Applications des DBD dans les gaz rares

Nous avons cité un grand nombre d’applications des décharges à barrières diélectriques. Plusieurs publications sont consacrées aux applications des lampes à excimères [Opp05, Opp07, Kog97, Kog04, Kog03, Sos06]. Nous nous intéresserons plus en détail à celles qui

sont utilisées comme source de rayonnement VUV en insistant sur les recherches récentes et prometteuses dans le secteur de la microbiologie.

1.5.2.1 Purification et décontamination de l’eau

La décontamination et la purification photochimique de l’eau contaminée avec des substances organiques et des micro-organismes consistent à les oxyder ou les minéraliser. La figure 1.12 montre une lampe à excimères de xénon de symétrie axiale utilisée comme un photo-réacteur en flux pour le traitement de l’air et de l’eau.

Figure 1.12 – Schéma et photographie d’un réacteur en flux équipé d’une lampe à excimères de xénon fonctionnant par décharges à barrières diélectriques (100 W − 1, 5 kW) [Opp05]

.

Les rayonnements UVL possèdent une épaisseur de pénétration dans l’eau qui est faible (de l’ordre de 0, 0036 cm). Les processus d’oxydation pour le traitement de l’eau sont essentiellement basés sur la production de radicaux •

OH [Sos06]. La photolyse UVL de l’eau est une méthode efficace de production des radicaux hydroxydes selon la réaction : H2O + hνU V L −→ H•+•OH (1.22)

Cette réaction s’accompagne de la production électrons hydratés selon la réaction : H2O + hνU V L −→ H2O∗ −→ H++•OH + e−aq (1.23)

Les composés organiques saturés et insaturés solubilisés dans l’eau subissent une série de réactions photochimiques et thermiques qui conduisent sous l’action de l’oxygène libre

dissous dans l’eau à l’oxydation et la minéralisation de ces composés [Gon96b, Gon96a]. Le rayonnement UVL à 172 nm a un effet significatif sur les matières organiques dissoutes qui se traduit par une diminution des concentrations en carbone total organique (TOC) et en oxygène dissous (COD) comme le montre la figure 1.13 pour une solution de phénol irradiée par le rayonnement UVL émis par une lampe à excimères de xénon.

Figure1.13 – Variation de la concentration en oxygène dissous dans une solution aqueuse de phénol à 60◦

C irradiée par un rayonnement à 172 nm selon différentes conditions ex- périmentales (solution saturée soit par de l’oxygène, de l’air ou de l’argon en présence ou non de nitrates). La meilleure efficacité est obtenue pour une solution de phénol saturée en oxygène [Gon96b].

Benoit-Marquié et al. ont comparé les mécanismes de dégradation de composés orga- niques en phase gaz soit par photolyse par rayonnement UVL à 172 nm soit par photo- catalyse par rayonnement UV à 308 nm [BM99]. La photolyse UVL en présence d’air s’avère être la méthode la plus efficace pour la minéralisation totale des composés ali- phatiques et aromatiques qui ont été entièrement transformés en vapeur d’eau et gaz carbonique.

L’action des rayonnements émis par lampes à excimères de xénon est aussi démontrée sur des bactéries telles que E. coli, ou des spores et cellules de B. subtilis [Lar02b]. La contamination bactériologique est mesurée en unités formant colonies (CFUs) par unité de volume. Les courbes de mortalité bactériennes (figure 1.14) attestent d’une décroissance de 6 à 7 log indiquant par là même l’efficacité de la décontamination.

Figure1.14 – Courbes de mortalité bactérienne d’Escherichia coli. La suspension bacté- rienne en solution aqueuse est irradiée par un rayonnement à 172 nm pendant 20 minutes. Après incubation, les unités formant colonies sont énumérées et tracées en fonction du temps d’irradiation [Lar02b].

1.5.2.2 Irradiation UVL de l’ADN et des micro-organismes

Les photons UVL possèdent une énergie qui dépasse de beaucoup celles des liaisons chimiques des composés organiques. Ils peuvent donc casser des liaisons des membranes protectrices des micro-organismes telles que les bactéries et les spores ou causer des dom- mages irréversibles aux molécules d’acide désoxyribonucléique (ADN).

Sontag et Dertinger [Son75] ont montré sur des films anhydres d’ADN, que la survie de l’ADN non fragmenté après une irradiation UVL était très faible tandis qu’une irradiation à 206 nm ne causait que peu de dommage. En solution aqueuse, Śmialek et al. ont mis en évidence que l’efficacité des dommages causés aux molécules d’ADN est plus importante pour une irradiation à 170 nm comparés aux irradiations avec des photons de longueur d’onde 150 nm et 130 nm. A 190 nm , les dommages sont les plus faibles. Ces résultats ont été obtenus après irradiation par rayonnement synchrotron d’échantillons de volume 2µL et de concentration en plasmides de l’ordre de 200 ng/µL .

Lerouge et al. précisent le rôle des radiation UVL dans la stérilisation par plasma à basse pression. L’efficacité biologique des radiations UVL varie principalement en fonction de la longueur d’onde. Les photons émis par un plasma d’hydrogène dans un domaine de longueurs d’onde allant de 115 nm à 170 nm ont un effet important sur les spores car ils attaquent non seulement les molécules d’ADN mais aussi les membranes des spores. Néan- moins il semble que, d’après ces auteurs, l’efficacité du rayonnement UVL soit moindre que celle des rayonnements UV-C. Toutefois les mécanismes mis en jeu dans la destruction des spores sont différents suivant le type d’irradiation (UVL ou UV-C) et toujours sujets à controverse.

Il semble néanmoins que l’efficacité de la stérilisation par rayonnement UV ou VUV soit fonction du type de micro-organismes, de leur résistance, de leur taille et du milieu.

Ce type de stérilisation est moins performante pour des milieux fortement contaminés car les fortes populations de micro-organismes empêchent la transmission des UV et VUV. Une étude récente [AD08] consistant à irradier des micro-organismes par la troisième et quatrième harmonique d’un laser YAG a montré que les longueurs d’onde de l’ordre de 200 nm causaient plus de dommages que les longueurs d’onde plus élevées (355 nm) sur deux micro-organismes typiques procaryote (Escherichia coli) et eucariote (Saccharomyces

cerevisiae). La source de rayonnement, son intensité et sa longueur d’onde influent donc

aussi sur les dommages causés aux micro-organismes.

Néanmoins, les lampes germicides émettant dans l’UV sont relativement peu perfor- mantes dans l’inactivation des spores notamment en phase végétative [War00]. Les lampes flash pulsées de xénon de forte puissance peuvent réduire de 6 log la population de Bac-

cillus pumilus en suspension aqueuse d’après Dunn et al. [Dun97].

Dans le cas d’une stérilisation par plasma à pression atmosphérique, Laroussi [Lar02a] conclut, après analyse des courbes de survies de différents micro-organismes, que l’effica- cité de la stérilisation dépend de trois facteurs : le type de micro-organismes, le milieu et la source générant le plasma. Dans ce type de stérilisation à basse température par plasma, ce sont les espèces radicalaires, et notamment les radicaux libres qui jouent le rôle le plus important dans les processus d’inactivation.

Le traitement UVL en vue d’une stérilisation peut donc s’envisager comme une étape ultime de stérilisation visant notamment à éliminer des protéines (du type prion par exemple) dépourvus d’acides nucléiques car l’ADN est plus sensible à une irradiation UV-C.

1.5.2.3 Lampes à excimères de gaz rares

Les lampes à excimère de xénon fonctionnant par décharges à barrière diélectrique sont aujourd’hui fabriquées industriellement. Ce type de lampes utilisées pour l’éclairage est notamment développé par la société OSRAM sous la marque Planon. Les caractéristiques fournies par le constructeur font état d’une durée de vie supérieure à 100 000 h et d’une efficacité lumineuse, supérieure à celle des lampes fluorescentes à vapeur de mercure, relativement constante dans le domaine de température de −30◦

C à +85◦

C. Ces lampes sont rectangulaires (de diagonale jusqu’à 21, 3′′_{), plates (épaisseur inférieure à 10 mm)}

et la puissance lumineuse émise est de l’ordre de 6000 Cd/m2 _{(figure 1.15). Toute la}

puissance lumineuse est disponible dès l’allumage de la lampe et elle peut être réamorcée immédiatement après son extinction contrairement aux lampes à vapeurs de mercure.

En dehors de l’éclairage qui nécessite l’emploi de phosphores convertissant le rayon- nement UVL en rayonnement visible, les lampes à excimère peuvent être directement utilisées comme source de rayonnement UVL dans de nombreux procédés de modification de surface. Leur spectre monochromatique et la possibilité de sélectionner des longueurs d’onde spécifiques permettent la sélection des photo-processus. Il n’existe aucun effet de chaleur parasite, les émetteurs UV et UVL à excimère ne produisant aucun rayonnement

Figure 1.15 – Lampe Planon utilisée pour l’éclairage. Documentation OSRAM.

Figure 1.16 – Lampe à excimère de la gamme BlueLight . Documentation HERAEUS. infrarouge dans leur spectre.

La société HERAEUS fabrique une large gamme de lampes à excimère (figure 1.16) à base de xénon ou d’halogénure de gaz rare pour des applications du telles que :

• le nettoyage à sec de surfaces, la décomposition et l’oxydation de résidus ; • le nettoyage UV/ozone sans génération externe d’ozone ;

• le dépôt chimique en phase vapeur photo-induite ;

• la modification de la structure et de la composition de surfaces ;

• L’activation de surface : prétraitement de divers matériaux (métal, plastiques, ca- outchouc) afin d’améliorer la liaison, la mouillabilité, etc. ;

• la métallisation photo-induite ;

• l’ablation de plastiques photo-induite ; • le matage par UV ;

• le durcissement par UV d’encres d’imprimerie ;

• le traitement postprocédé - durcissement des revêtement et adhésifs ; • la modification de textiles et de fibres industrielles ;

A notre connaissance, les sociétés commercialisant des lampes à excimère ne disposent pas dans leur catalogue de lampes à excimère de krypton ou de krypton-xénon émettant un rayonnement UVL de longueur d’onde inférieure à 172 mm.

Chapitre 2

Matériel et méthode

2.1

Introduction

Dans ce travail, nous cherchons à exploiter les données issues des analyses temporelles et spectroscopiques des émissions UVL des excimères de gaz rares dans la gamme de longueurs d’onde de 110 nm à 200 nm. Ces analyses sont effectuées après excitation brève et sélective d’un état atomique ou moléculaire donné. En l’occurrence nous avons axé ce travail sur l’excitation multiphotonique des premiers états métastables et résonants du krypton et du xénon. Notre dispositif expérimental est donc conçu pour l’étude de la fluorescence induite par absorption de deux photons laser : two-photon absorption laser induced fluorescence (TALIF).

Le dispositif expérimental mis en œuvre doit permettre par spectroscopie d’excita- tion de déterminer les états atomiques ou moléculaires susceptibles d’être peupler par absorption de deux photons laser. La spectroscopie d’émission fournit quant à elle des informations pertinentes concernant la nature des excimères créés. Enfin, l’analyse tem- porelle de la fluorescence induite par laser permet de connaître les mécanismes mis en jeu dans la disparition des premiers états métastables ou des premiers états résonants qui sont les précurseurs de la formation des excimères. Ces mesures permettent de déterminer les mécanismes élémentaires de création des excimères et de les quantifier en mesurant les durées de vies et les constantes de réaction associées.

L’incertitude de mesure est un élément important lié à la qualité du mesurage. C’est, selon le vocabulaire international de métrologie, le paramètre associé au résultat d’un

mesurage qui caractérise la dispersion des valeurs qui pourraient raisonnablement être attribuées au mesurande [ISO08]. Le Guide pour l’expression de l’incertitude de mesure

(GUM) [ISO08] est le texte de référence qui fournit, selon la norme internationale ISO/IEC Guide 98-3 :2008, les éléments de calcul de l’incertitude de mesure. Nous développerons dans ce chapitre la démarche et les étapes conduisant à l’estimation des incertitudes de mesures des constantes de réaction et des durées de vie déduites des informations observables par notre dispositif expérimental.