本期速读一篇大气压毛细管中稀有气体微等离子体实验研究佳作。
微等离子体尺寸小、温度低，活性物质丰富，是等离子体医学应用中常见的存在形式，常被应用于根管治疗，单细胞精准处理和材料表面功能化等。 毛细管放电是一种产生微等离子体的方式，减小管径可以提高等离子体处理精准度，但是，当管径大小与等离子体平均自由程处于同等数量级时，放电特性可能会发生一些显著变化。 目前，国内外对微等离子体基础特性的研究仍然较少。去年工坊从计算角度推送过一篇《论文速读（二）：脉冲放电下N2的解离与能量消耗》，讨论了低气压毛细管中氮气微等离子体反应动力学和二维放电的理论计算。本期速读一篇大气压毛细管中稀有气体微等离子体实验研究佳作： [1] WU, Shuqun, WU, Fei, LIU, Chang, et al. The effects of the tube diameter on the discharge ignition and the plasma properties of atmospheric‐pressure microplasma confined inside capillary. Plasma Processes and Polymers, 2019, p. e1800176. 该文在大气压下观测到了很多有趣的物理现象，为进一步的理论、计算分析提供了极好的观测结果。 实验设置 如下图，大气压下，在内径350μm（或3mm）的石英玻璃管内插入针电极并与周围的环形电极形成DBD构型作为等离子体源，将内径4、9、20μm或（50、100μm）的毛细管插入石英玻璃管，使等离子体流入并充满毛细管，等离子体产装置总长8-5cm。 在石英管中通入Ar气，以稳定的气压差向管内供气；采用正弦交流电源驱动（峰值30kV,2kHz），通过电流环、电压探针、光电倍增管和ICCD+光谱仪组合对等离子体特性进行诊断。
点亮电压vs管径 首先测量了“点亮”电压。这里的点亮是指，在毛细管中产生可以观测到等离子体光辐射。由于等离子体主要是在石英玻璃管中通过DBD产生的，毛细管中的等离子体可能是经由气流带出或石英玻璃管中的电离波传播引起的。实验发现，随着毛细管直径的增加，点亮电压线性减小，如下图所示。
文章作者认为，点亮电压随管径增加而减小的主要原因，是小管径下，电子和潘宁电离组分更容易因为扩散损失在璧面，增加了电离难度。对该现象的解释，还有赖于数值模拟的定量验证。 点亮长度vs管径 固定点亮电压30kV，测量了等离子体在毛细管中的传播距离如下图所示，发现随着毛细管径的增加，等离子体光辐射在毛细管中的传播距离先增加、后减小。
此外，在毛细管径较小时，管外的空气也被电离发光——这说明，毛细管中的等离子体是在放电期间通过石英玻璃管中产生的电离波传播带入的。 电压/电流/功率vs管径 固定点亮电压30kV，分别测量4,9,20,50μm管径下的放电电流Ig和毛细管中的电流Ip，如下图所示。
放电电流呈现出大量的微放电，而毛细管中的电流呈脉冲状分布，每周期内有1-2个峰。 电子密度vs管径 往期介绍了通过斯塔克展宽测量电子密度的方法《实验vs模拟：原子谱线展宽与电子密度测量》。文章使用该方法测量了不同管径下，毛细管中的电子密度，如下图所示。
结果令人吃惊：毛细管中的电子密度高达1016-1017 cm-3，大气压下气体密度约为1019 cm-3，这意味着接近1%的气体都被电离了（通常认为大气压气体放电密度约为1012-1015 cm-3）。作者对这一结果进行了讨论，认为可能的原因是在小管径下，在毛细管中传播的电离波头部局域电场得到了极大的增强。 电子密度测量结果是该文的一个关键结论。工坊君认为： （1）造成这一极高的电子密度的可能性还包括：（i）斯塔克展宽法测电子密度本身存在诊断下限，可能会造成电子密度测量的虚高；（ii）小管径时璧面的二次光子发射和二次电子发射可能会对放电产生更大的贡献。 （2）值得一提的是，工坊成员之一曾利用粒子/蒙特卡洛方法研究了微尺度等离子体与介质缝隙相互作用，也得到了同一数量级的电子密度（将在未来专门推送介绍）。 （3）对该实验结果的进一步验证，可以通过测量毛细管中一种Ar*发射光谱，研究其衰减趋势，并与反应动力学模型对比，通常在如此高的电子密度下，Ar*的衰减趋势应当会与传统大气压模型预测结果相差很大（三体复合激发或电子熄灭反应等变的很重要）。 至此，完成了大气压Ar毛细管微等离子体的实验研究。这些研究结果，为加深对毛细管内微等离子体的物理特性认识提供了宝贵的数据支撑，为微等离子体在生物医学和材料处理领域的应用提供科学依据，也给从事等离子体机理和数值计算的团队提出了有趣的挑战。
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