On phenomena in ionized gases

 

 

 

 

 

 

electron beams. Lastly, at low pressures the electron 

mean free path is frequently larger than the gap size. 

In this case, beam electrons can traverse through the 

discharge without hardly any collisions and interact 

with the opposing sheath (e.g. energetic electrons hit 

the  sheath  collapse,  overcome  the  sheath  potential 

and  lose  their  energy  at  the  wall).  Especially  the 

latter  mechanism  can  lead  to  an  inefficient 

confinement  of  energetic  electrons,  which  strongly 

influences  the  discharge  parameters  (e.g.  plasma 

density  and  ion  flux).  In  order  to  obtain  a  better 

control  of  these  mechanisms,  different  parameter 

variations  (driving  frequency,  driving  voltage,  gap 

size, gas pressure) are studied. 

8 

Fig.1: Ionization rate within one RF period. The 

white  lines  represent  the  sheath  edges.  The 

driving frequency is 27.12 MHz and the driving 

voltage  is  700  V.  The  powered/grounded 

electrode is at r = 20/45 mm.  

286

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

 

 

Self-consistent modelling of spot patterns on anodes of DC glow discharges 

 

M. S. Bieniek, P. G. C. Almeida, 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, Portugal 

 

 

Self-organized patterns  of spots  on a  flat  metallic  anode  in  a  cylindrical  glow discharge tube are computed. A 

standard  model  of  glow  discharges  is  used,  which  comprises  conservation  and  transport  equations  of  ion  and 

electron  species,  written  with  the  use  of  the  drift-diffusion  and  local-field  approximation,  and  the  Poisson 

equation. The computation domain is the near-anode region, separating the anode and the cylindrical discharge 

column. Multiple solutions, existing for the same value of discharge current and describing modes with different 

configurations of anode spots, and none at all, are computed in a wide range of currents by means of a stationary 

solver. At low currents the spots exhibit unusual forms with localized field and anode current density reversal.

 

 

1. Introduction 

Beautiful  regular  patterns  of  bright  spots  on 

anodes  of  DC  glow  discharges  have  been  observed 

for  many  decades;  see  references  in  [1].  Recently, 

such  patterns  were  shown  to  be  potentially  useful 

for the treatment of cancer [2]. 2D spot patterns on 

glow  anodes  have  been  computed  in  [3],  although 

not  for  a  wide  range  of  currents  and  apparently 

without  a  proper  description  of  the  discharge 

column.  

Recently,  self-organized  spots  and  patterns  on 

cathodes of arc and DC glow discharges have been 

described  and  systematically  computed  in  terms  of 

multiple  steady-state  solutions,  which  exist  for  the 

same  values  of  the  discharge  current  and  describe 

modes associated with different spot patterns [1]. In 

this  work,  multiple  solutions  describing  different 

modes have been for the first time computed for the 

case of an anode of a DC glow discharge.  

 

2. Model and numerics 

The  reported  results  refer  to  a  helium  discharge 

under  the  pressure  of  5  Torr,  in  a  1  mm-diameter 

cylindrical tube. The numerical model was the same 

as  in  [4].  Boundary  conditions  used  for  a  metallic 

anode and a dielectric lateral wall were conventional 

ones.  The  height  of  the  computation domain was  5 

mm,  which  proved  to  be  sufficient  for  an  axially 

uniform  column  to  be  formed  in  a  wide  range  of 

currents.  The  boundary  conditions  on  the  column 

side  are  zero  normal  derivatives  of  the  charged 

particles  densities  and  a  constant  value  of  axial 

electric  field,  related  to  the  discharge  current  (a 

specified  parameter).  Axially  symmetric  and  3D 

solutions  were  computed  by  means  of  the  Plasma 

module  of  COMSOL  Multiphysics,  employed  in  a 

nonstandard  way  permitting  the  use  of  a  stationary 

solver. 

 

3. Results 

    As  an  example,  Figure  1  shows  electron  densty 

distribution  on the anode. A regualr ring of spots is 

formed,  similar  to  what  was  observed  in  the 

experiments (references in [1]).  

 

Fig. 1. Electron density on the anode. 0.01 A.  

 

The  modelling  results  differ  from  what  is  known 

from the theory and modelling of multiple modes on 

cathodes  of  arc  and  dc  discharges:  no  pronounced 

N-shaped  current  voltage  characteristic  and  no 

bifurcations have been observed; the spots assume a 

“mini-cathode” structure at low currents.  

 

3. Acknowledgements 

The  work  was  supported  by  FCT  of  Portugal 

through the project Pest-OE/UID/FIS/50010/2013. 

 

4. References 

[1] M. S. Benilov, Plasma Sources Sci. Technol. 

(2014), 23 054019. 

[2]   Z. Chen et. al., arXiv:1701.01655, (2017). 

[3]  R.  S.  Islamov,  Phys.  Rev.  E  (2001) 64, 

046405. 

[4]

 

P.  G.  C.  Almeida  and  M.  S.  Benilov,  Phys. 

Plasmas. (2013), 20 101613.

 

287

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

 

 

Rise time of Sabatier process  

using low pressure and low temperature plasma 

 

Susumu Toko

PP

, Satoshi Tanida

P

, Kazunori Koga, Masaharu Shiratani

P

 

 

P

Department of electronics, Kyushu University, Fukuoka, Japan 

 

For reducing the loaded mass in rocket towards Mars, propellant production on Mars has attracted 

attention. Catalytic methanation of CO

2

 is one way of production of the rocket propellant on Mars. 

Considering Mars environment of low temperature and low pressure, plasma process is superior to 

catalyst in the propellant production. Here, we carry out methanation of CO

2

 using low pressure and 

low temperature plasma, and investigated dependence of rise time of CH

4

 yield on H

2

 flow rate. 

Based on the experimental results and rate equations, we discuss the methanation mechanism and 

deduce some key rate coefficients. 

 

1. Introduction 

Loaded  propellant  mass  is  important  issue  in 

planetary mission, because propellant mass accounts 

for 80% of total rocket mass.  When return flights are 

required,  loaded  mass  requirements  are  even  more 

critical.  Recently,  in  situ  propellant  production  on 

Mars  has  attracted  attention  for  returning  journey 

from  Mars  to  Earth.  The  Sabatier  reaction  is 

hydrogenation of CO

2 

to

 

CH

4

.  

CO

2

+4H

2

→

CH

4

+2H

2

O, 

Δ

H = −165.0 kJ/mol. (1) 

CO

2

  is  the  dominant  species  in  the  atmosphere  of 

Mars. H

2

O could be electrolyzed to provide H

2

 and 

O

2

, with the O

2

 acting as the oxidant for the rocket 

propellant and the H

2

 being recycled [1].  

Catalytic  methanation  is  a  major  way  of 

hydrogenation  of  CO

2

  on  Earth.  However,  Mars 

environment  provides  inappropriate  conditions  for 

catalytic methanation; catalytic methanation requires 

high temperature over 200°C and high pressure over 

1.0 ×10

5

 Pa, while the surface pressure on Mars is 

750 Pa (135 times less than that on Earth) and the 

average  temperature  is  very  low  of  −63  °C  [2]. 

Plasma  process  allows  methanation  under  low 

pressure and low temperature conditions, employing 

high energy electrons in the nonequilibrium plasma 

(T

e

  >>T

g

)  to  dissociate  gas  molecules  and  form 

reactive  species  [3].  Here,  we  carried  out 

methanation  of  CO

2

  using  low  pressure  capacitive 

coupled plasma (CCP), and investigated dependence 

of rise time of CH

4

 yield on H

2

 flow rate FR

H2

.   

2. Experimental 

Experiments were carried out using a low pressure 

CCP plasma reactor at ambient temperature. Plasmas 

were generated by applying 60 MHz RF power of 50 

W.  The  electrode  diameter  was  34  mm  and  the 

distance  between  the  electrodes  was  10  mm.  The 

pressure was 750 Pa. The CO

2

 gas flow rate was 1 

sccm and the H

2

 gas flow rate was in the range of 

6.0-21 sccm. The gas composition in the discharge 

plasma  was  measured  with  a  quadrupole  mass 

spectrometer (QMS, SRS QMS100). 

3. Results and Discussion 

Figure 1 shows time evolution of normalized CH

4

 

yield as a parameter of the H

2

 flow rate. CH

4

 yield 

rises  more  rapidly  at higher H

2

 flow rate. The rise 

time  provides  information  of  methanation 

mechanism.  Using  rate  equations,  we  deduced  the 

rate coefficients of decomposition reaction of 

CO

2

 

and H

2

 and those of CH

4

 generation reactions. I will 

discuss the methanation mechanism and will report 

some key rate coefficients. 

This  work  was  supported  by  JAXA and  JSPS 

KAKENHI Grant Number 15J05441. 

4. References 

[1] K. P. Brooks, J. Hu, H. Zhu, and R.J. Kee, Chem 

Eng. Sci. 62 (2007) 1161. 

[2] M. Kano, G. Satoh, and S. Iizuka, Plasma Chem. 

Plasma Process 32 (2012) 177. 

[3] S. Toko, R. Katayama, K. Koga, E. Leal-Quiros, 

and M. Shiratani, to be published in Sci. Adv. Mater.

 

Topic number

 

8 

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0

100

200

300

400

6 sccm

9 sccm

15 sccm

21 sccm

no

rm

ali

ze

d 

CH

4

 y

iel

d

t (s)

 

Fig. 1. Time evolution of normalized CH

4

 yield as a 

parameter of H

2

 flow rate. 

288

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

 

 

Suppression of Si-H

2

 bond formation at P/I  interface 

in a-Si:H solar cells deposited by multi-hollow discharge plasma CVD 

 

Susumu Toko

1

, 

U

Kazuma Tanaka

1

, Kimitaka Keya

1

, Takashi Kojima

1

, Daisuke Yamashita

1

, 

Hyunwoong Seo

1

, Naho Itagaki

1

, Kazunori Koga

1

, and Masaharu Shiratani

1

 

 

 

1

Kyushu University, Fukuoka, Nishi-ku Motooka 744, Japan 

 

Light induced degradation is the most important issue of hydrogenated amorphous silicon solar cells.  

A-Si:H films of a lower Si-H

2

 bond density show less light-induced degradation. We have revealed 

existence of high-density Si-H

2

 bonds within 60nm from P/I interface by Raman spectroscopy. These 

Si-H

2

 bonds are originated from surface reactions of SiH

3

; because the other origin, namely, cluster 

incorporation is considerably  suppressed by a multi-hollow discharge plasma CVD (MHDPCVD) 

method.  Substrate  temperature  dependence  of  I

SiH2

/I

SiH

  shows  the  fine  tuning  the  substrate 

temperature during initial stage of I-layer deposition is effective to suppress Si-H

2

 bond formation at 

P/I interface.  

 

1. Introduction 

Light-induced  degradation  is  the  most  important 

issue  of  hydrogenated  amorphous  silicon  (a-Si:H) 

solar  cells.  By  Raman  spectroscopy,  we  have 

succeeded  in  detecting  Si-H

2

  bonds  in  cells,  which 

are responsible for the light-induced degradation [1]. 

Here  we  have  measured  the  hydrogen  content  ratio 

I

SiH2

/I

SiH

 associated with Si-H

2

 and Si-H bonds at P/I 

interface  to  identify  high  density  region  of  Si-H

2

 

bonds and to suppress Si-H

2

 bonds. 

 

2. Experimental  

Non-doped a-Si:H films (I-layer) were deposited 

on  B-doped  Si  films  (P-layer)  with  a  MHDPCVD 

reactor [2, 3]. Pure SiH

4

 was fed to the reactor at 84 

sccm.  The  total  pressure  was  0.08  Torr.  The 

discharge  frequency  and  power  were  110  MHz  and 

20  W,  respectively.  The  substrate  temperature  was 

170,  200,  and  220  °C.    The  deposition  rate  was 

0.0214  nm/s.  Raman  spectroscopy  was  carried  out 

using  HeNe  laser  light  (λ=  632.8  nm).  The 

penetration depth of HeNe laser light was more than 

500 nm. 

 

3. Results and discussion 

     Figure  1  shows  dependence  of  I

SiH2

/I

SiH

  on 

thickness  of  I-layer.  I

SiH2

/I

SiH

  decreases  with 

increasing  the  thickness  from  10  to  60  nm  and  it 

becomes  constant  for  the  thickness  above  60  nm, 

indicating  high  density  Si-H

2

  bonds  exist  at  P/I 

interface.  These  Si-H

2

  bonds  are  originated  from 

surface  reactions  of  SiH

3

;  because  the  other  origin, 

namely,  cluster  incorporation  is  considerably 

suppressed  by  the  MHDPCVD  method.  To  realize 

higher stability, suppressing Si-H

2

 bond formation at 

P/I interface is important. 

To  realize  such  suppression,  we  have  examined 

effects of substrate temperature on I

SiH2

/I

SiH

. I

SiH2

/I

SiH

 

decreases  with  increasing  the  substrate  temperature 

from  170  °C  to  220  °C.  A  precise  turning  the 

substrate  temperature  together  with  the  deposition  

rate is effective to suppress Si-H

2

 bond formation at 

P/I interface. 

This work was supported by JSPS KAKENHI Grant 

Number 26246036 and 15J05441. 

 

4. References 

[1] T. Nishimoto, M. Takai, H. Miyahara, M. Kondo, 

and  A.  Matsuda,  J.  Non-Cryst.  Solids  299-302, 

1116-1122 (2002). 

[2] S. Toko, Y. Torigoe, W. Chen, D. Yamashita, H. 

Seo, N. Itagaki, K. Koga, M. Shiratani, Thin Solid 

Films 587, 126 (2015). 

[3]  W.  M.  Nakamura,  H.  Matsuzaki,  H.  Sato,  Y. 

Kawashima,  K.  Koga,  and  M.  Shiratani,  Surf. 

Coat. Technol. 205, S241 (2010). 

0

0.04

0.08

0.12

0.16

0

20

40

60

80

100

120

I

S

iH

2

/I

S

iH

thickness of I-layer (nm)

 

Fig.  1.  Dependence  of  I

SiH2

/I

SiH

  on  thickness  of   

I-layer and substrate temperature.  

 

Topic number 14 

●:Ts= 170 

o

C 

●

:Ts= 200 

o

C 

●

:Ts= 220 

o

C

 

289

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

 

 

 Segmented high voltage glow discharge for a controllable ion source 

 

I. G. Vicente-Gabás, G. Mattausch

P

, R. Blüthner 

 

F F

 

 Fraunhofer Institute for Organic Electronics, Electron Beam and Plasma Technology FEP,  

Winterbergstraße 28, 01277 Dresden, Germany 

E-Mail:  [e-mail]  

 

A novel cylindrical ion source has been developed in order to produce an ion source, whose 

intensity can be easily controlled in each segment. It is possible to independently ignite each 

segment  and,  consequently,  an inhomogeneous ion beam  with the desired intensity  can be 

extracted.  Due  to  the wire anode configuration an electrostatic trap is built, within discharge 

electrons  perform  rosette orbits. This set up improves the electron lifetime and, accordingly, the ion 

production is enhanced which allows the discharge to be sustained down to 1 Pa. Finally, ions 

scape from the discharge through the extraction grid. In this contribution the latest investigations 

in a single plasma discharge segment will be presented. 

 

1.

 

Chamber geometry 

The plasma chamber consists 

of 

two 

concentrically cylinders, the external one is a grid. 

Each section is defined by the volume included by 

two plates, which are built in  perpendicular  to  the 

surface of both cylinders and in parallel to the radial 

axis.  The plasma discharge is typically divided in five 

segments. The aforementioned structure is at ground 

potential. The anode is a  tungsten  wire built in 

parallel to cylinder´s axis of symmetry. 

2.

 

Segmented discharge  

 

Fig 1. One segment discharge simulation. The colour 

scale  represents  the  electric potential created by the 

discharge (max. 350 volts).  The greyscale represents 

the discharge electron velocity (max. 9 10

6

 m/s).

 

The segmented wire anode discharge  developed 

by Fraunhofer FEP  is  based  on  McClure´s  glow 

discharge [1]. The anode wire electric potential 

creates  an  electrostatic trap, which enhances the 

electron lifetime and, consequently, the ion 

production  [2]. In Figure 1 discharge electrons 

movement inside the electric field, created by the 

plasma, is simulated. In Figure 2 is a picture of the 

experimental set up discharge.  In Figure 3 ignition 

curves of a single segment are shown using helium 

and argon as working gas.  

 

Fig 2. Picture of a single segment discharge experimental 

set up, with argon as working gas.

 

 

Fig. 3. Single segment ignition curves for argon and helium 

with two different chamber heights.

  

3.

 

References 

[1] G. W. McClure, “Low-pressure glow discharge” 

Applied physics letters 2, 12, (1963).   

[2]  Makarov.  “Why does a low-pressure wire-

discharge exists self-sustained?”  Europhys. Lett, 

74(3), 2006 

8 

290

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

 

 

 

10 

Experimental study of ns pulsed microdischarge arrays reactor in nitrogen 

 

S. Kasri

1

, G. Bauville

2

, M. Fleury

2

, K. Gazeli

2

, J. Santos Sousa

2

, S. Pasquiers

2

, X. Aubert

1

, 

G. Lombardi

1

, L. William

1

, C. Lazzaroni

1

 

 

1

LSPM-CNRS Université Paris 13, Sorbonne Paris Cité, F-93490 Villetaneuse, France

 

 

2

LPGP, CNRS, Université Paris Sud, Université Paris-Saclay, Orsay, France 

 

Advanced material deposition such as BN, GaN, … require the use of an efficient plasma source to 

produce N. To do so, we made use of a Micro Hollow Cathode Discharge (MHCD) technology [1] 

which  generates  an  electron  density  in  auto-pulsed  mode  up  to  10

16

 cm

-3

  [2].  This  value depends 

directly on the intensity of the current. To increase this intensity, a pulsed power supply was used. 

In order to deposit over a cm size substrate the source must be extended. Thus, we use an MHCD 

matrix. Experimental study through fast imaging and spectroscopy emission techniques of array of 

7-MHCDs in nitrogen (N

2

) has been realized. 

 

1. General 

The  device  is  composed  of  an  anode-dielectric-

cathode sandwich drilled with a ps laser. An array of 

7-MHCDs,  with  400  µm  in  diameter  for  each 

MHCD  is  disposed  at  the  junction  between  two 

chambers  at  different  pressures.  In  chamber  1,  the 

pressure  is  50  mbar  and  the  electrode  is  polarized 

negatively  to  favor  the  high  production  of  nitrogen 

dissociation.  In  chamber  2,  the  electrode  is 

connected  to  ground  and  the  pressure  is  3  mbar  in 

order  to  limit  the  nitrogen  recombination  as 

illustrated  in  Fig.  1.  Three  windows  for  optical 

diagnostics  are  shown  (W1,  2,  3).  The  ICCD  is 

positioned  perpendicularly  to  the  MHCDs  array, 

whereas  the  spectrometer  is  in  front  of  the  plasma 

jet. 

Fig.1. Experimental setup with pictures of the N

2

 

microplasma jet generated in the low pressure side.