پلاسمای سرد

فناوری پلاسمای سرد یا کلد پلاسما بعنوان یکی از بروزترین تکنولوژی ها در عرصه گندزدایی و… توسط الکترون ها و بمبارن یونی و استفاده از اشعه ماورء بنفش باعث تخریب غشای سلولی و تخریب dna باکتریها و ویروس ها می گردد. بدلیل شباهت این روش در تولید با ازن به این فناوری در برخی موارد ازن ژنراتور کلد پلاسما گفته می شود.

به طور کلی پلاسما، به عنوان حالت چهارم ماده شناخته می شود. هنگامی که دما افزایش می یابد، انرژی مولکول ها زیاد می شود و حالت ماده را تغییر می دهد. انرژی زیاد مولکول ها منجر به جداسازی اتم های گازی و در نهایت آزادسازی ذرات باردار، الکترون ها و یون های باردار مثبت می شود.

ناحیه ای که شامل الکترون و یون های مثبت در حال تعادل است پلاسما گفته می شود. اما در واقع پلاسما شامل ذرات باردار (الکترون-یون ها)،اتم ها و مولکول های برانگیخته، رادیکال های آزاد، اتم های فعال و فوتون های UV است که وجود این عوامل در فضای پلاسما می تواند خواص متفاوتی را برای آن تعریف کند.

برحسب دمایی که پلاسما دارد می توان آن را به دو دسته پلاسمای سرد و گرم تقسیم بندی کرد. در اینجا به طور خلاصه هریک از ویژگی های آن ها بررسی می شود.

فناوری پلاسمای سرد چندین کاربرد بالقوه در صنایع غذایی و زیست پزشکی ارائه می دهد. کاربردهای اصلی پلاسما سرد برای صنایع غذایی می تواند به عنوان رفع آلودگی مواد غذایی، بهبود کیفیت مواد غذایی، تخریب سموم و بهبود سطح مواد بسته بندی، طبقه بندی شود.

ثابت شده است که پلاسما سرد برای غیرفعال کردن عوامل بیماری زا و ارگانیسم های فاسد کننده بدون تأثیر منفی بر کیفیت غذایی موثر است. همچنین پتانسیل تخریب قابل توجهی مایکوتوکسین ها و سموم دفع آفات موجود در محصولات کشاورزی را نشان داده است.

روش پلاسمای سرد از گازهای سرد برای ضد عفونی سطوح بسته بندی یا مواد غذایی استفاده می کند. این روش پتانسیل غیرفعال کردن میکروارگانیسم ها بر روی سطح محصولات و مواد بسته بندی در دمای کمتر از 40 درجه سانتیگراد را دارد. کلد پلاسما توجه بسیاری از صنایع غذایی را به خود جلب کرده است. جای تعجب نیست، زیرا بسیاری از گزینه های تمیز سازی، در برابر حرارت مقاوم نیستند، تمیز کردن با آب نیز مقرون بصرفه نمی باشد.

تعریف پلاسما

پلاسما به عنوان حالت چهارم ماده شناخته می شود. پلاسما را می توان به این صورت تعریف کرد که حالتی از گازیونیزه می باشد که دارای یون های باردار با بار منفی و مثبت و الکترون های آزاد و انواع اجزاء طبیعی (رادیکال و برانگیخته) است.

پلاسما براساس تفاوت در ویژگی ها به دو نوع تقسیم بندی می شوند: پلاسمای سرد و گرم حرارت دادن گاز اتم ها و ملکول ها را یونیزه می کند (تعداد الکترون در آنها کاهش یا افزایش می یابد)، بنابراین باعث تبدیل آن به پلاسما می شود که شامل اجزای باردار است.

یونیزاسیون می تواند توسط وسایل دیگر مانند میدان الکترومغناطیس قوی به همراه لیزر یا مولد مایکروویو تحریک می شود و همراه با تجزیه باندهای ملکولی می باشد. پلاسما توسط فراهم نمودن انرژی گازهای خنثی که باعث تشکیل حامل های باردار می شود، تولید می گردد.

پلاسما ماده ای است که به روش الکتریکی در حالت گازی فعال شده و به روش تخلیه الکتریکی تولید می شود. اولین بار در سال 1928 توسط آقای Irvin Langmuir کلمه پلاسما برای گازهای یونیزه شده به کار برده شد. تا قبل از سال 1990، پلاسمای پایدار تهییج شده فقط تحت خلاء و یا در محیط گازهایی همچون هلیوم، آرگون تولید می شد.

پیشرفت روش های تولید پلاسمای گازی در دمای محیط فرآیند جدید برای اطمینان از ایمنی میکروبی طیف وسیعی از محصولات را مهیا کرده است.

تولید پلاسما

پلاسما به روش انتقال انتخابی مولد الکترون های پلاسما در برابر ایجاد فرکانس بالا یا پالس تولید می شود. پلاسما توسط محدوده وسیعی از فشار و دما تولید می شود که این انرژی توسط مکانیکی، حرارتی، هسته ای، تابشی و مغناطیسی تامین می شود اما بهترین روش برای یونیزاسیون روش الکتریکی و مغناطیسی می باشد.

به عنوان مثال شعله به عنوان منبع انرژی حرارتی می باشد که از واکنش های گرمازای شیمیایی در ملکول ها به عنوان منبع  انرژی استفاده می شود. همچنین از Adiabatic compression کردن گازها که باعث بالا رفتن دمای گاز به نقطه پلاسما استفاده می کنند.

یکی دیگر از روش های تولید پلاسما توسط اشعه های انرژی دار که در حجم گاز در حال تعادل هستند می باشد. وقتی الکترون ها و پروتن ها با انرژی کافی با اتم ها و ملکول های گازی برخورد می کنند توسط یونیزاسیون یا از دست دادن الکترون از هر اتم گازی پلاسما تولید می شود.

مزایای پلاسما

پلاسما یک روش سریع می باشد و به خاطر عدم نفوذ آن می توان برای استرلیزاسیون سطوح به کار برد. هزینه آن کم می باشد. توانایی غیرفعال سازی میکروارگانیسم ها را دارد. از نظر ایمنی دوست دار محیط زیست می باشد. فرآیند را در دما و فشار محیط انجام می دهد که اثرات مخرب حراراتی را کاهش می دهد.

تقسیم بندی پلاسما

به طور کلی پلاسما را به دو دسته کلی پلاسمای سرد، پلاسمای حرارتی و گرم تقسیم می کنند. پلاسمای گرم یا دمای بالا شامل یون ها، الکترون ها و اجزای خنثی است که در فاز تعادل حرارتی (Thermal equilibrium) هستند. پلاسمای دمای پایین به دو دسته (LTE) Local thermodynamic equilibrium و (NTP) equilibrium non local thermodynamic تقسیم می شوند.

پلاسمای گرم توسط شعله و جرقه و میکروویو تولید می شود اما در پلاسمای سرد از حرکت حرارتی یون ها و نیروی فشار و نیروی مغناطیسی صرف نظر کرده و دما در حد دمای اتاق باقی می ماند. در تولید پلاسمای سرد بیشتر انرژی الکتریکی صرف اجزای الکترون شده و دما در حد دمای اتاق باقی می ماند و این باعث می شود این فرآیند برای مواد حساس به حرارت مناسب گردد.

پلاسمای سرد

در تخلیه های گازی با فشار پایین، آهنگ برخورد بین الکترون ها و مولکول های گاز به اندازه ی کافی نیست، بنابراین یک تعادل غیردمایی بین الکترون ها و مولکول های گاز وجود دارد. چنان که ذرات پر انرژی را بیشتر، الکترون ها تشکیل می دهند و در نتیجه دمای الکترون ها به شدت بالاتر از ذرات سنگین پلاسما خواهد بود.

در این نوع پلاسما، دمای الکترون برای مثال می تواند تا 2000 کلوبن برسد اما دمای گاز نزدیک به دمای اتاق باقی می ماند. این نوع تکنولوژی تولید پلاسما را پلاسمای سرد می نامند که گستره دمایی آن بین 300 تا 400 کلوین است.

پلاسمای گرم

در تخلیه های گازی با فشار بالا، برخورد بین الکترون ها و مولکول های گاز بیشتر است. این پلاسمای گرم معمولا توسط تخلیه قوسی یا فرکانس رادیویی که فشار بالا است و برخورد بین الکترودها و مولکول های گاز بیشتر است، اتفاق می افتد.

دراین حالت شرط تعادل ترمودینامیکی بر آن حاکم است. این نوع پلاسما را، پلاسمای گرم می نامند که گستره دمایی آن از 2000 تا 3000 کلوین تغییر می کند.

کاربردهای کلد پلاسما

پلاسما در موارد متعددی کاربرد دارد از جمله کاربردهای آن می توان به پاکسازی هوا در محیط های بسته، جداسازی گازهای ازت از دود اگزوزهای ماشین ها، بهبود کیفیت سوخت و کمک سوخت پلاسمایی، تجزیه ترکیبات آلی فرار (voc) و برای استرلیزاسیون مواد حساس به حرارت اشاره کرد.

همچنین پلاسما در صنعت پزشکی و دندانپزشکی، تصفیه آب، صنعت غذا، غیرفعال سازی میکروارگانیسم ها، صنعت پارچه، صنعت بسته بندی، برای پاکسازی سطوح و… اشاره کرد. در این جا چند کاربرد آن به طور مختصری توضیح داده می شود.

کاربرد پلاسمای سرد در صنایع غذایی

هدف از این مطلب بررسی اصول پلاسمای سرد شامل تعریف، تولید، دسته بندی و کاربرد آن در صنایع غذایی می باشد. نوآوری هایی در صنعت غذا شکل گرفت که فرآیند را در دماهای پایین برای حفظ کیفیت غذا و مواد مغذی آن انجام می دهد که پلاسما از دسته این فن آوری ها می باشد.

پلاسما حالت چهارم ماده و گاز یونیزه شده است که شامل الکترون ها، بارهای مثبت و یون های منفی، رادیکال های آزاد و اتم های گازی است که توسط محدوده وسیعی از دما و فشار تولید می شود. مزیت این روش سریع و ارزان بودن، انجام فرآیند در فشار اتمسفری و دمای محیط، نفوذپذیری کم می باشد.

کاربردهای کلد پلاسما رو به افزایش می باشد که شامل کاربرد آن در صنعت غذا، پارچه، کاربردهای پزشکی، صنایع بسته بندی، استرلیزاسیون و کاربرهای میکروبی و محیط زیست می باشد. این تکنیک در صنایع غذایی به طور موفقیت آمیزی به کار رفته است.

آلودگی های میکروبی غذاها یک موضوع مهم و اساسی برای صنایع غذایی می باشد. روش های مرسوم غیرفعال نمودن یا از بین بردن پاتوژن ها در غذاها حرارت دادن می باشد. حرارت دادن غذاها، اثرات جنبی ناخواسته در طعم و خواص اصلی آنها می گذارد.

افزایش تقاضا برای غذاهای تازه و کمتر فرآوری شده باعث گردیده تحقیقات زیادی در جهت گسترش روش های نوین غیرحرارتی از قبیل فشار هیدرواستاتیک بالا، میدان الکتریکی ضربه ای PEF، میدان مغناطیسی ارتعاشی، ماوراء صوت با توان بالا و… انجام پذیرد.

کاربرد پلاسمای فشار اتمسفری غیر حرارتی در زمینه های مختلف بیوپزشکی مثل ضدعفونی، انعقاد خون و ترمیم بافتها بسیار مورد توجه است. روشهای قدیمی برای مواد حساس به گرما مناسب نیستند و از طرف دیگر پس ماندهای گازی به جای می گذارند. اخیراً پلاسما به عنوان یک روش غیرفعال سازی غیرحرارتی در مقالات تحقیقاتی در فرآیندهای صنایع غذایی معرفی شده است.

هنگامی که میکروارگانیسم‌ها در سطح یک محصول غذایی قرار دارند، می‌توان از پلاسمای سرد برای غیرفعال کردن سلولهای رویشی و اسپورها استفاده کرد. از آنجا که این عمل در دمای پایین انجام می شود، تأثیرات روی کیفیت مواد غذایی و ظاهر محصول حداقل است.

استرلیزاسیون توسط دستگاه کلد پلاسما

اخیراً کاربرد استرلیزاسیون سطوح و وسایل پزشکی به کمک پلاسما سرد آرگونی مورد توجه قرار گرفته است. از Cylindrical Reactor همراه با لوله پیرکس به عنوان دی الکتریک استفاده می شود. پلاسما گاهی سبب آب دوستی سطوح می شود که به خاطر افزایش طرفیت جذب آب باعث رشد باکتری می شود.

مقداری H2O2 درحد هزاران ppb تولید می شود که باعث استرلیزاسیون می شود همچنین مقدار قابل توجهی H2و O2 هم تولید می شود. طبق آزمایشات انجام شده EColi طی مدت 20 دقیقه غیر فعال می شود که به خاطر تخریب غشا و دیواره باکتری ها می شود.

شکل 2: استرلیزاسیون توسط پلاسما

غیرفعال سازی میکروبی توسط دستگاه پلاسمای سرد

پلاسمای سرد توسط الکترون ها و بمباران یونی و مقداری هم اثر حراراتی و تولید رادیکال های آزاد و در معرض اشعه ماوراء بنفش قرار گرفتن باعث تخریب غشای سلولی باکتریایی شده و پروتئین ها را دناتوره کرده و همچنین سبب تخریب DNA می شود.

نشت ذرات فعال همچون رادیکال های آزاد و ملکول های مهیج از طریق غشای سلولی باکتری ها باعث ایجاد آسیب جدی به ملکول های بزرگ چون پروتئین‌ها، لیپیدها، اسیدهای نوکلئیک می شود. در حقیقت به تازگی معلوم شده که روش کلد پلاسما سیستم ترمیم DNA و عکس العمل استرس اکسیداسیونی را در اشرشیاکولی تحریک می نماید.

رادیکال های آزاد موجود در پلاسمای سرد همچنین قادر است جذب سطحی میکروارگانیسم ها را برای تشکیل مواد فراری چون CO2 که نهایتاً از سلول حذف می گردد را ایجاد می کند. ذراتی مانند الکترون ها و یون ها پیوسته با ذرات فعال واکنش می دهند تا تشکیل میکروارگانیسم غیرفعال دهند.

نشان داده شده است که شکست پیوندهای شیمیایی، سایشی، تخریب منطقه ای در غشاء با نفوذ ذرات فعال سمی به داخل سلول امکان پذیر است. هم مکانیزم شیمیایی و هم فیزیکی در تخریب غشای سلولی موثرند. به علاوه یونهای پلاسما مانند کاتالیستی برای اکسیداسیون و پرواکسیدان درون سلولی و در محیط خارج سلولی عمل می کنند.

شکل 3: غیرفعال سازی باسیلوس آمیلولیکوفشنز

شکل4: غیرفعال سازی قارچ کاندیدا

ضد عفونی مواد بسته بندی با پلاسمای سرد

فناوری پلاسمای سرد می تواند برای غیرفعال کردن میکروارگانیسم های رویشی و اسپور روی مواد بسته بندی استفاده شود. به خصوص برای محصولات حساس به دما، این می تواند یک مزیت آشکار در مقایسه با عملیات حرارتی داشته باشد. علاوه بر این، پلاسما همچنین می تواند مقدار آب مورد استفاده برای ضد عفونی کننده مواد بسته بندی را کاهش دهد.

از آنجا که پلاسمای سرد گاز است، بسته های با اشکال نامنظم مانند بطری ها می توانند بطور مؤثر مورد عمل قرار واقع شوند، برخلاف فن آوری هایی مانند UV یا نور پالس که سایه در آن رخ می دهد.

کاربرد کلد پلاسما در پزشکی و دندانپزشکی

پلاسما سرد یک گاز یونیزه شده است که اخیراً توسط محققان به عنوان یک روش درمانی در دندانپزشکی و آنکولوژی مورد مطالعه قرار گرفته است. چندین گاز مختلف برای تولید پلاسمای سرد مانند هلیوم، آرگون، نیتروژن، هلیوکس و هوا می تواند مورد استفاده قرار گیرد. روشهای تولید بسیاری وجود دارد که با استفاده از آنها، پلاسما اتمسفر سرد ایجاد می شود. هر روش منحصر به فرد را می توان در روشهای مختلف زیست پزشکی استفاده کرد.

در دندانپزشکی، محققان بیشتر از اثرات ضد میکروبی ایجاد شده توسط پلاسما، به عنوان ابزاری برای از بین بردن بیوفیلم های دندانی و ریشه کن کردن پاتوژن های دهان بررسی کرده اند. پلاسما سرد نقش جزئی، اما مهمی در سفید کردن دندان و ترمیم کامپوزیت ها داشته است.

ازن ژنراتور پلاسما امروزه در مطب اغلب دکترها بعنوان یکی از اولین تجهیزات پزشکی وجود داشته باشد.

کاربرد پلاسمای سرد در تصفیه هوا و گاز صنعتی

پلاسمای سرد یک فناوری نوآورانه است که برای تصفیه هوا و گاز صنعتی استفاده می شود. این فناوری مولکولهای بو را از بین می برد و یک روش جایگزین موثر و مناسب را برای احتراق حرارتی، اسکرابر شیمیایی یا فیلتر زیستی نشان می دهد. این سیستم می تواند در صنایع مختلف به عنوان مثال در صنعت دخانیات، لاستیک، ماهی، کشاورزی، مواد غذایی و نگه داری حیوانات اهلی مورد استفاده قرار گیرد.

کاربرد کلد پلاسما در بسته بندی

یکی از دسته های بزرگ مواد که در بسیاری از زمینه ها کاربرد زیادی پیدا کرده است پلاستیک – پلیمرها هستند. اکثر پلیمرهای مرسوم، در برخی کاربردهای مهم به علت ویژگی های ضعیف سطحی مانند پایین بودن انرژی آزاد سطح، رطوبت پذیری اندک، محدود شده اند و بسیاری از فرآیندهای صنعتی مانند تمیز کردن، اتصال، چاپ، نیاز به موادی با چسبندگی مناسب دارند، بنابراین باید ویژگی های سطحی این مواد بهبود یابند.

نزدیک بودن دمای این نوع پلاسما به دمای اتاق، اثرات منفی حرارتی برسطوح به ویژه سطوحی که به گرما حساس هستند را می کاهد. یکی از ویژگی های قابل اصلاح با پردازش پلاسما، بهبود آب دوستی، رطوبت پذیری، افزایش انرژی سطح و نهایتاً بهبود چسبندگی سطح می باشد.

اگر چه مطالعات نشان می دهد که روش کلد پلاسما برای کشتن میکروارگانیسم ها اثربخش می باشد با این حال تعداد کمی راجع به اثر پلاسما بر روی غذاها می دانند و مشخص نشده که پلاسما بر روی مواد موجود در غذاها مانند آب، لیپیدها، پروتئین ها، کربوهیدرات ها و ترکیبات فنلی اثر می گذارد.

به علاوه این نکته برای یادآوری مهم است که چون پلاسما در غذا نفوذ نمی کند، لذا تغییر در اجزاء غذا فقط در سطح غذا صورت گیرد. مطالعات دیگری درباره با تغییرات شیمیایی در روش پلاسما لازم است انجام شود تا به درستی اثر پلاسما روی کیفیت و طول عمر غذا و اینکه هیچ محصول جانبی زیان آوری در طی فرآیند تولید نمی شود، مورد ارزیابی قرار گیرد.

تولید پلاسمای سرد با تخلیه الکتریکی

تخلیه الکتریکی در حقیقت روشی است که با آن می توان پلاسما تولید نمود. اصطلاح تخلیه الکتریکی گاز ، از فرایند تخلیه یک خازن در مداری شامل دو الکترود با فاصله مشخص نشات گرفته است. اگر ولتاژ به حد کافی بالا باشد، شکست الکتریکی رخ داده، گاز یونیزه می شود و پلاسما تولید می گردد.

امروزه، تخلیه الکتریکی به شارش جریان الکتریکی از گاز یونیزه یا هر فرایند یونیزاسیون توسط اعمال میدان الکتریکی، اطلاق می شود. یکی از ابتدایی ترین روش ها برای ایجاد تخلیه الکتریکی در گازها ، استفاده از یک تیوب خلا می باشد.

فرانسیس هوکسبی اولین کسی بود که در حدود دهه 1750، با باردار کردن الکتروستاتیکی یک حباب شیشه ای که هوای درون آن به وسیله پمپ های خلا آن روزگار مکیده شده بود ، تخلیه الکتریکی را به طور مصنوعی ایجاد کرد.

شکل 1: تشکیل تخلیه الکتریکی

تخلیه الکتریکی در گاز کم فشار در داخل تیوب تخلیه با دو الکترود تخت موازی،درشکل 1 نشان داده شده است. برای ایجاد تخلیه الکتریکی در فشار پایین از ولتاژ DC استفاده می شود.

تخلیه الکتریکی می توتند در فشارها و فرکانس های مختلف ایجاد گردد. بنابراین محدودیتی برای ایجاد تخلیه الکتریکی وجود ندارد. براساس نوع کاربردی که برای آن پلاسما در فشار جو تشکیل می شود، از فرکانس های پایین (در حدود چند کیلوهرتز) استفاده می شود.

همچنین اگر محدودیتی در دمای پلاسما وجود نداشته باشد و چگالی پلاسما مهم باشد، می توان از تخلیه الکتریکی در فشار و فرکانس بالا استفاده نمود.

نظریه نمودار ولتاژ-جریان

یکی از روش هایی که در تقسیم بندی تخلیه های الکتریکی به کار می رود، بررسی منحنی تغییرات ولتاژ الکتریکی نسبت به شدت جریان الکتریکی است. این منحنی برای تخلیه الکتریکی ایجاد شده در فشار پایین و ولتاژ DC بدست آمده است.

شکل 2 : انواع رژیم های پلاسما بر حسب تغییرات جریان و ولتاژ

برای یک تخلیه الکتریکی با دو الکترود تخت موازی، همانند شکل (1)،منحنی تغییرات ولتاژ-جریان در شکل (2) نشان داده شده است و انواع مختلف تخلیه ها روی آن منحنی نیز مشخص شده اند. ناحیه تخلیه را می توان به سه منطقه کلی تقسیم کرد:

1) تخلیه ی تاریک: برای اختلاف پتانسیل های بسیارناچیز، گاز همانند یک عایق نسبتا خوب رفتار می کند. لذا زمانی که اختلاف پتانسیل های عادی و کم اعمال شود، در لوله هیج اتفاق قابل توجهی روی نمی دهد و جریانی بین الکترود ها رد نمی شود. این ناحیه را” ناحیه اشباع ” می گویند. اگر ولتاژ بالاتری اعمال شود، شدت جریان به طور ناگهانی افزایش می یابد در حالی که اختلاف پتانسیل بین دو الکترود لوله ی تخلیه، تقریبا ثابت می ماند.

این ولتاژ خاص معروف به ولتا شكست (Vb) است.در این گونه تخلیه ها الکترون های تولید شده برای ایجاد یونش به اندازه ی کافی انرژی دارند و چون براثر یونش الکترون های ثانویه داءما درحال تولیدند، جریان تخلیه به تدریج افزایش می یابد. شدت جریان در این محدوده چیزی در حدود 10–6-10-8 آمپر است و ولتاژ تقریبا ثابت می ماند و هیج گونه نوری از لوله ی تخلیه در این شرایط گسیل نمی شوند. به همین دلیل گاهی اوقات این گونه تخلیه ها را “تخلیه ی تاریک” یا “تخلیه تاونزند” می نامند.

2) تخلیه ی نورانی: اگر شدت جریان تخلیه را افزایش دهیم، اختلاف پتانسیل مورد نیاز برای نگهداری تخلیه شروع به کاهش می کند. با این افت ولتاژ،شدت جریان تخلیه شروع به افزایش می کند تا اینکه ولتاژ به مقدارثابتی می رسد. این نوع تخلیه را زیرهنجار می گویند. جریان تخلیه در این شرایط،چیزی درحدود چند دهم یا صدم میکروآمپر است.سپس با افزایش مجدد جریان، برای مدت زمان نسبتا کوتاهی ولتاژ ثابت باقی می ماند.

در این حالت می توان گسیل نورهای مرئی را در لوله ی تخلیه مشاهده کرد،این ناحیه را تخلیه ی نورانی نرمال می گویند.در ادامه ی فرایند،با افزایش شدت جریان تخلیه،اختلاف پتانسیل ضروری برای نگهداری نیز افزایش می یابد،این ناحیه به تخلیه ی نورانی غیرنرمال معروف است.شدت جریان در این نوع تخلیه ها چیزی درحدود چند میلی آمپر است.

3) تخلیه ی قوسی: با زیادشدن مجدد جریان، به طور ناگهانی ولتاژ شروع به کاهش می کند،در این حالت شدت جریان لوله ی تخلیه بیش از یک آمپر می شود. این نوع تخلیه هارا “تخلیه قوسی غیر حرارتی” می نامند،چرا که در این حالت دمای الکترون و یون یکسان نیست.

همچنین قابل ذکر است که در این ناحیه پتانسیل با معکوس شدت جریان رابطه ای مستقیم دارد. در ناحیه بعدی که به “تخلیه قوسی حرارتی” معروف است، دمای الکترون و یون تقریبا یکسان است و با افزایش ولتاز، جریان نیز زیاد می شود، همچنین پلاسما نزدیک به تعادل ترمودینامیکی است.

گستره ی شدت جریان و ولتاژ برای هریک از تخلیه های فوق الذکر بستگی به پارامترهای مختلف تخلیه و لوله هایی که به کار گرفته شده است دارد. برای مثال لوله های تخلیه الکتریکی بلندتر نیاز به ولتاژ شکست و اختلاف پتانسیل بیشتری نسبت به لوله های کوتاه تر دارند.

مکانیسم تاونزند و منحنی پاشن

این تئوری برای اولین بار توسط دانشمندی به نام تاونزند مطرح شد . طبق این نظریه تکثیر ذرات باردار توسط سه فرآیند زیر انجام می شود:

• الکترون ها از آند به سمت کاتد حرکت می کنند و در راه با اتم ها برخورد می کنند و الکترون ها و یون ها را به وجود می آورند.

• یون ها به سمت کاتد حرکت می کنند ، با ذرات گاز برخورد می کنند و یون ها و الکترون ها را تولید می کنند.

• یون های مثبت به سطح کاتد برخورد می کنند و الکترون های ثانویه را منتشر می کنند.

تئوری تاونزند بر اساس سه اصل بالا ، سه ضریب α ،β ، γرا معرفی می کندکه به ترتیب به ضریب یونیزاسیون ، تعداد برخوردهایی است که در هر 1 سانتی متر فاصله بین دو الکترود ، منجر به تشکیل الکترون ها و یون ها می شود. در واقع ضریب یونیزاسیون ثانویه در شرایط نرمال تقریبا برابر صفر می باشد، چرا که یون ها برای ایجاد یونیزاسیون نیاز به انرژی بسیاری دارند. در عمل اعمال میدان الکتریکی بزرگی که چنین انرژی را به یون ها منتقل کند بسیار سخت می باشد.

ضریب یونیزاسیون γ نشان دهنده میانگین تعداد الکترون هایی است که توسط برخورد یون ها با سطح کاتد به وجود می آیند. علاوه بر یون ها اتم ها یا فوتون ها نیز ممکن است با برخورد به کاتد، الکترون ایجاد کنند.

ضریب های α ،β به ماهیت گاز تخلیه ، فشار گاز و شدت میدان الکتریکی مرتبط می باشد و ضریب γ به ویژگی های گاز، جنس الکترود ها و انرژی یون ها بستگی دارد. در فرآیند اولیه تخلیه الکتریکی ، الکترون های آزاد که به طور طبیعی در بین گازها وجود دارند ، توسط میدان الکتریکی شتاب گرفته و به ذرات گاز برخورد می کنند و باعث به وجود آمدن یک یون و الکترون می شوند. سپس دو الکترون به ذرات دیگر برخورد می کنند و هرکدام یک الکترون دیگر را به وجود می آورند این فرآیند مرتبا تکرار می شود ، تا یک بهمن الکترونی از کاتد به سمت آند تشکیل شود .

شکل (3) یک بهمن الکترونی را نشان می دهد . در عین حال که بهمن الکترونی در حال تشکیل می باشد، یون ها به سمت کاتد حرکت می کنند و بابرخورد به سطح آن باعث گسيل ثانويه الكترونها می شوند این الکترون خود باعث به وجود آمدن بهمن های الکترونی دیگر می شوند . با در نظر گرفتن ضریب های α ،β کل الکترون های به وجود آمده در واحد زمان که به سمت آند شتاب می گیرند برابر است با :
با توجه به رابطه بالا میزان جریان به وجود آمده توسط الکترون ها عبارتند از :

شکل 3 : بهمن الکترونی

مفهوم دیگری که باید توضیح داده شود ، ولتاژ شکست در تخلیه الکتریکی می باشد. منظور از ولتاژ شکست، ولتاژی است که در آن پلاسما از یک حالت غیر پایدار به یک حالت پایدار می رسد. در حالت غیر پایدار ولتاژ اعمالی به گاز به حدی پایین است که برای ایجاد پلاسما کافی نیست و باید یک منبع یونیزاسیون دیگر مانند لامپ UV نیز به گاز اعمال شود.

اما هنگامی که ولتاژ به اندازه کافی بزرگ باشد که حتی پس از قطع منبع یونیزاسیون دوم نیز تخلیه الکتریکی ادامه داشته باشد، به این حالت پلاسمای پایدار گفته می شود.

جریانی که در رابطه (4) آمده است برای پلاسمای ناپایدار است. اگر به اندازه ای بزرگ شود که مخرج کسر به سمت صفر میل کند، جریان به سمت پایداری خواهد رفت.

منحنی پاشن یک رابطه تجربی میان ولتاژ شکست دو الکترود موازی باهم و حاصل ضرب فشار گاز در فاصله دو الکترود است از این منحنی در فشارهای پایین استفاده می شود. این منحنی براساس تخلیه ی ولتاژ DC می باشد. شکل (4) این منحنی را نشان می دهد.

شکل 4 : منحنی پاشن

ساز و کار استریمر

همان گونه که گفته شد تخلیه تاونزند برای تخلیه در فشار پایین است. بسیاری از تخلیه های الکتریکی که برای تولید پلاسمای سرد هستند مانند تخلیه کرونا و تخلیه DBD در فشار جو انجام می شوند. بنابراین نیاز به توضیح سازو کار دیگر می باشد. این سازو کار که اصطلاحا اسپارک یا استریمر نامیده می شود در فاصله های الکترودی بیشتر و در حضور فشارهای بالاتر اتفاق می افتد.

در واقع این سازو کار شکست الکتریکی را به صورت رشته هایی متمرکز و باریک میسر می سازد. استریمرها اصولا وابسته به بهمن الکترونی هستند اما در الکترودهایی با فاصله زیاد ، این بهمن ها می توانند مستقل باشند و همراه با فرآیند مربوط به اسپارک منجر به پدیده شکست شوند.

به عبارتی می توان گفت این نوع شکست الکتریکی (اسپارک) در فشار بالا و فاصله الکترودی زیاد ، بسیار سریعتر از زمان لازم برای عبور الکترونها از گپ و ایجاد گسیل ثانویه الکترون اتفاق می افتاد. در واقع ساز و کار شکست اسپارک طبق مفهوم استریمر قابل توضیح است. شکل (5) این پدیده را نشان می دهد.

شکل 5 :تخلیه استریمر

در این سازوکار ابتدا یک بهمن الکتریکی ایجاد می شود. وجود بارهای مثبت و منفی درون این بهمن سبب شکل گیری یک دوقطبی می گردند. دو قطبی ایجاد شده ، سبب تولید میدان الکتریکی قابل توجه شده که به میدان الکتریکی اولیه اضافه شود. اضافه شدن میدان ها به یکدیگر باعث افزایش سرعت یونیزاسیون می گردد و پدیده شکست الکتریکی را تسهیل می کند در نتیجه یک بهمن بسیار قوی درفاصله دو الکترود ایجاد می گردد.

الکترون ها به سرعت به سمت آند حرکت می کنند وبا برخورد به آند تقریبا از بین می روند در حالی که بارهای مثبت همچنان در گپ (فاصله دو الکترود) باقی می مانند. سپس یک رشته بسیار نازک شامل بارهای مثبت به سرعت در بین دو الکترود منتشر می شود.

این رشته همچنین منجر به تولید فوتون هایی می شود که باعث تولید الکترون و بهمن های ثانویه ای در مجاورت رشته نازک می گردد. الکترون های تولید شده در بهمن ثانویه توسط یک میدان الکتریکی قوی به داخل دنباله باردار مثبت اولیه کشیده شده و استریمرهایی را که با سرعت در بین الکترودها منتقل می شود را پدید می آورد. در واقع می توان گفت شکل گیری بهمن های ثانویه در مجاورت استریمر اولیه در بین دو الکترود باعث بزرگترشدن یا به عبارتی انتقال استریمر وایجاد اسپارک یا شکست الکتریکی می گردد.

تولید پلاسمای سرد به روش تخلیه دی الکتریک

در قسمت قبل اصول فیزیکی تخلیه الکتریکی در ولتاژ DC و فشار پایین توضیح داده شد. این اصول می توانند با کمی تغییرات در انواع مختلفی از تخلیه الکتریکی نیز به کار برده شوند. در این قسمت روش تولید پلاسمای سرد در فشار اتمسفر توضیح داده می شود. رایج ترین روش برای تولید Cold Plasma در فشار اتمسفر، روش DBD است. در این نوع روش از دو الکترود که حداقل یکی از الکترودها با دی الکتریک پوشانده شده است، استفاده می شود. فاصله دو الکترود معمولا در حدود چند میلیمتر می باشد.

میزان ولتاژ و فرکانس با توجه به گاز مورد استفاده می تواند متفاوت باشد. معمولا فرکانس مورد استفاده در محدوده KHz 20-1 می باشد. البته فرکانس می تواند Hz 50 باشد و تا حدود KHz 100 هم افزایش یابد. دی الکتریک می تواند از جنس شیشه، کواترز، سرامیک، تفلون و یا پلیمر باشد. تخلیه سد دی الکتریک معمولا در دو حالت تخلیه ای کار میکند.

در بیشتر موارد، حالت تخلیه ای برای DBD، تخلیه در حالت رشته ای می باشد. به این حالت تخلیه ای میکرو تخلیه نیز گفته می شود. در حقیقت میکرو تخلیه به فرآیند شروع بهمن الکترونی، تبدیل آن به انتشار استریمر و ایجاد کانال تخلیه گفته می شود. در حالت تخلیه ای رشته ای شعاع رشته ها در حدود 1/0 میلی متر و مدت زمانی ظهور و خاتمه آن در حدود چند نانوثانیه است.

همچنین در شرایط عملکردی خاص (میزان میدان الکتریکی، فشار گاز، هندسه و ابعاد الکترودها و از همه مهم تر نوع گاز مورد استفاده)، تخلیه در حالت درخشان (یاهمگن) قرار می گیرد. برای ایجاد حالت تخلیه ای همگن شرایط عملکردی خاصی نیاز است که بیشتر مربوط به خصوصیات گاز مورد استفاده می باشد. در این حالت تخلیه ای نسب به حالت تخلیه ای رشته ای به میدان الکتریکی ضعیف تری نیاز است. همچنین این حالت به شدت به یون ها و ناخالصی ها حساس می باشد.

چگالی ذرات باردارباقی مانده از نیم چرخه قبلی دوره تناوب نقش مهمی را برای شروع حالت تخلیه ای همگن دارد. بنابراین میزان تکرار فرکانس میدان الکتریکی اعمال شده به الکترودها عامل مهمی در ایجاد و پایداری این حالت تخلیه ای می باشد. گازهای هلیوم و نئون بهترین نوع گازها برای ایجاد حالت تخلیه ای همگن (درخشان) هستند. برای یکنواخت و همگن کردن سطوح که در بعضی از صنایع مانند لایه نشانی لازم می باشد از تخلیه DBD در حالت تخلیه ای همگن استفاده می شود.

در شکل (6) شماتیک انواع ساختار DBD نشان داده شده است. از نظر ساختاری، DBD به سه دسته تخلیه حجمی (a)، تخلیه سطحی (b)، تخلیه همپوشانی (c) تقسیم بندی می شود.

شکل 6 : انواع تخلیه سد دی الکتریک

جت پلاسما

برای ایجاد جت پلاسمای سرد می توان از ساختار سد دی الکتریک (DBD) نیز استفاده نمود. شکل(7) انواع ساختار جت پلاسما را نشان می دهد. همانطور که نشان داده شده است، دی الکتریک می تواند به صورت یک تیوب باشد که الکترودها به صورت رینگ به دور آن متصل شده اند. همچنین یکی از الکترودها می تواند به صورت سیمی در داخل تیوب باشد و الکترود دیگر به صورت رینگ به دور تیوب وصل شده باشد.

در این ساختار، الکترود رینگی به زمین متصل می شود. گاهی می توان از همان الکترودهای صفحه ای نیز برای ایجاد جت پلاسما استفاده نمود که در قسمت (C) نشان داده شده است. یک مخزن گاز به ابتدای تیوب متصل می شود و با دبی مشخص از آن عبور می کند تا پلاسما تولید شود.

شکل7 : انواع جت DBD

ازن ژنراتور پلاسما

ازن (O3) به دلیل توانایی در اکسید کردن، توانسته است در باکتری زدایی و از بین بردن ویروس ها کاربرد زیادی پیدا کند. مهم ترین کاربرد آن، در پاکسازی آب است و به دلیل قدرت بیشتر اکسیداسیون این گاز نسبت به کلر و نگهداری و بهره برداری ساده تر، مورد استقبال گسترده ای قرار گرفته است. این ماده می تواند مواد آلی و غیرآلی ترکیبات آبی را اکسید کند و در نتیجه در آب های آشامیدنی و استخرها کاربرد زیادی داشته باشد.

گام مهمی نیز در زمینه مشخصه یابی پلاسما توسط باس انجام گرفت. او دریافت که تخلیه الکتریکی هوا در فشار اتمسفری بین دو الکترود مسطح که روی آن ها را دی الکتریک پوشانده است، همیشه با حضور تعداد زیادی جریان های رشته ای کوچک و گذرا رخ می دهد که بعدها برای هدف های مختلف به کار برده شد.

محیط پلاسما به دلیل وجود برخوردهای الکترونی- یونی و نیز ترکیبات فعال، محیطی مناسب برای تبدیل مولکول های اکسیژن به ازن می باشد. در واقع برای تولید ازن در روش تخلیه الکتریکی، اکسیژن از فضای مابین دو الکترود که توسط مواد دی الکتریک پوشانده شده است، عبور داده می شود. در اثر اعمال ولتاژ بالا به الکترودها، تخلیه الکتریکی بین دو الکترود رخ می دهد که باعث تبدیل اکسیژن به ازن در فضای تخلیه می شود.

شکل 8 : مکانیسم تولید ازن به روش تخلیه سد دی الکتریک

دستگاه ازن ژنراتور پلاسما می تواند از هوای محیط یا اکسیژن خالص استفاده نماید. برای آماده سازی این هوا از خشک کن های هوا و فیلترهای گرد و غبار استفاده می شود. عوامل مهم تاثیرگذار در تولید پلاسمای سرد در این روش عبارتند از: غلظت اکسیژن ورودی، رطوبت و خلوص هوای ورودی، دمای آب خنک کننده و پارامترهای الکتریکی منبع تغذیه.

تولید ازن با گرما همراه است. بنابراین خنک کردن الکترودها امری ضروری است. تشکیل ازن یک واکنش برگشت پذیر است که با افزایش دمای محیط احتمال تبدیل مولکول های ازن به اکسیژن افزایش می یابد. شکل (9) رابطه بین بازده تولید ازن را با دمای آب خنک کننده نشان می دهد. این نمودار مشخص می کند که افزایش دمای آب خنک کننده الکترودها با کاهش تولید ازن همراه است.

برای جلوگیری از تجزیه ازن، درجه حرارت در گپ (فاصله بین دو الکترود) نباید بیشتر از 25 درجه سانتی گراد باشد.
قبل از ورود هوا بین الکترودها، خشک کن های هوا باید هوا را خشک کنند. هوای محیط حاوی رطوبت است، که با ازن واکنش نشان می دهد و منجر به تولید ترکیبات ناخواسته می گردد و حجم ازن تولیدی را کاهش می دهد.

این رابطه در شکل (10) مشخص شده است جایی که غلظت اکسیژن در برابر غلظت ازن مشخص شده است. خطوط متنوع ژنراتور ازن را با مصرف انرژی متفاوت نشان می دهد. به طور خلاصه، می توان ادعا کرد که تولید ازن در هنگام استفاده از اکسیژن خالص، با توان الکتریکی ثابت، با ضریب 7/1 تا 5/2 افزایش می یابد.

شکل 9: تاثیر خنک کننده آب بر بازده تولید ازن

شکل 10: تاثیر غلظت اکسیژن بر تولید ازن در توان های الکتریکی مختلف

شکل 11 : شکل شماتیک یک سیستم تولید کننده ازن

پارامترهای متعددی بر روی راندمان پلاسما اثر می گذارد. از جمله پارامترهای موثر می توان به موارد زیر اشاره کرد: رشد فازی، شرایط رشد و ذخیره سازی، بارمیکروبی، سطوح، لیپید، PH و اسیدیته، Salmonella Serovar.