PROPAGATION D’UNE PLUME DE PLASMA DANS L’AIR AMBIANT

1400 ns 1420 ns 1430 ns 1440 ns 1390 ns 1350 ns 1355 ns 1370 ns 1380 ns

5 mm

Figure VI.7 – Propagation d’un PAPS de néon dans l’air ambiant. Le trait en pointillés blanc indique la sortie du capillaire. Temps d’exposition : 5 ns, débit de néon : 2 000 sccm, tension appliquée : −28 kV, Ltube =15 cm.

de la propagation au sein d’un capillaire, le front d’ionisation (caractérisé par un H-PAPS) reste connecté au cône principal au cours de sa propagation. De ce fait, la propagation des PAPS dans l’air ambiant est équivalente à la propagation des PAPS au sein de capillaire. Dans un premier temps, le plasma s’étend sur quelques mm, puis l’extrémité du plasma tend à se propager sous la forme d’un volume homogène (H-PAPS).

La propagation des PAPS dans l’air ambiant va dépendre de nombreux paramètres, notam-ment le débit gazeux, la tension, la fréquence, ou la longueur de capillaire. À même tension, suivant la longueur de capillaire parcourue, le PAPS arrivera dans l’air ambiant soit en mode Wall-hugging, soit en mode Homogène.

2.2 Influence du débit

La propagation de la plume de plasma dans l’air ambiant va dépendre du débit de gaz ali-mentant le Plasma Gun. Suivant le débit de gaz injecté, la morphologie de la plume plasma va être modifiée, comme l’illustre la figure VI.8.

L’influence du débit sur la longueur de la plume a été évaluée pour une longueur de capillaire de 5 cm. La longueur de la plume augmente avec le débit jusqu’à ce que ce dernier atteigne 1 000 sccm. Pour des débits supérieurs, la longueur de la plume diminue. Cette évolution de la plume est similaire à celles reportées dans la littérature. L’évolution de la plume peut ainsi être comparée à l’évolution des régimes d’écoulement d’un jet de gaz. En effet, l’évolution de la longueur est, dans un premier temps, linéaire avec le débit. De plus, la forme de la plume reste

Reynolds

100 200 500 700 1000 1300 1500 1700 2000 2300 2500

Débit (sccm)

14 28 71 99 141 184 212 240 290 325 353

Laminaire Turbulent

5 mm

Figure VI.8 – Évolution de la longueur d’une plume de plasma de néon, en sortie de capillaire, en fonction du débit et duRed. Ltube :5 cm. Temps d’exposition : 10µs, moyenne de 10 images.

constante dans le temps. On peut donc faire l’analogie avec le régime laminaire qui présente ces mêmes propriétés. Puis, pour des débits supérieurs à 1 000 sccm, la plume ne conserve pas sa forme conique puisqu’elle change à chaque impulsion. On peut donc, là aussi, faire l’analogie avec le régime turbulent qui présente lui aussi cette propriété.

Dans la suite de cette section, les dénominations « régime laminaire » ou « régime turbulent » seront employées pour décrire la plume plasma, et signifier ainsi le fait qu’elle présente des pro-priétés analogues à celles des deux régimes d’écoulement de gaz.

L’augmentation du débit va donc influer sur la morphologie et la longueur de la plume. Nos résultats sont cohérents avec ceux de la littérature. Dans le cas du Plasma Gun, et contrairement aux autres dispositifs, il est possible d’observer cette plume après que le plasma se soit propagé sur une longue distance.

2.3 Influence de la longueur de capillaire

L’influence de la distance de propagation des PAPS au sein du capillaire (Ltube), sur la longueur du jet de plasma (Lplume) est représentée en figure VI.9. Contrairement aux expériences décrites dans les chapitres précédents, les mesures de longueur de plume ont été effectuées avec le Plasma Gun positionné verticalement. Les PAPS ainsi que le gaz porteur se propagent du bas vers le haut. Lors de traitements, le plasma se propage du haut vers le bas, cependant pour ces travaux la position opposée est choisie afin d’éviter le gaz qui remonte, notamment dans le cas de l’hélium.

L’évolution de la longueur de la plume en fonction du débit a été étudiée pour différentes longueurs de capillaires : 1 à 15 cm. Pour le capillaire de 1 cm, la longueur de la plume aug-mente linéairement avec le débit jusqu’à 1 300 sccm. Au-delà de cette valeur, la plume plasma va diminuer. Ce comportement est également observé pour les capillaires de 3 cm et 5 cm. En tenant compte de la figure VI.8, l’augmentation linéaire est assimilée au régime laminaire, tandis que la seconde partie de la courbe est assimilée au régime turbulent. Par conséquent, la lon-gueur maximale atteinte par la plume plasma peut être considérée comme étant la transition

2. PROPAGATION D’UNE PLUME DE PLASMA DANS L’AIR AMBIANT

(b) LongueurLplume en fonction du débit.

Figure VI.9 – Évolution de la longueur de la plume de plasma en fonction du débit et pour différentes longueurs de capillaire. Alimentation Blumlein, polarité négative, tension appliquée :

−20 kV, taux de répétition : 200 Hz, gaz : Néon.

laminaire–turbulent. Pour le capillaire de 3 cm, cette transition est obtenue pour un débit de 500 sccm, tandis que pour un capillaire de 5 cm elle est obtenue pour 700 sccm, l’augmentation de la longueur du capillaire permettrait donc de retarder l’apparition de la transition laminaire–

turbulent. Cette hypothèse est confirmée par l’évolution de la longueur de plume obtenue en sortie d’un capillaire de15 cm. La plume plasma continue de croître malgré des débits supérieurs à 1 000 sccm, sur la gamme de débits testés, le régime turbulent n’a pas été observé. Plus la lon-gueur de capillaire augmente et plus la transition laminaire–turbulent est retardée, c’est-à-dire que la transition est obtenue pour des débits plus importants. Nous sommes en droit de supposer que cette augmentation de longueur de capillaire peut avoir une influence sur l’écoulement du gaz. Il est à noter que le capillaire de1 cmest un cas particulier, puisque le maximum est obtenu à 1 300 sccm, soit à un débit supérieur à ceux obtenus pour des capillaires de 3et5 cm.

Des résultats similaires ont été obtenus pour une plume de plasma d’hélium et sont présentés dans la figure VI.10. Contrairement au cas du néon, le Plasma Gun est alimenté en polarité positive avec l’Abiopulse à une tension de 14 kV et un taux de répétition de2 000 Hz. À l’instar du néon, l’augmentation de la longueur du capillaire conduit à retarder l’apparition de la tran-sition laminaire–turbulent, bien que celle-ci reste visible même pour un capillaire long de 16 cm.

Les résultats obtenus en hélium permettent de souligner que le capillaire long de 1 cmpeut être considéré comme un cas particulier.

La longueur du capillaire a une influence sur la propagation du plasma comme illustrée en figure VI.11. Sur chacune des photographies est visible l’étalement du plasma à l’intérieur du capillaire, de l’électrode interne jusqu’en sortie de capillaire. Sur les 6 longueurs testées, deux types de plasma sont observés. En effet, pour une longueur inférieure à3 cm, le plasma n’occupe pas tout le volume du capillaire, tandis que pour des longueurs plus importantes, le volume plasma est équivalent à celui du capillaire. De plus, suivant le volume plasma, la plume se comportera différemment.

Pour des petites longueurs de capillaire, le plasma est concentré sur le canal de gaz formé en

5 cm 10 cm 15 cm

0 20 40 60 80 100

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Lplume (mm)

Débit (sccm)

Figure VI.10 – Influence de la longueur de capillaire sur la longueur d’une plume plasma d’hé-lium. Alimentation Abiopulse, polarité positive, tension appliquée : 14 kV, taux de répétition : 2 000 Hz.

Limite de l’électrode interne

Ltube

Ltube = 1 cm Ltube = 2 cm Ltube = 3 cm Ltube = 4 cm Ltube = 5 cm Ltube = 6 cm

FigureVI.11 – Influence de la longueur du capillaire sur le jet de plasma. Débit néon :1 000 sccm, temps d’exposition : 10µs.

sortie d’électrode interne. En effet, en sortie d’électrode, une zone de forte intensité lumineuse est observée, de diamètre ≈1 mm. Cette zone de forte émission est de même diamètre que celui de l’électrode et est également visible pour des longueurs allant jusqu’à 4 cm. Cependant, pour des capillaires long de1et2 cm, cette zone de forte émission atteint la sortie du capillaire et va induire une plume longue et fine. Pour des capillaires de 3 et 4 cm, la zone de forte émission n’atteint pas la sortie du capillaire, et le plasma tend à occuper tout le volume disponible. L’extrémité de l’électrode interne forme une marche descendante, qui va induire une longueur de recollementX_r de l’écoulement sur la paroi (théoriquement25 mmpour un débit de2 500 sccm). À cette longueur de recollement s’ajoute la longueur d’établissement du régime établi. Bien que le plasma peut avoir une action sur les distances de recollementXr et d’établissementLe, le volume occupé par le plasma peut dépendre de ces grandeurs. De plus, l’observation d’un plasma large de 1 mmen

2. PROPAGATION D’UNE PLUME DE PLASMA DANS L’AIR AMBIANT

sortie de l’électrode interne peut être reliée à l’existence de la couche cisaillée observée en sortie de marche.

Dans le cas de long capillaire, le volume occupé par le plasma est proche du diamètre du ca-pillaire puisque l’écoulement peut être établi. Cet établissement du régime établi peut également contribuer à l’éjection du gaz en sortie de capillaire.

Suivant la longueur de capillaire, le plasma se comportera de manière différente en sortie de capillaire. L’observation de longues plumes fines est caractéristique de capillaires de faibles longueurs (typiquement inférieures à 3 cm), tandis que des plumes plus larges seront induites en sortie de longs capillaires. L’origine de ces différents types de plumes peut être imputée à l’hydrodynamique du gaz en sortie d’électrode interne, celle-ci pouvant être assimilée à une marche descendante. Dans le cas où le gaz n’aurait pas eu le temps d’être recollé à la paroi, les plumes obtenues seraient longues et fines. Par contre, dans le cas où le gaz est recollé, et suivant l’avancement du régime établi, la plume sera plus large en sortie de capillaire, et aurait sa longueur qui augmenterait avec celle du capillaire (à même débit).

2.4 Influence du taux de répétition

La figure VI.12 présente l’évolution de la longueur de la plume en fonction du débit et du taux de répétition de l’impulsion. Deux conditions ont été testées : à5 cmde l’électrode interne, et à 15 cm. Ces deux conditions sont représentatives des deux modes de propagation des PAPS.

Afin de pouvoir faire une étude sur une gamme plus étendue de taux de répétition, le Plasma Gun est alimenté par la source Abiopulse. Cette source délivre des impulsions de tension ayant un front de montée de2µs à des taux de répétition allant du mono-coup à2 000 Hz.

0 5 10 15 20

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Lplume (mm)

Débit (sccm)

L_tube = 5 cm, 200 Hz L_tube = 5 cm, 2000 Hz L_tube = 15 cm, 200 Hz L_tube = 15 cm, 2000 Hz

FigureVI.12 – Évolution de la longueur du jet de plasma en fonction du débit et pour différents taux de répétition de l’impulsion, et pour deux longueurs de capillaires différentes.

Dans le cas de Ltube =5 cm, l’augmentation du débit fait apparaître la transition laminaire–

turbulent, comme observé précédemment. Cependant, l’augmentation du taux de répétition re-tarde l’apparition de cette transition. Pour un taux de répétition de 200 Hz, la transition est comprise entre 700 sccmet1 000 sccm, tandis que pour2 000 Hz, la transition n’est pas observée sur la gamme des débits testés. De plus, la longueur du jet de plasma obtenue pour un taux

de répétition de 2 000 Hz est supérieure à celle obtenue pour 200 Hz, dans le cas du capillaire de 5 cm. Par conséquent, lorsque le capillaire est de faible longueur, l’augmentation du taux de répétition retarde l’apparition du régime turbulent, permettant ainsi une augmentation de la longueur visible du jet de plasma.

Dans le cas de Ltube = 15 cm, quel que soit le taux de répétition testé, l’augmentation de la longueur de la plume plasma est linéaire avec l’augmentation du débit (ou du Reynolds). Outre la conservation du régime laminaire, l’augmentation du taux de répétition ne modifie pas la lon-gueur du jet de plasma.

Lors d’applications, les traitements s’effectuent à l’aide de la plume plasma. Une fois la pro-pagation du plasma au sein du capillaire maîtrisée, il convient de contrôler au mieux la longueur de la plume plasma afin de traiter dans les bonnes conditions. Ce contrôle passe notamment par le débit de gaz injecté dans le capillaire. Cependant, suivant le débit employé, la plume de plasma sera soit dans un régime laminaire, soit dans un régime turbulent. Le régime laminaire se caractérise par une augmentation linéaire de la longueur avec le débit, et une stabilité de la plume plasma ; tandis que le régime turbulent est caractérisé par de faibles longueurs et une plume instable dans le temps. Afin d’éviter l’apparition du régime turbulent, deux options sont possibles :

— augmenter le taux de répétition de l’impulsion de tension ;

— augmenter la longueur de capillaire en sortie d’électrodes.

L’augmentation du taux de répétition va retarder l’apparition du régime turbulent, dans le cas où le capillaire utilisé est de faible longueur. Lors de la propagation d’un fluide au sein d’une conduite une couche limite va se développer le long des parois internes. Cette couche limite va induire une modification du profil de vitesse de l’écoulement (cf. figure VI.2) et pourra donc agir sur l’écoulement obtenu en sortie de conduite. Néanmoins, le plasma aurait une influence sur l’écoulement du gaz dans la conduite et dans le jet. Une telle influence a été mise en évidence par Jiang et al. [140], le plasma va « redresser » le jet de gaz. Donc, la modification engendrée sur la longueur de la plume de plasma par l’allongement du capillaire peut être due à l’impact du plasma à l’intérieur du capillaire, ou au développement de la couche limite, voire à une com-binaison de ces deux facteurs.