המחברים מודים לוולקר רוהוור (המכון לפיזיקה ניסויית ויישומית, אוניברסיטת קיל) על העזרה בציוד. העבודה נתמכה על ידי DFG בתוך CRC 1316 פלזמות אטמוספריות חולפות, בפרויקט פלזמות אטמוספריות קרות לחקר מנגנוני אינטראקציה בסיסיים עם מצעים ביולוגיים (PROJECT-ID BE 4349/5-1), ובפרויקט תחמוצת החנקן שנוצרה על ידי פלזמה בריפוי פצעים (Project-ID SCHU 2353/9-1).

1. הזנת אספקת גז ואטמוספירה מבוקרת
<ol><li>הקימו את אספקת הגז המורכבת מקווי גז ממתכת, תוך הימנעות מכל TPFE או צינורות פלסטיק דומים24. שמור על קווי אספקת גז קצר ככל האפשר כדי למנוע זיהומים ולהקל על שאיבת מערכת אספקת הגז.</li>
	<li>בחר את בקרי זרימת ההמונים המשמשים לאספקת גז ההזנה בהתאם לשיעורי זרימת הגז האופייניים של ה- COST-Jet. השתמש בגז עבודה עם טוהר של לפחות 99.999%. הערה: גז העבודה העיקרי של עלות-ג'ט הוא הליום. הפעולה יכולה להתממש בקצבי זרימה בין 100 sccm ו כ 5000 sccm, עם 1000 sccm להיות הערך הנפוץ ביותר.</li>
	<li>מבינים את התיעוש של גזים תגובתיים על ידי מערכת המורכבת מבקרי זרימת מסה מרובים. עבור תערובות קטנות יותר, השתמש ביחידת ערבוב נגד כדי לקצר את הזמן הדרוש לערבוב כדי להשלים25. הערה: תסרוקות נפוצות הן חמצן וחנקן עם קצב זרימה בסדר גודל של 5 sccm (0.5% מהגז עובד).</li>
	<li>הוסף שסתום בין קווי אספקת הגז לבין הסילון כדי למנוע כניסת אוויר לח לאספקת הגז כאשר המכשיר אינו בשימוש מכיוון שהמים הם הטומאה הנפוצה והבעייתית ביותר בפלזמות לחץ אטמוספריות, המשפיעות באופן קריטי על הכימיה של הפלזמה.</li>
	<li>נקו את קווי אספקת הגז לפני הטיפול על פני השטח, כדי להפחית זיהומים בצינורות. כדי לעשות זאת, או פשוט להגדיר זרימת גז מתונה של כ 1000 sccm הליום לשטוף את קווי האספקה או, רצוי, שוב ושוב לשאוב ולמלא את קווי האספקה (כשלוש פעמים). הערה: כאשר פשוט לשטוף את קווי אספקת הגז, ייתכן שיהיה צורך שעות מרובות כדי לנקות את המערכת, בהתאם למצב הזיהום.</li>
	<li>הוסף מלכודת מסננת מולקולרית או מלכודת קרה (למשל, באמצעות חנקן נוזלי) לקווי אספקת הגז כדי להפחית עוד יותר את הלחות בגז ההזנה.</li>
	<li>אם, במקום זאת, כמות מבוקרת של מים רצויה כמו ריאגנט, להוסיף bubbler למערכת26,27.</li>
	<li>שקול להגדיר אטמוספירה מבוקרת לניסוי שלך כמו שינויים בהרכב של אטמוספרת הסביבה עשוי להשפיע על תגובות כימיות בשפחת הפלזמה. הערה: אפקט זה הוא ככל הנראה לא בולט מאוד עבור COST-Jet28, שכן תצורת השדה החשמלי מגבילה את הפלזמה לחלק הפנימי של ערוץ הפריקה, אך עשויה לשחק תפקיד חשוב עבור התקני CAP אחרים שבהם הפלזמה הפעילה נמצאת בחלקה מחוץ למכשיר.</li>
</ol>2. הרכבה והגדרת המכשיר
<ol><li>חבר את מכשיר COST-Jet לאספקת גז. חבר ישירות את המכשיר לצינורות סווגלוק מפלדת אל-חלד בגודל 1/4 אינץ'. השתמש במתאמים לתקני צינורות שונים.</li>
	<li>חבר את ה- Cost-Jet לאספקת החשמל באמצעות כבל BNC מוגן המצויד במחבר SMC.</li>
	<li>חבר את הבדיקות החשמליות המשולבות לאוסקילוסקופ כדי לפקח על מתח וזרם באמצעות נגד 50 אוהם כסיום.</li>
	<li>פתח את דיור COST-Jet וחבר גשושית מתח מסחרית מתוגמלת כראוי לקו הנחושת המופעל, כמו גם חלק מקורקע של הסילון (למשל, צינור הגז סווגלוק) והאוסקילוסקופ.</li>
	<li>ביצוע שגרת כיול בדיקה: החל מתח קטן על COST-Jet וכוון את הקבל המשתנה של מעגל ה- LC באמצעות מברג כדי להגיע לצימוד האופטימלי (למקסם את המתח הנמדד). בצע כיול מתח על-ידי השוואת המתח בפועל (בדיקה מסחרית) למתח הנמדד (בדיקה מיושמת) באמצעות רגרסיה ליניארית וחישוב קבוע כיול. הסר את גשושית המתח המסחרית וסגור את הדיור COST-Jet.</li>
	<li>שוב, להחיל מתח קטן על COST-Jet ולכוון את הקבל המשתנה של מעגל LC באמצעות מברג כדי להגיע צימוד אופטימלי.</li>
	<li>הצתת פלזמה בהתקן COST-Jet: ראשית, להגדיר קצב זרימת גז של כ 1 סל"ד של הליום באמצעות בקרי זרימת מסה (MFCs). פתח את השסתום בין מערכת אספקת הגז לבין עלות-Jet האחרון. לאחר מכן, להחיל מתח נמוך על האלקטרודות ולהגדיל את המשרעת עד הפלזמה מתצתה.</li>
	<li>אם, עם ההצתה הראשונה, האלקטרודות טמאות ומעכבות את ההצתה, להחיל מתח ראשוני גבוה ולהפחית אותו במהירות לאחר ההצתה. לחלופין, השתמש באקדח ניצוץ כדי להקל על הצתה ראשונה קלה יותר.</li>
	<li>הגדר את הפרמטרים של בקרת הפעולה (זרימת גז, מתח מוחל) לערכים הרצויים.</li>
	<li>תן את ההתקנה קצת זמן חימום כדי לאפשר ייצוב תרמי (כ. 20 דקות) כדי להבטיח תנאי פעולה יציבים לשחזור.</li>
	<li>כדי לשנות את הרכב הגז במהלך הניסויים, לאפשר זמן שיווי משקל של כ -2 דקות בהתאם למערך אספקת הגז. הערה: ה- Cost-Jet מוכן כעת ליישום.</li>
</ol>3. מדידת הספק
<ol><li>חבר את האוסצילוסקופ ניטור המתח והזרם החלים על COST-Jet למחשב.</li>
	<li>התקן את תוכנת 'עלות צג צריכת חשמל' למחשב29 המאפשרת ניטור הספק בזמן אמת11,19.</li>
	<li>התאם את התקשורת בין התוכנה לבין oscilloscope על ידי יישום הפקודות הנדרשות לשליטה באוסצילוסקופ הספציפי.</li>
	<li>הפעל את תוכנת צג צריכת החשמל COST ועבור לחלוני 'הגדרות'. מלא את הערוצים הנכונים המחוברים לאוסצילוסקופ ואת קבוע הכיול שנקבע בשלב 2.4. הערה: ניתן להשתמש בלחצן חיפוש כדי לחשב באופן אוטומטי את גורם הכיול אם בדיקת המתח המסחרית מחוברת ל- COST-Jet.</li>
	<li>שנה לחלונית 'טאטוא'. קח שלב התייחסות בזמן שהפלזמה עדיין כבויה על-ידי לחיצה על לחצן חפש. כבה את זרימת הגז לפני מדידה זו והחל מתח הנמצא בטווח המתחים האופייני המשמש לפעולה בפועל של הפריקה מכיוון שהפלזמה לא תתפוצץ באוויר עקב מתח הצתה גבוה בהרבה בהשוואה לתערובות גז הנשלטות על ידי גז אצילי. השתמש במדידה זו כדי לתקן באופן אוטומטי את הסטת הפאזה היחסית בין בדיקות מתח לזרם, בהנחה ששלב של 90° של הקבל המושלם כאן.</li>
	<li>לחץ על לחצן התחל והשהה כדי להתחיל או להשהות את המדידות החשמליות.</li>
	<li>הפעל את עלות-סילון כרצונו. השתמש בחשמל בפועל המחושב משרעת מתח וזרם, כמו גם את הסטת הפאזה שלהם, המוצגים ברציפות בתוכנה לניטור וכפרמטר בקרה.</li>
</ol>4. טיפול (מוצק) על פני השטח
<ol><li>תגדירו אווירה מבוקרת לניסוי שלכם. הערה: במקרה של COST-Jet, האטמוספירה המבוקרת פחות חשובה מאשר עבור מקורות עם כימיית פלזמה פעילה מחוץ לערוץ הפריקה הסגור.</li>
	<li>נקה את קווי אספקת הגז כמתואר בשלב 1.5.</li>
	<li>הגדר את הפרמטרים ההפעלה הרצויים ולחכות כ 20 דקות עד עלות סילון מגיע לטמפרטורה יציבה.</li>
	<li>בחר את המרחק בין COST-Jet לבין המשטח המטופל כמו המרחק קובע את כמות המינים תגובתי פוגע על פני השטחהמטופלים 30. השתמש בשלב xyz כדי לעלות על המצע למניפולציה קלה. הערה: עבור COST-Jet, פער הבטיחות מוסיף מילימטר אחד נוסף למרחק בין הפרשות הפלזמה לבין פני השטח המטופלים.</li>
	<li>התחל את זמן הטיפול: או פשוט להפעיל את הפלזמה או להשתמש תריס מכני. שים לב להגזמה אפשרית של מתח במהלך אירוע המיתוג המוביל לפריקה מכווצת. לשליטה טובה יותר בטווח הטרנס, השתמש בתריס הניתן לסיבוב.</li>
	<li>לטפל במדגם למשך פרק הזמן הרצוי ולסיים את זמן הטיפול על ידי כיבוי הפלזמה או על ידי שימוש בתריס.</li>
	<li>במידת הצורך, בדוק את דפוס זרימת הגז מול המטרה באמצעות הדמיית שלירן בעת טיפול במצע כהשפעות של טעינת פני השטח, כוחות גרירת יונים או ערבוב אוויר סביבתי עקב ציפה יכולים להשפיע על כמות המינים תגובתיים המגיעים לפני השטח.</li>
</ol>5. טיפול נוזלי
<ol><li>תציב אטמוספירה מבוקרת לניסוי.</li>
	<li>נקה את קווי אספקת הגז כמתואר בשלב 1.5.</li>
	<li>הגדר את פרמטרי ההפעלה הרצויים והמתן כ-20 דקות עד שהמטוס יעלה לטמפרטורה יציבה.</li>
	<li>בחר את המרחק בין ה- COST-Jet לבין הנוזל המטופל.</li>
	<li>יוצקים את הנוזל לטיפול לתוך מיכל נאות. השתמש בחומר אינרטי כדי למנוע תגובות של מינים תגובתיים שנוצרו פוטנציאלית בנוזל עם המיכל. בחר את גודל המיכל בהתאם לנפח הנוזל המטופל.</li>
	<li>שקול את ההשפעה של זרימת הגז על פני השטח הנוזלי: בהתאם לקצב זרימת הגז, להיות מודעים למניסקוס קער שעלול להיווצר, ובכך לשנות את המרחק בין פלזמה לפני השטח הנוזלי.</li>
	<li>תתחיל את הטיפול. הימנע נחשולי לחץ על פני השטח של הנוזל שנגרם על ידי שינוי פתאומי בזרימת הגז כמו זה יכול לגרום התזות נוזל לתוך גיאומטריית הפריקה, אולי גורם קצר ובוודאי לזהם את הפלזמה. במקום זאת, השתמש בתריס מכני או לאט להגדיל את זרימת הגז.</li>
	<li>קח בחשבון ערבוב / ערבוב של הנוזל עקב חיכוך בין זרימת גז נייטרלי ומשטח נוזלי כמו זה משפיע על תהליכי הובלה ופרופילי ריכוז בנוזל. בנוסף, בהתאם לזמן הטיפול, נכון לאידוי נוזל במהלך הטיפול (למשל, בעת חישוב קבועי תגובה). בהתאם למקור הפלזמה, להיות מודעים לאידוי זה עלול לגרום צימוד בחזרה לפריקה, ובכך לשנות את הכימיה פלזמה.</li>
	<li>אנא שקול גם כי תגובתיות עם ריאגנטים אפשריים בנוזלים מושפעת גם מפעילות פני השטח של סוכן זה. לכן, במקרים מסוימים, פעילי שטח עשויים לשחק תפקיד חשוב באינטראקציה בין מינים קצרי מועד ונוזלים.</li>
</ol>

למחברים אין מה לחשוף.

כאן, אנו מדגימים את השימוש במטוס פלזמה בלחץ אטמוספרי לטיפולים על פני השטח של חומרים שונים. ההתקנה הניסיונית של מטוס פלזמה בלחץ אטמוספרי יכולה להשפיע רבות על פרמטרי הפלזמה, הכימיה והביצועים וכתוצאה מכך משפיעה על התוצאה של טיפולי פלזמה והיא צעד קריטי בפרוטוקול.
כדוגמה, קווי אספקת הגז ממלאים תפקיד חשוב לגבי הזיהום הנפוץ ביותר בגז ההזנה של הפלזמה שהוא לחות. בפרט, הייצור של מינים חנקן תגובתי בפלזמה מופחת בעוד ייצור מינים חמצן תגובתי מועדף, בשל אנרגיית יינון נמוכה של חמצן לעומת מולקולות מים וחנקן35. חורף24 גילה כי לחות גז להאכיל שמקורו מולקולות מים על פני השטח של הצינור הפנימי הוא סדר גודל גבוה יותר באמצעות צינורות פולימריים לעומת צינורות מתכת בשל נקבוביות גבוהה יותר ויכולת אחסון. זה יכול להיות מופחת על ידי שטיפה הקווים עם גז הזנה. עם זאת, ייבוש הקו על ידי שטיפה לוקח כמה שעות. לכן, צינורות פולימריים יש להימנע או לפחות נשמר קצר ככל האפשר. ממצאים אלה מודגשים על ידי מחקרים מ Große-Kreul25. הם השוו את ההשפעה של צינורות פוליאמיד ונירוסטה על הכימיה פלזמה באמצעות ספקטרומטריית מסה. המדידות שלהם מאשרות היווצרות יונים של אשכול מים בפלזמה עקב סילוק מים מצינורות פולימריים וזמנים מהירים יותר של ייבוש עם צינורות מתכת. בנוסף, הם חקרו את ההשפעה של שיטות טיהור גז כגון מלכודת מסננת מולקולרית ומלכודת חנקן נוזלית קרה על הכימיה של הפלזמה אשר סייע להפחית את כמות זיהומים על ידי כשני סדרי גודל.
במקום לנסות לטהר את גז ההזנה, יש גם את הגישה של הוספת כמות מבוקרת של לחות. כמו טומה מכוונת זו שולטת אז על זיהומים טבעיים ובכך שולט הכימיה פלזמה, תנאים לשחזור מובטחים כל עוד כמות הלחות הנוספת ידועה במדויק.
עבור ההצתה של הפריקה, המתח להחיל על האלקטרודות בדרך כלל יכול פשוט להיות מוגבר עד לנקודת הפירוק. עם זאת, בהתאם לתנאי השטח של האלקטרודות, לפעמים יש צורך במתח גבוה. כדי להקל על ההצתה, ניתן להשתמש באקדח ניצוץ מתח גבוה. זה יכול להיות שימושי גם בעת ניסיון להצית פריקה ארגון ב COST-Jet.
לפני החלת ה- COST-Jet על משטחים כלשהם, יש להקצות מספיק זמן כדי שהמכשיר ישתוות. כאשר מוגדרים לפרמטרים הרצויים של הבקרה, עלות-Jet צריך כ 20 דקות כדי להגיע לתנאים יציבים11. במהלך תקופה זו, הטמפרטורה של המכשיר, טמפרטורת הגז, כמו גם הכימיה פלזמה מגיעים למצב יציב.
לשם השוואה של תוצאות מדעיות, פרמטרים דומים בקרת פלזמה נחוצים. למדידת כוח הקלט החשמלי, ניתן להשתמש בצג החשמל COST29. התוכנה היא קוד פתוח ותואם עם מגוון של סוגים שונים של אוסצילוסקופים. התוכנה פועלת על פי העיקרון המתואר על ידי גולדה19.
בנוסף להשפעת לחות גז ההזנה על הכימיה של הפלזמה, הובלת מינים תגובתיים מהפלזמה למצע ממלאת תפקיד חשוב בהרכב הקולחים והיא צעד קריטי נוסף בפרוטוקול. האטמוספירה שמסביב יכולה להשפיע על המינים שנוצרו בפלזמה בדרכם למצע. כדי למזער השפעה זו, נעשה שימוש בשני מושגים שונים: (i) ראשית, ניתן להקים אטמוספירה מבוקרת המורכבת מגז ההזנה. לכן, הרכב האטמוספירה שמסביב יכול להישמר קבוע. בהתאם לרמת הטוהר הנדרשת לטיפול, ניתן לממש את האווירה המבוקרת באמצעות בתי הגנה המצוידים בשסתום חד כיווני למניעת לחץ יתר. עבור רמות טוהר גבוהות יותר, תא ואקום עם משאבה ניתן להשתמש. (ii) שנית, ניתן ליצור אטמוספרה מבוקרת באמצעות וילון גז מגן סביב שפך הפלזמה36,37. בדרך כלל, הוא מורכב גז אינרטי, אבל זה יכול להיות גם מגוון על פי הצרכים של היישום.
למרבה המזל, עבור COST-Jet, ההשפעה של האווירה שמסביב נמוכה יחסית. באמצעות תיוג איזוטופי, גורבנב הראו כי עבור מטוס פלזמה בתצורת שדה מקביל, מינים חמצן תגובתי וחנקן להגיע משטח נוזלי נוצרו בשלב גז הפלזמה, כמו גם באזור בין זרבובית הפלזמה ואת המדגם38,39. לעומת זאת, באמצעות אותה טכניקה עבור COST-Jet, הם גילו כי RONS מקורו כמעט אך ורק משלב הפלזמה במקום הסביבה שמסביב28. זה כנראה בגלל השדה החשמלי להיות מרותק לערוץ הפלזמה של פריקה עלות-Jet. זה עושה את הפרשת הפלזמה במידה רבה עצמאית של הסביבה שלה ונותן לו אופי מרוחק מסוים.
עבור סילון פלזמה שדה חשמלי אורך, Darny et al.40 הראו כי הקוטביות של השדה החשמלי משנה את דפוס זרימת הגז ובכך גם על מינים תגובתי שמגיעים למטרה עקב רוח יונית. התלות של צפיפות המינים תגובתי על הסביבה אושרה על ידי מדידות על ידי Stancampiano ואח'7. הם דיווחו על ההבדל במספר המינים תגובתיים שנוצרו במים המטופלים בהתאם למאפיינים החשמליים. כדי לפצות על הבדלים אלה, הם היו צריכים ליצור מעגל חשמלי מפצה. התנהגות זו שונה עבור COST-Jet: איור 5 משווה תמונות של שלירן של ה-COST-Jet ללא מתח שימושי ובמהלך הפעולה עבור שני תעריפי זרימת גז שונים. התמונות צולמו באמצעות יישור מוטבע מראה יחיד כפי שתואר על ידי קלי41. הם מראים כיצד שפך COST-Jet מיושר אופקית פוגע במצע זכוכית שטוח. שתי התמונות מראות בדיוק את אותה תבנית זרימת גז. זה נובע מהיעדר רוח יונית בשל היעדר מינים טעונים בשפחת הפלזמה.
בנוסף, ה- COST-Jet מציג תבנית זרימה למינארית מאוד. קלי41 הראה תמונות של שלירן דומות לאלה שהוצגו באיור 5, עבור שיעורי זרימת גז שונים. אפילו בקצב זרימת גז גבוה יחסית של 2 סל"ד, שפך הפלזמה לא מראה סימנים של מערבולת. בקצב זרימת גז נמוך מאוד של 0.25 סל"ד ומתחת, הציפה של שפך הליום מתחילה לשחק תפקיד. עם זאת, עד 4 - 5 מ"מ מרחק מן הזרבובית, האטמוספירה הסביבה אינה משפיעה על הרכב הגז להגיע לפני השטח כפי שהדגים Ellerweg באמצעות ספקטרומטריית מסה17.
כל המאפיינים הנ"ל מוסיפים לתו המרוחק של ה- COST-Jet. זה הופך אותו למועמד אידיאלי לטיפול מבוקר, דומה של משטחים.
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61801/61801fig05.jpg"> איור 5: תמונות של שלירן של ה-COST-Jet עם ובלי מתח שימושי עבור שני תעריפי זרימת גז שונים. במהלך פעולת פלזמה, דפוס זרימת הגז דומה בדיוק לתבנית עם זרימת הגז בלבד. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61801/61801fig05large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
בהתאם להשפעה הרצויה על המדגם המטופל, ניתן להתאים בהתאם את תערובת זרימת הגז של פרמטרי הבקרה, הכוח החשמלי המוחל והמרחק בין מקור הפלזמה לפני השטח. עבור COST-Jet, מסד נתונים ספרותי רחב של מחקרים החוקרים מינים תגובתיים בשחים קיים. כדוגמה, וילמס30 מדד את צפיפות החמצן האטומי באמצעות ספקטרומטריית מסה ואילו שניידר42 מדד את צפיפות החנקן האטומית בשומר.
הטיפול בנוזלים עם פלזמת לחץ אטמוספרי יכול לגרום למגוון מנגנוני תגובה אפשריים המונעים על ידי מינים תגובתיים, יונים, פוטונים או שדות חשמליים. בשל המאפיינים שתוארו בעבר של COST-Jet, ההשפעה של השדה החשמלי, היונים והפוטונים הם זניחים בהשוואה למקורות פלזמה שבהם הפלזמה נמצאת במגע ישיר עם נוזלים. לכן, לחקר ההשפעה של מינים תגובתיים קצרי מועד כמו חמצן אטומי על פתרון פנול, מטוס העלות שימש את הפני43 ובנדיקט44. יתר על כן, ה- COST-Jet מספק אפשרות נוחה להשוות ניסויים וסימולציות מספריות של טיפול נוזלי28. כמו האינטראקציה בין פלזמה לנוזל נשלט על ידי זרימת הגז של מינים תגובתיים מפלזמה אל פני השטח הנוזליים, המורכבות מודל ניתן להפחית.
זרימת הגז המושרה ערבוב של הנוזל מגביר את קצב התגובה בין מינים תגובתי שנוצרו פלזמה לבין הנוזל. בניגוד לטיפולים פני השטח של מוצקים, convection של הנוזל משנה כל הזמן את הריכוז המקומי של מגיבים. בנוסף, שיעורי התגובה בין מינים שנוצרו פלזמה עם מגיבים בנוזל מושפעים גם על ידי פעילות פני השטח של מגיבים אלה. עם פעילות פני השטח הגוברת, הריכוז של המגיב על פני השטח הנוזליים עולה. חומרים פעילי שטח אלה עשויים לשחק תפקיד חשוב בתגובה של מינים קצרי מועד שנוצרו על ידי הפלזמה.
לצד ערבוב זרימת הגז המעכבת על פני הנוזל גם מעורר אידוי אשר יש לקחת בחשבון. שימוש ב- COST-Jet עם זמני טיפול קצרים האידוי עשוי לשחק תפקיד שולי, אם כי עדיין יש לשקול לחישוב שיעורי תגובה נכונים. הפריקה של COST-Jet אינה מושפעת מההתאדות ולכן גם הכימיה של הפלזמה אינה מושפעת. עבור מקורות פלזמה שונים, כאשר למשל הפלזמה נמצאת במגע ישיר עם נוזל, הכימיה פלזמה משתנה באופן משמעותי עם אידוי כפי שמוצג על ידי טיאן וקושנר45 עבור פריקת מחסום דיאלקטרי. כמו כן, עבור kINPen, השפעה של אידויים נקבע46.
מלבד הבדלים שהוזכרו בכימיה פלזמה כי צריך להיחשב עבור מקורות פלזמה שונים, גם את הטופולוגיה של המניסקוס המושרה על ידי זרם גז על שינויים משטח נוזלי. העומק של המניסקוס הזה תלוי בדרך כלל במהירות הגז. עבור מקורות פלזמה שבו תצורת האלקטרודה גורמת לשדה חשמלי משמעותי להגיע לנוזל או אפילו עם פלזמה במגע עם הנוזל, מניסקוס זה יכול להיותמוגבה 47,48. כפי שמוצג, מספר אפקטים צריך להיחשב על פי מקור הפלזמה בשימוש.
בעתיד, פרוטוקול זה יכול לשמש כדי לנהל ולתאר טיפולים משטח ונוזל באמצעות COST-Jet. זהו מקור פלזמה יציב, לשחזור המציג אופי מרוחק ייחודי בין שפע של עיצובים סילון פלזמה שונים. אותן שיטות אינן מוגבלות למקור COST-Jet בלבד וניתן לשנות ולהתאים אותן לשימוש עם כל מקור פלזמה בלחץ אטמוספרי קר.

פלזמות לחץ אטמוספרי קר (CAPs) משכו עניין מוגבר בשנים האחרונות בשל הפוטנציאל שלהם עבור יישומי טיפול פני השטח. CAPs מאופיינים בתכונות שאינן שיווי משקל שלהם, המאפשרים כימיית פלזמה מורכבת עם צפיפות גבוהה של מינים תגובתיים תוך שמירה על השפעה תרמית נמוכה על דגימות שטופלו. לכן, CAPs נחשבים במיוחד לטיפול ברקמה ביולוגית1,2,3,4. מושגים ועיצובים רבים של CAPs משמשים בהצלחה לחיטוי וריפוי פצעים, קרישת דם וטיפול בסרטן, בין יישומים ביו-רפואיים אחרים. חלק גדול מהרקמה הביולוגית מכיל נוזלים. לכן, המחקר מתמקד גם יותר ויותר בחקירת ההשפעות של CAPs על משטחים נוזליים כגון תא בינוני או מים5,6,7.
עם זאת, התוצאות המדעיות סובלות לעתים קרובות מבעיות אמינות ושחזור8,9,10. מצד אחד, המצעים הביולוגיים המטופלים כפופים לשינויים טבעיים. מאידך גיסא, רק לעתים רחוקות יוחסו מנגנונים ביולוגיים ישירות לתהליכי פלזמה (כגון שדות חשמליים, קרינת UV ומינים ארוכי מועד וקצרים וכו'). יתר על כן, תהליכי פלזמה אלה בתורו תלויים מאוד במקור הפלזמה הבודד וסוג היישום המדויק שלו.
בנוסף, פרוטוקולים מפורטים של הליכי טיפול זמינים לעתים רחוקות. זה מקשה לבודד את ההשפעה של פרמטר פלזמה מסוים על התוצאה של הטיפול, מה שהופך את התוצאות המתקבלות לא ניתן להעברה.
לכן לאחרונה נעשו ניסיונות שונים לתקנן את הטיפול במשטחים, רקמות ונוזלים באמצעות פלסמות לחץ אטמוספריות קרות. כאן אנו מציגים רק כמה דוגמאות נבחרות.
<ol><li>כדי לפשט את ההשוואה הישירה של מקורות פלזמה שונים, פותח מקור התייחסות. בהשראת קהילת הפלזמה בלחץ נמוך, פותח עיצוב פריקה רבייה ויציב (COST-Jet) במסגרת הפעולה עלות MP 1101 שיכול לשמש כמקור התייחסות למחקר ביו-רפואי עתידי11.</li>
	<li>כדי לאפשר השוואה, פותחו פרוטוקולי הפניה עבור יישומים בודדים. כדי לתקנן את ההשוואה של המאפיינים האנטי מיקרוביאליים של פלסמות לחץ אטמוספרי קר, למשל, מאן ואח 'הגדיר פרוטוקול התייחסות לטיפול מיקרואורגניזם על ידי נרמול זמן הטיפול ליחידת אזור12.</li>
	<li>לקבלת גישה גמישה יותר, Kogelheide ואח 'פיתח שיטה לחקור שינויים כימיים הנגרמים על ידי פלזמה על macromolecules13. באמצעות תרכובות מעקב כגון ציסטאין או גלוטתיון המכיל ציסטאין (GSH) בשילוב עם ספקטרומטריית מסה ו- FTIR, הם ניסו להסיק את השינויים הכימיים על מצעים ביולוגיים. בשיטה זו, מספר מקורות פלזמה כגון COST-Jet, kinPen, ו DBD Cinogy כבר הושוו14,15,16.</li>
	<li>כדי להשוות ישירות מקורות פלזמה בודדים, יש לקבוע פרמטרי בקרה דומים. פרמטרי פלזמה בסיסיים כגון טמפרטורת אלקטרונים, צפיפות אלקטרונים וצפיפות השטף של מינים תגובתיים קשה למדידה בפלסמות לחץ אטמוספריות מכיוון שפלזמות כאלה הן לעתים קרובות חולפות וממדיהן קטנים. במקום זאת, פרמטרי בקרה חיצוניים כגון כוח גנרטור, מתח מיושם או הצתה, ונקודות קשת משמשים לעתים קרובות כהפניה, במיוחד בעת השוואת תוצאות סימולציות17,18. לאחרונה, צריכת האנרגיה החשמלית הנמדדת שימשה כפרמטר בקרה אמין יותר19,20,21.</li>
</ol>למרות מאמצים אלה, השוואת התוצאות של מחקרים שונים עדיין עשויה להיות בלתי אפשרית, פשוט בשל האתגר של יישום נכון של מקור פלזמה על משטח. ישנם מספר עצום של מלכודות שכיחות שיש להתמודד איתן בעת עבודה עם יישומי פלזמה בלחץ אטמוספרי כגון השפעת שדות חשמליים חיצוניים (מעגלי פיצוי), לולאות משוב בין פלזמה לסביבה (אטמוספירה מוגנת), הובלת מינים (רוח יונית) ופרמטרים שליטה (מתח, זרם, כוח).
המטרה העיקרית של עבודה זו היא לספק פרוטוקול יסודי ומפורט על היישום של COST-Jet לטיפולים פני השטח. ה- COST-Jet הוא מקור פלזמה אמין שפותח למטרות התייחסות מדעית ולא לשימוש תעשייתי או רפואי. הוא מספק תנאי פריקה לשחזור ומאגר מידע רחב של מחקרים זמינים22,23. ה-COST-Jet מבוסס על פלזמת RF הומוגנית, מצמידה קיבוליות. מכיוון שהשדה החשמלי מוגבל בניצב לזרימת הגז, מינים טעונים נשמרים בעיקר באזור הפריקה ואינם מתקשרים עם המטרה או עם האטמוספירה שמסביב. בנוסף, זרימת גז למינאר מבטיחה תנאים כימיים פלזמה לשחזור בשפחת הפלזמה.
במאמר זה נתמודד עם האתגרים הנפוצים ביותר ונציג פתרונות אפשריים ששימשו בספרות. אלה כוללים אספקת גז נאותה, בקרת פריקה, השפעת אטמוספרת הסביבה והכנת פני השטח. עמידה בפרוטוקול המוצג כאן צריכה להבטיח את השכפול וההשוואה של המדידות.
הפרוטוקול עשוי לשמש גם דוגמה למקורות לחץ אטמוספריים אחרים. זה חייב להיות מזוקק עבור מקורות פלזמה סילון אחרים על פי זרימת גז בודדים ותצורת שדה חשמלי. במידת הצורך, ננסה להצביע על התאמות אפשריות לפרוטוקול. הצעדים המתוארים יש לשקול ולדווח על בעת פרסום מחקרים החלת פלזמות לחץ אטמוספרי על דגימות מטופלות.

<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

בשנים האחרונות, פלזמות לחץ אטמוספרי לא תרמית שימשו בהרחבה לטיפולים פני השטח, בפרט, בשל הפוטנציאל שלהם ביישומים ביולוגיים. עם זאת, התוצאות המדעיות סובלות לעתים קרובות מבעיות רבייה עקב תנאי פלזמה לא אמינים, כמו גם הליכי טיפול מורכבים. כדי לטפל בבעיה זו ולספק מקור פלזמה יציב ושחזורי, פותח מקור הייחוס COST-Jet.
בעבודה זו, אנו מציעים פרוטוקול מפורט לביצוע טיפולי שטח אמינים ושחזור באמצעות סילון מיקרופלסמה התייחסות עלות (COST-Jet). נושאים נפוצים ומלכודות נדונים, כמו גם את המוזרויות של COST-Jet לעומת מכשירים אחרים ואת אופיו המרוחק יתרון. תיאור מפורט של טיפול משטח מוצק ונוזל מסופק. השיטות המתוארות הן רב-תכליתיות וניתן להתאיםן לסוגים אחרים של התקני פלזמה בלחץ אטמוספרי.

באמצעות השיטות והציוד שתוארו לעיל, יישמנו למופת את ה- COST-Jet על משטחים ונוזלים שונים. איור 1 מציג את ההתקנה הניסיונית המשמשת לטיפול כולל אספקת החשמל, מערכת אספקת הגז, בדיקות המתח והזרם וכן אטמוספרה מבוקרת ותריס מכני.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61801/61801fig01.jpg"> איור 1: התקנה ניסיונית המשמשת לטיפול בפלזמה במשטחים ונוזלים באמצעות ה-COST-Jet. מלכודת קרה משמשת לטיהור גז ההזנה. האטמוספירה המבוקרת מתממשת על ידי תא ואקום שאוב בלחץ אטמוספרי. התריס המכני מאפשר ניהול זמן של טיפול משטח מוצק ונוזל. השלב הגמיש מאפשר שליטה על המרחק בין סילון הפלזמה לפני השטח. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61801/61801fig01large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
באמצעות גשושית המתח והזרם המיושמת ב- COST-Jet, ניתן לחשב את הכוח החשמלי המתפוגג. איור 2 מציג את העוצמה החשמלית הנמדדת בפלסמת הליום שנוצרת בחמישה התקני עלות-סילון שונים באמצעות זרימת גז של 1 סל"ד. כל ההתקנים מראים אופן פעולה דומה. הסטייה בין המכשירים השונים נובעת מחוסר הוודאות של מדידת הכוח, כמו גם מהבדלים מיקרוסקופיים בכיוונונים כגון מרחק האלקטרודה. מדידות מפורטות יותר של מינים תגובתיים (למשל, חמצן אטומי ואוזון), טמפרטורה וכוח כמו גם מדידות פעילות חיידקית בוצעו על ידי רידל22.
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61801/61801fig02.jpg"> איור 2: כוח מתפוגג כפונקציה של מתח יישומי בפלסמת הליום. הנתונים מייצגים חמישה התקני עלות-Jet זהים34. הסטיות הקטנות במתחים גבוהים נובעות מחוסר הוודאות של המדידה, כמו גם סטיות קטנות בגיאומטריה של ערוץ פריקה גז22. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61801/61801fig02large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
איור 3 מציג את פרופיל החריטה של סרט a:C-H לטיפול של 3 דקות עם COST-Jet באמצעות זרימת גז של הליום ב-1.4 סל"ד עם תפונת חמצן של 0.5% הנמדדת באמצעות רפלקטור ספקטרוסקופי הדמיה31. תבנית החריטה מראה מבנה מעגלי המייצג את הסימטריה הגלילית של שפך הפלזמה. בהתבסס על פרופילי תחריט בשילוב עם סימולציות מספריות, ניתן להעריך את הסתברות אובדן פני השטח לחמצן אטומי.
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61801/61801fig03.jpg"> איור 3: פרופיל חריטה של סרט a:C-H שטופלו בפלזמה. הטבילה בסרט נחרטה בתערובת גז של הליום 1.4 סלאם עם תערובת של 0.6% חמצן במתח של 230 Vrms וזמן טיפול של 3 דקות.31<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61801/61801fig03large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a>
איור 4 מראה את מערבולות הנוזל הנגרמות על ידי זרם הגז המעכב את פני הנוזל. יריעת לייזר המאירה חלקיקי מעקב בנוזל מאפשרת להתבונן במסלול ובמהירות של חלקיקים אלה באמצעות ולוקסימטריה של תמונת חלקיקים ולכן ללמוד את זרימת הנוזל32. חשוב לשקול צפיפות דומה של חלקיקי הזריעה והנוזל, כך שהמסלולים של החלקיקים מייצגים את תנועת הנוזלים. עם הדמיה זו של מדידות זרימת הנוזל וסימולציות מספריות ניתן להשוות33. מערבולות נובעות חיכוך פני השטח בין זרימת גז שפכים ומשטח נוזלי. איור 4 מראה גם את הדיכאון המתרחש של פני השטח הנוזליים מתחת לתעלת הגז של סילון הפלזמה, מה שנקרא מניסקוס. זה מדמיין על ידי קו כחול.
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61801/61801fig04.jpg"> איור 4: צילום של חלקיקי קורנפלור מוארים ב-3 מ"ל מים שזרימת הגז עוררה. מערבולות נובעות חיכוך פני השטח בין זרימת גז שפכים ומשטח נוזלי. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61801/61801fig04large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</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

פרוטוקול זה מוצג כדי לאפיין את ההתקנה, הטיפול והיישום של ה- COST-Jet לטיפול במשטחים מגוונים כגון מוצקים ונוזלים.

טיפול במשטחים עם פלזמת לחץ אטמוספרי קר באמצעות עלות סילון

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. פרוטוקול זה מוצג כדי לאפיין את ההתקנה, הטיפול והיישום של ה- COST-Jet לטיפול במשטחים מגוונים כגון מוצקים ונוזלים.

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.

הסרת biofilm באמצעות אירוסולים פחמן דו-חמצני ללא חנקן טהר

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.

כיצד להצית לחץ האטמוספרה מיקרוגל פלזמה לפיד ללא כל igniters נוסף

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.

מחקר בסיסי ברפואה פלזמה - הגישה של תפוקה של נוזלים תאים

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.

שיטות נסיוניות של אבק טעינה והתגייסות על משטחים עם חשיפה לקרינה אולטרה סגולה או פלזמות

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.

חקירת Layer פליטה ספקטרליים Boundary במהלך פולשני חומר בדיקה ב 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.

פלזמה מיקרוגל לא שיווי משקל עבור כימיה יעילה טמפרטורה גבוהה

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.

התקנת פלזמת לחץ אטמוספרה לחקר היווצרות המינים הריאקטיבי

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.

הכנה של ממברנות אור תגובה על ידי הארכת משטח משולבת ותהליך 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.

סילונים נוזליים קריוגניים לגילוי קצב חזרות גבוה

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.

חוקרים את מזיקה אפקטים של נמוך לחץ פלזמה עיקור על ההישרדות של Bacillus subtilis הנבגים באמצעות Live התא מיקרוסקופ

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