" Étude d'une Décharge à Barrière Diélectrique (DBD) homogène dans l'azote à pression atmosphérique : Effet mémoire et Optimisation du transfert de Puissance"
Résumé
This work is part of the development of a method of treatment surface Dielectric Barrier Discharge (DBD) at atmospheric pressure. a DBD is a source of non-equilibrium plasma characterized by the presence at least a portion of the dielectric current , to avoid the transition { Arc . The normal operation of a DBD is filament ; distributions spatial and temporal energy are highly inhomogeneous , which is not compatible with the realization of a surface treatment . However , it is possible to obtain a uniform discharge ( like those obtained { { low pressure) in certain conditions ( electrical excitation electrode configuration , ... ) but { only low power. The objective of this study was firstly to enhance the power transfer in the landfill and secondly to understand the mechanisms homogeneous transition regime filamentary . In order to improve the transfer of power, two approaches were explored: the influence of the dielectric material used and the power system , we have initially , used different materials ( alumina , barium titanate , ... ) with relative permittivity ranging from 6-380 . The results obtained show that , in the configuration used , the important parameter is the overall value of the capacitance the dielectric and not the type of material. Thus, uniform discharge can not be obtained with materials of high relative permittivity that , in fact, lead to very high capacitance values . When the capacitance of the dielectric barrier increases, the charge in the gas is limited and the area of operation in a homogeneous is reduced. Moreover , it appears that modifying the value of the capacitance the dielectric does not increase the maximum power can be transferred { Discharge in a homogeneous system but simply to optimize a point operation in terms of frequency and amplitude of the applied voltage. the explored second approach is to use a specially optimized power . To date , the power typically used to obtain homogeneous landfills supplied a sinusoidal voltage . In this case , the discharge is turned on for only a portion of the period . The solution to improve the power transfer is impose a constant current during discharge and increase its firing duration. in Accordingly, a square current supply has been developed and produced in collaboration with X. Bonnin ( GENESYS team LAPLACE ) . This power supply has helped to increase very significantly the power transferred { discharge (maximum : 100 W / cm 3). On understanding the mechanisms of transition from homogeneous regime filamentary , previous studies have shown that a memory effect, a { discharge the following , will set the seed sprouts and electron gas and to obtain a breakdown of type { Townsend necessary to obtain a discharge homogeneous . The accepted hypothesis at the beginning of this thesis was that the metastable states { Long life 2 N (A 3 u +) Allow to sow the seeds by gas electron secondary emission cathode { . However, this does not explain Therefore, the addition of a few ppm of O 2 or N 2 O , which destroy very efficiently N 2 (A 3 u + ) Increases the stability of the discharge . Spectroscopy measurements Optical emission temporally and spatially resolved in various mixtures of gas (N 2, N 2 -O 2, N 2 -NO) allowed us to demonstrate the importance of N 2 (A 3 u +) But Also atomic oxygen O (3 P ) on the uniformity of the discharge . the metastable N 2 (A 3 u +) { Can be the origin of the creation of excited states nitrogen N ( 2 P) with associative ionization of atomic oxygen O (3 P ) could inoculating the electron gas . This hypothesis can explain the behavior nitrogen but also observed in the different gas mixtures investigated.
Ce travail s'inscrit dans le cadre du développement d'un procédé de traitement de surface par Décharge à Barrière Diélectrique (DBD) à pression atmosphérique. Une DBD est une source de plasma hors équilibre thermodynamique caractérisée par la présence d'au moins un diélectrique dans le passage du courant, permettant d'éviter la transition { l'arc. Le régime normal de fonctionnement d'une DBD est filamentaire : les répartitions spatiales et temporelles de l'énergie sont fortement inhomogènes, ce qui n'est pas compatible avec la réalisation d'un traitement de surface. Cependant, il est possible d'obtenir une décharge homogène (similaire { celles obtenues { basse pression) dans certaines conditions (excitation électrique, configuration d'électrodes, ...) mais uniquement { faible puissance. L'objectif de cette étude est d'une part d'améliorer le transfert de puissance dans la décharge et d'autre part de comprendre les mécanismes de transition du régime homogène au régime filamentaire. Dans le but d'améliorer le transfert de puissance, deux approches ont été explorées : l'influence du matériau diélectrique utilisé et le système d'alimentation, Nous avons, dans un premier temps, utilisé différents matériaux (alumine, titanate de baryum, ...) ayant des permittivités relatives allant de 6 à 380. Les résultats obtenus montrent que, dans la configuration utilisée, le paramètre important est la valeur globale de la capacité du diélectrique et non le type de matériau. Ainsi, une décharge homogène ne peut pas être obtenue avec des matériaux de forte permittivité relative qui, de fait, conduisent à des valeurs de capacité très élevées. Lorsque la capacité de la barrière diélectrique augmente, la charge dans le gaz est limitée et le domaine de fonctionnement en régime homogène est réduit. De plus, il apparaît que la modification de la valeur de la capacité du diélectrique ne permet pas d'accroître la puissance maximale pouvant être transférée { la décharge dans un régime homogène mais simplement d'optimiser un point de fonctionnement en termes de fréquence et d'amplitude de la tension appliquée. La seconde approche explorée consiste à utiliser une alimentation spécialement optimisée. A ce jour, l'alimentation généralement utilisée pour l'obtention de décharges homogènes fournie une tension sinusoïdale. Dans ce cas, la décharge est allumée pendant seulement une partie de la période. La solution pour améliorer le transfert de puissance consiste à imposer un courant constant durant la décharge et d'accroître sa durée d'allumage. Dans cette optique, une alimentation en courant carré a été développée et réalisée en collaboration avec X. Bonnin (équipe GENESYS du LAPLACE). Cette alimentation a permis d'accroître de manière très importante la puissance transférée { la décharge (maximum : 100 W/cm 3 ). Concernant la compréhension des mécanismes de transition du régime homogène au régime filamentaire, les études antérieures avaient montré qu'un effet mémoire, d'une décharge { la suivante, permet d'ensemencer le gaz en électrons germes et ainsi d'obtenir un claquage de type Townsend nécessaire { l'obtention d'une décharge homogène. L'hypothèse admise au début de cette thèse était que les états métastables { longue durée de vie N 2 (A 3 u + ) permettaient d'ensemencer le gaz en électrons germes par émission secondaire { la cathode. Cependant, ceci ne permet pas d'expliquer pourquoi l'ajout de quelques ppm de O 2 ou de N 2 O, qui détruisent très efficacement les N 2 (A 3 u + ), augmente la stabilité de la décharge. Des mesures de spectroscopie d'émission optique résolue spatialement et temporellement dans différents mélanges de gaz (N 2 , N 2 -O 2 , N 2 -NO) nous ont permis de montrer l'importance des N 2 (A 3 u + ) mais également de l'oxygène atomique O( 3 P) sur l'homogénéité de la décharge. Les métastables N 2 (A 3 u + ) peuvent être { l'origine de la création d'états excités de l'azote N( 2 P) qui par ionisation associative avec l'oxygène atomique O( 3 P) pourraient ensemencer le gaz en électrons. Cette hypothèse permet d'expliquer les comportements observés en azote mais également dans les différents mélanges de gaz étudiés.
Loading...