[논문 리뷰] Physical understanding of the static magnetic field's synergistic enhancement of cold atmospheric pressure plasma treatment

Ramin Mehrabifard, Zeinab Kabarkouhi외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 11.

Plasma Applications and Diagnostics인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 외부 정자장(SMF)을 통한 냉각 대기압 플라즈마(CAP) 치료의 상호보완적 향상을 조사하며, 420 mT 수직 SMF가 전자 온도를 0.2 eV 증가시켜 1.04 eV에서 1.24 eV로, 전자 흥(excitation) 온도를 550 K 상승시킨다. 전자 밀도는 자장에 의해 유도된 플라즈마 봉쇄로 증가하여 의료 응용을 위한 반응성 향상이 이루어진다.

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.

연구 동기 및 목표

• 냉각 대기압 플라즈마(CAP)에 정자장(SMF)을 조합했을 때 발생하는 상호보완적 향상의 물리적 메커니즘을 이해하기 위해.
• 외부 SMF 영향을 받는 플라즈마 파라미터—전자 온도, 전자 밀도, 다양한 흥(excitation) 온도의 변화를 정량화하기 위해.
• CAP와 SMF의 조합이 생물학적 매체에서 반응성을 높이는 이유를 특히 의료 응용에 대해 명확히 하기 위해.
• 광학적 방출 스펙트로스코피와 플라즈마 모델링을 통해 관측된 상호보완적 효과의 물리적 기반을 제공하기 위해.

제안 방법

• 플라즈마 종의 방출선, 특히 N2 및 N2+ 밴드를 분석하기 위해 광학적 방출 스펙트로스코피(OES)를 사용하였다.
• N2 제2 양성자계(C3Πu → B3Πg) 방출에서 전자 흥(excitation) 온도를 결정하기 위해 볼츠만 플롯 방법을 적용하였다.
• 특정 N2+ 밴드 강도 비율을 기반으로 전자 밀도를 추정하기 위해 Saha-Boltzmann 방정식을 사용하였다.
• 온도 및 밀도 계산의 검증을 위해 Specair 소프트웨어를 활용하였다.
• 플라즈마 방전에 수직 방향의 정자장을 적용하기 위해 420 mT N42 영구자석을 사용하였다.
• N2 제2 양성자계(C3Πu → B3Πg) 밴드 헤드 강도 비율에서 회전 온도를 유도하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수직 정자장(SMF)의 적용이 냉각 대기압 플라즈마(CAP)의 전자 온도에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 SMF는 CAP에서 전자 흥(excitation), 회전, 진동, 이완 온도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 SMF는 CAP의 전자 밀도에 어떤 영향을 미치며, 이러한 변화의 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 SMF는 플라즈마 반응성을 어느 정도 향상시키며, 이는 온도 및 밀도 변화를 통해 어떻게 물리적으로 설명될 수 있는가?
• RQ5 관측된 CAP 치료의 상호보완적 향상은 광학 및 모델링 기법을 통해 플라즈마 파라미터 변화와 정량적으로 연관될 수 있는가?

주요 결과

• 420 mT 정자장 존재 시 전자 온도는 1.04 eV에서 1.24 eV로 증가하여 전자 에너지 분포가 향상됨을 나타낸다.
• SMF로 인해 전자 흥(excitation) 온도가 550 K 상승하여 플라즈마 종에서 흥(excited) 상태의 인구 수가 증가함을 시사한다.
• 회전 온도는 100 K 상승하여 N2 분자에서 회전 수준의 인구 분포 변화를 반영한다.
• 진동 및 이완 온도는 변화하지 않아 기체 상에서의 의미 있는 열화학적 평형화 효과가 없음을 나타낸다.
• 전자 밀도는 Saha-Boltzmann 방정식에 따라 예측된 바와 같이 자장에 의한 양성자 봉쇄로 증가한다.
• 결과적으로 정자장은 핵심 플라즈마 파라미터를 수정함으로써 CAP의 물리적 강화제로 작용하며, 이는 의료 응용에서의 활용을 뒷받침한다.