コストジェットを用いた冷気圧プラズマによる表面の処理

ここでは、異なる材料の表面処理に大気圧プラズマジェットを用いるための実験を行う。大気圧プラズマジェットの実験設定は、プラズマパラメータ、化学、性能に大きな影響を与え、その結果、プラズマ処理の結果に影響を与え、プロトコルの重要なステップです。

例として、ガス供給ラインは、湿度であるプラズマの供給ガス中で最も一般的な不純物に関して重要な役割を果たす。特に、血漿中の反応性窒素種の生産は、活性酸素種の生産が好まれる間に減少し、水分子や窒素³⁵と比較して酸素のイオン化エネルギーが低いためである。Winter²⁴ は、内管の表面の水分子に由来する供給ガス湿度が、気孔率と貯蔵能力が高いため、金属管と比較してポリマーチューブを使用して桁違いに高いことを発見した。フィードガスでラインを洗い流すことで低減できます。しかし、フラッシュによってラインを乾燥させるには数時間かかります。したがって、ポリマーチューブは、できるだけ避けるか、少なくとも短く保つ必要があります。これらの知見は、Große-Kreul²⁵の研究によって下線が引かれている。彼らは、質量分析を用いて、プラズマ化学に対するポリアミドおよびステンレス鋼チューブの効果を比較した。彼らの測定は、ポリマーチューブからの水の噴気および金属管によるより速い乾燥時間によるプラズマ中の水クラスターイオン形成を確認する。さらに、分子篩トラップや液体窒素コールドトラップなどのガス浄化法がプラズマ化学に及ぼす影響を調査し、不純物の量を約2桁削減しました。

供給ガスを浄化しようとする代わりに、制御された量の湿度を加えるアプローチもあります。この意図的な不純物は自然な不純物を支配し、プラズマ化学を制御するので、加湿量が正確に知られている限り再現可能な条件が保証されます。

放電の点火のために、電極への印加電圧は、通常、単に故障のポイントまで増加させることができる。しかし、電極の表面条件によっては、高電圧が必要な場合がある。点火を容易にするために、高圧スパークガンを使用することができます。これは、COST-Jetでアルゴン放電を点火しようとするときにも役立ちます。

COST-Jet をサーフェスに適用する前に、デバイスが平衡化するのに十分な時間を割り当てる必要があります。目的の制御パラメータに設定すると、COST-Jetは安定した条件¹¹に到達するために約20分を必要とします。この間、装置の温度、ガス温度、プラズマ化学は定常状態に達している。

科学的な結果の比較のためには、同等の血漿制御パラメータが必要である。電力入力電力を測定するために、COSTパワーモニタは²⁹を使用することができます。ソフトウェアはオープンソースであり、オシロスコープの異なるタイプの範囲と互換性があります。ソフトウェアは、Golda¹⁹によって記述された原則に従って動作します。

供給ガスの湿度がプラズマ化学に及ぼす影響に加えて、プラズマから基質への反応性種の輸送は、廃液組成において重要な役割を果たし、プロトコルのもう一つの重要なステップである。周囲の大気は、基板に向かう途中でプラズマ中に作られた種に影響を与える可能性があります。この影響を最小限に抑えるために、2つの異なる概念が使用されます:(i)まず、供給ガスで構成される制御された雰囲気を設定することができます。これにより、周囲の大気の組成を一定に保つことができる。治療に必要な純度レベルに応じて、制御された雰囲気は、過圧を防ぐために一方向バルブを装備した保護ハウジングを介して実現することができます。より高い純度レベルのために、ポンプが付いている真空の部屋は使用することができる。(ii) 第二に、プラズマ排水^36,37の周囲に遮蔽ガスカーテンを使用することで制御された雰囲気を作り出すことができる。通常、それは不活性ガスからなるが、用途のニーズに応じて変化させることもできます。

幸いなことに、COST-Jetの場合、周囲の大気の影響は比較的低いです。同位体標識を用いて、ゴルバネフは、パラレルフィールド構成プラズマジェットの場合、液体表面に到達する活性酸素および窒素種がプラズマガス相ならびにプラズマノズルとサンプル^38,39との間の領域に形成されたことを示した。対照的に、COST-Jetに同じ技術を用いて、RONSは周囲の環境²⁸の代わりにプラズマ相に由来することがわかりました。これは、おそらく、電界がCOST-Jet放電のプラズマチャネルに限定されているためです。これは、プラズマ放電は、その環境からほとんど独立し、それに特定のリモート文字を与えます。

縦電界プラズマジェットの場合、Darnyら⁴⁰ は、電界の極性がガス流パターンを変え、したがってイオン風による目標に到達する反応性の種にも変えることを示している。環境への反応性種密度の依存性は、スタンカムピアノら7による測定によって確認^された。彼らは、電気特性に応じて処理水で作られた反応性種の数の違いを報告した。これらの違いを補うために、彼らは補償電気回路を作成しなければならなかった。この動作は COST-Jet では異なります: 図 5 では 、2 つの異なるガス流量に対して、電圧を加えずに、運用中に COST-Jet のシュリーレン画像を比較します。画像は、Kelly⁴¹で説明されているように、単一のミラーインラインアライメントを使用して撮影されました。彼らは、水平に整列したCOST-Jet排水が平らなガラス基板にどのように当たるかを示しています。両方の画像は、まったく同じガスフローパターンを示しています。これは、プラズマ排水中に荷電種がないことによるイオン風の欠如から生じる。

さらに、COST-Jetは非常に層状の流れパターンを示す。Kelly⁴¹ は、さまざまなガス流量に関して 図5に示したものと同様のシュリーレン画像を示した。2 slpmの比較的高いガス流量であっても、プラズマ排水は乱気流の兆候を示さない。0.25 slpm以下の非常に低いガス流量で、ヘリウム廃水の浮力が役割を果たし始める。しかし、ノズルから最大4〜5mmの距離で、周囲の雰囲気は、質量分析¹⁷を使用してEllerwegによって示されるように、表面に到達するガス組成に影響を与えません。

上記の特性はすべて、COST-Jetのリモート文字に追加されます。これは、表面の制御された、同等の処理のための理想的な候補になります。

図5:2つの異なるガス流量に対する電圧の印加の有無にかかわらず、COST-Jetのシュリーレン画像。プラズマ操作時には、ガスフローパターンはガス流のみでパターンにそっくりです。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

処理されたサンプルに対する所望の効果に応じて、制御パラメータガス流れの混合物、印加された電力、およびプラズマ源と表面間の距離を適宜調整することができる。COST-Jetの場合、排水中の反応性種を調査する研究の広範な文献データベースが存在する。一例として、ウィレムス³⁰ は質量分析を用いて原子酸素密度を測定し、シュナイダー⁴² は廃液中の原子窒素密度を測定した。

大気圧プラズマによる液体の処理は、反応性の種、イオン、光子、電界などによって駆動される様々な反応機構を引き起こす可能性があります。COST-Jetの前述の特性により、プラズマが液体に直接接触しているプラズマ源に比べて、電界、イオン、光子の効果はごくわずかです。そこで、ヘフニー⁴³ およびベネディクト⁴⁴によってCOST-jetを用いたフェノール溶液に対する原子酸素のような短命反応性種の効果を研究する。さらに、COST-Jetは、液体処理²⁸の実験と数値シミュレーションを比較する便利な可能性を提供する。プラズマと液体の相互作用は、プラズマから液体表面への反応性種のガス流によって支配され、モデルの複雑さを軽減することができます。

液体のガス流誘導攪拌は、プラズマ発生した反応性種と液体との反応速度を増加させる。固体の表面処理とは対照的に、液体の対流は常に反応物の局所的な濃度を変化させる。さらに、液体中の反応物を含むプラズマ発生種間の反応速度も、これらの反応物の表面活性の影響を受ける。表面活性の増加に伴い、液体表面での反応物の濃度が増加する。これらの界面活性剤は、プラズマによって生成される短命種の反応性において重要な役割を果たす可能性がある。

液体表面に衝突する気体流を攪拌する次に、考慮しなければならない蒸発も誘発する。COST-Jetを短い処理時間で使用すると、蒸発は軽微な役割を果たす可能性がありますが、正しい反応率を計算するために考慮する必要があります。COST-Jetの放電は蒸発の影響を受けないため、プラズマ化学も影響を受けません。プラズマが液体に直接接触しているプラズマ源は、天とクシュナー⁴⁵ が誘電性バリア放電のために示すように、プラズマ化学は蒸発によって大きく変化しています。また、kINPenについて、蒸発の効果を⁴⁶と判定した。

異なるプラズマ源について考慮する必要があるプラズマ化学のこれらの言及の違いに加えて、また、液体表面変化の気体流によって誘発される半月板のトポロジー。この半月板の深さは、通常、ガス速度に依存します。電極構成が液体に到達する重要な電界を誘導するプラズマ源、あるいは液体に接触するプラズマを有するプラズマの場合、このメニスカスは^47,48を上昇させることができる。図示のように、使用されるプラズマ源に従っていくつかの効果を考慮する必要があります。

今後、このプロトコルを使用して、COST-Jetを使用して表面および液体の処理を行い、記述することができます。それは、異なるプラズマジェット設計の多くの中でユニークなリモートキャラクターを示す安定した、再現可能なプラズマ源です。同じ方法は、COST-Jet源のみに限定されず、任意の冷気圧プラズマ源で使用するように変更および適合させることができます。