介紹

非熱“大氣壓等離子體射流”(APPJ)在材料加工和生物醫(yī)學(xué)/醫(yī)療保健領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用方面有著巨大的潛力，因?yàn)樗鼈兡軌虍a(chǎn)生不受電極約束的等離子體。所有非熱 APPJ 都是使用幾種不同的實(shí)驗(yàn)裝置之一產(chǎn)生的(例如，許多射流配置基于介質(zhì)阻擋放電 (DBD))，以純稀有氣體(氦、氖或氬)為原料，并通過脈沖高壓激發(fā)，它們都表現(xiàn)出一個(gè)獨(dú)特的特性：它們不是連續(xù)介質(zhì)，而實(shí)際上由在環(huán)境空氣中高速移動(dòng)的“等離子子彈”組成。

過去幾年中，這些低溫 APPJ 的利用率不斷提高，這促使人們希望更好地了解噴流2中等離子子彈(時(shí)空局部發(fā)光效應(yīng))的物理現(xiàn)象。例如，使用高速增強(qiáng) CCD (ICCD) 相機(jī)對(duì)氬氣氣氛中的冷 APPJ 進(jìn)行成像研究表明，等離子子彈的傳播速度可高達(dá)每秒 20 公里。等離子子彈的出現(xiàn)以及亞穩(wěn)態(tài)氬原子生成區(qū)的時(shí)空演變可以通過自傳播電離前沿的影響來解釋。

值得注意的是，非熱 APPJ 可以傳播相當(dāng)長(zhǎng)的距離;然而，它們的直徑僅限于幾毫米。雖然這種空間覆蓋范圍足以滿足小規(guī)模應(yīng)用的需求，但對(duì)于大規(guī)模應(yīng)用，更有效的解決方案是將多個(gè)等離子射流組織成 1D 或 2D 陣列，由一個(gè)獨(dú)特的電源同時(shí)運(yùn)行。

本應(yīng)用說明將概述用于單噴射和多噴射研究的非熱 APPJ 實(shí)驗(yàn)裝置以及最新的相關(guān)成像技術(shù)。

單噴流研究

典型的非熱 APPJ 實(shí)驗(yàn)裝置包括一個(gè)玻璃管，其中有兩個(gè)一定長(zhǎng)度的外部電極(沿管的軸線)，電極之間有間隙。等離子體在流動(dòng)的稀有氣體(通常是氦氣)中形成。等離子體包在管內(nèi)和外部空氣中傳播，即使沒有外部場(chǎng)，它們也會(huì)在空氣中形成子彈?？梢姷入x子體包、電離前沿和等離子體子彈的表觀速度遠(yuǎn)大于流動(dòng)進(jìn)料氣體的速度。

ICCD 相機(jī)使研究人員能夠觀察冷 APPJ 中等離子子彈的發(fā)展，方法是追蹤等離子包的形成過程，將其作為瞬時(shí)陰極附近的放電，跟蹤它們?cè)陔姌O之間和內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)，直到它們出現(xiàn)在玻璃管的邊緣，然后捕捉等離子子彈的形成。在兩個(gè)電極內(nèi)部，等離子體都集中在靠近壁的地方，而且很明亮，而在外部，等離子體位于軸3處。見圖 1。

低溫 APPJ 可以控制多種藥劑(例如自由基、離子、紫外線和電場(chǎng))，并且不會(huì)對(duì)熱敏感的生物系統(tǒng)造成熱損傷，這使得它們適用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，例如滅菌、哺乳動(dòng)物和癌細(xì)胞的治療、血液凝固、傷口愈合和牙科治療。

例如，圖 2 中的照片顯示了使用圖 3 中所示的非熱 APPJ 設(shè)備在牙齒根管中產(chǎn)生的等離子體。

圖 2.使用基于單電極 (SE) 配置 5 的非熱 APPJ 設(shè)備在牙齒根管中產(chǎn)生的等離子體的照片。

圖3.基于單電極配置的非熱APPJ設(shè)備示意圖5。

由于根管的通道幾何形狀狹窄，通常長(zhǎng)度為幾厘米，直徑為一毫米或更小，傳統(tǒng)噴射產(chǎn)生的等離子體不足以將反應(yīng)劑輸送到根管中進(jìn)行消毒。為了達(dá)到更好的殺滅效果，需要在根管內(nèi)產(chǎn)生等離子體，然后反應(yīng)劑(包括帶電粒子等短壽命物質(zhì))可以發(fā)揮殺滅細(xì)菌的作用5。利用圖 3 所示的裝置，可以在根管內(nèi)產(chǎn)生冷等離子體(圖 2)。

多射流研究

最近，人們?cè)絹碓较Ｍ啥鄠€(gè)非熱 APPJ 以覆蓋更大的治療區(qū)域;然而，由于相鄰噴射流之間的相互作用無法避免，因此必須闡明噴射流1之間發(fā)生的物理過程。產(chǎn)生兩個(gè)或多個(gè)小直徑噴射流之間的相互作用，撞擊目標(biāo)的同一位置，以增加等離子體的沉積劑量，或在每個(gè)噴射流1中使用不同的混合氣體進(jìn)料來微調(diào)反應(yīng)物質(zhì)的組成，也可能是有意義的。

材料加工和化學(xué)凈化以及生物醫(yī)藥/醫(yī)療保健是可以從使用多個(gè)低溫 APPJ中受益的領(lǐng)域之一。圖 4 顯示了用于全面研究在氦氣中產(chǎn)生并在環(huán)境空氣中反向傳播的兩個(gè)微等離子體射流之間相互作用的物理特性的實(shí)驗(yàn)裝置。

圖 4.實(shí)驗(yàn)裝置：(a) 總體布置... HV 單元是兩個(gè)“自制”高壓脈沖形成單元;(b) DBD 設(shè)備細(xì)節(jié)1。由 Vincent Puech 博士提供。

本研究使用先進(jìn)的 ICCD 相機(jī)(Teledyne Princeton Instruments PI-MAX ? 3:1024i )研究了等離子體發(fā)射的時(shí)空演變，該相機(jī)允許使用完全集成的高壓控制器將曝光時(shí)間縮短至 0.39 納秒。使用配備三種不同光柵的750 毫米焦距光譜儀(Princeton Instruments Acton SP 2750i) 進(jìn)行光譜測(cè)量，使研究人員能夠研究波長(zhǎng)范圍從190 到 900 納米的等離子體發(fā)射。

圖 5 展示了微等離子射流到達(dá)湍流區(qū)域時(shí)在環(huán)境空氣中傳播的兩個(gè)“快照”(曝光時(shí)間：5 納秒)。

圖 5. (a) 兩股反向傳播的氦氣流和一股等離子射流;(b) 兩股反向傳播的氦氣流和兩股反向傳播的等離子射流。(b) 中出現(xiàn)了“次級(jí)子彈”。使用 16 位、精密門控的普林斯頓儀器ICCD 相機(jī)獲取的圖像?；叶葟?qiáng)度已轉(zhuǎn)換為假色1。由 Vincent Puech 博士提供。

兩個(gè)反向傳播的等離子射流相互作用的一個(gè)有趣特征是隨后突然發(fā)生二次輝光放電(見圖 6)。

圖 6.使用 16 位、精密門控普林斯頓儀器 ICCD 相機(jī)獲取的兩個(gè)反向傳播微等離子體射流傳播動(dòng)態(tài)圖像(假彩色，曝光時(shí)間：0.95 納秒)。氦氣僅通過右側(cè)的設(shè)備輸送，以避免流體動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性 1。由 Vincent Puech 博士提供。

收集到的數(shù)據(jù)顯示，構(gòu)成射流的等離子子彈從離開各自裝置的噴嘴時(shí)起就會(huì)相互作用。這種相互作用導(dǎo)致兩個(gè)等離子子彈的速度都降低。更重要的是，在射流之間沒有子彈傳播的小空間中突然出現(xiàn)了“二次”放電，即粉紅色輝光(圖 7)。

圖 7.碰撞微等離子體射流的數(shù)碼照片(真彩色)，顯示兩個(gè) DBD1 之間的次級(jí)粉紅色輝光。由 Vincent Puech 博士提供。

根據(jù)電流測(cè)量分析，結(jié)合光學(xué)發(fā)射光譜和高速數(shù)碼攝影觀察，我們認(rèn)為這種瞬態(tài)粉紅輝光是由等離子柱電位突然反轉(zhuǎn)引起的二次負(fù)輝光，與DBD 電極的電壓反轉(zhuǎn)瞬間相關(guān)，而先前暗區(qū)的浮動(dòng)電位幾乎保持不變。

用于時(shí)間分辨 APPJ 研究的新型成像技術(shù)

最近，普林斯頓儀器公司推出了一種專屬于高度先進(jìn)的PI-MAX4 ICCD相機(jī)平臺(tái)的新型門控技術(shù)，該技術(shù)結(jié)合了傳統(tǒng)ICCD相機(jī)中使用的傳統(tǒng)圖像增強(qiáng)器的更高靈敏度和提供<500皮秒分辨率的能力。

通過利用先進(jìn)的電子設(shè)備并將增強(qiáng)器通過光纖粘合到 CCD 傳感器，這種新的皮秒門控技術(shù)使PI-MAX4 相機(jī)(見圖 8)能夠門控傳統(tǒng)圖像增強(qiáng)器，后者通常實(shí)現(xiàn)~2 到 3 納秒門控，在 <500 皮秒內(nèi)不會(huì)犧牲量子效率 (QE)。

圖 8. PI -MAX4：1024i ICCD 相機(jī)采用光纖粘合到行間傳輸 CCD 的傳統(tǒng)圖像增強(qiáng)器，以接近視頻的速率(每秒 26 幀)運(yùn)行。

這些相機(jī)內(nèi)置集成可編程定時(shí)發(fā)生器 SuperSynchro，非常適合單射流和多射流研究。此外，最新的 Princeton Instruments LightField ? 64 位數(shù)據(jù)采集軟件可作為選配，通過極其直觀的用戶界面完全控制所有PI-MAX4硬件功能。LightField 提供自動(dòng)缺陷校正、精確曝光控制和一系列創(chuàng)新功能，可輕松捕獲和導(dǎo)出非熱 APPJ 成像和光譜數(shù)據(jù)。

總結(jié)

Teledyne Princeton Instruments PI-MAX4 系列是 ICCD 相機(jī)性能的新基準(zhǔn)，它將皮秒門控的優(yōu)勢(shì)與光纖耦合到科學(xué)級(jí)傳感器的傳統(tǒng)圖像增強(qiáng)器的高 QE相結(jié)合。這些相機(jī)非常適合非熱 APPJ的最新研究以及許多其他時(shí)間分辨成像和光譜應(yīng)用。

低溫 APPJ在生物醫(yī)學(xué)/醫(yī)療保健、材料加工和化學(xué)凈化等領(lǐng)域迅速流行起來。無數(shù)的單噴射和多噴射裝置在這些不同領(lǐng)域的各種實(shí)際應(yīng)用中都具有各自的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。隨著研究人員對(duì)非熱 APPJ 的表征和開發(fā)工作變得更加精細(xì)，高度先進(jìn)的科學(xué) ICCD 相機(jī)將在這些工作中發(fā)揮越來越重要的作用。

審核編輯 黃宇