Американські фізики змоделювали поведінку потоку плазми атмосферного тиску і з'ясували, які фактори впливають на виникнення турбулентностей в нім. Отримані дані допоможуть зрозуміти, яким чином можна придушувати або збільшувати виникаючі в плазмовому потоці нестабільності, і, отже, дозволять створити більш досконалі джерела активних форм кисню і азоту, затребувані сучасною медициною. Наукова стаття опублікована в журналі.
Останнім часом до плазмових установок атмосферного тиску виявляють інтерес медицина і біологія. Причина тому - утворення в плазмовому потоці активних форм кисню і азоту, які можуть бути використані для загоєння ран, стерилізації медичних інструментів, лікування бактеріальних інфекцій і знищення ракових клітин. Однак у плазмових потоках часто виникають турбулентності, що роблять поведінку плазми непередбачуваною, а результати експериментів невиробленими. Для ефективного впливу, наприклад, на хвороботворні бактерії, необхідно зробити певну кількість активних кисню і азоту, а для цього потрібна установка, керуючи плазмовим потоком в якій, можна було б задавати необхідну кількість активних речовин. При цьому плазмовий потік не повинен хаотично змінюватися.
Для того щоб дізнатися, які фактори призводять до виникнення турбулентностей у плазмовому потоці, фізики промоделювали поведінку плазми. Стандартне плазмове встановлення атмосферного тиску являє собою трубу, заповнену інертним газом (наприклад, гелієм). Усередині установки розміщується електрод, що нагрівається зовнішнім джерелом живлення. На електрод подаються імпульси напруги, в результаті чого труба частково заповнюється плазмою. Потік гелію виводиться через вузький отвір в атмосферу. Активні форми кисню та азоту формуються головним чином в проміжному шарі між потоком гелію і вологим повітрям в результаті процесів іонізації. У більш ранніх дослідженнях було виявлено, що турбулентності в потоці виникають при подачі на електрод кожного імпульсу напруги і поширюються зі швидкістю приблизно рівної швидкості газового потоку.
Нові дослідження показали, що однією з основних причин виникнення турбулентностей є нагрів газу. При подачі негативного імпульсу напруги з катода починають вилітати електрони, іонізуючі навколишні електрод молекули газу. Таким чином, у катода формується відносно щільна хмара швидких електронів, що обмінюються енергією з молекулами газу. Цей обмін енергією призводить до того, що газ також починає нагріватися і розширюватися. У результаті розширення газу вздовж труби починає поширюватися акустична хвиля. Швидкість поширення цієї хвилі приблизно дорівнює швидкості потоку гелію в трубі. Потрапляючи в область змішання гелію з повітрям, акустична хвиля викликає виникнення нестійкостей, зокрема коливань щільності азоту.
При виключенні всіх джерел нагрівання з розгляду, результати моделювання вказали на відсутність коливань щільності молекул азоту. Що підтвердило припущення вчених про ключову роль нагрівання газу в процесі виникнення турбулентностей. Ще однією причиною виникнення нестійкостей виявилися іонізаційні хвилі. Вони, також як і акустичні, виникають поблизу поверхні катода і починають поширюватися вздовж труби тільки вже не за рахунок нагрівання газу, а за рахунок процесів ударної іонізації. Всередині труби іонізаційні хвилі поширюються вздовж стінок, за межами труби - вздовж кордону розділу гелій-повітря. Збільшення обурень, що виникають в області змішання газів, при збільшенні імпульсу напруги пов'язане саме з поширенням іонізаційних хвиль.
Раніше ми розповідали про те, що як фізики визначили вплив нейтральних атомів на виникнення турбулентностей у плазмі і збільшили стійкість плазми за рахунок придушення альфвенівських нестійкостей, а також про те, яким чином індійські фізики отримали плазмовий «фаєрбол».