Characteristics of Helium Atmospheric Pressure Plasma Bullet Propagation

Abstract

헬륨 상압 플라즈마 제트(He-APPJ)는 대기압의 조건에서 작동 가능하고 그 이용이 저압 플라즈마에 비해 간편하며 반응성이 큰 OH, O3, NO와 같은 라디컬이 다량 생성된다는 장점을 가진다. 이로 인해 바이오, 의료 분야에서 살균, 암 치료, 미용 등의 목적으로 APPJ가 이용되고 있지만, 실험이나 치료 결과의 재현성이 떨어져 일정한 효과를 기대하기가 어렵고, 플라즈마와 처리 대상간의 상관관계를 도출하는 데 어려움이 있다. APPJ 소스는 주변 공기의 상태에 의해서 제트의 특성이 변할 수 있기 때문이며, 특별히 제트의 형상을 구성하는 불렛과 주변 공기와의 관계에 대한 이해가 선행되어야만 한다. 본 학위 논문에서는 주변 혼합 가스의 조건에 따라 변화하는 불렛 속도 및 불렛 진행 메커니즘에 대한 연구를 진행하였다. 헬륨 APPJ로부터 발생한 불렛은 주로 공기 중에서 진행하기 때문에 헬륨과 주변 질소, 산소와의 반응이 중요하다. 질소와 산소의 이온화 에너지는 헬륨 준안정준위 종의 에너지보다 낮아 페닝 이온화로 인하여 N2+, O2+ 등의 이온과 전자를 생성한다. 특히 산소는 페닝과 동시에 음이온을 생성하여 전자 밀도를 감소시키는 역할도 하기 때문에, 주변 가스 중 산소의 분율은 불렛의 전자 밀도 및 불렛 진행 속도에 영향을 준다. 본 실험에서는 외부 공기와 차단된 챔버 내에서 대기 환경을 조절할 수 있도록 하였으며, N2와 O2의 분율을 변화시켜 불렛 속도를 측정하였다. Intensified Charge-Coupled Device (ICCD) 카메라의 50 nsec의 노출 속도 조건에서 이미지 촬영을 통하여 불렛의 속도를 도출하였고, 발광분석법(Optical Emission Spectroscopy, OES)을 통해 제트의 위치에 따른 여기종과 이온화종의 정보를 얻고, 전기장을 계산하였다. 기존의 스트리머 이론의 모델에 근거하여, 전자 밀도와 유리관 내부 방전에 의한 전기장 효과를 반영하는 불렛 속도 모델을 제시하고, 실험결과와 함께 비교하였다. 불렛 속도는 주변 대기의 질소, 산소 가스의 혼합률에 상관없이 모두 세 개의 단계로 구분됨을 확인하였다. 첫 번째 단계는 가속 단계로, 외부에서 유입된 질소와 산소가 헬륨 준안정준위로 인해 페닝 이온화를 일으켜 전자 밀도를 증가시키고, 시간에 따라 불렛의 속도가 지수적으로 증가한다. 이 영역에서 음이온으로 인한 전자 손실은 전자-중성자 충돌 및 페닝 이온화에 의한 생성에 비해 무시가능하기 때문에, 주변의 산소 분율이 증가할수록, 불렛 속도가 증가하는 비율도 함께 증가한다. 두 번째 단계에서는 유리관 내부에 방전이 발생하고, 이로 인해 불렛의 진행에 반대되는 방향의 전기장이 발생하여 가속도가 감소하고 일정한 속도를 유지하며 진행한다. 이는 유리관 내 방전이 불렛의 처음 생성뿐 아니라 진행에서도 영향을 줄 수 있음을 나타내며, 연속적으로 변화하는 가스 조건에서 갑작스런 가속도의 변화를 설명해준다. 불렛이 진행할수록 제트 내부로 유입하는 산소의 분율은 증가하고, 헬륨 밀도가 감소하면서 불렛의 속도가 감소하는 세 번째 단계에 진입한다. 주변 대기의 산소 분율이 높을수록 두 번째 단계의 길이가 감소하고, 전체 제트의 길이 또한 감소한다. 불렛의 속도가 공기 중에서 세 단계의 분포를 가지고 있음은 불렛에 의해 생성된 전하와 라디칼 또한 공간 분포를 가지고 있다는 것을 나타낸다. 전하와 라디칼의 역할이 중요한 바이오 및 의학 분야의 적용을 위해서는 처리 목적에 부합하는 결과를 위하여 불렛 속도의 공간 특성을 고려한 처리 조건의 수립이 필요하다.

Helium Atmospheric Pressure Plasma Jets (He-APPJs) are frequently used for bio-medical treatments due to the advantages of easy to use, high production of reactive radicals and low gas temperature. In spite of the efforts of application on bio-medical fields, difficulties for securing the reproducibility among experiments still exist. This is caused by the lack of understanding APPJ plumes in which the discrete bullets are continuously propagating. Spatial distribution of bullet velocity and radical density cause the treatment results of target, which varied with the location in APPJ plume. In this thesis, the bullet propagation mechanisms along the plasma plume are studied. Because the bullet propagates in ambient gas, the ratio of N2/O2 and He in plasma plume is an important parameter so the molar fraction ratio of N2 and O2 in ambient gas is controlled in this study. To measure the bullet velocity, Intensified Charge-Coupled Device (ICCD) camera was employed with the exposure time of 50 nsec. Optical Emission Spectroscopy method also introduced to monitor the excited, ionized species and to estimate the electric field in the plasma plume. The effect of ambient gas mixture on bullet propagation was analyzed with the bullet velocity model which was developed from the cathode-directed streamer. Reactor discharge effect was also considered in field analysis in the plume. ICCD results show that bullet velocity is distributed along the plasma plume and it can be classified with the three of velocity phases. In the phase 1, the bullet gets out the quartz tube exit and the Penning ionization of N2 and O2 entrained from the ambient enhances the speed of bullet propagation. In the phase 2, plasma is discharged in reactor quartz tube and the electric field from accumulated charges on quartz drags the bullet propagation, resulting that the acceleration force becomes zero and the bullet velocity is maintained constant during until the reactor discharge is off. In the phase 3, the excessive O2 entrain into He causes the electron loss by attachment to O2 so the discharge becomes weaker and the bullet velocity linearly decreases with time. The analysis reveals that the reactor discharge should be considered to understand the bullet behavior in space. In addition, it can be inferred that the position of bio-medical targets is important for the proper purpose of that treatment because it changes the gas flow and molar fraction in plasma plume which have crucial roles in bullet propagation and the spatial distribution of charges and radicals.