Spectroscopic characterization and thermal coupling in microwave capillary discharges
Caractérisation spectroscopique et couplage thermique de plasmas micro-onde dans des capillaires
Résumé
This thesis focuses on experimental studies of microwave plasmas generated in capillaries (diameter _ 1 mm), which exhibit high power density and important chemical reactivity. A complete and accurate power balance of these plasmas was carried out and has revealed significant underestimations of power losses. The conventional assumptions consider a value > 90% for the injected microwave power transferred to the plasma. However, our measurements show that only 4 to 20% of the power is transmitted to the plasma, i.e., a systematic overestimation of the power coupling by a factor of at least 2 to 3. Local measurements of species densities and gas temperatures by spectroscopic diagnostics (OES and TD :LAS) have shown significant longitudinal and radial inhomogeneities, typically rotational temperatures at the discharge center in the 1000 K range, with a 10% decrease at the capillary wall, and electron density of 1014 cm−3 at the discharge center, with a 50% decrease at the capillary wall. The argon metastable density measured at the capillary exit is found around 3×1012 cm−3 with a value strongly decreasing by the addition of a fraction of reactive gas. The particular configuration of these discharges offered the possibility of a non-intrusive heat flux control. A non-intrusive tunning of the heat transfer through the capillary induced strong effects on key plasma parameters, namely changes of the rotational temperature and electron density by at least 40% (typically from 600 to 1000 K and from 1.0 to 1.8×1014 cm−3), and showed smaller radial gradients, allowing for a wider adjustment of the discharge parameters and opening the way for new potential applications.
Cette thèse porte sur des études expérimentales de plasmas micro-onde générés dans des capillaires (diamètre _ 1 mm), caractérisées par une forte densité de puissance et une importante réactivité chimique. La réalisation d’un bilan de puissance complet de ces décharges a mis en évidence des sous-estimations importantes de pertes. Là où les hypothèses traditionnelles supposent un transfert de puissance micro-onde au plasma supérieur à 90%, nos mesures montrent qu’on ne retrouve que 4 à 20% de la puissance transmise au plasma, soit une surestimation systématique du couplage d’un facteur d’au moins 2 à 3. Des mesures locales de densités d’espèces et de température de gaz par diagnostics spectroscopiques (OES et TD :LAS) ont montré d’importantes inhomogénéités radiales et longitudinales, typiquement des températures rotationnelles au centre de l’ordre de 1000 K, 10% de moins au bord, et densité électronique de 1014 cm−3 au centre, et 50% de moins à la paroi du capillaire. La densité d’argon métastable mesurée en sortie de capillaire est de l’ordre de 3×1012 cm−3 et décroît très fortement avec l’ajout d’une fraction de gaz réactif. Un ajustement non-in trusif du transfert thermique à travers le capillaire par un contrôle non-intrusif a conduit à un large contrôle de paramètres clés du plasma : variation de la température rotationnelle du gaz et la densité électronique d’au moins 40% (typiquement de 600 à 1000 K et de 1,0 à 1,8×1014 cm−3), et avec de plus faibles gradients radiaux, permettant d’accorder les paramètres de décharges de manière plus étendue et ouvrant la voie vers de nouvelles applications potentielles.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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