Обработка поверхностей плазмой холодного атмосферного давления с помощью COST-Jet

Краткое содержание

Этот протокол представлен для характеристики установки, обработки и применения COST-Jet для обработки различных поверхностей, таких как твердые и жидкие вещества.

Аннотация

В последние годы плазма без теплового атмосферного давления широко используется для обработки поверхности, в частности, из-за ее потенциала в биологических приложениях. Тем не менее, научные результаты часто страдают от проблем воспроизводимости из-за ненадежных условий плазмы, а также сложных процедур лечения. Для решения этой проблемы и обеспечения стабильного и воспроизводимого источника плазмы был разработан справочный источник COST-Jet.

В этой работе мы предлагаем подробный протокол для выполнения надежных и воспроизводимых поверхностных обработок с использованием эталонной микроплазменной струи COST (COST-Jet). Обсуждаются распространенные вопросы и подводные камни, а также особенности COST-Jet по сравнению с другими устройствами и его выгодный дистанционный характер. Приведено подробное описание обработки как твердой, так и жидкой поверхности. Описанные методы универсальны и могут быть адаптированы для других типов плазменных устройств атмосферного давления.

Введение

Плазма холодного атмосферного давления (CAPs) привлекла повышенный интерес в последние годы из-за ее потенциала для применения в поверхностных обработках. CAP характеризуются своими неравновесными свойствами, что позволяет проводить комплексную химию плазмы с высокой плотностью реакционноспособных видов при сохранении низкого теплового воздействия на обработанные образцы. Поэтому ЦАПы рассматриваются, в частности, для лечения биологических тканей^1,2,3,4. Многочисленные концепции и конструкции CAP успешно используются для дезинфекции и заживления ран, свертывания крови и лечения рака, среди других биомедицинских применений. Большая часть биологической ткани содержит жидкости. Поэтому исследования также все больше фокусируются на изучении влияния CAP на жидкие поверхности, такие как клеточная среда или вода^5,6,7.

Однако научные результаты часто страдают от проблем надежности и воспроизводимости^8,9,10. С одной стороны, обработанные биологические субстраты подвержены естественным вариациям. С другой стороны, биологические механизмы редко напрямую приписывались плазменным процессам (таким как электрические поля, ультрафиолетовое излучение, долгоживущие и короткоживущие виды и т. Д.). Кроме того, эти плазменные процессы, в свою очередь, сильно зависят от отдельного источника плазмы и точного типа его применения.

Кроме того, подробные протоколы лечебных процедур редко доступны. Это затрудняет выделение влияния того или иного параметра плазмы на исход лечения, что делает полученные результаты непереносимыми.

Поэтому в последнее время были предприняты различные попытки стандартизировать обработку поверхностей, тканей и жидкостей с использованием плазмы холодного атмосферного давления. Здесь мы представляем только некоторые избранные примеры.

1. Для упрощения прямого сравнения различных источников плазмы был разработан справочный источник. Вдохновленный сообществом плазмы низкого давления, воспроизводимая и стабильная конструкция разряда (COST-Jet) была разработана в рамках действия COST MP 1101, которая может служить эталонным источником для будущих биомедицинских исследований^11.
2. Для обеспечения сопоставимости были разработаны справочные протоколы для отдельных приложений. Для стандартизации сравнения антимикробных свойств плазмы холодного атмосферного давления, например, Mann et al. определили эталонный протокол лечения микроорганизмов путем нормализации времени обработки на единицу^{12 площади.}
3. Для более гибкого подхода Kogelheide et al. разработали метод исследования плазменно-индуцированных химических модификаций на макромолекулах^13. Используя индикаторные соединения, такие как цистеин и/или цистеинсодержащий глутатион (GSH) в сочетании с FTIR и масс-спектрометрией, они попытались экстраполировать химические модификации на биологические субстраты. Используя этот метод, несколько источников плазмы, таких как COST-Jet, kinPen и Cinogy DBD, уже были сопоставлены^14,15,16.
4. Для непосредственного сравнения отдельных источников плазмы необходимо установить сопоставимые контрольные параметры. Основные параметры плазмы, такие как электронная температура, электронная плотность и плотность потока активных веществ, трудно измерить в плазме атмосферного давления, поскольку такая плазма часто является преходящей и ее размеры малы. Вместо этого внешние параметры управления, такие как мощность генератора, приложенное напряжение или зажигание, а также точки дуги, часто используются в качестве эталона, особенно при сравнении результатов с моделированием^17,18. Совсем недавно измеренное потребление электроэнергии было использовано в качестве более надежного контрольного параметра^19,20,21.

Несмотря на эти усилия, сравнение результатов различных исследований все еще может быть невозможным, просто из-за проблемы правильного нанесения источника плазмы на поверхность. Существует огромное количество распространенных ловушек, которые необходимо решать при работе с приложениями плазмы атмосферного давления, такими как влияние внешних электрических полей (компенсационные цепи), петли обратной связи между плазмой и окружающей средой (экранированная атмосфера), перенос видов (ионный ветер) и параметры управления (напряжение, ток, мощность).

Основной целью этой работы является предоставление тщательного, подробного протокола по применению COST-Jet для обработки поверхностей. COST-Jet является надежным источником плазмы, который был разработан для научных справочных целей, а не для промышленного или медицинского использования. Он обеспечивает воспроизводимые условия сброса и широкую базу данных доступных исследований^22,23. COST-Jet основан на однородной, емкостно связанной RF-плазме. Поскольку электрическое поле ограничено перпендикулярно потоку газа, заряженные виды в основном содержатся в области разряда и не взаимодействуют с мишенью или окружающей атмосферой. Кроме того, ламинарной поток газа обеспечивает воспроизводимые химические условия плазмы в плазменных стоках.

В этой статье мы рассмотрим наиболее распространенные проблемы и представим возможные решения, которые были использованы в литературе. К ним относятся надлежащая подача газа, контроль разряда, воздействие окружающей атмосферы и подготовка поверхности. Соблюдение представленного здесь протокола должно обеспечить воспроизводимость и сопоставимость измерений.

Протокол может также служить примером для других источников атмосферного давления. Он должен быть очищен для других источников струйной плазмы в соответствии с индивидуальным потоком газа и конфигурацией электрического поля. Там, где это применимо, мы постараемся указать на возможные корректировки протокола. Описанные этапы следует учитывать и сообщать о ней при публикации исследований, применяющих плазму атмосферного давления к обработанным образцам.

Протокол

1. Подача кормового газа и контролируемая атмосфера

1. Настройте газоснабжение, состоящее из цельнометаллических газовых линий, избегая любых ТПФЭ или аналогичных пластиковых труб^24. Держите линии газоснабжения как можно короче, чтобы избежать каких-либо примесей и облегчить перекачку системы газоснабжения.
2. Выберите контроллеры массового расхода, используемые для подачи питательного газа в соответствии с типичными скоростями потока газа COST-Jet. Используйте рабочий газ с чистотой не менее 99,999%.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Основным рабочим газом COST-Jet является гелий. Работа может быть реализована при скорости потока от 100 sccm до около 5000 sccm, причем 1000 sccm является наиболее распространенным значением.
3. Реализовать примесь реакционноспособных газов системой, состоящей из нескольких контроллеров массового расхода. Для небольших примесей используйте блок контрмешивания, чтобы сократить время, необходимое для смешивания до²⁵.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Распространенными примесями являются кислород и азот со скоростью потока порядка 5 см (0,5% рабочего газа).
4. Добавьте клапан между линиями подачи газа и струей, чтобы предотвратить попадание влажного воздуха в газоснабжение, когда устройство не используется, поскольку вода является наиболее распространенной и наиболее проблематичной примесью в плазме атмосферного давления, критически влияющей на химию плазмы.
5. Очистите линии подачи газа перед обработкой поверхности, чтобы уменьшить примеси в трубках. Для этого либо просто установите умеренный расход газа около 1000 sccm гелия и промывайте линии подачи, либо, предпочтительно, многократно перекачиваем и заправляйте линии питания (примерно три раза).
   ПРИМЕЧАНИЕ: При простой промывке линий подачи газа для очистки системы может потребоваться несколько часов, в зависимости от состояния загрязнения.
6. Добавьте ловушку молекулярного сита или холодную ловушку (например, с использованием жидкого азота) к линиям подачи газа для дальнейшего снижения влажности в подаемом газе.
7. Если вместо этого в качестве реагента желательно контролируемое количество воды, добавьте барботер в систему^26,27.
8. Рассмотрите возможность создания контролируемой атмосферы для вашего эксперимента, поскольку изменения в составе окружающей атмосферы могут повлиять на химические реакции в плазменных стоках.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Этот эффект, вероятно, не очень выражен для COST-Jet^28,поскольку конфигурация электрического поля ограничивает плазму внутренней частью разрядного канала, но может играть важную роль для других устройств CAP, где активная плазма частично находится вне устройства.

2. Сборка и настройка устройства

1. Подключите устройство COST-Jet к газоснабжению. Непосредственно подключите устройство к 1/4-дюймовой трубке Swagelok из нержавеющей стали. Используйте адаптеры для различных стандартов труб.
2. Подключите COST-Jet к блоку питания с помощью экранированного кабеля BNC, оснащенного разъемом SMC.
3. Подключите встроенные электрические датчики к осциллографу для мониторинга напряжения и тока, используя резистор 50 Ом в качестве терминации.
4. Откройте корпус COST-Jet и подключите к медной линии с правильной компенсацией коммерческого напряжения, а также к заземленной части струи (например, газовой трубке Swagelok) и осциллографу.
5. Выполните процедуру калибровки зонда: подайте небольшое напряжение на COST-Jet и настройте переменный конденсатор LC-цепи с помощью отвертки для достижения оптимальной связи (максимизация измеренного напряжения). Выполните калибровку напряжения путем сравнения фактического напряжения (коммерческий зонд) с измеренным напряжением (реализованный зонд) с помощью линейной регрессии и расчета калибровочной константы. Снимите коммерческий датчик напряжения и закройте корпус COST-Jet.
6. Опять же, подайте небольшое напряжение на COST-Jet и настройте переменный конденсатор LC-цепи с помощью отвертки для достижения оптимальной связи.
7. Воспламените плазму в устройстве COST-Jet: во-первых, установите расход газа примерно на 1 сл/мин гелия с помощью контроллеров массового расхода (MFC). Откройте клапан между системой газоснабжения и последним COST-Jet. Затем приложите низкое напряжение к электродам и увеличьте амплитуду до тех пор, пока плазма не воспламенится.
8. Если при первом зажигании электроды нечисты и препятствуют зажиганию, подайте высокое начальное напряжение и быстро уменьшите его после зажигания. В качестве альтернативы, используйте искровой пистолет, чтобы облегчить первое зажигание.
9. Установите параметры управления работой (расход газа, приложенное напряжение) на нужные значения.
10. Дайте установке немного времени прогрева, чтобы обеспечить термостабилизацию (около 20 минут) для обеспечения стабильных и воспроизводимых условий эксплуатации.
11. Чтобы изменить состав газа во время экспериментов, обеспечьте приблизительное время равновесия 2 минуты в зависимости от настройки подачи газа.
    ПРИМЕЧАНИЕ: COST-Jet теперь готов к применению.

3. Измерение мощности

1. Подключите осциллограф, контролируя напряжение и ток, подаваемые на COST-Jet, к компьютеру.
2. Установите на компьютер²⁹ программное обеспечение «COST power monitor», которое позволяет контролировать питание в режиме реального^{времени 11,19.}
3. Настройте связь между программным обеспечением и осциллографом, реализуя необходимые команды для управления конкретным осциллографом.
4. Запустите программное обеспечение монитора питания COST и переключитесь на панель настроек. Заполните правильные каналы, подключенные к осциллографу, и константу калибровки, определенную на шаге 2.4.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Кнопка Find может использоваться для автоматического расчета калибровочного коэффициента, если коммерческий датчик напряжения подключен к COST-Jet.
5. Переместись на панель «Развертка». Возьмите фазу отсчета, пока плазма еще выключена, нажав кнопку Найти. Выключите поток газа перед этим измерением и подайте напряжение, которое находится в типичном диапазоне напряжений, используемых для фактической работы разряда, поскольку плазма не будет воспламеняться в воздухе из-за гораздо более высокого напряжения воспламенения по сравнению с газовыми смесями с преобладанием благородных газов. Используйте это измерение для автоматической коррекции относительного сдвига фаз между датчиками напряжения и тока, предполагая фазу 90 ° идеального конденсатора здесь.
6. Нажмите кнопку Пуск и Пауза, чтобы начать или приостановить электрические измерения.
7. Управляйте COST-Jet по желанию. Используйте фактическую электрическую мощность, рассчитанную по амплитудам напряжения и тока, а также их фазовому сдвигу, которые непрерывно отображаются в программном обеспечении для мониторинга и в качестве контрольного параметра.

4. (Твердая) обработка поверхности

1. Настройте контролируемую атмосферу для эксперимента.
   ПРИМЕЧАНИЕ: В случае COST-Jet контролируемая атмосфера менее важна, чем для источников с активным химическим составом плазмы вне замкнутого разрядного канала.
2. Очистите линии подачи газа, как описано в шаге 1.5.
3. Установите нужные рабочие параметры и подождите примерно 20 минут, пока COST-струя не достигнет стабильной температуры.
4. Выберите расстояние между COST-Jet и обрабатываемой поверхностью, так как расстояние определяет количество реакционноспособных веществ, поражающих обрабатываемую поверхность^30. Используйте xyz-ступень для крепления подложки для удобства манипуляций.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Для COST-Jet зазор безопасности добавляет один дополнительный миллиметр к расстоянию между плазменным разрядом и обрабатываемой поверхностью.
5. Начните лечение: просто включите плазму или используйте механический затвор. Помните о возможном превышение напряжения во время события переключения, приводящего к сужению разряда. Для лучшего управления в диапазоне ms используйте поворотный затвор.
6. Обработайте образец в течение нужного количества времени и завершите время обработки, выключив плазму или используя затвор.
7. При необходимости проверьте структуру потока газа перед мишенью с помощью визуализации Шлирена при обработке подложки, поскольку эффекты поверхностной зарядки, сил сопротивления ионов или смешивания окружающего воздуха из-за плавучести могут влиять на количество реакционноспособных веществ, достигающих поверхности.

5. Обработка жидкости

1. Установите контролируемую атмосферу для эксперимента.
2. Очистите линии подачи газа, как описано в шаге 1.5.
3. Установите нужные рабочие параметры и подождите примерно 20 минут, пока COST-jet достигнет стабильной температуры.
4. Выберите расстояние между COST-Jet и обработанной жидкостью.
5. Вылейте жидкость для обработки в соответствующий контейнер. Используйте инертный материал, чтобы избежать реакций потенциально генерируемых реакционноспособных веществ в жидкости с контейнером. Выберите размер контейнера в соответствии с объемом обрабатываемой жидкости.
6. Рассмотрим влияние газового потока на поверхность жидкости: в зависимости от скорости потока газа, имейте в виду вогнутый мениск, который может образоваться, тем самым изменяя расстояние между плазмой и поверхностью жидкости.
7. Начните лечение. Избегайте скачков давления на поверхности жидкости, вызванных внезапным изменением потока газа, так как это может вызвать брызги жидкости в геометрию разряда, возможно, вызывая короткое замыкание и, безусловно, загрязняя плазму. Вместо этого используйте механический затвор или медленно увеличивайте поток газа.
8. Учитывайте смешивание/перемешивание жидкости из-за трения между потоком нейтрального газа и поверхностью жидкости, поскольку это влияет на процессы переноса и профили концентрации в жидкости. Дополнительно, в зависимости от времени обработки, корректировать испарение жидкости во время обработки (например, при расчете констант реакции). В зависимости от источника плазмы, имейте в виду, что это испарение может вызвать обратное соединение с разрядом, тем самым изменяя химический состав плазмы.
9. Пожалуйста, также учитывайте, что реакционная способность с возможными реагентами в жидкостях также зависит от поверхностной активности этого агента. Таким образом, в некоторых случаях поверхностно-активные вещества могут играть важную роль во взаимодействии между короткоживущими видами и жидкостями.

Результаты

Используя методы и оборудование, описанные выше, мы примерно применили COST-Jet на различные поверхности и жидкости. На рисунке 1 показана экспериментальная установка, используемая для обработки, включая источник питания, систему газоснабжения, датчики напряжения и тока, а также контролируемую атмосферу и механический затвор.

Рисунок 1: Экспериментальная установка, используемая для плазменной обработки поверхностей и жидкостей с использованием COST-Jet. Для очистки питательного газа используется холодная ловушка. Контролируемая атмосфера реализуется перекачиваемой вакуумной камерой при атмосферном давлении. Механический затвор облегчает управление временем обработки твердых и жидких поверхностей. Гибкая ступень позволяет контролировать расстояние между плазменной струей и поверхностью. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Используя датчик напряжения и тока, реализованный в COST-Jet, можно рассчитать рассеиваемую электрическую мощность. На рисунке 2 показана измеренная электрическая мощность в гелиевой плазме, генерируемая в пяти различных устройствах COST-Jet с использованием газового потока 1 slpm. Все устройства демонстрируют одинаковое поведение. Отклонение между различными устройствами происходит из-за неопределенности измерения мощности, а также микроскопических различий в настройках, таких как расстояние до электрода. Более подробные измерения активных веществ (например, атомарного кислорода и озона), температуры и мощности, а также измерения бактерицидной активности были выполнены Riedel^22.

Рисунок 2: Рассеиваемая мощность в функции приложенного напряжения в гелиевой плазме. Данные представляют собой пять идентичных COST-Jet устройств^34. Малые отклонения при высоких напряжениях обусловлены неопределенностями измерения, а также небольшими отклонениями в геометрии газоразрядного канала^22. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

На фиг.3 показан профиль травления пленки a:C-H для 3-минутной обработки COST-Jet с использованием газового потока гелия 1,4 slpm с примесью 0,5% кислорода, измеренного с использованием спектроскопического рефлектометра^31. Рисунок травления показывает круглую структуру, представляющую цилиндрическую симметрию плазменных стоков. На основе профилей травлирования в сочетании с численным моделированием можно оценить вероятность потери поверхности атомарного кислорода.

Рисунок 3: Профиль травли плазменной пленки a:C-H. Погружение в пленку травили с использованием газовой смеси 1,4 слм гелия с примесью 0,6% кислорода при напряжении 230 В RMS и времени_{обработки} 3 мин.³¹Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

На рисунке 4 показаны возникающие вихри в жидкости, вызванные газовым потоком, встряхивающимся на поверхность жидкости. Лазерный лист, освещающий индикаторные частицы в жидкости, позволяет наблюдать траекторию и скорость этих частиц с помощью скорости изображения частиц и, следовательно, изучать поток жидкости^32. Важно учитывать одинаковую плотность частиц посева и жидкости, чтобы траектории частиц представляли движение жидкости. С этой визуализацией измерения расхода жидкости и численное моделирование можно сравнить^33. Вихри обусловлены поверхностным трением между потоком сточных газов и поверхностью жидкости. На рисунке 4 также показано происходящее углубление поверхности жидкости под газовым каналом плазменной струи, так называемым мениском. Он визуализируется синей линией.

Рисунок 4: Фотография освещенных частиц кукурузного крахмала в 3 мл воды, перемешиваемой потоком газа. Вихри обусловлены поверхностным трением между потоком сточных газов и поверхностью жидкости. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Обсуждение

Здесь мы демонстрируем использование плазменной струи атмосферного давления для обработки поверхности различных материалов. Экспериментальная установка для плазменной струи атмосферного давления может оказывать огромное влияние на параметры плазмы, химию и производительность и, следовательно, влияет на результат плазменной обработки и является критическим шагом в протоколе.

Например, линии подачи газа играют важную роль в отношении наиболее распространенной примеси в питательном газе плазмы, которая является влажностью. В частности, производство активных форм азота в плазме снижается, в то время как производство активных форм кислорода является предпочтительным из-за низкой энергии ионизации кислорода по сравнению с молекулами воды и азотом^35. Зима²⁴ выяснила, что влажность питательного газа, исходящая из молекул воды на поверхности внутренней трубки, на порядок выше при использовании полимерных трубок по сравнению с металлическими трубами из-за более высокой пористости и емкости для хранения. Его можно уменьшить, промыв линии питательным газом. Однако сушка линии промывкой занимает пару часов. Поэтому полимерные трубки следует избегать или, по крайней мере, держать как можно короче. Эти результаты подчеркиваются исследованиями Große-Kreul^25. Они сравнили влияние полиамидных и нержавеющих труб на химию плазмы с помощью масс-спектрометрии. Их измерения подтверждают образование ионов кластера воды в плазме из-за отвода воды из полимерных трубок и более быстрого времени высыхания металлическими трубками. Кроме того, они исследовали влияние методов очистки газа, таких как ловушка молекулярного сита и холодная ловушка жидкого азота, на химию плазмы, которая помогла уменьшить количество примесей примерно на два порядка.

Вместо того, чтобы пытаться очистить питательный газ, существует также подход добавления контролируемого количества влажности. Поскольку эта преднамеренная примесь затем доминирует над естественными примесями и, таким образом, контролирует химию плазмы, воспроизводимые условия обеспечиваются до тех пор, пока точно известно количество добавленной влажности.

Для воспламенения разряда приложенное напряжение к электродам обычно можно просто увеличить до точки пробоя. Однако, в зависимости от условий поверхности электродов, иногда необходимо высокое напряжение. Для облегчения зажигания можно использовать высоковольтный искровой пистолет. Это также может быть полезно при попытке воспламенить выброс аргона в COST-Jet.

Перед нанесением COST-Jet на любые поверхности следует выделить достаточно времени для уравновешивания устройства. При установке желаемых параметров управления COST-Jet требуется приблизительно 20 минут для достижения стабильных условий^11. За это время температура прибора, температура газа, а также химия плазмы достигают устойчивого состояния.

Для сравнения научных результатов необходимы сопоставимые параметры контроля плазмы. Для измерения входной электрической мощности монитор мощности COST может быть использован²⁹. Программное обеспечение с открытым исходным кодом и совместимо с рядом различных типов осциллографов. Программное обеспечение работает по принципу, описанию Golda^19.

В дополнение к влиянию влажности кормового газа на химию плазмы, перенос реакционноспособных видов из плазмы в субстрат играет важную роль в составе сточных вод и является еще одним критическим этапом в протоколе. Окружающая атмосфера может влиять на виды, созданные в плазме, на их пути к субстрату. Чтобы свести к минимуму это влияние, используются две различные концепции: (i) Во-первых, может быть создана контролируемая атмосфера, состоящая из питательного газа. Таким образом, состав окружающей атмосферы можно поддерживать постоянным. В зависимости от уровня чистоты, необходимого для обработки, контролируемая атмосфера может быть реализована с помощью защитных корпусов, оснащенных односторонним клапаном для предотвращения избыточного давления. Для более высоких уровней чистоты можно использовать вакуумную камеру с насосом. ii) Во-вторых, контролируемая атмосфера может быть создана с помощью экранной газовой завесы вокруг плазменных стоков^36,37. Обычно он состоит из инертного газа, но его также можно варьировать в зависимости от потребностей применения.

К счастью, для COST-Jet влияние окружающей атмосферы сравнительно низкое. Используя изотопную маркировку, Горбанев показал, что для плазменной струи параллельного поля активные формы кислорода и азота, достигающие поверхности жидкости, образовывались в плазменной газовой фазе, а также в области между плазменным соплом и образцом^38,39. Напротив, используя ту же технику для COST-Jet, они обнаружили, что RONS почти исключительно происходит из плазменной фазы, а не из окружающей среды^28. Вероятно, это связано с тем, что электрическое поле ограничено плазменным каналом разряда COST-Jet. Это делает плазменный разряд в значительной степени независимым от окружающей среды и придает ему определенный отдаленный характер.

Для плазменной струи продольного электрического поля Darny et al.⁴⁰ показали, что полярность электрического поля изменяет структуру газового потока и, следовательно, также на реактивные виды, которые достигают цели из-за ионного ветра. Зависимость плотности реактивных видов от окружающей среды была подтверждена измерениями Stancampiano et al.^7. Они сообщили о разнице количества активных видов, создаваемых в очищенной воде, в зависимости от электрических характеристик. Чтобы компенсировать эти различия, им пришлось создать компенсирующую электрическую цепь. Это поведение отличается для COST-Jet: на рисунке 5 сравниваются изображения Шлирена COST-Jet без приложенного напряжения и во время работы для двух разных скоростей потока газа. Изображения были сделаны с использованием одного зеркального встроенного выравнивания, как описано Келли^41. Они показывают, как горизонтально выровненные стоки COST-Jet попадают на плоскую стеклянную подложку. Оба изображения показывают одну и ту же картину потока газа. Это связано с отсутствием ионного ветра из-за отсутствия заряженных видов в плазменных стоках.

Кроме того, COST-Jet демонстрирует очень ламинарную схему потока. Келли⁴¹ показал изображения Шлирена, аналогичные тем, которые представлены на рисунке 5,для различных скоростей потока газа. Даже при сравнительно высоких скоростях потока газа в 2 slpm плазменные стоки не показывают признаков турбулентности. При очень низких расходах газа 0,25 slpm и ниже плавучесть гелиевых стоков начинает играть определенную роль. Однако на расстоянии до 4 – 5 мм от сопла окружающая атмосфера не влияет на состав газа, достигающий поверхности, как это продемонстрировал Эллервег с помощью масс-спектрометрии^17.

Все вышеперечисленные характеристики добавляют к отдаленному характеру COST-Jet. Это делает его идеальным кандидатом для контролируемой, сопоставимой обработки поверхностей.

Рисунок 5: Изображения Шлиреном COST-Jet с приложенным напряжением и без него для двух различных скоростей потока газа. Во время работы плазмы рисунок потока газа в точности напоминает рисунок только с потоком газа. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

В зависимости от желаемого воздействия на обрабатываемый образец, параметры контроля газового потока смеси, приложенной электрической мощности и расстояния между плазменным источником и поверхностью могут быть отрегулированы соответствующим образом. Для COST-Jet существует широкая литературная база данных исследований, изучающих активные виды в сточных водах. Например, Willems³⁰ измерил плотность атомарного кислорода с помощью масс-спектрометрии, тогда как Schneider⁴² измерил плотность атомарного азота в сточных водах.

Обработка жидкостей плазмой атмосферного давления может вызывать различные возможные механизмы реакции, управляемые реакционноспособными видами, ионами, фотонами или электрическими полями. Благодаря ранее описанным характеристикам COST-Jet, влияние электрического поля, ионов и фотонов незначительно по сравнению с источниками плазмы, где плазма находится в непосредственном контакте с жидкостями. Поэтому для изучения влияния короткоживущих реактивных веществ, таких как атомарный кислород, на раствор фенола COST-струя использовалась Hefny⁴³ и Benedikt^44. Кроме того, COST-Jet предоставляет удобную возможность сравнения экспериментов и численного моделирования обработки жидкости^28. Поскольку во взаимодействии между плазмой и жидкостью преобладает поток газа реакционноспособных форм из плазмы на поверхность жидкости, сложность модели может быть уменьшена.

Вызванное потоком газа перемешивание жидкости увеличивает скорость реакции между реакционноспособными видами, генерируемыми плазмой, и жидкостью. В отличие от поверхностной обработки твердых веществ, конвекция жидкости постоянно изменяет локальную концентрацию реагентов. Кроме того, скорость реакций между образующихся в плазме веществ с реагентами в жидкости также зависит от поверхностной активности этих реагентов. С увеличением поверхностной активности концентрация реагента на поверхности жидкости увеличивается. Эти поверхностно-активные вещества могут играть важную роль в реакционной способности короткоживущих видов, генерируемых плазмой.

Наряду с перемешиванием поток газа, попадающий на поверхность жидкости, также вызывает испарение, которое необходимо учитывать. Использование COST-Jet с коротким временем обработки испарение может играть незначительную роль, хотя все еще необходимо учитывать для расчета правильной скорости реакции. На разряд COST-Jet испарение не влияет, и поэтому химия плазмы также не влияет. Для различных источников плазмы, где, например, плазма находится в прямом контакте с жидкостью, химия плазмы значительно изменяется с испарением, как показано Тянем и Кушнером⁴⁵ для диэлектрического барьерного разряда. Также для kINPen был определен эффект испарений^46.

Помимо этих упомянутых различий в химии плазмы, которые необходимо учитывать для различных источников плазмы, также изменяется топология мениска, индуцированного потоком газа на поверхности жидкости. Глубина этого мениска обычно зависит от скорости газа. Для источников плазмы, где конфигурация электрода индуцирует значительное электрическое поле, достигающее жидкости или даже с плазмой, контактирующей с жидкостью, этот мениск может быть повышен^{на 47,48.} Как показано, необходимо учитывать несколько эффектов в соответствии с используемым источником плазмы.

В будущем этот протокол может быть использован для проведения и описания обработки поверхности и жидкости с использованием COST-Jet. Это стабильный, воспроизводимый источник плазмы, демонстрирующий уникальный отдаленный характер среди множества различных конструкций плазменных струй. Эти же методы не ограничиваются только источником COST-Jet и могут быть модифицированы и адаптированы для использования с любым источником плазмы холодного атмосферного давления.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье

Имя	Компания	Каталожный номер	Комментарии
Программное обеспечение для контроля мощности COST	собственного производства		в соответствии с www.cost-jet.eu и J Golda et al 2016 J. Phys. D: Appl. Phys. 49 084003
COST-Jet (включая согласующую схему)	собственного производства		в соответствии с www.cost-jet.eu и J Golda et al 2016 J. Phys. D: Appl. Phys. 49 084003
датчик тока	собственного производства		интегрированный в
систему	газоснабжения COST-JetSwagelok		нержавеющая сталь
гелий	Air Liquide		99,999 % чистый
массовый регулятор расхода (MFC)	Analyt-MTC	series 358	5000 sccm
MFC	Analyt-MTC		50 sccm
осциллограф	Agilent Technologies	DSO7104B	полосой пропускания 1 ГГц, разрешение 4 Гвыб/с
кислород	Air Liquide		Источник питания 99,9999 % чистоты
	собственного производства		в соответствии с www.cost-jet.eu и J Golda et al 2016 J. Phys. D: Appl. Phys. 49 084003
измерительный щуп	напряжения Tektronix	P5100A
xyz-stage	Zaber	ZAB-X-XAZ-LSM0100A-K0059-SQ3