Contract de cercetare: IDEI 1999/2008
Director de proiect : Dr. Gheorghe Dinescu, CS I, e-mail: dinescug@infim.ro
Institutii implicate in proiect:
Institutul National de Fizica Laserilor, Plasmei si Radiatiei (INFLPR)
Laboratorul de Plasma de Temperatura Joasa
Grupul Procese in Plasma pentru Materiale Functionale si Suprafete
Relevanta proiectului
mpingerea limitei de functionare a descarcarilor care produc plasma rece catre valoarea presiunii atmosferice este un subiect de la frontiera fizicii plasmei si constituie un domeniu de cercetare extrem de actual si dinamic. Forta motrice este reprezentata nu numai de interesul stiintific, ci si de avantajele tehnologice si financiare care decurg din utilizarea in practica a plasmelor reci generate fara sisteme de vid; s-ar putea astfel redimensiona anumite procese industriale si s-ar deschide linii de noi de aplicabilitate, de exemplu in medicina, biologie sau mediu. Experimentarile arata ca extinderea domeniului de functionare la presiuni mari intampina o serie de dificultati, legate de tensiunile mari de strapungere, constrictia descarcarii la volume mici, neomogenitatea plasmei, instabilitatea ei temporala si spatiala. In mod explicit, prin ridicarea presiunii descarcarii, frecventa ciocnirilor creste si este favorizat transferul de energie intre cele doua populatii (electronica si neutri). Ca urmare populatia neutrilor se incalzeste si ea si plasma tinde catre echilibru. In acelasi timp plasma nu mai este rece, caci energia care se transfera la orice suprafata in contact cu plasma creste. Mai mult, apar fenomene de descarcare neintalnite la presiune joasa, cel mai important fiind filamentarea plasmei, cauzata de instabilitati termice. In concluzie, tendinta naturala rezultata si din scalarea legilor care guverneaza descarcarea la presiune joasa, este ca prin cresterea presiunii plasma sa devina fierbinte, de echilibru si filamentara. In particular, daca nu se iau precautii de racire a electrozilor intervine emisia termoelectronica si descarcarea trece in regim de arc electric, care genereaza o plasma termica, localizata, de temperatura inalta.
Intrebarile ridicate de orientarea cercetarii catre descarcarile in gaze (in particular a plasmelor) la presiune atmosferica sunt:
1) Pot fi generate plasme reci la presiune atmosferica? Sunt acestea extinse sau filamentare si care sunt conditiile care guverneaza tranzitia intre extins si filamentar?
2) Sunt acestea plasme de neechilibru si daca raspunsul este pozitiv care sunt temperaturile specifice subsistemelor plasmei si care sunt procesele care previn termalizarea sistemului?
3) Care sunt densitatile de electroni si de specii caracteristice?
Aceste intrebari de valoare fundamentala au ecou in campul aplicatiilor, care preseaza in general pentru obtinerea unor plasma reci extinse spatial cu continut ridicat de specii active (radicali) pentru procesari de suprafete sensibile la temperatura.
Obiective
i) Stabilirea regimurilor descarcarii in configuratie dbe si dbd la trecerea de la presiune subatmosferica la presiune atmosferica;
ii) Determinarea gradului de neechilibru al plasmelor mentionate in spatiul interelectrodic si in expansiune;
iii) Identificarea si determinarea densitatii speciilor in plasmele reci generate in cele doua configuratii, cu accent pe densitatea electronica si a radicalilor care transporta activitate chimica;
iv) Stabilirea si compararea eficientei celor doua sisteme electrodice in crearea si transportul de energie capabila sa produca transformari la suprafata materialelor (fluxuri de radicali, ioni, metastabili)
Metodologia cercetarii
Metodologia cercetarii este bazata pe adaptarea “know-how”-ului, a resurselor materiale (echipamente, financiare) si a resurselor umane la obiectivele precizate anterior. In raport cu realizarea acestor obiective metodologia de cercetare implica abordarea de lucrari in urmatoarele directii:
1. Sisteme experimentale de baza
In stadiul actual, configuratiile de descarcare DBE si DBD sunt functionale si au putut fi folosite la generarea plasmelor reci in vederea unor procese aplicative. Pentru investigatiile de natura fundamentala preconizate este necesara compatibilizarea lor cu procesele de masurare avute in vedere. In particular, in configuratia actuala nici unul dintre sisteme nu permite vizualizarea descarcarii in interiorul spatiului interelectrodic, ceea ce impiedica masuratorile de spectroscopie optica si aplicarea tehnicilor de imagistica, vitale pentru stabilirea regimului de descarcare. In cazul jetului de plasma rece DBE, zona descarcarii (configuratie plan – paralela, distanta interelectrodica 1-3 mm) este obturata de peretele cilindric de otel inoxidabil care inglobeaza un tub izolator ceramic ce cuprinde spatiul interelectrodic. Sistemul se va modifica prin inlocuirea tubului ceramic cu un tub de cuart si inlocuirea peretelui cilindric metalic (cu rol de racire si ecranare electrica) cu o plasa metalica. In cazul jetului de plasma DBD asigurarea accesului optic la spatiul interelectrodic se va face inlocuind unul din electrozi cu un electrod transparent si conductor (ITO), tehnologia respectiva fiind in portofoliul grupului de cercetare.
2. Metodologia masuratorilor electrice. Depasirea limitelor existente pe plan international
Masuratorile electrice sunt utilizate pe larg la nivel international in caracterizarea plasmelor reci la presiune atmosferica, pentru identificarea regimurilor de descarcare, trasarea caracteristicilor volt-amperice, elaborarea unor modele de circuit electric pentru acestea. O prima dificultate provine din faptul ca descarcarea este sustinuta in camp de radiofrecventa la 13,56 MHz. Datele de intrare sunt formele de unda ale curentului si tensiunii si defazajului intre acestea. In abordarile internationale raportate pana in prezent sunt neglijate impedantele parazite ale celulei de descarcare, ceea ce conduce la erori in masurarea acestor semnale, in special a defazajului intre curent si tensiune cu consecinte asupra determinarii puterii reale RF injectate in plasma si a impedantei descarcarii. In cadrul proiectului se va elabora o metoda de masurare a impedantei parazite si includerea ei in modelul de circuit a descarcarii. O a doua dificultate este creata de numarul mare de puncte necesare pentru a explora detaliat caracteristicele voltamperice si trasarea curbelor de breakdown. Masuratorile internationale sunt afectate de un numar redus de puncte. In cadrul proiectului, datorita experientei in automatizari a membrilor echipei de lucru (Drd. Ionita Rosini, Drd. Vizireanu Sorin) si echipamentelor performante care permit contolul computerizat, se vor putea efectua masuratori detaliate si reproductibile prin elaborarea unui sistem integrat de masurare, controlat de computer, programat in Labview.
3. Metodologia masuratorilor spectrale. Interpretarea datelor spectrale
Echipa de cercetare are experienta extinsa in masuratori spectrale si poseda echipamente de cercetare moderne si performante pentru aplicarea spectroscopiei de emisie cu rezolutie spatiala si temporala. In vederea eficientizarii activitatii, altfel laborioase, de achizitie de spectre se vor elabora, in mediul de programare Labview, programe pentru controlul computerizat al lanturilor de spectroscopie optica in conjunctie cu controlul descarcarilor in studiu si achizitia computerizata a datelor. Dificultatile principiale care decurg din aplicabilitatea limitata a spectroscopiei de emisie la masurari cantitative se vor depasi astfel: pentru determinarea densitatilor electronice se vor folosi inregistrari spectrale de rezolutie inalta a profilelor de linie si deconvolutia profilului Voigt pentru extragerea largirii Stark. Metoda se va aplica liniei spectrale Hb (provenita din existenta impuritatilor sau din injectie intentionata), deoarece pentru aceasta exista parametri de largire Stark bine definiti. Temperatura electronica se va determina din raporturi de linii spectrale. Temperatura de rotatie (corelata cu temperatura gazului) si temperatura de vibratie se vor determina din compararea spectrelor electrono-roto-vibrationale ale moleculelor biatomice cu spectre simulate pe computer. Simularea se va face cu programele originale dezvoltate de noi pentru radicalul OH si pentru emisia sistemului SPS al moleculei de N2. Speciile emisive prezente in plasma se vor determina in urma identificarii emisiilor de linii si benzi caracteristice. Aceste abordari sunt in acord cu cele mai recente raportari din literatura de specialitate.
4. Metodologia masuratorilor de spectrometrie de masa
Implementarea spectrometriei de masa la presiune atmosferica se va face prin up-gradarea unui spectrometru de masa care lucreaza in mod uzual in conditii de ultravid (prevazut a se achizitiona din alte proiecte in curs de desfasurare) cu sisteme de pompare diferentiala. Spectrometrul se va folosi cu/fara sursa de electroni pentru ionizare, permitand esantionarea continutului de ioni din plasma si respectiv a speciilor neutre in stare fundamentala. Masuratorile vor completa pe cele spectrale, care sunt limitate la esantionarea speciilor aflate pe nivelele excitate.
5. Integrarea rezultatelor intr-o conceptie comparativa de modele de descarcare pentru cele doua configuratii de descarcare: DBE si DBD
Se vor examina rezultatele masuratorilor si se vor trage concluzii privind particularitatile descarcarilor DBE si DBD, ale eficientei de producere de specii active, consumului energetic, stabilitatii si versatilitatii. Vor fi trecute in revista principalele deschideri fundamentale si aplicative create de proiect.
Lista membrilor echipei de cercetare in cadrul proiectului
Echipa de proiect, din cadrul Institutul National de Fizica Plasmei, Laserilor si Radiatiei, Magurele-Bucuresti este constituita din doi cercetatori experimentati si patru cercetatori in formare, toti doctoranzi.
1. Dr. Dinescu Gheorghe - director de proiect
2. Dr. Mitu Bogdana Maria
3. Dr. Vizireanu Sorin-Ionut
4. Drd. Ionita Eusebiu-Rosini
5. Drd. Stancu Claudia-Elena
6. Drd. Teodorescu Maximilian
Planul de realizare. Obiective si activitati
Etapa I. Compatibilizarea sistemelor DBE generatoare de plasma rece cu procesele de masurare
Data raportare: 2009
Concluzii: A fost proiectat si realizat un dispozitiv DBE generator de jet plasma rece cu facilitati de vizualizarea a zonei interelectrodice printr-un izolator de cuart, si cu puncte de conectare a sondelor electrice. Functionarea acestuia a fost testata la puteri RF 9n domeniukl 10-100 W, la frecventa de 13.56 MHz. A fost realizata compatibilizarea dispozitivului de descarcare la presiune atmosferica cu lanturi de masuratori spectrale si electrice. A fost testata si demonstrata functionalitatea ambelor lanturi de masura. In lucrare sunt prezentate rezultate ale testelor efectuate (fotografii, spectre de emisie).
Etapa II. Stabilirea regimurilor de descarcare in cazul plasmelor reci la presiuni intermediare si mari
Data raportare: Decembrie 2010
Concluzii: In cazul descarcarilor cu electrozi metalici in contact cu plasma, DBE - Discharges with Bare Electrodes, in argon: i) s-a demonstrat functionarea continua a descarcarii in regim jet rece in regim controlat de putere (15 W putere forward), pe toata plaja de presiuni de la 10 mbar la 1000 mbar ; ii) s-a vizualizat evolutia plasmei: la presiuni mici descarcarea se poate descrie prin coexistenta in expansiune a unui jet de plasma supersonic cu o descarcare luminiscenta extinsa volumic; la presiuni mari expansiunea corespunde unui jet de plasma subsonic, insotit si sustinut in zona interelectrodica de un regim de descarcare filamentar care coexista cu o descarcare difuza; ii) prin masuratori electrice la 13.56 MHz a fost stabilita dependenta marimilor electrice (tensiune, intensitatea curentului de disipare si de deplasare, puterea activa si reactiva, rezistenta si reactanta plasmei) ca functie de presiune, si s-a aratat ca injectia de putere este maxima la cele doua capete ale intervalului de presiuni; iii) pe baza unui sistem de control al experimentului in mediul integrat Labview (sincronizare computer, osciloscop, generator RF) au fost trasate caracteristicile U-I, U-IR ale descarcarii, pe intervalul de presiuni mentionat, identificand pragul de strapungere, regimul de descarcare ; iv) temperatura asociata particulelor grele s-a obtinut prin simularea spectrelor roto-vibrationale ale radicalului OH si fitarea spectrelor experimentale cu spectrele generate de calculator. Cele doua tipuri de masuratori, electrice si imagistice au fost comparate si s-a observat ca indica rezultate similare privitoare la regimul de descarcare.
Studiul dependentei parametrilor electrici ai plasmei de putere a fost realizat la valori predeterminate si crescatoare ale presiunii. Au fost trasate in acest scop caracteristicile I-V, prin incrementarea si decrementarea automatica a puterii in pasi de 2 W. Curbele obtinute prezinta histerezis, si permit determinarea pragului de breakdown. Curba de breakdown este asemanatoare unei portiuni deformate de curba Paschen. Regimul corespunzator functionarii pe zona de ardere, unde caracteristica prezinta o panta usor negativa, indica, la presiuni mari, un regim de pre-arc.
Unul dintre aspectele importante rezultate din masuratori este existenta unei zone de presiune, care pentru geometria folosita a fost situata in jurul a 700 mbar, pentru care descarcarea devine, in zona interelectrodica, filamentara. In aceasta zona de presiune se manifesta instabilitati, care insa nu duc la stingerea descarcarii, chiar daca puterea folosita a fost de numai 15 W. Aceasta descarcare filamentara se mentine si la presiune atmosferica, unde se stabilizeaza, posibil datorita curgerii gazului.
Un al doilea aspect se refera la dependenta puterii disipate in descarcare de puterea furnizata dispozitivului la valori diferite ale presiunii. Desi in zona presiunilor mici puterea disipata depinde neliniar de puterea furnizata, in zona presiunilor mari aceasta dependenta este cuasi-liniara si in descarcare se regaseste circa 70% din puterea furnizata.
In cazul descarcarilor cu bariera de dielectric (DBD - Dielectric Barrier Discharges), generate in argon: i) a fost realizata o descarcare in care electrodul lipit de bariera este transparent (ITO pe sticla), ceea ce permite vizualizarea plasmei in spatiul interelectrodic de numai 1 mm largime; ii) la cresterea continua a presiunii de la valori mici (30 mbar) la presiune atmosferica se constata evolutia de la o descarcare luminiscenta exterioara spatiului interelectrodic (deci prin ocolirea barierei), cu absenta plasmei in spatiul ingust (1mm) marginit de bariera si electrodul RF, la o descarcare interioara spatiului interelectrodic (limitata de bariera si electrod), care se continua cu o expansiune tip jet planar; iii) plasma a fost caracterizata din punct de vedere electric, prin aceleasi mijloace ca in cazul DBE; iv) la presiune atmosferica plasma este rece, asa cum rezulta din simularea spectrelor de emisie ale radicalului OH; in limita rezolutiei temporale a aparaturii optice folosite (100 s/cadru) plasma descarcarii cu bariera, excitata la 13,56 MHz este omogena si nu prezinta filamentele specifice descarcarilor cu bariera excitate cu frecvente de ordinul kHz-lor. Cu toate ca o corelare a masuratorilor electrice cu cele de imagistica nu poate fi facuta pe tot domeniul de presiuni (din cauza fenomenului de ocolire a barierei la presiuni mici), se poate totusi concluziona ca fenomenele aparute in descarcare la nivel vizual au o transpunere si la nivel electric. Astfel se confirma faptul ca cele doua tipuri de masuratori sunt complementare.
In ceea ce priveste puterea absorbita de plasma de la campul RF, dependenta de presiune a puterii active disipata in dispozitivul DBD obtinuta in zona presiunilor mici nu este relevanta; aceasta se datoreaza regimului de descarcare luminiscenta care arde cu ocolirea spatiului interelectrodic ingust, asa cum indica investigarile. In schimb, in zona presiunilor mari dependenta este similara cu cea a DBE, puterea activa prezentand o crestere catre presiunea atmosferica. In descarcare se regaseste in acest caz circa 50% din puterea furnizata de generatorul RF.
In cursul experimentarilor care au urmarit stabilirea unor configuratii de descarcare usor de adaptat la instrumentia de masura a fost identificata o configuratie electrodica tubulara de descarcare cu bariera de dielectric, care conduce la generarea la presiune amosferica a unui jet filamentar de plasma de lungimi neobisnuite (6-7 cm). Plasma obtinuta este stabila si in configuratia mentionata a putut fi sustinuta in argon cu puteri RF (13.56 MHz) intre 80-100W. Existenta acestui tip de descarcare ridica probleme de principiu privitoare la modul de propagare a energiei de-a lungul filamentului si la importanta curgerii gazului gazului in stabilizare. Obtinerea unei descarcari filamentare stabile este de importanta majora pentru diagnosticarea plasmei filamentare, deoarece instabilitatea este piedica majora in utilizarea tehnicilor de diagnostica spectrala obisnuite.
Etapa III.
Data raportare: 2011
Publicatii aferente proiectului
Lucrari cotate ISI
[1] M.D. Ionita, M. Teodorescu, C. Stancu, C.E. Stancu, E.R. Ionita, A. Moldovan, T. Acsente, M. Bazavan, G. Dinescu, Surface modification at atmospheric pressure in expanding RF plasmas generated by planar Dielectric Barrier Discharges, J. Optoelectron. Adv. Mater., 12, 3, 777-782, 2010
[2] J.D. Pedarnig, J. Heitz, E.R. Ionita, G. Dinescu, B. Praher, and R. Viskup, Combination of RF – plasma jet and Laser – induced plasma for breakdown spectroscopy analysis of complex materials, Applied Surface Science, 257, 12, (2011), 5452–5455
[3] E.C. Stancu, A.M. Stanciuc, M.D. Ionita, M. Teodorescu, L. Moldovan, G. Dinescu, Atmospheric pressure plasma preparation of micropatterned teflon surfaces for interaction with cells, Romanian Journal of Physics, 56, 8, (2011),149-155
[4] M. D. Ionita, M. Teodorescu, T. Acsente, M. Bazavan, E. R. Ionita, G. Dinescu, Remote surface modification of polymeric foils by expanding atmospheric pressure radiofrequency discharges, Romanian Journal of Physics, Rom. Journ. Phys., 56, Supplement, (2011), 132-138
[5] C. Stancu; M. Teodorescu; A.-C. Galca; G. Dinescu, Carbon layers cleaning from inside of narrow gaps by a RF glow discharge, submitted, Surface and Coatings Technology, 205, 2, (2011), S435-S438
Lucrari publicate in carti
G. Dinescu , E.C. Stancu, E. R. Ionita, M. Teodorescu, M.D. Ionita, A.M. Stanciuc, L. Moldovan, Cold expanding plasma sources for processing of biomaterials surfaces, “Biomaterials and Plasma Processing”, Eds.N. Dumitrascu, I.Topala, Ed. U.A.I.C. Iasi, ISBN: 978-973-703-543-1
Lucrari publicate in Proceedings ale conferintelor internationale
[1] G. Dinescu, E.R. Ionita, M. Teodorescu, C. Stancu. T. Acsente, M. Bazavan, Radiofrequency expanding plasma sources at atmospheric pressure. Applications, Iinvited lecture, Proceedings of 4th International Congress on Cold Atmospheric Pressure Plasmas: Sources and Applications, June 22-24 2009, Ghent, pag. 17-22
[2] B. Mitu, M. Bazavan, I. Luciu, T. Acsente, G. Dinescu, Rotational Temperatures in a RF Nitrogen Plasma Jet at Low Pressure, The 19th International Symposium on Plasma Chemistry July 26 - 31, 2009ISPC Procedings edited by Achim von Keudell, Jörg Winter, M. Böke, V.Schulz-von der Gathen
[3] T. Acsente, M. Bazavan, M. Teodorescu, M. D. Ionita, E.R. Ionita, G. Dinescu, Cold atmospheric pressure plasma jet discharge with bare electrodes operated in argon, Proceedings of the European Conference on the Atomic and Molecular Physics of Ionized Gases (ESCAMPIG XX), Novi Sad, Serbia, 13-17 July, 2010, published by European Physical Society,vol. 34B, ISBN:2-914771-63-0
[4] M. Teodorescu, T. Acsente, M. Bazavan, M. D. Ionita, E.R. Ionita, G. Dinescu, Spectral analysis of an argon plasma jet expanding from a dielectric barrier discharge in the ambient atmosphere, Proceedings of the European Conference on the Atomic and Molecular Physics of Ionized Gases (ESCAMPIG XX), Novi Sad, Serbia, 13-17 July, 2010, published by European Physical Society, vol. 34B, ISBN:2-914771-63-0
