Oppervlakken behandelen met een koud atmosferisch drukplasma met behulp van de COST-Jet

Hier demonstreren we het gebruik van een atmosferische drukplasmastraal voor oppervlaktebehandelingen van verschillende materialen. De experimentele opstelling voor een atmosferische drukplasmastraal kan een enorm effect hebben op de plasmaparameters, chemie en prestaties en beïnvloedt bijgevolg de uitkomst van plasmabehandelingen en is een cruciale stap in het protocol.

Als voorbeeld spelen de gastoevoerleidingen een belangrijke rol met betrekking tot de meest voorkomende onzuiverheid in het voedingsgas van het plasma dat vochtigheid is. In het bijzonder wordt de productie van reactieve stikstofsoorten in het plasma verminderd, terwijl de productie van reactieve zuurstofsoorten wordt bevorderd, vanwege de lage ionisatie-energie van zuurstof in vergelijking met watermoleculen en stikstof³⁵. Winter²⁴ ontdekte dat de luchtvochtigheid van het voergas afkomstig van watermoleculen op het oppervlak van de binnenband een orde van grootte hoger is met behulp van polymere buizen in vergelijking met metalen buizen vanwege de hogere porositeit en opslagcapaciteit. Het kan worden verminderd door de leidingen door te spoelen met voergas. Het drogen van de lijn door middel van spoelen duurt echter een paar uur. Daarom moeten polymere buizen worden vermeden of op zijn minst zo kort mogelijk worden gehouden. Deze bevindingen worden onderstreept door studies uit Große-Kreul²⁵. Ze vergeleken het effect van polyamide en roestvrijstalen buizen op de plasmachemie met behulp van massaspectrometrie. Hun metingen bevestigen de ionenvorming van waterclusters in het plasma als gevolg van wateruitgassing uit polymere buizen en snellere droogtijden met metalen buizen. Daarnaast onderzochten ze het effect van gaszuiveringsmethoden zoals een moleculaire zeefval en een vloeibare stikstofkoude val op de plasmachemie, die hielpen om de hoeveelheid onzuiverheden met ongeveer twee ordes van grootte te verminderen.

In plaats van te proberen het voedergas te zuiveren, is er ook de aanpak van het toevoegen van een gecontroleerde hoeveelheid vochtigheid. Aangezien deze opzettelijke onzuiverheid vervolgens de natuurlijke onzuiverheden domineert en zo de plasmachemie controleert, zijn reproduceerbare omstandigheden verzekerd zolang de hoeveelheid toegevoegde vochtigheid precies bekend is.

Voor de ontsteking van de ontlading kan de toegepaste spanning op de elektroden meestal eenvoudig worden verhoogd tot het punt van afbraak. Afhankelijk van de oppervlakteomstandigheden van de elektroden is soms echter een hoogspanning nodig. Om de ontsteking te vergemakkelijken, kan een hoogspanningsvonkpistool worden gebruikt. Dit kan ook nuttig zijn bij het ontsteken van een argonontlading in de COST-Jet.

Voordat de COST-Jet op oppervlakken wordt aangebracht, moet voldoende tijd worden uitgetrokken om het apparaat op gelijke hoogte te brengen. Wanneer de COST-Jet is ingesteld op de gewenste besturingsparameters, heeft hij ongeveer 20 minuten nodig om stabiele omstandigheden te bereiken¹¹. Gedurende deze tijd bereiken de temperatuur van het apparaat, de gastemperatuur en de plasmachemie een stabiele toestand.

Voor vergelijking van wetenschappelijke resultaten zijn vergelijkbare plasmacontroleparameters nodig. Voor het meten van het elektrische ingangsvermogen kan de COST-vermogensmonitor worden gebruikt²⁹. De software is open-source en compatibel met een reeks verschillende soorten oscilloscopen. De software werkt volgens het principe beschreven door Golda¹⁹.

Naast het effect van de luchtvochtigheid van het voergas op de plasmachemie, speelt het transport van reactieve soorten van het plasma naar het substraat een belangrijke rol in de effluentsamenstelling en is het een andere cruciale stap in het protocol. De omringende atmosfeer kan de soorten beïnvloeden die in het plasma worden gecreëerd op weg naar het substraat. Om deze invloed tot een minimum te beperken, worden twee verschillende concepten gebruikt: (i) Ten eerste kan een gecontroleerde atmosfeer worden ingesteld die bestaat uit het voedergas. Zo kan de samenstelling van de omringende atmosfeer constant worden gehouden. Afhankelijk van het zuiverheidsniveau dat nodig is voor de behandeling, kan de gecontroleerde atmosfeer worden gerealiseerd via beschermende behuizingen die zijn uitgerust met een eenrichtingsklep om overdruk te voorkomen. Voor hogere zuiverheidsniveaus kan een vacuümkamer met een pomp worden gebruikt. ii) Ten tweede kan een gecontroleerde atmosfeer worden gecreëerd door gebruik te maken van een afschermend gasgordijn rond het plasma-effluent^36,37. Meestal bestaat het uit een inert gas, maar het kan ook worden gevarieerd afhankelijk van de behoeften van de toepassing.

Gelukkig is voor de COST-Jet de invloed van de omringende atmosfeer vergelijkbaar laag. Met behulp van isotopenetikettering heeft Gorbanev aangetoond dat voor een plasmastraal met parallelle veldconfiguratie de reactieve zuurstof- en stikstofsoorten die een vloeibaar oppervlak bereiken, werden gevormd in de plasmagasfase en in het gebied tussen het plasmamondstuk en het monster^38,39. Daarentegen ontdekten ze met dezelfde techniek voor de COST-Jet dat RONS bijna uitsluitend afkomstig was uit de plasmafase in plaats van de omgeving²⁸. Dit komt waarschijnlijk doordat het elektrische veld beperkt blijft tot het plasmakanaal van de COST-Jet-ontlading. Dit maakt de plasmaontlading grotendeels onafhankelijk van zijn omgeving en geeft het een bepaald afgelegen karakter.

Voor een longitudinale elektrische veldplasmastraal hebben Darny et al.⁴⁰ aangetoond dat de polariteit van het elektrische veld het gasstroompatroon wijzigt en dus ook op de reactieve soorten die een doel bereiken als gevolg van ionische wind. De afhankelijkheid van de reactieve soortdichtheid van het milieu werd bevestigd door metingen door Stancampiano et al.⁷. Ze rapporteerden over het verschil in het aantal reactieve soorten dat in behandeld water werd gecreëerd, afhankelijk van de elektrische kenmerken. Om deze verschillen te compenseren, moesten ze een compenserend elektrisch circuit creëren. Dit gedrag is verschillend voor DE KOSTEN-Straal: Figuur 5 vergelijkt Schlieren beelden van de COST-Jet zonder toegepaste spanning en tijdens bedrijf voor twee verschillende gasdebieten. De foto’s zijn gemaakt met behulp van een enkele spiegel inline uitlijning zoals beschreven door Kelly⁴¹. Ze laten zien hoe het horizontaal uitgelijnde COST-Jet effluent een vlakglassubstraat raakt. Beide afbeeldingen tonen exact hetzelfde gasstroompatroon. Dit is het gevolg van het gebrek aan ionische wind als gevolg van de afwezigheid van geladen soorten in het plasma-effluent.

Bovendien vertoont de COST-Jet een zeer laminair stromingspatroon. Kelly⁴¹ toonde Schlieren-afbeeldingen vergelijkbaar met die in figuur 5, voor verschillende gasdebieten. Zelfs bij een vergelijkbaar hoog gasdebiet van 2 slpm vertoont het plasma-effluent geen tekenen van turbulentie. Bij een zeer laag gasdebiet van 0,25 slpm en lager begint het drijfvermogen van het heliumuitvloeiingsmiddel een rol te spelen. Tot 4 – 5 mm afstand van het mondstuk heeft de omgevingslucht echter geen invloed op de gassamenstelling die het oppervlak bereikt, zoals door Ellerweg met behulp van massaspectrometrie¹⁷is aangetoond.

Alle bovengenoemde kenmerken dragen bij aan het afstandsbedieningskarakter van de COST-Jet. Dit maakt het een ideale kandidaat voor de gecontroleerde, vergelijkbare behandeling van oppervlakken.

Figuur 5: Schlieren afbeeldingen van de COST-Jet met en zonder toegepaste spanning voor twee verschillende gasdebieten. Tijdens plasmabewerking lijkt het gasstroompatroon precies op het patroon met alleen de gasstroom. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Afhankelijk van het gewenste effect op het behandelde monster kunnen de regelparameters gasstroommengsel, toegepast elektrisch vermogen en afstand tussen plasmabron en oppervlak dienovereenkomstig worden aangepast. Voor de COST-Jet bestaat een brede literatuurdatabase van studies die reactieve soorten in het effluent onderzoeken. Willems³⁰ meet bijvoorbeeld de atoomzuurstofdichtheid met behulp van massaspectrometrie, terwijl Schneider⁴² atomaire stikstofdichtheden in het effluent meet.

De behandeling van vloeistoffen met atmosferisch drukplasma kan een verscheidenheid aan mogelijke reactiemechanismen veroorzaken die worden aangedreven door reactieve soorten, ionen, fotonen of elektrische velden. Vanwege de eerder beschreven kenmerken van de COST-Jet is het effect van het elektrische veld, ionen en fotonen verwaarloosbaar in vergelijking met plasmabronnen waar het plasma in direct contact staat met vloeistoffen. Daarom werd voor het bestuderen van het effect van kortstondige reactieve soorten zoals atoomzuurstof op een fenoloplossing de COST-jet gebruikt door Hefny⁴³ en Benedikt⁴⁴. Bovendien biedt de COST-Jet een handige mogelijkheid om experimenten en numerieke simulaties van vloeistofbehandeling te vergelijken²⁸. Aangezien de interactie tussen plasma en vloeistof wordt gedomineerd door de gasstroom van reactieve soorten van plasma naar het vloeibare oppervlak, kan de complexiteit van het model worden verminderd.

De gasstroom veroorzaakt roeren van de vloeistof verhoogt de reactiesnelheid tussen plasma gegenereerde reactieve soorten en de vloeistof. In tegenstelling tot oppervlaktebehandelingen van vaste stoffen verandert de convectie van de vloeistof voortdurend de lokale concentratie van reactanten. Bovendien worden de reactiesnelheden tussen plasmagegenereerde soorten met reactanten in vloeistof ook beïnvloed door de oppervlakteactiviteit van deze reactanten. Met toenemende oppervlakteactiviteit neemt de concentratie van de reactant aan het vloeibare oppervlak toe. Deze oppervlakteactieve stoffen kunnen een belangrijke rol spelen in de reactiviteit van kortlevende soorten die door het plasma worden gegenereerd.

Naast het roeren veroorzaakt de gasstroom die het vloeibare oppervlak aanstijgt ook verdamping die in aanmerking moet worden genomen. Met behulp van de COST-Jet met korte behandelingstijden kan de verdamping een kleine rol spelen, hoewel er nog steeds rekening moet worden gehouden met het berekenen van de juiste reactiesnelheden. De afvoer van de COST-Jet wordt niet beïnvloed door de verdamping en daarom wordt ook de plasmachemie niet beïnvloed. Voor verschillende plasmabronnen, waarbij het plasma bijvoorbeeld in direct contact staat met vloeistof, verandert de plasmachemie aanzienlijk met verdamping, zoals blijkt uit Tian en Kushner⁴⁵ voor een diëlektrische barrièreafvoer. Ook voor de kINPen werd een effect van verdamping bepaald⁴⁶.

Naast deze genoemde verschillen in plasmachemie die in aanmerking moeten worden genomen voor verschillende plasmabronnen, ook de topologie van de meniscus veroorzaakt door gasstroom op veranderingen in het vloeibare oppervlak. De diepte van deze meniscus is meestal afhankelijk van de gassnelheid. Voor plasmabronnen waarbij de elektrodeconfiguratie een significant elektrisch veld induceert dat de vloeistof bereikt of zelfs met een plasma dat in contact komt met de vloeistof, kan deze meniscus worden verhoogd^47,48. Zoals aangetoond, moeten verschillende effecten worden overwogen op basis van de gebruikte plasmabron.

In de toekomst kan dit protocol worden gebruikt om oppervlakte- en vloeistofbehandelingen uit te voeren en te beschrijven met behulp van de COST-Jet. Het is een stabiele, reproduceerbare plasmabron met een uniek afgelegen karakter onder de overvloed aan verschillende plasmastraalontwerpen. Dezelfde methoden zijn niet beperkt tot de COST-Jet-bron en kunnen worden gewijzigd en aangepast aan gebruik met elke koude atmosferische drukplasmabron.