Nanosecond Repetitively pulsed plasmas in preheated air at atmospheric pressure

• Auteur / Autrice : David Pai
• Direction : Christophe Laux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'énergétique moléculaire et macroscopique, combustion (Gif-sur-Yvette, Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Décharges électriques dans les gaz

Plasmas (gaz ionisés)

Mots clés libres

Décharge diffuse

Décharge filamentaire

Plasma à pression atmosphérique

Décharges impulsionnelles nanosecondes répétitives (INR)

Résumé

Les plasmas d’air à pression atmosphérique de faible coût énergétique et à basse température ont de nombreuses applications potentielles. Les décharges Impulsionnelles Nanosecondes Répétitives (INR) sont intéressantes car elles produisent de tels plasmas a�� des coûts énergétiques inférieurs à ceux des autres techniques. L’objectif de cette étude est d’étendre leur domaine de fonctionnement à plus basse température, soit, inférieure à 1000 K. D’abord, nous démontrons l’existence de trois régimes de la décharge INR dans l’air à pression atmosphérique et à 1000 K. Ces trois régimes ont un aspect de décharge couronne (C), diffuse (D) et filamentaire (F). Nous en caractérisons les propriétés chimiques, électriques et thermiques par spectroscopie d’émission et par mesure courant-tension. Le régime D est caractérisé par de faibles niveaux d’émission lumineuse, de courant de conduction et de température. Ce régime est créé par une onde d’ionisation initiale se propageant de l’anode vers la cathode, suivi d’une onde plus rapide dans la direction opposée. Le régime F est caractérisé par un rayonnement intense, un fort courant de conduction de l’ordre de la dizaine d’ampères et un échauffement significatif de l’air pouvant atteindre plusieurs milliers de Kelvins. Nous avons ensuite mené une étude des effets de la température du gaz et de la distance inter-électrodes sur les propriétés des régimes D et F, et sur la tension de transition D-F. Nous avons déterminé que pour une température de gaz donnée, le régime D ne peut exister que pour une distance inter-électrodes minimale. Ceci nous a permis d’étendre le domaine d’existence de la décharge D jusqu’à la température ambiante.

Atmospheric pressure air plasmas have numerous potential applications that require low power and low gas temperature. The Nanosecond Repetitively Pulsed (NRP) method can generate such plasmas for power budgets lower by several orders of magnitude than traditional plasma generation methods. This study seeks to enlarge the range of application of NRP plasmas to the 300 to 1000 K range. First, we demonstrate the existence of three regimes of the NRP discharge in air at atmospheric pressure and at 1000 K, and then we characterize their chemical, electrical, and thermal properties through optical emission spectroscopy and current-voltage measurements. The three regimes are corona-like (termed C), diffuse-like (D) and filamentary-like (F). The measurements show that the D regime has low levels of emission, gas heating, and electrical conduction current. Furthermore, this regime develops through an initial ionization wave propagating from the anode to the cathode, followed by a faster return wave in the opposite direction. In contrast to the D regime, the F regime emits strongly, heats the gas by several thousand degrees Kelvin, and has tens of amperes of conduction current. Second, we conduct a parametric study on the effects of gas temperature and gap distance on the properties of the D and F regimes and the D-F transition voltage. We find that at a given gas temperature, there is a minimum gap distance required for the existence of the D regime. Using this fact, we were able to extend the domain of existence of the D regime down to ambient temperature.