Filamentary plasma discharge inside water : initiation and propagation of a plasma in a dense medium
Microplasma de cavitation en milieu fluide condensé : application à la purification de l'eau
Résumé
This thesis presents an experimental study of a filamentary microplasma discharge inside liquid water. Such plasmas are used for liquid electrical insulations tests and for pollution control of water. Plasmas inside dense media are less understood than discharge inside gases. The purpose of the present thesis is to understand the physical mechanisms responsible for initiation and propagation of the discharge. A point to plane electrode configuration submerged in water has been constructed and was submitted to a high voltage pulse. Filaments inception and propagation and several discharges modes have been characterized with electrical measurements and time resolved nanosecond imaging. A Shadow diagnostic using 2 iCCDs was implemented to study the gas content and the shock wave emission from the discharge. The influence of the applied voltage polarity and the water conductivity was investigated. Spectroscopic measurements were performed on the OH emission band and the hydrogen emission lines. At positive high voltage the growth of the discharge begins by the nucleation of a microbubble at the needle electrode within a few microseconds at an applied voltage of 40kV, a hemispheric tree like filamentary structure grows at 3km/s during 100ns and is followed by the propagation of second filamentary structure ten time faster. This continuous propagation on a nanosecond time scale is followed by a stepwise propagation in case of distilled water. When the filaments reach the opposite electrode electrical breakdown occurs. At negative polarity the discharge is much slower 600m/s. The morphology of the gas cavity is driven by interface instability. Curiously, water conductivity has no influence at positive voltage polarity and even inhibits the propagation of the plasma filaments at negative voltage polarity. This thesis made possible to achieve a better understanding of the detailed phenomenology of electrical discharges in water.
Il s'agit de l'étude expérimentale d'un microplasma dans l'eau liquide. Ce type de plasma est rencontré dans les domaines de l'isolation électrique par liquides diélectrique ou la dépollution de l'eau. Les plasmas en milieu liquide sont bien moins connus et maitrisés qu'en milieux gazeux. L'objectif de cette thèse est de comprendre les mécanismes physiques sous jacents à l'initiation et à la propagation de la décharge. Un réacteur pointe/plan a été réalisé et soumis à un pulse de haute tension. L'initiation et la propagation des différents modes de décharge plasma à travers le milieu liquide ont été caractérisés par des diagnostiques électrique et d'imagerie rapide nanoseconde. Un diagnostic d'ombroscopie à deux iCCD a également été réalisé afin d'observer le contenu gazeux non lumineux de la décharge et l'émission d'ondes de choc. Nous avons principalement testé l'influence de la polarité de la tension appliquée ainsi que l'influence de la conductivité de l'eau. Des mesures spectroscopiques ont été réalisées sur la bande d'émission de OH et les lignes de l'hydrogène. En polarité positive, une bulle micrométrique est nucléé à la pointe en quelques microsecondes puis une décharge filamentaire se propage à 3km/s durant typiquement 100ns, suivie par une décharge dix fois plus rapide. A basse conductivité, cette propagation continue est suivie par une propagation par bonds. Le claquage de l'intervalle de liquide est obtenu quand les filaments parviennent à la contre-électrode. La décharge en polarité négative est beaucoup plus lente à 600m/s. Curieusement la conductivité de l'eau n'a aucune influence sur la décharge en polarité positive et inhibe la propagation en polarité négative. Cette étude apporte une meilleure compréhension de la phénoménologie détaillée de la décharge plasma dans l'eau.
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