Simulation des jets de plasmas froids dans l’hélium sous COMSOL

Généralités sur les plasmas

D’une façon générale, un plasma est un gaz ionisé constitué d’espèces chargées, d’espèces neutres et de photons. Sa charge totale est nulle. Le plasma est souvent référencé comme le 4ème état de la matière, faisant suite aux états solide, liquide et gazeux. Le passage d’un état gazeux au plasma est réalisé par un apport d’énergie qui peut provenir d’une source de chaleur, d’un bombardement de particules ou en appliquant un champ électrique et/ou électromagnétique de forte amplitude [Ra- 1].

Les plasmas se divisent en deux grandes catégories : les plasmas chauds et les plasmas froids. Les plasmas chauds représentent 99% de la matière dans l’univers car ce sont les composants essentiels des étoiles. Ils sont composés d’électrons, de protons, de neutrons, d’atomes et de photons. Ils sont caractérisés par une température très élevée pouvant atteindre le million de degré. Ils peuvent être formés artificiellement sur terre dans des réacteurs très spécifiques par confinement magnétique (Tokamaks) ou confinement inertiel (Laser MégaJoule) [Pi-1].

Les plasmas froids, par opposition aux plasmas chauds, possèdent une température relativement plus faible (pouvant atteindre 10⁴ K). Ils sont composés d’électrons, d’atomes et de molécules (neutres, chargées, excités) et de photons. Dans la nature, on les retrouve sous forme d’aurores polaires (boréales et australes) ou sous forme d’éclairs ou de sprites (dans la haute atmosphère). Dans les laboratoires et dans l’industrie, ils sont créés au sein de dispositifs alimentés par une source extérieure d’énergie électromagnétique (DC, AC, RF ou micro-onde). Les plasmas froids sont eux même divisés en deux grandes familles :

● Les plasmas froids thermiques (ou à l’équilibre thermodynamique) pour lesquels les températures des électrons et des espèces lourdes (ion, neutre) sont les mêmes. Ils sont formés à la pression atmosphérique ou à des pressions supérieures (il faut que les fréquences de collision entre les espèces soient suffisamment importantes).
● Les plasmas froids non-thermiques (ou hors équilibre thermodynamique) pour lesquels la température des électrons est très supérieure à celle des espèces lourdes. Ces plasmas peuvent être créés sur une large gamme de pression.

Les plasmas froids peuvent être caractérisés par différents paramètres comme par exemple le degré d’ionisation, le libre parcours moyen, la température des espèces qui le compose, la longueur de Debye, la réactivité chimique et la distribution en énergie des électrons.

Le libre parcours moyen 𝜆 est la distance moyenne qu’une particule parcours entre deux collisions successives. Il dépend fortement de la densité du gaz. Si la pression est élevée, le libre parcours moyen est faible et donc les fréquences de collisions sont importantes. Dans ce cas, le plasma a tendance à rester confiné (le nombre important de collisions limitant l’expansion du plasma) et à se thermaliser (l’énergie gagnée par chaque espèce se redistribue rapidement entre espèces grâce aux collisions). Il est donc assez naturel d’obtenir des plasmas froids thermiques et confiné à la pression atmosphérique. A l’inverse, si la pression diminue, le libre parcours moyen augmente et les électrons très énergétiques ont plus de difficulté à transmettre leur énergie aux autres espèces car le nombre de collisions est plus faible. Il est donc assez naturel d’obtenir des plasmas froids hors équilibre et étendu à des pressions faibles.

La température du plasma est définie comme la moyenne des températures des espèces qui le composent. Du fait du rapport des masses, les transferts d’énergie des électrons vers les neutres sont très faibles mais très efficaces entre les ions et les neutres. De ce fait, on considère très souvent plusieurs températures : La température électronique Te , la température ionique Ti et la température des neutres Tn. Dans un plasma froid à l’équilibre, on a :

𝑇𝑒 = 𝑇𝑖 = 𝑇𝑛

La longueur de Debye 𝜆𝐷 est une distance caractéristique de la non-neutralité dans un plasma. La neutralité électrique des plasmas est seulement vraie de façon macroscopique sur l’ensemble du plasma. Sur une distance de l’ordre de 𝜆𝐷, cette règle de neutralité peut être violée. Un gaz ionisé sera considéré comme un plasma si sa longueur de Debye est beaucoup plus petite que les dimensions physiques du plasma. L’écart à la neutralité existe donc entre un plasma et les surfaces d’une enceinte (incluant les électrodes). Cette zone s’appelle la gaine. La gaine entre un plasma et une surface est donc une interface abrupte entre le volume du plasma et les électrodes, ou toutes autres surfaces présentes dans le réacteur [Bo-2].

La fonction de distribution en énergie des électrons (EEDF pour Electronic Energy Distribution Function) donne en chaque point du plasma la répartition en énergie des électrons c’est-à-dire quelle proportion d’électrons possède une énergie donnée. Par exemple, si à un endroit du plasma une proportion importante d’électrons possède une énergie supérieure au seuil d’ionisation du gaz, c’est une zone active d’entretien du plasma par la formation d’électrons et d’ions. La fonction de distribution est très riche en information car elle permet de déduire toutes grandeurs moyennes mesurables dans un plasma (température, réactivité, vitesse, flux de chaleur, etc.). Elle est obtenue le plus souvent par calculs mais peut être mesurée sous certaines conditions à l’aide d’une sonde de Langmuir. Dans un plasma à l’équilibre thermodynamique, la fonction de distribution est de type Maxwellienne. C’est souvent cette fonction qui sert de référence. Cependant, pour des plasmas hors équilibres, il est nécessaire de calculer les fonctions des distributions pour chaque mélange de gaz et chaque énergie moyenne des électrons.

Les plasmas hors équilibre à la pression atmosphérique (PHEPA) pour les applications biomédicales

Les PHEPA sont utilisés dans diverses applications comme par exemple la modification de l’état de surfaces, la production de lumière, la décontamination biologique et chimique de solides ou de fluides, le nettoyage et le traitement des matériaux, … ([El-1], [La-4], [Lu-5], [Ka-2], [Ko-1], [Ma-1], [Mi-1], [Mo-1] , [Br-5]). Grâce à leur faible température (généralement inférieure à 40◦C), ces plasmas peuvent être appliqués directement sur des surfaces sensibles à la température sans les endommager d’où leur intérêt dans le domaine biomédical (comme la cicatrisation des tissus, la coagulation sanguine, les traitements antibactériens et anti-tumoraux, …). Un autre intérêt de leur utilisation vient du fait qu’il n’est pas nécessaire de mettre en œuvre un système de pompage de gaz.

Les PHEPA sont générés par des décharges qui nécessitent l’application d’une différence de potentiel de grande amplitude entre deux électrodes afin de générer un champ électrique suffisamment intense pour ioniser le gaz. Dans ces conditions et sans précautions particulières, la décharge conduit naturellement à la formation d’un arc électrique. Pour obtenir les conditions du hors équilibre, plusieurs solutions sont possibles. On peut par exemple appliquer des impulsions très courtes de haute tension pour amorcer les décharges et les avorter avant qu’elles ne forment un court circuit avec les électrodes. On peut également prévoir un très fort rayon de courbure sur une électrode pour localiser et contraindre la zone active des décharges par effet de renforcements des lignes de champ (principe des décharges couronnes [Au-1]). Il est également possible de déposer un isolant sur une ou deux électrodes pour favoriser le dépôt de charges et induire une barrière diélectrique empêchant le passage à l’arc électrique (principe des décharges à barrières diélectriques ou DBD [Ku-1]). Les PHEPA peuvent se développer un volume (cas des décharges couronnes et DBD) mais également en surface (cas des DBD).

Pour les applications biomédicales, les dispositifs plasmas peuvent être classés en deux grandes catégories : Ceux permettant un contact direct de la surface à traiter avec le plasma et ceux induisant un traitement indirect, la surface étant en contact avec un flux de gaz activé en amont par un PHEPA.

Dans le cas d’une application direct du plasma, les tissus ou organismes constituent (en tout ou en partie) une des électrodes du dispositif et sont donc directement soumis à la décharge électrique [De-1] [Ca-1] [Tu-1]. Un courant peut ainsi traverser les tissus vivants sous forme d’un petit courant de conduction, d’un courant de déplacement ou des deux. Le courant de conduction doit être limité afin d’éviter tout échauffement ou stimulation électrique des muscles. Le traitement direct soumet la surface des tissus aux flux de toutes les espèces (radicaux, espèces excitées et chargées) du plasma sans distinction, aux rayonnements UltraViolet (UV) et au champ électrique. Ce type de traitement utilise généralement des décharges à barrière diélectriques à électrodes flottantes (FE-DBD).

Le rapport de stage ou le pfe est un document d’analyse, de synthèse et d’évaluation de votre apprentissage, c’est pour cela rapport-gratuit.com propose le téléchargement des modèles complet de projet de fin d’étude, rapport de stage, mémoire, pfe, thèse, pour connaître la méthodologie à avoir et savoir comment construire les parties d’un projet de fin d’étude.

Table des matières

Chapitre I : Introduction générale
Chapitre II : Généralités et état de l’art
II.1 Introduction
II.2 Généralités sur les plasmas
II.3 Les plasmas hors équilibre à la pression atmosphérique (PHEPA) pour les applications biomédicales
II.3.1 Traitement par plasma froid à pression atmosphérique des micro-organismes
II.3.2 Traitement par plasma froid à pression atmosphérique des plaies et des ulcères
II.3.3 La coagulation du sang par plasma froid à pression atmosphérique
II.3.4 Un exemple de traitement par plasma froid à pression atmosphérique d’un cancer : le cancer mélanome de la peau
II.3.5 Activation d’un milieu par plasma pour le traitement du cancer
II.4 Caractéristiques physiques et propriétés des JPHEPA utilisant l’hélium comme gaz vecteur
II.4.1 Les ondes d’ionisation
II.4.2 Aspect annulaire des ondes d’ionisation
II.4.3. Vitesse des ondes d’ionisation
II.4.4. Influences des paramètres expérimentaux sur les caractéristiques du jet de plasma
II.5 Conclusion
Chapitre III : Cinétique chimique 0D
III.1 Introduction
III.2 Conditions de simulations et présentation des hypothèses de calcul
III.2.1 Conditions de simulation
III.2.2 Prise en compte de l’activation du mélange par les ondes d’ionisation
III.3 Modélisation 0D de la cinétique chimique
III.3.1 Mise en équation
III.3.2 Détermination des coefficients de réaction
III.3.3 Descriptif du modèle
III.4 Résultats
III.4.1 Analyse des résultats en z = 0 cm
III.4.2 Analyse des résultats en z = 2 cm
III.4.3 Evolution de la concentration des électrons le long de l’axe de propagation du jet
III.5 Conclusion
Chapitre IV : Simulation des jets de plasmas froids dans l’hélium sous COMSOL
IV.1. Introduction
IV.2. Présentation du modèle
IV.2.1. Le modèle de l’écoulement du mélange gazeux
IV.2.2. Le modèle de la décharge
IV.3. Validation du modèle
IV.3.1. Description des conditions expérimentales [Al-2]
IV.3.2. Description du modèle numérique [Ja-3]
IV.3.3. Présentation des résultats issus de la littérature
IV.4 Modélisation de la propagation du jet à l’extérieur du tube
IV.4.1 Conditions de simulation
IV.4.2 Premiers résultats
IV.5 Simulation d’un dispositif expérimental de l’équipe
IV.5.1 Géométrie du dispositif et conditions de simulation
IV.5.2 Résultats
IV.6 Conclusion
Conclusion générale
Annexe
Références bibliographiques

Lire le rapport complet

Télécharger aussi :

Laisser un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *