Experimental approach to microplasma physics
Approche expérimentale de la physique des micro-plasmas
Résumé
Since the advent of biomedical applications for cold plasmas at atmospheric pressure, their potential has been much in demand in many environmental and green engineering fields. Very often, the exclusivity of plasma processes relies on the production of reactive species from complex non-equilibrium kinetic mechanisms. The essence of my research activities lies in the strong links between the plasma source, discharge physics and non-equilibrium chemistry. This work is exclusively dedicated to the study of micro-plasma, i.e. discharges in which at least one of the three dimensions in space remains smaller than a millimeter. Among the different micro-plasmas that have fueled the interests of this work, hollow-cathode micro-discharges fabricated on silicon using clean-room micro-fabrication processes are of particular interest thanks to their sub-0.15 mm dimensions. Experimental in nature, these studies also require the development of diagnostic methods using optical emission spectroscopy and spectral line analysis. The challenges encountered in these areas have enabled us to gain a better understanding of the elementary mechanisms governing these micro-plasmas, as is particularly true of the electric field and gas temperature, which are key quantities in the physics of discharges. Innovative techniques have also made it possible to measure the electrohydrodynamic forces of the discharge on a flow without external disturbance, and to better understand the growth mechanisms of electrodeless streamers.
Depuis l’avènement des applications biomédicales des plasmas froids à la pression atmosphé rique, le potentiel de ces derniers est fortement convoité dans de nombreux domaines rattachés à l’environnement et à l’ingénierie verte. Très souvent, l’exclusivité des procédés plasmas repose sur la production d’espèces réactives issues de mécanismes cinétiques hors-équilibres complexes. Mes activités de recherche ont pour essence l’existence de liens forts entre la source plasma, la physique de la décharge, et la chimie hors équilibre. Ces travaux sont exclusivement dédiés à l’étude de micro-plasma, i.e. des décharges dont au moins une des trois dimensions dans l’espace reste inférieure au millimètre. Parmi les différents micro-plasmas qui ont nourri les intérêts de ces travaux, les micro-décharges à cathodes creuses fabriquées sur silicium au moyen de procédés de micro-fabrication en salle blanche sont particulièrement intéressantes grâce à leurs dimensions inférieures à 0,15 mm. De nature expérimentale, ces études requièrent également la mise au point de méthodes de diagnostics faisant appel à la spectroscopie d’émission optique et à l’analyse de raies spectrales. Les défis relevés sur ces aspects ont permis de mieux comprendre les mécanismes élémentaires gouvernants ces micro-plasmas comme c’est particulièrement le cas du champ électrique et de la température du gaz qui sont des grandeurs clés dans la physique des décharges. Des techniques innovantes ont par ailleurs permis de mesurer sans perturbation extérieures les forces électrohydrodynamiques de la décharge sur un écoulement ou bien encore d’affiner la compréhension des mécanismes de croissance de streamers sans électrode.