[논문 리뷰] Experimental analysis of DBD plasma jet properties using different gases and two kinds of transfer plate

Fellype do Nascimento, M. Machida외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 11.

Plasma Diagnostics and Applications참고 문헌 28인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 헬륨, 아르곤, 질소 및 수증기와의 혼합가스를 사용한 디에렉트릭 배리어 디charge (DBD) 플라즈마 제트를 실험적으로 조사하며, 도체성 및 비도체성 전달 플레이트를 비교한다. 플라즈마 특성을 분석한 결과, 헬륨의 메타스태이블 상태에서 질소 분자로의 에너지 전달이 크게 향상되어 헬륨 플라즈마에서 진동 온도가 지배적이며, 아르곤 및 질소 플라즈마에서는 전자-N₂ 충돌이 Tvib를 결정짓는다.

ABSTRACT

Dielectric Barrier Discharge (DBD) plasma jets has been studied extensively in recent years because of its wide range of applications. DBD plasmas can be produced using many different gases and can be applied to a broad variety of surfaces and substrates. In this work, we provide a comparison of DBD plasmas generated using argon (Ar), helium (He) and nitrogen (N2), as well as their mixtures with water vapor in order to know how some plasma properties are affected by the use of different gases. All plasmas were studied in two different conditions, using a transfer plate made of a conductive material and using a transfer plate made of an insulating one. We observed that the processes of excitation and ionization of nitrogen molecules by direct collisions with Ar or He are more evident and significant in He plasmas, which means that He atoms in metastable states have greater ability to transfer energy to molecules of nitrogen in the plasma. The collisions of He atoms in metastable states with N2 molecules determine the vibrational temperature (Tvib) values in He plasmas, while in Ar and N2 plasmas the Tvib values are determined mainly by collisions of electrons with N2 molecules.

연구 동기 및 목표

• 다양한 기체(아르곤, 헬륨, 질소) 및 수증기와의 혼합가스가 DBD 플라즈마 제트 특성에 미치는 영향을 이해하는 것.
• 전도성 및 비도전성 전달 플레이트 재질이 플라즈마 특성에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 다양한 플라즈마 유형에서 질소 분자의 진동 여기에 기여하는 주요 에너지 전달 메커니즘을 규명하는 것.
• 다양한 기체 방전에서 진동 온도(Tvib)를 결정짓는 데 기여하는 메타스태이블 헬륨 원자와 전자 충돌의 역할을 비교하는 것.

제안 방법

• 아르곤, 헬륨, 질소 및 수증기 혼합가스를 사용한 DBD 플라즈마 제트의 실험적 생성.
• 두 종류의 전달 플레이트 사용: 도체성(금속성) 및 비도전성(유전체)으로 플라즈마-표면 상호작용 조절.
• 광학적 방출 스펙트로스코피를 통한 진동 온도(Tvib) 측정 및 분석.
• 다양한 기체 및 방전 조건에서 Tvib 추세를 비교함으로써 주요 여기화 메커니즘 규명.
• 메타스태이블 헬륨 원자 및 전자 충격에 의한 N₂ 분자의 여기화 과정에 대한 에너지 전달 경로 분석.
• 기체 조성 및 플레이트 재질과의 상관관계를 분석하여 핵심 물리적 메커니즘을 규명함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 기체(아르곤, 헬륨, 질소) 및 수증기 혼합가스가 DBD 플라즈마 제트의 진동 온도(Tvib)에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 플라즈마 내에서 메타스태이블 헬륨 원자가 질소 분자로의 에너지 전달에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 전도성 및 비도전성 전달 플레이트 재질의 선택이 플라즈마 특성 및 여기화 메커니즘에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 메타스태이블 헬륨 원자 또는 전자 중 어느 입자가 헬륨, 아르곤 및 질소 플라즈마에서 N₂ 진동 여기에 주로 기여하는가?
• RQ5 헬륨 플라즈마(메타스태이블 주도)와 아르곤/질소 플라즈마(전자 주도) 간 주요 여기화 메커니즘의 차이는 무엇인가?

주요 결과

• 메타스태이블 헬륨 원자는 헬륨 기반 플라즈마에서 질소 분자의 진동 여기에 주요 역할을 하며, 이로 인해 더 높은 진동 온도가 발생한다.
• 헬륨 플라즈마에서는 진동 온도(Tvib)가 주로 메타스태이블 헬륨 원자와 N₂ 분자 간의 충돌에 의해 결정된다.
• 아르곤 및 질소 플라즈마에서는 Tvib가 주로 전자 충격에 의한 N₂ 분자의 여기화에 의해 결정되며, 메타스태이블 종의 영향은 미미하다.
• 도전성 전달 플레이트 사용은 플라즈마 동역학을 변화시킬 수 있으나, 기본적인 여기화 메커니즘은 기체 종류에 따라 유지된다.
• 메타스태이블 헬륨 원자로부터의 효율적 에너지 전달로 인해 헬륨 플라즈마에서 질소 분자가 더 강한 진동 여기를 경험한다.
• 수증기 혼합가스는 플라즈마 거동을 변화시킬 수 있으나, 핵심 여기화 경로는 주로 기체 종의 특성에 따라 유지된다.