On phenomena in ionized gases

Role of intracellular RONS in plasma-based cancer treatment 

 

E. Martines

1

, 

U

P. Brun

2

, R. Artico

3

, P. Brun

4

, R. Cavazzana

1

,  

L. Cordaro

1

, G. De Masi

1

, D. Fischetto

3

, A. Zuin

5

, M. Zuin

1

 

 

1

Consorzio RFX, Padova, Italy 

2

Department of Molecular Medicine, Microbiology Unit, University of Padova, Padova, Italy 

3

ENT Department, Civil Hospital, Cittadella (Padova), Italy 

4

Department of Molecular Medicine, Histology Unit, University of Padova, Padova, Italy 

5

Department of Cardio-Thoracic and Vascular Sciences, University of Padova, Padova, Italy 

 

We  describe  an  in-vitro  study  aimed  at  elucidating  the  role  of  Reactive  Oxygen  and  Nitrogen 

Species (RONS) in promoting a selective killing of cancer cells, and the possibility of emphasizing 

the  selectivity  towards  cancer  cells  by  combining  the  plasma  treatment  with  the  effect  of  a 

molecule known to enhance intracellular ROS production. Lung carcinoma cell lines and cultured 

primary cells isolated from surgical samples of laryngeal and lung cancers as well as healthy tissue 

counterparts  were  treated  with  an  RF  plasma  source.  An  increase  in  the  level  of  endogenous 

Reactive  Oxygen  Species  (ROS)  and  of  NO  was  observed,  but  it  was  markedly  higher  in  cancer 

cells  than  in  healthy  ones.  Incubating  the  cells  with  antimycin  A  (AMA),  a  molecule  known  to 

increase  ROS  production,  the  effect  could  be  amplified,  An  increased  expression  of  hypoxia-

inducible factor (HIF)-α amd a higher apoptosis in cancer cells than in healthy ones was observed. 

 

1. Introduction 

The mechanism underlying the beneficial effects 

of  a  low-power,  atmospheric  pressure  plasmas  as  a 

tool for cancer treatment has been traced by several 

authors  to  the  formation  of  intracellular  Reactive 

Oxygen  and  Nitrogen  Species  (RONS).  In  this 

contribution  we  describe  an  in-vitro  study  aimed  at 

elucidating  the  role  of  RONS  in  promoting  a 

selective killing of cancer cells. 

 

2. Experimental procedure 

The  plasma  treatment  applied  for  this  study  is 

performed  with  an  indirect  plasma  source,  which 

uses  a  RF  voltage  to  ionize  a  helium  flow  mixed 

with  ambient  air  in  the  region  between  two  brass 

grids  [1].  The  helium  flow  enriched  with  active 

chemical  species  is  then  sent  to  the  substrate  to  be 

treated. 

H460,  MCF7,  A549  lung  carcinoma  cell  lines 

were grown in DMEM medium + 10% fetal bovine 

serum  (Gibco).  Primary  cell  cultures  were 

established  from  surgical  samples  of  laryngeal 

cancer  and  healthy  counterparts.  Tissue  samples 

were  dissociated  with  collagenase  type  IV  (Sigma) 

at  37°C  for  15  min.  Cells  were  cultured  in  DMEM 

medium  +  10%  fetal  bovine  serum,  and  then 

exposed  to  the  plasma  for  2  min.  Reactive  oxygen 

species  (ROS)  and  nitric  oxide  (NO)  were  detected 

30 min, 4hours, and 24 hours later plasma treatment 

by flow cytometry. Cell death was assessed 24 hours 

later  plasma  treatment  using  Annexin  V-FITC 

Apoptosis Detection Kit (eBioscience). 

 

3. Results 

It  has  already  been  reported  that  this  kind  of 

treatment  induces  an  increase  in  the  level  of 

endogenous  Reactive  Oxygen  Species  (ROS)  in 

eukaryotic  human  cells  [2].  In  the  present  study, 

ROS generation was confirmed, but the increase was 

markedly higher in cancer cells than in healthy ones. 

The same effect was observed for intracellular nitric 

oxide (NO). Furthermore, incubating the cells for 15 

min.  with  antimycin  A  (10ng/mL,  AMA),  a 

molecule known to increase ROS production [3], the 

effect  could  be  amplified,  both  for  ROS  and  NO. 

The  selective  increase  in  endogenous  RONS  was 

associated  to  increased  expression  of  hypoxia-

inducible  factor  (HIF)-α,  an  oxygen-sensitive 

transcriptional activator, and to a higher apoptosis in 

cancer  cells  than  of  their  healthy  counterparts. 

Again, these effects were emphasized by incubating 

with  AMA.  Overall,  these  results  point  to  confirm 

the important role played by RONS in plasma-based 

cancer  treatment,  and  to  the  possible  combination 

with  chemotherapeutic  drugs  to  better  tailor  the 

selective effect induced by the plasma treatment. 

 

5. References 

[1] E. Martines, M. Zuin, R. Cavazzana, et al., New 

J. Phys, 11 (2009) 115014. 

[2] Paola Brun, Surajit Pathak, Ignazio Castagliuolo, 

et al.

, PLOS ONE 9 (2014) e104397. 

[3]  W.  Y.  Hung,  K.  H.  Huang,  C.  W.  Wu,  et  al., 

Biochim. Biophys. Acta 1820 (2012) 1102.

 

17 

368

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

 

 

A Numerical and Experimental Study of Ion Impingement from RF 

Discharge on the Mirror Surface in Strong Magnetic Field  

 

A.A. Kobelev

 P

1

P

, A.S. Smirnov

 P

1

P

, N.A. Babinov

P

2

P

, A.M. Dmitriev

 P

2

P

, E.E. Mukhin

 P

2

P

, and A.G. 

Razdobarin

 P

2

P

 

 

P

1

P

 Department of Plasma Physics, Peter The Great St. Petersburg Politechnic University, St. Petersburg, Russia 

P

2

P

 Ioffe Institute, St. Petersburg, Russia

 

 

Optical elements of Thomson scattering diagnostic system in ITER tokamak will require cleaning 

techniques against the Be-W contaminations. Ion bombardment from radio frequency (rf) discharge 

is promised to be the most efficient technique for remove of deposited metal films. We present a 

numerical study of ion transport in collisional rf sheath in presence of strong magnetic field using 

PIC  simulation.  Calculated  ion  flux  and  energy  distribution  functions  are  compared  with 

experimental  measurements  for  different  noble  gases,  discharge  frequencies  (40  –  100  MHz), 

inclination angles of magnetic field lines (0 – 90 degrees) and magnetic field strength. 

 

1. Introduction 

Thomson  scattering  of  electromagnetic  radiation 

is  one  the  main  methods  to  measure  fusion  plasma 

parameters.  Based  on  this  phenomenon,  optical 

diagnostic  system  uses  mirrors  installed  in  the 

vacuum vessel of tokamak reactor. During the ITER 

tokamak  operation,  sputtered  Be  and  W  elements 

will  be  deposited  on  the  mirror  surface  changing 

reflectance and measured spectra. Therefore, optical 

diagnostic  system  in  ITER  will  require  the 

implementation  of  mirror  cleaning  system.  Ion 

bombardment  from  capacitively  coupled  plasma 

(CCP)  is  considered  to  be  the  most  promising 

method  to  remove  contaminations  from  the  mirror 

surface [1]. 

Development  and  optimization  of  plasma 

cleaning  process  requires  measuring  of  ion  flux 

density, ion angular and energy distribution function 

(IEDF).  The  study  becomes  more  complicated  in 

presence of strong external magnetic field (~ few T)  

inclined to the mirror surface. 

  

2. Modeling and experimental results 

Self-consistent PIC simulations of ion movement 

through  the  collisional  oscillating  CCP  sheath were 

performed  for  noble  gases  (He,  Ar  and  Ne)  in 

presence  of  strong  magnetic  field  (~  0.9  T).  Both 

elastic  and  charge  exchange  collisions  were  taken 

into  account.  Magnetic  field  was  considered  to  be 

spatially uniform. Experimentally measured ion flux 

density  and  potential  drop  across  the  sheath  were 

used as input parameters for PIC simulation. 

Experimental  measurements  of  IEDF  were 

performed  using  retarding  field  energy  analyzer  for 

different  discharge  frequencies  40  –  100  MHz  at 

fixed  discharge  power.  Maximal  magnetic  field 

strength was 0.9 T. 

As the result, we have numerically calculated ion 

energy  and  angular  distribution  functions,  plasma 

sheath  thickness  and  sputtering  coefficients  for 

different noble gases, discharge frequency 40 – 100 

MHz, inclination angle 0 – 90 degrees and magnetic 

field  strength  up  to  0.9  T.  Simulation  results  have 

been  compared  with  experimental  measurements  of 

IEDF and . 

 

3. References 

[1]  A.G.  Razdobarin  et  al,  Nucl.  Fusion.  55 

(2015) 093022 (11pp). 

 

Topic number 14 

369

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

 

 

Hydrogen low-pressure pulsed plasma: measurement of H atom decay in 

the post discharge  

 

X. Yang, D. Kogut, J.M. Layet, G. Cartry 

 

P

PIIM, Service 241, Aix Marseille Université, Centre de St Jérôme, 13397 Marseille Cedex 20, France  

P

 

 

H atom decay in the post discharge of a 10 Pa hydrogen pulsed plasma is measured by two 

different diagnostics, namely two photon absorption laser induced fluorescence (TALIF) 

spectroscopy and Pulsed Induced Fluorescence (PIF) which is a simpler method based on optical 

emission spectroscopy. Both methods are compared and the best one is selected to obtain the 

atomic hydrogen surface loss coefficient from the measurements. 

 

 

1. 

Introduction 

 

Surface loss of atomic or radical species in low-

pressure plasmas is a  key parameter in  modelling 

low pressure plasmas. It has been shown that the 

surface loss is strongly dependent on surface state 

which in turn is dependent on the ion flux to the 

wall [2], on the ion energy, on the surface 

temperature, on the species impinging the wall, etc. 

It is therefore  almost impossible to predict 

theoretically  surface loss coefficients. Most of 

plasma models use published experimental results in 

similar conditions or fit its value to get a good 

agreement with experiments. The best practice is to 

measure the loss coefficient in-situ, if possible. This 

is the aim of the present work. We want to measure 

hydrogen atom loss coefficient on surfaces using 

whether  two photon absorption laser induced 

fluorescence (TALIF) spectroscopy, or Pulsed 

Induced Fluorescence (PIF) which is a simpler 

method based on optical emission spectroscopy.  

 

2. Experimental set-up and results 

2.1. Experimental set-up 

A 3 turn loop antenna is installed above a quartz 

plate on top of a spherical vacuum chamber. Inside 

the chamber a quartz tube of  160 mm in diameter 

and 140 mm in height is limiting the plasma 

extension. A sample holder is placed at the bottom 

of the tube and holds a quartz sample (or any 

material under study) of 100 mm in diameter. The 

plasma geometry is well defined and simplifies both 

calculation of loss coefficient and plasma modelling. 

The antenna is powered by a 13.56 MHz Dressler 

generator  through a matchbox. The plasma is 

operated at 10 Pa of hydrogen or deuterium gas, 

with injection of 1000 W of RF power. The plasma 

is pulsed at 1 or 10 Hz with a duty cycle of 10%. 

The decay of the atomic H density vs. time in the 

post discharge is measured whether  by TALIF  or 

PIF.  For TALIF diagnostic, two photon absorption 

at 205 nm excites ground state hydrogen atoms to 

the level n = 3. Fluorescence from the level n = 3 to 

the level n = 2 at 656 nm is  measured using a 

collimating lens, an interference filter and a 

photomultiplier. For PIF diagnostic, H atoms are re-

excited in the time post discharge by a short plasma 

pulse (probe pulse). The H

α signal at 656 nm at the 

beginning of the probe pulse is assumed to be 

proportional to the density of the remaining atoms in 

the post discharge. For both diagnostics the delay 

between the main pulse and the laser shot or the 

probe pulse is varied in order  to measure H atoms 

versus time in the post discharge. The characteristic 

time of atomic loss in the post discharge is 

correlated with the surface loss probability. 

 

2.2. Result 

Both diagnostics give different results. While H 

atom density at plasma centre  measured by TALIF 

demonstrates a mono-exponential decay in post 

discharge, the line integrated H density obtained by 

PIF demonstrates a bi-exponential decay. In order to 

understand this difference and to  select proper 

measurement to get the surface loss coefficient we 

have developed a simple 2D fluid modelling taking 

into account gas heating and neutral depletion 

effects. The model allows detailing the difference 

between a line integrated signal and a measurement 

at plasma centre. It helps understanding the 

influence  of gas heating on the H atom  density 

variation in post discharge and on the diagnostics.  

 

3. References 

 [1] Cartry, G., L. Magne, and G. Cernogora 

Journal of Physics D: Applied Physics 32, n

ᵒ  15 

(1999): L53. 

[2] C. M. Samuell and C. S. Corr 2014 Journal of 

Nuclear Materials 451 pp 211

 

Topic number 8 

370

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

 

 

Effect of secondary electron emission on subnanosecond breakdown  

 in high-voltage pulse discharge   

 

I V Schweigert

1

, A L Alexandrov

1

, 

 P Gugin

2

, M Lavrukhin

2

, P A Bokhan

2

, Dm E Zakrevsky

2

 

 

1

 

Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics, Novosibirsk, Russia 

2

A V Rzhanov Institute of Semiconductor Physics,  Novosibirsk 630090, Russia  

 

A  subnanosecond  breakdown  in  high-voltage  pulse  discharge  is  studied  in  experiment  and  in 

kinetic simulations for mid-high pressure in helium. It is shown  that the characteristic time of the 

current  growth  can  be  controlled  by  the  secondary  electron  emission.  We  test  the  influence  of 

secondary  electron  yield  on  plasma  parameters  for  three  types  of  cathodes    made  from  titanium, 

silicon carbide  and CuAlMg-alloy. By changing the pulse voltage amplitude and  gas pressure, the 

area of existence of subnanosecond breakdown is identified. 

 

Recently  serious  attention  is  paid  to  the  study  of 

physical  phenomena  of  subnanosecond  current 

development  in  discharge  plasma  in  super-high-

electric fields at mid- and high-pressures. 

In  this  paper,  in  the  experiment  and  in  PIC  MCC 

simulations we study the breakdown development in 

the high voltage  discharge with  3 types of cathodes 

made  from  different    materials.  All  these  materials 

have  enhanced  secondary  electron  emission  yield.  

Our  purpose  is  to  find  a  way  to  decrease  the 

discharge  breakdown    time  by  testing  different 

cathode materials and changing the gas pressure and 

voltage.  The  breakdown  in  the    high-voltage  pulse 

discharge  in  helium  is  studied  in  the  experimental 

cell  with  two  round  cathodes  with  the  total  area  of 

1.6 cm2 placed 6 mm apart. A mesh-anode is placed 

between  the  cathodes.  The  pulse  voltage  is 

simultaneously  applied  to  both  cathodes  and    two 

oppositely  directed  electron  beams  are  generated  

due  to  cathode  emission.    The  voltage  amplitude 

ranges from  4 kV to 12 kV and P=10-35~Torr. The 

cathodes  are  symmetrically  connected  to  the 

external  low-inductance  circuit  and  the mesh-anode 

is  grounded.  The  pulse  shape  is  registered  with  the 

low-inductive  resistive  divider  with  the  rate  about 

20:1  using  oscilloscope  Tektronix  DPO  70804C 

with  a  bandwidth  of  8  GHz.  The  experimental 

details were described in [1]. In the experiments, the 

cathodes  made  from  titanium  (Ti),  silicon  carbide 

(SiC),  and  CuAlMg  alloy    were  tested.    All  these 

materials    have  large  SEE  coefficient  γ

e

,  but  the 

dependence  of  γ

e

  from  the  electron  energy  is 

different.  In  our  simulations,  we  solve  Boltzmann 

equations for electrons, ions and fast neutral atoms. 

Poisson  equation  describes  the  electric  potential. 

The  details  of  the  model  can  be  found  in  [2].  The 

effect  of  P  on  breakdown  time  is  shown  in  Fig.2. 

The  record  switching  time  for  SiC  and  CuAlMg-

alloy  is  τs  <0.4ns  and  for  Ti  is  4-5  times  larger.  In 

conclusion    there  is  a  specific  range  of  discharge 

parameters,  5-10  kV  and  P=15-35  Torr,  within  that 

the record switching time τs <1 ns can be achieved.  

 

8

9

10

11

12

13

14

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

3

2

U, kV

1

t, ns

 

Fig.  1.  Voltage  measured  (solid  lines)  and  calculated 

(lines  with  symbols)  cathodes  from  titanium  (1),  silicon 

carbide  (2)  and  CuAlMg-alloy  (3)  for  Ua=10  kV  and 

P=25 Torr. 

  

 

Fig. 2 Breakdown time via U for CuAlMg-alloy cathode 

for different P. 

 

[1]    Bokhan  P  A  et  al  2016  In:  Generation  of  runaway 

electron  beams  and  x-rays  in  high  pressure  gases  (NY: 

Nova Science Publishers Inc) 221  

[2] I.V. Schweigert, et al PRE, 90, 051101(R) (2014); I.V. 

Schweigert, et al PSST 24, 044005 (2015) 

Topic number 18 

371

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

 

 

Bio-relevant NO

x

 generated by transient spark in atmospheric dry air  

and air with water electrospray  

 

Z. Machala

1

, K. Hensel

1

, B. Tarabová

1

, M. Janda

1

 

 

P

1

P

 Faculty of Mathematics, Physics and Informatics, Comenius University in Bratislava, Slovakia  

P

 

 

Generation  of  nitrogen  oxides  (NO

x

)  was  studied  in  a 

DC-driven  self-pulsing  transient  spark  (TS) 

discharge  in  atmospheric  pressure  air.  The  precursors  of  NO

x

  production  and  the  TS 

characteristics were studied by nanosecond time-resolved optical diagnostics. Thanks to the short 

(~20–50  ns)  high  current  (~1  A)  spark  pulses,  highly  reactive  non-equilibrium  plasma  is 

generated. The NO

x

 production rate of ~7×10

16

 

molecules/J was achieved in dry air, dependent on 

TS  repetition  frequency,  i.e.  power,  which  is  related  to  the  complex  frequency-dependent 

discharge properties and thus NO

2

/NO generating mechanisms. With water electrosprayed through 

the  TS,  gaseous  NO

x

  formation  was  lowered  but  induced  chemical  changes  in  water  make  it of 

biomedical importance. 

 

1. 

Introduction

 

Nitrogen oxides (NO

x

) are typical by-products of 

air  plasmas  that  have  important  bio-relevant 

properties, e.g. as antimicrobial (NO

2

), physiological 

(NO),  and  anesthetics  (N

2

O)  agents. We studied  the 

generation  of  NO  and  NO

2

  in the transient  spark 

(TS)  discharge  in  atmospheric  pressure  air,  using 

optical  emission  spectroscopy  combined  with  the 

post-discharge gas composition analysis by FTIR.  

The  TS  is  a  DC-driven  repetitive  self-pulsing 

discharge  with  20-50 ns  short  spark  current  pulses 

initiated  by  streamers,  with  the  pulse  repetition 

frequency  1-10 kHz  [1].  It  has  been  successfully 

applied  for  flue  gas  cleaning  and  bio-

decontamination  of  water  [2].  The  air  TS  can  be 

combined  with  the  electrospray  of  water,  which 

induces  formation  of  nitrites,  nitrates,  hydrogen 

peroxide and peroxynitrites and demonstrates strong 

antibacterial  properties  of  such  plasma  activated 

water [2]. 

 

2. Results 

Generation  of NO

x

 in the gas phase was studied 

in  dry  air,  and  in  the  air  humidified  by  water 

electrosprayed through the discharge. The dominant 

stable  gas  phase  products  in  dry  air  were  nitrogen 

oxides,  while  ozone  was  not  detected  (<10  ppm 

detection  limit).  NO  formation  steeply  increases 

with  the  discharge  power,  as  shown  in  Fig.  1.  The 

sum  of  NO  and  NO

2

  concentration  >400 ppm  was 

achieved  with  power  input  below  6 W. The  highest 

NO

x

  (NO  +  NO

2

)  generation  rate  achieved  was 

around  7×10

16

  molecules/J  [3].  Due  to  their  easy 

dissolution in the water and possibly also due to the 

discharge cooling by water and thus decreased NO

x

 

formation, the NO

x

 densities were found lower in air 

humidified by the water electrospray (Fig. 1). 

 

0

50

100

150

200

250

300

350

3

4

5

6