Traitement des surfaces avec un plasma à pression atmosphérique froide à l’aide du COST-Jet

En suivant les étapes de ce protocole, tout scientifique devrait être en mesure de configurer le COST-jet, de mesurer la puissance appliquée et d’appliquer le plasma à pression atmosphérique généré dans l’appareil sur un substrat solide ou liquide de manière reproductible. L’application des COST-jets sur des échantillons tels que des substrats biologiques permet une comparaison directe entre les résultats de recherche de différents groupes, ainsi qu’une comparaison directe entre la simulation et l’expérience. Lorsqu’ils sont appliqués à des systèmes complexes tels que des substrats biologiques et des liquides, les COST-jets peuvent vraiment nous aider à simplifier le problème et à nous concentrer sur la science intéressante.

Avant le traitement, préparez le dispositif expérimental en organisant l’alimentation en gaz avec une conduite de gaz entièrement métallique. Choisissez les régulateurs de débit massique utilisés pour fournir le gaz d’alimentation, en évitant tout tube en TPFE ou en plastique similaire. Réaliser l’adjonction de gaz réactifs avec un système composé de plusieurs régulateurs de débit massique.

Pour les adjuvants plus petits, utilisez une unité de contre-mélange pour réduire le temps nécessaire à la fin du mélange. Ajoutez une vanne entre les conduites d’alimentation en gaz et le jet. Nettoyez les conduites d’alimentation en gaz avant le traitement de surface en les pompant et en les remplissant environ trois fois.

Ajoutez une pompe au système et allumez-la, puis éteignez la pompe et allumez le débit de gaz. Ajoutez un piège à tamis moléculaire ou un piège à froid. Connectez l’appareil COST-jet à une alimentation en gaz et à l’alimentation électrique, puis connectez les sondes électriques intégrées à un oscilloscope.

Compensez correctement une sonde de tension commerciale. Ouvrez le boîtier du COST-jet en retirant deux des vis et connectez la sonde de tension commerciale à la ligne de cuivre alimentée ainsi qu’à la partie mise à la terre du jet. Ensuite, effectuez une routine d’étalonnage de la sonde.

Appliquez une petite tension au COST-jet et réglez le condensateur variable du circuit LC avec un tournevis pour obtenir le couplage optimal. Effectuez un étalonnage de tension en comparant la tension réelle à la tension mesurée à l’aide de la régression linéaire et calculez une constante d’étalonnage. Retirez la sonde de tension commerciale et fermez le boîtier COST-jet.

Encore une fois, appliquez une petite tension au COST-jet et réglez le condensateur variable du circuit LC à l’aide d’un tournevis pour obtenir le couplage optimal. Réglez un débit de gaz d’environ un litre standard par minute d’hélium à l’aide des régulateurs de débit massique. Ouvrez la vanne entre le système d’alimentation en gaz et le COST-jet, puis appliquez une basse tension aux électrodes et augmentez l’amplitude jusqu’à ce que le plasma s’enflamme.

Laissez la configuration se réchauffer pendant environ 20 minutes. Connectez l’oscilloscope qui surveille la tension et le courant appliqués au COST-jet à un ordinateur. Démarrez le logiciel COST Power Monitor et passez au panneau Paramètres.

Remplissez les voies correctes connectées à l’oscilloscope et la constante d’étalonnage. Coupez le flux de gaz et appliquez une tension qui se situe dans la plage typique des tensions utilisées pour le fonctionnement réel de la décharge. Passez au panneau Balayage et prenez une phase de référence pendant que le plasma est encore éteint en appuyant sur le bouton Rechercher.

Après avoir trouvé la phase de référence, rallumez le gaz. Appuyez sur les boutons Start et Pause pour démarrer ou mettre en pause les mesures électriques. Avant tout traitement, nettoyez les conduites d’alimentation en gaz, réglez les paramètres de contrôle et laissez à la configuration un certain temps de préchauffage comme décrit précédemment.

Pour le traitement des surfaces solides, choisissez la distance entre le COST-jet et la surface traitée. Commencez le temps de traitement en allumant le plasma ou en utilisant un obturateur mécanique. Si nécessaire, vérifiez le modèle d’écoulement du gaz devant la cible à l’aide de l’imagerie Schlieren.

Pour le traitement liquide, versez le liquide à traiter dans un récipient adéquat, en tenant compte de l’influence du flux de gaz sur la surface du liquide. Commencez le traitement. Évitez les coups de bélier à la surface du liquide en raison d’un changement soudain du débit de gaz, ce qui pourrait provoquer des éclaboussures de liquide dans la géométrie de refoulement.

Utilisez un obturateur mécanique ou augmentez lentement le débit de gaz. Tenez compte du mélange du liquide dû au frottement entre le flux de gaz neutre et la surface du liquide. Ce protocole a été utilisé pour appliquer le COST-jet sur différentes surfaces et liquides.

Pour démontrer la fiabilité de l’appareil, la puissance électrique d’un plasma d’hélium généré dans cinq appareils COST-jet différents a été mesurée à l’aide d’un débit de gaz d’un litre standard par minute. Ici, chaque couleur représente l’un des appareils. Tous les appareils présentent un comportement similaire, avec des écarts provenant de l’incertitude de la mesure de la puissance et des différences microscopiques dans les configurations.

Le profil de gravure d’un film ACH pour un traitement de trois minutes avec le COST-jet est montré ici. Le motif montre une structure circulaire représentant la symétrie cylindrique de l’effluent plasmatique. La probabilité de perte de surface de l’oxygène atomique peut être estimée sur la base de profils de gravure en combinaison avec des simulations numériques.

Les tourbillons dans le liquide sont causés par un flux de gaz qui frappe la surface du liquide. Une feuille laser éclairant les particules traceuses dans le liquide permet d’observer la trajectoire et la vitesse de ces particules via la vélocimétrie par image de particules. La dépression de la surface du liquide sous le canal gazeux du jet de plasma peut également être observée.

La partie la plus importante de ce protocole est de garder le système aussi reproductible que possible. Cela se fait en mesurant avec précision la puissance ainsi qu’en nettoyant les conduites d’alimentation en gaz pour éviter toute impureté. Grâce à ce protocole, le COST-jet peut être appliqué à tout type d’échantillon de manière reproductible.