Dispositif expérimental

2.1.

Sources plasma

La source plasma représente l’enceinte dans laquelle le plasma est créé. Historiquement la source associée au laboratoire DPHE est en polypropylène, ce qui n’est pas le cas des sources utilisées dans ce travail, toutes fabriquées sur mesure en verre. La raison principale expliquant le changement de la nature du matériau de la source repose sur la volonté de réduire les impuretés issues du plastique chauffé, capables de perturber le plasma (les atomes d’hélium métastables sont notamment très sensibles à la présence d’impureté). Le choix du verre repose sur son caractère isolant, ainsi que sur sa propension à ne pas être modifié par le plasma dont la température, à l’intérieur de la source, peut atteindre une centaine de degré.

Deux types de sources ont été utilisés dans ce travail :

- une source appelée « source asymétrique » qui est constituée d’un tube autour duquel l’électrode haute tension est enroulée, ainsi que d’un réservoir de plus large diamètre relié à la masse.

- une source appelée « source symétrique » qui est uniquement constituée d’un long tube de diamètre constant, autour duquel sont positionnées les deux électrodes à la même hauteur que celles de la source asymétrique.

Les dimensions de ces deux sources sont représentées sur la Figure 22. Dans les deux cas, l’électrode de masse est positionnée en haut de la source, alors que l’électrode haute tension est en bas. Un joint d’étanchéité en caoutchouc est situé à l’extrémité supérieure de la source permettant d’insérer le tube amenant le gaz par le haut. Ces deux sources ont un diamètre de sortie de 3.7 mm. L’épaisseur du verre est de 2.2 mm.

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Figure 22 : Photographies des sources a) asymétrique et b) symétrique.

Les électrodes sont situées à l’extérieur des sources et sont en aluminium (3M, tape 425, épaisseur 120 µm). L’un des avantages de cette configuration est d’éviter le passage à l’arc, étant donné la barrière en verre séparant les électrodes du plasma. Cette décharge est donc une décharge de type double barrière diélectrique. L’autre avantage repose sur une très bonne accessibilité des électrodes s’il est nécessaire de les remplacer. Il peut en effet arriver, après plusieurs mois de manipulation, que la colle du scotch brûle légèrement sur le verre. Après avoir retiré les électrodes, la source est lavée à l’éthanol et à l’acétone pour retirer toute trace de colle. De nouvelles électrodes sont ensuite ajoutées.

Lors des mesures des atomes d’hélium métastables, deux autres sources asymétriques sont utilisées, l’une a un diamètre de sortie de 3.1 mm (moyen diamètre), et l’autre un diamètre de sortie de 1.5 mm (petit diamètre).

2.2.

Type de gaz et son transport

Le gaz à l’origine de la création du plasma est constitué d’un mélange d’hélium (99.8000%) et de dioxygène (0.2%) (Linde). Un débitmètre massique (El-flow Select, Bronkhorst) permet de réguler le débit du gaz injecté dans la source. Sauf indication contraire, le débit est fixé à 0.5 L.min-1_{. Ce paramètre a été fixé de manière à maximiser}

la production d’espères réactives en phase liquide (voir chapitre 4). Les canalisations sont en acier inoxydable, d’une longueur totale de 2 mètres environ (entre la bouteille de gaz et l’entrée dans la source) afin de diminuer au maximum les impuretés qu’elles peuvent contenir.

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2.3.

Alimentation électrique

L’application d’une différence de potentiel suffisamment élevée entre les deux électrodes permet de créer un plasma à partir du gaz présent dans l’enceinte. L’alimentation est constituée d’un générateur haute tension (SR10kV-300W, Technix) capable de fournir une tension continue maximale de 10 kV, ainsi que d’un générateur d’impulsion haute tension (Nanogen1, RLC Electronic). Ce dernier permet de découper la tension issue du générateur haute tension à une fréquence pouvant aller de 1 Hz à 100 kHz. La durée des impulsions peut varier entre 150 ns et 50 µs. Dans notre cas, la fréquence sera toujours fixée à 20 kHz (si elle est trop faible alors la production d’espèces réactives le sera également par réduction de l’effet mémoire entre deux décharges successives ; si elle est trop alors il y aura un risque de passage à l’arc). La durée des impulsions est, sauf indication contraire, fixée à 2.5 µs (correspondant à un rapport cyclique de 5%). Ce paramètre a également été fixé de manière à maximiser la production d’espères réactives en phase liquide (voir chapitre 4). La tension est fixée à 6 kV de manière à obtenir un plasma suffisamment énergétique pour qu’il se propage sur une distance de plusieurs centimètres dans l’air, tout en favorisant la production d’espèces réactives, et en évitant le passage à l’arc (obtenue autour de 8 kV dans notre configuration, entre le plasma et l’électrode haute tension). Les temps de montée et de descente sont égaux à 8 ns. Ces temps, relativement faibles, sont à l’origine d’une surtension de claquage importante, permettant de créer des électrons de relativement haute énergie. La production d’espèces réactives est dans ce cas renforcée, par rapport à des temps de montée et de descente plus long [135]. L’augmentation de la vitesse du front d’ionisation est également l’un des facteurs témoignant de faibles temps de montée et de descente des fronts de l’impulsion [136].

L’ensemble de la manipulation est porté à la masse (à l’arrière du générateur d’impulsion haute tension) afin d’éviter toute accumulation de charge sur les surfaces métalliques de l’expérience. Au final, la table optique, l’ordinateur, le débitmètre, la plaque de cuivre sous le cristallisoir contenant le liquide et la source (voir Figure 23) sont tous reliés à la masse du générateur.

Une cage de Faraday fabriqué avec un maillage de cuivre fin permet d’isoler l’expérience (ou les diagnostics) des ondes électromagnétiques parasites que l’alimentation et le plasma génèrent. Sa particularité repose sur son caractère souple la rendant très pratique pour isoler des objets de forme particulière. Dans certain cas, notamment quand un diagnostic utilise des câbles non blindés, la cage de Faraday est utilisée.

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2.4.

Cible traitée par le plasma

Une cible liquide, contenue dans un cristallisoir, est placée sous le jet de plasma. Ce cristallisoir peut contenir de l’eau ultra-pure (Millipore Direct-Q 3 UV Water Purification System, ThermoFisher Scientific) ou d’autres mélanges tels que de l’eau ultra-pure et un colorant, ou encore une solution saline et des bactéries. Sauf indication contraire, la distance entre la sortie de la source et la surface du liquide est fixée à 6 mm. Ce paramètre a lui-aussi été fixé de manière à maximiser la production d’espères réactives en phase liquide (voir chapitre 4). Le cristallisoir contenant le liquide est en pyrex et possède un diamètre interne de 36 mm et une hauteur de 26 mm. Le volume du liquide traité est fixé à 12 mL, excepté lors des mesures avec l’absorption laser, la spectroscopie d’émission optique et l’imagerie intensifiée où le volume du liquide est tel qu’il remplit totalement le cristallisoir (25 mL). Cette précaution est adoptée pour éviter que la lumière issue du plasma ou le faisceau laser (selon les cas) ne se propage à travers le cristallisoir.

Une plaque de cuivre (d’épaisseur 1 mm) est placée sous le cristallisoir et est reliée à la masse du système. Dans ce cas la reproductibilité des expériences est nettement améliorée par rapport au cas d’une cible au potentiel flottant. L’ajout de cette masse engendre une augmentation de l’intensité lumineuse du plasma par rapport au cas flottant.