Development of advanced optical diagnostics for the study of ultrafast kinetics of oxygen production by nanosecond discharges in atmospheric pressure air

Un grand nombre d’applications de plasmas à pression atmosphérique sont en développement. Une obtention de plasma à haute réactivité chimique pour un faible coût énergétique est possible par l’utilisation de décharges nanosecondes répétitivement pulsées (DNRP).Cette recherche concerne plus particulièrement l’effet des NRPD en combustion assistée par plasma. Cette dernière permet l’utilisation de flammes pauvres, qui produisent moins de NOx et qui sont par conséquent moins polluantes.Pour comprendre les phénomènes physico-chimiques qui régissent les NRPD, différents diagnostiques optiques et mesures électriques ont étaient mis en place.L’efficacité de la combustion est très sensible à l’oxygène atomique (O). Nous avons présumé dans nos travaux que la production de cette oxygène ce faisant via un mécanisme a deux étapes où l’azote de l’air produis par impact électronique de l’azote excité aux états (A,B,C), qui réagis ensuite avec l’oxygène moléculaire donnant de l’oxygène atomique.Les densités d’états excités N2(B) et N2(C) on été déterminées par spectroscopie d’émission. L’état N2(A) est lui mesure par spectroscopie d’absorption en cavité résonnante. L’évolution de la concentration de l’oxygène atomique est déterminée par TALIF et on a noté jusqu'à 50% de dissociation de l’oxygène moléculaire en oxygène atomique. Des mesures résolues spatialement et temporellement ont été effectuées. L’élévation de la température du gaz dans la décharge a été établie. Des mesures électrique de tension et de courant ont permis l’estimation de l’énergie déposée par pulse.En résume ses mesures nous ont permis de mieux comprendre et de caractériser une DNRP dans l’air. Le fait que les temps de décroissance et les valeurs de l’évolution des concentrations des états excités de l’azote coïncident avec ceux de la production de l’oxygène atomique et que le gaz voit sa température s’élever de quelques centaines de degrés tendent à valider le mécanisme à deux étapes proposé.In the last decade, nanosecond repetitively pulsed discharges (NRPD) had became very popular, because they allow to produce high electron densities and active species for an energy efficiency unequalled in air at atmospheric pressure.This thesis targets more particularly the effect of the NRP discharges in plasma-assisted combustion. NRP discharges can stabilize low temperature flames, which produce fewer NOx and are consequently less polluting. Few studies have investigated the mechanism of action of the plasma on flames.We have studied the kinetic mechanism of the atomic oxygen production, known as “two-step” or “ultrafast” mechanism. Where the nitrogen excited states (states A3Su,+, B3Pg, C3Pu) produced by electron impact during the 10ns-pulse dissociate oxygen with a heat release.To this end, various optical diagnostic techniques and electrical measurements, with time and space resolution of nanoseconds and hundreds of micrometers, have been set up.Densities of the excited states N2(B) and N2(C) have been determined by quantitative emission spectroscopy. The density of N2(A) state, was measured by a sensitive detection technique, Cavity-Ring Down Spectroscopy (CRDS). Finally the time evolution of the density of atomic oxygen was determined by Two-Photon Absorption Laser Induced Fluorescence or TALIF. In addition, an increase of the gas temperature related to the two-step mechanism was determined by emission spectroscopy.The work of this thesis represents the first experimental confirmation of the two-step mechanism suggested in the literature. At atmospheric pressure, this mechanism is found to dissociate up to 50 % of molecular oxygen and heats the gas by about 1000 K.As a summary, the work of this thesis allowed characterizing and better understanding nanosecond repetitively pulsed discharges in the air at atmospheric pressure and determining the production on the key active species, atomic oxygen

Développement de diagnostics optiques avancés pour l'étude de la cinétique ultrarapide de production d'oxygène par décharge nanoseconde dans l'air à pression atmosphérique

In the last decade, nanosecond repetitively pulsed discharges (NRPD) had became very popular, because they allow to produce high electron densities and active species for an energy efficiency unequalled in air at atmospheric pressure.This thesis targets more particularly the effect of the NRP discharges in plasma-assisted combustion. NRP discharges can stabilize low temperature flames, which produce fewer NOx and are consequently less polluting. Few studies have investigated the mechanism of action of the plasma on flames.We have studied the kinetic mechanism of the atomic oxygen production, known as “two-step” or “ultrafast” mechanism. Where the nitrogen excited states (states A3Su,+, B3Pg, C3Pu) produced by electron impact during the 10ns-pulse dissociate oxygen with a heat release.To this end, various optical diagnostic techniques and electrical measurements, with time and space resolution of nanoseconds and hundreds of micrometers, have been set up.Densities of the excited states N2(B) and N2(C) have been determined by quantitative emission spectroscopy. The density of N2(A) state, was measured by a sensitive detection technique, Cavity-Ring Down Spectroscopy (CRDS). Finally the time evolution of the density of atomic oxygen was determined by Two-Photon Absorption Laser Induced Fluorescence or TALIF. In addition, an increase of the gas temperature related to the two-step mechanism was determined by emission spectroscopy.The work of this thesis represents the first experimental confirmation of the two-step mechanism suggested in the literature. At atmospheric pressure, this mechanism is found to dissociate up to 50 % of molecular oxygen and heats the gas by about 1000 K.As a summary, the work of this thesis allowed characterizing and better understanding nanosecond repetitively pulsed discharges in the air at atmospheric pressure and determining the production on the key active species, atomic oxygen.Un grand nombre d’applications de plasmas à pression atmosphérique sont en développement. Une obtention de plasma à haute réactivité chimique pour un faible coût énergétique est possible par l’utilisation de décharges nanosecondes répétitivement pulsées (DNRP).Cette recherche concerne plus particulièrement l’effet des NRPD en combustion assistée par plasma. Cette dernière permet l’utilisation de flammes pauvres, qui produisent moins de NOx et qui sont par conséquent moins polluantes.Pour comprendre les phénomènes physico-chimiques qui régissent les NRPD, différents diagnostiques optiques et mesures électriques ont étaient mis en place.L’efficacité de la combustion est très sensible à l’oxygène atomique (O). Nous avons présumé dans nos travaux que la production de cette oxygène ce faisant via un mécanisme a deux étapes où l’azote de l’air produis par impact électronique de l’azote excité aux états (A,B,C), qui réagis ensuite avec l’oxygène moléculaire donnant de l’oxygène atomique.Les densités d’états excités N2(B) et N2(C) on été déterminées par spectroscopie d’émission. L’état N2(A) est lui mesure par spectroscopie d’absorption en cavité résonnante. L’évolution de la concentration de l’oxygène atomique est déterminée par TALIF et on a noté jusqu'à 50% de dissociation de l’oxygène moléculaire en oxygène atomique. Des mesures résolues spatialement et temporellement ont été effectuées. L’élévation de la température du gaz dans la décharge a été établie. Des mesures électrique de tension et de courant ont permis l’estimation de l’énergie déposée par pulse.En résume ses mesures nous ont permis de mieux comprendre et de caractériser une DNRP dans l’air. Le fait que les temps de décroissance et les valeurs de l’évolution des concentrations des états excités de l’azote coïncident avec ceux de la production de l’oxygène atomique et que le gaz voit sa température s’élever de quelques centaines de degrés tendent à valider le mécanisme à deux étapes proposé

Atmospheric pressure plasma diagnostics by OES, CRDS and TALIF

International audienceNanosecond repetitively pulsed (NRP) discharges were used to generate atmospheric pressure plasmas in air or nitrogen preheated at 1000 K. In order to understand the physico-chemical mechanisms that control the number densities of active species, in situ optical diagnostic techniques were developed. The ground state of atomic oxygen was measured by two-photon absorption laser induced fluorescence (TALIF), the density of N-2(A) was measured by cavity ring down spectroscopy (CRDS) and the densities of N-2(B) and N-2(C) were measured by optical emission spectroscopy (OES). Temporally and spatially resolved density measurements were performed in the main operating regimes of the NRP discharge, namely the diffuse and filamentary regimes. The diagnostic techniques and associated challenges are presented and the effects of these discharges on the chemistry are discussed

Atmospheric pressure plasma diagnostics by OES, CRDS and TALIF

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Advanced optical diagnostics for the characterization of kinetic processes in plasma-assisted combustion

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Time-Resolved CRDS Measurements of the N-2(A(3)Sigma(+)(u)) Density Produced by Nanosecond Discharges in Atmospheric Pressure Nitrogen and Air

International audienceCavity ring-down spectroscopy (CRDS) is used to measure the number density of N-2(A(3)Sigma(+)(u)) metastables produced by nanosecond repetitively pulsed discharges in nitrogen and air preheated at 1000 K and atmospheric pressure. The densities of N2(A) are inferred from the absorbance of the Q(1)(22) and Q(3)(16) lines of the (2 <- 0) vibrational band of the first positive system (B-3 Pi g - A(3)Sigma(+)(u)) of N-2 at 769.945 nm. The procedure for determining the temporal evolution of the density of metastable from the measured ring down signals is presented. The maximum number densities are in the range of 10(14)-10(15) molecules cm(-3) for air and nitrogen discharges, respectively. In nitrogen, the decay of the N2(A) density is shown to be a second-order process with a rate coefficient of 1.1 x 10(-9) cm(3) s(-1) at 1600 K with a factor of 2 uncertainty. In air, the decay is estimated to be I order of magnitude faster than that in nitrogen owing to quenching by atomic and molecular oxygen. Furthermore, the rotational temperature is determined by comparison of CRDS measurements and simulations of several rotational lines of the (2 <- 0) band of the first positive system of N-2 between 769.8 and 770.7 nm. The rotational and vibrational temperatures are also determined by comparison of optical emission measurements and simulations of the second positive system of N-2 between 365 and 385 nm. In these CRDS measurements, we achieved a temporal resolution down to 50 ns