Эффективность кислородной плазмы выросла в несколько раз при умеренном снижении давления

Исследователи Токийского столичного университета обнаружили неожиданный эффект: снижение давления всего на несколько процентов от атмосферного увеличивает эффективность кислородной плазмы в разы. Результаты работы опубликованы в Journal of Physics D: Applied Physics.

Главная проблема так называемой не термической плазмы при атмосферном давлении — крайне короткая жизнь активных частиц. Атомарный кислород, который и вступает в реакцию с обрабатываемой поверхностью, быстро теряется из-за частых столкновений с молекулами газа. Логика подсказывала: чем ниже давление, тем реже столкновения и тем дольше живут радикалы. Но при сильном разрежении падает и общее количество этих частиц — и установки становятся бесполезными.

Группа под руководством доцента Юсукэ Накагава пошла другим путём. Учёные исследовали импульсные электрические разряды в кислороде при давлении, лишь немного уступающем атмосферному. Чтобы понять, сколько именно атомарного кислорода производится, они применили лазерно-индуцированную флуоресценцию — метод, при котором атомы начинают светиться на строго определённой длине волны. Это позволило построить детальную карту распределения радикалов вокруг обоих электродов по разные стороны разрядного промежутка.

Результат оказался неожиданным. При пониженном давлении количество произведённых радикалов осталось на уровне, сопоставимом с атмосферным, но время их жизни заметно выросло. Итоговая концентрация активных частиц, доступных для реакций с обрабатываемым объектом, оказалась в несколько раз выше, чем при нормальных условиях.

Дополнительное наблюдение добавило интриги: атомарный кислород образуется не только в светящейся части плазмы, но и в тёмных областях вблизи электродов. Это указывает на участие в процессе электронов с умеренной энергией — механизм, который раньше просто не учитывался. Именно он, по всей видимости, и объясняет аномальный рост числа активных частиц при умеренном снижении давления.

Практическая ценность открытия очевидна. Речь идёт о создании более производительных и энергоэффективных плазменных установок без серьёзных затрат на сложные вакуумные системы. Технология может найти применение в полупроводниковой промышленности, биомедицине, сельском хозяйстве и при очистке сточных вод. Работа поддержана грантами Японского общества содействия науке (JSPS), что подчёркивает её значимость для прикладной физики.