Study for the dielectric barrier discharges monitoring, of the couplings between their electrical, thermal and chemical properties in air at atmospheric pressure

Etude pour le contrôle des décharges à barrière diélectrique, des couplages entre leurs priopriétés électriques, thermiques et chimiques dans l'air à pression atmosphérique

• Auteur / Autrice : Marielle Divay-Dhainaut
• Direction : Michel Meunier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences appliquées. Génie électrique
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Paris 11

Mots clés

Mots clés libres

Ozone

Température

Résumé

Le travail a été conduit sur un dispositif choisi pour son intérêt industriel et en configuration pointe-plan afin de se placer dans des conditions spatialement contrôlées. L'ozone a été choisi comme marqueur de réactivité de la décharge. Sa production dépend de l'efficacité de production d'oxygène atomique et de la température du milieu réactionnel. Pour découpler le rôle de ces deux grandeurs, des gammes différentes de densités d'énergie ont été explorées : 0-100 J/l pour l'étude du couplage électrique/chimique et 100-800 J/l pour celle des effets thermiques. Dans le cas spécifique des décharges de surface, il est montré que leur longueur de propagation ne dépend que de la tension seuil, alors que leur durée est dépendante de la nature du diélectrique, du fait de mécanismes de piégeage et/ou d'attachement d'électrons. La relation courant impulsionnel/production d'ozone est alors modifiée, ce qui nous a conduit à proposer un facteur de qualité C (rapport amplitude/durée des impulsions de courant) décrivant l'efficacité de production d'ozone pour les décharges dans un intervalle gazeux ou à la surface d'un diélectrique. Trois milieux réactifs à températures différentes sont considérés : le volume concerné par le plasma de décharge, ce même volume en fin de période de relaxation entre les impulsions de courant et l'environnement gazeux immédiat. Un simple calcul cinétique montre que la formation d'ozone est improbable dans le plasma même, résultat validé par l'obtention d'une production accrue d'ozone lors du refroidissement du gaz plasmagène à caractéristiques de décharge inchangées. La température du gaz dans le volume de décharge en fin de période de relaxation a pu être déterminée grâce à l'étude des ondes acoustiques associées au développement des filaments de décharge. Les valeurs obtenues restent trop élevées pour une production d'ozone significative. L'environnement gazeux devient donc le site majeur de formation de l'ozone dans les conditions considérées.

The work was carried out on a DBD device, of industrial interest, with a point-to-plane geometry in order to control the discharge location. Ozone was used as a tracer of the discharge reactivity. Its production depends on the generation efficiency of atomic oxygen and on the reactional medium temperature. In order to distinguish the role played by each of these parameters, different energy ranges have been investigated: 0-100 J/l for the electrical-chemical coupling study and 100-800 J/l for the thermal study. In the specific case of surface discharges, it is shown that their propagation length only depends on the threshold voltage while their duration is affected by the nature of the dielectric material, through electrons trapping and/or attachment mechanisms. The relationship between pulsed current and ozone production is then modified, leading to the introduction of a quality factor C (ratio between amplitude and duration of the current pulses) allowing to describe the ozone production efficiency in the case of discharges developing in a gas gap as well as on a dielectric surface. Three reactive media characterized by different temperatures are considered: the volume related to the discharge plasma, the same volume at the end of the relaxation period between the current pulses, and the immediate vicinity of the discharge volume. A simple kinetic calculation showing that ozone formation is unlikely in the plasma itself, has been validated by obtaining an enhanced ozone concentration while cooling the feed gas and keeping identical discharge characteristics. The gas temperature in the discharge volume at the end of the relaxation period has been determined through the study of the acoustical waves associated to the discharge filaments development. The obtained values remain too high for a significant ozone production. In the conditions under consideration, the gas volume surrounding the discharge thus appears as the most probable location for ozone formation.