Foundation for Singlet Delta Oxygen Production Optimization by Atmospheric Pressure He/O2 Plasmas

Ce mémoire pose les fondations vers l’obtention d’un meilleur contrôle sur la production des espèces chimiques réactives produites par les plasmas horséquilibre à pression atmosphérique, avec une attention particulière à l’oxygène delta singulet produit par un jet de plasma He/O2 couplé capacitivement. Un contrôle sur la production de ces espèces est ici défini par un champ électrique impulsionnel modifiable, une détection sensible des espèces, puis l’éta-blissement d’un modèle permettant de simuler et de comprendre les mécanismes de formation et de destruction de celles-ci. Afin d’atteindre une production maximale d’oxygène delta singulet, une excitation électrique radiofréquence combinée avec des pulses haute tension d’une durée de quelques nano-secondes est envisagée. Ainsi, la création d’une source pulsée haute tension est une partie importante de ce travail. Cette source est basée sur un générateur de type Cockcroft-Walton qui produit une haute tension DC. Cette haute tension est ensuite commutée par un interrupteur commercial haute tension basé sur la technologie MOSFET. L’interrupteur est actionné par un circuit de contrôle maison. Cette source pulsée haute tension a allumé un plasma dans l’air avec succès à l’aide d’un réacteur de décharges à barrière diélectrique de test. Les caractéristiques typiques du pulse produisant le plasma sont une amplitude de 6 kV, une fréquence de répétition de 2 kHz, une largeur à mi-hauteur de 1 µs avec un temps de montée de 40 ns. L’étendu des performances de la source sont une amplitude allant de 0 à 8 kV, une fréquence de répétition de 500 Hz à 8 kHz, une largeur à mi-hauteur de 1 µs à 10 µs. Un système de spectroscopie dans le proche infrarouge est recréé afin de mesurer des densités absolues d’oxygène delta singulet dans l’effluent d’un jet de plasma à pression atmosphérique. L’effluent est acheminé par un tube de verre vers une cellule de détection calibrée. Certains des photons émis dans cette cellule passent par un filtre passe-bande puis atteignent une photodiode InGaAs. La tension mesurée par cette photodiode est associé à une densité absolue d’oxygène singulet par un facteur de conversion obtenu de la littérature. La densité maximale mesurée d’oxygène delta singulet est 1.1 ∗ 1015 molécules/cm3 et est obtenue pour un plasma de 35 W, ayant une fréquence d’excitation de 13.56 MHz, une composition gazeuse de 0.998:0.002 (He : O2) avec un flux total de 14 SLM à une distance de détection de 14 cm. La limite de détection est posée à 1014 molécules/cm3. Un système de détection d’ozone est utilisé dans l’effluent du même jet de plasma à pression atmosphérique pour l’importance de cette molécule dans les mécanismes de destruction de l’oxygène delta singulet.

Abstract

This work lays the foundation for better control over the produced reactive species by non-thermal (NT) plasmas at atmospheric pressure, with a main focus on singlet delta oxy-gen (O2(1∆g)) generated by a capacitively coupled He/O2 plasma jet for its relevance in biomedicine, agriculture and plasma-assisted combustion. This work provides the tools to control, understand, and monitor the O2(1∆g) production by the means of a modifiable electric field, a sensitive measurement of O2(1∆g), and a kinetic model. To achieve maximum O2(1∆g) generation, a nano-second (ns)-pulse combined with RF elec-trical excitation is planned, so a core part of the thesis is the construction of a pulse high voltage power supply. The electric pulser is based on a Cockcroft-Walton (CW) generator which creates a high voltage DC that is switched on by a solid-state high voltage switch triggered by an in-house control circuit. The pulser successfully ignited a dielectric barrier discharge reactor with pulse characteristics around 6 kV in amplitude, 2 kHz repetition frequency, 1 µs full width half maximum (FWHM) and 40 ns rise time. The full range of the pulser goes from 0 to 8 kV in amplitude, 500 Hz to 8 kHz repetition frequency, 1 to 10 µs FWHM. A near infrared (NIR) emission spectroscopy at 1270 nm setup is recreated to measure the absolute densities of O2(1∆g) in the effluent of an atmospheric pressure plasma jet (APPJ). The effluent is collected by a glass adapter and redirected to a calibrated cell. Photons pass through a narrow bandpass filter before reaching an InGaAs photodiode. The measured voltage is converted to an absolute density by a conversion factor obtained from literature. The maximum measured density of O2(1∆g) is 1.1 ∗ 1015 molecules/cm3 and obtained in the effluent of a 35 W, 13.56 MHz, He:O2 (0.998:0.002) plasma at 14 cm detection distance where the total gas flow is 14 SLM. The detection limit is set at 1014 molecules/cm3. For its rele-vance in O2(1∆g) quenching mechanisms, an ozone detection setup is also used in the effluent of this jet. Absorption signals are obtained by a spectrometer and from ultra-violet (UV) absorption at 254 nm the densities are calculated by Beer-Lambert’s law. Plasma kinetics are modeled by incorporating a time-dependent Boltzmann equation solver into a MATLAB in-house zero dimensional chemical solver tool. A time-dependent solution of the Boltzmann equation is essential when ns-pulse excitation is used. Since such excitation is the motivation of this work, creation of such a global model was essential. After estab-lishing the plasma kinetics solver, it was tested against the currently used gold standard in zero dimensional plasma modeling: ZDPlasKin. The downside of ZDPlasKin is the use of a Boltzmann solver that relies on local field approximation and is not time-dependent.