Description

Les jets de plasma froid à pression atmosphérique sont des dispositifs offrant une grande diversité d’applications : biomédicales [1],[2], traitements de surfaces et synthèses de nanomatériaux [3],[4]. Cette diversité d’applications repose essentiellement sur leur capacité à pouvoir propager du plasma à distance de la zone de génération inter-électrodes et à produire, par voies hors équilibre thermodynamique, une grande variété d’espèces réactives. La simplicité de conception de ces dispositifs contraste avec la complexité des phénomènes physiques mis en jeux. Le plasma se propage selon un mécanisme d’onde d’ionisation. Le front concentre une densité importante d’électrons (entre 10^13 et 10^14 cm-3) chauds (quelques 104 K) avec un fort champ électrique local de charge d’espace (quelques 10 kV/cm), sur des diamètres typiques de quelques centaines de microns. Il peut ainsi se propager à distance de la zone de génération inter-électrode (jusqu’à quelques dizaines de centimètres) à des vitesses de l’ordre de 10^6-10^7 cm/s et laisse dans son sillage une colonne plasma conductrice. Les espèces réactives se forment dans la partie du jet se mélangeant à l’air environnant, à température ambiante. La détermination expérimentale des paramètres physiques liés (densité électronique, champ électrique, densité des espèces réactives) reste difficile, puisque les mesures doivent allier bonnes résolutions spatiale et temporelle tout en étant non intrusives. Les diagnostics optiques (spectroscopie d’émission et d’absorption [5],[6],[7],[8],[9], diffusion Thomson [10]) sont des outils privilégiés.
A cela s’ajoute une strate de difficulté supplémentaire. En effet, nous avons montré que l’initiation du plasma n’est pas sans influence sur la structure de l’écoulement [11]. La génération d’une seule décharge est suffisante pour faire éclater la zone laminaire du jet et entraver la propagation des décharges suivantes, jusqu’à ce que la perturbation soit évacuée par l’écoulement. La question des effets mémoires entre chaque impulsion de tension n’est donc plus uniquement réduite aux charges électriques déposées sur la paroi du capillaire, mais s’élargie donc aussi à la relaxation mécanique de l’écoulement, après le claquage ultra-rapide de la décharge. Ce couplage s’opère donc à travers 6 ordres de grandeurs (de la nanoseconde à la milliseconde). Lorsque les décharges sont générées de façon répétitive, nous avons déjà observé que pour certains couples débit-fréquence, l’écoulement est fortement affecté. Le plasma présente alors des régularités spatiales stationnaires, avec des motifs hélicoïdaux stables. Le contrôle de l’écoulement est un véritable défi de compréhension fondamentale avec des retombées applicatives fortes, puisque le degré de mélange entre le gaz rare et l’air ambiant influence directement la production des espèces réactives.
Ce couplage entre plasma et écoulement présente des analogies avec ce qui est décrit dans la communauté du contrôle d’écoulement par décharge à barrière diélectrique de surface. Dans la communauté des jets de plasma froid, devoir « accorder » plasma et écoulement apporte un éclairage nouveau et amène à repenser la façon dont nous devons aborder les diagnostics, en lien avec les instabilités hydrodynamiques forcées par l’initiation du plasma. De nombreux points restent à étudier expérimentalement, notamment la mesure des paramètres clés du plasma au niveau des zones perturbées, tenant compte des spécificités de la géométrie d’injection du gaz. La thèse récemment soutenue [12] a permis de développer en collaboration un premier modèle numérique sur cet interaction plasma-écoulement. Ce socle commun collaboratif permettra d’affiner notre compréhension des phénomènes mis en jeux par de futurs travaux, entre les modèles numériques développés à l’IPFN (IST Lisbonne) et les 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 et en traitement d’images seront appréciées. Une bonne maîtrise de l’anglais parlé et écrit est souhaitable.

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 (Université de Lisbonne), 2024.

Mots clés

physique des plasmas froids, plasma froid en régime impulsionnel, électro-hydrodynamique, instabilités hydrodynamiques, Spectroscopie d’émission et d’absorption, strioscopie