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Décharges à barrière diélectrique dans l'hélium et le néon à la pression atmosphérique

Aziz Berchtikou

Masters thesis (2010)

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Cite this document: Berchtikou, A. (2010). Décharges à barrière diélectrique dans l'hélium et le néon à la pression atmosphérique (Masters thesis, École Polytechnique de Montréal). Retrieved from https://publications.polymtl.ca/471/
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Abstract

Les décharges à barrière diélectrique (DBD) à la pression atmosphérique font partie des plasmas hors-équilibre thermodynamique. Elles peuvent être opérées en mode « filamentaire » ainsi que Townsend. Une des spécificités de cette décharge est qu'une électrode (ou les deux) est recouverte par un matériau diélectrique. Généralement, une DBD à la pression atmosphérique est une décharge filamentaire, mais en 1968 Bartnikas a rapporté l'existence d'une décharge luminescente uniforme dans He, maintenant dite « Atmospheric Pressure Glow Discharge (APGD)», c'est-à-dire «décharge luminescente à la pression atmosphérique », caractérisée par une seule impulsion de courant par demi-cycle de la tension alternative appliquée. Postérieurement, plusieurs chercheurs ont rapporté des décharges homogènes à la pression atmosphérique dans d'autres gaz ou mélanges gazeux. La majorité des études ont été faites dans He puisqu'il représente un milieu gazeux inerte, c'est-à-dire essentiellement sans réactivité chimique et sans problèmes de décomposition, donc un gaz qui peut être relativement facilement étudié et modélisé, au moins en première approximation. Parmi les caractéristiques essentielles du plasma, la température du gaz est évidemment un paramètre très important à contrôler. Par exemple, pour le traitement ou modification de matériaux par plasma, une température trop élevée peut causer des dommages substantiels, particulièrement aux matériaux thermosensibles comme les polymères. Les objectifs de cette recherche sont : 1) déterminer la température du gaz dans une APGD d'un gaz rare (He et Ne), en utilisant la spectroscopie d'émission optique (OES), qui a l'avantage d'être une technique de diagnostique non perturbatrice. Ceci a été accompli en utilisant le spectre rotationnel provenant du « First Negative System » (FNS) N2+(B2Σu+,ν′=0→X2Σg+,ν′′=0) qui a l'avantage de pouvoir être résolu même avec un spectrographe de résolution moyenne. La température rotationnelle, Trot, peut alors être estimée simplement à partir d'un graphique de Boltzmann ; 2) étudier les effets thermiques liés au transfert de chaleur dans ces deux gaz rares, He et Ne ; 3) Finalement, étudier l'évolution spatio-temporelle de l'émission lumineuse provenant des espèces excitées dans les décharges de He et Ne, en utilisant une caméra numérique ultra-rapide. La décharge APGD faisant l'objet du présent travail, est créée entre une électrode plane recouverte d'une mince (1 mm d'épaisseur) lame diélectrique circulaire d'alumine (Al2O3), reliée----------Abstract The purpose of this research has been to measure temperature, T, in dielectric barrier discharges (DBD) using optical emission spectroscopy (OES), which has the great advantage of being non-intrusive and non-perturbing. This is accomplished by analyzing high-resolution rotational bands in the emission spectra of suitable electronically-excited molecular species in the discharge. Several molecules have in the past been used for this purpose, but the most frequently studied are nitrogen bands from the Second Positive System (SPS) of N2 and the First Negative System (FNS) of N2+. In this work, we measure the temperature, T, of dielectric barrier discharges (DBD) in noble gases using OES by analysing rotational bands in the emission spectra of the FNS of N2+. This has the advantage that rotational structure can be fully resolved even with a spectrograph of average performance, and that the rotational temperature, Trot (~ Tgas), can then be determined from a conventional Boltzmann plot. Ionisation of N2 occurs mainly via Penning transfer from metastable excited states of He (ca. 20 eV) or Ne (ca. 16.6 eV). Using a glass-walled DBD chamber of volume 0.1 litter, we have studied atmospheric-pressure discharges in flowing helium (He) or neon (Ne) containing traces of nitrogen. Discharges were excited by audio-frequency (10 kHz) high voltage (HV) using a needle as the HV electrode and a dielectric (alumina)-covered planar grounded counter-electrode. OE spectra were acquired with a 0.5 m focal length spectrograph, coupled to an intensified charge coupled device (ICCD) detector. Using the (0-0) R-branch of the FNS N2+ (B2Σu+ - X2Σg+) bands near a wavelength of 391.4 nm, we have measured axial (inter-electrode) distributions of Trot in both He and Ne. Trot values were found to be highest at the needle electrode, of about 450 K and 740 K for He and Ne, respectively; in He, Trot dropped to a minimum of about 408 K at the mid-gap position. We conclude that temperatures in noble gas discharges depend critically on thermal conductivities of the particular gases (KHe = 1.9; KNe = 0.6, both in mW.cm-1.K-1) and on other experimental factors that influence heat transfer. Even in flows of nominally very pure He or Ne, N2 impurity at the ppm level is sufficient to yield high enough spectral intensity for accurate Trot measurements, Trot increasing linearly with rising N2 flow. We measured the effect of gas flow rate, D, on T in these atmospheric-pressure discharges: D values were varied between ca. 50 and 400 sccm., and they showed that for both gases the temperature at the mid-point in the gap, z = 1.5 mm, dropped near-linearly with rising

Open Access document in PolyPublie
Department: Département de génie physique
Dissertation/thesis director: Michael R. Wertheimer and Raman Kashyap
Date Deposited: 21 Mar 2011 13:57
Last Modified: 27 Jun 2019 16:49
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/471/

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