Dissociation du dioxide de carbone dans les plasmas pulsés aux conditions des champs électriques élevés : rôle de l'échange d'énergie avec les espèces électroniquement excitées.

Dissociation of carbon dioxide in pulsed plasma at high electric fields : role of energy exchange with electronically excited species.

• Auteur / Autrice : Georgy Pokrovskiy
• Direction : Svetlana Starikovskaia
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique, Laser et Plasma
• Date : Soutenance le 07/12/2021
• 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 ; 1975-....)
• Jury : Président / Présidente : Erik Johnson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Svetlana Starikovskaia, Nicolas Naudé, Vasco Guerra, Olivier Guaitella, Gianpiero Colonna, Giorgio Dilecce
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nicolas Naudé, Vasco Guerra

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dioxyde de carbone

Technique de l'environnement

Plasmas (gaz ionisés)

Mots clés libres

Plasma nanoseconde

Conversion du dioxyde de carbone

Échauffement du gaz rapide

Conversion assistée par plasma

Nanosecond plasma

Conversion of carbon dioxide

Fast gas heating

Plasma-assisted conversion

Résumé

La thèse est dédiée aux études de la dissociation du dioxyde de carbon aux pressions modérées dans un plasma nanosecond pulsé aux conditions de champ électrique réduit et d'énergie spécifique élevés. L'objectif principal de la recherche a été de se concentrer sur un tel régime de la décharge, qui facilite la domination de l'excitation des degrés de liberté électroniques des espèces actives par rapport aux vibrations.Les expériences ont été réalisées dans deux types différents des capillaires - les capillaires dits ''fin'' et ''FTIR''. Il a été montré que la décharge se développe comme une onde d'ionisation stable (FIW) en CO2 dans tous les deux types de capillaires. Tout le gaz traversant le réacteur a été traitée par trois impulsions haute tension séparées par 250 ns. Les caracteristiques principales de la décharge telles que le courant électrique, le champ électrique réduit et le dépôt spécifique de l'énergie ont été enregistrées pendant les trois impulsions. La densité électronique a été mesurée dans le capillaire fin. La densité électronique pic s'est avérée être de 2*1015cm-3 à première impulsion haute tension. Cette valeur correspond à un degré d'ionisation de 0.5% à la pression de 15.5 mbar. Puisqu'il était techniquement possible d'enregistrer le profil du champ électrique réduit E/n dans le capillaire fin en fonction du temps, ces mesures précises ont été effectuées. Les valeurs du champ électrique dans le capillaire fin étaient d'environ 1000 Td dans FIW et 300 Td derrière son front. Le dépôt d'énergie spécifique s'est avérée être de 1.5eV/particule. Quant au capillaire FTIR, il n'a été possible que d'estimer le champs électrique réduit et le dépôt d'énergie spécifique. Toutefois, il peut être conclu que les deux valeurs sont deux fois plus élevées par rapport au capillaire fin. Des mesures de valeurs du taux de dissociation a et son efficacité h à leur état stationnaire ont été effectuées à la sortie du capillaire FTIR. FTIR a été utilisé pour les mesures. Les valeurs de a et h étaient proches de 20% au regime basse cadence des impulsions. Lorsque la cadence augmentait, a atteignait un seuil de 92%, h du processus était d'environ 8%. La spectroscopie d'émission (OES) n'a révélé aucune différence qualitative entre les spectres d'émission acquis dans chacun des capillaires. Les spectres d'émission démontrent une présence abondante des états de CO2+ et C électroniquemment excités. Ceux-ci se trouvent entre 18 et 25~eV par rapport à l'état fondamental du CO2. Il a été montré que l’excitation des dégres de liberté électroniques domine les degrés de liberté vibrationnels et fournit un taux élevé de la conversion du CO2 pendant le développement de la décharge. La dissociation du CO en C et O a été aussi remarquée. Les mesures du profil radial de la densité électronique par ICCD au milieu de la décharge ont été réalisées. Il a été montré que le profil a un maximum dans l'axe du capillaire et décroît de la façon monotone en direction des parois.D'ailleurs, le comportement du profil ne changeait pas pendant les impulsions haute tension ni entre elles. La température du gaz a été enregistrée par OES de l'azote qui avait été adjoint en petites quantités. La pertinence de la température rotationnelle de l'azote pour la température du gaz a été justifiée. Les mesures de la température ont été effectuées dans les deux capillaires. La température au capillaire FTIR a été égale à 2000 K après la troisième impulsion. Le capillaire fin a été chauffé jusqu'au 1100 K. Le phénomène d'échauffement rapide du CO2 a donc été confirmé. La modélisation 0D de la décharge a été faite aussi. La modélisation 0D de la décharge a aussi été faite. Elle a montré un bon accord entre les résultats expérimentaux et calculés. Il a été montré que la dynamique temporelle des ions CO2+, O2+ and C2O4+ ainsi que des états électroniques CO(a3Π), O(1D,1S) définit les processus cinétiques plus important ainsi que l'échauffement du gaz pendant et entre les impulsions.

The Thesis is devoted to study of dissociation of carbon dioxide at moderate pressures in nanosecond capillary pulsed discharges at high levels of reduced electric field and specific deposited energy. The main purpose of the research was to focus on such a discharge regime that facilitates dominationof excitation of electronic degrees of freedom of active species over vibrational ones. The experimental studies have been done in two different types of capillaries – the so called ’thin’ and FTIR’ capillaries. It has been shown that the discharge develops as a stable fast ionization wave (FIW) in CO2 in both types of capillaries. Any portion of gas was being treated by train of three high voltage pulses separated by 250 ns in each experiment. The main discharge characteristics such as electric current, reduced electric field and specific deposited energy have been measured in all three pulses. The electron density as a function of time has been measured in the thin capillary. The peak electron density was found to be 2×1015cm−3 in the first high voltage pulse. This value corresponds to the ionization degree of 0.5% at the pressure of 15.5 mbar. Since it was technically possible to obtain time-resolved profile of the reduced electric field E/n in the thin capillary, the exact measurements of E/n as a function of time have been done in it. The values of the reduced electric field in the thin capillary were about 1000 Td in the FIW and 300 Td behind the front of the FIW. The specific deposited energy was found to be (≈1.5eV/particle). As for the FTIR capillary, it was only possible to estimate E/n and specific deposited energy. It can be still concluded that both values are two times higher than in thethin capillary. Measurements of steady-state values of the dissociation fraction α and the energy efficiency of the dissociation η have been done in the FTIR capillary in effluent gas. FTIR has been used for their measurements.The values of α and η were around 20% at low frequency pulse regime. When the frequency of pulses increased, the α value tended to a saturation threshold of 92%, η of the process was around 8 %.Optical emission spectroscopy (OES) in both thin and FTIR capillaries hasn’t revealed any qualitative difference between the acquired spectra. The emission spectra demonstrate an abundant presence of electronically excited states of CO2+ ion and C atom lying between 18 and 25 eV with respect to the ground state of CO2. It has been shown that the excitation of electronic degrees of freedom does dominate over vibrational ones and supplies high values of dissociation fraction of CO2 during the discharge. Presence of dissociation of CO onto C and O has been noticed as well. Measurements of radial profile of the electron density by ICCD imaging in the middle of the discharge have been done. The profile has been shown to have a maximum in the axis of the capillary and to monotonously decrease with respect to direction of walls. Moreover, the behaviour of the profile didn’t change within the high voltage pulses and between them. Gas temperature has been measured by OES of second positive system of nitrogen which has been added to CO2 as a small admixture. The relevance of rotational temperature of nitrogen and gas temperature has been justified. The measurements of temperature have been done both in the FTIR and thin capillary in all high voltage pulses. The gas temperature was equal to 2000 K after the third pulse. The thin capillary has been heated up to 1100 K. The phenomenon of fast heating of CO2 in a nanosecond discharge has been therefore confirmed. Zero-dimensional numerical modeling of the discharge has been also done. It has shown a good agreement between experimental and calculated results. It has been shown that the temporal dynamics of CO2+, O2+ and C2O4+ ions as well as electronic states CO(a3Π), O(1D,1S) define the most important kinetic processes and heating of the gas during and between the pulses.