Исследование микроплазменной струи в системе игла – воздух – жидкость – плоскость. Обзор и эксперимент

   Цель исследования – экспериментальное изучение физических процессов в межэлектродном пространстве системы игла – воздух – жидкость – плоскость в сильно неоднородном электрическом поле при положительной игле.

   Методы. Используется анализ видеоизображений развития коронного разряда и микроплазменной струи; производится измерения ВАХ, синхронизированных с видеоизображением.

   Результаты. Обнаружен способ получения стабильного потока холодной плазмы в системе электродов игла – плоскость, покрытый слоем слабо проводящей жидкости. Измерены вольт-амперные характеристики в окрестности зажигания коронного разряда. Визуальный анализ спектра свечения позволил оценить ионный состав коронного разряда и микроплазменной струи. Измерены ВАХ на начальной стадии развития МПС. Изучен механизм образования геометрии МПС.

   Заключение. Проведённое исследование показало, что система ИВЖП позволяет реализовать новый способ получения устойчивой МПС при положительной игле. Показано, что МПС образуется только при положительной игле. Установлено, что зажигание КР в такой конфигурации происходит при E* ≈ 3,6 кВ/см и сопровождается плавным ростом тока, тогда как в системе игла – воздух – плоскость наблюдается участок флуктуаций, обусловленный неустойчивым формированием ионного облака. Сравнительный анализ напряжённостей поля у острия показал сопоставимость критических значений зажигания КР при различных полярностях, однако механизмы их зажигания различны. Визуальный анализ спектра свечения КР и МПС позволил оценить ионный состав КР и МПС: в системе ИВЖП заметен вклад OH и O₂⁺, что отлично от ИВП, где преобладает свечение N₂ и N₂⁺. Зарождение МПС в системе ИВЖП происходит без предварительного зажигания статичного КР, так как КР сразу перерастает в МПС. Полученные результаты открывают перспективы применения метода для управляемой генерации ХП и расширяют понимание механизмов ионизации при положительной игле.

1. Жакин А.И., Кузько А.Е. Ионизационные процессы в электродной системе отрицательная игла – плоскость. Эксперимент // Теплофизика высоких температур. 2024. Т. 62, № 5. С. 643–654. doi: 10.31857/S0040364424050016.

2. Жакин А.И., Кузько А.Е. Ионизационные процессы в электродной системе отрицательная игла – плоскость. Инжекционные процессы // Теплофизика высоких температур. 2024. Т. 62, № 6. С. 823–831. doi: 10.31857/S0040364424060032.

3. Kristof J., Blajan M.G., Shimizu K. A review on advancements in atmospheric plasma-based decontamination and drug delivery // Journal of Electrostatics. 2025. Vol. 157. doi: 10.1016/j.elstat.2025.104083.

4. Herrmann A., Margot J., Hamdan A. Influence of voltage and gap distance on the dynamics of the ionization front, plasma dots, produced by nanosecond pulsed discharges at water surface // Journal of Physics D: Applied Physics. 2022. Vol. 55, no. 27. P. 275202. doi: 10.1088/1361-6463/ac5c24.

5. Validation of an indirect nonthermal plasma sterilization process for disposable medical devices packed in blisters and cartons / P. Seri, S. Nici, M. Cappelletti, S.G. Scaltriti, A. Popoli, A. Cristofolini [et al.] // Plasma Processes and Polymers. 2023. Vol. 20, no. 8. Р. e2300012. doi: 10.1002/ppap.20230012.

6. Laroussi M. The resistive barrier discharge : A brief review of the device and its biomedical applications // Plasma. 2021. Vol. 4, no. 1. P. 75–80. doi: 10.3390/plasma4010004.

7. Hybrid dielectric barrier discharge reactor: Production of reactive oxygen–nitrogen species in humid air / D. Korzec, F. Freund, C. Bäuml, P. Penzkofer, O. Beier, A. Pfuch [et al.] // Plasma. 2025. Vol. 8, no. 2. P. 27.

8. Inactivation of bioaerosol particles in a single-pass multi-stage non-thermal plasma and ionization air cleaner / J. Masionis, D. Ciužas, E. Krugly, M. Tichonovas, T. Prasauskas, D. Martuzevičius // Plasma. 2025. Vol. 8, no. 2. P. 22. doi: 10.3390/plasma8020022.

9. Маношкин Ю.В., Плотников А.А. Резистивно-барьерный разряд в атмосфере при малых разрядных промежутках для системы электродов «игла – плоскость» // Труды Московского физико-технического института. 2017. Т. 9, № 2. С. 64–72.

10. Becker S., Kornilov P. Flexible sources of cold atmospheric plasma jet // Plasma. 2024. Vol. 7, no. 4. P. 738–751. doi: 10.3390/plasma7040041.

11. Highly efficient transfection effect of transdermal drug delivery via skin by hybrid bipolar arc plasma stimulation and dual pulse electroporation technique / E.-S. Kim, G. Enkhzaya, H.-S. Hwang, J. Han, C.-S. Kim, J.-W. Shin [et al.] // IEEE Access. 2021. Vol. 9. P. 21679–21688. doi: 10.1109/ACCESS.2021.3056723.

12. Effect of plasma discharge on epidermal layer structure in pig skin / A.G. Yahaya, J. Kristof, M. Blajan, F. Mustafa, K. Shimizu // Plasma Medicine. 2021. Vol. 11, no. 1. P. 1–13. doi: 10.1615/PlasmaMed.2021039887.

13. Plasma-activated liquid as a potential decontaminant in healthcare: assessment of antibacterial activity and use with cleaning cloths / M. Fallon, S. Kennedy, S. Daniels, H. Humphreys // Journal of Hospital Infection. 2024. Vol. 145. P. 218–223. doi: 10.1016/j.jhin.2024.01.008.

14. A combination of high-voltage atmospheric cold plasma and cinnamaldehyde significantly increases inactivation of Salmonella enterica and Escherichia coli O157:H7 in raw pineapple juice / B. Lewis, A. Mendonca, P. Fortes-Da-Silva, T. Boylston, A. Little, Brehm-Stecher B. [et al.] // SSRN Preprint. 2024. 35 p. Available at SSRN: https://ssrn.com/abstract=4819317or. doi: 10.2139/ssrn.4819317.

15. Superoxide anion in plasma-activated water triggers the removal of Escherichia coli biofilm / D. Xia, Y. Zhu, Y. Tang, Y. Yang, X. Chen // Plasma Processes and Polymers. 2023. Vol. 20, no. 5. Art. e2200229. 11 p. doi: 10.1002/ppap.202200229.

16. Absorption of FD-150 into intestinal cells by microplasma / J. Kristof, A.G. Yahaya, M. Blajan, F. Mustafa, K. Shimizu // Plasma Medicine. 2023. Vol. 12, no. 4. P. 11–28. doi: 10.1615/PlasmaMed.2023047884.

17. Grebennikov S., Malinovskaya E., Litvinova O. Cold atmospheric plasma medicine: applications, challenges, and opportunities for predictive control // Plasma. 2025. Vol. 8, no. 2. Art. 26. doi: 10.3390/plasma8020026.

18. Dudnikov V., Dudnikov A. Highly efficient small anode ion source // Plasma. 2021. Vol. 4, no. 2. P. 214–221. doi: 10.3390/plasma4020013.

19. Лазерно- и магнетронно-модифицированные инжектирующие поверхности электродов для ЭГД-преобразователей / А.Е. Кузько, А.И. Жакин, А.П. Кузьменко, А.В. Кузько, А.А. Прибылов, В.В. Юшин // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2022. Т. 12, № 3. С. 147–168. doi: 10.21869/2223-1528-2022-12-3-147-168.

20. Структурирование катодных электродов для ЭГД-насосов / В.Н. Лесных, А.Д. Паньков, И.В. Пульников, В.Р. Неведров // Актуальные вопросы науки, нанотехнологий, производства (НТ-04) : материалы 3-й Международной конференции. Курск: Университетская книга, 2023. С. 89–93.

21. Application of cold plasma therapy for managing subclinical mastitis in cows induced by streptococcus agalactiae, streptococcus uberis and escherichia coli / V. Juozaitienė, V. Jonikė, D. Mardosaitė-Busaitienė, L. Griciuvienė, E. Kaminskienė, J. Radzijevskaja [et al.] // Veterinary and Animal Science. 2024. Vol. 25. Art. 100378. 12 p. doi: 10.1016/j.vas.2024.100378.

22. Antibacterial approaches in tissue engineering using metal ions and nanoparticles: From mechanisms to applications / M. Godoy-Gallardo, U. Eckhard, L.M. Delgado, Y.J.D. de Roo Puente, M. Hoyos-Nogués, F.J. Gil [et al.] // Bioactive Materials. 2021. Vol. 6. P. 4470–4490. doi: 10.1016/j.bioactmat.2021.04.042.

23. Аэроионотерапия в программах комплексной медицинской реабилитации / А.В. Червинская, М.А. Хан, И.И. Иванова, Е.В. Филатова // Восстановительные биотехнологии, профилактическая, цифровая и предиктивная медицина. 2025. Т. 2, № 1. С. 46–65. doi: 10.17116/rbpdpm2025201146.

24. Positive corona discharge of rod-plate electrodes in high-speed airflow / Q. Wu, Y. Wang, Z. Du, Z. Wu, Y. Deng, X. Wen // High Voltage. 2024. Vol. 9, no. 4. P. 337–350. doi: 10.1049/hve2.12416.

25. Investigating the influence of free-electron pulses and neutral excited species formation on discharge development: by PD quantum optics analysis and plasma simulation / Y. Feng, Z. Cai, S. Yuan, S. Ma, E. Hui // IEEE Access. 2024. Vol. 12. P. 54510–54523. doi: 10.1109/ACCESS.2024.3394272.

26. Thomas J., Volkov A.G. Electrochemical reactions at the boundary areas between cold atmospheric pressure plasma, air, and water // Plasma. 2024. Vol. 7. P. 891–903. doi: 10.3390/plasma7040049.