Caractérisations d'un jet de plasma froid d'hélium à pression atmosphérique

Characterisations of a helium cold plasma at the atmospheric pressure

• Auteur / Autrice : Julien Cosimi
• Direction : Frédéric Marchal, Nofel Merbahi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie des Plasmas
• Date : Soutenance le 19/10/2020
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (Toulouse ; 2007-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydroxyle

Traitements de surface

Micro-jets de plasma

Mots clés libres

Fluorescence induite par laser

Espèces radicalaires

Jet plasma

Images ICCD

Imagerie Schlieren

Interaction plasma/surface

Laser-induced fluorescence

Radical species

Plasma jet

ICCD images

Schlieren imaging

Plasma/surface interaction

Résumé

Les jets de plasma froid à la pression atmosphérique connaissent un réel engouement dans de nombreux domaines du biomédical depuis la dernière décennie. Dans les différentes applications de ces jets, le plasma généré est amené à interagir avec de nombreux types de surfaces. Les jets de plasma ont une influence sur les surfaces traitées, mais il est maintenant connu que les surfaces traitées influencent également le plasma en fonction de leurs caractéristiques. Le travail mené dans cette thèse a donc pour but de caractériser un jet de plasma froid d'hélium à la pression atmosphérique en contact avec trois types de surfaces (diélectrique, métallique et eau ultrapure) au moyen de différents diagnostics électriques et optiques afin de comprendre l'influence de la nature des surfaces sur les propriétés physiques du plasma et les espèces chimiques générées. La première partie de cette thèse s'intéresse à l'étude de l'influence des surfaces sur le jet de plasma. Différents paramètres sont étudiés, tels que la nature de la surface exposée, le débit de gaz, la distance entre la sortie du dispositif et la surface exposée ou encore la composition du gaz plasmagène. Pour ce faire, nous avons utilisé dans un premier temps l'imagerie Schlieren afin de suivre le flux d'hélium en sortie du dispositif en présence ou non de la décharge. La spectroscopie d'émission a été utilisée pour déterminer les espèces émissives générées par le plasma. L'imagerie rapide nous a permis de suivre la génération et la propagation de la décharge et la distribution de certaines espèces excitées dans le jet avec l'aide de filtres interférentiels passe-bandes. Une cible diélectrique entraîne un étalement de l'onde d'ionisation sur sa surface et une cible conductrice entraîne la formation d'un canal de conduction. L'évolution de la densité d'espèces excitées (OH*, N2*, He* et O*) augmente avec la permittivité relative de la surface traitée. Le rôle joué par les espèces actives générées par les jets de plasma est fondamental dans la cinétique et la chimie des mécanismes liés aux procédés plasma. La seconde étape de la thèse porte donc sur l'évaluation spatiale et temporelle des densités du radical hydroxyle OH, une espèce jouant un rôle majeur dans de nombreux mécanismes. La cartographie spatiale et l'évolution temporelle des densités absolues et relatives de OH ont été obtenues au moyen de diagnostics lasers LIF et PLIF. La densité de OH générée augmente avec la permittivité relative de la surface traitée. On constate que les radicaux OH restent présents dans le canal d'hélium entre deux décharges consécutives (plusieurs dizaines de microsecondes). Enfin, nous nous sommes intéressés à la production d'espèces réactives à longue durée de vie dans l'eau ultrapure traitée par plasma. L'influence de différents paramètres sur la concentration d'espèces dans l'eau traitée a été étudiée dans le but d'optimiser la production de ces espèces. Dans nos conditions expérimentales, la mise à la masse de l'eau ultrapure lors du traitement permet l'augmentation de la concentration de H2O2. Par ailleurs, la mise à la masse induit une diminution la concentration de NO2-.

Cold atmospheric pressure plasma jets are a subject of great interest in many biomedical fields for the past decade. In the various applications of these jets, the plasma generated can interact with many types of surfaces. Plasma jets influence the treated surfaces, but it is now well known that the treated surface also influences the plasma according to their characteristics. The work carried out in this thesis therefore aims to characterize a cold helium atmospheric pressure plasma jet in contact with three surfaces (dielectric, metallic and ultrapure water) by means of different electrical and optical diagnostics in order to understand the influence of the nature of the surfaces on the physical properties of the plasma and the chemical species generated. The first part of this thesis is focused on the study of the influence of surfaces on the plasma jet. Different parameters are studied, such as the nature of treated surfaces, the gas flow, the distance between the outlet of the device and the surface or the composition of the injected gas. For this purpose, helium flow at the outlet of the device is followed by Schlieren imagery with and without the discharge. Emission spectroscopy is used to determine the emissive species generated by the plasma. ICCD imagery is employed to follow the generation and the propagation of the discharge and the distribution of several excited species in the jet by using band-pass interference filters. A dielectric target causes the ionization wave to spread over its surface and a conductive target leads to the formation of a conduction channel. The evolution of excited species densities (OH*, N2*, He* and O*) increases with the relative permittivity of the treated surface. As well known, active species generated by plasma jets play a fundamental role in the kinetics and the chemistry of the mechanisms linked to plasma processes. The second part of the present work therefore relates to the spatial and temporal evaluation of the densities of the hydroxyl radical OH which plays a major role in many cellular mechanisms. The spatial mapping and the temporal evolution of the absolute and relative densities of OH are obtained by LIF and PLIF laser diagnostics. The density of OH generated increases with the electrical conductivity of the treated surface. It can be noted that the OH molecules remain present in the helium channel between two consecutive discharges (several tens of microseconds). Finally, we focus on the production of chemical species in ultrapure water treated with plasma. The influence of different parameters on the concentration of species in the treated water has been studied to optimize the production of chemical species. In experimental conditions, grounding the ultrapure water during treatment increases the concentration of H2O2. Furthermore, the grounding induces a decrease in the NO2- concentration.