On phenomena in ionized gases


Download 9.74 Mb.
Pdf ko'rish
bet7/85
Sana24.01.2018
Hajmi9.74 Mb.
#25134
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   ...   85

2. Main results 

Stationary  and  time-dependent  experiments  with 

different  binary  metal-oxides  placed  either  directly 

in  contact  with  plasma  or  after  the  active  plasma 

zone  demonstrated  that  the  metal-oxides  could  act 

both as NO

x

 adsorbents and oxidation catalysts. 



With  the  catalyst  directly  in  contact  with  the 

plasma,  the  back-reaction  in  gas  phase  remained 

important  but  the  reaction  balance  was  shifted 

towards the production of NO

2

. The time-dependent 



changes  of  the  NO

x

  concentrations  suggested  that 



the 

surface 


processes 

involved 

both 

the 


adsorption/disproportionation  reactions  of  NO

2

  [5] 



and reactions with plasma produced oxygen species. 

The  importance  of  the  latter  process  was  also 

emphasised by the production of NO

2

 on the catalyst 



surfaces previously treated by oxygen discharge. 

The  back-reaction  can  be  avoided  when  the 

plasma is used indirectly for the production of ozone 

which  then  reacts  with  NO

x

.  In  this  configuration 



the  catalyst  enhanced  considerably  the  oxidation  of 

NO

2



 to N

2

O



5

 [3]. The surface processes involved the 

decomposition  of  O

3

  to  surface  bound  oxygen 



species  which  then  aided  the  oxidation  of  NO

2

  to 



NO

3

.  Subsequent  formation  of  N



2

O

5



  on  the  surface 

resulted also in the increased NO

x

 adsorption ability 



of tested metal-oxides. 

 

Acknowledgements 

The  study  was  partially  financed  by  Estonian 

Research Council (Grant nr. 585). 

 

References 

[1]  K.  Skalska,  J.S.  Miller,  S.  Ledakowicz,  Sci. 

Total. Environ. 408 (2010) 3976. 

[2] I. Jõgi, E. Levoll, J. Raud, Chem. Eng. J. 301 

(2016) 149. 

[3]  I  Jõgi,  K.  Erme,  J. Raud,  M. Laan,  Fuel 173 

(2016) 45. 

[4]  I.  Jõgi,  E.  Levoll,  J.  Raud,  Catal.  Lett.  147 

(2017) 566. 

[5]  L.  Sivachandiran,  F.  Thevenet,  P.  Gravejat, 

A.  Rousseau,  Appl.  Catal.  B:  Environ.  142  (2013) 

196.


 

Topic number 17 

32


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

 

 



Pulsed electron beams for thin film deposition 

 

M. Nistor



P

 

 



P

National Institute for Lasers, Plasma and Radiation Physics (NILPRP), Plasma Physics and Nuclear Fusion 

Laboratory, L22, P.O. Box MG-36, 7712 Magurele-Bucharest, Romania

 

 



In  this  work  we  present  results  on  pulsed  electron  beams  produced  in  a  channel-spark  discharge 

used  for  thin  film  deposition.  The  measured  electron  beam  energy  distribution  is  polyenergetic, 

having  a  high-energy  electron  component  at  the  beginning  of  the  applied  high  voltage  fall  and  a 

dominant contribution of lower energy electrons increasing towards later times of the voltage fall. 



In  situ  diagnostics  of  ablation  plasma  produced  in  PED  by  fast  imaging,  optical  emission 

spectroscopy  and  Langmuir  probes  showed  that  the  kinetic  energy  of  the  species  emitted  by  the 

target was roughly in the 10 to 60 eV range. These investigations led to the growth of high quality 

oxide thin films by the precise control of the PED parameters. 

 

The  discovery  of  the  “pseudospark”  gas 



discharge  in  1979  by  J.  Christiansen  and  C. 

Schultheiss [1] has  paved the way for many studies 

on  pulsed  electron  beams  and  their  application  in 

pulsed-power switching, extreme ultraviolet sources 

for 

lithography, 



compact 

X-ray 


sources, 

microthrusters,  high  power  microwave  generation, 

etc.  These  pulsed  electron  beams  are  produced  in 

low  pressure  gas  discharges  (10

-3

  -10


-1

  mbar)  for 

applied voltages up to tens of kV. A pulsed electron 

beam, which propagates in a self-focused way due to 

the 

space-charge 



neutralization, 

has 


typical 

parameters:  currents  of  tens  -  hundreds  of  A,  pulse 

widths  of  tens  -  hundreds  of  ns,  and  energies  up  to 

tens of keV. 

The channel-spark discharge [2] has been derived 

from  the  pseudospark  one  by  replacing  the  floating 

electrodes  from  multigap  pseudospark  geometry 

with  a  dielectric  tube,  leading  to  a  stable  electron 

source  for  a  low  cost  thin  film  deposition  method: 

the  pulsed  electron  beam  deposition  (PED).  It  has 

common  features  with  pulsed  laser  deposition,  i.e. 

the  pulsed  nature  of  process,  the  very  anisotropic 

character of the ablation plume and the high energy 

of  species,  but  uses  a  pulsed  electron  beam  instead 

of  a  laser  beam  for  ablating  a  target.  Due  to  the 

specific  electron-matter  interaction,  the  range  of 

materials that could be ablated has been extended to 

those that are transparent to laser wavelengths. 

The  knowledge  of  the  electron  beam  energy 

distribution  of  the  pulsed  electron  beams  used  in 

PED  method  plays  a  key  role  for  an  efficient 

ablation  of  the  target  surface  and  thus  to  the 

deposition of thin films. Experimental methods have 

been  employed  to  determine  electron  beam  energy 

distribution:  self-biasing  Faraday  cup  and  X-ray 

radiation at the interaction of the electron beam with 

a  target.  Our  measurements  showed  that  in  the 

channel-spark  discharge  the  electron  beam  energy 

distribution  is  polyenergetic,  spreading  from 

hundreds  of  eV  to  the  energy  eU,  where  U  is  the 

applied  high  voltage  and  e  is  the  electron  charge. 

This  distribution  has  a  high-energy  electron 

component  (more  than  a  few  keV) at the beginning 

of  the  applied high  voltage fall (U) and a dominant 

contribution  of  lower  energy  electrons  increasing 

towards later times of the voltage fall. For U=16 kV, 

the  voltage  fall  lasts  210  ns  and  the  total  beam 

current has a maximum value of 750 A, from which 

a current with a maximum value of 400A and pulse 

width of about 110 ns is carried by electrons having 

energy  higher  than  1.84  keV  [3].  Tailoring  the 

electron energy distribution function by variation of 

the  discharge  parameters  has  influenced  the  quality 

of grown thin films by PED.  



In  situ  diagnostics  of  ablation  plasma  produced 

in  PED  by  fast  imaging,  optical  emission 

spectroscopy  and  Langmuir  probes  demonstrated 

that the kinetic energy of the species emitted by the 

target was roughly in the 10 to 60 eV range, leading 

to  high  surface  mobility  for  these  species.  As  a 

result,  growth  of  stoichiometric  and  crystalline 

oxide  thin  films,  even  epitaxial  films  at  relatively 

low  temperatures, has been obtained. The tuning of 

the physical properties of thin films was possible by 

the precise control of PED growth conditions [4]. 

[1]  J.  Christiansen,  C.  Schultheiss,  Z.  Phys.  A 



290 (1979) 35  

[2]  G  Müller,  M.  Konijnenberg,  G.  Krafft,  C. 

Schultheiss,  Science  and  Technology  of  Thin  Film, 

World Scientific Publ. (1995) 89. 

[3]  M.  Nistor,  N.B.  Mandache,  J.  Perrière,  J. 

Phys. D: Appl. Phys. 41 (2008) 165205. 

[4]  M.  Nistor,  L.  Mihut,  E.  Millon,  C. 

Cachoncinlle,  C.  Hebert,  J.  Perrière,  RSC  Adv.  6 

(2016) 41465. 

Topic number 8 

33


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

 

 



Electron/molecular-cation collisions in cold plasmas:  

super-excited states at "zero" energy 

 

J. Zs. Mezei



1,2,3,4

, F. Colboc

1

, Y. Moulane



1,5,6,

, N. Pop


1,7

, S. Niyonzima

1,8

, M. D. Epée Epée



1,9

O. Motapon 



1,9,10

, D. A. Little

11

, F. Iacob



12

, R. Boata

13

, V. Laporta



1,11,14

, R. Celiberto

14,15

,  


K. Chakrabarti

1,16


, E. Jehin

6

, Z. Benkhaldoun



5

, K. Hassouni

2

, D. Benredjem



3

, A. Faure

17

,  


A. Bultel

18

, J. Tennyson



11

, I. F. Schneider

1,3 

 

 



P

 

1

Laboratoire Ondes et Milieux Complexes, CNRS, Université du Havre, Le Havre, France 

2

Laboratoire des Sciences des Procédés et des Matériaux, CNRS, Université Paris 13, Villetaneuse, France 

3

Laboratoire Aimé Cotton, CNRS, ENS Cachan and Université Paris-Sud, Orsay, France 

4

Instititute of Nuclear Research of the Hungarian Academy of Sciences, Debrecen, Hungary 

5

Oukaimeden Observatory, High Energy Physics & Astrophysics Lab., Cadi Ayyad Univ., Marrakech, Morocco 

 

6



Institut d'Astrophysique et de Géophysique, Liège, Belgium 

7

Department  of Physical Foundations of Engineering, Politehnica University Timișoara, Timișoara, Romania 

8

Département de Physique, Université du Burundi, Bujumbura, Burundi 

9

Department of Physics, Faculty of Sciences, University of Douala, Douala, Cameroon 

10

University of Maroua, Faculty of Science, Maroua, Cameroon  

11

Department of Physics and Astronomy, University College London, United Kingdom

 

12



Physics Faculty, West University of Timișoara, Timișoara, Romania

 

13

Astronomical Institute of the Romanian Academy, Timisoara Astronomical Observatory, Timișoara, Romania 

14

Istituto di Nanotecnologia, CNR, Bari, Italy 

15

Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale, del Territorio, Edile e di Chimica, Politecnico di Bari, Italy 

16

Department of Mathematics, Scottish Church College, Calcutta, India 

17

Université de Grenoble Alpes, CNRS, Inst. de Planétologie et d’Astrophysique de Grenoble, Grenoble, France 

18

Laboratoire CORIA,  CNRS, Université de Rouen, Saint Etienne de Rouvray, France 

 

We  will  discuss  the  role  of  excited  states  in  cold  ionized  media,  as  resonances  in  reactive 

collisions, and as initial states of the target in non-equilibrium regime. 

  

Dissociative recombination (DR) [1,2]:  



           AB

+

(N



i

+

,v



i

+

)+e



-

→AB*,AB**→A+B,         (1) 

the  major  recombination  process  in  low  pressure 

ionized  gases,  is  often  notably  fast  at  “zero”  (i.e. 

low) energy of the incident electrons, since it occurs 

via  super-excited  molecular  states  singly-  (AB*)  or 

doubly- (AB**) excited, embedded in the ionization 

continuum  of  the  target  ion.  This  process  is 

competed  by  ro-vibrational  and  dissociative 

excitation: 

AB

+

(N



i

+

,v



i

+

)+e



-

→AB*,AB**→AB

+

(N

f



+

,v

f



+

)+e


-

,  (2) 


                                               →A+B

+

+e



-

.             (3) 

The  use  of  the  Multichannel  Quantum  Defect 

Theory  [3]  resulted  in  accurate  state-to-state  cross 

sections  and  rate  coefficients,  displaying  a  resonant 

character  and  a  strong  dependence  on  the  target 

state.    These  features  are  particularly  important  for 

the collisional-radiative modeling of the cold ionized 

gases – Fig. 1 - in various environments - interstellar 

space,  comets,  planetary  ionospheres,  shock-waves 

in  the  entries  of  spacecrafts,  ionic  propulsion 

devices,  industrial  and  edge  fusion  plasmas  -  and 

containing various cations - 

H

2



+

, BeH


+

, BF


[2,4], 


N

2

+



[5], CO

+

[6], SH



+

, ArH


+

, H


3

+

[7], BF



2

+

, etc. 



 

 

 



Fig.1.  Maxwell  rate  coefficients  for  the  Dissociative 

Recombination  (DR)  of  H

2

+

:  dependence  on  the 



vibrational temperature of the ions.  

 

 



References 

 [1] I. F. Schneider, O. Dulieu, J. Robert, Proc. of DR2013: The 



9

th

  Int.  Conf.  on  Dissociative  Recombination:  Theory, 

Experiment and Applications, Paris, July 7-12, 2013, EPJ Web 

of Conferences 84 (2015). 

[2] N. Pop et al, poster contribution to this conference. 

[3] O. Motapon et alPhys. Rev. A 90 (2014) 012706. 

[4] V. Laporta et al, Pl. Phys. Contr. Fusion  59 (2017) 045008. 

[5] D. A. Little et alPhys. Rev. A 90 (2014) 052705. 

[6] J. Zs. Mezei et al.Pl. Sour. Sci. Tech. 24 (2015) 035005. 

[7] I. F. Schneider et alPhys. Rev. A 86 (2012) 062706. 

34


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

 

 



Simultaneous vacuum UV and broadband UV-NIR plasma spectroscopy 

for LIBS improvement  

 

P. Veis


P

1

P



U

J. Kristof



UP

1, 2


P

 

 



P

1

P



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

Mlynská dolina F2, Bratislava 842 48 Slovakia  

P

2

P



 Graduate School of Science and Technology, Shizuoka University, Johoku, Hamamatsu, 432-8561 Japan

 

 



LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) of  light elements was investigated. As a spectrum 

of  some  light  elements  has  not  enough  emission  lines  in  UV-NIR  range,  such  as  B,  C,  P  and  S, 

determination of the electron temperature from Saha-Boltzmann plot is very difficult or impossible. 

Our aim, improvement of the precision of the electron temperature determination by broadening of 

emission of UV-NIR range up to VUV range allowed observing more emission lines and very often 

neutral,  single  ionized  and  also  double  ionized.  Precision  of  the  electron  temperature  of  other 

elements such as Si, Ge, Zn was also studied. Ions abundance evolution of the elements allowed us 

to find the best experimental conditions for generation of the double ionized ions in LIBS plasma. 

 

1. Introduction 



LIBS  is  an  analytical  method,  which  determines 

elemental composition of materials based on atomic 

emission  of  spark  created  by  a  laser  beam  focused 

on  the  surface.  For  light  elements  as  B,  C,  P  and  S 

important  characteristic  spectral  lines  are  few  and 

appear  in  VUV  range  only  [1].  Including  VUV,  in 

addition  to  conventional  UV-NIR  range  yields  in 

more  reliable  data  set  for  Saha-Boltzmann  (S-B) 

plot,  which  helps  to  quantify  light  elements  more 

precisely using calibration free LIBS.  

Heavy  elements,  such  as  tungsten  have plenty lines 

in  UV-NIR,  but  their  overlap  makes  the  S-B 

unprecise. Therefore the detection of double ionized 

W III lines in VUV proves to be advantageous [2]. 

 

2. Experiment 



2.1. Experimental Set-up  

 

LIBS  measurements  were  realized  under  low 



pressure  (1330  Pa)  He  and  Ar    atmosphere  for 

various delays after the laser pulse to ensure narrow 

emission  lines  and  observation  of  all  three 

ionization degrees (neutral - double ionised). Plasma 

was generated by Nd:YAG laser (Quantel) operating 

at 266 nm (4-th harmonic) - see Figure 1.  

 

 

Figure 1. Experimental Setup. 



 

Plasma  emission  was  recorded  simultaneously  by 

two spectrometers: broadband UV-NIR echelle type 

spectrometer  (230  nm  –  950  nm,  ME 5000, Andor)  

and  VUV  one  (114-295  nm,  McPherson),  both  

equipped with iCCD camera (iStar, Andor).  

 

2.2. Results 



 

Figure 2. VUV spectra 300 and 500 ns after laser pulse. 

 

The  UV-NIR  spectra  of  sulphur  doesn’t  contains 



neutral S I lines. The VUV spectra allows to observe 

lines from different degree of ionisation, S I-III lines 

at  100  ns  delay  and  S  I-II  lines  at  500  ns  delay 

(Figure 2). Clear line detection from three degree of 

ionisation  (S  I-III)  allows  us  to  determine  electron 

temperature  in  the  early  state  of  the  plasma  plume 

(100  ns,  Figure  3)  and  that  leads  to  precise 

determination  of  sulphur  concentration  in a sample. 

LIBS of o

ther elements (Si, Ge, Zn) was also studied. 

 

 

Figure 3. Saha-Boltzman plot of Sulfur. 



 

Acknowledgement: 

This  work  has  been  supported  by 

SRDA (No. APVV-15-0641).  

 

3. References 



[1]  J.  Jašík,  J.  Heitz,  J.  D.  Pedarning,  P.  Veis, 

Spectrochimica Acta Part B 64 (2009) 1128. 

[2] M. Pribula, J.Kristof, A. Hakola, P. Veis et al, Physica 

Scripta T167 (2016) 014045. 

6  

35


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

 

 



Simulation of glow discharge electrolysis for material processing in liquid 

 

F. Tochikubo



P

 

 



P

Department of Electrical and Electronic Engineering, Graduate School of Science and Engineering,  

Tokyo Metropolitan University, Tokyo, Japan  

P

 



 

In glow discharge electrolysis, the liquid-phase reactions are induced by electrons/ions irradiation of 

the  liquid  surface  from  the  plasma.  In  this  work,  we  carried  out  numerical  simulation  of  glow 

discharge  electrolysis,  which  consists  of  atmospheric-pressure  dc  glow  discharge  and  electrolyte 

solution connected in series between parallel plate metal electrodes, based on fluid simulation. The 

calculated glow discharge facing the liquid is essentially the same as that generated between metal 

electrodes. In the liquid, electric double layer with approximately 10 nm width was reproduced in 

front of metal electrode while no electric double layer was observed at plasma-liquid interface. We 

found that the liquid-phase chemistry is strongly affected by the electron/positive ion irradiation of 

the liquid surface from the glow discharge, especially in the thin region from the liquid surface.  

 

1. Introduction 

Atmospheric-pressure  dc  glow  discharge  with 

liquid  electrode  is  applied  for  material  processing 

such as metallic nanoparticles generation [1-2]. This 

system  is  considered  as  glow  discharge  electrolysis 

(GDE)  at  atmospheric  pressure.  In  this  system,  the 

reactions in liquid are induced by the electrons/ions 

irradiation of the liquid surface from the liquid-phase 

thin layer at the plasma-liquid interface. Therefore, it 

is  necessary  to  clarify  the  transport  of  charged  and 

neutral species both in gas and liquid. In this work, 

we carried out one-dimensional numerical simulation 

of atmospheric-pressure GDE. 

2. Simulation model 

The simulation model for GDE is shown in Fig. 1. 

A  glow  discharge  in  atmospheric-pressure  helium 

with 1 mm gas-gap is connected with NaCl solution 

with 1 mm depth in series. Both the glow discharge 

and the liquid regions were calculated based on fluid 

model using continuity equations for charged/neutral 

species  coupled  with  Poisson  equation.  Boundary 

conditions at plasma-liquid interface is important to 

determine the characteristics of GDE. However, the 

information  on  the  reactions  at  plasma-liquid 

interface  is  very  limited,  therefore,  we  assumed  the 

following  simple  model:  electron  irradiation  of  the 

liquid  surface  from  the  plasma  generates  hydrated 

electrons:  negative  ion  irradiation  also  generates 

hydrated electrons: any positive ion irradiation causes 

the generation of H

+

 and OH through charge transfer 



collision: neutrals dissolve in the solution. 

3. Simulation results 

The  structure  of  atmospheric-pressure  dc  glow 

discharge  is  essentially  the  same  as  that  calculated 

between two metal electrodes. Fig. 2 shows the ion 

distributions  in  liquid  with  glow  discharge  cathode. 

Very  narrow  negative  charge  layer  with  strong 

electric field is formed in the region of roughly 10 nm 

from  metal  anode.  In  front  of  the  glow  discharge 

cathode, we could not find the large difference in the 

concentrations  between  Na

+

  and  Cl



-

.  The  incident 

electrons become hydrated electrons in the liquid, and 

react with other species. In the present case, hydrated 

electrons  generate  OH

-

  by  the  reaction  with  H



2

O. 


Therefore,  plenty  of  OH

-

  is  generated  close  to  the 



liquid surface, and local pH becomes approximately 

10.  The  hydrated  electron  works  as  reductant.  For 

example,  hydrated  electrons  reduce  the  metal  ions 

such as Ag

+

 to synthesize Ag nanoparticles in liquid. 



 This work is partly supported by Grant-in-Aid for 

Scientific Research (B) from JSPS (No. 15H03584). 



Download 9.74 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   ...   85




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling