Mesure du champ électrique et de la densité de particules dissociées dans des décharges nanosecondes pour des applications de cinétique et de biologie

Measurements of electric field and dissociated species in nanosecond discharges for kinetic and biological applications

• Auteur / Autrice : Inna Orel
• Direction : Svetlana Starikovskaia, Halima-Assia Kerdjoudj
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique, Laser et Plasma
• Date : Soutenance le 18/12/2020
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des plasmas (Palaiseau, Essonne ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Gabi-Daniel Stancu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Svetlana Starikovskaia, Halima-Assia Kerdjoudj, Khaled Hassouni, Timo Gans, Pierre Tardiveau, Guilhem Gallot, Simon Dap
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Khaled Hassouni, Timo Gans

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cytologie

Effets du rayonnement solaire

Plasmas froids

Mots clés libres

Plasma froid

E-Fish

Talif

Actinometrie

Biologie cellulaire

Cold plasma

E-Fish

Talif

Actinometry

Cellular biology

Résumé

La présente thèse combine des travaux sur les mesures absolues et résolues en temps des densités d'atomes O et N et du champ électrique en fonction de l'énergie déposée spécifique dans des décharges pulsées nanosecondes à des champs électriques réduits, supérieurs à 100 Td, qui se développent sous forme d'onde d'ionisation rapide (FIW). La densité d'atomes O à l'état fondamental, notée [O] a été mesurée dans une décharge capillaire dans l’air, à 28 mbar avec une énergie spécifique déposée de 0,5-1 eV/molécule par actinométrie optique à l’aide d’argon. Les signaux actinométriques ont été corrigés pour l’émission de fond du premier système positif de N2. L'expérience a été associée à une modélisation des processus cinétiques dans le plasma. Il a été révélé que dans des conditions à la fois de champ électrique réduit et d'énergie déposée spécifique élevés, les réactions entre les espèces chargées et/ou excitées deviennent importantes. En particulier, la recombinaison à 3 corps des ions O+ et Ar+ avec les électrons en tant que 3ème corps devient dominante au début de l’afterglow. Le pic mesuré d’[O], 7,5x10^(16) cm^(-3), correspond à un taux de dissociation de 23%. Le champ électrique longitudinal a été mesuré par génération de deuxième harmonique induite par champ électrique (E-FISH) avec un laser picoseconde dans une décharge de tube de 20-100 mbar de N2 pur et une faible énergie spécifique déposée (10^(-3)-10^(-2) eV/molécule) lors de la propagation du FIW et de la décharge quasi-stationnaire. En dépit du jitter du laser à l'échelle ns, une résolution temporelle de 200 ps a été atteinte à l'aide d'une procédure de traitement des données tir-par-tir développée qui a également effectué une analyse statistique. Le champ électrique dans le FIW s'est avéré avoir une valeur de crête indépendante de la pression d'environ 10 kV/cm et 1-3 ns FWHM qui augmente avec la pression. Le champ électrique réduit de crête atteint la valeur de 2 kTd à 20 mbar. Il a été conclu que le signal de deuxième harmonique provient du quartz du tube à décharge, ce qui rends impossible la calibration par champ Laplacien. Des calibrations par sonde capacitive et par technique de «back current shunt» ont été effectuées. La densité d’atomes N à l'état fondamental, notée [N], dans les décharges capillaires et tubulaires a été mesurée par la technique de fluorescence induite par laser à absorption à deux photons (TALIF). Pour 1 eV/molécule pour la décharge capillaire, [N] atteint la valeur de crête de 1,3x10^(17) cm^(-3) 1 us après le début de la décharge. [N] reste constante jusqu'à 1 ms, puis diminue exponentiellement jusqu'à atteindre la limite de détection à 20 ms. La valeur de crête de [N] correspond à une fraction de dissociation de 10% et à un coût énergétique de production effectif de N de 10 atomes/100 eV. Une telle efficacité élevée est régie par un processus de population supplémentaire entre les espèces chargées et excitées, à savoir la dissociation par impact électronique des états triplets N2(A,B,C). Pour 10^(-3)-10^(-2) eV/molécule pour la décharge tube, [N] montre une valeur constante de 5,5x10^(12) cm^(-3) jusqu'à 80 us et puis diminue. La thèse aborde également l'intérêt des décharges ns dans les applications biologiques à l'exemple de la médecine régénérative assistée par plasma. Un dispositif à plasma atmosphérique froid (CAP) a été développé pour le traitement des cellules souches mésenchymateuses dérivées de la pulpe dentaire. L'effet CAP sur les cellules a été évalué par analyse morphologique des cellules, test de viabilité, test de cytotoxicité, test prolifératif, cytométrie en flux marqué pour les mesures de l'accumulation intracellulaire de ROS et microscopie à fluorescence pour l'imagerie du cytosquelette et des noyaux qui ont conduit à l'établissement d'un protocole non toxique de traitement cellulaire par CAP.

The present thesis combines work on absolute and time resolved measurements of O and N atom densities and electric field as a function of specific deposited energy in nanosecond pulsed discharges at high reduced electric fields (above 100 Td) that develop in form of fast ionization wave (FIW). Ground state O-atom number density, [O], in capillary discharge in 28 mbar air with specific deposited energy of 0.5-1 eV/molecule was measured by optical actinometry technique with Ar as an actinometric admixture. Ar actinometric signal was corrected for N2 first positive system’s background emission. The experiment was highly supported by modelling of kinetic processes in plasma. It has been revealed that in conditions of both high reduced electric field and high specific deposited energy, reactions between charged and/or excited species become important. In particular, the 3-body recombination of O+ and Ar+ ions with electron as a third body become dominant in the early afterglow. The peak measured [O], 7.5x10^(16) cm^(-3), corresponds to 23% dissociation fraction. Longitudinal electric field was measured by electric field induced second harmonic generation (E-FISH) technique with picosecond laser in tube discharge in 20-100 mbar pure N2 with low specific deposited energy at the level of 10^(-3)-10^(-2) eV/molecule during the propagation of FIW and quasi-steady-state discharge. Despite ns-scale laser jitter, temporal resolution as high as 200 ps was attained with help of developed shot-by-shot data treatment procedure that also performed statistical analysis. The electric field in FIW was shown to have a pressure-independent peak value of about 10 kV/cm and 1-3 ns FWHM that increases with pressure. The peak reduced electric field reaches the value of 2 kTd at 20 mbar. It has been concluded that the second harmonic signal originates from the quartz of the discharge tube which disables the possibility of Laplacian field calibration. The calibration against electric field measured by back current shunt and capacitive probe was applied instead. Ground state N-atom number density, [N], in capillary and tube discharges was measured by two photon absorbed laser induced fluorescence (TALIF) technique. For 1 eV/molecule at capillary discharge, [N] reaches the peak value of 1.3x10^(17) cm^(-3) at about 1 us after the initiation of the discharge. [N] stays at the peak value up to 1 ms and then decreases exponentially until reaches the detection limit at 20 ms. The [N] peak value corresponds to 10% dissociation fraction and to effective N-atom production energy cost of almost 10 atoms/100 eV. Such high efficiency is governed by additional population process between charged and excited species, namely, electron impact dissociation of N2(A,B,C) triplet states. For 10^(-3)-10^(-2) eV/molecule at tube discharge, [N] shows rather constant 5.5x10^(12) cm^(-3) value for up to 80 us and further decreases. The thesis also discusses the interest of ns discharges in biological applications on the example of plasma-assisted regenerative medicine. Cold atmospheric plasma (CAP) device was developed for treatment of dental pulp derived mesenchymal stem cells. CAP effect on cells was assessed by morphological cell analysis, viability test, cytotoxicity test, proliferative test, labelled flow cytometry for measurements of intracellular ROS accumulation and fluorescence microscopy for cytoskeleton and nuclei imaging that had led to establishment of non-toxic protocol of cell treatment by CAP.