[論文レビュー] Physical understanding of the static magnetic field's synergistic enhancement of cold atmospheric pressure plasma treatment

Ramin Mehrabifard, Zeinab Kabarkouhi+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2023

Plasma Applications and Diagnostics被引用数 7

ひとこと要約

本研究は、外部の静磁場（SMF）を用いた冷大気圧プラズマ（CAP）処理における相乗効果を調査し、420 mTの垂直方向SMFが電子温度を0.2 eV（1.04 eV から 1.24 eV へ）上昇させ、電子励起温度を550 K上昇させることを明らかにした。また、磁場によるプラズマ閉じ込めによって電子密度が上昇し、医療応用における反応性が向上することが示された。

ABSTRACT

In the last decades, to improve the CAP treatment efficiency, its biological effects in combination with other physical modalities have widely investigated. However, the physical insight into most of supposed synergistic effects remained elusive. In this regard, the synergetic effect of cold plasma and magnetic field has been used for different applications, especially due to considerable synergistic in biological media reactivity. In the present paper, using a 420 mT N42 magnet, the effect of the perpendicular external static magnetic field (SMF) on the cold atmospheric pressure plasma (CAP) characteristics, such as electron temperature and density, are investigated based on the optical emission spectroscopy, utilizing the Boltzmann plot method, Saha-Boltzmann equation and Specair software simulation. Results showed that the rotational and electronic excitational temperature experienced 100 K and 550 K increases in the presence of SMF, respectively. While the vibrational and translational temperatures remained constant. Moreover, electron temperature estimated as 1.04 eV in the absence of SMF and increased up to 1.24 eV in the presence of SMF. In addition, the Saha-Boltzmann equation illustrated that the electron density increased in presence of the additional SMF. The results of the present study indicated that the magnetic field could be an assistant to the cold plasma effect, beneficial in medical applications due to modifications in plasma temperature and electron density.

研究の動機と目的

• 静磁場（SMF）を併用した冷大気圧プラズマ（CAP）における相乗効果の物理的メカニズムを理解すること。
• 外部SMFの影響を受けるプラズマパラメータ（電子温度、電子密度、さまざまな励起温度）の変化を定量化すること。
• CAPとSMFの組み合わせが生物学的媒体における反応性をどのように向上させるか、特に医療応用においてその理由を明確にすること。
• 光学発光分光法とプラズマモデリングを用いて、観察された相乗効果の物理的根拠を提供すること。

提案手法

• プラズマ種からの発光線を分析するため、光学発光分光法（OES）が用いられた。特にN2およびN2+バンドが対象となった。
• N2第二正陽性系（C3Πu → B3Πg）発光からの電子励起温度を決定するためにボルツマンプロット法が適用された。
• 特定のN2+バンド強度比に基づき、Saha-Boltzmann方程式を用いて電子密度を推定した。
• 温度および密度の計算の妥当性を検証するため、Specairソフトウェアがスペクトルシミュレーションに用いられた。
• 垂直方向の静磁場を印加するために、420 mTのN42永久磁石が使用された。
• N2第二正陽性系（C3Πu → B3Πg）バンドヘッド強度比から回転温度が導出された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 垂直方向の静磁場（SMF）の適用が、冷大気圧プラズマ（CAP）における電子温度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 SMFがCAPにおける電子励起温度、回転温度、振動温度、並進温度に及ぼす影響は何か？
• RQ3 SMFはCAPにおける電子密度にどのように影響を与え、その背後にある物理的メカニズムは何か？
• RQ4 SMFはどれほどプラズマの反応性を向上させるのか？また、温度および密度の変化を通じてその物理的説明は可能か？
• RQ5 観察されたCAP処理における相乗効果は、分光法およびモデリング手法を用いてプラズマパラメータの変化と定量的に関連づけられるか？

主な発見

• 420 mTの静磁場存在下で電子温度は1.04 eV から 1.24 eV に上昇し、電子エネルギー分布の強化を示した。
• SMFの影響により電子励起温度が550 K上昇し、プラズマ種内の励起状態の人口が増加していることが示唆された。
• 回転温度は100 K上昇し、N2分子の回転準位の人口分布の変化を反映していた。
• 振動温度および並進温度は変化しなかったため、気相における顕著な熱化効果は認められなかった。
• 磁場による charged 粒子の閉じ込めにより、Saha-Boltzmann方程式の予測通り電子密度が上昇した。
• 結果から、静磁場が主要なプラズマパラメータを変化させることでCAPの物理的強化要因として機能し、医療応用への応用を支持することが示された。