Description

Les « jets de plasma froid » à pression atmosphérique sont des dispositifs offrant une large gamme d’applications : biomédicales [1],[2], traitements de surfaces et synthèse de nanomatériaux [3],[4]. Leur polyvalence repose sur leur capacité à générer du plasma à distance de la zone inter-électrodes et, via des processus hors équilibre, à produire une grande variété d’espèces réactives. La simplicité de conception contraste avec la complexité des phénomènes physiques sous-jacents.
Généré à partir d’une micro-décharge dans un gaz rare en écoulement dans un capillaire, le plasma se propage sous forme d’onde d’ionisation, d’abord à l’intérieur du capillaire puis à l’extérieur, dans le jet de gaz rare se diffusant dans une atmosphère de gaz moléculaires (N₂, O₂, H₂O). Le front d’ionisation concentre une forte densité d’électrons chauds (10¹³–10¹⁴ cm⁻³, quelques 10⁴ K) et un fort champ électrique local (~10 kV/cm) sur des diamètres de quelques centaines de microns. Il peut se propager loin des électrodes (jusqu’à plusieurs dizaines de cm) à des vitesses de 10⁶–10⁷ cm/s, laissant derrière lui une colonne plasma conductrice. Les espèces réactives se forment là où le jet se mélange à l’air ambiant (ou à un mélange gazeux contrôlé), à température ambiante.
La détermination expérimentale des paramètres clés (densité électronique, champ électrique, densité des espèces réactives) reste difficile, car les diagnostics doivent combiner haute résolution spatiale et temporelle tout en restant non intrusifs. Les méthodes optiques — spectroscopie d’émission et d’absorption [5]–[9], diffusion Thomson [10] — sont donc essentielles. Une complexité supplémentaire réside dans le fait que l’initiation du plasma modifie elle-même la structure de l’écoulement [11]. Une seule micro-décharge peut perturber la zone laminaire du jet et entraver la propagation des fronts d’ionisation suivants jusqu’à ce que la perturbation soit évacuée. Les effets mémoires entre impulsions ne se limitent donc pas au dépôt de charges sur la paroi du capillaire, mais concernent aussi la relaxation mécanique de l’écoulement après le claquage de la décharge (échelle nanoseconde). Ce couplage s’étend sur six ordres de grandeur temporels (ns–ms).
Sous des décharges répétitives, nous avons observé que pour certaines combinaisons débit-fréquence, l’écoulement est fortement modifié. Le plasma présente alors des régularités spatiales stationnaires, incluant des motifs hélicoïdaux stables. Le contrôle des interactions plasma–écoulement constitue un défi fondamental avec d’importantes retombées applicatives, puisque le degré de mélange entre le gaz rare et l’air ambiant gouverne directement la production d’espèces réactives, facteur clé pour de nombreuses applications. Ce couplage présente des analogies avec le contrôle d’écoulement par décharges à barrière diélectrique de surface. Dans la communauté des jets de plasma froid, le besoin d’« accorder » plasma et écoulement apporte de nouvelles perspectives et conduit à repenser les diagnostics, en lien avec les instabilités hydrodynamiques forcées par l’initiation du plasma.
De nombreuses questions expérimentales restent à étudier, notamment la mesure des paramètres plasma dans les zones perturbées, en tenant compte de la géométrie d’injection du gaz. Une thèse récemment soutenue [12] a permis de développer, dans le cadre d'une collaboration entre le LPGP et l'IPFN (IST Lisbonne), un premier modèle numérique de l’interaction plasma–écoulement. Cette base commune collaborative soutiendra les travaux futurs, combinant modèles numériques à l’IPFN et diagnostics expérimentaux au LPGP.

Compétences requises

Niveau Master 2 dans le domaine de la physique des plasmas. Fort intérêt pour la physique expérimentale. Des connaissances de base en mécanique des fluides seront appréciées. Une bonne maîtrise de l’anglais parlé et écrit est essentielle.

Bibliographie

[1] S. Reuter, T. Von Woedtke, and K.-D. Weltmann, “The kINPen—a review on physics and chemistry of the atmospheric pressure plasma jet and its applications,” J. Phys. Appl. Phys., vol. 51, no. 23, p. 233001, Jun. 2018, doi: 10.1088/1361-6463/aab3ad.
[2] K. Sklias, J. Santos Sousa, and P.-M. Girard, “Role of Short- and Long-Lived Reactive Species on the Selectivity and Anti-Cancer Action of Plasma Treatment In Vitro,” Cancers, vol. 13, no. 4, p. 615, Feb. 2021, doi: 10.3390/cancers13040615.
[3] O. V. Penkov, M. Khadem, W.-S. Lim, and D.-E. Kim, “A review of recent applications of atmospheric pressure plasma jets for materials processing,” J. Coat. Technol. Res., vol. 12, no. 2, pp. 225–235, Mar. 2015, doi: 10.1007/s11998-014-9638-z.
[4] F. Fanelli and F. Fracassi, “Atmospheric pressure non-equilibrium plasma jet technology: general features, specificities and applications in surface processing of materials,” Surf. Coat. Technol., vol. 322, pp. 174–201, Aug. 2017, doi: 10.1016/j.surfcoat.2017.05.027.
[5] J. S. Sousa, K. Niemi, L. J. Cox, Q. Th. Algwari, T. Gans, and D. O’Connell, “Cold atmospheric pressure plasma jets as sources of singlet delta oxygen for biomedical applications,” J. Appl. Phys., vol. 109, no. 12, p. 123302, Jun. 2011, doi: 10.1063/1.3601347.
[6] C. Douat, I. Kacem, N. Sadeghi, G. Bauville, M. Fleury, and V. Puech, “Space-time resolved density of helium metastable atoms in a nanosecond pulsed plasma jet: influence of high voltage and pulse frequency,” J. Phys. Appl. Phys., vol. 49, no. 28, p. 285204, Jul. 2016, doi: 10.1088/0022-3727/49/28/285204.
[7] T. Darny, J.-M. Pouvesle, V. Puech, C. Douat, S. Dozias, and E. Robert, “Analysis of conductive target influence in plasma jet experiments through helium metastable and electric field measurements,” Plasma Sources Sci. Technol., vol. 26, no. 4, p. 045008, Mar. 2017, doi: 10.1088/1361-6595/aa5b15.
[8] K. Gazeli et al., “Ar(1s 5 ) absolute radial densities in a ns-pulsed argon plasma jet impinging on dielectric targets at floating potential - plasma action on organic molecules,” Plasma Process. Polym., vol. 15, no. 10, p. 1800080, Oct. 2018, doi: 10.1002/ppap.201800080.
[9] K. Gazeli et al., “Effect of the gas flow rate on the spatiotemporal distribution of Ar(1s 5 ) absolute densities in a ns pulsed plasma jet impinging on a glass surface,” Plasma Sources Sci. Technol., vol. 27, no. 6, p. 065003, Jun. 2018, doi: 10.1088/1361-6595/aac5b3.
[10] S. Hübner, J. S. Sousa, V. Puech, G. M. W. Kroesen, and N. Sadeghi, “Electron properties in an atmospheric helium plasma jet determined by Thomson scattering,” J. Phys. Appl. Phys., vol. 47, no. 43, p. 432001, Oct. 2014, doi: 10.1088/0022-3727/47/43/432001.
[11] T. Darny, G. Bauville, M. Fleury, S. Pasquiers, and J. Santos Sousa, “Periodic forced flow in a nanosecond pulsed cold atmospheric pressure argon plasma jet,” Plasma Sources Sci. Technol., vol. 30, no. 10, p. 105021, Oct. 2021, doi: 10.1088/1361-6595/ac2a18.
[12] D. Gonçalves, “Aerodynamic study of atmospheric-pressure plasma jets,” Université Paris-Saclay; Instituto superior técnico (Lisbonne), 2024.
[13] “Background-oriented schlieren (BOS) techniques,” Exp. Fluids, vol. 56, no. 3, p. 60, Mar. 2015, doi: 10.1007/s00348-015-1927-5.

Mots clés

Physique des plasmas froids, Plasma froid en régime impulsionnel, Electro-hydrodynamique, Instabilités hydrodynamiques, Spectroscopie d’émission et d’absorption, Strioscopie