Etude de la dynamique du jet du plasma

La Figure 6-3 est une photographie du jet de plasma soit en jet libre (Figure 6-3 a) soit en interaction avec un liquide (DMEM) (Figure 6-3 b). A la sortie du tube, nous retrouvons la couleur violette caractéristique du plasma d’hélium se propageant dans l’air. En absence de cible l’intensité lumineuse du jet décroit progressivement le long du jet sur une longueur d’environ 60mm. En présence de DMEM à 20 mm de la sortie du jet, nous ne constatons aucun changement significatif sur la couleur du jet. Cependant, due à l’interaction entre le plasma et le liquide nous observons une augmentation de l’intensité lumineuse au voisinage de la surface du DMEM avec l’apparition d’un spot lumineux sur la surface du liquide.

En effet, plusieurs études ont démontré l'influence des matériaux et notamment leur conductivité lors de l'interaction avec un jet plasma139,140. Par exemple, Riès et al.140 observent un étalement du jet sur une surface de faible conductivité et un jet étroit et intense sur une surface de conductivité plus élevée. Ces informations montrent que le comportement du plasma peut être modifié par la nature de la cible avec lequel il interagit.

La dynamique du jet de plasma libre ou avec une cible de DMEM a donc été étudiée plus précisément avec une caméra rapide. Afin d’observer l’amorçage de la décharge entre les deux électrodes ainsi que sa propagation dans le tube en quartz, le jet a été légèrement modifié puisque les électrodes en aluminium ont été remplacées par un fin maillage métallique transparent afin de pouvoir voir à travers. Les paramètres opératoires du jet sont identiques aux études biologiques : tension 10 kV, fréquence 9,69 kHz et largeur d'impulsion 1µs.

Résultats expérimentaux - Chapitre 6 - Jet plasma d'hélium

Figure 6-3 Photographie du jet plasma (a) en jet libre ou (b) avec une cible de DMEM placée à 2 cm. Conditions expérimentales : tension pulsée monopolaire d’amplitude 10 kV, fréquence de répétition 9,69 kHz, durée de l’impulsion 1 µs,

gaz porteur hélium et débit de gaz de 3 L/min.

6.2.1 Jet libre

La Figure 6-4 présente les images à différents instants de la décharge. Lors de la première décharge, cette dernière s'allume (image 75ns) en bas de l'électrode haute tension, puis s'étend dans l'espace inter-électrode (85ns) pour se propager dans les deux sens derrière les électrodes (150ns). Ensuite, une "bullet" plasma (boule de plasma ou front d'ionisation) sort du tube et se propage, suivie d'un canal faiblement conducteur (180-480ns). Ensuite, la seconde décharge (à partir de 1080ns) se développe et se propage dans l'espace inter-électrode.

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Figure 6-4 Imagerie rapide du jet plasma DBD hélium avec une durée d’exposition de 5 ns (acquisition après instant t = 75 ns, après le début du pulse de tension). Conditions expérimentales : tension pulsée monopolaire d’amplitude 10 kV, fréquence

de répétition 9,69 kHz, durée de l’impulsion 1 µs, gaz porteur hélium et débit de gaz de 3 L/min.

Ces résultats sont en accord avec d'autres études de la littérature136,141,142. 6.2.2 Cible de DMEM à 2 cm

La Figure 6-5 présente les images à différents temps de la décharge lorsque le jet est situé à 2 cm d'une cible de DMEM (le DMEM est un milieu conducteur). La première décharge s'initie de la même façon que précédemment en jet libre à savoir en bas de l'électrode haute tension pour se propager dans l'espace inter-électrodes puis aux électrodes. Du fait de la présence de la surface du DMEM la bullet plasma rebondit sur la surface liquide (290-330ns) et se propage dans le sens inverse (du liquide vers le tube en quartz). Comme en jet libre la seconde décharge commence de la même façon mais présente, comme la première décharge, une bullet plasma qui se propage à la sortie du tube.

Zaplotnik et al.139 ont émis l'hypothèse que les cibles conductrices agiraient au niveau du jet plasma comme une électrode secondaire. Ceci entrainerait donc une augmentation du champ électrique entre l'électrode haute tension et la surface de la cible conductrice. Nous pouvons donc supposer dans notre cas que la cible de DMEM agirait comme une 3ème

électrode et modifierait donc les propriétés du jet plasma mais aussi de la décharge plasma dans le jet lui-même.

Résultats expérimentaux - Chapitre 6 - Jet plasma d'hélium

Figure 6-5 Imagerie rapide du jet plasma DBD hélium avec présence de cible DMEM. Durée d’exposition de 5 ns (acquisition après instant t = 75 ns, après le début du pulse de tension). Conditions expérimentales : tension pulsée monopolaire d’amplitude 10 kV, fréquence de répétition 9,69 kHz, durée de l’impulsion 1 µs, gaz porteur hélium et débit de gaz de

3L/min.

Norberg et al.143 ont dans leur étude numérique sur l'interaction entre un jet plasma et des matériaux à différentes permittivités, identifiés trois types de développement du front d'ionisation après contact avec la cible : le premier est la propagation du front d'ionisation sur la surface des matériaux de faible permittivité (matériaux isolants), le second est une contre propagation axiale du front d'ionisation de la surface cible en direction du jet (telle que nous l'observons avec la cible de DMEM) et le troisième, l'établissement d'un canal conducteur entre la surface de la cible et le jet (pour les cibles avec une permittivité de 80, comme le DMEM144 et les métaux).

Nos résultats démontrent en effet l'absence de propagation radiale du front d'ionisation, la contre propagation du front d'ionisation et l'établissement du canal conducteur entre le jet et la cible.

Résultats expérimentaux - Chapitre 6 - Jet plasma d'hélium

103 6.2.3 Vitesse de propagation

A partir des images enregistrées grâce à la caméra rapide, il est possible d’en déduire la vitesse de propagation de la bullet plasma, générée lors de la première décharge, jusqu’à son impact avec la cible (0 - 300 ns) ou jusqu’à sa disparition en jet libre (0 - 500 ns). La Figure 6-6 présente les vitesses de la bullet plasma en jet libre ou avec une cible de DMEM placée à 2 cm. La bullet démarre au bas de l'électrode haute tension (0 mm), puis se propage dans l'espace inter-électrode à une vitesse décroissante comprise de 16.107 à 10.107 cm.s-1.

Figure 6-6 Vitesse de propagation de la décharge et de la bullet plasma. Conditions expérimentales : tension pulsée monopolaire d’amplitude 10 kV, fréquence de répétition 9,69 kHz, durée de l’impulsion 1 µs, gaz porteur hélium et débit de

gaz de 3 L/min.

Les vitesses avec ou sans cible sont globalement identiques hormis l'augmentation brusque de la vitesse à l'approche du liquide. Norberg et al.143 ont en effet obtenu des résultats similaires en présentant la vitesse de propagation de la bullet dépendante et augmentant avec la permittivité de la cible.