Physique des décharges nanosecondes diffuses génerées sous champs electriques extrêmes

par Alexandra Brisset

Projet de thèse en Physique des plasmas

Sous la direction de Pierre Tardiveau.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Ondes et Matière , en partenariat avec Laboratoire de Physique des Gaz et des Plasmas (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2016 .


  • Résumé

    La thèse a pour ambition d'explorer une physique encore non décrite à ce jour, celle des décharges hors-équilibre créées par des champs électriques extrêmement transitoires et intenses dans des conditions standard de pression et de température. Les études expérimentales qui seront menées se focaliseront sur une configuration d'électrodes asymétrique de type pointe/plan, très adaptée pour les études fondamentales. Les décharges seront créées dans l'air et dans des mélanges de gaz atmosphériques azote / oxygène / vapeur d'eau, auxquels pourra s'ajouter en faible concentration de l'acétone, représentatif d'une molécule polluante. Les objectifs de la thèse seront dans un premier temps d'identifier et de caractériser les effets spécifiques induits par les très fortes valeurs de champ électrique sur la dynamique spatio-temporelle de la décharge (diagnostics électriques, imagerie rapide, spectroscopie d'émission,...). L'application de surtensions extrêmes (> 400 %) sur des temps de l'ordre de la nanoseconde doit nous amener à reconsidérer la physique du streamer classiquement utilisée pour décrire les décharges à pression atmosphérique, en analysant les nouveaux mécanismes qui pourraient y être associés (régime diffus, génération d'électrons « runaway » et de rayonnement X, mise en défaut de l'hypothèse d'équilibre de champ local,...). La commercialisation récente de générateurs fiables, compacts et versatiles, permettant d'atteindre des fronts de montée extrêmement brefs de l'ordre de la nanoseconde et des impulsions de tension d'une centaine de kilovolts sur une dizaine de nanosecondes, ouvre des possibilités très intéressantes pour l'étude expérimentale de ces décharges. Dans un deuxième temps, la configuration d'électrodes pointe-plan utilisée devra permettre une caractérisation expérimentale très poussée, résolue spatialement et temporellement, du plasma induit par la décharge. Des diagnostics Laser d'absorption, de fluorescence (LIF, PLIF, TALIF) et de diffusion Raman, ainsi qu'un diagnostic de strioscopie innovant (BOS) seront mis en place au LPGP et au CORIA à Rouen pour identifier et cartographier les espèces réactives et les températures du plasma. L'ensemble de ces études permettra d'appréhender le potentiel des décharges à champ intense pour des applications environnementales toujours autant d'actualité comme le traitement ou la synthèse de gaz, ou des applications énergétiques comme le déclenchement de combustion ou le contrôle d'écoulement.

  • Titre traduit

    Nanosecond diffuse discharges generated under extreme electric fields


  • Résumé

    The thesis has for ambition to investigate a physics still not described this day, that of non equilibrium electrical discharges created by extremely transient and intense fields in standard conditions of pressure and temperature. The experimental work to be carried out will focus on a point-to-plane asymmetric configuration of electrodes very suitable for fundamental studies. Discharges will be created in air and atmospheric gases mixtures of nitrogen, oxygen and water vapor, to which will come to be added, in low concentration, acetone, representative of a polluting molecule. The objectives of the thesis will be at first to identify and characterize the specific effects induced by the very strong values of the electric field on the dynamics of the discharge (electrical diagnostics, fast imaging, emission spectroscopy,…). The application of extreme overvoltages (> 400 %) over less than a few nanoseconds has to bring us to reconsider the classical physics of the streamer used to describe discharges at atmospheric pressure, by analyzing the new mechanisms which could be associated there (diffuse regime, generation of ' runaway ' electrons and X radiation, invalidity of the local field equilibrium hypothesis). The recent marketing of reliable, compact and adjustable generators, allowing to reach extremely brief fronts of rise of the order of nanosecond and voltage pulses of hundred of kilovolts on about ten nanoseconds, opens very interesting possibilities for the experimental study of these discharges. In a second step, the elementary point-to-plane configuration of electrodes will allow a very precise experimental characterization, resolved in time and space, of the plasma induced by the discharge. Absorption Laser and Fluorescence Induced Laser (LIF, PLIF, TALIF) diagnostics, Raman scattering and an innovative strioscopy method (BOS) will be carried out at LPGP and CORIA (Rouen, France) in order to identify and to map the reactive species and the different temperatures of the plasma. All these studies will allow considering the ability of discharges induced by extreme electric fields to be used efficiently for topical environmental applications such as air treatment or gas synthesis and for energy field applications such as ignition or flow control. This thesis is part of a research program supported by ANR since February 2014 and in collaboration with a group of LAPLACE (Toulouse) for the modelling of the discharge, of GREMI (Orleans) and of LNHB (CEA Saclay) for the detailed investigation of the X radiation induced by the discharge, and of CORIA (Rouen) for the measurements of temperatures and pressure in the post-discharge. The PhD student will be actively involved in this collaboration and will work in connection with the simulation group of LAPLACE and participate to the experimental studies to be done at GREMI.