يشكر المؤلفون فولكر روهوير (معهد الفيزياء التجريبية والتطبيقية، جامعة كيل) على المساعدة في المعدات. وقد دعم العمل من قبل DFG داخل CRC 1316 البلازما الجوية العابرة، في مشروع بلازما الغلاف الجوي الباردة لدراسة آليات التفاعل الأساسية مع الركائز البيولوجية (المشروع - ID BE 4349/5-1) ، وفي مشروع أكسيد النيتريك المولد بالبلازما في التئام الجروح (المشروع - ID SCHU 2353/9-1).

1. تغذية إمدادات الغاز والغلاف الجوي التي تسيطر عليها
<ol><li>إعداد إمدادات الغاز التي تتكون من خطوط الغاز المعدنية بالكامل، وتجنب أي TPFE أو أنابيب البلاستيك مماثلة24. الحفاظ على خطوط إمدادات الغاز قصيرة قدر الإمكان لتجنب أي شوائب وتسهيل ضخ نظام إمدادات الغاز.</li>
	<li>اختر وحدات التحكم في التدفق الكتلي المستخدمة لتوفير غاز التغذية وفقا لمعدلات تدفق الغاز النموذجية ل COST-Jet. استخدام غاز العمل مع نقاء لا يقل عن 99.999٪. ملاحظة: غاز العمل الأساسي ل COST-Jet هو الهيليوم. يمكن تحقيق العملية بمعدلات تدفق بين 100 سم مكعب وحوالي 5000 سم مكعب ، مع 1000 sccm كونها القيمة الأكثر شيوعا.</li>
	<li>أدرك مزيج الغازات التفاعلية بواسطة نظام يتكون من وحدات تحكم متعددة لتدفق الكتلة. بالنسبة للخلطات الأصغر، استخدم وحدة خلط مضاد لتقليل الوقت اللازم لإتمام عملية الخلط25. ملاحظة: المزيج الشائع هو الأكسجين والنيتروجين بمعدل تدفق في ترتيب 5 سم مكعب (0.5٪ من الغاز العامل).</li>
	<li>إضافة صمام بين خطوط إمدادات الغاز والطائرات لمنع الهواء الرطب دخول إمدادات الغاز عندما لا يكون الجهاز قيد الاستخدام كما الماء هو الشوائب الأكثر شيوعا والأكثر إشكالية في بلازما الضغط الجوي، مما يؤثر تأثيرا حاسما على كيمياء البلازما.</li>
	<li>تنظيف خطوط إمدادات الغاز قبل المعالجة السطحية، للحد من الشوائب في الأنابيب. للقيام بذلك، إما ببساطة تعيين تدفق الغاز المعتدل من حوالي 1000 الهيليوم sccm وتدفق خطوط الإمداد أو، ويفضل، ضخ وإعادة ملء خطوط الإمداد مرارا وتكرارا (حوالي ثلاث مرات). ملاحظة: عند تنظيف خطوط إمداد الغاز ببساطة، قد تكون هناك حاجة إلى عدة ساعات لتنظيف النظام، اعتمادا على حالة التلوث.</li>
	<li>إضافة فخ الغربال الجزيئي أو فخ الباردة (على سبيل المثال، باستخدام النيتروجين السائل) إلى خطوط إمدادات الغاز لزيادة تقليل الرطوبة في غاز الأعلاف.</li>
	<li>إذا، بدلا من ذلك، مطلوب كمية من المياه التي تسيطر عليها كمكشف، إضافة فقاعة إلى النظام26،27.</li>
	<li>فكر في إعداد جو خاضع للرقابة لتجربة الخاص بك والتغيرات في تكوين الغلاف الجوي المحيط قد تؤثر على التفاعلات الكيميائية في النفايات السائلة البلازما. ملاحظة: من المرجح أن هذا التأثير غير واضح جدا ل COST-Jet28، نظرا لأن تكوين الحقل الكهربائي يحصر البلازما في داخل قناة التفريغ ولكنه قد يلعب دورا مهما لأجهزة CAP الأخرى حيث تكون البلازما النشطة خارج الجهاز جزئيا.</li>
</ol>2. تجميع وإعداد الجهاز
<ol><li>قم بتوصيل جهاز COST-Jet بإمدادات الغاز. توصيل الجهاز مباشرة إلى 1/4 بوصة الفولاذ المقاوم للصدأ Swagelok أنابيب. استخدام محولات لمعايير أنابيب مختلفة.</li>
	<li>قم بتوصيل التكلفة-Jet بموصل الطاقة باستخدام كابل BNC محمي مجهز بموصل SMC.</li>
	<li>قم بتوصيل المسابير الكهربائية المتكاملة بمنظار الذبذبة لمراقبة الجهد والتيار باستخدام مقاوم 50 أوم كنهاية.</li>
	<li>افتح مسكن COST-Jet وربط مسبار الجهد التجاري الذي تم تعويضه بشكل صحيح بخط النحاس الذي يعمل بالطاقة بالإضافة إلى جزء متوقف من الطائرة (على سبيل المثال، أنبوب غاز Swagelok) والمنظار.</li>
	<li>إجراء روتين معايرة المسبار: ضع جهد صغير على COST-Jet وضبط مكثف المتغير لدائرة LC باستخدام مفك للوصول إلى الاقتران الأمثل (زيادة الجهد المقاس إلى أقصى حد). إجراء معايرة الجهد عن طريق مقارنة الجهد الفعلي (المسبار التجاري) إلى الجهد المقاس (المسبار المنفذ) باستخدام الانحدار الخطي وحساب ثابت المعايرة. إزالة مسبار الجهد التجاري وإغلاق السكن COST-Jet.</li>
	<li>مرة أخرى، وتطبيق الجهد صغيرة على التكلفة-Jet وضبط مكثف متغير من دائرة LC باستخدام مفك للوصول إلى اقتران الأمثل.</li>
	<li>إشعال البلازما في جهاز COST-Jet: أولا، قم بإعداد معدل تدفق الغاز يبلغ حوالي 1 جزء في المليون من الهيليوم باستخدام وحدات تحكم التدفق الجماعي (MFCs). افتح الصمام بين نظام إمدادات الغاز و COST-Jet الأخير. ثم، وتطبيق الجهد المنخفض على الأقطاب الكهربائية وزيادة السعة حتى تشتعل البلازما.</li>
	<li>إذا، عند الاشتعال الأول، والأقطاب الكهربائية غير نظيفة وعرقلة الاشتعال، وتطبيق الجهد الأولي عالية والحد منه بسرعة بعد الاشتعال. بدلا من ذلك، استخدم بندقية شرارة لتسهيل الاشتعال الأول أسهل.</li>
	<li>تعيين معلمات التحكم في العملية (تدفق الغاز، الجهد التطبيقي) إلى القيم المطلوبة.</li>
	<li>امنح الإعداد بعض الوقت للإحماء للسماح بالاستقرار الحراري (حوالي 20 دقيقة) لضمان ظروف تشغيل مستقرة وقابلة للتكرار.</li>
	<li>لتغيير تركيب الغاز أثناء التجارب، اسمح بوقت توازن تقريبي مدته دقيقتان اعتمادا على إعداد إمدادات الغاز. ملاحظة: تكلفة Jet جاهزة الآن للتطبيق.</li>
</ol>3. قياس الطاقة
<ol><li>قم بتوصيل منظار الذبذبة الذي يراقب الجهد التيار المطبق على COST-Jet بجهاز كمبيوتر.</li>
	<li>تثبيت برنامج "COST مراقبة الطاقة" إلى الكمبيوتر29 الذي يسمح في الوقت الحقيقي رصد الطاقة11،19.</li>
	<li>ضبط الاتصال بين البرنامج والمنظار عن طريق تنفيذ الأوامر المطلوبة للسيطرة على الذبذبة محددة.</li>
	<li>بدء تشغيل برنامج مراقبة الطاقة COST والتبديل إلى لوحة الإعدادات. املأ القنوات الصحيحة المتصلة بمنظار الذبذبة وثابت المعايرة المحدد في الخطوة 2.4. ملاحظة: يمكن استخدام الزر بحث لحساب عامل المعايرة تلقائيا إذا تم إرفاق مسبار الجهد التجاري ب COST-Jet.</li>
	<li>تغيير إلى لوحة الاجتياح. خذ مرحلة مرجعية بينما البلازما لا تزال خارج عن طريق الضغط على زر البحث. إيقاف تدفق الغاز قبل هذا القياس وتطبيق الجهد الذي هو في مجموعة نموذجية من الفولتية المستخدمة في التشغيل الفعلي للتصريف كما البلازما لن تشتعل في الهواء بسبب الجهد الإشعال أعلى بكثير بالمقارنة مع خليط الغاز النبيلة تهيمن. استخدم هذا القياس لتصحيح تلقائيا لتحول المرحلة النسبية بين الجهد والتحقيقات الحالية، على افتراض مرحلة 90 درجة من مكثف الكمال هنا.</li>
	<li>اضغط على الزر بدء وإيقاف مؤقت لبدء القياسات الكهربائية أو إيقافها مؤقتا.</li>
	<li>تشغيل التكلفة-جيت حسب الرغبة. استخدام الطاقة الكهربائية الفعلية المحسوبة من الجهد والسعة الحالية وكذلك التحول المرحلة، والتي يتم عرضها باستمرار في البرنامج للرصد وكعامل التحكم.</li>
</ol>4. (الصلبة) معالجة السطح
<ol><li>قم بإعداد جو خاضع للرقابة من أجل تجربتك. ملاحظة: في حالة التكلفة-Jet، يكون الغلاف الجوي الخاضع للرقابة أقل أهمية من المصادر التي لها كيمياء البلازما النشطة خارج قناة التفريغ المحصورة.</li>
	<li>تنظيف خطوط إمدادات الغاز كما هو موضح في الخطوة 1.5.</li>
	<li>تعيين معلمات التشغيل المطلوبة وانتظر لمدة 20 دقيقة تقريبا حتى تصل التكلفة النفاثة إلى درجة حرارة مستقرة.</li>
	<li>اختر المسافة بين COST-Jet والسطح المعالج حيث تحدد المسافة مقدار الأنواع التفاعلية التي تؤثر على السطح المعالج30. استخدام xyz المرحلة لتركيب الركيزة لسهولة التلاعب. ملاحظة: بالنسبة إلى COST-Jet، تضيف فجوة الأمان ملليمترا إضافيا واحدا إلى المسافة بين تصريف البلازما والسطح المعالج.</li>
	<li>بدء وقت العلاج: إما ببساطة التبديل على البلازما أو استخدام مصراع الميكانيكية. كن على علم باحتمال تجاوز الجهد أثناء حدث التبديل مما يؤدي إلى التصريف الضيق. للحصول على تحكم أفضل في نطاق مللي ثانية، استخدم الغالق القابل للتدوير.</li>
	<li>علاج العينة للكمية المطلوبة من الوقت وإنهاء وقت العلاج عن طريق إيقاف البلازما أو عن طريق استخدام مصراع الكاميرا.</li>
	<li>إذا لزم الأمر، تحقق من نمط تدفق الغاز أمام الهدف باستخدام التصوير Schlieren عند التعامل مع الركيزة وآثار الشحن السطحي، أيون سحب القوى، أو خلط الهواء المحيط بسبب الطفو يمكن أن تؤثر على كمية الأنواع التفاعلية التي تصل إلى السطح.</li>
</ol>5. العلاج السائل
<ol><li>إعداد الغلاف الجوي للرقابة للتجربة.</li>
	<li>تنظيف خطوط إمدادات الغاز كما هو موضح في الخطوة 1.5.</li>
	<li>تعيين معلمات التشغيل المطلوبة وانتظر ما يقرب من 20 دقيقة لتكلفة طائرة للوصول إلى درجة حرارة مستقرة.</li>
	<li>اختر المسافة بين COST-Jet والسائل المعالج.</li>
	<li>صب السائل ليتم علاجها في وعاء مناسب. استخدام المواد الخاملة لتجنب ردود الفعل من الأنواع التفاعلية التي يحتمل أن تولد في السائل مع الحاوية. اختر حجم الحاوية وفقا لحجم السائل المعالج.</li>
	<li>النظر في تأثير تدفق الغاز على سطح السائل: اعتمادا على معدل تدفق الغاز، أن تكون على بينة من الغضروف المفصلي مقعر التي قد تشكل، وبالتالي تغيير المسافة بين البلازما والسطح السائل.</li>
	<li>ابدأ العلاج. تجنب طفرات الضغط على سطح السائل الناجمة عن تغيير مفاجئ في تدفق الغاز لأن هذا يمكن أن يسبب البقع السائلة في هندسة التفريغ ، وربما تسبب ماس كهربائي وبالتأكيد تلويث البلازما. بدلا من ذلك، استخدم الغالق الميكانيكي أو قم بزيادة تدفق الغاز ببطء.</li>
	<li>تأخذ في الاعتبار خلط / اثارة السائل بسبب الاحتكاك بين تدفق الغاز محايدة والسطح السائل لأن هذا يؤثر على عمليات النقل وملامح التركيز في السائل. بالإضافة إلى ذلك ، اعتمادا على وقت العلاج ، صحيح لتبخر السائل أثناء العلاج (على سبيل المثال ، عند حساب ثوابت التفاعل). اعتمادا على مصدر البلازما، يكون على بينة من هذا التبخر ربما تسبب اقتران مرة أخرى إلى التفريغ، وبالتالي تغيير كيمياء البلازما.</li>
	<li>يرجى أيضا النظر في أن التفاعل مع الكواشف المحتملة في السوائل يتأثر أيضا بالنشاط السطحي لهذا العامل. وهكذا، في بعض الحالات، قد تلعب المواد الخافقة للتسرب دورا هاما في التفاعل بين الأنواع والسوائل قصيرة الأجل.</li>
</ol>

وليس لدى صاحبي البلاغ ما يكشفان عنه.

هنا، ونحن نظهر استخدام طائرة بلازما الضغط الجوي للعلاجات السطحية من مواد مختلفة. يمكن أن يكون الإعداد التجريبي لطائرة بلازما الضغط الجوي تأثيرا هائلا على معلمات البلازما والكيمياء والأداء وبالتالي يؤثر على نتيجة علاجات البلازما وهو خطوة حاسمة في البروتوكول.
على سبيل المثال، خطوط إمدادات الغاز تلعب دورا هاما فيما يتعلق الشوائب الأكثر شيوعا في غاز الأعلاف من البلازما التي هي الرطوبة. على وجه الخصوص ، يتم تقليل إنتاج أنواع النيتروجين التفاعلية في البلازما في حين يفضل إنتاج أنواع الأكسجين التفاعلية ، بسبب انخفاض الطاقة المؤينة للأوكسجين مقارنة بجزيئات الماء والنيتروجين35. اكتشف شتاء24 أن رطوبة غاز التغذية الناشئة عن جزيئات الماء على سطح الأنبوب الداخلي هي ترتيب أعلى حجما باستخدام أنابيب البوليمر مقارنة بالأنابيب المعدنية بسبب ارتفاع المسامية وسعة التخزين. ويمكن تخفيضه عن طريق مسح خطوط مع غاز التغذية. ومع ذلك، تجفيف الخط عن طريق التنظيف يستغرق بضع ساعات. لذلك، ينبغي تجنب الأنابيب البوليمرية أو على الأقل الاحتفاظ قصيرة قدر الإمكان. وتؤكد هذه النتائج من خلال دراسات من Große-Kreul25. قارنوا تأثير أنابيب البولي أميد والفولاذ المقاوم للصدأ على كيمياء البلازما باستخدام قياس الطيف الكتلي. تؤكد قياساتهم تكوين أيونات مجموعات المياه في البلازما بسبب تسرب المياه من الأنابيب البوليمرية وأوقات التجفيف الأسرع مع الأنابيب المعدنية. بالإضافة إلى ذلك ، حققوا في تأثير طرق تنقية الغاز مثل فخ الغربال الجزيئي وفخ النيتروجين البارد السائل على كيمياء البلازما مما ساعد على تقليل كمية الشوائب بنحو أمرين من الحجم.
بدلا من محاولة تنقية غاز الأعلاف ، هناك أيضا نهج إضافة كمية خاضعة للرقابة من الرطوبة. وبما أن هذه الشوائب المتعمدة تهيمن بعد ذلك على الشوائب الطبيعية وبالتالي تتحكم في كيمياء البلازما ، يتم ضمان الظروف القابلة للاستنساخ طالما أن كمية الرطوبة المضافة معروفة بدقة.
لإشعال التفريغ ، يمكن عادة زيادة الجهد التطبيقي على الأقطاب الكهربائية ببساطة حتى نقطة الانهيار. ومع ذلك ، اعتمادا على الظروف السطحية للأقطاب الكهربائية ، في بعض الأحيان يكون الجهد العالي ضروريا. لتسهيل الاشتعال، يمكن استخدام بندقية شرارة الجهد العالي. وهذا يمكن أيضا أن تكون مفيدة عند محاولة إشعال تفريغ الأرجون في كوست جيت.
قبل تطبيق COST-Jet على أي أسطح، يجب تخصيص وقت كاف للجهاز لتوازن. عند تعيين إلى معلمات التحكم المطلوبة، يحتاج COST-Jet حوالي 20 دقيقة للوصول إلى ظروف مستقرة11. خلال هذا الوقت ، تصل درجة حرارة الجهاز ودرجة حرارة الغاز وكذلك كيمياء البلازما إلى حالة ثابتة.
للمقارنة بين النتائج العلمية، معلمات التحكم البلازما قابلة للمقارنة ضرورية. لقياس قوة الإدخال الكهربائي، يمكن استخدام شاشة طاقة COST29. البرنامج مفتوح المصدر ومتوافق مع مجموعة من أنواع مختلفة من المناظير. يعمل البرنامج وفقا للمبدأ الذي وصفته غولدا19.
بالإضافة إلى تأثير رطوبة غاز الأعلاف على كيمياء البلازما ، فإن نقل الأنواع التفاعلية من البلازما إلى الركيزة يلعب دورا مهما في تكوين النفايات السائلة وهو خطوة حاسمة أخرى في البروتوكول. يمكن أن يؤثر الغلاف الجوي المحيط على الأنواع التي تم إنشاؤها في البلازما في طريقها إلى الركيزة. ولتقليل هذا التأثير إلى أدنى حد، يستخدم مفهومان مختلفان: '1' أولا، يمكن إنشاء جو خاضع للرقابة يتكون من غاز الأعلاف. وبالتالي ، يمكن الحفاظ على تكوين الغلاف الجوي المحيط ثابتا. اعتمادا على مستوى النقاء المطلوب للعلاج ، يمكن تحقيق الغلاف الجوي الخاضع للرقابة من خلال مساكن واقية مجهزة بصمام أحادي الاتجاه لمنع الضغط الزائد. لمستويات أعلى من النقاء، يمكن استخدام غرفة فراغ مع مضخة. ثانيا، يمكن إنشاء الغلاف الجوي الخاضعة للرقابة باستخدام ستارة الغاز التدريع حول السائل السائل البلازما36،37. عادة، فإنه يتكون من غاز خامل، ولكن يمكن أيضا أن تكون متنوعة وفقا لاحتياجات التطبيق.
لحسن الحظ ، بالنسبة ل COST-Jet ، فإن تأثير الغلاف الجوي المحيط منخفض نسبيا. باستخدام وضع العلامات النظيرية، وقد أظهرت غوربانيف أنه بالنسبة لطائرة البلازما تكوين حقل مواز، تم تشكيل الأكسجين التفاعلي وأنواع النيتروجين التي تصل إلى سطح سائل في مرحلة غاز البلازما وكذلك في المنطقة بين فوهة البلازما والعينة38،39. في المقابل، باستخدام نفس التقنية لتكلفة-Jet، وجدوا أن RONS نشأت بشكل حصري تقريبا من مرحلة البلازما بدلا من البيئة المحيطة28. وربما يرجع ذلك إلى أن المجال الكهربائي يقتصر على قناة البلازما لتفريغ التكلفة النفاثة. وهذا يجعل تصريف البلازما مستقلة إلى حد كبير عن بيئتها ويعطيها طابعا عن بعد معينة.
بالنسبة لطائرة بلازما المجال الكهربائي الطولية، أظهرت Darny et al.40 أن قطبية الحقل الكهربائي تعدل نمط تدفق الغاز وبالتالي أيضا على الأنواع التفاعلية التي تصل إلى هدف بسبب الرياح الأيونية. وقد تأكد اعتماد كثافة الأنواع التفاعلية على البيئة من خلالالقياساتالتي أجراها ستانكامبيانو وآخرون. وأبلغوا عن الفرق في عدد الأنواع التفاعلية التي تنشأ في المياه المعالجة حسب الخصائص الكهربائية. وللتعويض عن هذه الاختلافات، كان عليهم إنشاء دائرة كهربائية تعويضية. يختلف هذا السلوك عن COST-Jet: يقارن الشكل 5 صور Schlieren ل COST-Jet بدون جهد كهربائي مطبق وأثناء التشغيل لمعدلات تدفق غاز مختلفة. تم التقاط الصور باستخدام محاذاة مضمنة مرآة واحدة كما وصفها كيلي41. وهي تبين كيف أن النفايات السائلة COST-Jet المنحازة أفقيا تضرب ركيزة زجاجية مسطحة. تظهر كلتا الصورتين نفس نمط تدفق الغاز بالضبط. وهذا ناتج عن عدم وجود رياح أيونية بسبب عدم وجود أنواع مشحونة في النفايات السائلة البلازما.
بالإضافة إلى ذلك، يعرض COST-Jet نمط تدفق صفح جدا. وأظهرت كيلي41 صور شليرين مماثلة لتلك التي قدمت في الشكل 5, لمعدلات تدفق الغاز المختلفة. حتى في معدلات تدفق الغاز عالية نسبيا من 2 slpm، والنفايات السائلة البلازما لا يظهر أي علامات على الاضطراب. في معدلات تدفق الغاز منخفضة جدا من 0.25 slpm وما دونها، والطفو من النفايات السائلة الهيليوم يبدأ في لعب دور. ومع ذلك، ما يصل إلى 4 - 5 مم المسافة من فوهة، والغلاف الجوي المحيط لا يؤثر على تكوين الغاز الوصول إلى السطح كما يتضح من Ellerweg باستخدام الطيفالكتلي 17.
إضافة كافة الخصائص المذكورة أعلاه إلى الطابع البعيد من COST-Jet. وهذا يجعلها مرشح مثالي للرقابة، ومعالجة مماثلة من الأسطح.
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61801/61801fig05.jpg"> الشكل 5: صور Schlieren من التكلفة-Jet مع وبدون الجهد التطبيقي لاثنين من معدلات تدفق الغاز المختلفة. أثناء عملية البلازما، نمط تدفق الغاز يشبه بالضبط نمط مع تدفق الغاز فقط. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61801/61801fig05large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
اعتمادا على التأثير المطلوب على العينة المعالجة ، يمكن تعديل معلمات التحكم في خليط تدفق الغاز ، والطاقة الكهربائية التطبيقية ، والمسافة بين مصدر البلازما والسطح وفقا لذلك. وبالنسبة ل COST-Jet، توجد قاعدة بيانات أدبية واسعة النطاق للدراسات التي تحقق في الأنواع التفاعلية في النفايات السائلة. على سبيل المثال، قامت ويلمز30 بقياس كثافة الأكسجين الذري باستخدام قياس الطيف الكتلي في حين قامت شنايدر42 بقياس كثافات النيتروجين الذري في النفايات السائلة.
يمكن أن يسبب علاج السوائل بلازما الضغط الجوي مجموعة متنوعة من آليات التفاعل المحتملة التي تحركها الأنواع التفاعلية أو الأيونات أو الفوتونات أو الحقول الكهربائية. نظرا للخصائص الموصوفة سابقا ل COST-Jet ، فإن تأثير المجال الكهربائي والأيونات والفوتونات لا يكاد يذكر مقارنة بمصادر البلازما حيث تكون البلازما على اتصال مباشر مع السوائل. لذلك ، لدراسة تأثير الأنواع التفاعلية قصيرة الأجل مثل الأكسجين الذري على محلول الفينول ، تم استخدام COST-jet من قبل Hefny43 و Benedikt44. وعلاوة على ذلك، يوفر COST-Jet إمكانية مريحة لمقارنة التجارب والمحاكاة العددية للمعالجة السائلة28. كما يهيمن على التفاعل بين البلازما والسائل من تدفق الغاز من الأنواع التفاعلية من البلازما إلى السطح السائل، يمكن تقليل تعقيد النموذج.
تدفق الغاز الناجم عن اثارة السائل يزيد من معدل التفاعل بين البلازما ولدت الأنواع التفاعلية والسائل. على النقيض من العلاجات السطحية للمواد الصلبة ، يغير الحمل الحراري للسائل باستمرار التركيز المحلي للمتفاعلات. بالإضافة إلى ذلك، تتأثر معدلات التفاعل بين الأنواع المولدة بالبلازما مع المواد المتفاعلة في السائل أيضا بالنشاط السطحي لهذه المواد المتفاعلة. مع زيادة النشاط السطحي ، يزداد تركيز المتفاعل على السطح السائل. قد تلعب هذه المواد الخافرة للطبيعة دورا هاما في التفاعل بين الأنواع قصيرة الأجل التي تولدها البلازما.
بجانب تحريك تدفق الغاز الذي يؤثر على السطح السائل يؤدي أيضا إلى التبخر الذي يجب النظر فيه. باستخدام COST-Jet مع أوقات علاج قصيرة قد يلعب التبخر دورا ثانويا ، على الرغم من أنه لا يزال يتعين النظر في حساب معدلات التفاعل الصحيحة. لا يتأثر تفريغ التكلفة-Jet بالتبخر وبالتالي لا تتأثر كيمياء البلازما أيضا. بالنسبة لمصادر البلازما المختلفة ، حيث تكون البلازما على سبيل المثال على اتصال مباشر مع السائل ، تتغير كيمياء البلازما بشكل كبير مع التبخر كما هو مبين من قبل تيان وكوشنر45 لتفريغ حاجز عازل. أيضا ، بالنسبة لkINPen ، تم تحديد تأثير التبخر46.
وإلى جانب هذه الاختلافات المذكورة في كيمياء البلازما التي تحتاج إلى النظر لمصادر البلازما المختلفة، وأيضا طوبولوجيا الغضروف المفصلي الناجم عن تيار الغاز على التغيرات السطحية السائلة. عمق هذا الغضروف المفصلي عادة ما يعتمد على سرعة الغاز. لمصادر البلازما حيث تكوين القطب يحفز حقل كهربائي كبير الوصول إلى السائل أو حتى مع البلازما في اتصال مع السائل، يمكن رفع هذا الغضروف المفصلي47،48. كما هو مبين, العديد من الآثار تحتاج إلى النظر وفقا لمصدر البلازما المستخدمة.
في المستقبل، يمكن استخدام هذا البروتوكول لإجراء ووصف العلاجات السطحية والسائلة باستخدام COST-Jet. وهو مستقر، مصدر البلازما استنساخها تظهر طابع فريد من نوعه عن بعد بين عدد كبير من تصاميم مختلفة طائرة البلازما. ولا تقتصر نفس الأساليب على مصدر التكلفة النفاثة فقط، ويمكن تعديلها وتكييفها لاستخدامها مع أي مصدر بلازما الضغط الجوي البارد.

وقد اجتذبت بلازما الضغط الجوي البارد (CAPs) اهتماما متزايدا في السنوات الأخيرة بسبب إمكاناتها لتطبيقات المعالجة السطحية. وتتميز CAPs بخصائصها غير المتوازنة ، مما يتيح كيمياء البلازما المعقدة ذات الكثافة العالية من الأنواع التفاعلية مع الحفاظ على تأثير حراري منخفض على العينات المعالجة. لذلك ، تعتبر CAPs على وجه الخصوص لعلاج الأنسجة البيولوجية1و2و3و4. وتستخدم بنجاح العديد من المفاهيم والتصاميم من CAPs لتطهير الجروح والشفاء، وتخثر الدم، وعلاج السرطان، من بين تطبيقات الطب الحيوي الأخرى. نسبة كبيرة من الأنسجة البيولوجية تحتوي على السوائل. لذلك ، تركز الأبحاث أيضا بشكل متزايد على التحقيق في آثار CAPs على الأسطح السائلة مثل الخلايا المتوسطة أو الماء5و6و7.
ومع ذلك ، فإن النتائج العلمية غالبا ما تعاني من مشاكل الموثوقية والاستنساخ8و9و10. فمن ناحية، تخضع الركائز البيولوجية المعالجة لتغيرات طبيعية. ومن ناحية أخرى، نادرا ما تعزى الآليات البيولوجية مباشرة إلى عمليات البلازما (مثل المجالات الكهربائية، والأشعة فوق البنفسجية، والأنواع الطويلة والقصيرة الأجل، وما إلى ذلك). وعلاوة على ذلك، هذه العمليات البلازما بدورها تعتمد بقوة على مصدر البلازما الفردية والنوع الدقيق لتطبيقه.
بالإضافة إلى ذلك، نادرا ما تتوفر بروتوكولات مفصلة لإجراءات العلاج. وهذا يجعل من الصعب عزل تأثير معلمة البلازما معينة على نتيجة العلاج، مما يجعل النتائج التي تم الحصول عليها غير قابلة للنقل.
لذلك في الآونة الأخيرة ، بذلت محاولات مختلفة لتوحيد علاج الأسطح والأنسجة والسوائل باستخدام بلازما الضغط الجوي البارد. هنا نقدم بعض الأمثلة المختارة فقط.
<ol><li>لتبسيط المقارنة المباشرة لمصادر البلازما المختلفة، تم تطوير مصدر مرجعي. مستوحاة من المجتمع البلازما الضغط المنخفض، تم تطوير تصميم التفريغ القابلة للاستنساخ ومستقرة (COST-Jet) في إطار العمل التكلفة MP 1101 التي يمكن أن تكون بمثابة مصدر مرجعي للبحوث الطبية الحيوية في المستقبل11.</li>
	<li>ولتمكين المقارنة، وضعت بروتوكولات مرجعية للتطبيقات الفردية. لتوحيد المقارنة بين خصائص مضادات الميكروبات من بلازما الضغط الجوي البارد، على سبيل المثال، حدد مان وآخرون بروتوكولا مرجعيا لعلاج الكائنات الحية الدقيقة عن طريق تطبيع وقت العلاج لكل وحدة منطقة12.</li>
	<li>لنهج أكثر مرونة، وضعت Kogelheide وآخرون طريقة للتحقيق في التعديلات الكيميائية الناجمة عن البلازما على الجزيئات الكبيرة13. باستخدام مركبات التتبع مثل السيستين أو الجلوتاثيون المحتوي على السيستين (GSH) بالاشتراك مع FTIR وقياس الطيف الكتلي ، حاولوا استقراء التعديلات الكيميائية على الركائز البيولوجية. باستخدام هذه الطريقة، وقد تم بالفعل مقارنة العديد من مصادر البلازما مثل كوست جيت، kinPen، وDBD سينوجي14،15،16.</li>
	<li>لمقارنة مصادر البلازما الفردية مباشرة، يجب إنشاء معلمات تحكم قابلة للمقارنة. من الصعب قياس معلمات البلازما الأساسية مثل درجة حرارة الإلكترون وكثافة الإلكترون وكثافات التدفق للأنواع التفاعلية في بلازما الضغط الجوي لأن هذه البلازما غالبا ما تكون عابرة وأبعادها صغيرة. بدلا من ذلك، غالبا ما تستخدم معلمات التحكم الخارجي مثل طاقة المولد، والجهد التطبيقي أو الاشتعال، ونقاط القوس كمرجع، خاصة عند مقارنة النتائج بالمحاكاة17و18. في الآونة الأخيرة ، تم استخدام استهلاك الطاقة الكهربائية المقاس كمعلمة تحكم أكثر موثوقية19و20و21.</li>
</ol>على الرغم من هذه الجهود، قد تكون مقارنة نتائج الدراسات المختلفة لا تزال مستحيلة، وذلك ببساطة بسبب التحدي المتمثل في تطبيق مصدر البلازما بشكل صحيح على السطح. هناك عدد كبير من المزالق السائدة التي يجب معالجتها عند العمل مع تطبيقات بلازما الضغط الجوي مثل تأثير المجالات الكهربائية الخارجية (دوائر التعويض) ، وحلقات التغذية المرتدة بين البلازما والبيئة المحيطة بها (الغلاف الجوي المحمية) ، ونقل الأنواع (الرياح الأيونية) ومعلمات التحكم (الجهد ، التيار ، الطاقة).
والهدف الرئيسي من هذا العمل هو توفير بروتوكول شامل ومفصل بشأن تطبيق التكلفة النفاثة للعلاجات السطحية. وتكلفة جيت هو مصدر البلازما الموثوق بها التي تم تطويرها لأغراض مرجعية علمية بدلا من للاستخدام الصناعي أو الطبي. وهو يوفر شروط التفريغ القابلة للاستنساخ وقاعدة بيانات واسعة من الدراسات المتاحة22،23. ويستند COST-Jet على متجانسة, اقتران بالسعة RF-البلازما. ولأن الحقل الكهربائي محصور عموديا على تدفق الغاز، فإن الأنواع المشحونة يتم الاحتفاظ بها في الغالب في منطقة التصريف ولا تتفاعل مع الهدف أو الغلاف الجوي المحيط به. بالإضافة إلى ذلك، يضمن تدفق غاز النعناع ظروف البلازما الكيميائية القابلة للتكرار في النفايات السائلة بالبلازما.
في هذه الورقة، سنعالج التحديات الأكثر شيوعا ونقدم الحلول الممكنة التي استخدمت في الأدبيات. وتشمل هذه إمدادات الغاز المناسبة، والتحكم في التفريغ، وتأثير الغلاف الجوي المحيط، وإعداد السطح. وينبغي أن يكفل الامتثال للبروتوكول المعروض هنا إمكانية استنساخ القياسات وقابليتها للمقارنة.
وقد يكون البروتوكول أيضا مثالا لمصادر الضغط الجوي الأخرى. يجب أن يتم تكريره لمصادر البلازما النفاثة الأخرى وفقا لتدفق الغاز الفردي وتكوين الحقل الكهربائي. وسنحاول، حيثما ينطبق ذلك، الإشارة إلى التعديلات المحتملة على البروتوكول. وينبغي النظر في الخطوات الموصوفة والإبلاغ عنها عند نشر الدراسات التي تطبق بلازما الضغط الجوي على العينات المعالجة.

<table><tbody><tr><td>COST power monitor software</td><td>home-built</td><td></td><td>according to www.cost-jet.eu and J Golda et al 2016 J. Phys. D: Appl. Phys. 49 084003</td></tr><tr><td>COST-Jet (including matching circuit)</td><td>home-built</td><td></td><td>according to www.cost-jet.eu and J Golda et al 2016 J. Phys. D: Appl. Phys. 49 084003</td></tr><tr><td>current probe</td><td>home-built</td><td></td><td>integrated into the COST-Jet</td></tr><tr><td>gas supply system</td><td>Swagelok</td><td></td><td>stainless steel</td></tr><tr><td>helium</td><td>Air Liquide</td><td></td><td>99.999 % purity</td></tr><tr><td>mass flow controller (MFC)</td><td>Analyt-MTC</td><td>series 358</td><td>5000 sccm</td></tr><tr><td>MFC</td><td>Analyt-MTC</td><td></td><td>50 sccm</td></tr><tr><td>oscilloscope</td><td>Agilent Technologies</td><td>DSO7104B</td><td>bandwidth 1 GHz, resolution 4 Gsa/s</td></tr><tr><td>oxygen</td><td>Air Liquide</td><td></td><td>99.9999 % purity</td></tr><tr><td>power supply</td><td>home-built</td><td></td><td>according to www.cost-jet.eu and J Golda et al 2016 J. Phys. D: Appl. Phys. 49 084003</td></tr><tr><td>voltage probe</td><td>Tektronix</td><td>P5100A</td><td></td></tr><tr><td>xyz-stage</td><td>Zaber</td><td>ZAB-X-XAZ-LSM0100A-K0059-SQ3</td><td></td></tr></tbody></table>

treating surfaces with a cold atmospheric pressure plasma using the cost-jet

في السنوات الأخيرة، استخدمت بلازما الضغط الجوي غير الحرارية على نطاق واسع للعلاج السطحي، على وجه الخصوص، بسبب إمكاناتها في التطبيقات البيولوجية. ومع ذلك ، فإن النتائج العلمية غالبا ما تعاني من مشاكل في الإنجاب بسبب ظروف البلازما غير الموثوقة وكذلك إجراءات العلاج المعقدة. لمعالجة هذه المشكلة وتوفير مصدر البلازما مستقرة وقابلة للاستنساخ، تم تطوير مصدر المرجع COST-Jet.
في هذا العمل، نقترح بروتوكول مفصل لإجراء علاجات سطحية موثوقة وقابلة للاستنساخ باستخدام طائرة MICROPLASMA المرجعية COST (COST-Jet). تتم مناقشة القضايا والمزالق المشتركة ، فضلا عن خصائص COST-Jet مقارنة بالأجهزة الأخرى وطابعها البعيد المفيد. يتم توفير وصف مفصل لكل من المعالجة السطحية الصلبة والسائلة. الأساليب الموصوفة متعددة الاستخدامات ويمكن تكييفها لأنواع أخرى من أجهزة بلازما الضغط الجوي.

باستخدام الأساليب والمعدات المذكورة أعلاه، طبقنا نموذج التكلفة-Jet على أسطح وسوائل مختلفة. ويبين الشكل 1 الإعداد التجريبي المستخدم في المعالجة بما في ذلك إمدادات الطاقة، ونظام إمدادات الغاز، والجهد، والتحقيقات الحالية، فضلا عن الغلاف الجوي الخاضع للرقابة ومصراع ميكانيكي.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61801/61801fig01.jpg"> الشكل 1: الإعداد التجريبي المستخدم لعلاج البلازما للأسطح والسوائل باستخدام التكلفة-Jet. ويستخدم فخ الباردة لتنقية غاز الأعلاف. يتم تحقيق الغلاف الجوي الخاضع للرقابة من خلال غرفة فراغ ضخ في الضغط الجوي. مصراع الميكانيكية يسهل إدارة الوقت من الصلبة والسائلة معالجة السطح. تسمح المرحلة المرنة بالتحكم في المسافة بين طائرة البلازما والسطح. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61801/61801fig01large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
باستخدام الجهد والتحقيق الحالي المنفذة في التكلفة النفاثة، يمكن حساب الطاقة الكهربائية تبدد. ويبين الشكل 2 الطاقة الكهربائية المقاسة في بلازما الهيليوم المتولدة في خمسة أجهزة مختلفة من طراز COST-Jet باستخدام تدفق غاز يبلغ 1 slpm. تظهر كافة الأجهزة سلوكا مماثلا. ينشأ الانحراف بين الأجهزة المختلفة من عدم اليقين في قياس الطاقة وكذلك الاختلافات المجهرية في الاجهزة مثل مسافة القطب الكهربائي. وقد تم إجراء قياسات أكثر تفصيلا للأنواع التفاعلية (مثل الأكسجين الذري والأوزون) ودرجة الحرارة والطاقة وكذلك قياسات نشاط مبيد الجراثيم من قبل ريدل22.
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61801/61801fig02.jpg"> الشكل 2: تبدد السلطة كدالة الجهد التطبيقي في بلازما الهيليوم. تمثل البيانات خمسة أجهزة COST-Jet متطابقة34. الانحرافات الصغيرة في الفولتية العالية ترجع إلى عدم اليقين من القياس وكذلك الانحرافات الصغيرة في هندسة قناة تصريف الغاز22. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61801/61801fig02large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
الشكل 3 يظهر لمحة النقش من فيلم A:C-H لعلاج 3 دقائق مع COST-Jet باستخدام تدفق الغاز من الهيليوم 1.4 slpm مع مزيج من 0.5٪ الأكسجين قياس باستخدام مقياس عاكس الطيفية التصوير31. يظهر نمط النقش هيكلا دائريا يمثل التماثل الأسطواني للنفايات السائلة في البلازما. واستنادا إلى ملامح النقش بالاقتران مع المحاكاة العددية، يمكن تقدير احتمال فقدان السطح للأوكسجين الذري.
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61801/61801fig03.jpg"> الشكل 3: لمحة عن لمحة عن البلازما المعالجة a:C-H الفيلم. تم حفر الانخفاض في الفيلم باستخدام خليط غاز من الهيليوم 1.4 slm مع مزيج من الأكسجين 0.6٪ بجهد 230 Vrms ووقت علاج 3دقائق.<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61801/61801fig03large.jpg" target="_blank"></a>
ويبين الشكل 4 الدوامات الموجودة في السائل الناجمة عن تدفق الغاز الذي يؤثر على السطح السائل. ورقة ليزر تضيء جزيئات التتبع في السائل يجعل من الممكن لمراقبة مسار وسرعة هذه الجسيمات عن طريق قياس الجسيمات صورة وبالتالي دراسة تدفق السوائل32. من المهم النظر في كثافات مماثلة من جزيئات البذر والسوائل بحيث تمثل مسارات الجسيمات حركة السوائل. مع هذا التصور من قياسات تدفق السوائل والمحاكاة العددية يمكن مقارنة33. ويعزى ذلك إلى الاحتكاك السطحي بين تدفق الغاز السائل والسطح السائل. ويبين الشكل 4 أيضا الاكتئاب الذي يحدث للسطح السائل تحت قناة الغاز لطائرة البلازما، ما يسمى الغضروف المفصلي. يتم تصوره بواسطة خط أزرق.
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61801/61801fig04.jpg"> الشكل 4: صورة لجسيمات نشا الذرة المضيئة في 3 مل من الماء الذي يحركه تدفق الغاز. ويعزى ذلك إلى الاحتكاك السطحي بين تدفق الغاز السائل والسطح السائل. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61801/61801fig04large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Treating Surfaces with a Cold Atmospheric Pressure Plasma using the COST-Jet at JoVE.com

Treating Surfaces with a Cold Atmospheric Pressure Plasma using the COST-Jet

يتم تقديم هذا البروتوكول لتوصيف الإعداد والمناولة وتطبيق التكلفة-Jet لمعالجة الأسطح المتنوعة مثل المواد الصلبة والسوائل.

معالجة الأسطح ببلازما الضغط الجوي الباردة باستخدام COST-Jet

In recent years, non-thermal atmospheric pressure plasmas have been used extensively for surface treatments, in particular, due to their potential in ...

treating-surfaces-with-cold-atmospheric-pressure-plasma-using-cost

Research

JoVE Journal

Engineering

3.9K Views.  Kiel University. يتم تقديم هذا البروتوكول لتوصيف الإعداد والمناولة وتطبيق التكلفة-Jet لمعالجة الأسطح المتنوعة مثل المواد الصلبة والسوائل.

Video: Treating Surfaces with a Cold Atmospheric Pressure Plasma using the COST-Jet

Biofilm Removal Using Carbon Dioxide Aerosols without Nitrogen Purge

Biofilms can cause serious concerns in many applications. Not only can they cause economic losses, but they can also present a public health hazard. Therefore, it is highly desirable to remove biofilms from surfaces. Many studies on CO2 aerosol cleaning have employed nitrogen purges to increase biofilm removal efficiency by reducing the moisture condensation generated during the cleaning. However, in this study, periodic jets of CO2 aerosols without nitrogen purges were used to remove Pseudomonas putida biofilms from polished stainless steel surfaces. CO2 aerosols are mixtures of solid and gaseous CO2 and are generated when high-pressure CO2 gas is adiabatically expanded through a nozzle. These high-speed aerosols were applied to a biofilm that had been grown for 24 hr. The removal efficiency ranged from 90.36% to 98.29% and was evaluated by measuring the fluorescence intensity of the biofilm as the treatment time was varied from 16 sec to 88 sec. We also performed experiments to compare the removal efficiencies with and without nitrogen purges; the measured biofilm removal efficiencies were not significantly different from each other (t-test, p &gt; 0.55). Therefore, this technique can be used to clean various bio-contaminated surfaces within one minute.

Biofilms on surfaces can be effectively and rapidly removed by using a periodic jet of carbon dioxide aerosols without a nitrogen purge.

إزالة بيوفيلم عن طريق بخاخات ثاني أكسيد الكربون دون النيتروجين تطهير

Biofilms can cause serious concerns in many applications. Not only can they cause economic losses, but they can also present a public health hazard. ...

Environment

How to Ignite an Atmospheric Pressure Microwave Plasma Torch without Any Additional Igniters

This movie shows how an atmospheric pressure plasma torch can be ignited by microwave power with no additional igniters. After ignition of the plasma, a stable and continuous operation of the plasma is possible and the plasma torch can be used for many different applications. On one hand, the hot (3,600 K gas temperature) plasma can be used for chemical processes and on the other hand the cold afterglow (temperatures down to almost RT) can be applied for surface processes. For example chemical syntheses are interesting volume processes. Here the microwave plasma torch can be used for the decomposition of waste gases which are harmful and contribute to the global warming but are needed as etching gases in growing industry sectors like the semiconductor branch. Another application is the dissociation of CO2. Surplus electrical energy from renewable energy sources can be used to dissociate CO2 to CO and O2. The CO can be further processed to gaseous or liquid higher hydrocarbons thereby providing chemical storage of the energy, synthetic fuels or platform chemicals for the chemical industry. Applications of the afterglow of the plasma torch are the treatment of surfaces to increase the adhesion of lacquer, glue or paint, and the sterilization or decontamination of different kind of surfaces. The movie will explain how to ignite the plasma solely by microwave power without any additional igniters, e.g., electric sparks. The microwave plasma torch is based on a combination of two resonators &#8212; a coaxial one which provides the ignition of the plasma and a cylindrical one which guarantees a continuous and stable operation of the plasma after ignition. The plasma can be operated in a long microwave transparent tube for volume processes or shaped by orifices for surface treatment purposes.

This movie shows how an atmospheric plasma torch can be ignited by microwaves with no additional igniters and provides a stable and continuous plasma operation suitable for plenty of applications.

كيفية اشعال على الضغط الجوي البلازما الشعلة ميكروويف دون أي اشعال إضافية

This movie shows how an atmospheric pressure plasma torch can be ignited by microwave power with no additional igniters. After ignition of the plasma, a ...

Basic Research in Plasma Medicine - A Throughput Approach from Liquids to Cells

In plasma medicine, ionized gases with temperatures close to that of vertebrate systems are applied to cells and tissues. Cold plasmas generate reactive species known to redox regulate biological processes in health and disease. Pre-clinical and clinical evidence points to beneficial effects of plasma treatment in the healing of chronic ulcer of the skin. Other emerging topics, such as plasma cancer treatment, are receiving increasing attention. Plasma medical research requires interdisciplinary expertise in physics, chemistry, and biomedicine. One goal of plasma research is to characterize plasma-treated cells in a variety of specific applications. This includes, for example, cell count and viability, cellular oxidation, mitochondrial activity, cytotoxicity and mode of cell death, cell cycle analysis, cell surface marker expression, and cytokine release. This study describes the essential equipment and workflows required for such research in plasma biomedicine. It describes the proper operation of an atmospheric pressure argon plasma jet, specifically monitoring its basic emission spectra and feed gas settings to modulate reactive species output. Using a high-precision xyz-table and computer software, the jet is hovered in millisecond-precision over the cavities of 96-well plates in micrometer-precision for maximal reproducibility. Downstream assays for liquid analysis of redox-active molecules are shown, and target cells are plasma-treated. Specifically, melanoma cells are analyzed in an efficient sequence of different consecutive assays but using the same cells: measurement of metabolic activity, total cell area, and surface marker expression of calreticulin, a molecule important for the immunogenic cell death of cancer cells. These assays retrieve content-rich biological information about plasma effects from a single plate. Altogether, this study describes the essential steps and protocols for plasma medical research.

A high-throughput cold physical plasma treatment protocol of liquids and cells is shown. It involves setting up different feed gas compositions for plasma ignition, measuring the plasma&#39;s emission spectra, and the subsequent analysis of liquids and cellular activity after plasma treatment.

البحوث الأساسية في الطب البلازما-نهج إنتاجية من السوائل للخلايا

In plasma medicine, ionized gases with temperatures close to that of vertebrate systems are applied to cells and tissues. Cold plasmas generate reactive ...

Experimental Methods of Dust Charging and Mobilization on Surfaces with Exposure to Ultraviolet Radiation or Plasmas

Electrostatic dust transport has been hypothesized to explain a number of observations of unusual planetary phenomena. Here, it is demonstrated using three recently developed experiments in which dust particles are exposed to thermal plasma with beam electrons, beam electrons only, or ultraviolet (UV) radiation only. The UV light source has a narrow bandwidth in wavelength centered at 172 nm. The beam electrons with the energy of 120 eV are created with a negatively biased hot filament. When the vacuum chamber is filled with the argon gas, a thermal plasma is created in addition to the electron beam. Insulating dust particles of a few tens of microns in diameter are used in the experiments. Dust particles are recorded to be lofted to a height up to a few centimeters with a launch speed up to 1 m/s. These experiments demonstrate that photo and/or secondary electron emission from a dusty surface changes the charging mechanism of dust particles. According to the recently developed &#34;patched charge model&#34;, the emitted electrons can be re-absorbed inside microcavities between neighboring dust particles below the surface, causing the accumulation of enhanced negative charges on the surrounding dust particles. The repulsive forces between these negatively charged particles may be large enough to mobilize and lift them off the surface. These experiments present the advanced understanding of dust charging and transport on dusty surfaces, and laid a foundation for future investigations of its role in the surface evolution of airless planetary bodies.

Dust charging and mobilization is demonstrated in three experiments with exposure to thermal plasma with beam electrons, beam electrons only, or ultraviolet (UV) radiation only. These experiments present the advanced understanding of electrostatic dust transport and its role in shaping the surfaces of airless planetary bodies.

طرق تجريبية من الغبار الشحن والتعبئة على الأسطح مع التعرض للأشعة فوق البنفسجية أو البلازما

Electrostatic dust transport has been hypothesized to explain a number of observations of unusual planetary phenomena. Here, it is demonstrated using ...

Emission Spectroscopic Boundary Layer Investigation during Ablative Material Testing in Plasmatron

Ablative Thermal Protection Systems (TPS) allowed the first humans to safely return to Earth from the moon and are still considered as the only solution for future high-speed reentry missions. But despite the advancements made since Apollo, heat flux prediction remains an imperfect science and engineers resort to safety factors to determine the TPS thickness. This goes at the expense of embarked payload, hampering, for example, sample return missions. 
Ground testing in plasma wind-tunnels is currently the only affordable possibility for both material qualification and validation of material response codes. The subsonic 1.2MW Inductively Coupled Plasmatron facility at the von Karman Institute for Fluid Dynamics is able to reproduce a wide range of reentry environments. This protocol describes a procedure for the study of the gas/surface interaction on ablative materials in high enthalpy flows and presents sample results of a non-pyrolyzing, ablating carbon fiber precursor. With this publication, the authors envisage the definition of a standard procedure, facilitating comparison with other laboratories and contributing to ongoing efforts to improve heat shield reliability and reduce design uncertainties.
The described core techniques are non-intrusive methods to track the material recession with a high-speed camera along with the chemistry in the reactive boundary layer, probed by emission spectroscopy. Although optical emission spectroscopy is limited to line-of-sight measurements and is further constrained to electronically excited atoms and molecules, its simplicity and broad applicability still make it the technique of choice for analysis of the reactive boundary layer. Recession of the ablating sample further requires that the distance of the measurement location with respect to the surface is known at all times during the experiment. Calibration of the optical system of the applied three spectrometers allowed quantitative comparison. At the fiber scale, results from a post-test microscopy analysis are presented.

Development of new ablative materials and their numerical modeling requires extensive experimental investigation. This protocol describes procedures for material response characterization in plasma flows with the core techniques being non-intrusive methods to track the material recession along with the chemistry in the reactive boundary layer by emission spectroscopy.

الانبعاثات الطيفية الحدود التحقيق طبقة خلال صيغة الجر اختبار المواد في Plasmatron

Ablative Thermal Protection Systems (TPS) allowed the first humans to safely return to Earth from the moon and are still considered as the only solution ...

Non-equilibrium Microwave Plasma for Efficient High Temperature Chemistry

A flowing microwave plasma based methodology for converting electric energy into internal and/or translational modes of stable molecules with the purpose of efficiently driving non-equilibrium chemistry is discussed. The advantage of a flowing plasma reactor is that continuous chemical processes can be driven with the flexibility of startup times in the seconds timescale. The plasma approach is generically suitable for conversion/activation of stable molecules such as CO2, N2 and CH4. Here the reduction of CO2 to CO is used as a model system: the complementary diagnostics illustrate how a baseline thermodynamic equilibrium conversion can be exceeded by the intrinsic non-equilibrium from high vibrational excitation. Laser (Rayleigh) scattering is used to measure the reactor temperature and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) to characterize in situ internal (vibrational) excitation as well as the effluent composition to monitor conversion and selectivity.

This article describes a flowing microwave reactor that is used to drive efficient non-equilibrium chemistry for the application of conversion/activation of stable molecules such as CO2, N2 and CH4. The goal of the procedure described here is to measure the in situ gas temperature and gas conversion.

عدم التوازن الميكروويف الميكروويف للكفاءة عالية درجة الحرارة الكيمياء

A flowing microwave plasma based methodology for converting electric energy into internal and/or translational modes of stable molecules with the purpose ...

Chemistry

An Atmospheric Pressure Plasma Setup to Investigate the Reactive Species Formation

Non-thermal atmospheric pressure (&#39;cold&#39;) plasmas have received increased attention in recent years due to their significant biomedical potential. The reactions of cold plasma with the surrounding atmosphere yield a variety of reactive species, which can define its effectiveness. While efficient development of cold plasma therapy requires kinetic models, model benchmarking needs empirical data. Experimental studies of the source of reactive species detected in aqueous solutions exposed to plasma are still scarce. Biomedical plasma is often operated with He or Ar feed gas, and a specific interest lies in investigation of the reactive species generated by plasma with various gas admixtures (O2, N2, air, H2O vapor, etc.) Such investigations are very complex due to difficulties in controlling the ambient atmosphere in contact with the plasma effluent. In this work, we addressed common issues of &#39;high&#39; voltage kHz frequency driven plasma jet experimental studies. A reactor was developed allowing the exclusion of ambient atmosphere from the plasma-liquid system. The system thus comprised the feed gas with admixtures and the components of the liquid sample. This controlled atmosphere allowed the investigation of the source of the reactive oxygen species induced in aqueous solutions by He-water vapor plasma. The use of isotopically labelled water allowed distinguishing between the species originating in the gas phase and those formed in the liquid. The plasma equipment was contained inside a Faraday cage to eliminate possible influence of any external field. The setup is versatile and can aid in further understanding the cold plasma-liquid interactions chemistry.

An experimental setup was created for the helium-operated kHz frequency plasma jet. The setup includes a cage for the plasma power supply and jet and an in-house built reactor to monitor plasma-induced reactive species without the interference of the ambient atmosphere.

لإعداد البلازما الضغط الجوي المعنية بالتحقيق في تشكيل أنواع رد الفعل

Non-thermal atmospheric pressure (&#39;cold&#39;) plasmas have received increased attention in recent years due to their significant biomedical potential. ...

Preparation of Light-responsive Membranes by a Combined Surface Grafting and Postmodification Process

In order to modify the surface tension of commercial available track-edged polymer membranes, a procedure of surface-initiated polymerization is presented. The polymerization from the membrane surface is induced by plasma treatment of the membrane, followed by reacting the membrane surface with a methanolic solution of 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA). Special attention is given to the process parameters for the plasma treatment prior to the polymerization on the surface. For example, the influence of the plasma-treatment on different types of membranes (e.g.&#160;polyester, polycarbonate, polyvinylidene fluoride) is studied. Furthermore, the time-dependent stability of the surface-grafted membranes is shown by contact angle measurements. When grafting poly(2-hydroxyethyl methacrylate) (PHEMA) in this way, the surface can be further modified by esterification of the alcohol moiety of the polymer with a carboxylic acid function of the desired substance. These reactions can therefore be used for the functionalization of the membrane surface. For example, the surface tension of the membrane can be changed or a desired functionality as the presented light-responsiveness can be inserted. This is demonstrated by reacting PHEMA with a carboxylic acid functionalized spirobenzopyran unit which leads to a light-responsive membrane. The choice of solvent plays a major role in the postmodification step and is discussed in more detail in this paper. The permeability measurements of such functionalized membranes are performed using a Franz cell with an external light source. By changing the wavelength of the light from the visible to the UV-range, a change of permeability of aqueous caffeine solutions is observed.

A plasma-induced polymerization procedure is described for the surface-initiated polymerization on polymer membranes. Further postmodification of the grafted polymer with photochromic substances is presented with a protocol of conducting permeability measurements of light-responsive membranes.

إعداد الأغشية ضوء استجابة من قبل التطعيم سطح الجامع وعملية Postmodification

In order to modify the surface tension of commercial available track-edged polymer membranes, a procedure of surface-initiated polymerization is ...

Bioengineering

Cryogenic Liquid Jets for High Repetition Rate Discovery Science

This protocol presents a detailed procedure for the operation of continuous, micron-sized cryogenic cylindrical and planar liquid jets. When operated as described here, the jet exhibits high laminarity and stability for centimeters. Successful operation of a cryogenic liquid jet in the Rayleigh regime requires a basic understanding of fluid dynamics and thermodynamics at cryogenic temperatures. Theoretical calculations and typical empirical values are provided as a guide to design a comparable system. This report identifies the importance of both cleanliness during cryogenic source assembly and stability of the cryogenic source temperature once liquefied. The system can be used for high repetition rate laser-driven proton acceleration, with an envisioned application in proton therapy. Other applications include laboratory astrophysics, materials science, and next-generation particle accelerators.

This protocol presents the operation and principles of micron-scale cylindrical and planar cryogenic liquid jets. Until now, this system has been used as a high repetition rate target in laser-plasma experiments. Anticipated cross-disciplinary applications range from laboratory astrophysics to material science, and eventually next-generation particle accelerators.

نفاثات سائلة مبردة لعلم اكتشاف معدل تكرار مرتفع

This protocol presents a detailed procedure for the operation of continuous, micron-sized cryogenic cylindrical and planar liquid jets. When operated as ...

Investigating the Detrimental Effects of Low Pressure Plasma Sterilization on the Survival of Bacillus subtilis Spores Using Live Cell Microscopy

Plasma sterilization is a promising alternative to conventional sterilization methods for industrial, clinical, and spaceflight purposes. Low pressure plasma (LPP) discharges contain a broad spectrum of active species, which lead to rapid microbial inactivation. To study the efficiency and mechanisms of sterilization by LPP, we use spores of the test organism Bacillus subtilis because of their extraordinary resistance against conventional sterilization procedures. We describe the production of B. subtilis spore monolayers, the sterilization process by low pressure plasma in a double inductively coupled plasma reactor, the characterization of spore morphology using scanning electron microscopy (SEM), and the analysis of germination and outgrowth of spores by live cell microscopy. A major target of plasma species is genomic material (DNA) and repair of plasma-induced DNA lesions upon spore revival is crucial for survival of the organism. Here, we study the germination capacity of spores and the role of DNA repair during spore germination and outgrowth after treatment with LPP by tracking fluorescently-labelled DNA repair proteins (RecA) with time-resolved confocal fluorescence microscopy. Treated and untreated spore monolayers are activated for germination and visualized with an inverted confocal live cell microscope over time to follow the reaction of individual spores. Our observations reveal that the fraction of germinating and outgrowing spores is dependent on the duration of LPP-treatment reaching a minimum after 120 s. RecA-YFP (yellow fluorescence protein) fluorescence was detected only in few spores and developed in all outgrowing cells with a slight elevation in LPP-treated spores. Moreover, some of the vegetative bacteria derived from LPP-treated spores showed an increase in cytoplasm and tended to lyse. The described methods for analysis of individual spores could be exemplary for the study of other aspects of spore germination and outgrowth.

Investigating the Detrimental Effects of Low Pressure Plasma Sterilization on the Survival of Bacillus subtilis Spores Using Live Cell Microscopy

This protocol illustrates the important consecutive steps required to assess the relevance of monitoring vitality parameter and DNA repair processes in reviving Bacillus subtilis spores after treatment with low pressure plasma by tracking fluorescence-labelled DNA repair proteins via time-resolved confocal microscopy and scanning electron microscopy.

التحقيق "تضر الآثار من منخفضة الضغط البلازما التعقيم" على البقاء لجراثيم Bacillus نجحت "باستخدام خلية يعيش مجهرية"

Plasma sterilization is a promising alternative to conventional sterilization methods for industrial, clinical, and spaceflight purposes. Low pressure ...