Modes multi-périodiques et aléatoires des jets de plasma à pression atmosphérique et leurs interactions avec des cibles liquides et biologiques

Multi-periodic and random mode of Atmospheric Pressure Plasma Jets and their interactions with liquid and biological target

• Auteur / Autrice : Hang Yang
• Direction : Antoine Rousseau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 02/03/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique des Plasmas (Palaiseau ; 1975-....) - Laboratoire de Physique des Plasmas
• Jury : Président / Présidente : Anne Bourdon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Antoine Rousseau, Éric Robert, James L. Walsh, Joao Santos Sousa, Angelo Pierangelo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Éric Robert, James L. Walsh

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plasmas froids

Mots clés libres

Plasma froids

Interaction Plasma liquide

Réparation tissulaire

Non Thermal Plasma

Plasma liquid interactions

Skin repair

Résumé

Les jets de plasma à pression atmosphérique (APPJ) ont été intensivement étudiés en raison de leurs nombreuses applications, en particulier pour des applications médicales telles que la cicatrisation des plaies ou la réduction des tumeurs. Dans cette thèse, des modes de propagation multi-périodiques et aléatoires sont observés dans un APPJ. Le rôle des charges de surface est abordé. L'interaction entre l'APPJ et des cibles liquides ou des échantillons inertes de peau de porc est aussi étudiée.Le jet de plasma est généré dans l’hélium d'hélium par une tension sinusoïdale de 15 ~ 18 kHz avec différentes configurations d’électrodes. Le fonctionnement peut être multi-périodique ou aléatoire en fonction de la tension appliquée, de la fréquence et de la distance entre les électrodes. La présence d'un anneau extérieur d'électrode à la masse est un paramètre clé permettant l'allumage du plasma multipériodiques lorsque la distance entre l'électrode à haute tension et cette électrode à la masse est supérieure à 20 mm. La plupart des décharges multi-périodiques observées sont initiées toutes les 2 ou 3 périodes sinusoïdales et sont 8 fois plus longues que celles se propageant en mode aléatoire. De telles décharges présentent des similitudes avec le mode de fonctionnement pulsé, ayant une retard aléatoire inférieure à 100 ns. L'imagerie rapide révèle que 2 à 3 décharges auto-déclenchées se produisent dans le gap inter-électrode avant l'allumage de la décharge jet proprement dite dans les polarités positives ou négatives ; cela conduit à une accumulation de charges sous l'électrode de masse, augmentant localement le champ électrique. Les vitesses des décharges jets pour différentes polarités et distances d'écart sont comparées à l'aide du spectre d'émission optique. Les décharges en mode aléatoire sont étudiées avec une distance inter-électrode de 5 mm. Plusieurs décharges consécutives sont observées. De longues décharges aléatoires sont allumées après de courtes décharges périodiques. La vitesse des balles longues aléatoires est mesurée statistiquement.Ce type APPJ est utilisé pour traiter des cibles d'eau et des échantillons de peau de porc inertes. La propagation de cet APPJ montre des modes multi-périodiques et des modes aléatoires similaires. La propagation en amont montre une influence sur la propagation en aval. Le taux de production d'H2O2 est mesuré en faisant varier la tension, la distance cible et le débit d'Hélium. De la peau de porc décongelée (inerte) est traitée par l'APPJ analysée par imagerie polarimétrique Mueller plein champ (MPI) en 30 minutes. Au-dessus de 0,5 W / 4 min de traitement statique, il est démontré que le NTP modifie le retard de phase linéaire et la dépolarisation totale. Les modifications tissulaires sont inhomogènes et présentent des traits distincts au centre et en périphérie de la zone traitée au plasma. Selon les groupes témoins, les altérations tissulaires sont principalement causées par l'échauffement local concomitant à l'interaction plasma-peau (typiquement 45-73℃). En revanche, aucune altération tissulaire n'est détectée à un traitement de 0,3 W (35℃). Cette étude vise à montrer que le MPI plein champ est adapté à la détection rapide et sans contact des modifications de la microstructure cutanée induites par le traitement au plasma.

Atmospheric Pressure Plasma Jets (APPJ) have been intensively studied due to their numerous applications, especially for medical applications such as wound healing or tumor reduction. In this thesis, multi-periodic and random modes of propagation are observed in an APPJ. The role of surface charges is addressed. The interaction between the APPJ and liquid targets or inert porcine skin samples is investigated.A helium APPJ with different electrode configurations is driven by 15~18 kHz sinusoidal voltage I; it ignites multi-periodic self-triggered mode or random mode depending on the applied voltage, driven frequency and inter-electrode gap distance. The presence of an outer grounded electrode ring with an inter-electrode gap distance of 2 cm ~ 4 cm is a key parameter permitting the ignition of multiperiodic discharges when the gap distance between the high voltage electro and this grounded electrode is longer than 20 mm. Most of the observed multi-periodic discharges operate every 2 or 3 sinusoidal periods and are 8 times longer than the ones propagating in random mode. Such discharges show similarities with pulsed operating mode, having a jitter smaller than 100 ns. Fast imaging reveals that 2-3 self-triggered discharges occur in the gap region prior to ignition of the bullet-like discharge in both positive or negative polarities; this leads to an accumulation of charges beneath the ground electrode, locally enhancing the electric field. Bullet velocities for different polarities and gap distances are compared using optical emission spectrum. Discharges in random mode are studied with a 5 mm int er-electrode gap distance. Multiple consecutive discharges are observed. Long random discharges are ignited after short periodic discharges. The velocity of random long bullets is measured statistically.APPJ is used to treat water targets and inert porcine skin samples. The propagation of this APPJ shows similar multi-periodic modes and random modes. The upstream propagation shows an influence on the downstream propagation. The H2O2 production rate is measured by varying the voltage, the target distance and the Helium flow rate. Defrost pig skin is treated by the APPJ and analyzed by full-field Mueller polarimetric imaging (MPI) within 30 minutes. Above 0.5 W / 4 min static treatment, NTP is shown to modify the linear phase retardance and the total depolarization. The tissue modifications are inhomogeneous and present distinct features at the center and the fringes of the plasma-treated area. According to control groups, tissue alterations are primarily caused by the local heating concomitant to plasma-skin interaction (typically 45-73℃). On the other hand, no tissue alteration is detected at 0.3 W (35℃) treatment. This study aims to show that full-field MPI is suitable for fast and without-contact detection of skin microstructure modifications induced by plasma treatment.