Electric field characterization of atmospheric pressure Helium plasma jets through numerical simulations and comparisons with experiments

par Pedro Arsénio nunes aleixo viegas

Thèse de doctorat en Physique des plasmas

Sous la direction de Anne Bourdon.

Soutenue le 17-12-2018

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Ondes et Matière (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec École polytechnique (Palaiseau, Essonne) (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire de Physique des Plasmas (Palaiseau) (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Michel Pouvesle.

Le jury était composé de Anne Bourdon, Paola Diomede, Olivier Guaitella, Zdenek Bonaventura.

Les rapporteurs étaient Jean-Hugues Paillol, Natalia Babaeva.

  • Titre traduit

    Étude numérique du champ électrique dans les jets de plasma d’Hélium à pression atmosphérique et comparaisons avec des expériences


  • Résumé

    Dans cette thèse de doctorat, des simulations numériques basées sur un modèle fluide 2D sont utilisées pour caractériser des jets de plasma d’Hélium pulsés. Le modèle pour les jets de plasma d’Hélium est développé pour décrire des jets qui s’écoulent dans des atmosphères de N2 et O2 et interagissent avec des cibles. La dynamique de la décharge dans les jets d’Hélium impactant une cible métallique à la masse est analysée pour des polarités positive et négative de la tension appliquée. Les évolutions temporelles et spatiales de champ électrique associées au premier front d’ionisation et au front de rebond sont en bon accord qualitatif avec des mesures récentes de champ électrique. Puis, l’interaction plasma cible entre une décharge positive et une cible diélectrique en BSO est examinée en détail et les résultats sont directement comparés aux expériences. Un bon accord est obtenu entre les simulations et les expériences sur les évolutions temporelles et spatiales de champ électrique. Des valeurs maximales de champ électrique dans la cible de 5 kV.cm−1 ont été obtenues expérimentalement et numériquement. Le champ électrique dans le plasma de l’ordre de quelques dizaines de kV.cm−1 est fortement diminué par le changement de permittivité de la cible. Le champ électrique dans la cible est presque exclusivement dû aux fortes valeurs de charges de surface déposées sur la surface de la cible. Finalement, l’influence des évolutions de champ électrique sur la production d’espèces actives près des cibles est évaluée. On démontre qu’avec des cibles métalliques la synergie entre le premier front et le front de rebond augmente la production d’espèces près de la cible.


  • Résumé

    In this PhD thesis numerical simulations based on a 2D fluid model are used to characterize pulsed Helium plasma jets. The model for He plasma jets is developed to describe He jets flowing in N2 and O2 atmospheres and interacting with targets. The discharge dynamics in He jets impacting a grounded metallic target is analyzed with both positive and negative polarities of applied voltage. The temporal and spatial evolutions of electric field associated to the first and rebound ionization fronts are in good qualitative agreement with recent electric field measurements. Then, the plasma-target interaction occurring between a positive discharge and a BSO dielectric target is investigated in detail and results are directly compared with experiments. A good agreement is obtained between simulations and experiments concerning the temporal and spatial profiles of electric field. Maximum values of electric field inside the target of 5 kV.cm−1 are found. The high electric field in the plasma of the order of dozens of kV.cm−1 is severely depleted by the change of permittivity. As a result, the electric field experienced inside the target is almost exclusively originated by the high values of surface charge deposited on the target surface. Finally, the influence of the electric field evolutions on the production of chemically active species close to the targets is evaluated. It is shown that with metallic targets the synergy between the first and rebound fronts increases species production close to the target.


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