/min,  below 

which  it  is  impossible  to  channel  the  gas.  With 

positive  polarity,  gas  flow  was  disturbed  above the 

target  while  with  negative  one,  a  well-defined 

channel  was  created.  This  behaviour  has  also  been 

observed  with  neon  and  argon.  Then  Schlieren 

revealed  that  adding  a  small  amount  of  O

2

  was 

enough  to  deeply  modify  gas  behaviour.  It  helped 

channelling  the  gas  to  the  target  in  a  well-defined 

way,  even  in  positive  polarity.  In  negative  polarity 

both  effects  (polarity  and  addition  of  O

2

)  were 

working together, as an even smaller amount of O

2

 

was enough to channel the gas. Moreover, the more 

O

2

  was  added,  the  lower  was  the  limitation  of 

frequency.  Hence  a  100Hz-powered  plasma 

managed  to  channel  the  gas  thanks  to  a  2%-O

2 

addition. It has to be noted that if mixing helium and 

O

2

 in negative polarity is very effective, a too large 

amount of O

2

 prevents plasma ignition. Nevertheless 

no difference with pure helium was observed when 

N

2

  was  mixed  with  helium.  When  O

2

  was  added 

downstream  the  reactor,  the  same  behaviours  have 

been  observed  even  if  the  channelling  was  more 

effective  with  a  mixture  added  upstream.  The 

simulation  results  show  the  formation  of  positive 

and  negative  ions  in  several

 

He-N

2

  and  He-O

2

  gas 

mixtures,  adding  the  admixtures  in  the  buffer  or 

downstream.  

4. Acknowledgments 

X.D.  is  supported  by  Inel  Thermofisher 

Scientific/Centre Val de Loire PhD fellowship. 

5. References 

[1]  E.  Robert  et  al.,  Plasma  Sources  Sci.  Technol., 

vol. 23 1 (2014) 12003  

[2] A. Bourdon et al., Plasma Sources Sci. Technol. 

25 (2016) 035002 

[3]  D.-X.  Liu  et  al.,  Plasma  Process.  Polym.  7 

(2010) 846 

         17 

270

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

 

 

Atomic scale study of Al clustering and particle growth  

 

 

N. Ning

1

 and S. Khrapak

1

  

 

P

1

P

Aix-Marseille University, CNRS, PIIM, 13390, Marseille, France

 

 

Recent years, aluminium nanoparticles has attracted many attentions for a variety of applications, 

such as propellant [1], high capacity hydrogen storage materials [2], nanocomposite materials [3], 

and  biomolecules  detection  [4].  The  nanoparticle  dimensions  can  be  an  important  factor  for  a 

given application as the mechanical and electrical properties of a material is particle size related. 

While the real-time growing process is normally difficult to be observed directly, theoretical study 

becomes essential to provide a better understanding  of particle growth kinetics and mechanisms. 

We are investigating Al clustering and Al particle formation by using Molecular Dynamic (MD) 

simulation  based  on  empirical  potential.  Trajectory  calculations  were  performed  to  predict  rate 

constant  of  association  reactions  of  Al  clusters.  We  will  also  discuss  the  important  parameters 

(such as temperature, cluster size, etc) which effect on reaction kinetics. 

 

 

 

Figure 1. Visualization of geometry optimized aluminium 

clusters. It demonstrates global minimum configurations 

of involved Al clusters in this study. 

 

 

1. References 

[1]  J.J.  Granier,  M.L.  Pantoya,  Combust.  Flame 

138 (2004) 373. 

[2] P. J. Roach et al., Science 323 (2009) 492. 

[3]  O.  Polonskyi  et  al.,  J.  Mat.  Sci.  49  (2014) 

3352. 

[4]  M.H.  Chowdhury  et  al.,  Anal.  Chem.  81 

(2009) 1397.  

5 

271

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

 

 

Computer simulation of ion stopping in a dense plasma  

by the Monte Carlo method 

 

S.K. Kodanova 

1

, T.S. Ramazanov

 1

, M.K. Issanova 

1

, E.E. Shokparbayeva 

1

, S.A. Maiorov 

2

 

 

1

IETP, Al-Farabi Kazakh National University, Almaty, Kazakhstan 

2

A.M. Prokhorov General Physics Institute, Moscow, Russia 

 

In  this  work,  the  Monte  Carlo  method  was  used  to  simulate ion trajectories in a dense plasma of 

inertial confinement fusion. The results of computer simulation are numerical data on the dynamic 

characteristics, such as energy loss, penetration depth, the effective range of particles, stopping and 

straggling. By the results of the work the program of 3D visualization of ion trajectories in a dense 

plasma of inertial confinement fusion was developed. 

 

Recently,  a  large  number  of  theoretical  and 

experimental  studies  of  the  physical  processes  that 

determine the construction of a thermonuclear target 

and  the  required  parameters  of  a  future  driver 

carried  out  [1-2].  The  calculation  of  thermonuclear 

target  parameters  for  heavy  ion  inertial  fusion 

requires  adequate  quantitative  description  of  heavy 

ion  interaction  with  the  dense  plasma  in  a  wide 

range of parameters. Therefore, in order to know the 

properties  of  the  dense  plasma  under  different 

conditions,  the  most  attractive  way  is  a  computer 

experiment.  Computer  simulation  can  answer  many 

important  questions,  which  are  to  be  known  to  use 

the dense plasma. 

Nowadays,  there  are  various  programs  which 

allow us to carry out simulation of ion implantation 

process  in  solids  without  experiments.  Simulation 

has  some  error  and  is  not  able  to  fully  replace  real 

experiments,  but  its  results  provide  invaluable 

assistance  in  future  research.  The  best-known 

programs are the SRIM (The Stopping and Range of 

Ions in Matter) [3]  and Geant4 [4]. 

The  main  energy  contribution  of  heavy  ion 

beams  in  different  types  of  fusion  targets  occurs  in 

dense 

high-temperature 

plasma. 

Therefore, 

knowledge of free paths and energy input profiles of 

fast  and  heavy  charged  particles  in  the  plasma  will 

help  to  determine  the  characteristics  of  the 

thermonuclear target most precisely. 

In this work, the Monte Carlo method is used for 

simulation  of  ion  trajectories  in  a  dense  plasma  of 

inertial  confinement  fusion.  The  main  advantage  of 

calculations by the Monte Carlo method is that they 

allows  us  to  take  into  account  any physical process 

directly,  for  example,  local  and  non-local  inelastic 

energy  losses,  binding  energy  between  atoms, 

replacing  collision,  etc.  Moreover,  it  is  possible  to 

obtain accurate solutions for multi-target and multi-

layered  complex  geometry,  which  allows  us  to 

simulate  actual  interactions  with  the  plasma  ion 

beam.  The  paper considers the interaction of xenon 

ions  in  copper  and  beryllium,  and  iron  ions  in  the 

mixture  of  deuterium,  tritium  and  hydrogen  at 

different energies. 

The results of computer simulation are numerical 

data  on  the  dynamic  characteristics,  such  as  energy 

loss,  penetration  depth,  the  effective  range  of 

particles,  stopping  and  straggling.  By  the  results  of 

the  work  the  program  of  3D  visualization  of  ion 

trajectories  in  a  dense  plasma  of  inertial 

confinement fusion was developed. 

 

 

Fig. 1. The trajectories of the xenon ions in the copper: 

a) with an initial energy of  keV

5

,

 b) 

keV

15

, c) 

eV

k

30

. 

Figure shows the stopping range of the xenon ions 

depending on the energy in copper.