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Thèse de Andrei Klochko le 19 décembre à 14h30

Lieu : Amphithéâtre Gay-Lussac, Campus de l’Ecole Polytechnique

Résumé :
L’utilisation d’une décharge dite "nanoseconde" - durant moins d’une centaine de nanosecondes - comme source d’ionisation, permet de maintenir un champ électrique réduit - rapport du champ électrique sur la densité de particules dans le gaz - très élevé.
Lorsqu’une telle décharge est amorcée dans l’air, le diazote et le dioxygène sont excités par impact électronique et ces molécules accèdent à des états dits "électroniquement excités". Ces états possèdent une grande réactivité chimique, du fait de leur énergie jusqu’à 400 fois supérieure à l’énergie cinétique des particules dans l’état fondamental, dans de l’air à température ambiante. Du fait du fort champ électrique réduit, ces états sont produits en masse et de manière énergétiquement efficace dans les décharges nanosecondes.
La réactivité du diazote électroniquement excité permet par exemple de dissocier le dioxygène en oxygène atomique libre, O, une espèce extrêmement active qui trouve des applications aussi bien dans les recherches en médecine que celles sur l’ignition de la combustion dans les moteurs internes.

Dans cette thèse, une décharge haute tension nanoseconde, capable de dissocier l’intégralité du dioxygène dans l’air à basse pression qu’elle affecte et de le chauffer à plusieurs milliers de degrés en deux microsecondes, est étudiée expérimentalement. Un ensemble de diagnostics complémentaires est utilisé et validé par des méthodes numériques et analytiques, pour obtenir, sur une même plateforme expérimentale, la densité du gaz, la tension, le courant transmis, le champ électrique, l’énergie déposée - totale et spécifique -, la température du gaz, et la densité absolue d’oxygène atomique, le tout avec une résolution temporelle nanoseconde. Ces résultats expérimentaux sont ensuite comparés aux prédictions de modèles de cinétique chimique des espèces excitées, issus de la littérature, décrivant l’évolution des densités d’espèces excitées et des radicaux dans la post-décharge d’un plasma nanoseconde, dans le but de valider et de perfectionner ces modèles.

Abstract :
The use of a so-called "nanosecond" discharge - lasting less than about a hundred nanoseconds - as an ionization source, allows one to sustain a strong reduced electric field. The reduced electric field corresponds to the electric field divided by the gas density.
When such a discharge is ignited in air, nitrogen and oxygen molecules are excited by electron impact, and reach so-called "electronically excited states". These states are very active chemically, because of their internal energy 400 times higher than the average kinetic energy of gas neutral particles in room air at ambient temperature. Because of the strong reduced electric field, electronically excited states are produced with a high energy efficiency, and in large amounts, in nanosecond discharges.
The reactivity of electronically excited molecular nitrogen can for example lead to the dissociation of molecular oxygen into atomic oxygen (free O atoms), an extremely active species which has applications in research fields as various as plasma medicine and plasma assisted combustion in internal engines.

In this thesis, a high voltage nanosecond discharge, capable of dissociating the entirety of the O2 content of the low pressure air that it is ignited in, and to heat it to several thousand degrees within two microseconds, is studied experimentally. A coherent set of complementary diagnostics is used and validated by numerical and analytical methods, to measure, on the same experimental platform, the gas density, applied voltage, transmitted current, electric field, deposited energy - both integral and specific -, gas temperature, and absolute oxygen atom density, all at a nanosecond time scale. These results are then compared to predictions from kinetic models, taken from the literature, which describe the evolution in time of excited species and radicals density in the afterglow of a nanosecond discharge ; the aim of this comparison is to validate and improve these models.


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