Физики смогли понять природу неустойчивостей в потоке плазмы атмосферного давления

Amanda Lietz

Американские физики cмоделировали поведение потока плазмы атмосферного давления и выяснили, какие факторы влияют на возникновение турбулентностей в нем. Полученные данные помогут понять, каким образом можно подавлять или увеличивать возникающие в плазменном потоке нестабильности, и, следовательно, позволят создать более совершенные источники активных форм кислорода и азота, востребованные современной медициной. Научная статья опубликована в журнале Applied Physics Letters.

В последнее время к плазменным установкам атмосферного давления проявляют интерес медицина и биология. Причина тому – образование в плазменном потоке активных форм кислорода и азота, которые могут быть использованы для заживления ран, стерилизации медицинских инструментов, лечения бактериальных инфекций и уничтожения раковых клеток. Однако в плазменных потоках часто возникают турбулентности, делающие поведение плазмы непредсказуемым, а результаты экспериментов невоспроизводимыми. Для эффективного воздействия, например, на болезнетворные бактерии, необходимо произвести определенное количество активных кислорода и азота, а для этого нужна установка, управляя плазменным потоком в которой, можно было бы задавать необходимое количество активных веществ. При этом плазменный поток не должен хаотически меняться.


Для того чтобы узнать, какие факторы приводят к возникновению турбулентностей в плазменном потоке, физики промоделировали поведение плазмы. Стандартная плазменная установка атмосферного давления представляет собой трубу, заполненную инертным газом (например, гелием). Внутри установки размещается электрод, нагреваемый внешним источником питания. На электрод подаются импульсы напряжения, в результате чего труба частично заполняется плазмой. Поток гелия выводится через узкое отверстие в атмосферу. Активные формы кислорода и азота формируются главным образом в промежуточном слое между потоком гелия и влажным воздухом в результате процессов ионизации. В более ранних исследованиях было обнаружено, что турбулентности в потоке возникают при подаче на электрод каждого импульса напряжения и распространяются со скоростью примерно равной скорости газового потока.


Новые исследования показали, что одной из основных причин возникновения турбулентностей является нагрев газа. При подаче отрицательного импульса напряжения с катода начинают вылетать электроны, ионизующие окружающие электрод молекулы газа. Таким образом, у катода формируется относительно плотное облако быстрых электронов, обменивающихся энергией с молекулами газа. Этот обмен энергией приводит к тому, что газ также начинает нагреваться и расширяться. В результате расширения газа вдоль трубы начинает распространяться акустическая волна. Скорость распространения этой волны примерно равна скорости потока гелия в трубе. Попадая в область смешения гелия с воздухом, акустическая волна вызывает возникновение неустойчивостей, в частности колебаний плотности азота. 


При исключении всех источников нагревания из рассмотрения, результаты моделирования указали на отсутствие колебаний плотности молекул азота. Что подтвердило предположение ученых о ключевой роли нагревания газа в процессе возникновения турбулентностей. Еще одной причиной возникновения неустойчивостей оказались ионизационные волны. Они, также как и акустические, возникают вблизи поверхности катода и начинают распространяться вдоль трубы только уже не за счет нагревания газа, а за счет процессов ударной ионизации. Внутри трубы ионизационные волны распространяются вдоль стенок, за пределами трубы – вдоль границы раздела гелий-воздух. Увеличение возмущений, возникающих в области смешения газов, при увеличении импульса напряжения связано именно с распространением ионизационных волн.

Ранее мы рассказывали о том, что как физики определили влияние нейтральных атомов на возникновение турбулентностей в плазме и увеличили устойчивость плазмы за счет подавления альфвеновских неустойчивостей, а также о том, каким образом индийские физики получили плазменный «фаербол».

Александр Войтюк

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.