Physique des décharges nanosecondes diffuses générées sous champs électriques extrêmes

Nanosecond diffuse discharges generated under extreme electric fields

• Auteur / Autrice : Alexandra Brisset
• Direction : Pierre Tardiveau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des plasmas
• Date : Soutenance le 05/12/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des gaz et des plasmas (Orsay, Essonne ; 1965-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Françoise Massines
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Tardiveau, Françoise Massines, Zdenko Machala, Stéphane Pellerin, Svetlana Starikovskaia, Sedina Tsikata, Christophe Laux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Zdenko Machala, Stéphane Pellerin
• DOI : 10.70675/b21cb759z338fz420az93a9z19fbd2803b82

Mots clés

Mots clés contrôlés

Décharges électriques dans les gaz

Plasmas froids

Haute tension

Spectroscopie d'émission

Mots clés libres

Plasma non-Thermique

Surtension

Impulsion nanoseconde

Décharge diffuse

Traitement de gaz

Non-Thermal plasma

Overvoltage

Nanoseconde pulse

Diffuse discharge

Gas depollution

Résumé

Les plasmas non-thermiques à haute pression sont très étudiés pour comprendre en détails les mécanismes de développement des décharges qui les créent et les processus cinétiques induits. Ils activent une chimie hors-équilibre spécifique très intéressante pour de nombreuses applications. De fortes concentrations d'espèces très réactives sont ainsi générées avec un coup énergétique relativement faible. A pression atmosphérique, la décharge est généralement filamentaire et instable. Ces dernières années, des études ont mis en évidence de nouveaux types de décharges stables et diffuses, au sens de l'extension spatiale de la décharge qui peut s'étendre sur des échelles centimétriques. Ces décharges sont très intéressantes car elles combinent à la fois un important volume plasmagène, et des champs électriques très élevés. Cependant, la physique de ces décharges est mal connue.Les travaux menés dans cette thèse aborderont tout d'abord des mécanismes physiques de déclenchement de la décharge. Différents régimes de décharge seront présentés par des mesures d’imagerie rapide et par l'étude des signaux électriques. En particulier ils détermineront l'influence de la tension sur les vitesses de propagation et les profils d'intensité lumineuse. Nous mesurerons ensuite la distribution spatio-temporelle du champ électrique et étudierons ces spécificités. Puis nous étudierons comment l'énergie injectée participe à la réactivité chimique de la décharge. Notamment, la température et les densités absolues d’espèces réactives majoritaires (O, O3, N2(B,C)) sont mesurées. Enfin, nous nous intéresserons aux mécanismes de relaxation énergétique en post-décharge. De nombreux diagnostics, souvent complémentaires, permettront de lier la succession des processus physico-chimiques au cours du développement temporel de la décharge depuis son déclenchement jusqu'à sa relaxation complète.

Non-thermal high-pressure plasmas are extensively studied to understand in detail the development mechanisms of the discharges that create them and the kinetic processes induced. They activate a specific non-equilibrium chemistry that is very interesting for many applications. High concentrations of highly reactive species are thus generated with a relatively low energy consumption. At atmospheric pressure, the discharge is generally filamentary and unstable. In recent years, studies have identified new types of stable and diffuse discharges, in the sense of the spatial extension which can extend over centimetre scales. These discharges are very interesting because they combine both a large plasma volume and very high electric fields. However, the physics of these discharges is not well known.The work carried out in this thesis will addressfirst of all, physical mechanisms of triggering of the discharge. Different discharge regimes will be presented through rapid imaging measurements and the study of electrical signals. In particular, they will determine the influence of voltage on propagation rates and light intensity profiles. We will then measure the spatial and temporal distribution of the electric field and study its specificities. Then we will study how the injected energy contributes to the chemical reactivity of the discharge. In particular, the temperature and absolute densities of the majority of reactive species (O, O3, N2(B,C)) are measured. Finally, we will look at the mechanisms of energetic relaxation in post-discharge. Many diagnostics, often complementary, will make it possible to link the succession of physico-chemical processes during the temporal development of the discharge from its initiation to its complete relaxation.