On phenomena in ionized gases

Modes of unipolar and bipolar pulsed discharges in CO

2

 

 

V.A. Lisovskiy

1

, S.V. Dudin

1

, P.A. Ogloblina

2

, N.N. Vusyk

1

, V.A. Volkov

1

, 

V.D. Yegorenkov

1

, A.N. Dakhov

1

 

 

P

1

P

 Kharkov National University, 61022, Kharkov, Svobody Sq. 4, Ukraine 

P

2

P

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

 

This  paper  reports  the  studies  of  unipolar  and  bipolar  pulsed  discharges  in  CO

2

  in  the  pressure 

range from 0.1 to 1 Torr, the frequency range from 20 to 300 kHz and duty cycle values from 12 to 

96%. We have demonstrated that with the pressure, frequency, inter-electrode distance and applied 

voltage  fixed  one  may  obtain  different  discharge  structures  only  by  varying  the  duty  cycle  values. 

For example, a unipolar discharge may contain the cathode sheath and the negative glow as well as 

the above regions and the additional dark Faraday space,  the positive column and the anode glow. 

The unipolar and bipolar pulsed discharges may exist in two modes: one possessing a low discharge 

current  and  a  diffuse  positive  column  and  another  one  possessing  a  high  current  and  a contracted 

stratified positive column.   

 

Pulsed gas discharges are widely applied in lasers, 

plasma  display  panels,  for  plasma  nitriding,  in  light 

sources  etc.  Presently  a  great  attention  is  devoted  to 

the processes taking place in CO

2

 plasma because this 

gas  causes  the  greenhouse  effect  and  because  it  is 

prevalent  in  the  atmospheres  of  some  planets  and 

satellites  of  the  Solar  system.  Therefore  we  have 

studied  the  modes  of  the  unipolar  and  bipolar  pulsed 

discharges in low pressure carbon dioxide discharge. 

Experiments  have  been  performed  in  the  device 

with  flat  stainless  steel  electrodes  located  inside  the 

discharge tube with the inner diameter of 56 mm, the 

inter-electrode  distance  being  from  10  to  380 mm.  A 

pulsed  unipolar  (negative  rectangular)  or  bipolar 

potential  from  the  generator  in  the  20–300 kHz 

frequency range, the duty cycle from 12 до 95 % and 

applied  voltage  values  up  to  1200 V  has  been  fed  to 

the  electrodes.  The  range  of  the  measured  discharge 

current  values  did  not  exceed  200 mA.  The  CO

2

 

pressure values were from 0.1 Torr to 1 Torr. 

We  have  revealed  that  an  option  of  varying  the 

frequency  and  the  duty  cycle  in  the  pulsed  discharge 

enables  one  to  get  not  only  different  current  values 

but  to  change  the  discharge  structure  in  the  broad 

range.  Thus,  keeping  the  gas  pressure,  the  inter-

electrode distance and the voltage applied across them 

one  may  get  a  unipolar  discharge  consisting  of 

different parts by changing only the duty cycle values. 

With  the  duty  cycle  below  50%  one  observes  the 

cathode  sheath  and  the  negative  glow  whereas  at 

higher  duty  cycle  values there appear, apart from the 

above  ones,  the  dark  Faraday  space,  the  positive 

column  and  the  anode  glow.  Similarly,  one  may 

change  the  bipolar  discharge  structure  substantially 

varying  the  duty  cycle,  the  negative  glows  near  the 

both electrodes may be either symmetric with respect 

to the discharge center with the duty cycle about 50%, 

or a brighter negative glow would adhere to one of the 

electrodes  (to  which  a  short  pulse  of  high  voltage  is 

fed), and near the other electrode (with a long pulse of 

low voltage) this glow may be absent.  

Note also that the unipolar and bipolar discharges 

may  exist  in  two  modes:  one  with  the  low  discharge 

current and a diffuse positive column and another one 

with a high current and a contracted stratified positive 

column. In the unipolar discharge the diffuse mode is 

observed  in  long  inter-electrode  gaps  and  with  high 

values  of  the  duty  cycle,  i.e.  80%  and  higher.  In  the 

bipolar  discharge  the  diffuse  mode  takes place  at  the 

duty cycle values from 80% to 50% for the frequency 

of  20  kHz  and  this range  narrows  from 80% to 70% 

for  the  frequency  of  200 kHz.  In  the  high  current 

mode the positive column (if it fits the inter-electrode 

distance)  is  usually  contracted  consisting  of  a 

multitude  of  narrow  striations.  The  presence  of  such 

striations  usually  indicates  that  the  positive  column 

contains a large number of negative ions. In a diffuse 

positive  column  with  a  low  discharge  current  the 

conversion  of  CO

2

  molecules  probably  is  much  less 

efficient  than  in  a  contracted  column  with  a  strong 

current.  This  is  also  pointed  out  by  the  fact  that  the 

reduced electric field in the positive column in the low 

current  mode  amounts  to  about  15 V/(cm Torr),  and 

in  the  high  current  mode  it  grows  about  twice  as 

large. 

339

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

 

 

ESTHER: A laser-ignited, combustion-driven, two-stage shock-tube for the 

simulation of hyperbolic planetary entries 

 

M. Lino da Silva

P

1

P

, B. B. Carvalho

1

, R. Rodrigues

1

, M. Castela

1

P

, A. Smith

2

, A. Chikhaoui

3

, 

and L. Marraffa

P

4

P

 

 

P

1

P

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

P

2

P

 Fluid Gravity Eng., Hampshire, United Kingdom

P4 

3

P

 Université Aix-Marseille, Marseille, France

 

4

 ESA / European Space Research and Technology Centre, Aerothermodynamics Section, Noordwijk, The 

Netherlands 

 

A  new  shock-tube  facility  is  being  developed  by  an  international  consortium  led  by  IST-IPFN, 

under funding from the European Space Agency. This facility encompasses several key innovations 

which  allows  reaching  almost  unparalleled  performance  (being  capable  of  shock-speeds  above 

12km/s) alongside with improved repeatability and cleanliness specifications, made possible by the 

development  of  a  laser-driven  “clean”  H2/He/O2  combustion  driver,  a  technology  that  has  been 

implemented  for  the  first  time  in  a  shock-tube  facility.  A  scale  test  model has been developed to 

validate this concept, and has allowed reaching successful deflagrations of mixtures up to 100bar 

filling pressures, for a final combustion  pressure in excess of 600bar. Careful tailoring of the gas 

mixture  has  allowed  avoiding  the  outset  of  detonations,  providing  a  very  reliable  and  repeatable 

proof-of-concept setup for the ESTHER driver section.

 

 

1. Outline  

An  1064nm  Nd:Yag  laser  has  been  deployed  on 

the ESTHER test bombe, with the testing of several 

dilution  ratios  from  He  (from  50%  to  about  80%) 

and  with  lean  and  rich  mixtures.  The  obtained 

pressure signals (see Fig. 1) have shown that an He 

dilution  around  70%  with  a  lean  (O2  rich  mixture) 

allow  avoiding  the  outset  of  detonation,  leading  to 

smooth  and  repeatable  pressure  rise  signals.  The 

validation of this concept will allow deploying it on 

the  final  combustion  chamber  of  the  ESTHER 

facility (see Fig. 2). 

 

2. Acknowledgements 

IPFN  activities  received  financial  support  from 

European  Space  Agency  through  contract  23086 

“Kinetic  Shock-Tube  for  Planetary  Exploration”, 

and  from  Fundação  para  a  Ciencia  e  Tecnologia 

through project UID/FIS/50010/2013. 

 

 

Fig.1: sample pressure signals from laser-ignited shots 

 

 

Fig.2: outline view of the ESTHER shock-tube 

Topic number 8 

340

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

 

 

Mobility of negative ions in H

2

O-He mixtures  

 

J. de Urquijo

P

1

P

, E. Basurto

UP

2

P

, O. González-Magaña

1

 

 

P

1

P

 Instituto de Ciencias Físicas, Universidad Nacional Autónoma de México, P.O. Box 48-3, 62251 Cuernavaca, 

Mor. México  

P

2

P

 División de Ciencias Básicas e Ingeniería, Universidad Autónoma Metropolitana, Av. San Pablo 180, 02200, 

Ciudad de México 

 

 

We report the measurement of the drift velocity of negative ions in gaseous H

2

O-He mixtures over a wide 

range of total mixture pressure and H

2

O concentrations over the range 2-70%. A pulsed Townsend apparatus 

was used for the measurements. The present mobility data, measured at values of E/N low enough so that the 

mobility is essentially constant, depend, as expected, on the amount of H

2

O in the mixture; additionally,  for a 

fixed H

2

O concentration in the mixture, the mobility depends on the total pressure. Because of the relatively 

high pressures used in this experiment (4-450 Torr), no mass spectrometry of the negative ions was possible. 

Current work is in progress to identify the ionic species from other means.  

 

1. Introduction 

The field of bioplasmas has been growing at a 

fast rate in view of the many applications in 

medicine, engineering and basic science.  For 

instance, He-H

2

O mixtures are used in atmospheric 

pressure plasmas to treat wounds in human tissue. 

While water may be present due to normal ambient 

humidity, He, a non-reactive rare gas under the 

present conditions, and with an excellent thermal 

conductivity, is a preferred carrier gas. Recent 

studies on the abundance of negative ions in an 

atmospheric discharge plasma report the formation 

of OH

-

 as the dominant species follow by the 

clusters OH

-

(H

2

O)

n

, with n=1-5 [1]. It has been 

recently found from a study on pure H

2

O, performed 

in a pulsed Townsend apparatus that the same kind 

of cluster ions are formed (n=1-3) over the pressure 

range 4-16 Torr [2]. 

 

2. Experimental 

A pulsed Townsend apparatus was used for these 

measurements. Details of the experiment and 

analytical techniques are given in [2]. The 

measurements were limited to regions of E/N where  

no ionisation processes take place. Mixture gas 

pressures between 4-450 Torr were used. 

 

3. Measurements 

The variation of the low-field mobility of negative 

ions in H

2

O-He mixtures is shown in Fig. 1 as a 

function of pressure and H

2

O concentration in the 

mixture. It is interesting to note that apart from the 

variation of the mobility, K

00

, with the H

2

O content 

in the mixture, there is also a well-defined 

dependence with gas pressure. The lines joining the 

points correspond to a linear dependence between 

K

00

 and pressure (the pressure scale is logarithmic). 

 

10

100

0

2

4

6

K

00

      (

c

m

2

 V

-1

 s

-1

)

Pressure     (Torr)

H

2

O-He

Negative ions

2%

5%

10%

20%

50%

70%

100%

 

Figure 1.  The low-field mobility of negative ions in 

H

2

O-He mixtures. Uncertainties in the mobility values 

range from 1-3% 

 

Due to the very high pressures used, no mass 

spectrometric means were used. Current work is 

underway to determine the ionic species from 

indirect means [2].  

 

References 

[1]  P. Bruggeman,  F. Iza, D. Lauwers, Y. 

Aranda,  J. Phys. D 43 (2010) 012003 

[2]   J. de Urquijo, A. Bekstein, G. Ruiz-Vargas 

and F. J. Gordillo-Vázquez, J. Phys. D 46 (2013) 

035201 

 

Acknowledgements 

This work has been partially supported by Conacyt, 

Grant 240073 and PAPIIT-UNAM, IN108417. 

Thanks are due to A. Bustos and G. Bustos for their 

technical support. 

Topic number 1 

341

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

 

 

The use of thermally stimulated luminescence for rapid assessment  

of plasma treated particulate materials 

 

 

J. Ráheľ

1

, T. Morávek

1

, M. Ilčíková

1

 

 

1

 Masaryk University, Department of Experimental Physics, Kotlářská 2, 611 37 Brno,  

Czech Republic  

 

 

Thermally  induced  light  emission  (luminescence)  is  presented  as  a  particularly  suitable  tool  for 

monitoring  the  level  of  plasma  surface  activation.  The  method  is  relatively  fast,  exhibits  a 

surprising  sensitivity  and  allows  evaluation  of  even  poorly  defined  surface,  which  are  typical  for 

particulate  materials.  The  examples  of  three  distinct  materials  are  presented  –  plasma  activated 

PET flakes, cellulose fibres pulp and Al

2

O

3

 powders.   

 

1. Introduction 

The  processing  of  particulate  materials  (i.e. 

substances consisting of individual particles) plays a 

key  role  in  the  number  of  industrial  sectors,  e.g.     

ceramic  and  coatings  engineering,  pharmaceutical, 

composites  or  recycling  industries.  In  many  cases, 

the  surface  of  particulate  material  needs  to  be 

modified  to  achieve  better  interaction  with  given 

liquid  matrix,  e.g.  solvent  or  binder.  For  that,  non-

thermal  plasma  treatment  (PT)  of  particles  surface 

may  be  a  suitable  choice,  chiefly  due  to  its  low 

environmental 

impact. 

The 

vexing 

problem 

associated  with  PT  of  particulate  materials  is  its 

problematic  transport  through  the  active  plasma 

zone. For instance, fine powders are attached to the 

electrodes by electrostatic charging, or blown off by 

the ion wind. These  effects cause a poor control on 

the  average  PT  time  of  material.  Larger  particles, 

such  as  polymer  flakes  or  wood  pulp,  suffer  from 

their  irregular  shape,  which  increase  the  risk  of 

insufficient  PT  at  short  treatment  times.  A  suitable 

diagnostic  tool  allowing  rapid  assessment  of  the 

level of plasma activation is therefore needed for PT 

optimization.  

 

2. Results 

Thermally 

stimulated 

luminescence 

(TSL) 

experiments were performed on the photon-counting 

instrument  Lumipol 3  (SAS,  Bratislava),  which 

detected  the  spectrally  unresolved  VIS  light 

emission  upon  controlled  sample  heating  up  to 

300°C. The PT was done using the diffuse coplanar 

dielectric  barrier  discharge  (DCSBD)  operated  in 

atm. pressure air.  

PET  flakes  with  average  size  of  2.25×17.7mm 

were  PT  for  60  sec  to  achieve  better  mechanical 

properties particleboards made from PET and wood 

particles [1]. Immediately after the treatment, the PT 

flakes  exhibited  10-fold  increase  of  peak  TSL 

intensity.  The  cross-check  XPS  analysis  confirmed 

higher  number  of  oxygen  containing  surface  group. 

Therefore  the  chemiluminescence  (originating  from 

the  recombination  of  peroxy  and  hydroperoxy 

radicals) is most likely detected by TSL.  

Cellulose fibre pulp (GREENCEL, Slovakia) was 

PT  to  promote  its  further  silanization.  TSL 

measurements  showed  2-fold  signal  increase,  while 

the  changes  in  XPS  or  FTIR  spectra  were  not  that 

dramatic.  Although  TSL  signal  was  ambiguous  to 

interpret,  it  proved  again  to  be  a  sensitive  PT 

indicator.  

Finally the submicron Al

2

O

3

 powders were PT to 

enhance  their  dispersion  stability  [2].  PT  treatment 

resulted  in  more  than  15-fold  rise  of  TSL  signal. 

Our  further  analysis  indicated  that  observed  TSL 

signal  is  that  of  thermoluminescence  –  originating 

from  electrons  relaxed  from  the  Al

2

O

3 

trapped 

states, populated during the previous PT.    

  

 

3. Acknowledgement 

This  work  was  supported  by  the  Czech  Science 

Foundation,  Project  No.  GA17-05620S.  This 

research  has  been  supported  by  the  Project 

CZ.1.05/2.1.00/03.0086 

funded 

by 

European 

Regional  Development  Fund  and  Project  LO1411 

(NPU I) funded by Ministry of Education Youth and 

Sports of Czech Republic. 

 

4. References 

[1]  P.  Klímek,  T.  Morávek,  J.  Ráheľ  et  al. 

Composites Part B 90 (2016) 188- 194 

[2]  Z. Szalay,  K.  Bodišová  et  al.  Ceramics 

International 40 (2014) 12737-12743 

 

14 

342

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

 

 

The collisionless transient pinch  

 

J. E. Allen

1,2,3

 and J. Gibson

3

 

 

P

1

P

 University College, Oxford OX1 4BH 

P

2

P

 OCIAM, Mathematical Institute, Oxford, OX2 6GG 

P

3

P

 Blackett Laboratory, Imperial College, London SW7, 2AZ

 

 

The  mechanism  of  the  transient  pinch  at low densities, outlined in an early paper by Rosenbluth, 

has  been  studied  in  detail.  The  thickness  of  the  surface  current  layer  is  found  to  be  the  electron 

inertial  length  (c/ωpe).  The  electron  and  ion  trajectories  have  been  calculated,  the  latter  being 

essentially  due  to  the  electrostatic  field  which  transfers  the  jxB  force  from  the  electrons  to  the 

positive  ions.  The  collapse  velocity  is  comparable  to  the  Alfvén  velocity,  but  the  theory  of 

magnetohydrodynamics (MHD) is not applicable to collision-free plasmas. 

 

References 

[1]  M.  Rosenbluth,  Magnetohydrodynamics,  ed. 

R.K.M. Landshoff, (Stanford University Press, 

1957) p.57. 

 

Topic number 4 

343

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

 

 

Cyclic growth dynamics of nanoparticles in low-pressure rf dusty plasmas 

 

V. Garofano

1

, R. Bérard

2,3

, L. Stafford

1

, C. Joblin

3

, and K. Makasheva

2

 

 

1

Laboratoire de physique des plasmas, Département de physique, Université de Montréal, Québec, Canada 

2

LAPLACE (Laboratoire Plasma et Conversion d’Energie), Université de Toulouse, CNRS, Toulouse, France 

3

IRAP-OMP (Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie), Université de Toulouse, CNRS, Toulouse, France 

 

This  work  investigates  the  dust  formation  dynamics  in  a  low-pressure,  axially-asymmetric,  rf 

argon  discharge  with  pulse  injection  of  hexamethyldisiloxane  (HMDSO,  Si

2

O(CH

3

)

6

).  Light 

scattering  and  optical  emission  spectroscopy (OES)  revealed  oscillations  over  two  time scales:  a 

low-frequency cycle ascribed to the precursor injection and a very-low-frequency cycle linked to 

the dust formation and disappearance. It is found that the amount of injected HMDSO and the rf 

power  significantly  modify  the  period  of  the  formation  and  disappearance  cycle.  The  impact  of 

these parameters on the low- and high-energy electron populations will be discussed.  

 

When  nanoparticles,  or  dust,  grow  inside  a  plasma, 

they  are  subjected  to  numerous  forces.  The  most 

important  ones,  that  allow  or  deny  confinement  of 

the  dust  cloud,  are  the  electrostatic  and  ion  drag 

forces.  Their  significance  comes  from  the  negative 

charge carried by the dust. However, since dust acts 

as a sink of the free electrons, it is not obvious that 

an equilibrium will be reached, in which dust would 

float indefinitely inside the discharge. In fact, a great 

number  of  temporal  and  spatial  instabilities  can  be 

observed in low-pressure dusty plasmas. 

In  our  experiment,  the  plasma  is  generated  between 

two  electrodes  separated  by  3.5 cm,  with  the  top, 

smaller,  RF  driven  electrode  made  of  silver  and  a 

larger, grounded, bottom electrode. One of the most 

important  specificity  in  our  procedure  is  the  pulsed 

injection  of  the  precursor,  HMDSO  (Si

2

O(CH

3

)

6

), 

with a complete cycle of 5 s. It was found that under 

specific  experimental  conditions,  mainly  low  rf 

power  (<  50  W)  and  enough  injected  precursor, 

expressed  here  as  flow  rate  averaged  over  the 

injection period (> 0.16 sccm), a dust cloud appears 

in  the  plasma.  More  importantly,  the  dust  cloud 

presents  a  formation/loss  cyclic  behavior  with  a 

period of a few hundred seconds (see Fig. 1). Fig. 2 

shows  the  evolution  of  the  period  of  dust 

formation/loss  cycle  with  the  relevant  operating 

parameters. HMDSO flow rate accelerates this cycle 

by  providing  a  greater  quantity  of  radicals  needed 

for the dust growth. On the other hand, the rf power 

increases the period of the cycle, most  likely due to 

an  increased  fragmentation  of  the  precursor 

providing  more  atomic  hydrogen,  known  to  act  as 

dust nucleation inhibitor. 

In  a  recent  study,  we  have  used  optical  emission 

spectroscopy  to  examine  the  influence  of  the  dust 

growth  on  the  low-  and  high-energy  electron 

populations  [1].  It  was  shown  that  the  electron 

temperature  (T

e

)  follows  the  same  trend  as  the  dust 

cyclic formation and loss, while the electron density 

(n

e

) has the opposite behavior. In this study, we will 

report  on  the  influence  of  the  injected  HMDSO 

amount and the rf power on T

e

 and n

e

.