Dans cette partie, nous parlerons principalement du plasma non thermique formé par une décharge électrique. En appliquant une différence de potentiel entre deux électrodes alimentées par un courant électrique, le plasma se forme. Mais suivant la forme des électrodes, le type du signal électrique et la configuration du réacteur, il est possible d’obtenir différents types de décharges.
1. Formation du plasma
L’application d’une haute tension entre les électrodes va créer un champ électrique E° et entrainer une accélération des électrons (électrons germes). En rencontrant les molécules de gaz et ces électrons par des chocs inélastiques cela va engendrer des ions, des espèces excitées, voire des radicaux libres et libérer d’autres électrons. L’avalanche électronique primaire [Figure III-2] est le nom de ce premier phénomène de la décharge. Se propageant de la cathode vers l’anode, elle est constituée d’ions, d’électrons, de molécules et d’espèces excitées.
Figure III-2 Avalanche électronique primaire
Ces espèces chargées vont alors générer un champ électrique E’ opposé au champ E°. Néanmoins, au voisinage de ce champ E’, d’autres électrons vont être accélérés, propageant alors le phénomène jusqu’à l’anode et ainsi former un canal gazeux ionisé entre les deux électrodes : le streamer ou filament de plasma. [Figure III-3]
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Figure III-3 Filament ou streamer
Le streamer est composé d’espèces activées, d’électrons, d’ions et de molécules. Une lumière violette apparait lorsque le gaz est de l’air par exemple. Cela correspond à l’émission due à la relaxation des espèces excitées revenant à leur état fondamental et est le signe visible de la formation du plasma. La couleur observée [Tableau III-1] est liée à la relaxation des molécules excitées et des ions vers leur état fondamental par émission de photon visible.
Tableau III-1 Couleur du plasma en fonction du gaz utilisé
Gaz
CF
4SF
6Cl
2CCl
4H
2O
2N
2Br
2He
Ne
Ar
Couleurs
Bleu Bleulaiteux Vert laiteux Vert léger Rose Jaune laiteux Rouge à jaune Rouge Rose à violet Rouge à jaune Rouge foncé
2. Plasma sans diélectrique
En appliquant une tension entre deux électrodes fortement dissymétriques, séparées par une distance appelée Gap, il est possible de former un streamer. Le courant direct, alternatif ou impulsionnel peut être utilisé. Deux types de réacteurs sans diélectrique sont présentés : la décharge glissante et la décharge couronne. Dans les deux cas, l’objectif est de former des streamers en évitant la formation d’un arc permanent entre les deux électrodes.
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a. Décharge glissante 66
La décharge glissante est un streamer, initié par un arc électrique soufflé par un gaz et finissant par se rompre. [Figure III-4]
Figure III-4 Décharge glissante
Le flux d’air vient pousser le streamer pour empêcher le passage à l’arc. L’écart inter électrode augmentant, le filament va finalement se rompre et le plasma s’éteindre. Cette décharge possède quelques contraintes telles que le débit important pour « souffler » le streamer ou l’irrégularité du streamer plus l’écart inter électrodes est important.
b. Couronne
La décharge couronne possède deux électrodes dissymétriques. Généralement, l’électrode mise à la haute tension est un fil ou une pointe tandis que l’autre électrode est de grande surface telle qu’une plaque ou un cylindre. [Figure III-5]
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Pouvant être formé très facilement avec des pressions allant de quelques dizaines de µbar à plusieurs bars, la décharge couronne fonctionne avec différents gaz (air, argon, hélium, oxygène…). Néanmoins, le passage à l’arc est très facile et le plasma passe de non thermique à thermique (forte élévation de température par effet Joule). Pour éviter ce phénomène, il est possible de disposer des diélectriques et, dans ce cas, une décharge DBD est formée.
Toutefois, cette décharge peut être utilisée dans le cas où le produit à traiter est un liquide. Par exemple, en prenant une électrode multipointes à la surface d’un liquide et mettant une électrode dans le fond du réacteur [Figure III-6], il est possible de former le plasma à la surface de l’eau et ainsi traiter le liquide (les NOx dans l’eau par exemple).73
Figure III-6 Réacteur permettant de traiter un liquide
3. Plasma avec un diélectrique
En appliquant une tension entre deux électrodes séparées par au moins un isolant diélectrique, séparées par une distance appelée Gap, il est possible de former le plasma. Grâce à ce matériau isolant, il devient très difficile de passer à l’arc et il est ainsi possible de créer un réacteur possédant deux électrodes identiques (plan-plan par exemple) et également de rendre la décharge plus homogène. Lors de la décharge électrique, le diélectrique se charge et peut écranter le champ E° ce qui entraine une extinction du plasma. Pour remédier à ce problème, il est indispensable de décharger la surface du diélectrique et le seul moyen est d’appliquer un signal électrique alternatif (sinusoïdal, mono- impulsionnel ou bi-impulsionnel). Deux types de réacteurs avec des diélectriques sont présentés : la décharge à barrières diélectrique et le plasma de surface.
73 Tomio Fujii, Yasushi Arao, and Massimo Rea, “Characteristics of Pulse Corona Discharge over Water Surface,” Journal of
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c. Décharge à Barrière Diélectrique (DBD) 74,75,76
Ce type de décharge est obtenu en séparant les électrodes par un matériau isolant diélectrique tel que le verre, le quartz ou un plastique. Grâce à cette barrière, le passage à l’arc électrique est impossible à cause de la chute de potentiel entre les deux électrodes. Fonctionnant à une large gamme de température, de pression et de fréquence, alimenté par un signal sinusoïdal ou impulsionnel, le plasma DBD offre une grande souplesse dans le design du réacteur. [Figure III-7]
Figure III-7 Réacteur DBD
d. Plasma de surface 66
D’un point de vue du phénomène, le plasma de surface est similaire à celui d’une DBD, mais la décharge se fait à la surface du diélectrique sur une faible épaisseur. [Figure III-8]
74Ulrich Kogelschatz, “Dielectric-Barrier Discharges: Their History, Discharge Physics, and Industrial Applications,” Plasma
Chemistry and Plasma Processing 23, no. 1 (2003): 1–46
75 Arne M. Vandenbroucke et al., “Non-Thermal Plasmas for Non-Catalytic and Catalytic VOC Abatement,” Journal of
Hazardous Materials 195 (November 2011): 30–54
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Figure III-8 Réacteur de plasma de surface
Cette décharge permet de ne plus se soucier de la distance inter-électrodes, mais seulement de l’épaisseur du diélectrique.