Untersuchung der Anregungs- und Reaktionsdynamik in einem Radiofrequenz-angeregten Mikro-Atmosphärendruck-Plasmajet mit neuartigen optischen Methoden
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Nichtthermischen Atmosphärendruckplasmen, insbesondere diffuse homogene Entladungsformen, haben aufgrund ihres enormen Anwendungspotentials im Bereich der technischen Anwendungen beachtliche Aufmerksamkeit gewonnen. Hohe Radikalenkonzentrationen bei geringen Gastemperaturen, die für viele Anwendungen bevorzugt bei Oberflächenmodifikationen passend sind, können ohne die Notwendigkeit komplizierter und teurer Vakuumsysteme bereitgestellt werden. Instabilitäten und der damit verbundene Übergang in 'heiße' Entladungsmodi treten bei Atmosphärendruckplasmen häufig auf, und begrenzen ihre Einsetzbarkeit. Ziel des hier beschriebenen Projektes war es deshalb insbesondere für den eigentlichen Entladungsbereich, detailliertere Informationen über Teilchendichten, Anregungs- und Reaktionsdynamik möglichst vieler Komponenten des Plasmas zu erhalten. Damit sollte eine Basis für detaillierte Modellierungen der Atmosphärendruckplasmen geschaffen werden. Die Untersuchungen wurden weitestgehend im sogenannten α-Modus durchgeführt. In diesem Arbeitsbereich bleibt die Entladung über Stunden stabil, was für die TALIF Diagnostik unabdingbar ist. Eines der ersten wichtigen Ergebnisse der Untersuchungen zeigte, dass der Arbeitsbereich des µ-APPJ bei Leistungserhöhung über den gesamten möglichen Bereich der Zumischung näherungsweise konstant bleibt. Als wichtigste Ergebnisse dieses Projektes sind hier die erstmals gemessenen vollständigen Profilverläufe der atomaren Sauerstoff vom Gaseinlaß bis in den Effluenten hinein. Die maximalen Konzentrationen die erreicht wurden, lagen bei ca. 1x1016cm-3 im Inneren der Entladung. Der Anstieg auf diesen Wert erfolgt auf einer Distanz von einigen Millimetern bzw. mit einer Konstante von ca. 40 µs bei angenommenen exponentiellen Anstieg. Anschließend bleibt die Dichte relativ konstant bevor sie im Effluent wieder exponentiell abfällt. Allerdings können bis zu Distanzen von etwa 15 mm immer noch einige 1014cm-3 gemessen werden. Als eine Besonderheit wurde hier beobachtet, dass insbesondere mit dem Gasfluß die Strecke bis zum Erreichen des Plateaus proportional ansteigt, aber auch die maximale Sauerstoffkonzentration anwächst. Emissionsspektroskopische Untersuchungen dafür, dass es sich hier um den Einfluß von Stickstoffbeimischungen aus der Umgebungsluft handelt, die in den µ-APPJ zurückströmt. Weitere entscheidende Einflüsse konnten den metastabilen Komponenten des Plasmas zugewisen werden. Vergleichende Untersuchungen geschahen mit Hilfe von Molekularstrahl-Massenspektrometrie (MBMS). Dabei konnte eine sehr gute Übereinstimmung der Verläufe der Dichte von atomarem Sauerstoff im Effluenten nachgewiesen werden. Die Verwendung des Massenspektrometers hat als Konsequenz, dass ein fester Körper den aus dem µ-APPJ austretenden Effluenten beeinflußt. Die Einbringung dieses Körpers schließt das gesamte Modellsystem insofern ab, als nun auch bis zu einer evtl. in der Anwendung wichtigen Oberfläche die Sauerstoffkonzentration vermessen wurde. Als mögliche Prozesse die die Erzeugung des atomaren Sauerstoffs beeinflußen können, wurde die VUV-Strahlung zwischen 115 und 200 nm untersucht werden. Zwei prominente Linien des atomaren Sauerstoffs werden durch die Heliumatmosphäre des Gasstrahls über mehrere Zentimeter aus dem Plasmajet transportiert. Mit Hilfe einer auf COMSOL beruhenden Simulation mit optischer Emissionsspektroskopie konnten Informationen über die Elektronen-Energieverteilung berechnet und mit den ortsaufgelösten spektroskopischen Untersuchungen erfolgreich zu einer modifizierten Aktinometrie kombiniert werden. Phasenaufgelöste emissionsspektroskopischen Untersuchungen einer Vielzahl von Spezies konnten bis an die Grenze zum Übergang in den γ-mode durchgeführt werden. Neben den schon bekannten Emissionsstrukturen konnte insbesondere die Sekundärelektronenemission untersucht werden. Insbesondere konnte die Penning-Ionisation von metastabilem Helium konnte als Quelle für die Elektronenlawinen identifiziert werden, die schlußendlich zum Übergang in den γ-mode führen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Absolute atomic oxygen density profiles in the discharge core of a micro scale atmospheric pressure plasma jet. Appl. Phys. Lett. 93 (2008) 131503
N. Knake, K. Niemi, S. Reuter, V. Schulz-von der Gathen, and J. Winter
- 2nd RF-Workshop 2009, La Badine, F. Optical Diagnostics on a Micro Atmospheric Pressure Plasma Jet
V. Schulz-von der Gathen,
- 15. European Summer School Master Class 2010, Bad Honnef. Challenges of optical diagnostics of micro plasmas at atmospheric pressure
V. Schulz-von der Gathen & Nikolas Knake
- DPG 2010, Hannover. Physik der Mikroplasmen
V. Schulz-von der Gathen
- Investigations of the spatio-temporal build-up of atomic oxygen inside the micro-scaled atmospheric pressure plasma jet. Eur. Phys. J. D 60 (2010) 645 – 652
N. Knake, and V. Schulz-von der Gathen
- Investigations on the Generation of Atomic Oxygen Inside a Capacitively Coupled Atmospheric Pressure Plasma Jet. J. Phys.: Conference Series 227 (2010) 012020
N. Knake, D. Schröder, J. Winter, and V. Schulz-von der Gathen
- Seminar zur Dünnschichttechnologie, Universität Duisburg-Essen 2010. Creation of Reactive Oxygen Species in the Micro-Scaled Atmospheric Pressure Plasma Jet
N.Knake
- Vacuum Ultraviolet (VUV) Emission of an Atmospheric Pressure Plasma Jet (µ-APPJ) Operated in Helium-Oxygen Mixtures in Ambient Air. Acta Technica, 56 (2011) T199
H. Bahre, H. Lange, V. Schulz-von der Gathen, and R. Foest
