Experimental Study of Atmospheric Pressure Cold micro-Plasmas Generated by High Voltages of Different Waveforms

Étude expérimentale de micro-plasmas froids à la pression atmosphérique générés par des hautes tensions de formes différentes

Kristaq Gazeli (1, 2)

1 IPREM - Institut des sciences analytiques et de physico-chimie pour l'environnement et les materiaux
2 University of Patras

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αποσκοπεί στη μελέτη ψυχρού μικρο-πλάσματος ατμοσφαιρικής πίεσης παραγόμενου από αντιδραστήρες εκκένωσης διηλεκτρικού φράγματος που οδηγούνται από παλμική ή ημιτονοειδή υψηλή τάση. Για τη δημιουργία του πλάσματος, χρησιμοποιούνται διάφορα ευγενή αέρια όπως το ήλιο και το αργό (κύρια αέρια) καθώς και προσμείξεις αυτών με άζωτο κι οξυγόνο. Με αυτό τον τρόπο επιτυγχάνεται η παραγωγή δραστικών σωματιδίων αζώτου κι οξυγόνου (RNS και ROS, αντίστοιχα), ενώ ταυτόχρονα μελετάται η δυνατότητα βελτίωσης της χημικής δραστικότητα τους πλάσματος. Η τελευταία είναι σημαντική για διάφορες εφαρμογές (π.χ. χημική ενεργοποίηση επιφανειών, αδρανοποίηση κυττάρων, αναγέννηση ιστών, κ.α.). Το πλάσμα μελετάται εξετάζοντας τα διάφορα ηλεκτρικά κι οπτικά χαρακτηριστικά του συναρτήσει πρωταρχικών παραμέτρων κάθε συστήματος, δηλαδή το πλάτος της τάσης, τη συχνότητα λειτουργίας, τη ροή του αερίου, τη διαμόρφωση των ηλεκτροδίων και το λόγο κατάτμησης της τάσης στην περίπτωση παλμικής κυματομορφής. Έτσι, εκτιμάται η φυσικο-χημική δραστικότητα του πλάσματος, ενώ την ίδια στιγμή καταδεικνύονται οι φυσικοί μηχανισμοί παραγωγής του καθώς και τρόποι βελτιστοποίησης της χημείας του. Τέλος, δοκιμάζεται η αποδοτικότητα του παραγόμενου πλάσματος σε σχέση με βιο-ιατρικές εφαρμογές μέσω επεξεργασίας διαφορετικών βιολογικών συστημάτων (βακτήρια, λιποσώματα, κύτταρα) αποτρέποντας ταυτόχρονα θερμικές βλάβες.

The present PhD thesis is devoted to the study of atmospheric pressure cold micro-plasmas produced in different Dielectric Barrier Discharge (DBD) reactors which are driven by pulsed or sinusoidal high voltages. Noble gases such as helium and argon are used as carrier gases, whereas admixtures with nitrogen and oxygen are studied as well. The formation of Reactive Nitrogen and Oxygen Species (RNS, ROS) is thus achieved, and the possibility of improving the chemical (re)activity of the plasmas is demonstrated. This is of interest in the treatment of inert or living materials (e.g. surface functionalization, cell inactivation, living tissue regeneration, etc.). Plasmas are characterized by recording electrical and optical features as a function of principal operational parameters, including voltage amplitude and frequency, gas flow rate, electrode configuration, and voltage duty cycle in the case of pulsed waveform. The physico-chemical (re)activity of the plasmas is thus evaluated, while at the same time mechanisms on the plasma generation and paths for chemistry optimization are unveiled. Finally, the efficiency of the plasma in relation to biomedical applications is tested by treating different biological systems (bacteria, liposomes, cells) while preventing any thermal effect.

Cette thèse porte sur l'étude de micro-plasmas froids à la pression atmosphérique générés à partir de différents réacteurs des configurations basées sur le principe des Décharges à Barrière Diélectrique (DBD) et alimentés par des générateurs de tension impulsionnelle et sinusoïdale. Les plasmas sont formés dans des gaz nobles tels que l'hélium et l'argon (gaz vecteurs), et également dans des mélanges réalisés avec des gaz moléculaires tels que l'azote et l'oxygène afin de produire des Espèces Réactives de l’Azote et de l’Oxygène (ERA, ERO). La (ré)activité chimique du plasma est ainsi supposée être accrue, permettant le traitement de matériaux inertes ou vivants pour diverses applications (fonctionnalisation de surfaces, inactivation de cellules, régénération de tissus vivants, etc.). La caractérisation des plasmas étudiés est réalisée en enregistrant les aspects électriques et optiques en fonction des paramètres élémentaires, comme l’amplitude et la fréquence de la tension, le débit du gaz, la configuration des électrodes, et le rapport cyclique dans le cas du régime pulsé. Ainsi, la (ré)activité chimique des plasmas est évaluée tandis que au même temps les mécanismes de la génération des plasmas et les façons de l’optimisation de la chimie sont dévoilées. Finalement, nous examinons l'efficacité du plasma dans le domaine biomédical en traitant divers systèmes biologiques (bactéries, liposomes, cellules) sans effets thermiques.

Mots clés: Ψυχρό πλάσμα; ατμοσφαιρική πίεση; εκκένωση διηλεκτρικού φράγματος; οδηγούμενα κύματα ιονισμού; οδηγούμενοι streamers; παλμική υψηλή τάση; ημιτονοειδής ηψηλή τάση; ήλιο; αργό; άζωτο; οξυγόνο; προσμίξεις αερίων; Φασματοσκοπία Οπτικής Εκπομπής (ΦΟΕ); περιστροφική θερμοκρασία; δονητική θερμορασία; δραστικά σωματίδια; βιο-ιατρικές εφαρμογές; βακτήρια; λιποσώματα; κύτταρα

Mots clés: Cold plasmas; atmospheric pressure; dielectric barrier discharge; guided ionization waves; guided streamers; pulsed high voltages; sinusoidal high voltages; helium; nitrogen; oxygen; gas mixtures; Optical Emission Spectroscopy (OES); rotational temperature; vibrational temperature; (re)active species; ROS; RNS; biomedical applications; bacteria; cells

Mots clés: Plasmas froids; pression atmosphérique; décharges à barrière diélectrique; ondes d’ionisation guidées; streamers guidés; hautes tensions impulsionnelles; hautes tensions sinusoïdales; hélium; argon; azote; oxygène; mélanges gazeux; Spectroscopie d’Émission Optique (SEO); températures rotationnelles; températures vibrationnelles; espèces (ré)actives; ERO; ERA; applications biomédicales; bactéries; liposomes; cellules

Domaines: Physique des plasmas [physics.plasm-ph]; Physique Médicale [physics.med-ph]

Kristaq Gazeli. Étude expérimentale de micro-plasmas froids à la pression atmosphérique générés par des hautes tensions de formes différentes. Physique des plasmas [physics.plasm-ph]. Université de Pau et des Pays del'Adour / Université de Patras, 2015. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01270067⟩