圖 1.典型的非熱 APPJ 實驗裝置3。

科學(xué)增強型 CCD 相機技術(shù)的進(jìn)步使非熱 APPJ 的新研究成為可能。“高度先進(jìn)的 PI-MAX4 ICCD 相機平臺獨有的新型門控技術(shù)……結(jié)合了傳統(tǒng) ICCD 相機中使用的傳統(tǒng)圖像增強器的更高靈敏度和提供 <500 皮秒分辨率的能力。”

介紹

非熱“大氣壓等離子體射流”(APPJ)在材料加工和生物醫(yī)學(xué)/醫(yī)療保健領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用方面有著巨大的潛力，因為它們能夠產(chǎn)生不受電極約束的等離子體。所有非熱 APPJ 都是使用幾種不同的實驗裝置之一產(chǎn)生的(例如，許多射流配置基于介質(zhì)阻擋放電 (DBD))，以純稀有氣體(氦、氖或氬)為原料，并通過脈沖高壓激發(fā)，它們都表現(xiàn)出一個獨特的特性：它們不是連續(xù)介質(zhì)，而實際上由在環(huán)境空氣中高速移動的“等離子子彈”組成。

過去幾年中，這些低溫 APPJ 的利用率不斷提高，這促使人們希望更好地了解噴流2中等離子子彈(時空局部發(fā)光效應(yīng))的物理現(xiàn)象。例如，使用高速增強 CCD (ICCD) 相機對氬氣氣氛中的冷 APPJ 進(jìn)行成像研究表明，等離子子彈的傳播速度可高達(dá)每秒 20 公里。等離子子彈的出現(xiàn)以及亞穩(wěn)態(tài)氬原子生成區(qū)的時空演變可以通過自傳播電離前沿的影響來解釋。

值得注意的是，非熱 APPJ 可以傳播相當(dāng)長的距離;然而，它們的直徑僅限于幾毫米。雖然這種空間覆蓋范圍足以滿足小規(guī)模應(yīng)用的需求，但對于大規(guī)模應(yīng)用，更有效的解決方案是將多個等離子射流組織成 1D 或 2D 陣列，由一個獨特的電源同時運行。

本應(yīng)用說明將概述用于單噴射和多噴射研究的非熱 APPJ 實驗裝置以及最新的相關(guān)成像技術(shù)。

單噴流研究

典型的非熱 APPJ 實驗裝置包括一個玻璃管，其中有兩個一定長度的外部電極(沿管的軸線)，電極之間有間隙。等離子體在流動的稀有氣體(通常是氦氣)中形成。等離子體包在管內(nèi)和外部空氣中傳播，即使沒有外部場，它們也會在空氣中形成子彈。可見等離子體包、電離前沿和等離子體子彈的表觀速度遠(yuǎn)大于流動進(jìn)料氣體的速度。

ICCD 相機使研究人員能夠觀察冷 APPJ 中等離子子彈的發(fā)展，方法是追蹤等離子包的形成過程，將其作為瞬時陰極附近的放電，跟蹤它們在電極之間和內(nèi)部的運動，直到它們出現(xiàn)在玻璃管的邊緣，然后捕捉等離子子彈的形成。在兩個電極內(nèi)部，等離子體都集中在靠近壁的地方，而且很明亮，而在外部，等離子體位于軸3處。見圖 1。

低溫 APPJ 可以控制多種藥劑(例如自由基、離子、紫外線和電場)，并且不會對熱敏感的生物系統(tǒng)造成熱損傷，這使得它們適用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，例如滅菌、哺乳動物和癌細(xì)胞的治療、血液凝固、傷口愈合和牙科治療。

例如，圖 2 中的照片顯示了使用圖 3 中所示的非熱 APPJ 設(shè)備在牙齒根管中產(chǎn)生的等離子體。

圖 2.使用基于單電極 (SE) 配置 5 的非熱 APPJ 設(shè)備在牙齒根管中產(chǎn)生的等離子體的照片。

圖3.基于單電極配置的非熱APPJ設(shè)備示意圖5。

由于根管的通道幾何形狀狹窄，通常長度為幾厘米，直徑為一毫米或更小，傳統(tǒng)噴射產(chǎn)生的等離子體不足以將反應(yīng)劑輸送到根管中進(jìn)行消毒。為了達(dá)到更好的殺滅效果，需要在根管內(nèi)產(chǎn)生等離子體，然后反應(yīng)劑(包括帶電粒子等短壽命物質(zhì))可以發(fā)揮殺滅細(xì)菌的作用5。利用圖 3 所示的裝置，可以在根管內(nèi)產(chǎn)生冷等離子體(圖 2)。

多射流研究

最近，人們越來越希望生成多個非熱 APPJ 以覆蓋更大的治療區(qū)域;然而，由于相鄰噴射流之間的相互作用無法避免，因此必須闡明噴射流1之間發(fā)生的物理過程。產(chǎn)生兩個或多個小直徑噴射流之間的相互作用，撞擊目標(biāo)的同一位置，以增加等離子體的沉積劑量，或在每個噴射流1中使用不同的混合氣體進(jìn)料來微調(diào)反應(yīng)物質(zhì)的組成，也可能是有意義的。

材料加工和化學(xué)凈化以及生物醫(yī)藥/醫(yī)療保健是可以從使用多個低溫 APPJ中受益的領(lǐng)域之一。圖 4 顯示了用于全面研究在氦氣中產(chǎn)生并在環(huán)境空氣中反向傳播的兩個微等離子體射流之間相互作用的物理特性的實驗裝置。

圖 4.實驗裝置：(a) 總體布置... HV 單元是兩個“自制”高壓脈沖形成單元;(b) DBD 設(shè)備細(xì)節(jié)1。由 Vincent Puech 博士提供。

本研究使用先進(jìn)的 ICCD 相機(Teledyne Princeton Instruments PI-MAX ? 3:1024i )研究了等離子體發(fā)射的時空演變，該相機允許使用完全集成的高壓控制器將曝光時間縮短至 0.39 納秒。使用配備三種不同光柵的750 毫米焦距光譜儀(Princeton Instruments Acton SP 2750i) 進(jìn)行光譜測量，使研究人員能夠研究波長范圍從190 到 900 納米的等離子體發(fā)射。

圖 5 展示了微等離子射流到達(dá)湍流區(qū)域時在環(huán)境空氣中傳播的兩個“快照”(曝光時間：5 納秒)。

圖 5. (a) 兩股反向傳播的氦氣流和一股等離子射流;(b) 兩股反向傳播的氦氣流和兩股反向傳播的等離子射流。(b) 中出現(xiàn)了“次級子彈”。使用 16 位、精密門控的普林斯頓儀器ICCD 相機獲取的圖像。灰度強度已轉(zhuǎn)換為假色1。由 Vincent Puech 博士提供。

兩個反向傳播的等離子射流相互作用的一個有趣特征是隨后突然發(fā)生二次輝光放電(見圖 6)。

圖 6.使用 16 位、精密門控普林斯頓儀器 ICCD 相機獲取的兩個反向傳播微等離子體射流傳播動態(tài)圖像(假彩色，曝光時間：0.95 納秒)。氦氣僅通過右側(cè)的設(shè)備輸送，以避免流體動力學(xué)不穩(wěn)定性 1。由 Vincent Puech 博士提供。

收集到的數(shù)據(jù)顯示，構(gòu)成射流的等離子子彈從離開各自裝置的噴嘴時起就會相互作用。這種相互作用導(dǎo)致兩個等離子子彈的速度都降低。更重要的是，在射流之間沒有子彈傳播的小空間中突然出現(xiàn)了“二次”放電，即粉紅色輝光(圖 7)。

圖 7.碰撞微等離子體射流的數(shù)碼照片(真彩色)，顯示兩個 DBD1 之間的次級粉紅色輝光。由 Vincent Puech 博士提供。

根據(jù)電流測量分析，結(jié)合光學(xué)發(fā)射光譜和高速數(shù)碼攝影觀察，我們認(rèn)為這種瞬態(tài)粉紅輝光是由等離子柱電位突然反轉(zhuǎn)引起的二次負(fù)輝光，與DBD 電極的電壓反轉(zhuǎn)瞬間相關(guān)，而先前暗區(qū)的浮動電位幾乎保持不變。

用于時間分辨 APPJ 研究的新型成像技術(shù)

最近，普林斯頓儀器公司推出了一種專屬于高度先進(jìn)的PI-MAX4 ICCD相機平臺的新型門控技術(shù)，該技術(shù)結(jié)合了傳統(tǒng)ICCD相機中使用的傳統(tǒng)圖像增強器的更高靈敏度和提供<500皮秒分辨率的能力。

通過利用先進(jìn)的電子設(shè)備并將增強器通過光纖粘合到 CCD 傳感器，這種新的皮秒門控技術(shù)使PI-MAX4 相機(見圖 8)能夠門控傳統(tǒng)圖像增強器，后者通常實現(xiàn)~2 到 3 納秒門控，在 <500 皮秒內(nèi)不會犧牲量子效率 (QE)。

圖 8. PI -MAX4：1024i ICCD 相機采用光纖粘合到行間傳輸 CCD 的傳統(tǒng)圖像增強器，以接近視頻的速率(每秒 26 幀)運行。

這些相機內(nèi)置集成可編程定時發(fā)生器 SuperSynchro，非常適合單射流和多射流研究。此外，最新的 Princeton Instruments LightField ? 64 位數(shù)據(jù)采集軟件可作為選配，通過極其直觀的用戶界面完全控制所有PI-MAX4硬件功能。LightField 提供自動缺陷校正、精確曝光控制和一系列創(chuàng)新功能，可輕松捕獲和導(dǎo)出非熱 APPJ 成像和光譜數(shù)據(jù)。

總結(jié)

Teledyne Princeton Instruments PI-MAX4 系列是 ICCD 相機性能的新基準(zhǔn)，它將皮秒門控的優(yōu)勢與光纖耦合到科學(xué)級傳感器的傳統(tǒng)圖像增強器的高 QE相結(jié)合。這些相機非常適合非熱 APPJ的最新研究以及許多其他時間分辨成像和光譜應(yīng)用。

低溫 APPJ在生物醫(yī)學(xué)/醫(yī)療保健、材料加工和化學(xué)凈化等領(lǐng)域迅速流行起來。無數(shù)的單噴射和多噴射裝置在這些不同領(lǐng)域的各種實際應(yīng)用中都具有各自的獨特優(yōu)勢。隨著研究人員對非熱 APPJ 的表征和開發(fā)工作變得更加精細(xì)，高度先進(jìn)的科學(xué) ICCD 相機將在這些工作中發(fā)揮越來越重要的作用。

審核編輯 黃宇