טיפול במשטחים עם פלזמת לחץ אטמוספרי קר באמצעות עלות סילון

כאן, אנו מדגימים את השימוש במטוס פלזמה בלחץ אטמוספרי לטיפולים על פני השטח של חומרים שונים. ההתקנה הניסיונית של מטוס פלזמה בלחץ אטמוספרי יכולה להשפיע רבות על פרמטרי הפלזמה, הכימיה והביצועים וכתוצאה מכך משפיעה על התוצאה של טיפולי פלזמה והיא צעד קריטי בפרוטוקול.

כדוגמה, קווי אספקת הגז ממלאים תפקיד חשוב לגבי הזיהום הנפוץ ביותר בגז ההזנה של הפלזמה שהוא לחות. בפרט, הייצור של מינים חנקן תגובתי בפלזמה מופחת בעוד ייצור מינים חמצן תגובתי מועדף, בשל אנרגיית יינון נמוכה של חמצן לעומת מולקולות מים וחנקן³⁵. חורף²⁴ גילה כי לחות גז להאכיל שמקורו מולקולות מים על פני השטח של הצינור הפנימי הוא סדר גודל גבוה יותר באמצעות צינורות פולימריים לעומת צינורות מתכת בשל נקבוביות גבוהה יותר ויכולת אחסון. זה יכול להיות מופחת על ידי שטיפה הקווים עם גז הזנה. עם זאת, ייבוש הקו על ידי שטיפה לוקח כמה שעות. לכן, צינורות פולימריים יש להימנע או לפחות נשמר קצר ככל האפשר. ממצאים אלה מודגשים על ידי מחקרים מ Große-Kreul²⁵. הם השוו את ההשפעה של צינורות פוליאמיד ונירוסטה על הכימיה פלזמה באמצעות ספקטרומטריית מסה. המדידות שלהם מאשרות היווצרות יונים של אשכול מים בפלזמה עקב סילוק מים מצינורות פולימריים וזמנים מהירים יותר של ייבוש עם צינורות מתכת. בנוסף, הם חקרו את ההשפעה של שיטות טיהור גז כגון מלכודת מסננת מולקולרית ומלכודת חנקן נוזלית קרה על הכימיה של הפלזמה אשר סייע להפחית את כמות זיהומים על ידי כשני סדרי גודל.

במקום לנסות לטהר את גז ההזנה, יש גם את הגישה של הוספת כמות מבוקרת של לחות. כמו טומה מכוונת זו שולטת אז על זיהומים טבעיים ובכך שולט הכימיה פלזמה, תנאים לשחזור מובטחים כל עוד כמות הלחות הנוספת ידועה במדויק.

עבור ההצתה של הפריקה, המתח להחיל על האלקטרודות בדרך כלל יכול פשוט להיות מוגבר עד לנקודת הפירוק. עם זאת, בהתאם לתנאי השטח של האלקטרודות, לפעמים יש צורך במתח גבוה. כדי להקל על ההצתה, ניתן להשתמש באקדח ניצוץ מתח גבוה. זה יכול להיות שימושי גם בעת ניסיון להצית פריקה ארגון ב COST-Jet.

לפני החלת ה- COST-Jet על משטחים כלשהם, יש להקצות מספיק זמן כדי שהמכשיר ישתוות. כאשר מוגדרים לפרמטרים הרצויים של הבקרה, עלות-Jet צריך כ 20 דקות כדי להגיע לתנאים יציבים¹¹. במהלך תקופה זו, הטמפרטורה של המכשיר, טמפרטורת הגז, כמו גם הכימיה פלזמה מגיעים למצב יציב.

לשם השוואה של תוצאות מדעיות, פרמטרים דומים בקרת פלזמה נחוצים. למדידת כוח הקלט החשמלי, ניתן להשתמש בצג החשמל COST²⁹. התוכנה היא קוד פתוח ותואם עם מגוון של סוגים שונים של אוסצילוסקופים. התוכנה פועלת על פי העיקרון המתואר על ידי גולדה¹⁹.

בנוסף להשפעת לחות גז ההזנה על הכימיה של הפלזמה, הובלת מינים תגובתיים מהפלזמה למצע ממלאת תפקיד חשוב בהרכב הקולחים והיא צעד קריטי נוסף בפרוטוקול. האטמוספירה שמסביב יכולה להשפיע על המינים שנוצרו בפלזמה בדרכם למצע. כדי למזער השפעה זו, נעשה שימוש בשני מושגים שונים: (i) ראשית, ניתן להקים אטמוספירה מבוקרת המורכבת מגז ההזנה. לכן, הרכב האטמוספירה שמסביב יכול להישמר קבוע. בהתאם לרמת הטוהר הנדרשת לטיפול, ניתן לממש את האווירה המבוקרת באמצעות בתי הגנה המצוידים בשסתום חד כיווני למניעת לחץ יתר. עבור רמות טוהר גבוהות יותר, תא ואקום עם משאבה ניתן להשתמש. (ii) שנית, ניתן ליצור אטמוספרה מבוקרת באמצעות וילון גז מגן סביב שפך הפלזמה^36,37. בדרך כלל, הוא מורכב גז אינרטי, אבל זה יכול להיות גם מגוון על פי הצרכים של היישום.

למרבה המזל, עבור COST-Jet, ההשפעה של האווירה שמסביב נמוכה יחסית. באמצעות תיוג איזוטופי, גורבנב הראו כי עבור מטוס פלזמה בתצורת שדה מקביל, מינים חמצן תגובתי וחנקן להגיע משטח נוזלי נוצרו בשלב גז הפלזמה, כמו גם באזור בין זרבובית הפלזמה ואת המדגם^38,39. לעומת זאת, באמצעות אותה טכניקה עבור COST-Jet, הם גילו כי RONS מקורו כמעט אך ורק משלב הפלזמה במקום הסביבה שמסביב²⁸. זה כנראה בגלל השדה החשמלי להיות מרותק לערוץ הפלזמה של פריקה עלות-Jet. זה עושה את הפרשת הפלזמה במידה רבה עצמאית של הסביבה שלה ונותן לו אופי מרוחק מסוים.

עבור סילון פלזמה שדה חשמלי אורך, Darny et al.⁴⁰ הראו כי הקוטביות של השדה החשמלי משנה את דפוס זרימת הגז ובכך גם על מינים תגובתי שמגיעים למטרה עקב רוח יונית. התלות של צפיפות המינים תגובתי על הסביבה אושרה על ידי מדידות על ידי Stancampiano ואח^‘7. הם דיווחו על ההבדל במספר המינים תגובתיים שנוצרו במים המטופלים בהתאם למאפיינים החשמליים. כדי לפצות על הבדלים אלה, הם היו צריכים ליצור מעגל חשמלי מפצה. התנהגות זו שונה עבור COST-Jet: איור 5 משווה תמונות של שלירן של ה-COST-Jet ללא מתח שימושי ובמהלך הפעולה עבור שני תעריפי זרימת גז שונים. התמונות צולמו באמצעות יישור מוטבע מראה יחיד כפי שתואר על ידי קלי⁴¹. הם מראים כיצד שפך COST-Jet מיושר אופקית פוגע במצע זכוכית שטוח. שתי התמונות מראות בדיוק את אותה תבנית זרימת גז. זה נובע מהיעדר רוח יונית בשל היעדר מינים טעונים בשפחת הפלזמה.

בנוסף, ה- COST-Jet מציג תבנית זרימה למינארית מאוד. קלי⁴¹ הראה תמונות של שלירן דומות לאלה שהוצגו באיור 5, עבור שיעורי זרימת גז שונים. אפילו בקצב זרימת גז גבוה יחסית של 2 סל”ד, שפך הפלזמה לא מראה סימנים של מערבולת. בקצב זרימת גז נמוך מאוד של 0.25 סל”ד ומתחת, הציפה של שפך הליום מתחילה לשחק תפקיד. עם זאת, עד 4 – 5 מ”מ מרחק מן הזרבובית, האטמוספירה הסביבה אינה משפיעה על הרכב הגז להגיע לפני השטח כפי שהדגים Ellerweg באמצעות ספקטרומטריית מסה¹⁷.

כל המאפיינים הנ”ל מוסיפים לתו המרוחק של ה- COST-Jet. זה הופך אותו למועמד אידיאלי לטיפול מבוקר, דומה של משטחים.

איור 5: תמונות של שלירן של ה-COST-Jet עם ובלי מתח שימושי עבור שני תעריפי זרימת גז שונים. במהלך פעולת פלזמה, דפוס זרימת הגז דומה בדיוק לתבנית עם זרימת הגז בלבד. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

בהתאם להשפעה הרצויה על המדגם המטופל, ניתן להתאים בהתאם את תערובת זרימת הגז של פרמטרי הבקרה, הכוח החשמלי המוחל והמרחק בין מקור הפלזמה לפני השטח. עבור COST-Jet, מסד נתונים ספרותי רחב של מחקרים החוקרים מינים תגובתיים בשחים קיים. כדוגמה, וילמס³⁰ מדד את צפיפות החמצן האטומי באמצעות ספקטרומטריית מסה ואילו שניידר⁴² מדד את צפיפות החנקן האטומית בשומר.

הטיפול בנוזלים עם פלזמת לחץ אטמוספרי יכול לגרום למגוון מנגנוני תגובה אפשריים המונעים על ידי מינים תגובתיים, יונים, פוטונים או שדות חשמליים. בשל המאפיינים שתוארו בעבר של COST-Jet, ההשפעה של השדה החשמלי, היונים והפוטונים הם זניחים בהשוואה למקורות פלזמה שבהם הפלזמה נמצאת במגע ישיר עם נוזלים. לכן, לחקר ההשפעה של מינים תגובתיים קצרי מועד כמו חמצן אטומי על פתרון פנול, מטוס העלות שימש את הפני⁴³ ובנדיקט⁴⁴. יתר על כן, ה- COST-Jet מספק אפשרות נוחה להשוות ניסויים וסימולציות מספריות של טיפול נוזלי²⁸. כמו האינטראקציה בין פלזמה לנוזל נשלט על ידי זרימת הגז של מינים תגובתיים מפלזמה אל פני השטח הנוזליים, המורכבות מודל ניתן להפחית.

זרימת הגז המושרה ערבוב של הנוזל מגביר את קצב התגובה בין מינים תגובתי שנוצרו פלזמה לבין הנוזל. בניגוד לטיפולים פני השטח של מוצקים, convection של הנוזל משנה כל הזמן את הריכוז המקומי של מגיבים. בנוסף, שיעורי התגובה בין מינים שנוצרו פלזמה עם מגיבים בנוזל מושפעים גם על ידי פעילות פני השטח של מגיבים אלה. עם פעילות פני השטח הגוברת, הריכוז של המגיב על פני השטח הנוזליים עולה. חומרים פעילי שטח אלה עשויים לשחק תפקיד חשוב בתגובה של מינים קצרי מועד שנוצרו על ידי הפלזמה.

לצד ערבוב זרימת הגז המעכבת על פני הנוזל גם מעורר אידוי אשר יש לקחת בחשבון. שימוש ב- COST-Jet עם זמני טיפול קצרים האידוי עשוי לשחק תפקיד שולי, אם כי עדיין יש לשקול לחישוב שיעורי תגובה נכונים. הפריקה של COST-Jet אינה מושפעת מההתאדות ולכן גם הכימיה של הפלזמה אינה מושפעת. עבור מקורות פלזמה שונים, כאשר למשל הפלזמה נמצאת במגע ישיר עם נוזל, הכימיה פלזמה משתנה באופן משמעותי עם אידוי כפי שמוצג על ידי טיאן וקושנר⁴⁵ עבור פריקת מחסום דיאלקטרי. כמו כן, עבור kINPen, השפעה של אידויים נקבע⁴⁶.

מלבד הבדלים שהוזכרו בכימיה פלזמה כי צריך להיחשב עבור מקורות פלזמה שונים, גם את הטופולוגיה של המניסקוס המושרה על ידי זרם גז על שינויים משטח נוזלי. העומק של המניסקוס הזה תלוי בדרך כלל במהירות הגז. עבור מקורות פלזמה שבו תצורת האלקטרודה גורמת לשדה חשמלי משמעותי להגיע לנוזל או אפילו עם פלזמה במגע עם הנוזל, מניסקוס זה יכול להיות^{מוגבה 47,48}. כפי שמוצג, מספר אפקטים צריך להיחשב על פי מקור הפלזמה בשימוש.

בעתיד, פרוטוקול זה יכול לשמש כדי לנהל ולתאר טיפולים משטח ונוזל באמצעות COST-Jet. זהו מקור פלזמה יציב, לשחזור המציג אופי מרוחק ייחודי בין שפע של עיצובים סילון פלזמה שונים. אותן שיטות אינן מוגבלות למקור COST-Jet בלבד וניתן לשנות ולהתאים אותן לשימוש עם כל מקור פלזמה בלחץ אטמוספרי קר.