On phenomena in ionized gases

 

Fig. 1. Time evolution of the injection of the HMDSO 

precursor (dash-dot) for a duty cycle of 0.56 (t

on

 = 2.8 s) 

and the intensity of the Hg line at 546 nm (solid line). 

 

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

100

150

200

250

300

5

10

15

20

25

110

120

130

140

150

160

170

 

 

 

Averaged HMDSO flow (sccm)

(a)

(b

)

 

 

Per

io

d

 o

f 

th

e 

fo

rmati

o

n

 /

 d

isap

p

ear

an

ce 

cycl

e 

(s)

Power (W)

 

Fig. 2. Evolution of the formation / disappearance period 

with the averaged HMDSO flow rate (a) and rf power (b). 

 

[1]  V.  Garofano,  L.  Stafford,  B.  Despax,  R. 

Clergereaux,  and  K.  Makasheva,  Appl.  Phys.  Lett. 

107, 183104 (2015). 

12 

344

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

 

 

EHD thruster discharge simulation on N

2

-O

2

 mixture at low pressure 

 

V.H. Granados

P

1

P

, 

U

P.A. Sá

UP

1

P

, M.J. Pinheiro

P

2

P

 

 

P

1

P

 Departamento de Engenharia Física, Faculdade de Engenharia, Universidade do Porto, Porto, Portugal 

P

2

P

 Departamento de Física, Instituto Superior Técnico, Universidade de Lisboa, Lisboa, Portugal 

 

An  axisymmetric  2D  self-consistent  electrohydrodynamic  (EHD)  thruster  model  is  presented.  In 

order  to  emulate  air  we  considered  a  set  of  electron-impact  reactions  along  with  chemical  and 

surface reactions for a total of 12 species and 26 reactions. The geometry of the thruster consists of 

a  pin  anode  and  a  hollow  funnel-like  cathode  to  facilitate  the  flow  of  neutrals  along  the  cathode 

interior. The ions tend to neutralize into their ground state upon contact with the electrodes and the 

simulation  border.  Additionally,  when  ions  impact  the  cathode,  a  secondary  electron  emission 

occurs  helping  sustain  the  discharge.  We  found  the  concentration  of  each  ion  along  the  axis  of 

symmetry to understand their role in the discharge.  

 

1. Introduction and model 

DC-discharges  are  typically  studied  with  simple 

parallel  plate-to-plate  geometries  which  are  not 

beneficial for thrust production. Our model presents 

a  hollow  cathode  that  allows  charged  particles  to 

move between electrodes while neutrals flow inside 

the  cathode  chamber  crossing  it  axially  by 

momentum transfer collisions [1].  

We  solve  the  continuity  equation  for  electron 

density  and  electron  energy  density,  including 

source  terms  governed  by  the  corresponding 

reaction rates of all the considered reactions. 

The total considered species are: 

e, O, O

2

, O

3

, N

2

+

, 

N

4

+

,  O

2

+

,  O

4

+

,  O

2

+

N

2

,  O

-

  and  O

2

-

.  For  electron-impact 

reactions  we  use  cross-section  data.  All  reactions 

may  be  found  on  [2].  The  pressure  is  10  Torr 

(1333.2  Pa)  and  the  voltage  400  V  is  applied 

through a RC circuit with R = 10 MΩ and C = 1 pF. 

 

2. Results and analysis 

The discharge was brought to convergence using 

a  time-dependant  solver  using  the  finite-element 

software COMSOL Multiphysics® 5.2a. 

 

Figure  1:  Spatial  distribution  of  (left)  electron  density  in 

m

-3

 and (right) electric potential in V. Pressure p=10 Torr. 

In Figure 1 we can see the spatial distribution of 

the  electron  density  showing  a  maximum  value  of 

2.09x10

15

  m

-3

  at  the  entrance  of  the  cathode 

chamber,  which  corresponds  to  the  region  where 

equipotential  lines  bend  the  most.  The  latter  is  due 

to  the  fact  that  electron  cloud  moves  under  the 

influence of the electric force, which is proportional 

to the potential gradient pointing to that region. 

 

Figure  2:  Number  densities  of  all  ions  along  the  central 

axis. Pressure p=10 Torr, potential on anode V=250 V. 

Ions  number  densities  along  the  axial  distance 

from  the  anode  are  shown  in  Figure  2;  the  N

4

+

 

specie is the dominant positive ion, followed by O

2

+

 

and  N

2

+

  since  the  momentum  transmitted  to  the 

neutrals  from  Lorentzian  collisions  is  proportional 

to  the  ions  mobility,  and  considering  the  higher 

mobility  of  N

4

+

  in  dry  air,  its  contribution  is 

considerable in inducing gas flow velocity. The O

2

+

 

ion  builds  up  in  the  region  between  electrodes 

reaching  a  density  of  3.4x10

12

  m

-3

  and  rapidly 

decreasing  during  the  potential  drop  (2-4  cm  along 

the  line)  and  then  presenting  an  increase  becoming 

analogous to the N

4

+

 ion outside the chamber. 

 

3. References 

[1] V.H. Granados, M.J. Pinheiro, P.A. Sá, Phys. 

Plasmas 23 (2016) 073514. 

[2]  L.  Xing-Hua,  H.  Wei,  Y.  Fan,  W.  Hong-Yu, 

L. Rui-Jin, X. Han-Guang. Chin. Phys. B 21 (2012) 

075201. 

8 

345

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

 

 

Kinetics of Neon Atmospheric Pressure Plasma Jets 

 

Susumu Kato

1*

, Masanori Fujiwara

1

, Hiromasa Yamada

1,2

, Yutaka Fujiwara

1,2

,  

Satoru Kiyama

1

, and Hajime Sakakita

1,2

 

 

P

1

P

 Innovative Plasma Processing Group, Electronics and Photonics Research Institute, National Institute of 

Advanced Industrial Science and Technology (AIST), 305-8568, Japan 

P

2

P

 Graduate School of Systems and Information Engineering, the University of Tsukuba, 305-8577, Japan 

 

We propose a simple kinetic model to explain the discharge sustaining mechanism in atmospheric 

pressure plasma jets (APPJs) by taking into account the metastable kinetics. The discharge in neon 

APPJs is sustained by the balance between the creation and the loss of the total amount of ions and 

metastable atoms within the drift current using the simple kinetic model calculation.  

 

1. Introduction 

Atmospheric  pressure  plasma  jets  (APPJs)  have 

recently  attracted  much  interest  not  only  for  many 

applications  [1]  but  also  for  plasma  physics  [2,3]. 

One of the most interesting phenomena in APPJs is 

bullet propagation [2]. Another is striation which has 

been  observed  between  a  nozzle  exit  and  a 

conductive target plate in neon APPJs [3].  

It  is  not  clear,  however,  how  the  plasma  is 

sustained  in  neon  APPJs.  Especially,  the  role  and 

kinetics  of  the  excited  state  (metastable)  are  not 

clear  even  though  it  is  believed  to  be  an  important 

role  [4].  In  this  paper,  we  studied  the  sustaining 

mechanism considering the metastable kinetics. 

 

2.Sustaining mechanism and kinetics of discharge 

In  the experiment  there  are  drift currents  around 

4 ～ 8 mA at each peak between the nozzle exit and 

the  conductive  target  plate  for  applied  voltage  and 

frequency of 2.9ｋV and 61.7 kHz, respectively [3].  

 We  assumed  that  the  drift  current  consists  of 

electrons  that  are  supplied  from  ionization  of  both 

metastable  and  ground  state  atoms.  The  plasma  is 

sustained  by  the  balance  between  the  creation  of 

metastable  atoms  by  the  electron  impact  excitation 

from  the  ground  state  and  the  loss  of  the  total 

amount of ions and metastable atoms. 

A simple kinetic model is proposed to explain the 

sustaining  mechanism.  The  kinetic  model  includes 

only neon and electron reactions, those are  

 1) Ne + e -> Ne

*

 + e,  

 2) Ne + e -> Ne

+

 + 2e,  

 3) Ne

*

 + e -> Ne

+

 + 2e, 

 4) Ne

2

+

 + e -> Ne

*

 + Ne,  

 5) Ne

*

 + Ne

*

 -> Ne

+

 + Ne + e,  

 6) Ne

+

 + 2Ne -> Ne

2

+

 + Ne,  

 7) Ne

*

 + 2Ne -> Ne

2

*

 + Ne, 

 8) Ne

2

*

 -> 2Ne+ hν, 

where e, Ne

+

, Ne

*

, Ne

2

+

, and Ne

2

*

 are electron, neon 

ion,  metastable  atom,  ion  diatomic  molecule,  and 

excited  diatomic  molecule,  respectively.  The  rate 

coefficients  related  to  electrons  depend  on  the 

electron  energy  distribution  which  was  decided  by 

the  reduced  electric  field  E/N,  where  N  is  the  gas 

density.  The  rate  coefficients  and  the  drift  velocity 

were  calculated  using  the  BOLSIG  code  [5].

  In the 

model, Penning ionization by the mixing of neon gas with 

surrounding air were ignored. 

 

3. Simulation results 

We  solved  the  rate  equations  for  the  reduced 

electric  field,  which  was  simplified  based  on  the 

current  waveform  [3],  assumed  to  be  repetition  of 

rectangular waves of E/N = 4.0 Td and their periods 

with  2.0  and  1.0  µs  corresponding  to  positive  and 

negative current, respectively. Figure shows the time 

evolution of the electron number density.

  

 

0

1x10

12

2x10

12

3x10

12

4x10

12

0

10

20

30

40

50

Electron density (cm

-3

)

Time (μs)

 

Fig. Time evolution of the electron number density. 

 

Acknowledgements 

This  work  was  supported  by  a  JSPS  KAKENHI 

(15H03760)

 

and  a  Grant-in-Aid  for  Scientific 

Research on Priority Area (24108006). 

 

References 

[1]  D.  B.  Graves,  J.  Phys.  D:  Appl.  Phys.  45 

(2012) 263001; M. G. Kong et al., New J. Phys. 11 

(2009) 115012. 

[2] M. Teschke et al., IEEE Trans Plasma Sci., 33  

(2005) 310; X. Lu et al, Phys. Rep. 540 (2014) 123. 

[3]  Y.  Fujiwara  et  al.,  Jpn.  J.  Appl.  Phys.  55 

(2016) 010301.  

[4] Q. Li et al. J. Appl. Phys. 107 (2010) 043304. 

[5]  G.  J.  M.  Hagelaar  and  L.  C.  Pitchford,   

Plasma Sources Sci. Technol. 14 (2005) 722. 

10) 

346

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

 

 

Performance optimisation of a high-pressure argon dielectric barrier 

discharge excimer lamp: transient behaviour of the VUV output  

 

R. Carman

P

1

P

, 

U

D. Kane

UP

1

P

, N. Goldberg

P

2

P

, S. Hansen

2

 and N. Gore

P

2

P

 

 

P

1

P

Department of Physics and Astronomy, Macquarie University, North Ryde, Sydney, Australia 

P

2

P

Agilent Technologies Inc., 5301 Stevens Creek Blvd, Santa Clara, CA 95051, USA 

 

We report an experimental study of the operating characteristics of an air-cooled, high-pressure 

argon excimer VUV lamp (

~126nm), driven by a dielectric barrier discharge (DBD), in the 

regime of high electrical power loadings close to the thermal loading limit. Remarkably, under 

such conditions, the VUV output is seen to reach a maximum a few seconds after turn-on, and 

thereafter decrease by ~50% within a few minutes. Although the rate of decrease in the VUV 

output is shown to be matched in part to the thermally induced rate of gas expansion from the 

plasma region, we propose this VUV 

“spiking” behaviour is similar to that reported by Gerasimov 

(Opt. & Spectros. 83, 534, 1997) for an interrupted discharge in a liquid N

2

 cooled excimer lamp.

 

 

1. Introduction 

We have investigated the electrical and optical 

characteristics of a high-pressure argon excimer 

lamp excited by a dielectric barrier discharge (DBD) 

when operated with relatively high electrical power 

loadings. The excimer lamp produces 

=115-140nm 

(~10eV) photons in the vacuum-ultraviolet (VUV) 

spectral region which are effective at ionizing many 

chemical analytes. The availability of intense, 

narrow-band VUV light sources could potentially 

make a big impact in the field of mass spectrometry 

ion sources. The specific aim of this work is to 

optimise the overall VUV output power and 

efficiency of an excimer lamp by undertaking a 

detailed experimental characterisation of its 

performance over a range of operating parameters 

for the DBD plasma (namely argon pressure up to 

~1bar, short-pulse bipolar and sinusoidal high- 

voltage waveform excitation, waveform peak 

voltage, duty-cycle, and repetition frequencies up to 

100kHz). A wide range of operating conditions has 

been tested up to the thermal loading limit of the air-

cooled VUV lamp. The optical and electrical 

diagnostics and techniques employed are broadly 

similar to those described in [1].    

2. Results 

The experimental results clearly show an 

improvement of the overall lamp performance when 

utilizing short-pulsed high-voltage excitation 

waveforms compared to conventional sinusoidal 

ones at comparable electrical input power loadings. 

Lamp performance, in terms of maximum VUV 

output optimised at the highest gas pressures and 

input power loadings investigated (p=800-900mb, 

~2W/cm

3

). In this regime, however, it was generally 

observed that the

 

lamp attained

 

maximum VUV 

output a few seconds after turn-on, after which the 

output dropped by ~50% over the first few minutes 

of running, whilst the input power remained 

unchanged. To investigate the potential to run the 

lamp with sustained high VUV output, we studied 

this phenomenon by monitoring the long-term VUV 

output of the lamp when subjected to several periods 

of interruption of the electrical power. We observed 

that the VUV output “spike” decayed exponentially 

in time in three distinct stages, with two of the 

deduced time constants matching those for thermally 

induced expansion of the fill gas from the lamp’s 

plasma region. However, the large ~50% drop in 

VUV output cannot be attributed solely to a 

reduction of gas density and/or to the increased 

average gas temperature in the lamp’s plasma 

region. Similar spiking of the VUV output has been 

reported previously by Gerasimov et-al [2], in an 

experimental study of an interrupted discharge in a 

liquid nitrogen cooled capillary Krypton excimer 

lamp. They observed a ~50% drop of VUV intensity 

over several seconds after lamp turn-on, and 

attributed the initial enhanced VUV output from Xe, 

Kr and Ar gas fills to enhanced production of the 

principal VUV emitting species (e.g. Kr

2

*

(1

u

,O

u

+

)) 

via electronic excitation of weakly-bound molecular 

ground states e.g. Kr

2

(O

g

+

) formed during the “off” 

period of a cooled (77K) discharge. We propose that 

we may be observing the same intrinsic VUV 

spiking phenomena in an excimer-based VUV lamp, 

only in our case with gas fills at, or slightly above, 

room temperature (without liquid nitrogen cooling).  

 

[1] R.J. Carman, D.M. Kane and B.K. Ward, 

J.Phys.D: Appl.Phys., 43, (2010) 025205.  

[2] G.N. Gerasimov, B.E. Krylov, R. Hallin, A. 

Arnesen and F. Heijkenskjold, Optics and 

Spectroscopy, 83(4), (1997) 534-540. 

Topic 16 

347

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

 

 

Morphological and spectral features of interstellar carbon dust analogues 

deposited in high power regime DBD  

 

B. Hodoroaba

1

, D. Ciubotaru

1

, G.B. Rusu

1

, A. Chiper

1

, V. Pohoata

1

, I. Mihaila

2

, I. Topala

1

 

 

P

 

1

IPARC, Faculty of Physics, Alexandru Ioan Cuza University, Iasi, Romania 

2

Integrated Center of Environmental Science Studies in the North-Eastern Development Region (CERNESIM) 

 

In recent years, particle synthesis using plasma based techniques became  an appropriate tool to 

obtain  laboratory  analogues  of  carbon  interstellar  dust.  Thus  it  is  possible  to  deposit  carbon 

based  films  or  powders  on  various  substrates,  with  morphological and spectral features similar 

to  the  radio  telescope  observations  or  dust  collectors  on-board  the  space  probes.  We  discuss 

here  the  possibility  of  employing  the  high  power  regime  DBD  in  helium-hydrocarbon  gas 

mixtures to synthetize carbon based dust analogues.  

 

1. Introduction 

Carbonaceous  and  silicate  dust  grains  represent 

around  1  %  of  the  interstellar  medium  (ISM)  total 

mass. Surface reactions on grains or on ices formed 

around  the  grains  play  important  roles  in  many 

astrophysical or astrochemical processes. Thus, it is 

of  interest  to  synthetize  nanometer  and  micrometer 

sized  solid  particles,  showing  morphological  and 

spectral  similarities  to  the  ones  observed  in  ISM. 

Various spectral, morphological or structural criteria 

can  be  used  to  discuss  the  similarity  degree  of 

synthetic  products  to  data  from  space  and  Earth 

based  instruments.  Plasma  particle  synthesis 

represents  a  good  solution  to  obtain  in  controlled 

conditions,  showing  reproducible  chemistry,  size 

distribution and morphological features. We present 

here results concerning the high power regime DBD 

deposition of carbon based particles.   

  

 

2. Experimental 

The  helium  /  hydrogen  (1%)  /  hydrocarbon 

(C

n

H

2n+2

,  n=  1  -  4)  (10%)  containing  plasma  at 

atmospheric  pressure  was  generated  using  a  barrier 

discharge  in  parallel  plate  configuration.  The 

discharge  was  excited  using  short  duration  positive 

voltage  pulses,  5.7  kV  amplitude,  400  ns  pulse 

width,  100  ns  rise  time  and  1  kHz  repetition 

frequency.  The electrode assembly was hosted by a 

stainless  steel  chamber,  vacuumed  prior  all 

experiments. 

The 

discharge 

operation 

was 

monitored  by  electrical,  gas  temperature,  emission 

spectroscopy  measurements  and  fast  imaging.  The 

exit gas from reactor, sampled in vacuumed gas cells 

with  NaCl  windows,  was  analysed  by  FTIR  to 

identify 

the 

molecular 

composition. 

The 

carbonaceous deposits were investigated by electron 

microscopy  (SEM)  and  various  spectroscopic 

methods (UV-VIS, FTIR, Raman, XPS). 

3. Results and discussion 

By admixing H

2

 and CH

4

 to the helium main gas, 

plasma  electrical  parameters  vary.  The  amplitudes 

of  both  discharge  current  peaks  was  around  8  A 

during  the  HV  pulse  rise  and  fall  times.  This 

corresponds to 8 kW power peak and 20 mJ energy 

per  pulse,  implying  a  high  power  regime  as 

compared with classic DBDs. 

The  deposits  shows  spectral  features  similar  to 

astrophysical products (e.g. the 3.4 



m, 6.8 



m, 7.2 



m bands) and the morphology as revealed by SEM 

shows  the  aggregation  of  sub-micrometric  grains  to 

form micrometer sized solid particles. 

       

 

 

Figure 1. Typical SEM image of a carbon based dust 

particle obtained in He/H

2

/CH

4

 DBD.