Étude de la réactivité chimique et de la thermique des micro-plasmas micro-onde dans des capillaires

par Fabien Coquery

Projet de thèse en Énergétique

Sous la direction de Gabi-Daniel Stancu et de Olivier Leroy.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences (Cachan, Val-de-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec EM2C - Energétique Moléculaire et Macroscopique, Combustion (laboratoire) et de CentraleSupélec (2015-....) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 02-01-2017 .


  • Résumé

    Le contrôle thermique et le couplage d'énergie dans un flux gazeux à la pression atmosphérique constituent un problème ouvert à ce jour. Une solution efficace pour optimiser le transfert d'énergie est d'utiliser un plasma. De nouvelles techniques et approches scientifiques ont été développées dans le domaine des micro-décharges fonctionnant en continu à la pression atmosphérique. Récemment, des modèles ont permis de prédire de fortes productions de radicaux dans des décharges microondes produites dans des capillaires, comparables à celles obtenues pendant les pics d'impulsion de décharges nanosecondes pulsées, mais avec l'avantage du fonctionnement en continu (régime non-impulsionnel). Comprendre la cinétique réactionnelle, le transport d'espèces réactives, et la dissipation de chaleur dans le plasma en fonction du régime d'écoulement est crucial pour les nombreuses applications potentielles de ces décharges (i.e. combustion assistée par plasma, plasmas pour applications biomédicales, dépôt de couches minces, ...). Dans le cadre de la thèse nous proposons de développer un système microonde plasma dans lequel, en plus du débit, du mélange des gaz, de la puissance microonde et de la pression, on contrôlera aussi les transferts thermiques qui sont pilotés à l'intérieur du capillaire par le débit du gaz ionisé dans le plasma, le rayonnement, et la résistance thermique du capillaire, et à l'extérieur par les propriétés du gaz de refroidissement (air comprimé) et les pertes thermiques. La caractérisation conjointe des propriétés plasmas (ionisation, réactivité) et des propriétés thermiques est donc à réaliser, ainsi que le couplage auto-cohérent entre les deux.

  • Titre traduit

    Plasma reactivity and thermal coupling in capillary microwave discharges


  • Résumé

    The thermal control and energy coupling in a gas stream at atmospheric pressure is still an open problem. An efficient solution to optimize the energy transfer is to use a plasma. New techniques and scientific approaches have been developed in the field of micro-discharges operating continuously at atmospheric pressure. Recently, models have been able to predict high radical production in capillary microwave discharges, comparable to those obtained during the peak of pulsed nanosecond discharges, but with the advantage of continuous operation. Understanding reaction kinetics, transport of reactive species, and heat dissipation in plasma as a function of flow regime is crucial for the many potential applications of these discharges (ie plasma-assisted combustion, plasmas for biomedical applications, etc.). In the framework of the thesis we are going to develop a plasma microwave system in which, in addition to the flow rate, the gas mixture, the microwave power and the pressure, we will also control the thermal transfers inside the capillary by the flow of the ionized gas in the plasma, the radiation, and the thermal resistance of the capillary, and externally by the properties of the cooling gas and thermal losses. The joint characterization of the plasma properties (ionization, reactivity) and the thermal properties is therefore to be realized, as well as the self-coherent coupling between the two.