Décharge à Barrières Diélectriques à pression atmosphérique pour la charge bipolaire d’aérosol

Atmospheric pressure dielectric barrier discharge for aerosol bipolar charging

• Auteur / Autrice : Rémi Mathon
• Direction : Jean-Pascal Borra
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des plasmas
• Date : Soutenance le 17/12/2015
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des gaz et des plasmas (Orsay, Essonne ; 1965-....)
• Jury : Président / Présidente : Fréderic Bouillaut
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Pascal Borra, Fréderic Bouillaut, Lucian Dascalescu, Alfred P. Weber, Denis Boulaud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lucian Dascalescu, Alfred P. Weber

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aérosols

Plasmas (gaz ionisés)

Ions -- Diffusion

Mots clés libres

Décharge à barrières diélectriques

Aérosol

Chargeur d'aérosol

Charge bipolaire

Plasma froid

Charge par diffusion

Dielectric barrier discharge

Aerosol

Aerosol charger

Atmosperic pressure electrical discharge

Noneequilibrium plasma

Diffusion charging

Résumé

La mesure de distribution de taille d’un aérosol (particules solides ou liquides en suspension dans un gaz) par analyse de mobilité électrique nécessite de neutraliser l’aérosol. La neutralisation consiste à conférer une distribution de charge centrée sur zéro obtenue par la diffusion sur l’aérosol d’ions bipolaires. Nous avons démontré la faisabilité d’un chargeur bipolaire post-Décharge à Barrières Diélectriques (DBD) pour remplacer les neutraliseurs radioactifs, généralement utilisées pour la production d’ions bipolaires et soumis à des contraintes législatives. La caractérisation électrique des DBD en géométrie « fil-fil » selon la distance inter-électrodes, la tension et le débit a permis demettre en évidence trois types d’auto-organisations des filaments selon la tension et d’évaluer lecourant de décharge, c’est-à-dire la production par la décharge d’espèces chargées par unité detemps. Dans la géométrie et les conditions de fonctionnement choisies, des méthodes de mesure des flux d’ions en post-décharge ont alors été développées. Nous avons ainsi confirmé que la fraction d‘ions extraits de l’espace inter-électrodes résulte d’une compétition électro-hydrodynamique qui dépend de l’auto-organisation des filaments. En effet, les densités d’ions positifs et négatifs en post-DBD, ainsi que le rapport entre ces densités, critiques pour la charge d’aérosols, sont contrôlés par les champs électriques et le temps de transit des ions en post-décharge. Dans le chargeur post-DBD, les densités d’ions sont décroissantes. Toutefois, cette décroissance n’affecte pas les distributions de charges des aérosols qui sont constantes pour chaque taille quelle que soit la concentration d’aérosol. Dans ces conditions, les granulométries mesurées en post-neutraliseurs radioactif et DBD sont comparées afin de prouver que le neutraliseur post-DBD est viable pour la granulométrie des aérosols submicroniques.

The measurement of the size distribution of an aerosol (solid or liquid particles in suspension in agas) by electrical mobility analyses requires the neutralization of the aerosol. Neutralization consistsin imparting a charge distribution with a mean charge of 0 by the diffusion of bipolar ions on aerosol.We prove the feasibility of a post- Dielectric Barrier Discharge (DBD) bipolar charger as an alternativeto radioactive neutralizer subjected to legislative constraints. The electrical characterization of awire-to-wire DBD versus the gap, the voltage and the flow-rate highlights 3 kinds of selforganizationsof filaments versus voltage. Moreover, discharge current which represents the chargedspecies production per unit of time is evaluated. In the chosen geometry and operating conditions, apost-discharge ions flux measurement method was developed. We confirm that anelectro-hydrodynamic competition controls the extraction of ions from the gap. In fact, electric fieldsand transit time control positive and negative ions densities and the ratio between them which arecritical for aerosol charging. For the post-DBD charger, ions densities decrease in the charging zone.However, this decrease does not affect the aerosol charge distribution for each particle size withconcentration. In these conditions, the post-radioactive neutralizer and post-DBD neutralizer aerosolsize measurements are compared in order to prove that the post-DBD neutralizer is available forsubmicronic aerosols sizing.