Characterization of non- equilibrium atmospheric pressure plasma jets

Abstract

Atmosphärendruckplasmen bei niedrigen temperaturen wurden als ein neues beispiel in der plasmaphysik mit ihren wirtschaftlichen und technologischen potentiellen auswirkungen in vielen wissenschaftlichendisziplinen anerkannt. Vor allem wegen ihren geringen costen, ihrer großen produzierbarkeit kontinuierliche verarbeitung und potentielle neue applikationen, welche nicht mitteuren vakuum-systemen erreicht werden können. Sie können auf vielfältige weise erzeugt werden; Eines dieser plasmen ist das atmosphärendruckplasmadüsen Jet (APPJ), die funktioniert über eine radiofrequenz (RF) entladung zwischen blanken metallischen elektroden. Normalerweise APPJ ist in der alpha modus spaltabstände im bereich von 1 mm oder mehr betrieben werden. In diesem forschungsprojekt werden zwei APPJs (APPJ2;APPJ3) mit unterschiedlicher größe untersucht, die elektrodenfläche der APPJ3 ist die hälfte der fläche des APPJ2, und beide haben doppelschnitt strukturen. Grundsätzlich soll die eingekoppelte RF-kapazitiv entladung in helium charakterisiert werden, mit spannungs-strom-messungen, makroskopischer visualisierung und manipulation der entladungen und umfangreiche spektroskopische messungen. APPJ3 wird für spaltabstand 1 mm bis 0.1 mm bei einer festen gasmenge betrieben. Gleichmäßige glimmentladungen mit spaltabstand 1 mm bis 0.1 mm können erzeugt werden. Plasma parameter mit ersatzschaltbilder können extrahiert werden. Es hat sich gezeigt dass entladung vorhanden ist bei großen lücken, die zeigen eine voll entwickelte bulk plasma region mit (sheaths). Mit einem Spaltabstand0.4 mm eine voll entladung bulk-plasma nicht entfaltet wird und (sheaths) nimmt mehr raum der lücke ein. Mit spaltabstand 0.5 mm zwei regimen beobachtet werden können, einem normalen regime mit teilweiser abdeckung und eine anormale regime mit voller deckung der elektroden, wohingegen für spalten 0.4 mm keine teilweise deckung, auch bei sehr niedrigen leistugen, beobachtet werden können. Bei allen fällen impedanzmessungen und im vergleich zu ersatzschaltbilder durchgeführt wurden. Diese ersatzschaltbilder erfassen das richtige bild bei einem großen spalt. Für das modell kleiner spalt (sheath only model) und unter mitwirkung des parallelwiderstand für die verlustleistung, wurde die gültigkeit des (sheath only model) für die spaltbreite bis 0.1 mm feitgestellt. Oberhalb von 1 mm sind abweichungen zwischen modellierten daten und experimentellen daten aufgetreten, daher gibt es immer noch unkenntnis für schmale spalte. APPJ2 wird elektrisch auf eine feste gasmenge im vergleich zu APPJ3 charakterisiert. Es hat sich gezeigt, dass zu einer erhöhung der fläche nicht erhöht die verlustleistung im jet. Das emittierte licht von entladungen in verschiedenen spaltabständen wurde durch optische spektroskopie untersucht. Für diesen zweck wurde ein Shamrock-Spektrograph (SR -303-i), ausgestattet mit zwei Andor kameras (Newton, iStar) verwendet. Evolution der spektrallinien mit der zeit ist aufgezeichnet in nanosekunden-auflösung durch die Andor iStar kamera. Außerdem die varietät von heliumlinien spektrallinien von atomaren sauerstoff und banden des neutralen und ionisierten molekularen stickstoffs im spektralbereich von 300 bis 900 nm wurden nachgewiesen. Die zeitliche entwicklung innerhalb eines RFzyklus für dominante linien dieser arten wurden untersucht. Die variation der leuchtkraft ist mit doppelte frequenz der treibenden spannung für jeden spalt untersucht werden. Helium-linien ist hat der absolute wert der spannung gefolgt, und hat genau das vorhandensein von energiereichen elektronen angezeigt. Auswirkungen der rückdiffusion auf die stabilität der APPJ3 in die umgebungsluft durch veränderung der durchflussmenge von helium gas in einem festen spalt wurden gemessen durchgeführt. Rückdiffusion beeinflusst die stabilität der entladung stark bei schmalen spalt abständen. Es hat durch elektrische charakterisierung und spektroskopischen untersuchungen von APPJ gezeigt; dass die effekte von verunreinigungen verringert werden mit zunehmendem gasdurchsatz. Am spaltabstand unter 0.4 mm, kann das regime von stabilem betrieb der APPJ3 durch eine verringerung der gasmenge erhöht werden. Für spaltmaße größer oder gleich 0.4 mm, ist die wirkung der rückdiffusion nicht ausgeprägt.<br />

Low temperature atmospheric pressure plasmas have been recognized as a new paradigm in plasma physics with their potential, economic and technological impacts in many scientific disciplines. This is due to their lower costs, high productibility, continuous processing, and potentially novel applications, which cannot be attained by using expensive vacuum systems. They can be generated by a variety of techniques; one of them is the atmospheric pressure plasma jet (APPJ), which features a radio-frequency (RF) discharge between bare metallic electrodes. Usually APPJ is operated in the alpha mode at gap spacings in the range of 1 mm or even more. In this research work two APPJs (APPJ2, APPJ3) with different size are studied; the electrode area of the device APPJ3 is half than the area of APPJ2, and both are sandwiched structures. The RF capacitive coupled discharges were fundamentally characterized in helium there of by voltage-current measurements, macroscopic visualization and manipulation of the discharges and extensive spectroscopic measurements. APPJ3 is operated for gap spacing 1 mm down to 0.1 mm at a fixed gas flow rate. Uniform glow discharges can be generated for gap spacing 1 mm down to 0.1 mm. Plasma parameters were extracted using equivalent circuit models. It has been shown that at larger gaps discharge is present which exhibit a fully develop bulk plasma region with sheaths. At gap spacings 0.4 mm the discharge don't have a fully develop bulk plasma and sheaths starts occupying more space of the gap. At gap spacings 0.5 mm two regimes can be observed, a normal regime with partial coverage and an abnormal regime with full coverage of the electrodes, whereas for gaps 0.4 mm there is no partial coverage observed even at very low powers. In all cases impedance measurements have been performed and compared with equivalent circuit models. These equivalent circuit models capture the picture correctly at lager gaps. For smaller gaps using sheath only model and considering parallel resistance contribution for power dissipation, it has been found that sheath only model fit well for gap width up to 0.1 mm. Above0.1 mm deviations occur between modeled data and experimental data, hence there is still a lack of knowledge for narrow gaps. APPJ2 is electrically characterized at a fixed gas flow rate and compared with APPJ3. It has been seen that effect of increasing surface area do not increase power dissipation in jet. The light emitted from discharges sustained in different gap spacings was investigated by optical spectroscopy. A Shamrock spectrograph (SR-303-i) equipped with two Andor cameras (Newton, iStar) was used for this purpose. The time evolution of spectral lines with nanosecond resolution is recorded using Andor iStar camera. Besides a variety of helium lines spectral lines of atomic oxygen and bands of neutral and ionized molecular nitrogen were detected in the spectral range of 300 to 900 nm. Time evolution within one RF cycle for dominant lines of these species is investigated. The variation of luminosity is twice the frequency of driving voltage for all gaps investigated. He lines follows the absolute value of the voltage closely indicating presence of energetic electrons. Effect of back diffusion on the stability of APPJ3 emerging into ambient air has been carried out by changing the flow rate of helium gas at a fixed gap size. Back diffusion strongly influences the stability of discharge at narrow gap spacings. It has been seen by electrical characterization and spectroscopic investigations of APPJ3 that with increasing gas flow rate effect of impurities decreases. At gap spacing below 0.4 mm the regime of stable operation of APPJ3 can be increased by decreasing gas flow rate. For gap sizes greater or equal to 0.4 mm the effect of back diffusion is not pronounced.