Диагностика атмосферных плазменных струй барьерного разряда в потоке аргона и гелия в цилиндрическом СВЧ-резонаторе

Введение. В настоящее время активно развиваются технологии, связанные с использованием атмосферной плазмы с низкой газовой температурой. При создании новых источников низкотемпературной плазмы для конкретных приложений возникает необходимость в измерении динамических процессов в нестационарных разрядах с высоким временным разрешением. Одной из наиболее важных характеристик плазмы является концентрация электронов, которая для плазмы атмосферного давления с низкой температурой газа может быть очень небольшой. Однако доступные в настоящее время методы диагностики газоразрядной плазмы либо обладают недостаточной чувствительностью, либо не позволяют отслеживать динамические процессы в нестационарных разрядах. В этой связи представляет интерес разработка новых средств, позволяющих проводить диагностику атмосферной низкотемпературной плазмы.
Цель работы. Разработка метода диагностики атмосферной плазмы с низкой температурой газа и низкой электронной концентрацией в цилиндрическом СВЧ-резонаторе.
Материалы и методы. Предлагаемый метод диагностики основан на известном способе измерения сдвига частоты и добротности собственных мод СВЧ-резонатора, внутри которого находится исследуемая плазма.
Результаты. Выполнена диагностика атмосферных плазменных струй барьерного разряда в потоке гелия и аргона в цилиндрическом СВЧ-резонаторе. Предложенная геометрия позволила существенно увеличить чувствительность измерений. Удалось исключить влияние эффекта поляризационного вырождения мод в круглом цилиндрическом резонаторе. Разработанная система была также апробирована на тестовых объектах с известным значением диэлектрической проницаемости.
Заключение. Разработан метод СВЧ-диагностики стационарных и нестационарных холодных атмосферных плазменных струй в цилиндрическом резонаторе, внутри которого установлены передающая и приемная антенны, а также ортогональный тонкий проводник, обеспечивающий подавление нежелательных мод.

1. Surface Treatment of Polyethylene Terephthalate to Improving Hydrophilicity Using Atmospheric Pressure Plasma Jet / Z. Fang, J. Yang, Y. Liu, T. Shao, C. Zhang // IEEE Transactions on Plasma Science. 2013. Vol. 41, № 6. P. 1627–1634. doi: 10.1109/TPS.2013.2259508

2. Ohkubo Y., Endo K., Yamamura K. Adhesivefree adhesion between heat-assisted plasma-treated fluoropolymers (PTFE, PFA) and plasma-jet-treated polydimethylsiloxane (PDMS) and its application // Scientific Reports. 2018. Vol. 8, № 18058. P. 1–11. doi: 10.1038/s41598-018-36469-y

3. Fang Z., Yang H., Qiu Y. Surface Treatment of Polyethylene Terephthalate Films Using a Microsecond Pulse Homogeneous Dielectric Barrier Discharges in Atmospheric Air // IEEE Transactions on Plasma Science. 2010. Vol. 38, № 7. P. 1615–1623. doi: 10.1109/TPS.2010.2048342

4. Atmospheric-pressure plasma sources for biomedical applications / G. Y. Park, S. J. Park, M. Y. Choi, I. G. Koo, J. H. Byun, J. W. Hong, J. Y. Sim, G. J. Collins, J. K. Lee // Plasma Sources Science and Technology. 2012. Vol. 21, № 4. P. 043001. doi: 10.1088/0963-0252/21/4/043001

5. Fridman A., Friedman G. Plasma Medicine. Chichester: John Wiley & Sons Limited, 2013. 526 p.

6. Winter J., Brandenburg R., Weltmann K.-D. Atmospheric pressure plasma jets: an overview of devices and new directions // Plasma Sources Science and Technology. 2015. Vol. 24, № 6. P. 064001. doi: 10.1088/0963-0252/24/6/064001

7. Shashurin A., Keidar M. Experimental approaches for studying non-equilibrium atmospheric plasma jets // Phys. Plasmas. 2015. Vol. 22, № 12. P. 122002. doi: 10.1063/1.4933365

8. Balcon N., Aanesland A., Boswell R. Pulsed RF Discharges, Glow and Filamentary Mode at Atmospheric Pressure in Argon // Plasma Sources Sci. Technol. 2007. Vol. 16, № 2. P. 217–225. doi: 10.1088/0963-0252/16/2/002

9. Pai D., Lacoste D., Laux C. Nanosecond repetitively pulsed discharge in air at atmospheric pressure – spark regime // Plasma Sources Sci. Technol. 2010. Vol. 19, № 6. P. 065015. doi: 10.1088/0963-0252/19/6/065015

10. Rajendra Shrestha Dr., Reeta Shilpakar Er., Deepak Prasad Subedi Dr. Measurement of Electron Density in Atmospheric Pressure Cold Argon Plasma Jet // Intern. J. of Recent Research and Review. 2019. Vol. XII, iss. 2. P. 27–33.

11. Marshall K. A., Hieftje G. M. Measurement of true gas kinetic temperatures in an inductively coupled plasma by laser-light scattering // Plenary lecture J. of Analytical Atomic Spectrometry. 1987. Iss. 6. P. 567–571. doi: 10.1039/JA9870200567

12. Measurement of electron temperature and density in an argon microdischarge by laser Thomson scattering / S. G. Belostotskiy, R. Khandelwal, Q. Wang, V. M. Donnelly, D. J. Economou, N. Sadeghi // Applied Physics Letters. 2008. Vol. 92, iss. 22. P. 221507. doi: 10.1063/1.2939437

13. Laser scattering on an atmospheric pressure plasma jet: disentangling Rayleigh, Raman and Thomson scattering / A. F. H. van Gessel, E. A. D. Carbone, P. J. Bruggeman, J. J. A. M. van der Mullen // Plasma Sources Science and Technology. 2012. Vol. 21, № 1. P. 015003. doi: 10.1088/0963-0252/21/1/015003

14. Atmospheric pressure cold argon/oxygen plasma jet assisted by preionization by syringe needle electrode / M. Qian, C. Ren, D. Wang, Y. Feng and J. Zhang // 2012 Abstracts IEEE Intern. Conf. on Plasma Science. Edinburgh, UK, 08–13 July 2012. IEEE, 2012. P. 5B-9–5B-9. doi: 10.1109/PLASMA.2012.6383989

15. Qiuping Zhou, Cheng Cheng, Yuedong Meng. Electron Density and Temperature Measurement by Stark Broadening in a Cold Argon Arc-Plasma Jet at Atmospheric Pressure // Plasma Science and Technology. 2009. Vol. 11, № 5. P. 560. doi: 10.1088/1009-0630/11/5/09

16. Electron density measurement in atmospheric pressure plasma jets: Stark broadening of hydrogenated and non-hydrogenated lines / A. Yu. Nikiforov, Ch. Leys, M. A. Gonzalez, J. L. Walsh // Plasma Sources Science and Technology. 2015. Vol. 24, № 3. P. 034001. doi: 10.1088/0963-0252/24/3/034001

17. Shneider M. N., Miles R. B. Microwave diagnostics of small plasma objects // J. Appl. Phys. 2005. Vol. 98, iss. 3. Art. № 033301. doi: 10.1063/1.1996835

18. Counting the electrons in a multiphoton ionization by elastic scattering of microwaves / A. Sharma, M. N. Slipchenko, M. N. Shneider, X. Wang, K. A. Rahman, A. Shashurin // Scientific Reports. 2018. Vol. 8. Art. № 2874. doi: 10.1038/s41598-018-21234-y

19. Time-Resolved Measurements of Electron Density in Nanosecond Pulsed Plasmas Using Microwave Scattering / X. Wang, P. Stockett, R. Jagannath, S. Bane and A. Shashurin // Plasma Source Sci. Technol. 2018. Vol. 27, № 7. Art. № 07LT02. doi: 10.1088/1361-6595/aacc06

20. Thomson microwave scattering for electron number density diagnostics of miniature plasmas at low pressure / Xingxing Wang, Apoorv Ranjan, M. N. Shneider, A. Shashurin; American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA). Dallas, Texas, 17–21 June 2019. doi: 10.2514/6.2019-3250

21. Wang X., Shashurin A. Study of atmospheric pressure plasma jet parameters generated by DC voltage driven cold plasma source // J. Appl. Phys. 2017. Vol. 122, iss. 6. Art. № 063301. doi: 10.1063/1.4986636

22. Townes C. H., Schawlow A. L. Microwave Spectroscopy. New York: Dover Publication, 1975.

23. Gordy W., Smith W. V., Trambarulo R. F. Microwave spectroscopy. New York: John Wiley & Sons, 1953. 446 p.

24. Dielectric microwave resonators in TE011 cavities for electron paramagnetic resonance spectroscopy / R. R. Mett, J. W. Sidabras, I. S. Golovina, J. S. Hyde // Review of Scientific Instruments. 2008. Vol. 79, iss. 9. Art. № 094702. doi: 10.1063/1.2976033

25. EUV-Induced Plasma: A Peculiar Phenomenon of a Modern Lithographic Technology / J. Beckers, T. van de Ven, R. van der Horst, D. Astakhov, V. Banine // Appl. Sci. 2019. Vol. 9, iss. 14. Art. № 2827. doi: 10.3390/app9142827

26. Agdur B., Enander B. Resonances of a Microwave Cavity Partially Filled with a Plasma // J. of Applied Physics. 1962. Vol. 33, iss. 2. P. 575–581. doi: 10.1063/1.1702469

27. Townes C. H., Schawlow A. L. Microwave Spectroscopy. New York: Dover Publication, 1975. 720 p.

28. The Possibility of Measuring Electron Density of Plasma at Atmospheric Pressure by a Microwave Cavity Resonance Spectroscopy / J. Li, A. M. Astafiev, A. A. Kudryavtsev, C. Yuan, Z. Zhou, X. Wang // IEEE Transactions on Plasma Science. 2021. Vol. 49, iss. 3. P. 1001–1008. doi: 10.1109/TPS.2021.3050110

29. Брандт А. А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. М.: Физматгиз, 1963. 404 с.

30. Голант В. Е. Сверхвысокочастотные методы исследования плазмы. М.: Наука, 1968. 110 с.

31. Raizer Y. P. Gas Discharge Physics. New York: Springer-Verlag, 1991. 449 p.

32. Ginzburg V. L. The propagation of electromagnetic waves in plasmas. Oxford: Pergamon Press, 1970. 615 p.

33. Pozar D. M. Microwave Engineering. 3rd ed. Danvers: John Wiley & Sons Inc., 2005. 700 p.