An atmospheric pressure plasma jet (APPJ) is the propagation of an ionization wave that contains a photoionization process. Helium APPJ is known for its versatility, but not many of its characteristics are known. This is because APPJ is influenced by various factors and it is hard to control these factors. Among these factors, the gas flow rate changes the amount of ambient air penetration and can change plasma properties but is often overlooked. Moreover, the He 23S state interacts with ambient air and changes plasma properties but the relation between the ionization wave and the distribution of He 23S is unknown. In this thesis, the spatiotemporal distribution of the He 23S state was measured by using tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS), and compared with the propagation of ionization wave measured by using an intensified camera. To ease the measurement of the helium metastable state, the spatiotemporal evolution of the Voigt profile was measured, and concluded that the Voigt profile is nearly constant with regard to space and time under certain conditions. Then by using the assumption above, TDLAS image analysis was conducted. As a result, helium metastable propagation speed was slightly slower than the propagation speed of the ionization wave. Additionally, unknown phenomena were observed. First, when the gas flow rate was lower than 2.0 slm, the plasma bullet which shows the location of the ionization wave was separated. Another phenomenon observed was that when the gas flow rate was lower than 2.5 slm, helium metastable density had a double peak near the nozzle. To have further insight into this phenomenon, a measurement of the propagation of the ionization wave in the ignition phase was conducted. As a result, it was concluded that return stroke length increase by ambient air penetration into the helium column caused this phenomenon.
상압 플라즈마 제트는 광이온화 과정을 수반하는 이온화 파동의 진행이다. 상압 헬륨 플라즈마 제트는 다재다능성으로 인해서 주목받고 있는 플라즈마 발생원이지만, 그 성질이 잘 알려져 있지 않고 연구 또한 어렵다. 이는 플라즈마에 관여하는 변수가 많고 이를 통제하기 어렵기 때문이다. 이 중에서 유량 변화는 주변 공기의 침투량을 바꾸어 헬륨 플라즈마의 성질을 바꿀 수 있기에 중요한 변수이지만 자주 간과되는 변수이다. 또한 헬륨 23S 준안정 상태는 유입된 공기와 페닝 이온화를 거쳐서 플라즈마의 성질을 바꾸는 중요한 요소이지만 헬륨 23S 준안정 상태와 플라즈마 이온화 파동의 상관관계는 그리 잘 알려져 있지 않다. 그렇기에 이 논문에서는 상압 헬륨 플라즈마 제트에서 가변 다이오드 레이저 흡수 분광법을 사용해서 헬륨 준안정 상태의 시공간 분포를 측정하고 이를 광증폭 카메라를 이용해서 측정한 이온화 파동의 진행과 비교하였다. 가변 다이오드 레이저 흡수 분광 과정의 편의를 위해서 포크트 윤곽의 시공간에 따른 변화를 측정한 결과, 윤곽이 특정 조건에서는 크게 변하지 않기에 고정된 값으로 취급할 수 있다는 것을 확인하였다. 그리고 이 결과를 가지고 이미지를 분석한 결과, 헬륨 준안정 상태의 진행이 이온화 파동의 진행보다 조금 느린 것을 확인하였다. 추가로 기존에 보고되지 않았던 헬륨 유량이 분당 2.0 표준 리터 미만일 경우에 이온화 파동을 보여주는 플라즈마 총알이 접지판 근처에서 분리되는 것을 확인하였다. 그리고 헬륨 유량이 분당 2.5 표준 리터 미만일 경우에 노즐 근처에서 헬륨 준안정 상태의 밀도가 2번의 극값을 가지는 것을 확인하였다. 이 현상의 원인을 파악하기 위해서 점화 단계에서의 이온화 파동의 전이와 헬륨 준안정 상태의 시간에 따른 변화를 측정하였다. 위의 추가적인 실험을 통해서 헬륨 준안정 상태의 밀도가 2번의 극값을 가지는 것은 주변 공기 유입으로 인한 되돌이 뇌격의 진행 거리가 길어짐으로 인해서 생긴 현상으로 결론지었다.
