Plasmas

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Le terme de plasma recouvre un vaste domaine que l'on peut en première approximation diviser en plasmas thermiques, avec des températures au coeur du plasma supérieures à 5000 K, et des plasmas hors équilibre thermodynamique - dits plasmas froids – avec des températures inférieures (300 - 2500 K) mais où l'énergie des électrons est élevée (0,5-12 eV). Ce type de plasma peut être obtenu par différentes techniques (notamment faisceaux d'électrons) et en particulier par les décharges électriques. En effet, en appliquant à un intervalle gazeux un champ électrique suffisamment fort, les processus d'avalanche électronique interviennent, conduisant à la création d'un milieu partiellement ionisé. L'énergie électrique injectée dans le gaz est alors convertie en énergie électrique (dérive et collection d'ions aux électrodes), thermique (échauffement local du gaz) et chimique (production d'espèces réactives primaires - par phénomènes d'ionisation, dissociation, excitation, attachement électronique, recombinaison, etc. - conduisant à leur tour à des espèces gazeuses stables). Certains dispositifs bien connus permettent de favoriser la conversion de l'énergie électrique en énergie chimique, au détriment de l'énergie thermique, c'est à dire d'éviter l'arc électrique (plasma thermique). Le plasma obtenu est alors qualifié de plasma froid (température du gaz proche de l'ambiante).



Plasma d'argon à PA. Décharge DBD (Thèse A. Mfopara)


Les recherches effectuées dans le groupe sont spécifiquement orientées sur l'étude et la mise en oeuvre de plasmas hors équilibre thermodynamique (plasmas froids) produits par décharges électriques à pression atmosphérique (PA).

Ces dernières peuvent être obtenues par polarisation d'un jeu d'électrodes métalliques fortement asymétriques (classiquement type pointe - plan) permettant de renforcer localement le champ électrique, et donc d'abaisser les tensions de fonctionnement. Il s'agit, d'un point de vue électrique, de la mise en série d'une zone de faible impédance (plasma) au voisinage de la pointe et d'une zone de forte impédance (zone de dérive ionique), cette dernière prévenant la disruption (passage à l'arc) pour une large gamme de champ électrique appliqué. Il s'agit alors de décharges couronne.

Une autre méthode de prévention de l'arc consiste à interposer dans le volume de décharge une barrière diélectrique, en recouvrant l'une ou les deux électrodes d'un matériau isolant. Un champ issu du potentiel créé en surface du diélectrique par dépôt de charges s'oppose au champ appliqué ; des niveaux de courant impulsionnel élevés peuvent alors être atteints sans passage à l'arc. Il s'agit de décharges sur barrière diélectrique (DBD) qui peuvent être de géométries d'électrodes différentes. Ce type de décharges est notamment mis en oeuvre pour la production industrielle d'ozone.



Décharge DBD pointe-plan dans l'air à PA. Rayon de courbure de la pointe parabolique ~ 100 µm.
Distance interélectrode : 0 mm. Rayon de décharge ~ 1 cm.
(Thèse M. Dhainaut 2004)


Enfin, en l'absence de barrière diélectrique, l'application d'impulsions de tension de courte durée (50-200 ns) avec des fréquences de répétition excédant parfois le kilohertz, permet d'obtenir des impulsions de courant de forte amplitude sans disruption. Ces décharges sont généralement obtenues avec des géométries d'électrode hétérogènes (classiquement fil-cylindre) ; malgré des niveaux de tension importants (amplitude de l'impulsion de tension au delà de 30 kV), on observe ainsi des pics de courant élevés (150 A) sans toutefois observer de disruption, la faible durée d'application du champ électrique ne permettant pas la transition à l'arc. Il s'agit de décharges couronne pulsées.


Objectifs

Suivant les applications visées, des dispositifs (électrodes / réacteurs / alimentations) combinant les caractéristiques de ces trois types de techniques sont conçus étudiés et mis en oeuvre dans le département Energie. Une approche pluridisciplinaire permet de caractériser les décharges obtenues d'un point de vue électrique (caractérisation électrique fine de la décharge, bilans énergétiques) et physico-chimique (identification et quantification de produits gazeux, établissement de bilans matière).

Les compétences en électronique de puissance présentes dans le département Energie permettent la conception, la réalisation et le couplage sur réacteurs de générateurs haute tension originaux. Ceci est exploité aussi bien d'un point de vue fondamental pour une meilleure compréhension des phénomènes et d'autre part d'un point de vue appliqué pour tenter de répondre aux problématiques industrielles.



Décharge DBD fil-plan air à PA. Diamètre du fil : 160 µm. Distance interélectrode : 2mm.
Longueur active de fil : 8 cm (Thèse M. Dhainaut 2004).



Sujets

1. Approche expérimentale fondamentale des décharges électriques à PA

  • Etude expérimentale des cinétiques réactionnelles en phase gazeuse et en post-décharge à l'interface liquide/gaz. Production de peroxyde d'hydrogène par décharge à PA. (Thèse B. Dodet 2005)
  • Production d'ozone et d'oxyde d'azote.
  • Etude des couplages entre les propriétés électriques chimiques et thermiques dans les décharges à barrières diélectrique à PA. (Thèse M. Dhainaut 2004).

2. Application des décharges électriques aux problématiques de la biologie

  • Modification fonctionnelle de protéines. Procédé plasma froid de stabilisation de protéines d'intérêt médical par création de liaisons covalences intermoléculaires. (Thèse B. Dodet 2005)
  • Participation au PPF stérilisation (Université Paris XI) sur la post-décharge d'azote à PA.

3. Traitement d'effluents gazeux chargés en composés organiques volatils (COV)

  • Dépollution d'effluents de combustion (toluène), d'effluents chargé en vapeur de solvant (isopropanol, toluène, naphtalène).
  • Cracking d'hydrocarbure (naphtalène).

4. Etude des décharges partielles sur dispositifs électrotechniques moyenne tension

  • Identification électrique et localisation de décharges partielles
  • Approche physico-chimique


Collaborations

Laboratoire de Physique des Gaz et des Plasmas (LPGP UMR 8578 du CNRS). http://gaphyor.lpgp.u-psud.fr/

Laboratoire des Microorganismes d'intérêt industriel, Institut de Génétique et de Microbiologie (IGM), UMR 8621 (CNRS/UPS) Orsay.

Laboratoire de Génie des Procédés Plasma et des traitemets de surface (Université et Traitements de Surface (UPRES 287 Université Paris VI).

 
Dernière modification : 18/03/2010