Behandlung von Oberflächen mit einem kalten Atmosphärendruckplasma mit dem COST-Jet

Durch das Befolgen der Schritte dieses Protokolls sollte jeder Wissenschaftler in der Lage sein, den COST-Jet einzurichten, die angelegte Leistung zu messen und das im Gerät erzeugte Atmosphärendruckplasma auf reproduzierbare Weise auf ein festes oder flüssiges Substrat aufzubringen. Die Anwendung der COST-Jets auf Proben, wie z.B. biologische Substrate, ermöglicht den direkten Vergleich zwischen Forschungsergebnissen verschiedener Gruppen sowie den direkten Vergleich zwischen Simulation und Experiment. Wenn sie auf komplexe Systeme wie biologische Substrate und Flüssigkeiten angewendet werden, können die COST-Jets uns wirklich helfen, das Problem zu vereinfachen und uns auf die interessante Wissenschaft zu konzentrieren.

Bereiten Sie vor der Behandlung den Versuchsaufbau vor, indem Sie die Gasversorgung mit einer Vollmetallgasleitung arrangieren. Wählen Sie die Massendurchflussregler, die zur Bereitstellung des Speisegases verwendet werden, und vermeiden Sie TPFE oder ähnliche Kunststoffschläuche. Realisieren Sie die Beimischung von reaktiven Gasen mit einem System, das aus mehreren Massendurchflussreglern besteht.

Verwenden Sie bei kleineren Zusatzmitteln eine Gegenmischeinheit, um die Zeit zu verkürzen, die bis zum Abschluss des Mischens benötigt wird. Fügen Sie ein Ventil zwischen den Gaszuleitungen und der Düse hinzu. Reinigen Sie die Gaszuleitungen vor der Oberflächenbehandlung, indem Sie sie ca. dreimal pumpen und wieder befüllen.

Fügen Sie dem System eine Pumpe hinzu und schalten Sie sie ein, schalten Sie dann die Pumpe aus und den Gasfluss ein. Fügen Sie eine Molekularsiebfalle oder Kühlfalle hinzu. Schließen Sie das COST-jet-Gerät an eine Gasversorgung und an die Stromversorgung an und schließen Sie dann die integrierten elektrischen Sonden an ein Oszilloskop an.

Kompensieren Sie eine handelsübliche Spannungssonde ordnungsgemäß. Öffnen Sie das COST-jet-Gehäuse, indem Sie zwei der Schrauben entfernen und die handelsübliche Spannungssonde an die strombetriebene Kupferleitung sowie den geerdeten Teil der Düse anschließen. Führen Sie als Nächstes eine Sondenkalibrierungsroutine durch.

Legen Sie eine kleine Spannung an den COST-jet an und stimmen Sie den variablen Kondensator der LC-Schaltung mit einem Schraubendreher ab, um die optimale Kopplung zu erreichen. Führen Sie eine Spannungskalibrierung durch, indem Sie die tatsächliche Spannung mit der gemessenen Spannung mittels linearer Regression vergleichen und eine Kalibrierkonstante berechnen. Entfernen Sie die handelsübliche Spannungssonde und schließen Sie das COST-jet-Gehäuse.

Legen Sie auch hier eine kleine Spannung an den COST-jet an und stimmen Sie den variablen Kondensator der LC-Schaltung mit einem Schraubendreher ab, um die optimale Kopplung zu erreichen. Stellen Sie mit den Massendurchflussreglern einen Gasdurchfluss von ca. einem Standardliter Helium pro Minute ein. Öffnen Sie das Ventil zwischen dem Gasversorgungssystem und dem COST-Jet, legen Sie dann eine niedrige Spannung an die Elektroden an und erhöhen Sie die Amplitude, bis sich das Plasma entzündet.

Lassen Sie das Setup ca. 20 Minuten lang aufwärmen. Schließen Sie das Oszilloskop, das die an den COST-jet angelegte Spannung und den Strom überwacht, an einen Computer an. Starten Sie die COST Power Monitor-Software und wechseln Sie zum Einstellungsfenster.

Geben Sie die korrekten Kanäle, die an das Oszilloskop angeschlossen sind, und die Kalibrierkonstante ein. Schalten Sie den Gasfluss ab und legen Sie eine Spannung an, die im typischen Bereich der Spannungen liegt, die für den eigentlichen Betrieb der Entladung verwendet werden. Wechseln Sie zum Sweep-Bedienfeld und nehmen Sie eine Referenzphase auf, während das Plasma noch ausgeschaltet ist, indem Sie die Taste "Suchen" drücken.

Nachdem Sie die Referenzphase gefunden haben, schalten Sie das Gas wieder ein. Drücken Sie die Start- und Pause-Taste, um die elektrischen Messungen zu starten oder zu pausieren. Reinigen Sie vor jeder Behandlung die Gaszuleitungen, stellen Sie die Steuerungsparameter ein und lassen Sie der Einrichtung wie zuvor beschrieben eine gewisse Aufwärmzeit.

Für die Behandlung von Mineraloberflächen wählen Sie den Abstand zwischen dem COST-Strahl und der behandelten Oberfläche. Starten Sie die Behandlungszeit, indem Sie entweder das Plasma einschalten oder einen mechanischen Verschluss verwenden. Gegebenenfalls wird das Gasströmungsmuster vor dem Ziel mit Hilfe der Schlieren-Bildgebung überprüft.

Für die Flüssigkeitsaufbereitung wird die zu behandelnde Flüssigkeit unter Berücksichtigung des Einflusses des Gasflusses auf die Flüssigkeitsoberfläche in einen geeigneten Behälter gegossen. Beginnen Sie mit der Behandlung. Vermeiden Sie Druckstöße auf der Oberfläche der Flüssigkeit aufgrund einer plötzlichen Änderung des Gasflusses, die zu Flüssigkeitsspritzern in die Auslassgeometrie führen könnten.

Verwenden Sie einen mechanischen Verschluss oder erhöhen Sie langsam den Gasfluss. Berücksichtigen Sie die Vermischung der Flüssigkeit aufgrund der Reibung zwischen neutraler Gasströmung und Flüssigkeitsoberfläche. Dieses Protokoll wurde verwendet, um den COST-Jet auf verschiedene Oberflächen und Flüssigkeiten aufzubringen.

Um die Zuverlässigkeit des Geräts zu demonstrieren, wurde die elektrische Leistung in einem Heliumplasma, das in fünf verschiedenen COST-jet-Geräten erzeugt wurde, mit einem Gasfluss von einem Standardliter pro Minute gemessen. Hier steht jede Farbe für eines der Geräte. Alle Geräte zeigen ein ähnliches Verhalten mit Abweichungen, die auf die Unsicherheit der Leistungsmessung und mikroskopische Unterschiede in den Aufbauten zurückzuführen sind.

Hier ist das Ätzprofil eines ACH-Films für eine dreiminütige Behandlung mit dem COST-jet zu sehen. Das Muster zeigt eine kreisförmige Struktur, die die zylindrische Symmetrie des Plasmaabflusses darstellt. Die Wahrscheinlichkeit des Oberflächenverlusts von atomarem Sauerstoff kann auf der Grundlage von Ätzprofilen in Kombination mit numerischen Simulationen abgeschätzt werden.

Wirbel in Flüssigkeiten werden durch Gasströme verursacht, die auf die Flüssigkeitsoberfläche treffen. Ein Laserblatt, das Tracerpartikel in der Flüssigkeit beleuchtet, ermöglicht es, die Flugbahn und Geschwindigkeit dieser Partikel mittels Particle Image Velocimetry zu beobachten. Auch die auftretende Vertiefung der Flüssigkeitsoberfläche unter dem Gaskanal des Plasmastrahls ist zu beobachten.

Der wichtigste Teil dieses Protokolls besteht darin, das System so reproduzierbar wie möglich zu halten. Dies geschieht durch eine genaue Messung der Leistung sowie durch die Reinigung der Gasversorgungsleitungen, um Verunreinigungen zu vermeiden. Mit Hilfe dieses Protokolls kann der COST-jet reproduzierbar auf jede Art von Probe angewendet werden.