<500 皮秒门控增强大气压等离子体射流研究

　　图 1.典型的非热 APPJ 实验装置3。

　　科学增强型 CCD 相机技术的进步使非热 APPJ 的新研究成为可能。“高度先进的 PI-MAX4 ICCD 相机平台独有的新型门控技术……结合了传统 ICCD 相机中使用的传统图像增强器的更高灵敏度和提供 <500 皮秒分辨率的能力。”

　　介绍

　　非热“大气压等离子体射流”(APPJ)在材料加工和生物医学/医疗保健领域的创新应用方面有着巨大的潜力，因为它们能够产生不受电极约束的等离子体。所有非热 APPJ 都是使用几种不同的实验装置之一产生的(例如，许多射流配置基于介质阻挡放电 (DBD))，以纯稀有气体(氦、氖或氩)为原料，并通过脉冲高压激发，它们都表现出一个独特的特性：它们不是连续介质，而实际上由在环境空气中高速移动的“等离子子弹”组成。

　　过去几年中，这些低温 APPJ 的利用率不断提高，这促使人们希望更好地了解喷流2中等离子子弹(时空局部发光效应)的物理现象。例如，使用高速增强 CCD (ICCD) 相机对氩气气氛中的冷 APPJ 进行成像研究表明，等离子子弹的传播速度可高达每秒 20 公里。等离子子弹的出现以及亚稳态氩原子生成区的时空演变可以通过自传播电离前沿的影响来解释。

　　值得注意的是，非热 APPJ 可以传播相当长的距离;然而，它们的直径仅限于几毫米。虽然这种空间覆盖范围足以满足小规模应用的需求，但对于大规模应用，更有效的解决方案是将多个等离子射流组织成 1D 或 2D 阵列，由一个独特的电源同时运行。

　　本应用说明将概述用于单喷射和多喷射研究的非热 APPJ 实验装置以及最新的相关成像技术。

　　单喷流研究

　　典型的非热 APPJ 实验装置包括一个玻璃管，其中有两个一定长度的外部电极(沿管的轴线)，电极之间有间隙。等离子体在流动的稀有气体(通常是氦气)中形成。等离子体包在管内和外部空气中传播，即使没有外部场，它们也会在空气中形成子弹。可见等离子体包、电离前沿和等离子体子弹的表观速度远大于流动进料气体的速度。

　　ICCD 相机使研究人员能够观察冷 APPJ 中等离子子弹的发展，方法是追踪等离子包的形成过程，将其作为瞬时阴极附近的放电，跟踪它们在电极之间和内部的运动，直到它们出现在玻璃管的边缘，然后捕捉等离子子弹的形成。在两个电极内部，等离子体都集中在靠近壁的地方，而且很明亮，而在外部，等离子体位于轴3处。见图 1。

　　低温 APPJ 可以控制多种药剂(例如自由基、离子、紫外线和电场)，并且不会对热敏感的生物系统造成热损伤，这使得它们适用于生物医学应用，例如灭菌、哺乳动物和癌细胞的治疗、血液凝固、伤口愈合和牙科治疗。

　　例如，图 2 中的照片显示了使用图 3 中所示的非热 APPJ 设备在牙齿根管中产生的等离子体。

　　图 2.使用基于单电极 (SE) 配置 5 的非热 APPJ 设备在牙齿根管中产生的等离子体的照片。

　　图3.基于单电极配置的非热APPJ设备示意图5。

　　由于根管的通道几何形状狭窄，通常长度为几厘米，直径为一毫米或更小，传统喷射产生的等离子体不足以将反应剂输送到根管中进行消毒。为了达到更好的杀灭效果，需要在根管内产生等离子体，然后反应剂(包括带电粒子等短寿命物质)可以发挥杀灭细菌的作用5。利用图 3 所示的装置，可以在根管内产生冷等离子体(图 2)。

　　多射流研究

　　最近，人们越来越希望生成多个非热 APPJ 以覆盖更大的治疗区域;然而，由于相邻喷射流之间的相互作用无法避免，因此必须阐明喷射流1之间发生的物理过程。产生两个或多个小直径喷射流之间的相互作用，撞击目标的同一位置，以增加等离子体的沉积剂量，或在每个喷射流1中使用不同的混合气体进料来微调反应物质的组成，也可能是有意义的。

　　材料加工和化学净化以及生物医药/医疗保健是可以从使用多个低温 APPJ中受益的领域之一。图 4 显示了用于全面研究在氦气中产生并在环境空气中反向传播的两个微等离子体射流之间相互作用的物理特性的实验装置。

　　图 4.实验装置：(a) 总体布置... HV 单元是两个“自制”高压脉冲形成单元;(b) DBD 设备细节1。由 Vincent Puech 博士提供。

　　本研究使用先进的 ICCD 相机(Teledyne Princeton Instruments PI-MAX ® 3:1024i )研究了等离子体发射的时空演变，该相机允许使用完全集成的高压控制器将曝光时间缩短至 0.39 纳秒。使用配备三种不同光栅的750 毫米焦距光谱仪(Princeton Instruments Acton SP 2750i) 进行光谱测量，使研究人员能够研究波长范围从190 到 900 纳米的等离子体发射。

　　图 5 展示了微等离子射流到达湍流区域时在环境空气中传播的两个“快照”(曝光时间：5 纳秒)。

　　图 5. (a) 两股反向传播的氦气流和一股等离子射流;(b) 两股反向传播的氦气流和两股反向传播的等离子射流。(b) 中出现了“次级子弹”。使用 16 位、精密门控的普林斯顿仪器ICCD 相机获取的图像。灰度强度已转换为假色1。由 Vincent Puech 博士提供。

　　两个反向传播的等离子射流相互作用的一个有趣特征是随后突然发生二次辉光放电(见图 6)。

　　图 6.使用 16 位、精密门控普林斯顿仪器 ICCD 相机获取的两个反向传播微等离子体射流传播动态图像(假彩色，曝光时间：0.95 纳秒)。氦气仅通过右侧的设备输送，以避免流体动力学不稳定性 1。由 Vincent Puech 博士提供。

　　收集到的数据显示，构成射流的等离子子弹从离开各自装置的喷嘴时起就会相互作用。这种相互作用导致两个等离子子弹的速度都降低。更重要的是，在射流之间没有子弹传播的小空间中突然出现了“二次”放电，即粉红色辉光(图 7)。

　　图 7.碰撞微等离子体射流的数码照片(真彩色)，显示两个 DBD1 之间的次级粉红色辉光。由 Vincent Puech 博士提供。

　　根据电流测量分析，结合光学发射光谱和高速数码摄影观察，我们认为这种瞬态粉红辉光是由等离子柱电位突然反转引起的二次负辉光，与DBD 电极的电压反转瞬间相关，而先前暗区的浮动电位几乎保持不变。

　　用于时间分辨 APPJ 研究的新型成像技术

　　最近，普林斯顿仪器公司推出了一种专属于高度先进的PI-MAX4 ICCD相机平台的新型门控技术，该技术结合了传统ICCD相机中使用的传统图像增强器的更高灵敏度和提供<500皮秒分辨率的能力。

　　通过利用先进的电子设备并将增强器通过光纤粘合到 CCD 传感器，这种新的皮秒门控技术使PI-MAX4 相机(见图 8)能够门控传统图像增强器，后者通常实现~2 到 3 纳秒门控，在 <500 皮秒内不会牺牲量子效率 (QE)。

　　图 8. PI -MAX4：1024i ICCD 相机采用光纤粘合到行间传输 CCD 的传统图像增强器，以接近视频的速率(每秒 26 帧)运行。

　　这些相机内置集成可编程定时发生器 SuperSynchro，非常适合单射流和多射流研究。此外，最新的 Princeton Instruments LightField ® 64 位数据采集软件可作为选配，通过极其直观的用户界面完全控制所有PI-MAX4硬件功能。LightField 提供自动缺陷校正、精确曝光控制和一系列创新功能，可轻松捕获和导出非热 APPJ 成像和光谱数据。

　　总结

　　Teledyne Princeton Instruments PI-MAX4 系列是 ICCD 相机性能的新基准，它将皮秒门控的优势与光纤耦合到科学级传感器的传统图像增强器的高 QE相结合。这些相机非常适合非热 APPJ的最新研究以及许多其他时间分辨成像和光谱应用。

　　低温 APPJ在生物医学/医疗保健、材料加工和化学净化等领域迅速流行起来。无数的单喷射和多喷射装置在这些不同领域的各种实际应用中都具有各自的独特优势。随着研究人员对非热 APPJ 的表征和开发工作变得更加精细，高度先进的科学 ICCD 相机将在这些工作中发挥越来越重要的作用。

审核编辑 黄宇