Numerical simulation of helium atmospheric pressure plasma

Abstract

Οι απορρίψεις διηλεκτρικού φραγμού ηλίου (DBD) που λειτουργούν σε ατμοσφαιρική πίεση και χαμηλή θερμοκρασία έχουν κερδίσει μεγάλη προσοχή τα τελευταία χρόνια, λόγω του χαμηλού κόστους παραγωγής τους και του μεγάλου εύρους εφαρμογών τους. Μερικές από τις εφαρμογές τους βρίσκονται στους τομείς της ιατρική πλάσματος, της τροποποίησης επιφανειών, της αποστείρωσης επιφανίων κλπ. Η ικανότητα τους να έχουν ένα τόσο ευρύ φάσμα εφαρμογών, έγκειται στο γεγονός ότι παράγουν μία μεγάλη ποικιλία αντιδραστικών ειδών, φορτισμένων σωματιδίων, υψηλών ηλεκτρικών πεδίων και υπεριώδους ακτινοβολίας. Ωστόσο, σε τέτοιες απορρίψεις η παρουσία σωματιδίων αέρα στο αέριο ηλίου είναι αναπόφευκτη, και πρέπει να λαμβάνεται υπόψη καθώς επηρεάζει σημαντικά την χημεία του πλάσματος και κατά συνέπεια την εξέλιξη της απόρριψης. Η βαθιά κατανόηση της φυσικής πίσω από τις απορρίψεις ήλιου, του τρόπου με τον οποίο οι θεμελιώδεις διεργασίες επηρεάζονται από την παρουσία προσμίξεων του αέρα και πώς το πλάσμα αλληλοεπιδρά με τις επιφάνειες αποτελεί σημαντική προϋπόθεση για τη βελτιστοποίηση και σταθεροποίηση αυτών συσκευών. Σε αυτή την διατριβή, ένα ακριβές αριθμητικό μοντέλο έχει αναπτυχθεί προκειμένου να μοντελοποιεί απορρίψεις ηλίου στην παρουσία των κυριάρχων σωματιδίων του αέρα (δηλ. αζώτου, οξυγόνου και νερού). Λόγο της πολυπλοκότητας του μοντέλου, η ανάπτυξη του χωρίστηκε σε τρία στάδια, αρχίζοντας από ένα απλό μοντέλο (καθαρό ήλιο) και στην συνέχεια αναβαθμίζοντας το προσθέτων τας σε αυτό τα κυρίαρχα συστατικά του αέρα (Ν2, Ο2 και Η2Ο). Σε κάθε στάδιο, κρίθηκε απαραίτητο το μοντέλο να επαληθεύεται με πειραματικά αποτελέσματα προκειμένου να διασφαλίζεται η ορθότητα του. Η συστηματική και βαθμιαία αυτή μεθοδολογία, προσδίδει εμπιστοσύνη στην εγκυρότητα της ανάπτυξης του μοντέλου. Επιπλέον, σε κάθε στάδιο, τα επίπεδα των σωματιδίων που εισάγονταν στο μοντέλο (ως προσμίξεις) μεταβάλλονταν και η επίδραση τους στην εξέλιξη της απόρριψης, στην χημεία του πλάσματος, στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά της απόρριψης και στην δημιουργία ιόντων στο μίγμα διερευνήθηκαν. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η χημεία του πλάσματος και κατά συνέπεια η εξέλιξη της απόρριψης επηρεάζεται σημαντικά από τα επίπεδα συγκέντρωσης των σωματιδίων του αέρα στο μείγμα. Σε αυτή τη μελέτη, για πρώτη φορά έχει δοθεί εξήγηση πίσω από το γνωστό φαινόμενο ότι η χαμηλή συγκέντρωση αέρα βοηθά στην ανάφλεξη της απόρριψης ηλίου, ενώ υψηλότερα επίπεδα σταματούν την ανάφλεξη της απόρριψης ηλίου. Στην συνέχεια, το επικυρωμένο μοντέλο (το οποίο λαμβάνει υπόψη τα είδη ηλίου, αζώτου και οξυγόνου) χρησιμοποιήθηκε για να διερευνήσει αριθμητικά μια συσκευή πίδακα πλάσματος ηλίου η οποία λειτουργεί σε ατμοσφαιρική πίεση (APPJ) με και χωρίς την παρουσία προσμείξεων οξυγόνου και την αλληλεπίδρασή της με μια διηλεκτρική επιφάνεια. Οι προσμίξεις οξυγόνου είναι σημαντικές για τις βιοϊατρικές εφαρμογές του πίδακα πλάσματος ηλίου αφού έχει παρατηρηθεί ότι μικρή ποσότητα οξυγόνου στο αέριο ηλίου αυξάνει την αποτελεσματικότητα του στην καταπολέμηση των καρκινικών κυττάρων. Μέσα από αυτή την μελέτη, αποκτήθηκε νέα γνώση πίσω από τις βασικές ιδιότητες του πίδακα πλάσματος ηλίου, η επίδραση των προσμείξεων οξυγόνου στην λειτουργία του και η αλληλεπίδραση του πίδακα πλάσματος με διηλεκτρικές επιφάνειες. Για παράδειγμα το μοντέλο έδωσε ερμηνεία γιατί το σχήμα της σφαίρας πλάσματος (για τον πίδακα πλάσματος ηλίου) έχει σχήμα δακτυλίου ενώ όταν προστεθεί οξυγόνο στο μίγμα το σχήμα της σφαίρας πλάσματος γίνεται σφαιρικό. Το σχήμα της σφαίρας πλάσματος παίζει σημαντικό ρόλο στην αλληλεπίδραση της με την επιφάνεια. Εάν η σφαίρα πλάσματος έχει σχήμα τόρου, αυτό σημαίνει ότι οι παράμετροι του πλάσματος λαμβάνουν τις μέγιστες τιμές εκτός άξονα συμμετρίας. Από την άλλη πλευρά, αν η σφαίρα πλάσματος έχει σφαιρικό σχήμα αυτό σημαίνει ότι οι παράμετροι του πλάσματος λαμβάνουν τις μέγιστες τιμές τους στον άξονα συμμετρίας. Ωστόσο, για πιθανές εφαρμογές, προτιμάται οι μέγιστες τιμές των παραμέτρων του πλάσματος να επιτυγχάνονται στο σημείο της αλληλεπίδρασης. Για τον πίδακα πλάσματος το σημείο αλληλεπίδρασης είναι ο άξονας συμμετρίας. Για το λόγο αυτό, προτιμάται το σφαιρικό σχήμα της σφαίρας πλάσματος για εφαρμογές. Επιπλέον, το μοντέλο δείχνει πώς ένα χαμηλό επίπεδο προσμείξεων οξυγόνου αυξάνει το διεγειρόμενο ηλεκτρικό πεδίο (IEF) στην διηλεκτρική επιφάνεια, το οποίο είναι πολύ σημαντικό για βιοϊατρικές εφαρμογές πιδάκων πλάσματος ηλίου.

Helium dielectric barrier discharges (DBD) operated at atmospheric pressure and low temperature have gained tremendous attention in the last years, due to low production costs and wide range of applications such as plasma medicine, surface modification, sterilization etc. The ability of DBD plasma sources to have such a diverse set of applications arises from the wide range of reactive species, ions, high electric fields and UV photons they can generate. In such discharges, the presence of air impurities is unavoidable and should be considered as it significantly affects the plasma composition and consequently the discharge evolution. Deep understanding of the physics behind helium discharges, how the fundamental processes are affected by the presence of air impurities and how plasma interacts with surfaces is a prerequisite for the optimization and stabilization of helium DBD devices. In this work, an accurate numerical model has been developed which is able to describe helium DBD in the presence of the dominant air constituents, i.e. nitrogen, oxygen and water. Due to the high complexity of the model, its development is split into three steps, starting with a simple model (pure Helium) and then upgrading it by adding more details (N2 then O2 and subsequently water species). At each step, the simulation model is validated with experimental results, in order to ensure its correctness. This systematic and gradual methodology provides confidence for the validity of the developed model. For each model, the level of air contaminants was varied, and the effect of air contaminants on the evolution of the discharge, reaction kinetics, discharge characteristics and important ion species are investigated. The results clearly demonstrate that the plasma chemistry and consequently the discharge evolution is significantly affected by the concentration level of air contaminants in the mixture. In this study, for the first time a reasonable explanation is given for the well-known rule of thumb that low concentration of air helps the ignition of the helium DBD, while higher levels stop the discharge ignition. Subsequently, the validated model which considers helium, nitrogen and oxygen species, is used to numerically investigate a helium atmospheric pressure plasma jet (APPJ) device with and without the presence of oxygen admixtures and its interaction with a dielectric surface. Oxygen admixtures are important for biomedical applications of helium APPJ where it has been observed that a small amount of oxygen in the helium gas increases its effectiveness against cancer cells. Through this work, new insight is gained into the fundamental processes of helium APPJ, the effect of the presence of oxygen admixtures and its interaction with dielectric surfaces. For example the model gives an explanation as to why the helium plasma jet has a torus/ring like shape and it also explains why the addition of oxygen admixtures causes the plasma bullet to change to a sphere like shape. The shape of the plasma bullet plays a crucial role in its interaction with the surface. If the plasma bullet has a torus like shape, this means that the plasma parameters take their maximum values off axis. On the other hand, if the plasma bullet has a sphere like shape means that the plasma parameters take their maximum values on the axis of symmetry. However, for potential applications, it is preferred to have maximum of plasma parameters at the point of interaction. For the plasma jet the point of interaction is the axis of symmetry. For that reason, the sphere like shape of the plasma bullet is preferable for applications. Furthermore, the model shows how a low level of oxygen impurities increases the induced electric field (IEF) on the dielectric surface, which is very important for biomedical applications of helium plasma jets.