On phenomena in ionized gases

3. Results 

EFs in several situations have been investigated. 

In each one, EF measured by the spectroscopy in the 

plasma was compared with the one obtained thanks 

to  the  probe  placed  next  to  the  capillary  or  the 

plume.  If  the  plasma  is  powered  with  positive 

polarity  voltage,  both  methods  give  results  with  a 

good agreement. For example, the transient EF was 

measured  in  the  plume  with  a  metallic  grounded 

target 1cm away from the end of the capillary. The 

value  given  by  the  spectroscopy  in  the  plasma  was 

compared  with  the  one  obtained  with  the  probe, 

placed  5mm  away  from  the  axis  of  the  tube.  Both 

methods gave a value around 10kV.cm

-1

 

Nevertheless, EF with a negative polarity voltage 

is not as easy to evaluate. Spectroscopy shows that 

the EF is weaker than with positive polarity voltage: 

5kV.cm

-1

  instead  of  9  for  positive  polarity  in  the 

same  other  conditions  at  the  end  of  the  capillary. 

Yet, electro-optic sensor finds comparable values of 

EF,  around  10kV.cm

-1

  for  both  polarities  near  the 

end of the capillary. 

4. Acknowledgments 

This work was supported by the bilateral project 

PHD  Pavle  Savic  2016  (no  36216UA).  X.D. 

acknowledges  his  grant  funding  Thermofisher 

Scientific INEL/Région Centre Val de Loire.  

5. References 

[1] E. Robert et al., Phys. Plasmas, 22 (2015) 

122007. 

[2] G. Gaborit et al., IEEE Trans. Plasma Sci., 42 

(2014) 1265. 

[3] G. Sretenović et al.. Phys. D. Appl. Phys., 47 

(2014) 102001. 

         6 

276

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

 

 

Atmospheric pressure plasma assisted preparation 

of ceramic submicron fibers  

 

V. Medvecká

P

1

P

, 

U

A. Zahoranová

UP

1

P

, D. Kováčik

1,

P

2

P

, M. Černák

P

1,2

P

 

 

P

1

P

 Department of Experimental Physics, Faculty of Mathematics, Physics and Informatics, Comenius University 

Mlynská dolina F2, 842 48 Bratislava, Slovakia  

P

2

P

 CEPLANT, Department of Physical Electronics, Faculty of Science, Masaryk University 

Kotlářská 2, 611 37 Brno, Czech Republic

 

 

Atmospheric  pressure  plasma  generated  in  ambient  air  by  Diffuse  Coplanar  Surface  Barrier 

Discharge  was  used  as  an  alternative  to  the  conventional  thermal  sintering  for  the  oxidation  and 

removal  of  polymer  matrix  by  the  preparation  of  zinc  oxide  submicron  fibers  from 

polymer/precursor  fibers.  Morphology  of  fibers  was  observed  by  Scanning  Electron  Microscopy 

(SEM). Efficiency of removal of organics was studied by Energy-Dispersive X-Ray Spectroscopy 

(EDX).  Changes  in  chemical  bonds  were  investigated  using  Fourier  Transform  Infrared 

Spectroscopy  (FTIR).

 

Significant  decrease  of  organics  was  detected  and  high  porosity  of  fibers 

was observed after plasma exposure time in the order of minutes. 

 

1. Introduction 

Zinc  oxide  (ZnO)  nanofibers,  due  to  the  unique 

electrical  and  optical  properties,  have  attracted 

attention  for  applications  in  solar  cells,  gas  and 

biosensors,  transparent  conductors,  etc.  [1].  Most 

common technique for preparation of  ZnO fibers in 

submicron 

scale 

is 

thermal 

calcination 

of 

polymer/precursor  fibers  [2].  Due  to  the  high 

temperature  approach  and  long  treatment  times, 

conventional  thermal  calcination  is  economically 

and energetically demanding process. 

Plasma assisted calcination (PAC) is a novel low 

temperature  process  of  oxidation  and  removal  of 

base  polymer  by  non-thermal  plasma  [3,4].  In  this 

work, special type of dielectric barrier discharge, so 

called  Diffuse  Coplanar  Surface  Barrier  Discharge 

(DCSBD)  [5,6],  was  used  for  PAC  of  polyvinyl 

alcohol/zinc  acetate(PVA/Zn(O

2

CCH

3

)

2

)  submicron 

fibers in ambient air. 

 

2. Results and discussion 

ATR-FTIR  was  used  for  characterization  of 

specific  chemical  groups  in  the  composite  material 

before  and  after  plasma  treatment.  Reduction  of  all 

major  peaks  related  to  PVA  and  zinc  acetate 

indicate  decomposition  of  the  organic  part  of 

composite fibers. 

The  surface  of  fibers  observed  by  SEM  became 

after plasma calcination rough due to the removal of 

organics.  Higher  porosity  of  fibers  can  be 

advantageous  in  the  application  requiring  high 

specific surface. However, DCSBD plasma does not 

cause breaking of fibers. 

EDX measurements show decrease of carbon and 

increase  of  oxygen  and  zinc  content.  After  60 

minutes  of  plasma  treatment  the  atomic  ratio  of 

C/Zn  decreased  from  32.7  to  4.3  and  O/Zn 

decreased  from  18.0  to  6.1.  Decrease  of  C/Zn 

atomic  ratio  indicates  a  very  strong  decline  already 

in the first minutes.  

 

3. Conclusion 

The  presented  results  show  availability  of 

DCSBD-based atmospheric pressure plasma assisted 

calcination  for  preparation  of  inorganic  submicron 

fibers.  The  low  temperature  approach  and  short 

treatment time of process are very attractive as pre-

treatment  method  or  alternative  to  conventional 

thermal calcination. 

 

Acknowledgement: This project has received funding 

from  the  European  Union's  Horizon  2020  research  and 

innovation programme under grant agreement No 692335. 

 

4. References 

[1]  Z.  L. Wang, J. Phys. Condens. Matter  16, (2004), 

R829. 

[2]  J.-A.  Park,  J.  Moon,  S.-J.  Lee,  S.-C.  Lim,  and  T. 

Zyung, Curr. Appl. Phys. 9, (2009), S210. 

[3]  P.  Baroch,  J.  Hieda,  N.  Saito,  and O. Takai, Thin 

Solid Films 515, (2007), 4905. 

[4]  H.  Wang,  H.  Tang,  J.  He,  and  Q.  Wang,  Mater. 

Res. Bull. 44, (2009), 1676. 

[5]  M.  Černák,  L.  Černáková,  I.  Hudec,  D.  Kováčik, 

and A. Zahoranová, Eur. Phys. J. Appl. Phys. 47, (2009). 

[6]  V.  Medvecká,  D.  Kováčik,  A.  Zahoranová,  M. 

Stupavská, and M. Černák, Mater. Lett. 162, (2016), 79.

 

 

Topic number 14 

277

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

 

 

Plasma vs combustion in analytical chemistry: comparing the kinetics of 

DBD plasma and flame-based atomizers  

 

A. Obrusnik

P

1

, M. Mrkvičková

UP

1

P

, M. Talába

P

1

P

, J. Kratzer

2

, P. Dvořák

1

, J. Dědina

P

2

P,

 

 

P

1

P

 Department of Physical Electronics at Faculty of Science, Masaryk University, Brno, Czechia 

P

2

P

 Institute of Analytical Chemistry of the CAS, v. v. i, Brno, Czechia 

 

In this contribution, we discuss the reaction kinetics in so-called atomizers, i.e. devices which are 

used in analytical chemistry to convert molecules of hydride forming elements to free atoms being 

subsequently  detected  by  atomic  absorption  or  fluorescence  spectroscopy.  It  is  known  that  the 

atomic hydrogen plays a key role during this process of volatile metal hydrides atomization, and it 

is  produced  in  conventional  atomizers  by  oxyhydrogen  combustion.  A logical  alternative  to  the 

combustion-based atomizers is the DBD plasma, in which the energetic electrons can dissociate the 

hydrogen molecules directly. We compare the atomic hydrogen production and loss channels in the 

two respective devices with the help of  validated numerical models. We also illustrate the role of 

advection on the chemistry and atomic hydrogen retaining.  

 

We  have  previously  developed  a  numerical 

model  which  combined  a  model  of  the  background 

gas  dynamics  in  full  3D  coupled  to  a  0D  kinetics 

model [1]  and  was  implemented  in  COMSOL 

Multiphysics finite-element method package. 

 

 

 

Figure  1:  Benchmarking  the  model  with  TALIF 

measurements  of  atomic  hydrogen  density  for  different 

oxygen admixtures to the plasma. 

 

The  gas  flow  model  solves  the  incompressible 

Navier-Stokes  equation  for  the  mixture  of  argon, 

hydrogen  and  oxygen,  and  includes  diffusion  of 

ambient air into the atomizer (which was, however, 

previously  found  to  be  negligible  compared  to  the 

impurity of the laboratory gases). By integrating the 

velocity obtained from the gas dynamics model, we 

obtain  information  about  spatially  resolved  gas 

residence  time  inside  the  atomizer  which  allows  us 

to  map  the  0D  kinetic  model  onto  the  3D  gas  flow 

model,  on  the  assumption  of  neglecting  cross-

streamline diffusion. 

When  the  model  is  correlated  with  TALIF 

measurements  (see  figure  1),  reasonable  agreement 

is  obtained,  though  it  becomes  apparent  at  some 

conditions  [1],  that  the  assumption  of  negligible 

cross-streamline  diffusion  is  limiting  and  the 

transport  of  reactive  species  in  this  atmospheric-

pressure  plasma  is  both  advection-driven  and 

diffusion-driven.  For  this  reason,  we  have  begun 

developing  a  model  which  solves  the  gas  flow  and 

kinetics  in  full  3D  geometry  and  is  implemented  in 

the OpenFOAM finite-volume method library which 

will  also  be  presented  and  compared  to  the  simpler 

model.

 

 

References 

[1]  P.  Dvořák  et  al.  Concentration  of  atomic 

hydrogen in a dielectric barrier discharge measured 

by  two-photon  absorption  fluorescence.  Plasma 

Sources Sci. Technol. under review 

 

Acknowledgements 

This  work  was  supported  by  Czech  Science  Foundation 

(P206/17-04329S),  Institute  of  Analytical  Chemistry  of 

the  CAS,  v.  v.  i.  (project  no.  RVO:  68081715)  and  by 

project  LO1411  (NPU I)  funded  by  Ministry  of 

Education, Youth and Sports of Czech Republic. AO is a 

Brno  PhD  Talent  scholarship  holder  –  funded  by  Brno 

municipality. 

Topic number 5 

278

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

 

 

Effect of the magnetic field on formation of Cu nanoparticles during the 

magnetron sputtering in a gas aggregation source  

 

M. Vaidulych

1

, 

J

J. Hanuš

1

, S. Kadlec

2

, A. Marek

2

, I. Khalakhan

1

, O. Kylián

1

, A. Choukourov

1

, 

H. Biederman

1

. 

 

1

 Department of Macromolecular Physics, Faculty of Mathematics and Physics, Charles University, Prague, 

Czech Republic 

2

 HVM Plasma Ltd., Prague, Czech Republic 

 

In  this  study,  the  impact  of  the  adjustable  magnetic  field  on  the  formation  of  Cu  nanoparticles 

(NPs) in the Gas Aggregation Source (GAS) of nanoparticles was investigated.  It was found that 

the deposition rate of NPs passed through a maximum when decreasing the magnetic field from 83 

mT down to 30 mT. The change in the deposition rate was furthermore accompanied by alteration 

of the size distribution and the shape of produced NPs. Spherical NPs with the size of 26±1 nm as 

well as cubic NPs with the size of up to 150 nm were successfully prepared.  

 

1. Introduction 

Over  the  last  few  decades,  there  was  an 

increasing interest in efficient and wet chemical-free 

preparation  of  metal  NPs  by  means  of  gas 

aggregation  sources.  Gas  pressure  and  flow  as  well 

as  magnetron current  were recognized to be crucial 

parameters for tuning the structure, size distribution 

and  yield  of  produced  NPs.  An  impressive  number 

of  metallic  nanoparticles  (Ag,  Cu,  Ti  etc.)  were 

studied in terms of the influence of these parameters. 

Nevertheless, energetic conditions of the plasma can 

be also affected by the intensity of the magnetic field 

above  the  magnetron  target,  a  parameter  which  has 

been  given  much  less  attention.  Vernieres  and  co-

authors  studied  the  impact  of  the  magnetic  field 

(adjusted  by  thickness  of  the  magnetron  target)  on 

the  efficiency  of  the  deposition  of  Fe  NPs  [1].  In 

their  research,  the  intensity  changed  together  with 

the  shape  of  the  magnetic  field.  In  our  work,  we 

demonstrate an approach that conserves the shape of 

the  magnetic  field  and  thus  allows  studying  the 

formation  of  Cu  NPs  solely  by  changing  the  field 

intensity. 

 

2. Experimental 

Cu NPs were deposited by means of a Haberland 

type GAS. The GAS was equipped with a specially 

constructed  81  mm  planar  magnetron  that  enabled 

the  adjustment of the magnetic  induction above the 

target  from 30 mT to 83 mT. Variation of the field 

was  performed  manualy  by  changing  the  distance 

between the magnetic circuit and the target surface. 

A  special  circuit  of  permanent  magnets  was 

designed    to  provide  the  invariable  shape  of  the 

magnetic field with different intesity. 

 

 

 

3. Results 

It was found that the deposition rate of Cu NPs, 

their  size  and  shape  can  be  indeed  tailored  by  the 

intensity of the magnetic field. This is demonstrated 

for  two  selected  values  of magnetic  field  in  Fig.  1, 

where are presented 3D maps of the deposition rate 

in dependence on pressure and magnetron power for 

a given magnetic field together with SEM images of 

produced  NPs.  As  can  be  seen  either  spherical  or 

bigger cubic NPs may be produced depending on the 

magnetic field.  

 

Fig.  1.  Dependence  of  the  deposition  rate  of  Cu  NPs  on 

pressure and power  with magnetic field of: a) 83 mT; b) 

53 mT and examples of SEM images of produced NPs. 

 

Acknowledgements 

The  work  was  supported  by  the  grant  SVV– 

2017–260444 

 

4. References 

[1]  J.  Vernieres,  S.  Steinhauer,  J.  Zhao  and  A. 

Chapelle et al., Adv. Funct. Mater. (2017) 1605328 

 

 

18 

279

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

 

 

 Study of chemical modifications induced by an APPJ 

on an ultra-pure water target 

 

C. Muja 

1

, L. Invernizzi

1

, F. P. Sainct

1

 and Ph. Guillot

1

 

 

1

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

 

Place de Verdun 81012 Albi, France 

 

Due  to  the  increased  oxidizing  capacities  of  non-thermal  plasmas,  they  are  good  candidates  for 

wastewater  chemical  decontamination.  The  aim  of  this  work  was  to  assess  the  chemical  changes 

produced  by  the  exposure  of  a  liquid  to  a  plasma  jet  and  to  evaluate  its  capacity  to  decompose 

complex molecules such as pharmaceuticals. An asymmetric atmospheric pressure plasma jet was 

used  to  treat  liquid  samples  and  several  colorimetric  methods  were  used  to  assess  the 

concentrations  of  nitrite,  nitrate,  ozone  and  hydrogen  peroxide.  Finally,  samples  containing 

acetaminophen  (paracetamol)  were  exposed  to  the  plasma  jet  and  the  concentrations  following 

exposure were measured. 

 

1. Introduction 

In 

the 

last 

decades, 

the 

behaviour 

of 

pharmaceuticals  in  water  cycle,  raised  concerns  in 

both  scientific  and  public  media  [1].  These 

molecules  generally  enter  environment  though 

wastewater,  where  can  have  negative  effects on the 

ecosystem. Due to the increased oxidation capacity, 

non-thermal  plasmas  can  potentially  be  used  as 

oxidation  agent  for  the  treatment  of  polluted 

wastewater.  The  aim  of  this  work  was  to 

characterize  the  chemical  changes  taking  place 

inside  the  liquid  exposed  to  plasma,  with  a  special 

interest  on  reactive  species  generation.  Finally,  the 

capacity of the plasma jet to degrade pharmaceutical 

products was estimated using as model molecule the 

acetaminophen. 

 

2. Material and methods 

The experimental setup consists of an asymmetric 

plasma  jet  with  the  grounded  electrode  located  on 

upper  large  area  of  the  tube  and  the  high  voltage 

electrode  on  the  narrow  zone  of  the  source.  The 

discharge was initiated in a Helium-Oxygen mixture 

(0.2%  O

2

)  at  a  flow  of  2  l.min

-1

.  The  high  voltage 

power  supply connected to the electrode provides a 

6 kV voltage pulse at a frequency of 20 kHz.  

The  plasma  jet  is  studied  in  contact  with  a  liquid 

surface  (Milli-Q  water).  Colorimetric  assays  were 

used  to  determine  the  concentrations  of  nitrate, 

nitrite,  ozone  and  hydrogen  peroxide  in  the  liquid 

phase.  

In  order  to  assess  the  plasma  jet  capacity  to 

remove  complex  molecules  from  water,  several 

acetaminophen  solutions  were  exposed  to  plasma. 

Following 

the 

exposure, 

the 

acetaminophen 

concentration  was  then  measured  using  the  Glynn 

and Kendal colorimetric method [2,3]. 

3. Results  

Figure  1  shows  the  nitrite  concentration  as  a 

function of the time of exposition to the plasma jet, 

for  various  pulse  lengths.  For  treatment  durations 

ranging from 0 to 5 minutes, the nitrite production is 

linear  for  all  the  pulse  lengths  tested.  In  the  same 

time, for pulse lengths ranging from 0.5 µs to 1.5 µs 

the nitrite production increases with the pulse length 

but remains stable for 1.5 µs - 2,5 µs pulse lengths.  

 

 

Fig. 1. Nitrite concentration in plasma treated water. 

 

These results as well as the results concerning the 

other  reactive  species  will  be  used  to  discuss  the 

interaction of the plasma jet with the liquid, and the 

possible  mechanisms  that  leads  to  the  removal  of 

complex molecules from water. 

 

4. References 

[1]  Fent,  K.,  et  al.  Aquatic  toxicology, 

(2006).76(2) 

[2] Glynn, J.P., Kendal, S.E. The Lancet (1975). 

[3]  Shihana,  F.,  Dissanayake,  D.M.,  Dargan,  P.I., 

Dawson,  A.H.  Clin  Toxicol  (Phila)  2010  48(1)  42-

46. 

Topic number 17 

280

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

 

 

Numerical modelling of high-pressure arc discharges: 

computing anode heating voltage  

 

N. A. Almeida, M. D. Cunha, and M. S. Benilov 

 

P

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

P

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

 

Two  simple  approaches  to  simulation  of  plasma-electrode  interaction  in  high-pressure  arc 

discharges are available in the literature: the so-called model of nonlinear surface heating, which is 

applicable  for  cathodes,  and  an  approximate  model  based  on  the  concept  of  electrode  heating 

voltage,  applicable  for  anodes.  In  this  work,  the  anode  heating  voltage  is  computed  for  three 

plasma-producing  gases  (Ar,  Xe,  and  Hg)  in  a  wide  range  of  plasma  pressures,  anode  surface 

temperatures,  and  current  densities.  The  results  can  be  used  for  modelling  the  plasma-anode 

interaction  in  a  wide  range  of  conditions  of  high-pressure  arc  discharges.  As  an  example, 

modelling is reported of interaction of arc plasmas with rod electrodes in both dc and ac arcs. 

 

1. Anode heating voltage 

It  is  known  from  the  experiment  that  the  power 

input Q from the plasma to anodes of high-pressure 

arc  discharges  is  proportional  to  the  arc  current  I:    

Q  =  U

h

 

I,  where  the  proportionality  coefficient  U

h

 

(the  anode  heating  voltage)  may  depend  on  the 

plasma-producing gas, its pressure, and the electrode 

material.  For  example,  results  of  experiments  with 

tungsten rod electrodes of different dimensions in an 

arc in argon at pressure of 2.6 bar are well described 

by this relation with U

h

 = 6.24 V [1]. 

The  anode  heating  voltage  may  be  theoretically 

evaluated  by  means  of  a  suitable  1D  numerical 

model of near-anode layers in thermal plasmas; e.g., 

[2,  3].  A  few  results  have  been  calculated  for 

conditions typical of UHP lamps: xenon or mercury 

plasmas  at  very  high  pressures  (of  the  order  of  100 

bar)  [2].  In  this  work,  the  anode  heating  voltage  is 

calculated  for  a  wide  range  of  conditions:  the 

plasma-producing gas is Ar, or Xe, or Hg; the anode 

material is tungsten (the work function 4.55 eV); the 

plasma  pressure  is  atmospheric,  p  =  1  bar,  or  very 

high, p = 100 bar; the temperature of the anode T

w

 = 

300, 1000, 3000 K for the atmospheric pressure and 

T

w

 = 1500, 2500, 3500 K for p = 100 bar; the current 

density varies in the range j = 10

5

-10

7

 A m

-2

.  

Calculations  have  been  performed  by  means  of 

the code [2] and another code, in which the original 

equations 

are 

solved 

without 

preliminary 

transformations.  An  example  of  results  is  shown  in 

Fig. 1. The density q of energy flux from the plasma 

to  the  anode  is  governed  primarily  by  the  local 

current  density  j  and  varies  approximately 

proportionally  to  j:  q  =  U

h 

j.  The  computed  anode 

heating  voltage  U

h

  is  virtually  independent  of  the 

anode temperature and close to 6 V for all the three 

gases for p = 1 bar. For p = 100 bar, U

h

 is close to 7 

V for Ar, 6 V for Xe, and 9 V for Hg.  

 

U

h

 = 6 V

T

w

 = 300 K

T

w

 = 1000 K

T

w

 = 3000 K

0

2

4

6

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

q (10

7

 W/m

2

)

j (10

7

 A/m

2

)

 

Fig.  1.  Points:  modelling,  p  =  1  bar,  Ar.  Line:  q  =  U

h 

j 

with U

h

 = 6 V.