COST-Jet kullanarak Yüzeyleri Soğuk Atmosferik Basınçlı Plazma ile Tedavi Etme

Burada, farklı malzemelerin yüzey tedavileri için atmosferik basınçlı plazma jetinin kullanımını gösteriyoruz. Atmosferik basınçlı plazma jeti için deneysel kurulum plazma parametreleri, kimyası ve performansı üzerinde muazzam bir etkiye sahip olabilir ve sonuç olarak plazma tedavilerinin sonucunu etkiler ve protokolde kritik bir adımdır.

Örnek olarak, gaz besleme hatları, plazmanın nem olan besleme gazındaki en yaygın safsızlık açısından önemli bir rol oynatır. Özellikle, su moleküllerine ve azot^35’ekıyasla oksijenin düşük iyonlaşma enerjisi nedeniyle reaktif oksijen türleri üretimi tercih edilirken plazmadaki reaktif azot türlerinin üretimi azalır. Kış^24, iç tüpün yüzeyindeki su moleküllerinden kaynaklanan yem gazı neminin, daha yüksek gözeneklilik ve depolama kapasitesi nedeniyle metal tüplere kıyasla polimerik tüpler kullanılarak daha yüksek bir büyüklük sırası olduğunu öğrendi. Hatların besleme gazı ile yıkanarak azaltılabilir. Ancak hattın yıkanarak kurutucu olarak kurutunun birkaç saat sürer. Bu nedenle polimerik borulardan kaçınılmalı veya en azından mümkün olduğunca kısa tutulmalıdır. Bu bulgular Große-Kreul^25’tenyapılan çalışmalarla altı çizilmektedir. Poliamid ve paslanmaz çelik boruların kütle spektrometresi kullanarak plazma kimyası üzerindeki etkisini karşılaştırdılar. Ölçümleri, polimerik tüplerden gelen su gazları ve metal tüplerle daha hızlı kuruma süreleri nedeniyle plazmada su kümesi iyon oluşumunu doğrulamamaktadır. Ek olarak, moleküler elek tuzağı ve sıvı nitrojen soğuk tuzağı gibi gaz arıtma yöntemlerinin plazma kimyası üzerindeki etkisini araştırdılar ve bu da safsızlık miktarını yaklaşık iki sıra azaltmaya yardımcı oldu.

Besleme gazını arındırmaya çalışmak yerine, kontrollü bir nem miktarı ekleme yaklaşımı da vardır. Bu kasıtlı safsızlık daha sonra doğal safsızlıklara hakim olduğundan ve böylece plazma kimyasını kontrol ettikçe, ilave nem miktarı tam olarak bilindiği sürece tekrarlanabilir koşullar sağlanır.

Deşarjın tutuşması için, elektrotlara uygulanan voltaj genellikle arıza noktasına kadar artırılabilir. Bununla birlikte, elektrotların yüzey koşullarına bağlı olarak, bazen yüksek bir voltaj gereklidir. Ateşlemeyi kolaylaştırmak için yüksek voltajlı bir buji tabancası kullanılabilir. Bu, COST-Jet’te bir argon deşarjını ateşlemeye çalışırken de yararlı olabilir.

COST-Jet’i herhangi bir yüzeye uygulamadan önce, cihazın dengelemesi için yeterli zaman ayrılmalıdır. İstenilen kontrol parametrelerine ayarlandığında, COST-Jet’in istikrarlı koşullara ulaşması için yaklaşık 20 dakikaya ihtiyacı^{vardır 11}. Bu süre zarfında, cihazın sıcaklığı, gaz sıcaklığı ve plazma kimyası sabit bir duruma ulaşıyor.

Bilimsel sonuçların karşılaştırılması için karşılaştırılabilir plazma kontrol parametreleri gereklidir. Elektrik giriş gücünü ölçmek için COST güç monitörü^{kullanılabilir 29}. Yazılım açık kaynaklıdır ve farklı osiloskop türleriyle uyumludur. Yazılım Golda¹⁹tarafından açıklanan ilkeye göre çalışır.

Yem gazı neminin plazma kimyası üzerindeki etkisinin yanı sıra, reaktif türlerin plazmadan substrata taşınması, atık su bileşiminde önemli bir rol oynar ve protokoldeki bir diğer kritik adımdır. Çevredeki atmosfer, alt tabakaya giderken plazmada oluşturulan türleri etkileyebilir. Bu etkiyi en aza indirmek için iki farklı kavram kullanılır: (i) Öncelikle besleme gazından oluşan kontrollü bir atmosfer kurulabilir. Böylece, çevredeki atmosferin bileşimi sabit tutulabilir. Tedavi için gerekli saflık seviyesine bağlı olarak, kontrollü atmosfer aşırı basıncı önlemek için tek yönlü valf ile donatılmış koruyucu muhafazalar aracılığıyla gerçekleştirilebilir. Daha yüksek saflık seviyeleri için, pompalı bir vakum odası kullanılabilir. (ii) İkinci olarak, plazma atıklarının etrafında bir koruyucu gaz perdesi kullanılarak kontrollü bir atmosfer oluşturulabilir^36,37. Genellikle, inert bir gazdan oluşur, ancak uygulamanın ihtiyaçlarına göre de değiştirilebilir.

Neyse ki, COST-Jet için, çevredeki atmosferin etkisi nispeten düşüktür. Gorbanev, izotopik etiketleme kullanarak, paralel alan konfigürasyon plazma jeti için plazma gazı fazında ve plazma nozülü ile örnek^38,39arasındaki bölgede sıvı bir yüzeye ulaşan reaktif oksijen ve azot türlerinin oluştuğunu göstermiştir. Buna karşılık, COST-Jet için aynı tekniği kullanarak, RONS’un neredeyse sadece çevredeki ortam yerine plazma fazından kaynaklandığını öğrendiler²⁸. Bunun nedeni muhtemelen elektrik alanının COST-Jet deşarjının plazma kanalına hapsedilmesidir. Bu, plazma deşarjını büyük ölçüde ortamından bağımsız hale getirir ve belirli bir uzak karakter verir.

Uzunlamasına bir elektrikli alan plazma jeti için, Darny ve ark.^40, elektrik alanının polaritesinin gaz akış desenini ve dolayısıyla iyonik rüzgar nedeniyle bir hedefe ulaşan reaktif türleri değiştirdiğini göstermiştir. Reaktif tür yoğunluğunun çevreye bağımlılığı Stancampiano ve ark.⁷tarafından yapılan ölçümlerle doğrulandı. Arıtılmış suda oluşturulan reaktif türlerin sayısının elektriksel özelliklere bağlı olarak farkını bildirdiler. Bu farklılıkları telafi etmek için telafi edici bir elektrik devresi oluşturmaları gerekiyordu. Cost-Jet için bu davranış farklıdır: Şekil 5, COST-Jet’in Schlieren görüntülerini uygulanan bir voltaj olmadan ve çalışma sırasında iki farklı gaz akış hızı için karşılaştırır. Görüntüler Kelly⁴¹tarafından açıklandığı gibi tek bir ayna satır içi hizalama kullanılarak çekildi. Yatay olarak hizalanmış COST-Jet atık sularının düz bir cam substrata nasıl çarptığını gösterirler. Her iki görüntü de aynı gaz akış desenini gösteriyor. Bu, plazma atık sularında yüklü türlerin bulunmaması nedeniyle iyonik rüzgarın eksikliğinden kaynaklanır.

Ek olarak, COST-Jet çok laminer bir akış deseni sergiler. Kelly^41, Schlieren görüntülerini Şekil 5’tesunulanlara benzer şekilde gösterdi , çeşitli gaz akış hızları için. 2 slpm’lik nispeten yüksek gaz akış hızlarında bile, plazma atık su türbülans belirtisi göstermez. 0,25 slpm ve altındaki çok düşük gaz akış hızlarında, helyum atık sularının yüzdürülme hızı rol oynamaya başlar. Bununla birlikte, nozülden 4 – 5 mm mesafeye kadar, ortam atmosferi, Ellerweg’in kütle spektrometresi¹⁷kullanarak gösterdiği gibi yüzeye ulaşan gaz bileşimini etkilemez.

Yukarıda belirtilen özelliklerin tümü COST-Jet’in uzak karakterine eklenir. Bu, yüzeylerin kontrollü ve karşılaştırılabilir tedavisi için ideal bir adaydır.

Şekil 5: COST-Jet’in iki farklı gaz akış hızı için uygulanan voltajlı ve uygulanmamış Schlieren görüntüleri. Plazma çalışması sırasında, gaz akış deseni tam olarak sadece gaz akışı ile desene benzer. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

tedavi edilen numune üzerinde istenen etkiye bağlı olarak, gaz akış karışımı, uygulanan elektrik gücü ve plazma kaynağı ile yüzey arasındaki mesafe kontrol parametreleri buna göre ayarlanabilir. COST-Jet için, atık etteki reaktif türleri araştıran geniş bir literatür veritabanı bulunmaktadır. Örnek olarak, Willems³⁰ atomik oksijen yoğunluğunu kütle spektrometresi kullanarak ölçerken Schneider⁴² atık sudaki atomik azot yoğunluklarını ölçtü.

Sıvıların atmosferik basınçlı plazma ile tedavisi, reaktif türler, iyonlar, fotonlar veya elektrik alanları tarafından yönlendirilen çeşitli olası reaksiyon mekanizmalarına neden olabilir. COST-Jet’in daha önce açıklanan özellikleri nedeniyle, elektrik alanının, iyonların ve fotonların etkisi, plazmanın sıvılarla doğrudan temas ettiği plazma kaynaklarına kıyasla ihmal edilebilir. Bu nedenle, atomik oksijen gibi kısa ömürlü reaktif türlerin fenol çözeltisi üzerindeki etkisini incelemek için COST-jet Hefny⁴³ ve Benedikt⁴⁴tarafından kullanılmıştır. Ayrıca, COST-Jet, sıvı tedavisinin deneylerini ve sayısal simülasyonlarını karşılaştırmak için uygun bir olasılık sağlar²⁸. Plazma ve sıvı arasındaki etkileşim, reaktif türlerin plazmadan sıvı yüzeye gaz akışı ile hakim olduğundan, model karmaşıklığı azaltılabilir.

Sıvının karıştırılmasına neden olan gaz akışı, plazma üretilen reaktif türler ile sıvı arasındaki reaksiyon oranını arttırır. Katıların yüzey işlemelerinin aksine, sıvının konveksiyonu sürekli olarak lokal reasant konsantrasyonu değiştirir. Ek olarak, sıvıdaki reasüranlarla plazma üretilen türler arasındaki reaksiyon oranları da bu reasantların yüzey aktivitelerinden etkilenir. Artan yüzey aktivitesi ile, reasyenin sıvı yüzeydeki konsantrasyonu artar. Bu yüzey aktif madde, plazma tarafından üretilen kısa ömürlü türlerin reaktivitesinde önemli bir rol oynayabilir.

Sıvı yüzeyde engel olan gaz akışını karıştırmanın yanı, dikkate alınması gereken buharlaşmayı da teşvik eder. COST-Jet’i kısa tedavi süreleriyle kullanmak, doğru reaksiyon oranlarını hesaplamak için hala düşünülse de, buharlaşma küçük bir rol oynayabilir. COST-Jet’in deşarjı buharlaşmadan etkilenmez ve bu nedenle plazma kimyası da etkilenmez. Plazmanın sıvı ile doğrudan temas halinde olduğu farklı plazma kaynakları için plazma kimyası, Tian ve Kushner^45’in dielektrik bariyer deşarjı için gösterdiği gibi buharlaşma ile önemli ölçüde değişmektedir. Ayrıca, kINPen için buharlaşmaların bir etkisi belirlendi⁴⁶.

Plazma kimyasında farklı plazma kaynakları için dikkat edilmesi gereken bu farklılıkların yanı sıra, sıvı yüzey değişiklikleri üzerinde gaz akımının neden olduğu menisküs topolojisi de değişmektedir. Bu menisküs derinliği genellikle gaz hızına bağlıdır. Elektrot konfigürasyonun sıvıya ulaşan önemli bir elektrik alanına neden olduğu plazma kaynakları için veya sıvı ile temas eden bir plazma ile, bu menisküs^47,48yükseltilebilir. Gösterildiği gibi, kullanılan plazma kaynağına göre çeşitli etkilerin göz önünde bulundurulmalıdır.

Gelecekte, bu protokol COST-Jet kullanarak yüzey ve sıvı tedavileri yapmak ve tanımlamak için kullanılabilir. Farklı plazma jet tasarımlarının bolluğu arasında benzersiz bir uzak karakter sergileyen kararlı, tekrarlanabilir bir plazma kaynağıdır. Aynı yöntemler sadece COST-Jet kaynağı ile sınırlı değildir ve herhangi bir soğuk atmosferik basınçlı plazma kaynağı ile kullanılmak üzere değiştirilebilir ve uyarlanabilir.