Investigations on Cold Atmospheric Plasma Jets for Medical Applications

In this work the mechanisms leading to the generation of the various reactive oxygen and nitrogen species (RONS) in a cold atmospheric plasma (CAP) jet and means to control their composition were studied. The investigated CAP jet kinpen is typically operated with Ar feed gas (pure or with molecular admixtures), driven at a frequency of approximately 1 MHz and features fast ionization waves or guided streamers, traveling at velocities of several km/s. The complex reaction networks were investigated by numerical and experimental techniques. Detailed experimental, analytical and computational investigations on the mass and heat transport in the plasma plume were performed: A novel analytical approach to diffusion in jet flows, the non-dispersive path mapping approximation (NDPM) was developed. The method for the first time allows for an estimation of the ambient species density in the near-field of jets that feature a non-homogeneous flow-field. The NDPM approximation was employed for the evaluation of laser induced fluorescence measurements on OH. Through combining measurements and NDPM approximation, this approach yielded an estimation for the ambient species density at the position of the guided streamers, not only in the laminar, but also in the (standard) turbulent operating regime. Accurate measurements of the temporally averaged ambient species density and temperature in the plasma plume were obtained by quantitative Schlieren measurements. The method yields temperature values with sub-Kelvin accuracy and, through combination with computational fluid dynamics (CFD) simulations, allowed for an estimation of the calorimetric power of the jet. In order to obtain a defined environment for the jet to operate in, a shielding gas device was designed in this work, which creates a gas curtain of defined composition around the plasma plume. The plasma dynamics on the ns timescale was investigated by phase resolved optical measurements. The effect of different shielding compositions ranging from pure N2 to pure O2 on guided streamer propagation was investigated. An electrostatic focusing mechanisms was discovered, which promotes the propagation of guided streamers along the channels formed by a noble gas in the plume of plasma jets operating in electronegative gases (such as air or O2). Two zero-dimensional (volume averaged) models were developed: First, the local processes in the guided streamer were modeled using an electron impact reaction kinetic model, which is closely correlated to densities of metastable argon (Ar*) obtained by laser atom absorption measurements. This first model shows that Ar* is the species which dominantly drives the plasma chemistry in the plasma plume. This is exploited in the second plug-flow reaction kinetics model, which is employed to investigate the formation of long-living RONS and uses an Ar* source term as sole energy input. The model uses the previous experimental data on mass and heat transport and temporal dynamics as input and is in turn verified by quantitative FTIR absorption measurements on O3, NO2, N2O, HNO3 and N2O5 in the far-field of the jet, where large absorption lengths can be achieved using a multi pass cell. For the evaluation of the zero-dimensional model, the time-of-flight of RONS from their generation to reaching the multi pass cell was determined using CFD simulations. The insight gained through this combined experimental-modeling approach on the reaction networks revealed relevant control parameters and enabled adjusting the plasma chemistry towards a desired RONS output. Through choosing appropriate feed-gas admixtures and shielding gas compositions, it is possible to generate an NOx-dominated plasma chemistry, although the jet usually produces a strongly O/O3-dominated chemistry. Understanding and controlling the plasma chemistry of cold atmospheric plasma sources for medical applications is not only essential for research, but is also the key for designing future plasma sources for specific medical applications that yield an optimum efficacy and avoid potential side effects of plasma treatment.In dieser Arbeit wurden die Bildungsmechanismen der unterschiedlichen reaktiven Sauerstoff- und Stickstoffspezies (RONS) in einem kalten Atmosphärendruckplasmajet (APJ) untersucht und Möglichkeiten der Steuerung dieser RONS bestimmt. Der untersuchte APJ kinpen wird üblicherweise mit dem Arbeitsgas Ar (reines Gas oder mit molekularen Beimischungen) bei einer Frequenz von 1 MHz betrieben und erzeugt schnelle Ionisationswellen, sogenannte Guided Streamer, welche mit Geschwindigkeiten von einigen km/s im Effluenten propagieren. Die komplexen chemischen Reaktions-Netzwerke wurden durch numerische und experimentelle Methoden untersucht. Detaillierte experimentelle, analytische und numerische Untersuchen zum Massen- und Wärmetransport im Effluenten des APJ wurden durchgeführt: Ein neuer analytischer Ansatz zur Beschreibung der Diffusion in Jetströmungen, die Non-Dispersive Path Mapping (NDPM)-Näherung wurde entwickelt. Diese Methode ermöglicht zum ersten Mal eine Abschätzung der Umgebungsspezies-Dichten im Nahfeld eines Jets mit nicht-homogenem Geschwindigkeitsfeld. Die NDPM-Näherung wurde zur Auswertung von Laser-Induzierte-Fluoreszenz-Messungen an OH eingesetzt. Durch die Kombination der Messungen und des NDPM-Ansatzes konnte eine Abschätzung der Luftdichten am Ort der Guided Streamer vorgenommen werden – nicht nur für den laminaren, sondern auch für den turbulenten Jet (dem üblicherweise verwendeten Betriebsmodus). Genaue Messungen der zeitlich gemittelten Luftdichten sowie der zeitlich gemittelten Gastemperatur im Effluent des APJ wurden durch Schlieren-Experimente erzielt. Die Methode liefert Temperaturwerte im Effluenten mit einem Messfehler von weniger als einem Kelvin. Durch Kombination mit Fluiddynamik-Simulationen konnte eine kalorimetrische Leistungsmessung vorgenommen werden. Um eine definierte Umgebungsatmosphäre zu erzeugen, wurde eine Mantelgasvorrichtung entwickelt, welche einen Gasmantel mit definierter Zusammensetzung um den aktiven Effluenten erzeugt. Die Plasmadynamik auf der ns-Zeitskala wurde mit Phasenaufgelöster optischer Emissionsspektroskopie untersucht. Der Einfluss unterschiedlicher Mantelgaszusammensetzungen von reinem N2 bis hin zu reinem O2 auf die Propagation der Guided Streamer wurde untersucht. Ein elektrostatischer Fokussierungs-Mechanismus wurde entdeckt, welcher die Propagation der Guided Streamer entlang des Edelgas-Kanals im Effluenten von APJ, welche in elektronegativem Umgebungsgas (z.B. Luft oder O2) betrieben werden, fördert. Zwei nulldimensionale (räumlich gemittelte) reaktionskinetische Modelle wurden entwickelt: Zunächst wurden die lokal im Guided Streamer stattfindenden Elektronenstoßprozesse in einem Elektronenstoßmodell beschrieben, welches eng mit Dichten von metastabilem Argon (Ar*) aus Laserabsorptionsmessungen korreliert wurde. Dieses erste Modell zeigt, dass Ar* die Spezies ist, welche dominant die weitere Plasmachemie im Effluenten erzeugt. Dies wird in einem zweiten Plug-Flow-Reaktionskinetik-Modell ausgenutzt, welches zur Untersuchung der Bildungsmechanismen der langlebigen RONS eingesetzt wird und in welchem ein Ar*-Quellterm als alleiniger Energielieferant verwendet wird. Das Modell verwendet die zuvor ermittelten Daten zum Massen- und Wärmetransport als weitere Eingangsparameter und wird verifiziert durch quantitative Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie-Messungen an O3, NO2, N2O, HNO3 und N2O5 im Fernfeld des Jets, wo durch den Einsatz einer Langwegzelle große Absorptionslängen erreicht werden können. Zur Auswertung des nulldimensionalen Modells werden die Aufenthaltszeiten der erzeugten RONS in der Langwegzelle mittels Fluiddynamik-Simulationen abgeschätzt. Die so gewonnenen Einsichten zu den relevanten Reaktions-Netzwerken zeigen wesentliche Kontrollparameter auf, welche zur Steuerung der Plasmachemie genutzt werden können. Durch die Wahl sinnvoller Arbeitsgas-Beimischungen und Mantelgas-Zusammensetzungen wird ein Betriebsmodus erreicht, welcher die Erzeugung eines NOx-dominierten Plasmas ermöglicht, obwohl der APJ üblicherweise eine stark O/O3-dominierte Plasmachemie erzeugt. Das Verständnis der Plasmachemie in kalten APJ für medizinische Anwendungen und die Möglichkeit diese zu kontrollieren ist nicht nur wesentlich für die plasmamedizinische Forschung, sondern ist ebenso der Schlüssel zum Design zukünftiger Plasmaquellen für spezifische medizinische Anwendungen welche so in Ihrer Wirksamkeit optimiert werden können und potentielle, ungewünschte Nebeneffekte vermieden werden können