Mechanism of the flexible micro-tube plasma and the influence of a metallic target by temporally and spatially resolved spectroscopy and potential measurements in contrast to a corona discharge

Abstract

Diese Arbeit untersucht den Entladungsmechanismus typischer flexibler mikro-Tuben Plasmen (FμTP), den Einfluss benachbarter Ziele, die zugrunde liegenden Ionisierungsprozesse sowie die charakteristischen Merkmale, die FμTP von der Koronaentladung unterscheiden. Ziel ist es, die Wechselwirkungen zwischen elektrostatischem Potenzial, dem zeitlichen und räumlichen Verhalten der Plasmaentwicklung und der analytischen Leistungsfähigkeit zu verstehen. Zur Unterscheidung von Edelgas-Ionen und angeregten Spezies wurde eine neue Datenverarbeitungsmethode entwickelt. Mithilfe raum-zeitlich aufgelöster optischer Emissionsmessungen konnten die primären Anregungs- und Ionisierungsprozesse in He-FμTP und Ar-FμTP identifiziert werden. Gleichzeitig wurde der bislang unterschätzte Einfluss eines benachbarten Leiters auf die Plasmadynamik nachgewiesen. In diesem Zusammenhang werden die optischen Evolutionseigenschaften von FμTPs mit drei unterschiedlichen Polaritäten vor einem metallischen Ziel systematisch unter variierenden Abständen untersucht. Aufgrund ähnlicher Entladungsgeometrien wird das FμTP häufig fälschlicherweise als Wechselstrom-Koronaentladung betrachtet. Zur Korrektur dieses Missverständnisses umfasst die vorliegende Studie eine optische Charakterisierung von Gleichstrom- und Wechselstrom-Koronaentladungen. Darüber hinaus werden die elektrostatischen Potenziale im Umfeld von Koronaentladungen und FμTPs analysiert und miteinander verglichen. Ergänzend werden verschiedene Gleichspannungs-Bias in die Ansteuerspannung des FμTP integriert, das mit einem Massenspektrometer (MS) gekoppelt ist, um die Auswirkungen auf die analytische Leistung zu bewerten. Die kombinierte Analyse umfasst optische Emissionsspektren, das Ringpotenzial um die Plasmaregion, die Zündung des Diagnoseplasmas sowie die Signalintensität im MS – jeweils für Koronaentladungen und FμTP. Die zentrale Rolle der Kapillare im FμTP wird hervorgehoben: Sie steuert die Plasmabewegung, verstärkt den Restladungseffekt und isoliert die Sekundärelektronenemission. Diese Eigenschaften machen FμTP zu einer eigenständigen Technologie mit klaren Vorteilen. Auf Basis dieser Experimente wird das FμTP neu definiert – nicht lediglich als Koronaentladung, sondern als geführte Plasmasäule bzw. Plasmajet mit breitem Anwendungspotenzial. Indirekte Hinweise deuten darauf hin, dass FμTP als Ionisierungsquelle effizienter und schonender sein könnte als herkömmliche Koronaentladungen. Diese Erkenntnisse vertiefen das Verständnis der Ionisierungsmechanismen und liefern wertvolle Impulse für die wissenschaftliche Forschung und die ingenieurtechnische Nutzung der Plasmatechnologie. This work studies the discharge mechanism of typical flexible micro-tube plasma (FμTP), the influence of proximal targets, specific ionisation mechanisms, and the main features distinguishing FμTP from corona discharge. This study aims to clarify the interrelationship between electrostatic potential, plasma evolution behaviours, and analytical performance. For distinguishing noble gas ions from excited species, a new data processing method has been proposed. The primary excitation and ionisation processes for He-FµTP and Ar-FµTP are identified through spatiotemporal optical emission measurements. Concurrently, the underestimated impact of an adjacent conductor was demonstrated. Accordingly, the optical evolution characteristics of three polarity FµTPs in front of a metallic target are investigated. Given the similar configuration, FμTP is frequently regarded as merely an AC-corona discharge. To address this misconception, this research executed optical characterisation of DC- and AC-corona discharges. Electrostatic potentials around corona discharges and FµTPs are also explored and contrasted. Furthermore, various DC biases are introduced into the driven voltages of FµTP coupled to mass spectrometer (MS) to assess analytical performance. A combined analysis of optical emission spectra, ring potential, diagnosis plasma ignition, and MS signal height is presented for both corona discharge and FμTP. The key role of capillary in FμTP is highlighted: guiding plasma propagation, amplifying the residual charge effect, and isolating secondary electron emission. These characteristics make FμTP to be a standalone technology with clear advantages. Based on these experiments, FμTP is redefined – not only as a corona discharge, but also as a guided plasma column and even a plasma jet with broad application prospects. Evidence obtained indirectly implies that FμTP has the potential to be more efficient and softer than conventional corona discharge as an ionisation source. These insights enhance the understanding of ionisation mechanisms and provide a valuable reference for both scientific research and engineering applications of plasma technology.