Theoretical and experimental study of the stability of a non-thermal plasma generated using nanosecond-pulses at the environmental temp. and pressure

Abstract

Consulta en la Biblioteca ETSI Industriales (Riunet)

[ES] Una descarga “glow” es un plasma no térmico que se produce al circular corriente a través de un gas, y en el contexto de este proyecto, a través de aire a temperatura y presión ambiente. El plasma se crea aplicando una elevada tensión entre dos electrodos metálicos, detrás de los cuales se sitúan planos equipotenciales, supuestos infinitos en comparación con el tamaño del electrodo. El gas entre los electrodos se ioniza y aparecen especies reactivas. Se obtiene un gas ionizado a baja temperatura y con un coste energético relativamente bajo en comparación con otras técnicas. Dicha reactividad y el carácter no térmico del plasma confieren a las descargas “glow” un interés industrial por sus aplicaciones potenciales en tratamiento de superficie y más concretamente en descontaminación y desinfección en el ámbito médico, tratamientos superficiales de materiales o aerodinámica. Diversas tesis se han realizado en el Laboratorio EM2C de la École Centrale Paris con el objetivo de estabilizar dicho plasma a temperatura y presión de ambiente, entre las que destacan [1,3]. El proyecto que se presenta a continuación tenía como objetivo diseñar y construir un reactor de aproximadamente 30x30x15 cm que permitiese analizar de forma independiente la influencia en la estabilidad del plasma de la distancia entre los electrodos (d) y de la distancia entre el electrodo y el plano (L). A continuación, el proyecto se focalizó en estudiar experimentalmente la influencia de la distancia L entre el electrodo y el plano, y en comprender y explicar de forma analítica las dos configuraciones de descargas “glow” observadas: filamentos en dirección axial (“Single-Channel Glow”) y filamentos en varias direcciones (“Multi-Channel Glow”) que pueden observarse en las figuras 2.3 y 2.4. El SCG tiene aplicaciones industriales en las que se requiera una aplicación puntual y con mayor energía (como la fabricación de nano-materiales asistida por plasma), mientras que el MCG se presta a producir grandes volúmenes de aire ionizado con menor densidad electrónica, cuya aplicación se da en descontaminación física y química asistidas por plasma. Poder analizar la influencia de L y d de forma independiente era el requisito más importante del nuevo reactor (se puede consultar el pliego de condiciones en el documento 3 - Specifications). Para ello, se decidió utilizar un sistema de doble fijación con tornillos del electrodo a la base del reactor y al plano equipotencial. Dicho sistema permite fijar de forma fiable el electrodo a la base del reactor o por el contrario hacerlo solidario al movimiento de los planos. El movimiento de las bases del reactor y de los planos se consigue mediante sistemas de translación de precisión milimétrica, que se pueden observar en las figuras 3.2 a 3.6. Debido a la gran cantidad de parámetros que influyen en la estabilidad del plasma, se decidió partir de los resultados obtenidos previamente en [1,2,3] para observar experimentalmente y entender desde un punto de vista teórico el comportamiento de la descarga “glow” descubierta previamente, al variar el parámetro L para una distancia d fijada. Tras realizar medidas para una distancia d de 4 y 8 mm, se decidió profundizar el análisis para d=8 mm por el tiempo disponible y los resultados observados. Así pues, se procedió a realizar mapas de existencia de los diferentes regímenes de plasma observados para cada distancia L y cada tensión aplicada. Además, las técnicas de fotografía rápida permitieron entender y observar la dinámica de la descarga. A nivel experimental fue cómo se comprobó la existencia de dos variantes de “glow”, SCG y MCG. Ambas descargas fueron diferenciadas en un primer momento con criterios ópticos gracias al ojo humano, y en un segundo momento con las imágenes obtenidas con la cámara rápida y un análisis estadístico posterior. Se anotaron las transiciones de SCG a MCG (según los criterios definidos para analizar las fotografías tomadas y tratadas con Matlab, que pueden consultarse en el documento 4 – Additional Measurements), formando mapas de existencia según la tensión y la distancia L aplicadas.