Etude du couplage entre plasma et écoulement dans des jets de plasma froid à pression atmosphérique // STUDY OF THE COUPLING BETWEEN THE PLASMA AND THE GAS FLOW IN COLD PLASMA JETS AT ATMOSPHERIC PRESSURE

Les « jets de plasma froid » à pression atmosphérique sont des dispositifs offrant une large gamme d'applications : biomédicales [1],[2], traitements de surfaces et synthèse de nanomatériaux [3],[4]. Leur polyvalence repose sur leur capacité à générer du plasma à distance de la zone inter-électrodes et, via des processus hors équilibre, à produire une grande variété d'espèces réactives. La simplicité de conception contraste avec la complexité des phénomènes physiques sous-jacents.
Généré à partir d'une micro-décharge dans un gaz rare en écoulement dans un capillaire, le plasma se propage sous forme d'onde d'ionisation, d'abord à l'intérieur du capillaire puis à l'extérieur, dans le jet de gaz rare se diffusant dans une atmosphère de gaz moléculaires (N₂, O₂, H₂O). Le front d'ionisation concentre une forte densité d'électrons chauds (10¹³–10¹⁴ cm⁻³, quelques 10⁴ K) et un fort champ électrique local (~10 kV/cm) sur des diamètres de quelques centaines de microns. Il peut se propager loin des électrodes (jusqu'à plusieurs dizaines de cm) à des vitesses de 10⁶–10⁷ cm/s, laissant derrière lui une colonne plasma conductrice. Les espèces réactives se forment là où le jet se mélange à l'air ambiant (ou à un mélange gazeux contrôlé), à température ambiante.
La détermination expérimentale des paramètres clés (densité électronique, champ électrique, densité des espèces réactives) reste difficile, car les diagnostics doivent combiner haute résolution spatiale et temporelle tout en restant non intrusifs. Les méthodes optiques — spectroscopie d'émission et d'absorption [5]–[9], diffusion Thomson [10] — sont donc essentielles. Une complexité supplémentaire réside dans le fait que l'initiation du plasma modifie elle-même la structure de l'écoulement [11]. Une seule micro-décharge peut perturber la zone laminaire du jet et entraver la propagation des fronts d'ionisation suivants jusqu'à ce que la perturbation soit évacuée. Les effets mémoires entre impulsions ne se limitent donc pas au dépôt de charges sur la paroi du capillaire, mais concernent aussi la relaxation mécanique de l'écoulement après le claquage de la décharge (échelle nanoseconde). Ce couplage s'étend sur six ordres de grandeur temporels (ns–ms).
Sous des décharges répétitives, nous avons observé que pour certaines combinaisons débit-fréquence, l'écoulement est fortement modifié. Le plasma présente alors des régularités spatiales stationnaires, incluant des motifs hélicoïdaux stables. Le contrôle des interactions plasma–écoulement constitue un défi fondamental avec d'importantes retombées applicatives, puisque le degré de mélange entre le gaz rare et l'air ambiant gouverne directement la production d'espèces réactives, facteur clé pour de nombreuses applications. Ce couplage présente des analogies avec le contrôle d'écoulement par décharges à barrière diélectrique de surface. Dans la communauté des jets de plasma froid, le besoin d'« accorder » plasma et écoulement apporte de nouvelles perspectives et conduit à repenser les diagnostics, en lien avec les instabilités hydrodynamiques forcées par l'initiation du plasma.
De nombreuses questions expérimentales restent à étudier, notamment la mesure des paramètres plasma dans les zones perturbées, en tenant compte de la géométrie d'injection du gaz. Une thèse récemment soutenue [12] a permis de développer, dans le cadre d'une collaboration entre le LPGP et l'IPFN (IST Lisbonne), un premier modèle numérique de l'interaction plasma–écoulement. Cette base commune collaborative soutiendra les travaux futurs, combinant modèles numériques à l'IPFN et diagnostics expérimentaux au LPGP.
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Atmospheric-pressure cold plasma jets are devices with a wide range of applications: biomedical [1],[2], surface treatments, and nanomaterial synthesis [3],[4]. Their versatility relies on their ability to generate plasma away from the inter-electrode region and, through non-equilibrium processes, produce a large variety of reactive species. Their simple design contrasts with the complexity of the underlying physics.
Generated from a microdischarge in a rare gas flowing through a capillary, the plasma propagates as an ionization wave, first inside the capillary and then outside, in the rare-gas jet expanding into a molecular gas atmosphere (N₂, O₂, H₂O). The ionization front contains a high density of hot electrons (10¹³–10¹⁴ cm⁻³, several 10⁴ K) and a strong local electric field (~10 kV/cm) over diameters of a few hundred microns. It can propagate far from the electrodes (up to several tens of cm) at velocities of 10⁶–10⁷ cm/s, leaving behind a conductive plasma column. Reactive species form where the jet mixes with ambient air (or a controlled mixture) at room temperature.
Experimental determination of key parameters (electron density, electric field, reactive species density) remains challenging, as diagnostics must combine high spatial and temporal resolution while being non-intrusive. Optical methods — emission and absorption spectroscopy [5]–[9], Thomson scattering [10] — are therefore essential. Additional complexity arises because plasma initiation itself alters the flow structure [11]. A single microdischarge can disrupt the laminar jet and hinder subsequent ionization fronts until the perturbation is advected away. Thus, memory effects between pulses are not limited to surface charge deposition on the capillary walls but also involve mechanical relaxation of the flow after the nanosecond-scale breakdown. This coupling spans six temporal orders of magnitude (ns–ms).
Under repetitive discharges, we have observed that for certain flow rate–frequency pairs the flow is strongly modified. The plasma then exhibits stationary spatial regularities, including stable helical patterns. Controlling plasma–flow interactions is a fundamental challenge with important applications, since the degree of mixing between rare gas and ambient air directly governs reactive species production, a key factor in many uses. This coupling has analogies with flow control by surface dielectric barrier discharges. In the cold plasma jet community, the need to “tune” plasma and flow provides new insights and prompts us to rethink diagnostics, in relation to hydrodynamic instabilities forced by plasma initiation.
Many experimental issues remain, particularly measuring plasma parameters in perturbed regions, accounting for gas injection geometry. A recently defended thesis [12] enabled the development, in the framework of a collaboration between the LPGP and the IPFN (IST Lisbon), of a first numerical model of plasma–flow interaction. This shared foundation will support future work combining numerical models at IPFN with experimental diagnostics at LPGP.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Programme CSC - UPSaclay

Université Paris-Saclay GS Physique

572 Ondes et Matière

Niveau Master 2 dans le domaine de la physique des plasmas. Fort intérêt pour la physique expérimentale. Des connaissances de base en mécanique des fluides seront appréciées. Une bonne maîtrise de l'anglais parlé et écrit est essentielle.
Applicants should hold a Master's degree (M2) in plasma physics and have a strong interest in experimental physics. Basic knowledge of fluid mechanics is desirable. A good command of spoken and written English is essential.