Notre objectif est d’optimiser l’extraction des ions de la décharge et les conditions de mélange post-décharge avec les aérosols. L’un des paramètres critiques qui contrôle la charge des aérosols est la densité d’ions « vue » par l’aérosol pendant son transit.
L’estimation de la densité d’ions est réalisée à partir des mesures de courants d’ions si la vitesse des ions est proche de la vitesse du gaz. Dans ce cas, la densité d’ions s’écrit :
T)! =¸)! I III-8
Avec Iions les courant d’ions positifs/négatifs (A) ; e=1,6 .10-19 C la charge élémentaire et Q le débit (m3.s-1).
Cependant, les ions sont également soumis à une vitesse de diffusion et de dérive électrostatique (cf. §I.3). En particulier, des mesures de courant à 0 L.min-1 en sortie des diélectriques nous prouve que ces processus ne sont pas négligeables sur les espèces du gaz et en particulier sur les ions en sortie de diélectrique (cf § V.2.2 et V.4). Ainsi, par la suite, les mesures sont présentées en courant. Les résultats présentés en densités calculées à partir
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de l’équation III-8 permettent seulement de discuter en termes d’ordre de grandeur afin d’évaluer le produit nions.τ critique pour la charge des aérosols.
III.4.1. Mesure des courants ioniques positifs et négatifs en post-DBD
Pour définir les profils de densités d’ions de chaque polarité dans le chargeur bipolaire, nous avons choisis de caractériser les courants d’ions positifs et négatifs. Le caractère bipolaire des nuages d’ions impose de séparer les ions des deux polarités afin de déterminer les courants d’ions négatifs et positifs.
Pour cela, un précipitateur électrostatique (ESP : ElectroStatics Precipitator) a été dimensionné. Le principe (Annexe 7 ) est de séparer les ions dans un champ électrostatique et de mesurer consécutivement les polarités positives et négatives. L’ESP est composé d’une électrode polarisée (tension VESP) et d’une électrode à la masse appelée électrode de mesure connectée à un électromètre. Le précipitateur électrostatique présente la caractéristique I (VESP) suivante (testé en post-source radioactive à 4 L.min-1) :
Figure III-7 : caractéristique iions(VESP) post-source radioactive à 4 L.min-1
A tension d’ESP nulle (Figure III-7), le courant mesuré correspond à la résultante de la diffusion des ions sur l’électrode de mesure qui dépend des coefficients de diffusion et des densités des ions positifs et négatifs. Comme les coefficients de diffusion dépendent de la polarité (cf. Tableau II-5§ I.2.5.3) et que les densités d’ions positifs et négatifs ne sont pas égales (sur la Figure III-7 Iions+ = 21pA et Iions-= 19pA soit un écart de 2 pA soit ∼10%).
Pour chaque polarité, à tension croissante, le courant d’ions augmente jusqu’à la collection totale des ions. La tension de collection totale dépend de la géométrie, du débit d’ions et de la mobilité des ions. Les différentes causes d’artefact de mesure et les moyens mis en place
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pour les éviter sont présentés en Annexe 7 . Les valeurs de courants mesurés pour des tensions supérieures aux tensions de collection totale (i.e. sur les plateaux) correspondent aux flux total d’ions positifs et négatifs en entrée d’ESP.
III.4.2. Contraintes
Les sources d’ions DBD sont comparées au neutraliseur Krypton TSI 3077. La source
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Kr produit un nuage d’ions bipolaires avec une densité de l’ordre de 1013 m-3 (Modesto-Lopez, et al., 2011) (de La Verpilliere, et al., 2015). La concentration maximale d’aérosol neutralisable pour un débit donné est contrôlée par le nombre de charges créées par unité de temps et de volume. Pour la source radioactive cette valeur est de 9,4.1013 m-3.s-1 soit un courant entrant dans le neutraliseur équivalent à 1,5 nA. Ainsi, pour atteindre une densité d’ions équivalente à la densité dans la source radioactive pour un débit de 4 L.min-1, il est nécessaire d’atteindre un courant d’ions de l’ordre de 150 pA à l’entrée du chargeur pour un débit de 0,6 L.min-1 (correspond au débit de travail comme justifié au § V.6.2).
Deux modèles d’électromètre (Keithley 610C et 6514) sont utilisés. La précision de mesure de ces électromètres (qui dépend du calibre) est inférieure à 1 pA dans nos conditions. Les courants mesurés varient de 1 pA à 10 nA. Le bruit de fond de mesure doit être inférieur à 10% de la mesure, c'est-à-dire 0,1 pA. Les causes de bruit de mesure sont :
- Courant de conduction entre les éléments polarisés (l’électrode polarisée, dépôt d’ions sur les diélectriques, potentiel résiduel sur le blindage à cause de la résistance non nulle des connexions entre le blindage et la terre …) et l’électrode de mesure : en assumant que la décharge et l’ESP sont séparés par une résistance infinie entre les électrodes de décharge et les électrodes de l’ESP, le potentiel le plus important est celui de l’électrode polarisée. La tension de travail pour collecter tous les ions est de l’ordre de 100 V. Pour obtenir un courant de conduction inférieur à 0,1 pA, il est nécessaire que la résistance entre les différents éléments de l’ESP soit supérieure à 1015 Ω.
- Courant capacitif de charge du système de mesure : le système de mesure se comporte comme un circuit composé d’un condensateur (les deux plaques du précipitateur) et d’une résistance correspondant à l’impédance d’entrée de l’électromètre. Ainsi, chaque variation de tension entraine la présence d’un courant de charge ou de décharge du condensateur qui évolue pendant plusieurs minutes jusqu’à une valeur nulle.
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- Courant induit par les sources de rayonnements électromagnétiques ambiants (50 Hz, Radio, mobile, …), et produits par l’alimentation haute tension à 60 kHz et par les filaments de décharge. Le déplacement des électrons à des vitesses pouvant atteindre 106 m.s-1 est à l’origine d’un champ rayonné à très haute fréquence (GHz) de très faible intensité mais reproduit à chaque filament.
Ainsi, l’isolation des électrodes de l’ESP est réalisée avec des diélectriques (Téflon, poly-acétal, Mylar, céramique) (d sur Figure III-8) qui permettent d’assurer des résistances supérieures à 1015 Ω. De plus, une électrode de garde (c sur Figure III-8) connectée à la masse est placée entre l’électrode de mesure (b sur Figure III-8) et l’électrode polarisée (a sur Figure III-8) afin de capter les courants de fuite.
Les mesures sont effectuées lorsque le système est à l’état quasi-stationnaire (10 min pour l’ESP utilisé avec le premier réacteur pour les mesures à 10 cm de la décharge et 1 min pour l’ESP utilisé pour les mesures dans le second réacteur avec des mesures à 2 cm de la décharge, après la mise à l’équilibre de la décharge (cf. § IV.2).
- La Figure III-8 présente le montage de mesure d’ion dans premier réacteur (cf. §III.2.1). Le principe de mesure dans le second réacteur (cf. §III.2.1) est similaire. L’ESP est placée dans une cage de Faraday (cage en métal) à la masse (1) afin de s’affranchir des rayonnements électromagnétiques ambiants et les retours de courants rayonnés par les câbles de mesures. La principale différence entre le premier et le second réacteur est que la cage de faraday pour limiter l’influence du rayonnement de la décharge est remplacé dans le second réacteur par une séparation en métal à la masse. L’alimentation stabilisée (2) et l’électromètre (3) sont positionnés sur un même plan de masse (4) pour limiter les différences de potentiel entre les masses des appareils qui conduisent à des courants artéfactuels.
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Figure III-8: schéma de la mesure des courants d'ions utilisée avec le premier réacteur.
Ainsi, les courants d’ions positifs et négatifs sont mesurés pour une tension d’ESP supérieure à la valeur nécessaire pour atteindre les plateaux (de l’ordre de 100 V cf. Figure III-7) pour un temps supérieur à la mise à l’équilibre de l’ESP.
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