Time and spatially resolved studies of an kHz-excited atmospheric pressure plasma jet for industrial applications

2. Time and spatially resolved studies of an kHz-excited atmospheric pressure plasma jet for industrial applications

2.1 Основные положения

APPJ - реактивный поток плазмы атмосферного давления;

ICCD - усиленная зарядка (нагрузка) соединительных устройств;

APGD - разгрузка жара (температуры) при атмосферном давлении.

На протяжении последних лет холодная (нетепловая) плазма атмосферного давления получила значительный импульс в продвинутой обработке материалов. Корона и рассеивание диэлектрического барьера - вот признаки производящей схемы «самой старой» плазмы; а вообще при помощи молекулярных газов производят волокнистую неравновесную плазму. Типичные параметры разгрузки – температуры газов от нескольких десятков до 100. Плотность заряженных слоев типична для неравновесной плазмы низкого давления.

Недавно же был предложен реактивный поток плазмы атмосферного давления (APPJ), что позволяет в местном масштабе отделять область производства плазмы от основания (подложки), которое и будет рассмотрено.

Это необходимо как условие для продвинутых процессов плазмы атмосферного давления, особенно при тонком смещении пленки. В настоящее время все еще нет никакого достаточного знания о динамике формирования плазменного потока, так же как и показательного (окна) процесса для более удобного способа разгрузки (выпуска) жара (температуры).

Пространственно-временные исследования частотно возбуждаемого APPJ показали, что поток – явление не постоянное. Вместо потока формировались так сказать плазменные «пули», зависящие от времени и изменяющие, часто по синусоидальному закону, напряжение возбуждения плазмы. В ходе измерения было установлено, что скорость этих пуль составляет порядка нескольких десятков км/сек, в то время как скорость газового потока выше лишь нескольких м/сек. Кроме того направление испускания «пуль» в цилиндрическом потоке может быть изменено при полном изменении напряжения возбуждения плазмы. В отношении этого было сделано интересное наблюдение, что направление испускания потока может быть задано встречным газовым потоком. В итоге получается, что поток формируется главным образом под действием электрического поля, а не тока.

Описанные выше наблюдения проводились над чистым гелием. В то время как основная область потока представляет собой высоко возбужденные разновидности гелия, во внешнем окутывающем слое они смешиваются с окружающей атмосферой. Проведенные во времени и пространстве исследования над оптической эмиссией могут так же успешно использоваться, что приведет к лучшему пониманию процесса взаимодействия потока благородного газа с молекулярным газом, необходимым для технических процессов.

В этом документе результаты, полученные в ходе экспериментов с атомными (He, Ar) и молекулярными (N2, …) газами будут представлены и критически обсуждены с акцентом на 2D (двумерное) и 3D (трехмерное) промышленные применения.

Текущая тенденция в промышленной разработке плазмы – развитие плазмы атмосферного давления как источника замены обработки плазмой в вакуумных системах. Эта замена желательна при сложной обработке плазмой 3D-образцов, чтобы развить источники плазмы, работающие на расстоянии. Это означает, что там существует расстояние между зоной производства плазмы и зоной обработки. Многочисленные потоки плазмы атмосферного давления (APPJ) известны в течении нескольких лет, главным образом включенных запасами (поставками) RF и работающий с газовыми потоками высокого типа (нормы), чтобы вынести плазму из зоны ее производства [11].

APPJ, представленный здесь, отнесен к упомянутым реактивным источникам. Тип газа, а следовательно и его скорость, низки, что характерно в диапазоне скоростей от 3 до 20 м/с, потоки включены с высоким напряжением (от 1 до 5 кВ) и низкой частотой (от 5 до 50 КГц).

2.2 Общие наблюдения

Самый простой вид этого APPJ источника состоит из диэлектрической трубы с двумя трубчатыми металлическими электродами и некоторого благородного газа (He, Ar), протекающего через нее. Для демонстрации того, что реактивный поток является главным образом электрическим явлением, а не единым потоком, он был отснят при помощи обычной цифровой (CCD) камеры со временем задержки в 1 секунду. (Смотрите рисунок 2.1). Для получения лучшего контраста при печати фотографии были конвертированы в черно-белые. В обоих случаях все параметры являлись схожими, кроме подключения электропитания к сети, как показано на рисунках. (Трубка изготовлена из кварцевого стекла с внутренним диаметром 4 мм, окруженная двумя алюминиевыми электродами длиной 5 см. Эти параметры неизменны для всех фотографий, представленных здесь. Используемое напряжение является синусоидальным с максимальным значением 7 кВ при частоте 13 кГц. Реактивный поток потребляет электрическую мощность примерно в 4 Вт.) Если передний электрод активен, а задний заземлен, как показано на рисунке 2.1(а), то труба развивает внешний поток. Однако если источник подключен к питанию наоборот (передний электрод заземлен), то внутренний реактивный поток формируется против газового потока (рисунок 2.1(б)). Это дает яркий признак того, что реактивный поток использует потенциальное различие для окружающей среды.

Рисунок 2.1 - реактивный поток по направлению (а) и против направления (б) распространения газового потока

Другой интересный факт состоит в зависимости длины реактивного потока от типа газа в потоке. Кто-либо мог бы интуитивно предположить, что реактивный поток станет более длинным и продолжительным с увеличением скорости газа. Но это верно только до максимальных значений. На рисунке 2.2 эта зависимость была взята для простой геометрии потока, описанной выше. Эта зависимость бралась при частоте 13 кГц, и понятие «длина потока» описывает длину лишь видимого диапазона света (фотографии CCD камеры, представленные на рисунке 2.4, были отсняты для каждого типа потока, после чего производилось их сравнение).

Рисунок 2.2 - зависимость реактивной длины от типа газового потока

На данной диаграмме обе кривые растянуты. Черная кривая, отмеченная квадратными символами, описывает зависимость газового потока, а серая показывает оптимальное пиковое значение поданного напряжения, где в соответствии с типом потока была соблюдена максимальная длина реактивного потока.

Длина реактивного потока имеет максимум по типу потока в точке 13 1/min. Вне этой точки реактивный поток становится все меньше и меньше, независимо от значения напряжения. Еще одно важное наблюдение заключается в том, что значение подводимого напряжения для достижения максимальной длины реактивного потока становится меньшим по отношению к растущему типу газового потока.

Какова же причина для этой зависимости от типа потока? В литературе важную роль в метастабильном состоянии играют атомы и молекулы, необходимые для того, чтобы выдержать APP при данном «способе накала (жара)», что описывает графа [11]. Плазма, о которой мы говорим, и есть плазма при данном способе накала. Это может быть замечено из текущей характеристики напряжения, показанной на рисунке 2.3, взятой из мультиреактивного источника, который будет описан позже. Принцип его работы тот же, но он содержит в себе множество отдельных реактивных источников, работающих параллельно так, что пиковое значение потока iпик не совпадает с номерами реактивных потоков.

Рисунок 2.3 - характеристика импеданса реактивного источника

Из этой характеристики полного сопротивления ясно, что это плазма, работающая при методе накала, а не в виде потока [11]. Плазма при методе накала пространственна и способна разлаживаться на зоны, в которых присутствуют лишь слабые электрические поля. Но они могут существовать лишь при определенных условиях. Например, очень важно избегать контакта с кислородом, потому что молекулы кислорода очень эффективно подавляют метастабильные возбужденные атомы гелия [11]. Отсюда вытекает вопрос: «Где область высокой чистоты гелия?». Действительно ли реактивная зона – это зона, где присутствует высокая концентрация гелия?

Чтобы пролить свет на этот вопрос, мы должны приблизительно представить динамический поток (i), состоящий из благородного газа (например гелия), текущий в окружающую воздушную среду, и процессы распространения (ii), создающие перенос воздуха (особенно молекул кислорода) в зоны гелия.