Caractérisation d'une décharge à barrière diélectrique à pression atmosphérique et son afterglow

Abstract

Cette étude présente une caractérisation optique détaillée d'une Décharge à Barrière Diélectrique à Pression Atmosphérique, en écoulement de gaz et son "afterglow", par la spectroscopie optique d'émission. Les propriétés électriques, comme la puissance déposée dans la décharge, l'énergie dissipée dans un cycle, les capacités diélectrique et totale, sont déterminés par les figures de Lissajous. Les valeurs des capacités ainsi déterminées sont en accord avec celles calculées théoriquement. La longueur du "afterglow" sous différentes conditions d'opération ainsi que l'effet de l'entrée de l'air sur celui-ci sont étudiée par la technique photographique. Le caractère de non-équilibre du plasma dans la région active et "afterglow" est étudié par l'analyse de la température de rotation, vibration et d'excitation électronique, obtenues des graphes de Boltzmann. En hélium, sous les mêmes conditions d'opérations, les valeurs déterminées sont: Tr = 533 ± 15 K, Tv = 2500 ± 500 K, Te= 2800 ± 570 K - dans la région active et Tr = 466 ± 10 K, Tv = 2100 ± 430 K, Te= 2600 ± 530 K - dans le "afterglow". En helium, l'analyse spectrale de raies d'émission de He (587.5 nm) et de H13 est utilisée pour étudier les effets Doppler, Stark et Van der Waals. Une approche innovatrice pour déterminer la température du gaz Tg, définie comme l'énergie cinétique moyenne de particules de gaz, est donnée, par la déduction des deux équations paramétriques, un pour chaque raie. Ces équations sont appliquées dans l'étude de la variation de Tg en fonction du voltage appliqué, et pour vérifier la validité d'utiliser la température de rotation, comme une méthode d'approximation pour Tg. Pour les deux raies étudiées, la température du gaz montre une augmentation linéaire entre 310 K et 460 K, pour un voltage appliqué entre 5.8 kV et 10.8 kV. La pente de la variation de la température de rotation avec le voltage montre une surestimation de 35 %, comparée à celle de la température du gaz. D'une autre part, la température du gaz demeure insensible au changement dans le débit du gaz. La limite supérieure de la densité électronique pour le voltage maximum appliqué s'établie à 4 x 1012 cm-3 par l'analyse de l'effet Stark pour la raie Hp. Finalement, une identification détaillée des espèces actives et leurs mécanismes d'excitation pour He et ses mélanges: He-Ar, He-N2, He-H2O vapeurs, He-CH4, et He-O2, est donnée, par l'analyse de spectres d'émission dans l'intervalle des longueurs d'onde de 300 nm à 900 nm.

Abstract : This study presents a detailed optical characterization of a throughflow Atmospheric Pressure Dielectric Barrier Discharge and its afterglow, using emission spectroscopy. The electrical properties such as the power fed into discharge, the energy consumption during one cycle, the dielectric and total capacitance are determined using Lissajous figures. The values of the determined capacities and those theoretically calculated are in agreement. The afterglow length and the effect of the air entrainment at different operating conditions are studied using photographic technique. The non-equilibrium feature of the plasma in the discharge gap and in the afterglow is studied by the analysis of the rotational, vibrational and electronic excitation temperature, using Boltzmann plots. In helium flow, under the same operating conditions, the values determined are: T[indice inférieur r] = 533 « 15 K, T[indice inférieur v] = 2500 « 500 K, T[indice inférieur e] = 2800 « 570 K - in the gap-space, and T[indice inférieur r] = 466 « 10K, T[indice inférieur v] = 2100 « 430K, T[indice inférieur e] = 2600 « 530 K - in the afterglow. In helium flow, spectral line-shape analysis of the He (587.5 nm) and H[bêta] transitions is used to determine the contributions of the Doppler, Stark and Van der Waals effects. An innovative approach to determine the gas temperature T[indice inférieur g], defined as the mean kinetic energy of the gas particles, is given by establishing two parametric equations, one for each transition. These are applied to study the Tîndice inférieur g] variation with the applied voltage, and to determine the accuracy of the use of rotational temperatures as an approximation for T[indice inférieur g]. A linear increase of the gas temperature from 310 K to 460 K with the increase of the applied voltage from 5.8 kV to 10.8 kV is found for both studied lines. The slope of the rotational temperature variation with the applied voltage shows a 35% overestimation of the gas temperature as compared to that obtained from the line shape analysis. On the other hand, no significant variation of the gas temperature with the flow rate could be detected. The upper limit for the electron density at the highest voltage applied is established to be 4 x 10[indice supérieur 12] cm[indice supérieur -3], from the Stark broadening of H[bêta]. Finally, a detailed identification of the active species and their excitation mechanisms, in He and its gas mixtures such as: He-Ar, He-N[indice inférieur 2], He-H[indice inférieur 2]O, He-CH[indice inférieur 4], and He-O[indice inférieur 2], is presented by analyzing the emission spectra in the wavelength interval 300 nm to 900 nm.