等离子体物理学简介课件

等离子体等离子体物理简介物理简介1等离子体1了解等离子体物理基本概念了解等离子体物理基本概念建建立立等等离离子子体体基基本本物物理理过过程程的的物物理理图像图像2等离子体物理学简介的目的等离子体物理学简介的目的了解等离子体物理基本概念2等离子体物理学简介的目的等离子体简单示例等离子体简单示例3太阳风暴太阳风暴(Solar wind)从恒星上层大气射出的超高速等离子体从恒星上层大气射出的超高速等离子体（带电粒子）流。在不是太阳的情况下，（带电粒子）流。在不是太阳的情况下，这种带电粒子流也常称为这种带电粒子流也常称为“恒星风恒星风”日冕物质抛射的爆发图像日冕物质抛射的爆发图像日冕是太阳大气的最外层（其内部分别日冕是太阳大气的最外层（其内部分别为光球层和色球层），厚度达到几百万为光球层和色球层），厚度达到几百万公里以上。在高温下，氢、氦等原子已公里以上。在高温下，氢、氦等原子已经被电离。这些带电粒子运动速度极快，经被电离。这些带电粒子运动速度极快，以致不断有带电的粒子挣脱太阳的引力以致不断有带电的粒子挣脱太阳的引力束缚，射向太阳的外围。形成太阳风。束缚，射向太阳的外围。形成太阳风。等离子体简单示例3太阳风暴(Solar wind)日冕物质抛J.J.ThomsonCathoderayathoderayIn1897等离子体的简要历史等离子体的简要历史4J.J.ThomsonCathode rayIn 189IrvingLangmuirIn1928等离子体的简要历史等离子体的简要历史PlasmlasmaCoinedbyIrvingLangmuir,perhapsbecausetheglowingdischargemoldsitselftotheshapeoftheCrookstube(Gr.athingmouldedorformed).Langmuirdescribedhisobservationsas:Exceptneartheelectrodes,wheretherearesheathscontainingveryfewelectrons,theionizedgascontainsionsandelectronsinaboutequalnumberssothattheresultantspacechargeisverysmall.Weshallusethenameplasmatodescribethisregioncontainingbalancedchargesofionsandelectrons.5Irving LangmuirIn 1928等离子体的简要历等离子体参数空间等离子体参数空间数密度：数密度：103 m-3 -1033 m-3温度：温度：10-1ev-106 ev(103 K-1010 K)1ev 11600 K广阔的参数空间广阔的参数空间宽广的研究领域和应用前景宽广的研究领域和应用前景!宇宙中宇宙中99的的已知物已知物质是等质是等离子体离子体6等离子体参数空间数密度：103 m-3 -1033等离子体是由电子、离子等带电粒子等带电粒子以及中性粒子中性粒子(原子、分子、微粒等)组成的，宏观上呈现准中性宏观上呈现准中性、且具有集体效应具有集体效应的混合气混合气体。体。等离子体是一种电离的气体电离的气体，具有很高的电导率，与电磁场存在强烈的耦合作用，在宇宙中广泛存在，常被看作物质的第四态第四态。A plasma is a quasi-neutral gas of charged and neutral particles which exhibits collective behavior.“Plasma”这个词，由朗缪尔(Langmuir)在1927年最早采用,中文翻译国内：等离子体台湾：电浆7等离子体（Plasma）定义等离子体是由电子、离子等带电粒子以及中性粒子(原子、分子、微1.1.对于自由的理解：含大量带电粒子的气体，异类带电粒子之间相互“自由”，等离子体的基本粒子元是正负荷电的粒子（电子、离子），而不是其结合体，即非束缚态2.2.对于准中性的理解：指等离子体中正负离子数目基本相等，宏观（大尺度）呈现电中性，小尺度则呈现电磁性质(思考，为何会出现准中性的性质？)3.3.对于集体的理解4.4.对于第四态的理解8等离子体定义的要点等离子体定义的要点对于自由的理解：含大量带电粒子的气体，异类带电粒子之间相互“3)、集体效应：是与中性气体的根本区别，是等离子体作、集体效应：是与中性气体的根本区别，是等离子体作为物质第四态的依据。区别一种物态应看作用于物态基本为物质第四态的依据。区别一种物态应看作用于物态基本组元上的作用力，控制物态特性变化的基本作用力，对于组元上的作用力，控制物态特性变化的基本作用力，对于固体，液体，气体均有所不同。中性气体：粒子间的直接固体，液体，气体均有所不同。中性气体：粒子间的直接的碰撞作用的碰撞作用等离子体：电磁力，长程等离子体：电磁力，长程 多体多体集体行为：集体行为：当体系内某处出现扰动时，理论上所有粒当体系内某处出现扰动时，理论上所有粒子行为都会受到影响，使子行为都会受到影响，使整个整个等离子体对等离子体对外加扰动作出响应；外加扰动作出响应；集体行为也会通过电磁场作为媒介来表现集体行为也会通过电磁场作为媒介来表现9等离子体集体效应等离子体集体效应3)、集体效应：是与中性气体的根本区别，是等离子体作为物质第粒子与电磁场的不可分割性：粒子与电磁场的不可分割性：等离子体中粒子的运动与电磁场（外等离子体中粒子的运动与电磁场（外场及粒子产生的自洽场）的运动紧密场及粒子产生的自洽场）的运动紧密耦合，耦合，不可分割不可分割行为：行为：粒子粒子+电磁场电磁场（练习：请写出全套（练习：请写出全套Maxwell方程组）方程组）集体行为也会通过电磁场作为媒介来表现集体行为也会通过电磁场作为媒介来表现10等离子体集体效应等离子体集体效应泊松方程泊松方程法拉第定律法拉第定律安培定律安培定律描述等离子体的描述等离子体的粒子与电磁场的不可分割性：集体行为也会通过电磁场作为媒介来表11物质物质的尺度:1.宏观尺度：物质2.分子尺度3.原子尺度:质子、中子和电子4.次原子尺度:电子5.次原子尺度：夸克6.弦11物 质物质的尺度:1.宏观尺度：物质2.分子尺等离子体是物质第四态固体 冰液体 水气体水汽等离子体 电离气体温度00C1000C100000C这是一个能量增加的过程！这是一个能量增加的过程！需要分别克服需要分别克服:1.1.分子间相互作用势能分子间相互作用势能,2.2.表面束缚能表面束缚能,原子结合能原子结合能(键能键能),3.3.电离能电离能12等离子体是物质第四态固体液体气体等离子体温度00C1000CQ：有人戏称：有人戏称“自自由由 平等平等 博爱博爱”是是等离子体的主要特等离子体的主要特征，请根据等离子征，请根据等离子体的基本定义试着体的基本定义试着理解！理解！自由自由 平等平等 博爱博爱 的的 等离子体等离子体自由：自由：自由电子和离子组成自由电子和离子组成平等：平等：所有组分所有组分(同一种类粒子同一种类粒子)全同全同博爱：多体相互作用博爱：多体相互作用（库仑力）（库仑力）13等离子体是物质第四态Q1：等离子体是绝大多：等离子体是绝大多数物质的存在形式，为数物质的存在形式，为什么我们感觉不是这样什么我们感觉不是这样？Q2:固态、液态、气态之固态、液态、气态之间有明确的相变点，气间有明确的相变点，气态到等离子体态有这样态到等离子体态有这样的相变点吗？的相变点吗？Q3:电离气体一定是等离电离气体一定是等离子体吗？反过来呢？子体吗？反过来呢？Q：有人戏称“自由 平等 博爱”是等离子体的主要特征，请2.速度分布函数速度分布函数(velocity distribution function)(热力学统计热力学统计)相空间相空间:粒子行为可以用位置矢量与速度矢量来描述粒子行为可以用位置矢量与速度矢量来描述坐标坐标定义了粒子在六维相空间中的位置定义了粒子在六维相空间中的位置;对于多粒子对于多粒子体系体系,采用粒子速度分布函数描述系统的演化与特征采用粒子速度分布函数描述系统的演化与特征:速度分布函数代表速度分布函数代表 在相空间体积元在相空间体积元dV之中的粒子数密度；之中的粒子数密度；一、基本参量：一、基本参量：1、粒子数密度、粒子数密度n 准中性条件准中性条件14等离子体物理学基本概念2.速度分布函数(velocity distribut3、温度、温度T对于满足对于满足Maxwell速度分布函数速度分布函数(已经归一化已经归一化)的粒子：的粒子：等离子体温度是粒子平均动能的度量等离子体温度是粒子平均动能的度量粒子的平均动能与温度的定义粒子的平均动能与温度的定义(统计力学：分子热运动的一种度量统计力学：分子热运动的一种度量)15Thermal vs.non-thermal plasmas等离子体物理学基本概念3、温度T等离子体温度是粒子平均动能的度量粒子的平均动能与电子温度电子温度Te和离子温度和离子温度Ti不同成分之间达到热平衡的时间比同种类粒子之间达到热平衡的时间长得多，因此等离子体不不同成分之间达到热平衡的时间比同种类粒子之间达到热平衡的时间长得多，因此等离子体不同种类的粒子可以有不同的温度同种类的粒子可以有不同的温度垂直温度垂直温度Tperp 和平行温度和平行温度Tpara磁场的出现使得沿着磁场方向和垂直于磁场方向上的速度分布可以截然不同，可认为在不同方磁场的出现使得沿着磁场方向和垂直于磁场方向上的速度分布可以截然不同，可认为在不同方向上的等离子体存在不同的温度向上的等离子体存在不同的温度温度的单位：温度的单位：K，有时也将，有时也将Boltzmann常数吸入，采用能量单常数吸入，采用能量单位位 eV,1 eV=1.6e-19 J,1eV 11600 K 1万度万度16荧光灯管内的电子温荧光灯管内的电子温度为度为20,000 K,却烧不却烧不开一杯水？开一杯水？碰撞传碰撞传递能量递能量等离子体物理学基本概念 温度电子温度Te和离子温度Ti16荧光灯管内的电子温度为20,0电磁学：金属电磁学：金属(良导体良导体)对外加电场的屏蔽作用对外加电场的屏蔽作用导体导体存在大量的可自由移动的电荷存在大量的可自由移动的电荷导体的静电平衡条件：内部电场为零、表面电场与导体表面垂直导体的静电平衡条件：内部电场为零、表面电场与导体表面垂直二、德拜屏蔽的概念二、德拜屏蔽的概念ee等离子体：对任何在等离子体中建立电场的企图都会等离子体：对任何在等离子体中建立电场的企图都会受到等离子体受到等离子体(中中“自由自由”带电粒子带电粒子)的阻止，这就是的阻止，这就是等离子体的等离子体的德拜屏蔽效应德拜屏蔽效应.17等离子体物理学基本概念电磁学：金属(良导体)对外加电场的屏蔽作用二、德拜屏蔽的概念在等离子体中引入电场，经过一定的时间在等离子体中引入电场，经过一定的时间.德拜屏蔽 Debye shielding：物理图像18在等离子体中引入电场，经过一定的时间.德拜屏蔽 De在等离子体中引入电场，经过一定的时间，等离子体中的电在等离子体中引入电场，经过一定的时间，等离子体中的电子、离子将移动，屏蔽电场子、离子将移动，屏蔽电场德拜屏蔽德拜屏蔽屏蔽层(德拜球)厚度：德拜长度或德拜半径lD19德拜屏蔽 Debye shielding：物理图像在等离子体中引入电场，经过一定的时间，等离子体中的电子、德拜长度德拜长度(半径半径)、德拜势的推导及其物理意义、德拜势的推导及其物理意义点电荷点电荷q的静电势：的静电势：将该电荷置于等离子体中将该电荷置于等离子体中吸引异号电荷、排斥同号电荷吸引异号电荷、排斥同号电荷在一定空间范围内在一定空间范围内,等离子体中出现正负电荷数目不等，等离子体中出现正负电荷数目不等，异号电荷出现过剩异号电荷出现过剩削弱上述静电场削弱上述静电场等离子体的屏蔽作用。等离子体的屏蔽作用。根据泊松方程：根据泊松方程：kk20德拜屏蔽 Debye shielding：物理图像势场中的热平衡气体满足势场中的热平衡气体满足该分布的意义：该分布的意义：(1)(1)远离远离q处的数密度等于未扰数值处的数密度等于未扰数值(2)(2)电势为正时，电子数密度增加，即电子将被捕获，离子被排空电势为正时，电子数密度增加，即电子将被捕获，离子被排空德拜长度(半径)、德拜势的推导及其物理意义将该电荷置于等离子求得德拜半径解析解的办法：泰勒展开，只保留一阶小量求得德拜半径解析解的办法：泰勒展开，只保留一阶小量不考虑接近于电极处电势较大的区域，在稍远处电势满足不考虑接近于电极处电势较大的区域，在稍远处电势满足的区域，可将玻尔兹曼分布作泰勒展开，并取线性项，的区域，可将玻尔兹曼分布作泰勒展开，并取线性项，可得新的泊松方程：可得新的泊松方程：分别定义等离子体、电子和离子的德拜长度分别定义等离子体、电子和离子的德拜长度，则，则21德拜屏蔽 Debye shielding：物理图像求得德拜半径解析解的办法：泰勒展开，只保留一阶小量21德拜屏德拜势的求解过程：德拜势的求解过程：球对称电荷分布，即一维情形，可大大简化泊松方程：球对称电荷分布，即一维情形，可大大简化泊松方程：，最终求得德拜势最终求得德拜势(the Debye potential)德拜电势示意图德拜电势示意图德拜屏蔽是两个过程竞争的结果德拜屏蔽是两个过程竞争的结果:捕获与约束捕获与约束逃逸与屏蔽逃逸与屏蔽(反抗约束反抗约束)由自由能与捕获能平衡决定由自由能与捕获能平衡决定!德拜长度德拜长度:1.1.随数密度增加而减小，即更小范围内便可获得随数密度增加而减小，即更小范围内便可获得足够多的屏蔽用的粒子。足够多的屏蔽用的粒子。2.2.随温度升高而增大：温度代表粒子自由能，零随温度升高而增大：温度代表粒子自由能，零温度则屏蔽电子缩为薄壳。温度则屏蔽电子缩为薄壳。22静态等离子体的德拜长度，主要取决于低温成分的德拜长度。在较快的过程中，离子不能响应其变化，在鞘层内不能随时达到热平衡的玻尔兹曼分布，只起到常数本底作用，此时等离子体的德拜长度只由电子成份决定。德拜势的求解过程：德拜电势示意图德拜屏蔽是两个过程竞争的结果1、屏蔽与准中性条件：、屏蔽与准中性条件：将带电粒子的电势局限在德拜球范围内。将带电粒子的电势局限在德拜球范围内。德拜球以内，准中性条件不满足、等离子体概念不成立；德拜球以内，准中性条件不满足、等离子体概念不成立；只有在大于德拜半径的尺度上，准中性条件才满足，即德拜只有在大于德拜半径的尺度上，准中性条件才满足，即德拜半径是等离子体偏离电中性的最大尺度半径是等离子体偏离电中性的最大尺度等离子体等离子体23德拜屏蔽概念的几个要点：德拜屏蔽概念的几个要点：1、电屏蔽、维持准中性、电屏蔽、维持准中性2、基本尺度：空间尺度、基本尺度：空间尺度3、响应时间：时间尺度、响应时间：时间尺度4、统计意义：等离子体参数、统计意义：等离子体参数1、屏蔽与准中性条件：23德拜屏蔽概念的几个要点：德拜长度是等离子体系统的基本长度单位，可以粗略德拜长度是等离子体系统的基本长度单位，可以粗略的认为，等离子体由很多德拜球组成。的认为，等离子体由很多德拜球组成。在德拜球内，粒子之间清晰地感受到彼此的存在，存在德拜球内，粒子之间清晰地感受到彼此的存在，存在着以库仑碰撞为特征的两体相互作用；在德拜长度在着以库仑碰撞为特征的两体相互作用；在德拜长度外，由于其它粒子的干扰和屏蔽，直接的粒子两体之外，由于其它粒子的干扰和屏蔽，直接的粒子两体之间相互作用消失，带之而来的由许多粒子共同参与的间相互作用消失，带之而来的由许多粒子共同参与的集体相互作用。集体相互作用。在等离子体中，带电粒子之间的长程库仑相互作用，在等离子体中，带电粒子之间的长程库仑相互作用，可以分解成两个不同的部分，其一是德拜长度以内的可以分解成两个不同的部分，其一是德拜长度以内的以两体为主的相互作用，其二是德拜长度以外的集体以两体为主的相互作用，其二是德拜长度以外的集体相互作用，相互作用，等离子体作为新的物态的最重要的原因来等离子体作为新的物态的最重要的原因来源于等离子体的集体相互作用性质源于等离子体的集体相互作用性质。242.等离子体基本尺度德拜长度是等离子体系统的基本长度单位，可以粗略的认为，等离子等离子体振荡示意图等离子体振荡示意图等离子体Langmuir振荡：物理图像：密度扰动物理图像：密度扰动电荷分离（大于德拜半径尺度）电荷分离（大于德拜半径尺度）电场电场驱动粒子驱动粒子(电子、离子电子、离子)运动运动“过冲过冲”运动运动往返振荡往返振荡等离子体最重要的本征频率：等离子体最重要的本征频率：电子、离子振荡频率电子、离子振荡频率Langmuir在在1928年研究气体放电时首次发现年研究气体放电时首次发现Langmuir振荡振荡x=025等离子体振荡示意图等离子体Langmuir振荡：物理图像：密等离子体电子振荡的简单数学模型：等离子体电子振荡的简单数学模型：考虑厚度为考虑厚度为L的片状等离子体，粒子数密度为的片状等离子体，粒子数密度为n。假设其中的电子相对于离子运动了很小的距离假设其中的电子相对于离子运动了很小的距离x近似：把两个电荷过剩区域设想为很薄的面电荷区，近似：把两个电荷过剩区域设想为很薄的面电荷区，只考虑电子的运动只考虑电子的运动（也可直接推导电子也可直接推导电子/质子的运动，再近似质子的运动，再近似）电磁学：面电荷区产生电场，电磁学：面电荷区产生电场，试图消除电荷分离，试图消除电荷分离，运动方程：运动方程：注：电场方向定义为正电荷受力方向注：电场方向定义为正电荷受力方向简谐振荡方程：简谐振荡方程：等离子体振荡示意图等离子体振荡示意图x=0等离子体Langmuir振荡：26等离子体电子振荡的简单数学模型：等离子体振荡示意图x=0等离Q1：电子、离子的运：电子、离子的运动可否解耦？动可否解耦？补充作业：如何同时分析电子和离子补充作业：如何同时分析电子和离子(电电荷荷Zi)的振荡过程，求得等离子体的整体振的振荡过程，求得等离子体的整体振荡频率？荡频率？课后请给出完整的推导过程、并讨论电子、课后请给出完整的推导过程、并讨论电子、离子、整体的振荡频率之间的大小比较。离子、整体的振荡频率之间的大小比较。27Q1：电子、离子的运动可否解耦？补充作业：如何同时分析电子和3.等离子体判据一：等离子体的响应时间：等离子体的响应时间：1)、建立德拜屏蔽所需要的时间、建立德拜屏蔽所需要的时间2)、等离子体对外加电荷扰动的响应时间、等离子体对外加电荷扰动的响应时间3)、电子以平均的热速度跨越鞘层空间所需时间、电子以平均的热速度跨越鞘层空间所需时间等离子体概念成立的判据之一：等离子体概念成立的判据之一：283.等离子体判据一：等离子体的响应时间：等离子体概念成立等离子体近似：带电粒子彼此之间的距离需相当接近，带电粒等离子体近似：带电粒子彼此之间的距离需相当接近，带电粒子需可以影响许多邻近的粒子，而不是只影响最近的粒子（等子需可以影响许多邻近的粒子，而不是只影响最近的粒子（等离子体的整体性效应是等离子体特殊的性质之一）。当半径为离子体的整体性效应是等离子体特殊的性质之一）。当半径为德拜长度的德拜长度的“德拜球德拜球”空间内，平均带电粒子数量大于空间内，平均带电粒子数量大于1时，时，即有等离子体的整体性效应。即有等离子体的整体性效应。这也是等离子体概念成立的另一这也是等离子体概念成立的另一个判据个判据 根据理想气体成立的条件，指出是否可把根据理想气体成立的条件，指出是否可把等离子体处理成理想气体等离子体处理成理想气体294.等离子体判据二：等离子体近似：带电粒子彼此之间的距离需相当接近，带电粒子需可5.等离子体判据三：305.等离子体判据三：30等离子体判据小结：等离子体判据小结：判据三：集体效应：带电粒子与中性离子相互碰撞频率远小于等离子体的相带电粒子与中性离子相互碰撞频率远小于等离子体的相互库仑碰撞作用频率和振荡频率互库仑碰撞作用频率和振荡频率判据二：统计意义：等离子体参数必须大于等离子体参数必须大于 1，即德拜，即德拜球内存在足够多的粒子球内存在足够多的粒子判据一、时空尺度：等离子体存在的时空尺度等离子体存在的时空尺度时间：必须远大于响应时间时间：必须远大于响应时间空间：必须远大于德拜长度空间：必须远大于德拜长度以上三点共同保证等离子体集体效应的发挥！以上三点共同保证等离子体集体效应的发挥！31等离子体判据小结：判据三：集体效应：判据二：统计意义：等离子1.2.Plasma applicationsThere are a great many possibilities!.321.2.Plasma applicationsThere aPlasma Medicine:new engineering solution at the hospital.33Plasma Medicine:33Plasma is an Ionized Gasconsisting of electrons with temperature 10,000 K,ions,and neutralsThermal(Hot)PlasmaThermal(Hot)PlasmaCold PlasmaCold PlasmaAurora BorealisInductively-coupledPlasma(ICP)Plasma TVLightningPlasma TVGas temperature 20,000 FGas temperature 300 K34Plasma is an Ionized GasconsiPlasma fundamentals:ionization processes35Plasma fundamentals:ionizatioSurface temperature following gliding arc treatment for 120 secondsRemote thermal plasmaPlasma coating&treatmentGliding arc surfacesterilizationDecontamination of gasPlasma pencilMicrowave plasmaRF CCPDirect Plasma MedicineWhat is Plasma Medicine?Plasma is a strong sterilizer but was never applied to tissuePulsed spark in waterVacuum UV sterilizationUVActive neutralsChargesROS/RNSFields36Surface temperature following Bio-Active Plasma Components:Bio-Active Plasma Components:Plasma-medicalPlasma-medical Discharges DischargesFE-DBDHelium jetPHDThermal sourcePlasma blanketnano-corona37Bio-Active Plasma Components:Uniqueness of Medical Plasma+-Conventional plasma between two electrodes,Voltage 40,000 VMedical PlasmaVoltage 40,000 VOne electrode is human bodyRoom temperature airNot harming healthy tissue,generating reactive species38Uniqueness of Medical Plasma+2003201410-30 kHz(continuous)0.1-10 kHz(pulsed)10-30 kV0.5-5 mm gap0.1-10 cm2 electrode0.01-2 W/cm2 plasma powerElectron Temperature:10,000-20,000 KTemperature of Ions and Neutrals:300 K(room)Plasma Density:1012 cm-3Electron Density in Streamer:1013 cm-3e(-)O2(1g+)e(-)NOe(-)O3OHO2(1g+)i(+)i(+)i(+)i(+)Microsecond pulseContinuous waveNanosecond pulseWhat is Plasma Medicine?How?Key is to create uniform discharge not to damage tissue2003201410-30 kHz(continuous)Plasma Medicine todayWound HealingHealing of diseasesBloodcoagulationSkin infections and ulcers,gastrointestinal diseases(colitis,etc),cancers,dentistry,Leishmaniasis20032014LeishmaniasisBrain cancer“Applied Plasma Medicine”G.Fridman,et al,PPP 2008 600 citationsDiabetic ulcersInfected burn woundsEpistaxisPlasma Medicine todayWound HeFundamentals are crucialfor safety and efficacy of medical treatmentsMedical mechanisms:Biochemical pathways of treatment of specific diseases.Physics and devices:Control and study of production of active species in uniform strongly non-equilibrium nanosecond pulsed plasma.Cellular biochemistry:Understand bio-molecular mechanism of the interactionof plasma with mammalian cells and tissues.PLIF CRDSFundamentals are crucialfor sPlasma medical Physics:DBD discharge stimulates biochemistry through RNS,ROS,chargesUV(180-340 nm)VUV(110-180 nm)DNA damage Cell wall fractureCharged Species(ions and electrons)1.Ion Catalysis2.Ion Bombardment3.Collective E-fields Cell wall fracture Natural signal stimulation(Calcium channel opening,Growth factor stim.)Alter protein structure and enzymatic activityGlobal effects:1.E-field2.Temperature Electro-poration Surface heating(cooking)Neutrals Long-living(O3,NO,HO2,H2O2,)-Correlated with ions in intracellular fluid media or lead to erosion Short-living(OH,O,electronically excited O(1D),O2(1g),)-Lead to erosion w/o reaching DNA Tissue regeneration Natural signal stimulation(Calcium channel opening,Growth factor stimulation)OxidationPhysical and biological mechanisms of direct plasma interaction with living tissue,Danil Dobrynin et al 2009 New J.Phys.11 115020Plasma medical Physics:DBD diCellular biochemistry:Plasma effects are highly dose-dependent for intracellular biochemistryNo PlasmaTUNEL assay for apoptosis24 hoursEndothelial Cell Proliferation is enhanced by Low Dose Non-Thermal Plasma Treatment through Fibroblast Growth Factor-2 Release by S.Kalghatgi,A.Fridman,G.Friedman,A.Morss Clyne.in Annals of Biomedical Engineering,2010.38(3):p 748 757Cellular biochemistry:Plasma Cellular biochemistry:Plasma induces DNA breaks through ROS0.26 J/cm2DAPI(nuclear stain)g-H2AX(DNA Damage)DNA-NucleiCMH2DCF(ROS)MERGEUntreatedPlasma(1.55 J/cm2)Plasma(4.65 J/cm2)Non-thermal Plasma Induces Apoptosis in Melanoma Cells by R Sensenig,S Kalghatgi,E Cercha,G Fridman,A Shereshevsky,B Torabi,K P Arjunan,E Podolsky,A Fridman,G Friedman,J Azizkhan-Clifford,A D Brooks in Annals of Biomedical Engineering,Vol.39,No.2,February 2011(2010)pp.674687Cellular biochemistry:Plasma Cellular biochemistry:dose/dose rate are keyEffective directPlasma MedicineApplied Plasma Medicine,Gregory Fridman1,*,Gary Friedman2,Alexander Gutsol3,Anatoly B.Shekhter4,Victor N.Vasilets3,Alexander Fridman3,Plasma Processes and Polymers,Special Issue:Special Issue on Plasma Medicine,Volume 5,Issue 6,pages 503533,August 15,2008Cellular biochemistry:dose/doWound treatment and disinfection:Sterilization in 10 minMedical plasma applications:Fast sterilization of complex wounds without damageCold Plasma Sterilization of Open Wounds:Live Rat Model,D Dobrynin,K Wasko,G Friedman,A Fridman,&G Fridman,Plasma Medicine,1(2):109114(2011)46Wound treatment and disinfectiPlasma sterilization of live corneaPig modelRabbit model47Plasma sterilization of live cMedical plasma applications:Coagulation of capillary bleeding*Without plasma treatment blood coagulated in 1220+minutes48Medical plasma applications:CNatural Blood Coagulation:Plasma Influenced Increase in Effective Ion ConcentrationsG.Fridman,et al.,Plasma Chemistry and Plasma Processing,26,425-442(2006).Ions catalyze many coagulation processesIncrease in effective ionic concentration leads to rapid coagulationPlasma influences effective ionic concentrations in blood and thus may be able to catalyze the coagulation processBlood coagulation cascadeNatural Blood Coagulation:PlaNatural Blood Coagulation:Platelet Activation by PlasmaUntreated:(a)Citrated whole blood(control)showing a single activated platelet(white arrow)on a red blood cell(black arrow).(b)Citrated whole blood(control)showing many non-activated platelets(black arrows)and intact red blood cells(white arrows).Treated:(c)Citrated whole blood(treated)showing extensive platelet activation(pseudopodia formation)and platelet aggregation(white arrows).(d)Citrated whole blood(treated)showing platelet aggregation and fibrin formation(white arrows).Plasma*Platelet activation*Platelet aggregation*Fibrin formationNatural Blood Coagulation:PlaMedical plasma applications:Coagulation of capillary bleeding during EpistaxisFast Blood Coagulation of Capillary Vessels by Cold Plasma:A Rat Ear Bleeding Model,D Dobrynin,K Wasko,G Friedman,A Fridman,&G Fridman,Plasma Medicine,1(34):241247(2011)51Medical plasma applications:CMedical plasma applications:Wound blood coagulation and improved healing rate.Control:excessive tissue damage15 min,low power:no damage5 min,high power:no damageLive Pig Skin Tissue and Wound Toxicity of Cold Plasma Treatment,D Dobrynin,A Wu,S Kalghatgi,S Park,N Shainsky,K Wasko,E Dumani,R Ownbey,S Joshi,R Sensenig,AD Brooks,Plasma Medicine,1(1):93108(2011)52Medical plasma applications:WMedical plasma applications:Wound healing and tissue regeneration of unhealing wounds.Voltage:20 kVFrequency:0.7 2 kHzPulse duration:2 secPower density:0.2 0.5 W/cm2Filament temperature:320-420KControlPlasma-treated32 animals:hairless diabetic rats,180 gPenetration Deep into Tissues of Reactive Oxygen Species Generated in Floating-Electrode Dielectric Barrier Discharge(FE-DBD):in Vitro Agarose Gel Model Mimicking an Open Wound,D Dobrynin,G Fridman,G Friedman and A Fridman,Plasma Medicine,submitted53Medical plasma applications:WMedical plasma applications:Plasma-gastroenterology treatment of Chrohns disease&Ulcerative ColitisK.Chakravarthy,et al.,ICPM-2,March 16-20,2009,San Antonio,Texas.K.Chakravarthy,et al.,DDW 2009,Digestive Disease Week,Chicago,IL,May 30-June 4,2009.Plasma can be safely applied to treatment of gastrointestinal diseases.Gas:atmospheric airDischarge voltage:0.5-1 kVPlasma afterglow diameter:2-3 mmFrequency:1 7 HzPulse duration:30 msAverage plasma gas temperature:300 K54Medical plasma applications:PBone tissue regeneration in orthopedics:stem cell differentiation.MSCNon-Thermal Plasma enhances:3)Limb DevelopmentCartilage CellsBone Cells1)Proliferation2)Differentiation of MSCs into:Osteoblasts and ChondrocytesMesenchymalStem Cells55Bone tissue regeneration in orMedical plasma applications:Tissue regeneration and stem cell stimulation/differentiation.Nonthermal Dielectric Barrier Discharge Plasma Enhances Cell Differentiation and Skeletal Growth,TA Freeman,J Zhang,N Shiansky,J Corsini,E Koyama,G Friedman,G Fridman,A Fridman,MJ Steinbeck,PLoS ONE,2013 submittedBone Growth,Rat Embryo Paw Model.Plasma-stimulated differentiation of stem cells56Medical plasma applications:TPlasma Medicine without damage!Hippocratic Oath:Do no harm!Healing without genetic modification.希波克拉底57Plasma Medicine without damage2024/7/29582023/8/1758