The study reports for the first time on self–organization effects in a radio frequency (RF) plasma generated with a miniaturized non-thermal atmospheric pressure plasma jet. The source is configured as a capacitively coupled RF jet (27.2 MHz) with two outer ring electrodes around a quartz capillary (d = 4.0 mm) between which a gas mixture flows at typical rates of 0.05—5 slm. The application background of this source is the deposition of thin films with a PECVD process. Therefore, thin film producing agents can be added in small quantities downstream the active discharge region. Commonly, the time-resolved observation of the discharge development reveals that the discharge consists of distinct discharge filaments that appear stochastically and evolve alongside the wall of the capillary. This stochastic mode can be easily found under most situations. However, under special conditions, a quasi-laminar flow is established and a controlled number of equidistant filaments develop which form fixed discrete rotating patterns (locked mode). In this paper, a systematic study is performed using Ar as process gas to define the range of existence of the locked mode. The temporal discharge behaviour is studied by performing a low frequency analysis on the optical emission of the plasma. RF power, gas flow rate and electrode distance are interpreted as scaling parameters that are responsible for the self-organization in the non-thermal atmospheric pressure plasma jet. The appearance of the different discharge regimes is described on a phenomenological basis and the collective behavior of the discharge filaments is explained based on the thermal interference of the discharge channels with the gas flow inside the capillary.
本研究は、小型化された非熱的大気圧プラズマジェットで生成される無線周波数（RF）プラズマにおける自己組織化効果について初めて報告するものである。この源は、石英キャピラリー（d = 4.0 mm）の周囲に配置された2つの外部リング電極を備えた容量結合型RFジェット（27.2 MHz）として構成され、その電極間を混合ガスが典型的な流量0.05—5 slmで流れる。この源の応用背景は、PECVDプロセスによる薄膜堆積である。したがって、薄膜生成剤は、活性放電領域の下流に少量添加することができる。一般に、放電発展の時間分解観察により、放電は、確率的に出現しキャピラリーの壁に沿って進展する個別の放電フィラメントから構成されることが明らかになる。この確率モードは、ほとんどの状況下で容易に見いだされる。しかし、特別な条件下では、準層流が確立され、制御された数の等間隔フィラメントが発生し、固定された個別の回転パターン（ロックモード）を形成する。本論文では、Arをプロセスガスとして用いた系統的研究を行い、ロックモードの存在範囲を定義する。時間的放電挙動は、プラズマの光学発光に対する低周波数解析を行うことによって研究される。RF電力、ガス流量、電極間距離は、非熱的大気圧プラズマジェットにおける自己組織化に寄与するスケーリングパラメータとして解釈される。異なる放電領域の出現は現象論的基盤に基づいて記述され、放電フィラメントの集団的挙動は、キャピラリー内部のガス流に対する放電チャネルの熱的干渉に基づいて説明される。