On phenomena in ionized gases

1. Introduction 

The use of atmospheric non-thermal plasmas can 

be  considered  as  a  mature  technology  in  several 

applications,  such  as  to  remove  hazardous 

compounds  or  to  produce  valuable  chemicals  using 

the  energy  transfer  by  energetic  electrons.  The 

introduction  of  ferroelectrics  materials  into  the 

discharge zone of the non-thermal plasma reactor is 

a  promising  way  to  improve  their  performance  [1, 

2].  The  plasma  parameters  of  this  ferro-electric 

packed  bed  reactor  are  not  well  understood  in  spite 

of  the  widely  applications  of  this  type  of  reactors. 

One  important  property  of  the  ferro-electric  packed 

bed  is  the  locally  enhanced  electric  field  inside  the 

dielectric  material  (pellets  and  voids),  near  the 

contact 

points 

between 

the 

pellets 

and 

pellets/electrodes  [3]. 

The  use  of  this  ferroelectric 

pellets  as  dielectric  material  simply  reflects  that 

ferroelectrics  have  spontaneous  polarization  below 

the  ordering  temperature.  A  small  electric  field 

suffices  to  create  large  polarization.  In  a  linear 

response regime that means the susceptibility of the 

material  is  very  high.  By  using  typical  voltage-

current characteristic was experimentally monitoring 

the  plasma  reactor.  These  electrical  magnitudes 

present a highly non-linear behavior that conditions 

the  value  of  the  different  experimental  parameters 

analyzed.  

 

2. Experimental 

Different  gas  mixtures  of  CH

4

/CO

2

,  CH

4

/O

2

, 

CH

4

/H

2

O  and  Air,  were  introduced  in  the  ferro-

electric  packed  bed  plasma  reactor.  Due  to  the 

dielectric  (ferroelectric)  barriers  the  reactor  has 

capacitive properties that may be explained with the 

well know Q-V plot [4]. Analyzing the curvature of 

the Q-V Lissajous figures, the capacitance of the cell 

and  dielectric  barrier  can  be  obtained.  The 

ferroelectric character of the dielectric make that its 

capacitance be dependent of temperature and applied 

voltage.  From  these  values  an  estimation  of  the 

breakdown voltage was evaluated and an analysis of 

the  dissipated  power  from  the  Q-V  Lissajous 

diagram.  The  calculation  of  the  electron  density 

relies on the assumption of a collisional regimen, in 

which  the  current  density  depends  on  the  electron 

density  and  mobility  and  the  magnitude  of  the 

electric field [5]. In order to get an accurate value for 

the  electron  density,  the  fact  that  the  discharge  area 

is  not  the  whole  surface  of  the  active  electrode  has 

been taken into account.  

 

3. References

 

[1]  F.  Holzer,  F.D.  Kopinke,  U.  Roland,  Plasma 

Chem. Plasma Process. 25, (2005) 595. 

[2]  H.L.  Chen,  H.M.  Lee,  S.H.  Chen,  M.B.  Chang, 

Ind. Eng. Chem. Res. 47 (2008) 2122. 

[3] Y. Zhang, H. Wang, W. Jiang,

 

A. Bogaerts, New 

J. Phys. 17 (2015) 083056.  

[4]

 

A. V. Pipa, J. Koskulics, R. Brandenburg, and T. 

Hoder. Rev. Sci. Instrum. 83 (2012) 115112.

 

[5]

 

K.  Takaki

 

,  J.  Chang,  K.G.  Kostov,  IEEE 

Transactions  on  Dielectrics  and  Electrical 

Insulation 11 (2004) 481. 

  

Acknowledgements 

We acknowledge financial support from Junta de 

Andalucía through the project P12–2265MO and 

from the European Regional Development Funds 

program (EU-FEDER) and the MINECO (project 

MAT2013-40852).

 

10 

324

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

 

 

Numerical investigation of stability of glow corona discharges and corona-

to-streamer transition 

 

N. G. C. Ferreira

P

1,2

, P. G. C. Almeida

P

1,2

, G. V. Naidis

3

, and M. S. Benilov

P

1,2

 

 

P

1

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

2

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

P

3

Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia 

 

Stability of glow corona discharges against finite perturbations is studied in atmospheric pressure 

air  in  a  point-to-plane  electrode  configuration  with  1  cm  gap.  The  corona  is  stable  against  finite 

perturbations for applied voltages smaller than 18 kV and unstable for voltages higher than 18 kV. 

Streamers appear when voltage is higher than 13 kV; sparks may form above 18 kV. 

 

1. Introduction 

 

Positive  corona-to-streamer  transition  is  an 

important research subject; e.g., [1]. A related topic 

is  the  stability  of  positive  glow  coronas  against 

finite  perturbations.  Both  topics  are  studied  in  this 

work.  

 

2. The model 

Species  included  in  the  modelling  are  positive 

and  negative  ions  and  the  electrons.  The  kinetic 

scheme  includes  ionization,  two  and  three-body 

dissociative  attachment,  electron-ion  and  ion-ion 

recombination,  as  well  as  photoionization.  The 

equations  solved  are  conservation  equations  for  the 

charged particles and the Poisson equation. The rate 

of photoionization was evaluated by means of three-

exponential 

Helmholtz 

model 

[2]. 

Standard 

boundary conditions have been used. 

 

3. Results and discussion 

Stable  glow  corona  discharge  was  computed  by 

means  of  a  stationary  solver  for  the  point-to-plane 

discharge  configuration  with  1  cm  gap  in 

atmospheric-pressure air [3]. The computed current-

voltage  characteristic  (CVC)  is  shown  in  figure  1. 

Using  always  the  state  with  current  10

-7

  A  and 

voltage  of  12.8  kV  as initial condition, the stability 

of  glow  corona  was  studied  by  increasing  the 

applied  voltage  and  following  the  evolution  of  the 

discharge over time with a time-dependent solver. If 

the applied voltage is in the range 12.8 up to 13 kV, 

the discharge evolves into a stable glow corona with 

no  streamer  formation.  This  threshold  is  marked  in 

figure 1 by line 1. If the applied voltage exceeds 13 

kV  but  is  below  18  kV,  partial  streamers  appear, 

then  dissipate  and  the  glow  corona  reappears. 

Examples  of  voltage  steps  used  are:  for  13  kV  the 

length of streamer propagation is 2.9 mm; for 14 kV, 

4.6 mm; for 15 kV, 6.1 mm; for 16 kV, 8.1 mm.  

The  corona  is  stable  against  finite  perturbations for 

applied voltages smaller than 18 kV and unstable for 

voltages higher than 18 kV; line 2 in figure 1. 

If  the  ballast  resistance  is  low  and  the  applied 

voltage  is  maintained  equal  or  higher  than  18  kV, 

then discharge current will increase indefinitely and 

a  spark  will  be  formed.  If  the  ballast  resistance  is 

appreciable,  the  increase  in  current  after  gap 

bridging will provoke a fall in the applied voltage. It 

may  happen  that  the  reduced  voltage  is  insufficient 

to  keep  the  streamer  alive,  so  the  streamer  will 

dissipate rather than become a spark. 

Figure 1: CVC of stable glow corona discharge. 

 

4. Acknowledgements 

The  work  at  Universidade  da  Madeira  was 

supported  in  part  by  FCT  of  Portugal  through  the 

project Pest-OE/UID/FIS/50010/2013. 

 

5. References 

[1]  L.  Liu  and  M.  Becerra,  J.  Phys.  D:  Appl. 

Phys. 49 (2016) 225202. 

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

Technol. 16 (2007) 656. 

[3]  A.  A.  Kulikovsky,  Phys.  Rev.  E

 

57  (1998) 

7066. 

Topic 10 

10

-7

10

-6

10

-5

10

-4

10

-3

10

15

20

25

30

35

V(kV)

I(A)

No ionization

Partial streamers 

and glow

Sparks

2

1

325

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

 

 

Isotope labelling: A new technique to analyse reaction mechanisms in 

plasma-gas processes  

 

A. Gómez-Ramírez

P

1, 2

P

, A.M. Montoro-Damas

1

, A. R. González-Elípe

2

, J. Cotrino

1, 2

 

 

P

1

P  

Departamento de Física Atómica, Molecular y Nuclear, Universidad de Sevilla, Avda. Reina Mercedes, 42022 

Sevilla, Spain.  

P

2

P

 Laboratory of Nanotechnology on Surfaces, Instituto de Ciencia de los Materiales de Sevilla (CSIC-Uni. 

Sevilla), Sevilla, Spain 

 

This work is concerning the plasma reforming of methane using labelled D

2

O molecules as reactant 

with  the  aim  of  identifying  some  of  the  key  intermediate  species  intervening  in  the  reaction 

mechanisms.  The  study  herein  reveals important clues about those intermediate plasma processes 

running in parallel to the main reaction leading to the formation of CO and hydrogen. In concrete, 

we  have  found  that  a  considerable  exchange  of  H(D)  by D(H) atoms occurs in the exhaust gases 

(i.e, hydrogen, methane and water) under different operating conditions, proving that much of the 

plasma  energy  is  used  to  produce  intermediate  species  which  are  inefficient  for  the  formation  of 

final products.  

 

 

Isotope  labelling,  a  classical  method  in  catalysis 

to ascertain reactions routes [1, 2], has been scarcely 

applied  in  plasma  processes  [3].  In  this  work  we 

have  used  deuterated  water  as  labelling  compound 

to  analyse  the  molecular  fragmentation  during  the 

plasma wet reforming of methane in a parallel plate 

packed-bed  DBD  reactor  filled  with  ferroelectric 

material  [4].  Reaction  products  were  monitored  by 

means  of  a  mass  spectrometer.  Apart  from  the 

expected hydrogen (H

2

) and carbon monoxide (CO), 

deuteromethanes  and  molecular  hydrogen  isotopes 

(D

2

,  HD,  CH

3

D,  CH

2

D

2

)  appear  in  the  reaction 

products.  The  existence  of  isotope  labelled 

molecules  (CH

3

D,  CH

2

D

2

)  is  a  clear  proof  of  the 

occurrence  of  backwards  reactions  during  the  wet 

reforming  of  methane.  These  processes  imply  a 

waste  of  energy  and,  thus,  a  decrease  in  the 

efficiency of the DBD plasma processes, one of the 

major  drawbacks  for  its  industrial  implementation. 

The  influence  of  different  parameters,  namely,  the 

gas  residence  time,  the  current  and  the  addition  of 

oxygen on the H/D distribution and efficiency of the 

process is analysed.  

 

References 

[1]  J.  Wei,  E.  Iglesia,  Phys.  Chem.  Chem.  Phys.  6 

(2004) 3754.  

[2] L.Y.P. Luk, J.J. Ruiz-Pernía, A.S. Adesina, E.J. 

Loveridge,  I.  Tuñón,  V.  Moliner,  R.K.  Allemann, 

Angew. Chem., Int. Ed. 54 (2015) 9016. 

[3]  F.  Daou,  A.  Vincent,  J.  Amouroux,  Plasma 

Chem. Plasma Process. 23 (2003) 309. 

[4]  A.  M.  Montoro-Damas,  J.  J.  Brey,  M.  A. 

Rodriguez,  A.R.  González-Elípe,  J.  Cotrino,  J. 

Power Sources 296 (2015) 268. 

 

Acknowledgements 

We  acknowledge  financial  support  from  Junta  de 

Andalucía  through  the  project  P12–2265MO  and 

from  the  European  Regional  Development  Funds 

program  (EU-FEDER)  and  the  MINECO  (project 

MAT2013-40852. 

 

17 

326

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

 

 

The NH

3

 plasma transition into “ion-ion” or transient H-E plasma mode 

 

J. Brcka 

 

TEL Technology Center, America, LLC, US-Technology Development Center, Austin, TX 78741, U.S.A.

 

 

2D plasma fluid modelling was used to investigate a transient development of the ammonia (NH

3

) 

gas  and  to  determine  transient  decomposition  in  high-density  plasma  produced  by  a  linear 

inductively  coupled  plasma  (ICP)  source.  The  inclusion  of  a  large  number  of  reactions  (103) 

considering 31 species and including multiple negative ions results in an expulsion of the electrons 

from the source domain at constant power. Transient development of the discharge demonstrated a 

lower  electron  density  than  in  an  electropositive  (Ar)  plasma.  Within  60-100  µs  the  electron 

density collapses leading to almost electron-free plasma (for t>1ms). The conditions and geometry 

of the source explored in this study could lead to steady ion-ion plasma formation with H

2

 and N

2

 

being the dominant conversion products. 

 

1. Introduction 

Under  specific  conditions,  electronegative  gases 

are  able  to  generate  almost  electron-free  (ion-ion) 

plasmas  [1,2].  In  this  simulation  study,  we 

investigated  ammonia  (NH

3

)  gas  decomposition  by 

linear inductively coupled plasma (ICP). The aim is 

to  determine  the  transient  behaviour  and  spatial 

distribution  of  all  charged  species  and  radical 

fractions in the NH

3

 radical source. 

 

2. Modelling approach 

The feasibility study was performed by a compu-

tational plasma fluid 2D model that was constructed 

in  2D  space  by  using  a  commercial  finite-element 

multiphysics  modelling  tool.  A  more  detailed 

description can be found in Refs. [3,4]. 

 

3. Results 

The  model  (originally  tested  in  argon)  was  im-

plemented  for  the  NH

3

  gas  [3].  Addition  of  the  re-

cent  dissociative  electron  attachment  (DEA)  cross 

sections  [5]  emphasized  electronegativity  in  the 

plasma.  This  led  to  a  collapse  of  the  plasma  either 

due to (a) the expulsion of the electrons forming an 

ion-ion  plasma,  or  (b)  decoupling  from  ICP  power 

by  transient  H-E  transition  or  (c)  insufficiently  de-

scribed  N

2

  reaction  schemes.  Further  analysis  indi-

cated  that  the  initial  reaction  scheme  overestimated 

the  electron  generation  rate  due  to  assumptions  on 

the ionization from excited states of considered NH

3

 

and  H

2

  molecules.  That  possibly  led  to  more  fre-

quent  DEA  collisions  under  added  new  reactions 

that  were  leading  to  NH

2

-

  and  H

-

  ions.  Since,  the 

efficiency  of  the  energy  transfer  through  electrons 

was  reduced  -  the  H-E  transition  is  triggered  and 

plasma  collapses  into  an  electrically  neutral  (ion-

ion)  plasma  formation.  Under  these  conditions  the 

NH

3

  converts  dominantly  into  N

2

  and  H

2

  fractions. 

To maintain again an electron driven plasma - an RF 

power  increase  is  necessary.  The  transient  concent-

rations of all species are plotted in Fig. 1. 

 

 

 

Fig.  1.  The  transient  profiles  of  charged  particles, 

radicals and neutrals in NH

3

 plasma source (90 Pa). 

 

4. Conclusions 

The composition and transient reaction pathways 

in  NH

3

  plasma  are  driven  by  energy  transfer 

efficiency to electrons  that are coupled to sustained 

plasma mode. Recombination processes may lead to 

conversion  into  dominant  neutral  fractions  (N

2

  and 

H

2

).  

 

3. References 

[1]  S.  Samukawa, K. Sakamoto and K. Ichiki, J. 

Vac. Sci. Technol. A 20 (2002) 1566. 

[2]  S.  G.  Walton  and  R.  F.  Fernsler,  Plasma 

Sources Sci. Technol. 18 (2009) 022001. 

[3]  J.  Brcka,  23rd  Int.  Symp.  Plasma  Chemistry, 

Montreal, CA (2017).

 

[4]  J.  Brcka,  Jap.  J.  App.  Phys.  55,  07LD08 

(2016). 

[5] P. Rawat, V. S. Prabhudesai, M. A. Rahman, 

N. Bhargava Ram and E. Krishnakumar, Int. J. Mass 

Spectrometry, 277, (2008) 26-102. 

Topic number 5, 8 

327

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

 

 

The Influence of a Positively Biased Electrode 

 

 

M. Hopkins

1

, 

U

B. Scheiner

2

, E. Barnat

1

, B. Yee

1

, S. Baalrud

2

 

 

1

Applied Optical and Plasma Sciences, Sandia National Laboratories, New Mexico, USA 

2

Physics and Astronomy, University of Iowa, Iowa, USA

 

 

This  work  reports  on  our  new  understanding  of  the  conditions  required  for  an  electrode  biased 

above  a  bulk  plasma  potential  to  influence  the  bulk  plasma.  One  example  of  a  positively  biased 

electrode is a simple Langmuir probe in electron collection mode. Under what conditions does the 

potential  of  this  electrode  influence  the  bulk  plasma?  We  describe  a  range  of  plasma-electrode 

interfaces (sheath structures), and the relative wall-to-electrode size thresholds that separate them. 

We  include  theoretical,  experimental,  and  computational  descriptions  of  sheaths  near  positively 

biased electrodes. In particular, we identify the conditions at which the electrode modifies the bulk 

plasma  potential.  The  modifications  to  the  electron  velocity  distribution  function  (EVDF)  are 

investigated,  as  well  as  the  length  scales  of  that  modification  (e.g.,  the  electron  presheath  length 

scale). 

 

1. Description 

As related in [1], based on global current balance 

arguments,  a  small  positively  biased  electrode  of 

size  A

E

  in  a  bulk  plasma  contained  in  a  grounded 

vessel  of  surface  area  A

W

,  will  have  a  sheath 

structure determined by the area ratio A

E

/A

W

 and the 

mass  ratio  parameter  µ  =  (2.3m

e

/m

i

)

1/2

.  In  the 

absence  of  an  electrode,  some  plasma  potential  is 

reached as the loss of electrons and ions to the walls 

is  balanced.  Once  a  positively  biased  electrode  is 

introduced,  however,  there  is  an  increased  rate  of 

electron loss to it relative to the flux to the grounded 

wall.  This  additional  electron  loss  has  negligible 

effect  on  the  bulk  plasma  if  it  is  sufficiently  small. 

As  the  electrode  area  increases,  it  collects  an 

increasing electron flux, the loss of which results in 

an  increased  bulk  plasma  potential,  but  still  not  to 

the level of the electrode. Continuing to increase the 

electrode area, and continuing to increase the flux of 

electrons  to  the  electrode,  eventually  results  in  an 

increased  plasma  potential  that  is  above  the  biased 

electrode. At this point we have an ion sheath at all 

surfaces,  albeit  the  voltage  drop  at  the  electrode  is 

smaller  than  that  at  the  grounded  walls.  Simulation 

[2] and experimental [3] results will be presented. 

These transitions occur at approximately A

E

/A

W

 = 

µ  (electron  sheath  to  an  intermediate  state),  and 

A

E

/A

W

 = 1.7µ (intermediate state to ion sheath). The 

length scale at which the electron sheaths influence 

the  plasma  is  studied  and  found  to  be  much  longer 

than  previously  assumed  [4].  The  past  assumption 

that  the  EVDF  at  the  edge  of  the  presheath  can  be 

assumed  to  be  half-Maxwellian  is  found  to  be 

incorrect and a new description is provided [5]. 

Finally,  we  hope  to  present  some  work 

identifying  the  role  increased  electrode  potentials 

have 

on 

generating 

anode 

spots, 

and 

transition/hysteresis effects. 

 

Sandia  National  Laboratories  is  a  multi-mission 

laboratory  managed  and  operated  by  Sandia 

Corporation,  a  wholly  owned  subsidiary  of 

Lockheed  Martin  Corporation,  for  the  U.S. 

Department  of  Energy’s  National  Nuclear  Security 

Administration 

under 

contract 

DE-AC04-

94AL85000.  This  research  was  supported  by  the 

Office  of  Fusion  Energy  Science  at  the  U.S. 

Department  of  Energy  under  Contract  No.  DE-

AC04-94SL85000  and  the  U.S.  Department  of 

Energy,  Office  of  Science,  Office  of  Workforce 

Development  for  Teachers  and Scientists, Office of 

Science  Graduate  Student  Research  (SCGSR) 

program.  The  SCGSR  program  is  administered  by 

the  Oak  Ridge  Institute  for  Science  and  Education 

for  the  DOE  under  Contract  No.  DE-AC05-

06OR23100.