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De nouvelles expériences et simulations développées au LPP étudient l’évolution spatio-temporelle d’un plasma jet impactant une cible

Les jets de plasma d’hélium à pression atmosphérique sont étudiés intensivement pour le traitement de surface et les applications biomédicales. Lorsqu’un jet de plasma d’hélium impacte sur une cible diélectrique, le front de décharge se propage sur la surface de la cible et charge sa surface. L’évolution spatiale et temporelle du champ électrique induit dans la cible est alors cruciale pour les applications.

Au LPP, les équipes expérimentales et de modélisation étudient ce type de propagation de décharges et leur interaction avec diverses cibles.

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Séquence d’imagerie rapide de l’émission lumineuse visible obtenue expérimentalement lors de la propagation de la décharge entre l’extrémité du tube capillaire (en haut) et la cible (couche grise inférieure), visualisant l’impact sur la surface de la cible, à plusieurs délai td par rapport au front de l’impulsion de tension

Les expérimentateurs du LPP, Elmar Slikboer et Olivier Guaitella, en collaboration avec Enric Garcia-Caurel du LPICM de l’École Polytechnique et Ana Sobota de TU/e à Eindhoven, utilisent un cristal électro-optique de BSO comme cible. L’indice de réfraction des cristaux électro-optiques varie linéairement avec le champ électrique induit sur leur surface par les charges déposées, selon l’effet Pockels. En utilisant la technique de polarimétrie de Mueller, le champ électrique induit à l’intérieur de la cible par les charges déposées lors de la propagation de la décharge est mesuré résolu en temps et en séparant les différentes composantes de champ électrique. L’intensité du champ induit dans les cibles est d’une importance capitale dans les applications des jets de plasma. Le champ mesuré atteint des valeurs maximales de 5 kV/cm, inférieures à celles rapportées pour le front de décharge de l’ordre de 20 kV/cm.
Dans un article récemment publié, ces mesures ont été complétées par les calculs numériques des modélisateurs de LPP, Pedro Viegas et Anne Bourdon, en collaboration avec Zdenek Bonaventura et Adam Obrusník à l’Université Masaryk de Brno. Un modèle fluide 2D est utilisé pour étudier séparément la contribution des charges volumiques et des charges de surface aux évolutions spatio-temporelles du champ électrique lors de l’interaction plasma-surface. Les simulations montrent que pendant l’interaction plasma-surface, deux effets déterminent séquentiellement le champ électrique à l’intérieur de la cible : D’abord, on observe un champ électrique relativement élevé en raison de la proximité du front d’ionisation ; ensuite, dans des échelles de temps plus longues, des champs électriques plus faibles, du même ordre de grandeur que ceux mesurés, sont induits en raison de la contribution des charges volumiques résiduelles proches de la cible et des charges de surface déposées sur sa surface. La technique expérimentale offre un moyen unique d’examiner cette deuxième phase de l’interaction plasma-surface.

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Distribution spatiale de la magnitude du champ électrique [kV.cm-1] obtenue numériquement après l’impact de la décharge sur la cible. La cible est placée entre z=-0,5 mm et z=0

Plus de détails ici : P. Viegas et al., Plasma Sources Sci. Technol. 27 (2018) 094002.


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