Les jets de plasma

Il existe de très nombreuses configurations de jets de plasma avec ou sans barrière diélec- trique actuellement en développement dans les laboratoires. Nous allons en présenter deux types : le jet DBD et le jet surfatron.

2.2.4.1 Jets de plasma DBD

Ce jet de plasma sera utilisé dans les chapitres 6 et 7 pour des applications de traitement de cellules cancéreuses. De plus, le chapitre 7 traitera du développement d’un jet de plasma

fonctionnant avec de l’argon et une configuration d’électrode différente.

Un exemple de jet plasma DBD est montré sur la figure 2.2.5. La configuration de ce jet est relativement commune (voir par exemple [105, 106]). Des électrodes en aluminium sont enroulées autour d’un tube de quartz de petit diamètre (2 mm de diamètre intérieur et diamètre extérieur de 4 mm). Elles sont séparées par un espace de 10 mm. De l’hélium est injecté dans le tube de quartz avec un débit de quelques litres.min−1_{. Des impulsions carrées}

de haute tension sont appliquées entre les électrodes avec une intensité, une fréquence de ré- pétition, et un rapport cyclique ajustables. L’alimentation qui permet d’obtenir des tensions pulsées utilise un circuit push-pull approprié alimenté par un générateur de haute tension continue. Les caractéristiques typiques du signal à haute tension sont les suivantes : temps de montée et de descente de 80 ns à plusieurs centaines de nanosecondes, tension continue allant jusqu’à 10 kV, fréquence de répétition de 1 Hz à 9.69 kHz et largeur d’impulsion de 250 ns à 1.75 s.

Ce genre de dispositif présente l’avantage d’une flexibilité importante permettant le trai- tement de tissus ou de surfaces. En effet, la géométrie des dispositifs peut être adaptée aux différentes applications. On peut citer par exemple la combinaison de plusieurs jets plasma DBD pour augmenter la surface de traitement et également certaines propriétés [107, 108] ainsi que des dispositifs générant un rideau de plasma pour le traitement de surface [109].

Un second avantage est que, contrairement aux DBD classiques de type plan-plan, la pro- pagation du plasma en dehors du dispositif va provoquer l’excitation des molécules contenues dans l’air dans une zone que l’on appelle la plume plasma. Ainsi, une faible quantité de gaz plasmagène est suffisante pour déclencher des réactions chimiques dans l’air menant à la for- mation d’une quantité significative d’espèces oxydantes particulièrement intéressantes dans un contexte biomédical.

2.2.4.2 Jets de plasma Surfatron

Un dispositif Surfatron [110, 111, 112] génère des ondes de surface (généralement dans le domaine micro-onde et plus particulièrement à 2.45 GHz) qui sont capables d’initier une décharge dans un gaz circulant à l’intérieur d’un tube en matériau diélectrique (par exemple du quartz) comme indiqué sur la figure 2.2.6. À la pression atmosphérique, le plasma ne remplit pas toute la section transversale du tube de quartz (voir la figure 2.2.7.a).

L’inconvénient majeur concernant ces dispositifs est la température du jet de plasma qui est trop élevée pour traiter sans dommages des supports thermosensibles. Pour parer à ce problème, on fait circuler de l’air comprimé autour du tube de quartz 2.2.6. Cela présente l’avantage de refroidir le tube et de créer des turbulences au niveau de la sortie du tube où le jet de plasma émerge dans l’air ambiant. Ces turbulences, en se mélangeant avec le jet de plasma, permettent d’abaisser significativement la température apparente du jet de plasma. En effet, cette méthode permet de maintenir la température apparente du jet au dessous de 325 K au voisinage de la sortie du tube de quartz alors qu’en l’absence de

Figure 2.2.5 – Schéma d’un jet DBD de plasma à basse température fonctionnant à pres- sion atmosphérique (a) et photographie du jet de plasma avec sa protection électrique lors d’une utilisation d’hélium comme gaz porteur (b).

refroidissement, le jet émerge dans l’air avec une température avoisinant les 1000 K [11]. Il est à noter également que la structure du jet de plasma est modifiée avec le refroidissement par air comprimé. On assiste alors à l’apparition aléatoire de structures filamenteuses comme observées figure 2.2.7.b.

Les dispositifs Surfatron sont particulièrement flexibles et permettent de générer des jets de plasma (ou des flux d’espèces chimiques créées par plasma) à base de mélanges gazeux très variés et sur une très large plage de pression allant de quelques dixièmes de mbar jusqu’à plusieurs bars. La géométrie du dispositif est également modulable. En effet, bien que la plupart des dispositifs Surfatron utilisent un tube de quelques mm de diamètre, il est possible de générer, dans des conditions particulières, un plasma avec un Surfatron dont le tube a un diamètre de 25 cm.

Même si la majorité des applications biomédicales des jets de plasma Surfatron a été réalisée à basse pression (cf. par exemple [113]), des essais à la pression atmosphérique ont donné des résultats intéressants, en particuliers en ce qui concerne la décontamination de bactéries par plasma [10, 114, 115].

2.2.4.3 Applications biomédicales des jets de plasma

Les jets de plasma DBD fonctionnant avec de l’hélium et de l’argon comme gaz por- teur sont, dans la littérature, les dispositifs plasma les plus utilisés pour les traitements

origin of z axis z µwave generator (40-60W, 2.45 GHz) Ar flow (1-3 L/min) compressed air (cooling) Quartz tube UV/VIS Spectrometer + CCD array camera Surfatron optical system (2x magnification) optical fiber plasma jet Faraday cage upstream side

Figure 2.2.6 – Schéma de principe du jet d’argon micro-onde utilisé pour le traitement de bactérie. D’après [10]

Figure 2.2.7 – Photographie du jet de plasma micro-onde sans (a) et avec (b) refroidisse- ment par air comprimé. Extrait de [11]

biomédicaux. On peut citer de manière non exhaustive :

— La décontamination, traitement de bactérie, stérilisation [10, 54, 116, 117] ; — Le blanchiment ou les soins des dents [106, 118, 119, 120, 121] ;

— La coagulation du sang [102, 122, 123, 124] ;

— Le traitement des ulcères et des plaies chroniques [125, 126, 127, 128] ; — La modification de surface de matériaux biomédicaux [129, 130, 131] ; — Le traitement de cellules cancéreuses [132, 133, 134] ;

— Le traitement de fruits et légumes pour augmenter la durée de conservation [135, 136, 137] ;

— Le traitement de graines pour favoriser la germination et la productivité [138, 139, 140].