Sterilizálásra és felületkezelésre alkalmazható utókisülési plazmák modellezése
Title in English
Modelling of post-discharge plasmas used for sterilisation and surface treatment
Keywords in Hungarian
utókisülés, folyadék modellek, plazma alapú sterilizálás
Keywords in English
post-discharge plasmas, hydrodynamic modelling, plasma based medical sterilization
Discipline
Physics (Council of Physical Sciences)
100 %
Panel
Physics
Department or equivalent
Laser Physics Dept. (Research Institute for Solid State Physics and Optics Hung. Acad. Sci.)
Starting date
2008-01-01
Closing date
2010-12-31
Funding (in million HUF)
3.750
FTE (full time equivalent)
2.40
state
closed project
Summary in Hungarian
Elektromos gázkisülésekben nagy számban keletkeznek ionok, gerjesztett molekulák és kémiailag aktív gyökök, amelyek alapvető szerepet játszanak különböző felületmódosítási eljárásokban. Áramló gáz alkalmazásával az elektromosan semleges részecskék eljutatthatók egy ú.n. utókisülési térfogatba, ahol előnyösen alkalmazhatók érzékeny orvosi eszközök sterilizálására, amelyekben a „közvetlen” plazmakezelés (ionbombázás) kárt tehetne. Az alkalmazások szempontjából az optimális eset az lenne, ha az utókisülés alkalmazási térrészében az aktív részecskék sűrűségének egyenletes térbeli eloszlását tudnánk létrehozni – ennek feltételeit kisülési modellek segítségével lehet megkeresni. A modellezéses optimalizálással jelentősen csökkenthető a tényleges kísérletek száma és költségei. Az utókisülésekre eddig kidolgozott kinetikus modellek az aktív részecskék sűrűségének csak időbeli változását tudják leírni. Az alkalmazások valódi optimalizálásához olyan modellekre van szükségünk, amelyek az aktív részecskék sűrűségének térbeli eloszlását is meg tudják adni. A munka céljai (i) egy olyan 3 dimenziós folyadék modell kidolgozása, amelynek segítségével az utókisülési cellában az aktív részecskék sűrűségének térbeli eloszlása meghatározható, (ii) a kidolgozott modellel megkeresni különböző alkalmazásokra (pl. plazmasterilizálás, nitridálás) az optimális kisülési feltételeket, (iii) a kisülési és útókisülési cella közötti térrész modellezése, mely segít megtervezni ezen térrész optimális hosszát.
Summary
Post-discharges can fill homogeneously large volumes and contain a high density of chemically active radicals, which are produced in the discharge and transferred to the post-discharge reactor by means of the gas flow. These properties are advantageous for surface treatment, surface cleaning, film deposition and medical sterilization. From the applications point of view the optimal situation would be the homogenous spatial distribution of the density of active species in the useful volume of the post-discharge. The discharge conditions where this can be achieved can be find with the help of discharge models. With the help of the modelling optimization work the number of experiments and their expenses could be decreased. Majority of the kinetic models developed for post-discharges so far are able to describe only the temporal evolution of the density of active species. However, for a real optimization of the applications we need models, which give also the variation of the density of active species as a function of spatial coordinates. The aims of this work are (i) the development of a 3-dimensional fluid model, which makes possible the determination of densities distribution in reactor, (ii) determination of the optimal discharge conditions with the developed model for different applications (e.g. plasma sterilization, nitriding), (iii) modelling of the region between the discharge and post-discharge zone, which helps in finding the optimal length of this region.
Final report
Results in Hungarian
Orvosi sterilizálásban és felületkezelésben szerepet játszó aktív részecskékben – úgy mint N és O atomok, Ar+ ionok, O2(a) metastabilok, UV sugárzó NO(A) és NO(B), illetve Ar(4s) rezonáns állapotú atomok – gazdag alacsony nyomású kisüléseket és utókisüléseket vizsgáltunk modellezés útján. Ennek érdekében két modellt fejlesztettünk ki: egy a felülethullám mikrohullámú kisülésre érvényes kinetikus modellt és egy 3-dimenziós hidrodinamikai modellt, amely megadja a fizikai mennyiségek eloszlását egy nagytérfogatú reaktorban. Különböző gázkeverékekre felépítettük a molekuláris kinetikai sémát, figyelembe véve úgy a gázfázisú, mint a felületi reakciókat. A projekt keretén belül két különböző típusú rendszert tanulmányoztunk: (i) N2-O2, Ar-O2 illetve Ar-O2-N2-ben keltett felülethullám mikrohullámú kisülésekre épülő utókisülési rendszereket és (ii) alacsony nyomású reaktorban Ar plazmasugár által keltett N2-O2, NO illetve N2-NO plazmákat. Az első esetben a plazmák összetételét meghatároztuk különböző kisülési feltételek, úgy mint gáznyomás és kezdeti gázkeverék, mellett. Vizsgáltuk a részecskék élettartamát a reaktort a kisüléssel összekötő térrészben, ennek ismerete lehetőséget nyújt a reaktorban kialakuló plazma összetételének hangolására a rendszer méreteinek a változtatásával. Az Ar plazmasugárral keltett plazmák esetén tanumányoztuk a plazmasugár és a molekuláris gázok áramának, illetve a plazmasugár összetételének hatását a részecskék sűrűségének az eloszlására a reaktorban.
Results in English
Low pressure discharges and post-discharges rich in active species important for medical sterilization and surface treatment – such as N and O atoms, Ar+ ions, O2(a) metastables, UV radiating NO(A) and NO(B) molecules and Ar(4s) resonant state atoms – have been investigated by means of modeling. For this purpose we have developed two different models: a kinetic model valid for the surface-wave microwave discharge and a 3-dimensional hydrodynamic model that gives the distribution of physical quantities in a large volume reactor. The molecular kinetic schemes for different mixtures have been built up, taking into account both the gas phase as well as the surface processes. Two different type of systems have been studied: (i) post-discharge systems based on a surface-wave microwave discharge generated in N2-O2, Ar-O2 and Ar-O2-N2, respectively and (ii) N2-O2, NO and N2-NO plasmas generated in a low pressure reactor by an Ar plasma jet. In the first case the compositions of the plasmas have been determined for different discharge conditions, such as gas pressure and initial mixture composition. The lifetime of species in the connecting zone between the discharge and reactor has been determined, which gives the possibility of tuning the composition of the post-discharge with the system dimensions. In case of Ar plasma jet generated plasmas the effect of jet and molecular gas flows, as well the jet composition on the species density distributions in the reactor has been studied.
K. Kutasi, V. Guerra, P. A. Sá and J. Loureiro: Modeling of a flowing Ar -O2 microwave discharge and post-discharge, Proc. of 24rd Summer School and International Symposium on the Physics of Ionized Gases (Ed. G.Malovic, L. Popovic, M.Dimitrijevic), Novi Sad, Serbia, pg. 351-354, 2008
K. Kutasi, V. Guerra, J. Loureiro, C. D. Pintassilgo, P Sá: Plasma sterilization: the applicability of discharge and post-discharge plasmas for medical sterilization [general invited lecture], Proc. 17th Symposium on Application of Plasma Processes & Visegrad Workshop on Research of Plasma Physics, Liptovsky Jan, Slovakia, 17-22 January 2009 p. 31-34, 2009
Kinga Kutasi: Modeling of post-discharge plasmas for medical sterilization: effect of the wall material on the species density distributions in a large volume reactor [general invited], Proc. of The 7th EU-Japan Joint Symposium on Plasma Processing (Ed. Nykola Jones and Roman Čurik), Liblice, Czech Republic 23-26 April 2009 pp. 18, 2009
V. Guerra, K. Kutasi, P. A. Sá and J. Loureiro: Kinetic modeling of a microwave Ar-O2 flowing afterglow for plasma sterilization [general invited lecture ], Book of 7th International Workshop on "Microwave Discharges: Fundamentals and Applications", (Ed. M Kando and M Nagatsu) Curreac, Hamamatsu, Japan , pg 13-20, 2009
V. Guerra, K. Kutasi, M. Lino da Silva, P. A. Sá and J. Loureiro: Kinetic simulation of discharges and afterglows in molecular gases, Journal of High Temperature Material Processes 14 135-150, 2010
