WO2011001070A1 - Dispositif d'émission d'un jet de plasma à partir de l'air atmosphérique à température et pression ambiantes et utilisation d'un tel dispositif - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif d'émission d'un jet (10) de plasma à pression et température ambiantes comprenant un générateur (2) de champ électrique apte à générer des décharges entre un ensemble anodique et un ensemble cathodique, dans lequel : l'ensemble cathodique est conformé de façon à définir un espace diélectrique inter-cathodique : s'étendant à l'intérieur de l'ensemble cathodique et en regard d'au moins o une surface cathodique dudit ensemble cathodique, et, o présentant au moins une ouverture (5) cathodique débouchant vers l'extérieur de l'espace inter-cathodique, o ladite ouverture (5) cathodique est définie par au moins une arête (7) active de la surface cathodique, la(les)dite(s) arête(s) (7) active(s) s'étendant dans un plan (8) d'ouverture cathodique, l'ensemble anodique comprend au moins une portion pointue orientée vers l'extérieur de l'espace inter-cathodique et disposée latéralement et en profondeur par rapport à l'ouverture (5) cathodique de l'ensemble cathodique; ledit dispositif étant caractérisé en ce que la portion pointue est disposée de façon à s'étendre jusqu'au plan (8) d'ouverture cathodique, et de façon à pouvoir provoquer une émission d'un jet (10) de plasma projeté spontanément selon une orientation prédéterminée vers l'extérieur de l'espace inter-cathodique.
Description
DISPOSITIF D'EMISSION D'UN JET DE PLASMA A PARTIR DE L'AIR ATMOSPHÉRIQUE À TEMPÉRATURE ET PRESSION AMBIANTES ET UTILISATION D'UN TEL DISPOSITIF
L'invention concerne un dispositif d'émission d'un jet de plasma à partir de l'air atmosphérique à pression et à température ambiante, ce dispositif étant adapté pour former un jet de plasma auto-projeté, c'est-à-dire ne nécessitant pas, pour cette projection, l'adjonction d'un moyen spécifique de génération d'un flux gazeux.
Un tel dispositif d'émission d'un jet de plasma peut trouver des applications notamment dans le domaine des nanotechnologies où le traitement de surfaces par plasma est requis, dans le domaine biomédical pour des traitements localisés par plasma, notamment pour la coagulation sanguine ou pour l'établissement et/ou le maintien de l'asepsie sur le site d'une intervention chirurgicale, et/ou dans le domaine du traitement des surfaces en vue de leur dépollution, leur décontamination biologique ou leur stérilisation.
On connaît déjà différents dispositifs permettant de générer un plasma « froid » (c'est-à-dire à température et à pression ambiantes) par décharge à barrière diélectrique (DBD) entre deux électrodes revêtues d'un matériau isolant, entre lesquelles on fait s'écouler un flux de gaz (par exemple de l'hélium, de l'argon ou de l'azote).
Dans un premier type de solution connue (cf. par exemple,
Laroussi et al., (2005), Applied Physics Letters, 87, 986-987 ; « Room-temperature atmospheric pressure plasma plume for biomédical applications ») un tel dispositif comprend deux électrodes qui sont soumises à une différence de potentiel et qui sont traversées par un flux d'argon présentant une vitesse de déplacement estimée à
8 m/s. Une telle solution suppose de prévoir des moyens de stockage d'argon sous pression et d'introduction d'un flux d'argon s'écoulant entre les deux électrodes. En particulier, une telle solution pose des problèmes pratiques liés à l'utilisation d'un
gaz sous pression, et ne permet pas de produire un plasma d'air atmosphérique auto- projeté à la pression et à la température ambiantes.
Un deuxième type de solution connue, semblable au précédent, consiste à former un plasma du type « plasma couronne » entre deux électrodes coaxiales séparées par un volume de gaz isolant.
Le document Pointu et al. (2005) (Pointu A.M., Ricard A., Dodet B., Odic E., Larbre J. et Petchu M.G., (2005), J. Phys. D Appl. Phys. 38, 1905-1909 ; « Production of active species in N2-O2 flowing post-discharges at atmospheric pressure for sterilization ») décrit un procédé de stérilisation par un plasma froid produit lors d'un traitement d'un flux gazeux préformé d'azote et d'oxygène par une décharge couronne puisée à 1O kHz générée entre deux électrodes. Un tel procédé de stérilisation nécessite des moyens externes de formation d'un flux de gaz. Il ne permet pas non plus la formation d'un plasma auto-projeté à partir de l'air atmosphérique à pression atmosphérique.
US 7 229 589 décrit un procédé de décontamination d'une surface dans lequel un flux d'azote moléculaire préalablement conditionné sous pression est soumis à une décharge puisée de façon à traiter le flux de gaz par des décharges discontinues. Un tel procédé de décontamination nécessite des moyens de préparation d'azote moléculaire de grande pureté et de mise sous pression préalablement au traitement de décontamination, et ne permet pas de générer un jet de plasma auto-projeté à partir d'air atmosphérique à la pression atmosphérique.
L'invention vise à pallier les inconvénients précédemment évoqués en proposant un dispositif adapté pour émettre un jet de plasma froid, notamment par décharge couronne, qui ne nécessite pas d'organe spécifique additionnel d'établissement d'un flux de gaz entre des électrodes.
En particulier, l'invention vise à proposer un tel dispositif adapté pour pouvoir être utilisé dans l'air atmosphérique et ne nécessitant aucun moyen de mise sous vide ou de mise sous pression de l'espace inter-électrodes.
L'invention vise en outre à proposer un dispositif adapté pour émettre un jet de plasma froid à distance de la décharge (c'est-à-dire en proche postdécharge), et qui soit donc sensiblement exempt d'espèces excitées ioniques, et
riche en espèces excitées neutres radiatives et/ou métastables, notamment radicalaires.
L'invention vise en particulier à proposer un tel dispositif apte à former un jet de plasma froid à partir de l'air atmosphérique à température et pression atmosphériques.
L'invention vise également à atteindre tous ces objectifs à moindre coût, en proposant un dispositif d'émission de jet de plasma froid, qui soit de faible coût de revient et réalisé à partir de moyens -notamment de composants électroniques et électriques- usuels et peu onéreux.
L'invention vise également l'utilisation d'un dispositif selon l'invention dans le domaine du traitement de surface.
L'invention vise en outre à proposer un tel dispositif qui soit adapté notamment pour le traitement de surface, et un procédé de traitement d'une surface à traiter dans lequel on utilise un dispositif selon l'invention, ce procédé étant simple dans sa mise en œuvre et d'une efficacité au moins comparable à celle des procédés connus.
L'invention vise plus particulièrement à proposer un tel dispositif et une telle utilisation dont la mise en œuvre soit sans danger pour l'utilisateur.
L'invention vise également à proposer un tel dispositif et une telle utilisation pour le traitement d'une surface à traiter qui soient d'efficacité accrue et qui soient respectueux de l'environnement.
L'invention vise de surcroît à atteindre ces objectifs en préservant les habitudes de travail des personnels. Elle vise en particulier à proposer un tel dispositif qui soit facile à utiliser, et n'implique pour sa mise en œuvre que peu de manipulations.
Pour ce faire, l'invention concerne un dispositif d'émission d'un jet de plasma à pression et température ambiantes comprenant un générateur de champ électrique apte à générer des décharges entre un ensemble anodique et un ensemble cathodique, dans lequel :
l'ensemble cathodique est conformé de façon à définir un espace diélectrique, dit espace inter-cathodique :
o s'étendant à l'intérieur de l'ensemble cathodique et en regard d'au moins une surface cathodique dudit ensemble cathodique, et,
o présentant au moins une ouverture cathodique débouchant vers l'extérieur de l'espace inter-cathodique,
o ladite ouverture cathodique est définie par au moins une arête, dite arête active, de la surface cathodique, la(les)dite(s) arête(s) active(s) s'étendant dans un plan, dit plan d'ouverture cathodique,
- l'ensemble anodique comprend au moins une portion, dite portion pointue, présentant un rayon de courbure minimum, orientée vers l'extérieur de l'espace inter-cathodique et disposée latéralement et en profondeur par rapport à l'ouverture cathodique de l'ensemble cathodique ;
ledit dispositif étant caractérisé en ce que la portion pointue de l'ensemble anodique est disposée de façon à s'étendre jusqu'au plan d'ouverture cathodique, et de façon à pouvoir provoquer une émission d'un jet de plasma projeté spontanément selon une orientation prédéterminée vers l'extérieur de l'espace inter-cathodique.
Le générateur de champ électrique est relié à l'ensemble anodique et à l'ensemble cathodique de façon à produire un champ électrique apte à générer le jet de plasma. Pour ce faire, ce champ électrique doit présenter une valeur de potentiel plus élevée au niveau de l'ensemble anodique et une valeur de potentiel plus faible au niveau de l'ensemble cathodique. Lorsque ces conditions de potentiel sont satisfaites, le jet plasma est émis.
Rien n'empêche de prévoir un champ électrique variable, par exemple alternatif ou puisé, et l'émission du jet sera elle-même intermittente à la fréquence de variation du champ électrique. De préférence, le générateur de champ électrique est adapté pour appliquer des potentiels de valeurs prédéterminées constantes (continues ou puisées) aux ensembles anodique et cathodique. Autrement dit, le champ électrique est à polarité invariable, notamment non alternatif.
Dans toute le texte, les termes « anode » ou « ensemble anodique » désignent une électrode ou, respectivement un ensemble d'électrodes
placé(e) au plus haut potentiel du champ électrique généré par le générateur de champ électrique (continu ou puisé). Les termes « cathode » ou « ensemble cathodique » désignent une électrode ou, respectivement un ensemble d'électrodes placé(e) au plus bas potentiel d'un champ électrique généré par le générateur de champ électrique, en particulier correspondant au potentiel de la masse (normalement celui de la terre).
Avantageusement, le générateur de tension est choisi dans le groupe formé des générateurs de tension continue et des générateurs de tension puisée, notamment formant un champ puisé de fréquence comprise entre 1 kHz et 100 kHz.
Avantageusement, le générateur de tension est adapté pour délivrer entre l'ensemble anodique et l'ensemble cathodique une tension comprise entre 0,5 kV et 20 kV.
L'espace inter-cathodique est une cavité qui s'étend entre des portions de surface (parois) cathodique d'un matériau électriquement conducteur de l'ensemble cathodique. L'espace inter-cathodique est inscrit à l'intérieur de l'ensemble cathodique, ledit ensemble cathodique débouchant vers l'extérieur de l'espace inter-cathodique par l'ouverture cathodique. L'espace inter-cathodique est rempli de matériau, par exemple par de l'air atmosphérique à la pression atmosphérique et à la température ambiantes. Cependant, il est aussi possible que l'espace inter-cathodique soit occupé par tout autre gaz ou composition gazeuse diélectrique, ou par un diélectrique solide.
Rien n'empêche en variante qu'un dispositif selon l'invention comprenne en outre des moyens d'introduction d'une composition gazeuse dans l'espace inter-cathodique de l'ensemble cathodique. De tels moyens ne sont cependant pas nécessaires à la formation et à l'émission du jet de plasma froid auto- projeté. Ils peuvent cependant permettre de réaliser un jet de plasma auto-projeté contenant des espèces excitées obtenues à partir d'espèces gazeuses autres que celles de l'air atmosphérique. Néanmoins, dans cette variante, le jet de plasma produit n'est pas assuré uniquement par l'introduction de ladite composition gazeuse.
La portion pointue de l'ensemble anodique est orientée vers l'extérieur de l'espace inter-cathodique de façon à former un jet de plasma froid auto-projeté dans l'espace s'étendant au-delà de l'ouverture cathodique, à l'extérieur de l'espace inter-cathodique, en regard de l'ensemble anodique. Le rayon de courbure minimum de la portion pointue de l'ensemble anodique n'est pas orienté en direction d'une surface cathodique de l'ensemble cathodique, mais selon une direction non sécante à une surface cathodique, notamment dans une direction sensiblement perpendiculaire à un plan défini par l'ouverture cathodique de l'ensemble cathodique.
La portion pointue de l'ensemble anodique peut être une simple pointe de forme symétrique de révolution, c'est-à-dire en forme de réelle pointe. La portion pointue de l'ensemble anodique peut aussi être non symétrique de révolution avec un rayon de courbure minimum en section dans un seul plan, et une courbure différente dans tout autre plan. Dans tout le texte, il doit être entendu que l'expression « portion pointue » englobe aussi des modes de réalisation où la portion pointue de l'ensemble anodique est une simple arête, plus ou moins longue, rectiligne ou courbe, s'étendant longitudinalement en surface de l'ensemble anodique et présentant en section droite transversale, un rayon de courbure minimum orienté vers l'extérieur de l'espace inter-cathodique.
Les inventeurs ont constaté avec surprise que l'application d'une haute tension positive à l'ensemble anodique comprenant une portion pointue présentant un rayon de courbure minimum disposée comme indiqué ci-dessus par rapport à l'ouverture cathodique, permet non seulement de former une décharge par génération d'espèces activées à partir de l'air atmosphérique, à la pression et à la température ambiantes, mais permet aussi, sans utilisation d'aucun moyen externe spécifique de production de flux gazeux dans l'espace inter-cathodique de former un jet de plasma froid auto-projeté orienté vers l'extérieur de l'espace intercathodique.
Dans un dispositif selon l'invention, la formation d'un jet de plasma froid auto-projeté orienté vers l'extérieur de l'espace inter-cathodique se produit bien en présence d'un ensemble anodique et d'un ensemble cathodique
adaptés pour former une décharge -notamment une décharge couronne- et en regard de la portion pointue de l'ensemble anodique (où les espèces excitées -et donc sensiblement non ioniques- sont produites), vers l'extérieur de l'espace intercathodique et dans une direction sensiblement perpendiculaire au plan d'ouverture cathodique.
Dans un dispositif selon l'invention, la formation d'un jet de plasma froid auto-projeté ne se produit pas (comme dans les dispositifs de l'état de la technique) par formation d'un arc électrique -entre un ensemble anodique et un ensemble cathodique- et dans lequel les espèces ioniques formées sont attirées par l'ensemble cathodique.
Avantageusement, le jet de plasma froid auto-projeté se produit à partir de la portion pointue de l'ensemble anodique et dans une direction sensiblement parallèle au rayon de courbure minimum de ladite portion pointue.
Lors de l'alimentation à haute tension de l'ensemble anodique d'un dispositif selon l'invention, les inventeurs ont observé la formation d'un halo lumineux s'étendant à partir de la portion pointue de l'ensemble anodique vers l'extérieur de l'espace inter-cathodique sur une distance du même ordre de grandeur que la distance séparant l'ensemble anodique de l'ensemble cathodique du dispositif.
Les inventeurs pensent que ce halo lumineux révèle la formation d'espèces moléculaires dans des états radiatifs excités, dont la transition de désexcitation s'accompagne de l'émission de photons, lesdites espèces moléculaires excitées étant projetées vers l'extérieur de l'espace inter-cathodique. Ce jet de matière gazeuse plasmatique auto-projeté résulterait de la formation d'un vent de particules ioniques, constituées d'un mélange de particules chargées, mises en mouvement et accélérées par le champ électrique formé entre l'ensemble anodique et l'ensemble cathodique, dont une partie transmettrait sa quantité de mouvement à des particules neutres lors de chocs élastiques, et conduisant à l'émission d'un jet de plasma auto-projeté à partir de l'air atmosphérique, à pression et température ambiantes.
La production spontanée de ce jet de matière plasmatique, s'étendant sur une distance de plusieurs centimètres, au-delà du halo lumineux a été observée et mesurée au moyen d'un anémomètre.
Un tel dispositif permet de former, à partir de et au voisinage immédiat de la portion pointue de l'ensemble anodique, un champ électrique conduisant à la formation d'un jet de plasma auto-projeté vers l'extérieur de l'espace inter-cathodique du dispositif, hors de l'espace inter-cathodique.
Avantageusement, dans un dispositif selon l'invention, la formation d'un jet de plasma froid auto-projeté orienté vers l'extérieur de l'espace inter-cathodique ne nécessite pas l'adjonction d'un organe externe spécifique de production d'un flux d'une composition gazeuse dans l'espace inter-cathodique.
Avantageusement de préférence et selon l'invention, la portion pointue de l'ensemble anodique est disposée de façon à s'étendre jusqu'au plan d'ouverture cathodique, sans le dépasser (tangente au plan d'ouverture cathodique).
Avantageusement et selon l'invention, le plan d'ouverture cathodique s'étend tangentiellement à la portion pointue de l'ensemble anodique. Avantageusement, le plan d'ouverture cathodique s'étend tangentiellement à la portion pointue de l'ensemble anodique et perpendiculairement au rayon de courbure de ladite portion pointue. Ainsi, dans un dispositif selon l'invention, le jet de plasma est projeté spontanément vers l'extérieur de l'espace inter-cathodique à partir de ladite portion pointue de l'ensemble anodique selon une direction sensiblement perpendiculaire au plan d'ouverture cathodique. En effet, c'est dans cette position que les meilleurs résultats sont obtenus.
Dans un tel dispositif selon l'invention, le jet de plasma est projeté spontanément -c'est-à-dire sans utilisation d'un flux gazeux formé ou s' écoulant à l'intérieur de l'espace inter-cathodique- vers l'extérieur de l'espace inter-cathodique et non en direction d'une surface de l'ensemble cathodique.
Avantageusement et selon l'invention, le générateur de tension est apte à générer des décharges couronnes entre l'ensemble anodique et l'ensemble cathodique. Avantageusement, le générateur de tension est apte à
générer des décharges couronnes dans l'espace inter-cathodique s'étendant à l'intérieur de l'ensemble cathodique et comprenant la portion pointue de l'ensemble anodique. Avantageusement, le générateur de tension est apte à générer des décharges couronnes dans l'espace inter-cathodique s'étendant à l'intérieur de l'ensemble cathodique et à partir de la portion pointue de l'ensemble anodique.
Un tel dispositif selon l'invention est configuré pour permettre la formation de décharges couronnes en polarité positive entre l'ensemble anodique et l'ensemble cathodique par génération d'espèces activées -notamment d'espèces activées non ioniques- à partir de l'air atmosphérique, à la pression et à la température ambiantes conduisant à la formation d'un jet de plasma auto-projeté selon la direction perpendiculaire au plan d'ouverture cathodique, hors de l'espace inter-cathodique en regard de ladite portion pointue d'extrémité axiale, sans utilisation d'aucun moyen externe de production de flux gazeux. En particulier, un tel dispositif est adapté pour éviter la formation d'un arc électrique produisant des espèces ionisées et dissociées à haute température.
Avantageusement et selon l'invention, l'ouverture cathodique est définie par au moins une arête, dite arête active, de la surface cathodique, la(les)dite(s) arête(s) active(s) s'étendant dans le plan d'ouverture cathodique. Le plan d'ouverture cathodique est un plan virtuel sécant avec l'ensemble cathodique.
L'ensemble anodique et l'ensemble cathodique sont alors adaptés pour laisser libre un demi-espace délimité par le plan d'ouverture cathodique au-delà de l'espace inter-cathodique. Cependant, en variante, il est possible que l'ensemble anodique (et la portion pointue) s'étende pour partie sur une certaine distance à l'extérieur de l'espace inter-cathodique au delà du plan d'ouverture cathodique ou, au contraire, à l'intérieur de l'espace inter-cathodique. Le jet de plasma froid est auto-projeté à partir de la portion pointue de l'ensemble anodique dans l'espace s'étendant en regard de ladite portion pointue de l'ensemble anodique.
Avantageusement, le jet de plasma froid auto-projeté se produit à partir de la portion pointue de l'ensemble anodique et dans une direction sensiblement parallèle au rayon de courbure minimum de ladite portion pointue. En
outre, le jet de plasma froid auto-projeté se produit à partir de la portion pointue de l'ensemble anodique dans une direction sensiblement orthogonale aux arêtes actives de l'ensemble cathodique
Avantageusement et selon l'invention, l'ensemble anodique comprend au moins une anode cylindrique de révolution autour d'une direction axiale (en forme d'aiguille) et la portion pointue est une portion pointue d'extrémité axiale de ladite anode cylindrique, ladite portion d'extrémité axiale présentant une section, dans au moins un plan axial contenant ladite direction axiale, ayant un rayon de courbure minimum dont la valeur est adaptée pour permettre la formation de décharges à partir de cette portion pointue d'extrémité axiale sous l'effet d'un champ électrique formé par le (les) générateur(s).
Avantageusement et selon l'invention, l'arête active est une arête d'une cathode de l'ensemble cathodique, ladite arête entourant la portion d'extrémité axiale de l'anode cylindrique de l'ensemble anodique à laquelle cette cathode est associée.
Avantageusement et selon l'invention, l'(les) arête(s) active(s) de la (des) cathode(s) présente(nt) au moins un plan de symétrie perpendiculaire au plan d'ouverture cathodique de ladite (desdites) cathode(s), ledit plan d'ouverture cathodique comprenant la portion d'extrémité axiale de chaque anode cylindrique à laquelle cette (ces) cathode(s) est (sont) associée(s), et adaptée(s) pour orienter spontanément le jet de plasma froid perpendiculairement au plan d'ouverture cathodique.
Selon une variante d'un dispositif selon l'invention, la cathode (ou les cathodes) présentent des arêtes actives disposées de façon à occuper les sommets d'un triangle isocèle -en particulier d'un triangle équilatéral-, et la portion pointue d'extrémité axiale de l'anode cylindrique est disposée de façon à occuper le centre de gravité dudit triangle.
Avantageusement et selon l'invention, l'(les) arête(s) active(s) de l'ensemble cathodique présente(nt) en section dans au moins un plan perpendiculaire au plan d'ouverture cathodique, ledit plan perpendiculaire comprenant la portion pointue d'extrémité axiale de l'anode cylindrique, une forme
symétrique par rapport à ladite portion pointue d'extrémité axiale à laquelle cet ensemble cathodique est associé. Ainsi, dans un dispositif selon l'invention, l'ensemble cathodique comprend au moins deux portions d'arête active s'étendant dans le plan d'ouverture cathodique symétriquement par rapport à la portion pointue d'extrémité axiale de l'anode cylindrique et est adapté pour orienter spontanément le jet de plasma froid perpendiculairement au plan d'ouverture cathodique.
Avantageusement, dans une variante de réalisation selon l'invention, l'ensemble cathodique présente une arête active présentant en section dans chaque plan perpendiculaire audit plan d'ouverture cathodique, une forme présentant une symétrie par rapport à ladite portion pointue d'extrémité axiale de chaque anode cylindrique à laquelle l'ensemble cathodique est associé. L'arête active de l'ensemble cathodique est une arête active continue s'étendant dans le plan d'ouverture cathodique et de symétrie centrale par rapport à la portion pointue d'extrémité axiale de l'anode cylindrique de l'ensemble anodique.
Avantageusement et selon l'invention, l'arête active de l'ensemble cathodique présente une forme circulaire ou une forme polygonale à centre de symétrie -notamment hexagonale, octogonale, en parallélogramme, préférentiellement en carré-.
Un tel dispositif permet de former une décharge couronne en polarité positive entre l'ensemble anodique et l'ensemble cathodique par génération d'espèces activées à partir de l'air atmosphérique, à la pression et à la température ambiantes conduisant à la formation d'un jet de plasma auto-projeté selon la direction perpendiculaire au plan d'ouverture cathodique, hors de l'espace intercathodique en regard de ladite portion pointue d'extrémité axiale, sans utilisation d'aucun moyen externe de production de flux gazeux.
Avantageusement selon une autre variante de réalisation selon l'invention, l'ensemble cathodique comprend deux plaques cathodiques présentant chacune une arête active rectiligne, lesdites arêtes actives rectilignes des deux plaques cathodiques étant coplanaires, parallèles entre elles et symétriques l'une de l'autre par rapport à un plan médian comprenant la portion pointue de l'ensemble anodique. L'ensemble anodique peut être formé d'une pluralité d'anodes
cylindriques, la portion pointue d'extrémité axiale de rayon de courbure minimum de chaque anode cylindrique s 'étendant dans ledit plan médian et dans le plan d'ouverture cathodique.
Avantageusement et selon l'invention, le rayon de courbure minimum de la portion pointue de l'ensemble anodique est inférieur à 500 μm, notamment compris entre 1 μm et 500 μm, en particulier compris entre 10 μm et
100 μ m. Préférentiellement, le rayon de courbure minimum de la portion pointue de l'ensemble anodique est de l'ordre de 20 μm.
Avantageusement et selon l'invention, la portion pointue de l'ensemble anodique est formée d'un matériau conducteur choisi dans le groupe formé du tungstène, des carbures de tungstène, de l'aluminium et de leurs alliages.
Avantageusement et selon l'invention, le plan d'ouverture cathodique de l'ensemble cathodique est sensiblement perpendiculaire à la direction axiale de l'anode cylindrique. Le jet de plasma est auto-projeté à partir de la portion pointue d'extrémité axiale de l'anode cylindrique selon une direction perpendiculaire au plan d'ouverture cathodique, et parallèle à la direction axiale de l'anode cylindrique.
Cependant, il est aussi possible dans une autre variante que le plan d'ouverture cathodique de l'ensemble cathodique soit incliné par rapport à la direction axiale de l'anode cylindrique. Dans cette variante d'un dispositif selon l'invention, le jet de plasma est auto-projeté à partir de la portion d'extrémité axiale de l'anode cylindrique selon une direction perpendiculaire au plan d'ouverture cathodique, ladite direction n'étant pas parallèle à la direction axiale de l'anode cylindrique.
Avantageusement et selon l'invention, l'(les) arête(s) active(s) de l'ensemble cathodique est (sont) formée(s) d'au moins un matériau conducteur choisi dans le groupe formé du laiton, du cuivre et de leurs alliages.
Avantageusement et selon l'invention, chaque anode cylindrique présente en section transversale perpendiculaire à sa direction axiale, une forme sensiblement discoïdale, dont le diamètre est compris entre 0,5 mm et
3 mm, notamment de l'ordre de 1 mm. Un dispositif selon l'invention comprend
donc au moins une anode cylindrique, chaque anode cylindrique présentant une forme pointue dont la pointe est orientée sensiblement selon l'axe longitudinal de ladite anode cylindrique.
Avantageusement, la portion pointue d'extrémité axiale de chaque anode cylindrique, présentant un rayon de courbure minimum s'étend sensiblement dans le plan d'ouverture cathodique de l'ensemble cathodique. Avantageusement, chaque anode cylindrique de l'ensemble anodique et chaque cathode de l'ensemble cathodique sont adaptées pour coopérer et générer des décharges couronnes entre la portion d'extrémité axiale de rayon de courbure minimum de chaque anode cylindrique et l'ensemble cathodique à laquelle ces anodes cylindriques sont associées.
Avantageusement, un dispositif selon l'invention est adapté pour produire un jet de plasma à pression et température ambiantes à une vitesse (vitesse du flux gazeux du jet de plasma mesuré au moyen d'un anémomètre) de l'ordre de 1 m/s à 10 m/s.
Avantageusement, un dispositif selon l'invention présente une taille adaptée pour pouvoir être maintenu, porté et manipulé par un unique utilisateur.
Avantageusement, dans un mode de réalisation préférentiel, un dispositif selon l'invention comprend un ensemble cathodique et un ensemble anodique formés d'une cathode et d'une anode uniques, ladite cathode et ladite anode étant en une ou plusieurs pièces, l'(les) arête(s) active(s) de la cathode entourant la portion d'extrémité axiale de l'anode unique.
L'invention vise aussi l'utilisation d'un tel dispositif pour un traitement d'une surface -notamment pour la décontamination microbiologique de ladite surface- dans lequel ladite surface est disposée dans le jet de plasma auto- projeté.
En effet, les inventeurs ont constaté que l'exposition de bactéries Escherichia coli adhérentes sur une surface solide à un jet de plasma froid généré par un dispositif selon l'invention placé à quelques millimètres de ladite surface solide conduit à une réduction de la flore bactérienne, notamment une
division par un facteur 1000 de la population bactérienne initiale après 10 minutes de traitement sans qu'il soit nécessaire d'utiliser des moyens spécifiques connus en soi de formation d'un flux gazeux dirigé hors de l'espace inter-cathodique.
Ainsi, avantageusement et selon l'invention, on utilise un dispositif d'émission d'un plasma froid auto-projeté selon l'invention pour la décontamination de surfaces, notamment pour le traitement bio-statique et/ou le traitement biocide de ces surfaces.
Avantageusement, on utilise un dispositif selon l'invention pour le traitement d'une surface dans lequel la surface à traiter n'est pas interposée entre les électrodes du générateur de plasma, mais est exposée, à l'extérieur du dispositif, au jet de plasma froid auto-projeté émis par le dispositif selon l'invention.
Avantageusement et selon l'invention, on utilise un dispositif d'émission d'un jet de plasma auto-projeté selon l'invention pour la coagulation sanguine et l'asepsie.
Avantageusement et selon l'invention, on utilise un dispositif d'émission d'un jet de plasma auto-projeté selon l'invention pour la réalisation d'une opération de coagulation sanguine, ou d'établissement et/ou de maintien de l'asepsie.
L'invention concerne également un dispositif, l'utilisation d'un tel dispositif et un procédé caractérisé en combinaison par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci-après.
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante qui se réfère aux figures annexées représentant des modes de réalisation préférentiels de l'invention, donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs, et dans lesquelles :
la figure 1 est une représentation en perspective avec arraché hors proportions d'un dispositif selon l'invention,
la figure 2 est une représentation schématique en coupe d'un dispositif selon l'invention,
la figure 3 est une représentation avec arraché et hors proportions d'une première variante d'un dispositif selon l'invention,
La figure 4 est une représentation en perspective avec arraché d'une seconde variante d'un dispositif selon l'invention,
- la figure 5a est un tracé de l'évolution cinétique de l'intensité électrique d'une décharge couronne obtenue dans un dispositif selon l'invention sous une tension de 5,6 kV,
la figure 5b est un tracé de l'évolution cinétique de l'intensité électrique d'une décharge couronne obtenue dans un dispositif selon l'invention sous une tension de 9,1 kV,
la figure 6a est une empreinte spectrale d'une décharge couronne obtenue dans un dispositif selon l'invention,
la figure 6b est une empreinte spectrale du jet plasma auto-projeté obtenu dans un dispositif selon l'invention,
- la figure 7 représente schématiquement une troisième variante d'un dispositif selon l'invention,
la figure 8 représente schématiquement une quatrième variante d'un dispositif selon l'invention,
la figure 9 représente schématiquement une cinquième variante d'un dispositif selon l'invention,
la figure 10 représente schématiquement une sixième variante d'un dispositif selon l'invention,
la figure 11 représente schématiquement une septième variante d'un dispositif selon l'invention,
- la figure 12 représente schématiquement une huitième variante d'un dispositif selon l'invention,
la figure 13 représente une variante d'un dispositif selon l'invention tel que représenté en figure 2.
Un dispositif 1 d'émission d'un jet de plasma auto-projeté à pression et température ambiantes selon l'invention représenté en figure 1 comprend une cathode 14 conductrice formée d'un tronçon de tube de section
cylindrique de révolution, supporté par une pièce 18 d'un matériau électriquement isolant. La cathode 14 est formée d'un matériau conducteur, notamment un métal conducteur choisi dans le groupe formé du cuivre, du laiton ou un alliage conducteur comprenant ces métaux. La cathode 14 comprend une arête 7 active continue formée de l'arête radiale interne du tronçon de tube, s'étendant dans le plan 8 d'ouverture cathodique de la cathode 14 et en regard d'une portion 13 pointue d'extrémité axiale d'une anode 11 cylindrique. En outre, la portion 13 pointue d'extrémité axiale de l'anode 11 cylindrique forme un centre de symétrie de l'arête 7 active continue de ladite cathode 14 en regard de la portion 13 pointue d'extrémité axiale de l'anode 11 cylindrique et s'étend dans le plan 8 d'ouverture cathodique de la cathode 14. Le tronçon de tube formant la cathode 14 présente un diamètre intérieur compris entre 5 mm et 20 mm. En particulier, le tronçon de tube peut présenter un diamètre intérieur de 5 mm, 10 mm, 13 mm, 14 mm ou 20 mm. Dans ces conditions, la distance séparant la portion 13 pointue d'extrémité axiale de l'anode 11 cylindrique et l'arête 7 active de la cathode 14 est respectivement de 2,5 mm, 5 mm, 6,5 mm, 7 mm ou 10 mm. A titre uniquement indicatif, le diamètre extérieur du tronçon de tube formant la cathode 14 est de 30 mm. Cette valeur n'a pas d'influence sur la mise en œuvre du dispositif 1 selon l'invention.
Dans ce dispositif 1 d'émission d'un jet de plasma auto- projeté selon l'invention, la cathode 14 présente, en section droite transversale, un centre de symétrie, ledit centre de symétrie appartenant à l'axe d'allongement de l'anode 11 cylindrique selon sa direction 12 axiale. Cependant, il est possible que seule l'arête 7 active de la cathode 14 présente une section droite transversale admettant un centre de symétrie. Ainsi la cathode 14 peut présenter une forme quelconque, si l'arête 7 active de ladite cathode 14, formée de l'arête interne du tronçon de tube formant la cathode 14, admet un centre de symétrie formé de la portion 13 pointue d'extrémité axiale de l'anode 11 cylindrique. Ainsi, la cathode 14 peut présenter une section droite transversale de forme circulaire. L'arête 7 active de la cathode 14 qui est en regard de la portion 13 pointue d'extrémité axiale de l'anode 11 cylindrique est alors en section droite transversale dans le plan 8 d'ouverture cathodique de forme circulaire.
Dans un dispositif 1 d'émission d'un jet de plasma auto- projeté selon l'invention, il est possible que l'arête 7 active de la cathode 14 présente, en section droite transversale dans le plan 8 d'ouverture cathodique, une forme polygonale présentant un centre de symétrie, en particulier une forme carrée, une forme rectangulaire, une forme hexagonale, une forme octogonale et une forme décagonale. L'arête 7 active continue de la cathode présente en section droite transversale dans le plan 8 d'ouverture cathodique, une forme polygonale présentant un nombre pair de côtés. Il est aussi possible que l'arête 7 active continue de la cathode 14 présente en section droite transversale dans le plan 8 d'ouverture cathodique, une forme polygonale présentant un nombre impair de côtés et admettant au moins un plan de symétrie perpendiculaire au plan 8 d'ouverture cathodique, ledit plan de symétrie comprenant la portion 13 pointue d'extrémité axiale de l'anode 11 cylindrique à laquelle cette cathode 14 est associée.
Dans un dispositif 1 d'émission d'un jet de plasma auto- projeté représenté en figure 1, l'anode 11 cylindrique peut être formée d'un cylindre plein formé d'un matériau électriquement conducteur. Il est aussi possible que seule une couche de surface extérieure de l'anode 11 cylindrique soit constituée d'un matériau conducteur relié à un générateur de haute tension, et dans lequel la portion 13 pointue d'extrémité axiale de ladite anode 11 cylindrique présente un rayon de courbure minimum orienté sensiblement selon la direction perpendiculaire au plan 8 d'ouverture cathodique défini par l'(es) arête(s) 7 active(s) de la cathode 14 à laquelle cette anode 11 cylindrique est associée. Ainsi, il est possible que la portion 13 pointue d'extrémité axiale de ladite anode 11 cylindrique présente un rayon de courbure minimum orienté sensiblement selon la direction 12 axiale de l'anode 11 cylindrique.
Dans un dispositif 1 selon l'invention, il est possible qu'une portion d'un matériau solide isolant recouvre la portion de la cathode 14 orientée vers l'extérieur de l'espace 9 inter-cathodique et s' étendant autour de l'arête 7 active de ladite cathode 14, mais sans toutefois couvrir la portion 13 pointue d'extrémité axiale l'anode 11 cylindrique.
Dans un dispositif 1 d'émission d'un jet 10 de plasma auto- projeté schématisé en figures 2 et 13, la cathode 14 conductrice est reliée à la masse par l'intermédiaire d'une résistance 19 de mesure de courant. Dans ce mode de réalisation particulier selon l'invention, la valeur de la résistance 19 de mesure, prévue pour mesurer le courant, est de 50 Ω. Le dispositif 1 d'émission d'un jet 10 de plasma selon l'invention comprend en outre une anode 11 cylindrique formée d'un cylindre conducteur, s'étendant selon l'axe du cylindre creux formant la cathode 14, relié électriquement à un générateur 2 de haute tension par l'intermédiaire d'une résistance 20 de charge de 25 MΩ pour limiter le courant dans le cas de la formation d'un arc. Le générateur 2 de haute tension peut être un générateur 2 adapté pour distribuer une alimentation continue ou une alimentation puisée. Le générateur 2 de haute tension est adapté pour délivrer dans l'anode 11 cylindrique une haute tension pouvant atteindre 15 kV.
Dans un dispositif 1 d'émission d'un jet 10 de plasma auto- projeté selon l'invention, la distance séparant la portion 13 pointue d'extrémité axiale de l'anode 11 cylindrique et l'arête 7 active de la cathode 14 en regard de ladite portion 13 pointue d'extrémité axiale peut varier selon la structure du dispositif 1. Cependant, dans un tel dispositif 1 selon l'invention, l'obtention d'une décharge couronne en polarité positive génératrice d'un jet 10 de plasma auto- projeté avec des électrodes plus éloignées nécessite l'application d'une haute tension de valeur plus élevée à l'anode 11 cylindrique ou encore une différence de potentiel élevée entre l'anode 11 cylindrique et la cathode 14.
En outre, dans un dispositif 1 d'émission d'un jet 10 de plasma auto-projeté selon l'invention, il est possible de connecter électriquement entre l'anode 11 cylindrique et la cathode 14, un organe 20 de mesure de la tension et/ou de l'intensité du courant électrique aux bornes de la cathode 14 et de l'anode 11 cylindrique, notamment un oscilloscope 20.
L'anode 11 cylindrique et la cathode 14 sont maintenues en position stable au moyen d'une pièce 18 d'un matériau électriquement isolant choisi dans le groupe formé du verre, du quartz, de l'alumine, d'un polymère et de céramique avec laquelle elles sont maintenues solidaires. La portion 13 pointue
d'extrémité axiale de l'anode 11 cylindrique s'étend de préférence dans le plan 8 d'ouverture cathodique défini par l'ouverture 5 cathodique de la cathode 14. Il est aussi possible que la portion 13 pointue d'extrémité axiale de rayon de courbure minimum de l'anode 11 cylindrique s'étende axialement hors du plan 8 d'ouverture cathodique de la cathode 14, en particulier à une distance de quelques millimètres, notamment 1 à 2 millimètres au delà ou en deçà du plan 8 d'ouverture cathodique de la cathode 14.
Dans un dispositif 1 selon l'invention, il suffit que la pièce 18 de matériau électriquement isolant ménage un espace libre entre la portion 13 d'extrémité axiale de rayon de courbure minimum de l'anode 11 cylindrique et l'arête 7 active de la cathode 14.
Dans un dispositif 1 selon l'invention représenté en figure 13, la cathode 14 conductrice présente en section dans chaque plan axial de ladite cathode 14, une section de forme carrée. Ainsi dans un dispositif selon l'invention, la cathode 14 de l'ensemble cathodique ne forme pas un rebord de l'espace 9 intercathodique. Les décharges couronnes se produisent alors directement entre l'arête 7 active de la cathode 14 et la portion 13 d'extrémité axiale de l'anode 11 cylindrique et conduisent à la formation d'un jet de plasma à partir de ladite portion 13 d'extrémité axiale dans une direction perpendiculaire au plan 8 d'ouverture cathodique et parallèle à la direction axiale de l'anode 11 cylindrique.
Dans une première variante représentée en figure 3, un dispositif 1 d'émission d'un jet 10 de plasma comprend un ensemble 4 cathodique formé de deux plaques 22 cathodiques lamellaires supportées par une pièce 18 formée d'un matériau électriquement isolant. Les deux plaques 22 cathodiques lamellaires présentent chacune une arête 7 active dudit ensemble 4 cathodique, les deux arêtes 7 actives des plaques 22 cathodiques étant parallèles entre elles et définissent le plan 8 d'ouverture cathodique. Un tel dispositif comprend en outre une pluralité d'anodes 11 cylindriques présentant chacune une portion 13 pointue d'extrémité axiale de rayon de courbure minimum, s'étendant en regard des deux arêtes 7 actives de l'ensemble 4 cathodique et formant l'ensemble 3 anodique. Les portions 13 d'extrémité axiale des anodes 11 cylindriques s'étendent dans le plan
médian défini par les deux arêtes 7 actives parallèles des deux plaques 22 cathodiques et dans le plan 8 d'ouverture cathodique de l'ensemble 4 cathodique. Lors de la réalisation d'une décharge couronne en polarité positive par mise en œuvre d'un dispositif 1 selon la première variante conforme à l'invention, les inventeurs ont observé la formation d'un jet 10 de plasma sous la forme d'un rideau s'étendant à partir des portions 13 d'extrémités axiales des anodes 11 cylindriques dans le plan médian des deux arêtes 7 actives parallèles des deux plaques 22 cathodiques de l'ensemble cathodique. Dans cette variante d'un dispositif selon l'invention, la tension appliquée à chacune des anodes 11 cylindriques de la pluralité d'anodes 11 cylindriques est sensiblement la même.
Avantageusement, les deux plaques 22 cathodiques sont coplanaires, et les portions 13 d'extrémités axiales des anodes 11 cylindriques de l'ensemble 3 anodique s'étendent dans le plan médian défini par les deux arêtes 7 actives des plaques 22 cathodiques formant la cathode 14. En particulier, les deux plaques 22 cathodiques planes, supportées sur une pièce 18 d'un matériau électriquement isolant et formant la cathode 14, sont de forme sensiblement rectangulaire, et les arêtes 7 actives de chaque plaque 22 cathodique rectangulaire de la cathode 14 en regard de la (des) portion(s) 13 d'extrémité axiale des anodes 11 cylindriques sont sensiblement parallèles entre elles.
Dans une deuxième variante représentée en figure 4, un dispositif 1 d'émission d'un jet 10 de plasma comprend un ensemble 4 cathodique formé d'une cathode 23 extérieure tubulaire et d'une cathode 24 intérieure cylindrique concentriques. La cathode 23 extérieure tubulaire présente une arête 25 active interne formée de l'arête intérieure du tube formant la cathode 23 extérieure tubulaire et s'étendant dans le plan 8 d'ouverture cathodique de l'ensemble 4 cathodique du dispositif 1. La cathode 24 intérieure cylindrique présente aussi une arête 26 active externe formée par l'arête définie par l'extrémité longitudinale plane du cylindre de la cathode 24 intérieure cylindrique et s'étendant dans le plan 8 d'ouverture cathodique. Les arêtes 25, 26 actives de la cathode 23 extérieure tubulaire et de la cathode 24 intérieure cylindrique sont formées d'un métal ou d'un alliage de métaux conducteur. Un dispositif 1 d'émission d'un jet 10 de plasma
représenté en figure 4 comprend en outre un ensemble 3 anodique formé d'une pluralité d'anodes 11 cylindriques présentant chacune selon leur direction axiale une portion 13 pointue d'extrémité axiale dont la section dans au moins un plan axial présente un rayon de courbure minimum adapté pour permettre la formation d'une décharge couronne en polarité positive. En particulier, la portion 13 pointue d'extrémité axiale de chaque anode 11 cylindrique s'étend dans le plan 8 d'ouverture cathodique de l'ensemble 4 cathodique. Chaque anode 11 cylindrique de l'ensemble 3 anodique est positionnée de façon que la portion 13 d'extrémité axiale de chaque anode 11 cylindrique, l'arête 25 active interne de la cathode 23 extérieure et l'arête 26 active externe de la cathode 24 intérieure soient sensiblement alignées dans le plan 8 d'ouverture cathodique du dispositif 1, et de telle façon que la portion 13 pointue d'extrémité axiale de chaque anode 11 cylindrique soit équidistante de l'arête 25 active interne de la cathode 23 extérieure et de l'arête 26 active externe de la cathode 24 intérieure.
Dans une troisième variante représentée schématiquement en figure 7, un dispositif 1 selon l'invention comprend un ensemble 4 cathodique formé de deux plaques 22 cathodiques présentant chacune une arête 7 active rectiligne continue en forme de segment, lesdits segments 7 actifs des deux plaques 22 cathodiques formant l'ensemble 4 cathodique étant coplanaires et non parallèles. Avantageusement, les segments 7 actifs des deux plaques 22 cathodiques forment entre eux un angle aigu et sont symétriques par rapport au plan 17 médian défini par les deux segments 7 actifs des deux plaques 22 cathodiques, ledit plan médian comprenant la (les) portion(s) 13 d'extrémité(s) axiale(s) de ladite (desdites) anode(s) 11 cylindrique(s) à laquelle les plaques 22 cathodique de l'ensemble 4 cathodique sont associées. Dans cette variante d'un dispositif selon l'invention, la plus courte distance séparant les segments 7 actifs en regard des deux plaques 22 cathodiques est variable et la distance séparant chaque portion 13 d'extrémité axiale de chaque anode 11 cylindrique à laquelle ces plaques 22 cathodiques sont associées à travers l'espace 9 inter-cathodique est aussi variable. Par conséquence, la tension appliquée à chaque anode 11 cylindrique sera différente : cette tension
appliquée est plus faible pour l'anode 11 cylindrique la plus proche des segments 7 actifs, et plus élevée pour l'anode cylindrique la plus éloignée des segments 7 actifs.
Dans une quatrième variante, représentée schématiquement en figure 8, d'un dispositif 1 selon l'invention, l'arête 7 active de la cathode 14 est une arête 7 active continue formée d'une pluralité de segments d'arêtes 7 actives en regard de la portion 13 pointue d'extrémité axiale de l'anode 11 cylindrique à laquelle la cathode 14 est associée. Dans cette variante d'un dispositif 1 selon l'invention, les segments d'arêtes 7 actives forment un hexagone régulier, s'étendent dans le plan 8 d'ouverture cathodique de la cathode 14 et sont répartis dans ce plan 8 d'ouverture cathodique de façon que les segments d'arêtes 7 actives admettent deux à deux une symétrie centrale par rapport à la portion 13 pointue d'extrémité axiale de l'anode 11 cylindrique à laquelle cette cathode 14 est associée.
Il est aussi possible que dans un dispositif 1 d'émission d'un jet 10 de plasma auto-projeté, l'arête 7 active de la cathode 14 forme les côtés et/ou les sommets d'un polyèdre régulier s'étendant dans le plan 8 d'ouverture cathodique, dans lequel la portion 13 pointue d'extrémité axiale de l'ensemble 3 anodique s'étend aussi sensiblement dans le plan 8 d'ouverture cathodique, et forme le centre du cercle circonscrit au polyèdre régulier. En particulier, le polyèdre régulier peut être un triangle équilatéral, un carré, un pentagone régulier, un hexagone régulier, un heptagone régulier, un octogone régulier et tout autre polyèdre régulier à nombre de côtés et de sommets supérieurs.
Dans une cinquième variante, représentée schématiquement en figure 9, d'un dispositif selon l'invention, l'arête 7 active de la cathode 14 est formée d'une pluralité de segments actifs discontinus s'étendant dans le plan 8 d'ouverture cathodique de l'ensemble 4 cathodique. En outre, les segments 7 actifs sont répartis dans le plan 8 d'ouverture cathodique de la cathode 14 de façon que les segments 7 actifs admettent deux à deux une symétrie centrale par rapport à la portion 13 pointue d'extrémité axiale de l'anode 11 cylindrique à laquelle cette cathode 14 est associée. Il est aussi possible que la distribution des segments 7 actifs admette un centre de symétrie formé de la portion 13 pointue d'extrémité axiale de l'anode 11 cylindrique à laquelle la cathode 14 est associée.
Dans une sixième variante, représentée schématiquement en figure 10, d'un dispositif 1 selon l'invention, l'ensemble 4 cathodique est formé d'une pluralité de cathodes 14 reliées à la masse. Chaque cathode 14 présente une arête 7 active s'étendant dans le plan d'ouverture cathodique de l'ensemble 4 cathodique, ledit plan d'ouverture cathodique comprenant la portion 13 pointue d'extrémité axiale d'une anode 11 cylindrique.
Dans une septième variante, représentée schématiquement en figure 11, un dispositif 1 selon l'invention comprend un ensemble 4 cathodique formé de deux fils 28 conducteurs coplanaires, les deux fils 28 conducteurs coplanaires formant chacun une arête 7 active de l'ensemble 4 cathodique, s'étendant en regard de la portion 13 pointue d'extrémité axiale d'au moins une anode 11 cylindrique, la(les) portion(s) 13 d'extrémité axiale de chaque anode 11 cylindrique s'étendant dans le plan 8 d'ouverture cathodique formé par les arêtes 7 actives des fils 28 conducteurs coplanaires, et s'étendant dans le plan 17 médian desdites arêtes 7 actives auxquelles cet ensemble 3 anodique est associé.
Dans une huitième variante, représentée schématiquement en figure 12, un dispositif 1 selon l'invention comprend un ensemble 4 cathodique, formé de deux plaques 22 cathodiques présentant chacune une arête 7 active, les deux arêtes actives étant coplanaires et parallèle l'une à l'autre, et un ensemble 3 anodique s'étendant longitudinalement entre les deux plaques 22 cathodiques et présentant une portion 6 pointue s'étendant longitudinalement dans le plan médian des arêtes 7 actives des deux plaques 22 cathodiques et dans le plan d'ouverture 8 cathodique de l'ensemble 4 cathodique vers l'extérieur de l'espace inter-cathodique diélectrique.
Dans une variante non représentée d'un dispositif 1 selon l'invention, la cathode 14 peut présenter une forme de disque de faible épaisseur, notamment de quelques millimètres d'épaisseur, évidé en son centre et supporté par une pièce 18 d'un matériau électriquement isolant, ledit centre évidé de la cathode 14 ménageant un espace occupé en partie pour la portion 13 pointue d'extrémité axiale de l'anode 11 cylindrique. En particulier, dans cette configuration, l'arête 7 active de la cathode 14 présente en section dans chaque plan radial, une forme
symétrique par rapport à ladite portion 13 pointue d'extrémité axiale de cette anode 11 cylindrique et l'arête 7 active de la cathode 14, formé par l'épaisseur dudit disque évidé en son centre, est en regard de la portion 13 pointue d'extrémité axiale de l'anode 11 cylindrique.
Dans une autre variante non représentée selon l'invention, un dispositif comprend un ensemble 3 anodique formé d'une pluralité d'anodes dont les portions 13 d'extrémités axiales sont coplanaires et un ensemble 4 cathodique formé d'une pluralité de cathodes 14 comprenant des arêtes 7 actives coplanaires, le plan 8 d'ouverture cathodique de l'ensemble 4 cathodique comprenant les portions 13 d'extrémités axiales des anodes, lesdites arêtes 7 actives des cathodes 14 étant réparties régulièrement autour des portions 13 d'extrémités axiales des anodes et formant un réseau plan, notamment un réseau de type hexagonal, de type carré ou de type triangulaire.
EXEMPLE 1 - Dispositif d'émission d'un jet plasma auto- soufflé.
On réalise un dispositif plasma selon l'invention dans lequel l'anode conductrice est formée d'un cylindre de tungstène dont le diamètre de la section droite transversale est de l'ordre de 1 mm. Le rayon de courbure minimum de la portion axiale de l'extrémité de ladite anode, est de 20 μm. La cathode est formée d'un cylindre creux en cuivre présentant une section droite transversale dont le diamètre intérieur est de 13 mm et le diamètre extérieur est de 30 mm. La cathode cylindrique est supportée par un cylindre creux isolant en céramique (alumine) de 8 mm d'épaisseur qui est lui-même adapté pour maintenir en position axiale l'anode conductrice. On réalise un tel dispositif de façon que l'extrémité axiale de l'anode se situe dans le plan d'ouverture de la cathode.
Dans cette configuration, l'anode et la cathode sont en contact avec l'air atmosphérique à la pression et à la température ambiante, c'est-à-dire à une température proche de 220C. On applique à l'anode une tension croissante et maximale de 15 kV. Les inventeurs ont observé, jusqu'à partir d'une valeur seuil de tension de 2,6 kV, la formation d'une décharge couronne non répétitive et occupant un petit volume à proximité immédiate de l'extrémité axiale de l'anode. Le courant
instantané maximum généré par cette décharge couronne et mesuré sur l'oscilloscope est de 0,9 mA. Cette décharge couronne non répétitive a été observé jusqu'à une valeur de tension de 5,3 kV. Au-delà de cette valeur seuil de 5,3 kV, une décharge couronne répétitive, avec une fréquence de répétition de l'ordre de plusieurs kHz est révélée par l'apparition d'un halo couronne formé d'un plasma de couleur bleutée s'étendant dans l'atmosphère le long de l'axe longitudinal de l'anode et sur une distance d'environ 10 mm au-delà de l'extrémité axiale de ladite anode et d'un diamètre de l'ordre de 3 mm.
Ce jet de plasma est stable pour une tension comprise entre 5,3 kV et 9,1 kV et augmente en intensité lumineuse proportionnellement avec l'augmentation de la tension. Au-delà d'une tension de 9,1 kV, apparaissent des étincelles dans l'espace inter-électrodes entre l'anode et la cathode correspondant à la formation d'une décharge électrique de type arc électrique, non souhaité dans ce mode de fonctionnement.
Les inventeurs ont remarqué, en passant la main dans l'espace libre faisant face à l'extrémité axiale de l'anode et à une distance supérieure à 10 cm de ladite extrémité axiale de l'anode, l'émission d'un flux gazeux selon la direction axiale de l'anode et orienté vers l'extérieur de l'espace inter-électrodes et dont la vitesse de déplacement a été évaluée au moyen d'un anémomètre millimétrique à hélice, de 1 m/s à 10 m/s.
La température du jet de plasma a été évaluée à l'extrémité distale du halo couronne, c'est-à-dire à approximativement 10 mm de la portion d'extrémité axiale de l'anode de rayon de courbure minimum à environ 270C, soit une température légèrement supérieure à la température ambiante.
EXEMPLE 2 - Caractérisation du courant instantané généré par la décharge couronne.
On mesure au moyen d'un oscilloscope la variation de l'intensité du courant électrique produit par la décharge couronne. Les profiles cinétiques d'intensité du courant électrique instantané sont donnés en figure 5a et 5b respectivement pour des tensions appliquées de 5,6 kV (figure 5a) et de 9,1 kV (figure 5b). L'intensité maximale du courant électrique instantané généré par la
décharge couronne est de 2,4 mA pour une tension d'alimentation de 5,6 kV et de 16 mA pour une tension d'alimentation de 9,1 kV. La fréquence naturelle de répétition d'une telle décharge couronne dans ces conditions est d'environ 20 kHz.
EXEMPLE 3 - Caractérisation spectrale du jet plasma auto- soufflé.
Des spectres analytiques, représentés en figures 6a et 6b, ont été réalisés dans la gamme de longueur d'onde du visible et visant d'une part axialement la zone de décharge environnant la pointe anodique et d'autre part le sommet du jet plasma à environ 10 mm au dessus du jet plasma. Ces spectres caractérisent respectivement les espèces excitées présentes dans la décharge couronne (figure 6a) et dans le jet de plasma à plus grande distance de l'anode (figure 6b). Le tracé spectral en figure 6a montre la présence de bandes caractéristiques d'espèces excitées radiatives en particulier de l'azote, notamment les bandes spectrales de transition du second système positif (noté SSP ; N2(C3πu,υ) → N2(B3π * gg,'υ ') + hv) et du premier système négatif (noté PSN ; N+ 2(B2Σ+ U,υ)
-→ N 2(X r2r Σ+ g,υ ') + hv). On observe que la bande spectrale PSN relative à la désexcitation de l'ion N+ 2(B2Σ+ U,υ) est présente dans le spectre de la décharge couronne (figure 6a et encadré de la figure 6a) alors qu'elle est absente dans le spectre du jet de plasma (figure 5b et encadré de la figure 5b).
EXEMPLE 4 - Influence du rayon de courbure minimum de l'extrémité axiale de l'anode sur l'intensité du courant instantané maximum généré par la décharge couronne.
On réalise un dispositif plasma selon l'invention dans lequel la cathode est formée d'un cylindre conducteur de diamètre extérieur de 30 mm et de diamètre intérieur de 10 mm, et dans lequel l'anode conductrice est formée d'un cylindre de tungstène dont le diamètre de la section droite transversale est de l'ordre de 1 mm. On applique une tension continue à l'anode adaptée pour générer une décharge couronne dans l'air ambiant et à pression atmosphérique et dont la valeur ne varie que peu pour les différents rayons de courbure minimum étudiés. Les intensités de courant instantané maximum générés par la décharge couronne sont données dans le tableau 1 ci-après. On mesure en outre la longueur (mm) de la
partie du jet plasma généré et projeté par décharge couronne dans l'air ambiant qui est visible à l'œil en l'absence de lumière parasite extérieure, en particulier à l'obscurité.
Tableau 1
On observe une augmentation de l'intensité de courant instantané maximum de décharge avec l'augmentation du rayon de courbure minimum. La longueur mesurée du jet plasma ne varie pas sensiblement avec la valeur du rayon de courbure minimum de l'extrémité apicale de l'anode. Les inventeurs ont aussi observé que la largeur de la partie visible du jet plasma généré et projeté par décharge couronne dans l'air ambiant augmente avec l'augmentation de la valeur du rayon de courbure. La décharge couronne à l'origine du jet plasma est générée au sommet de la pointe avec une fréquence de répétition naturelle d'environ 20 kHz.
EXEMPLE 5 - Influence de la valeur du diamètre intérieur
(Φint ) de la cathode sur la tension appliquée à l'anode sur la formation de décharge couronne et sur la longueur du jet plasma obtenu.
On réalise un dispositif plasma selon l'invention dans lequel la cathode est formée d'un cylindre conducteur de diamètre extérieur de 30, et dans lequel l'anode conductrice est formée d'un cylindre de tungstène dont le diamètre de la section droite transversale est de l'ordre de 1 mm et dont le rayon de courbure minimum de l'extrémité apicale est de 10 μm. On applique une tension continue à l'anode adaptée pour générer une décharge couronne dans l'air ambiant et à pression atmosphérique. Les valeurs de la tension nécessaire pour générer la décharge couronne et les intensités de courant instantané maximum générés par
ladite décharge couronne sont données dans le tableau 2 ci-après. On mesure en outre la longueur (mm) de la partie du jet plasma généré et projeté par décharge couronne dans l'air ambiant qui est visible à l'œil en l'absence de lumière parasite extérieure, en particulier à l'obscurité.
Tableau 2
On observe que l'intensité de courant instantané ne varie pas avec la valeur du diamètre intérieur (Φint ) de la cathode, que la tension à appliquer à l'anode pour obtenir la décharge couronne augmente avec la distance séparant la cathode et la partie apicale de l'anode, et que la longueur (mm) de la partie du jet plasma généré et projeté par décharge couronne dans l'air ambiant qui est visible à l'œil en l'absence de lumière parasite extérieure, en particulier à l'obscurité augmente avec ladite distance.
EXEMPLE 6 - Traitement bactéricide et/ou bactériostatique On réalise une culture bactérienne de Esche richia coli à la surface d'un support solide et on soumet cette culture bactérienne à un jet de plasma auto-projeté selon l'invention. On place le dispositif d'émission de jet plasma à quelques millimètres de la surface supportant les bactéries E. coli. Après environ 10 minutes d'exposition de la surface contaminée au jet de plasma auto- projeté selon l'invention, on observe une diminution de la population bactérienne viable de l'ordre de 3 log (la population bactérienne initiale est divisée par 1000). Ce résultat est similaire à celui déjà obtenu par d'autres types de réacteur plasma utilisant en particulier une post-décharge en flux généré par micro-ondes à pression réduite.
Claims
REVENDICATIONS
1/ Dispositif (1) d'émission d'un jet (10) de plasma à pression et température ambiantes comprenant un générateur (2) de champ électrique apte à générer des décharges entre un ensemble (3) anodique et un ensemble (4) cathodique, dans lequel :
l'ensemble (4) cathodique est conformé de façon à définir un espace diélectrique, dit espace (9) inter-cathodique :
o s'étendant à l'intérieur de l'ensemble (4) cathodique et en regard d'au moins une surface cathodique dudit ensemble (4) cathodique, et, o présentant au moins une ouverture (5) cathodique débouchant vers l'extérieur de l'espace (9) inter-cathodique,
o ladite ouverture (5) cathodique est définie par au moins une arête, dite arête (7) active, de la surface cathodique, la(les)dite(s) arête(s) (7) active(s) s'étendant dans un plan, dit plan (8) d'ouverture cathodique, - l'ensemble (3) anodique comprend au moins une portion, dite portion (6) pointue, présentant un rayon de courbure minimum, orientée vers l'extérieur de l'espace (9) inter-cathodique et disposée latéralement et en profondeur par rapport à l'ouverture (5) cathodique de l'ensemble (4) cathodique ; ledit dispositif (1) étant caractérisé en ce que la portion (6) pointue de l'ensemble (3) anodique est disposée de façon à s'étendre jusqu'au plan (8) d'ouverture cathodique, et de façon à pouvoir provoquer une émission d'un jet (10) de plasma projeté spontanément selon une orientation prédéterminée vers l'extérieur de l'espace (9) inter-cathodique.
2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le plan (8) d'ouverture cathodique s'étend tangentiellement à la portion (6) pointue de l'ensemble (3) anodique.
3/ Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le générateur (2) de champ électrique est apte à générer des décharges couronnes.
4/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'ensemble (3) anodique comprend au moins une anode (11)
cylindrique de révolution autour d'une direction (12) axiale et en ce que la portion (6) pointue est une portion (13) pointue d'extrémité axiale de ladite anode (11) cylindrique, ladite portion (13) pointue d'extrémité axiale présentant une section dans au moins un plan axial contenant ladite direction (12) axiale ayant un rayon de courbure minimum dont la valeur est adaptée pour permettre la formation de décharges à partir de cette portion (13) pointue d'extrémité axiale sous l'effet d'un champ électrique formé par le (les) générateur(s) (2).
5/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'arête (7) active est une arête d'une cathode (14) de l'ensemble (4) cathodique, ladite arête entourant la portion (13) pointue d'extrémité axiale de l'anode (11) cylindrique de l'ensemble (3) anodique à laquelle cette cathode (14) est associée.
6/ Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'(les) arête(s) (7) active(s) de la (des) cathode(s) (14) présente(nt) au moins un plan de symétrie perpendiculaire au plan (8) d'ouverture cathodique de ladite (desdites) cathode(s) (14), ledit plan (8) d'ouverture cathodique comprenant la portion (13) pointue d'extrémité axiale de chaque anode (11) cylindrique à laquelle cette (ces) cathode(s) (14) est (sont) associée(s), et adaptée(s) pour orienter spontanément le jet (10) de plasma froid perpendiculairement au plan (8) d'ouverture cathodique.
Il Dispositif selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que l'(les) arête(s) (7) active(s) de l'ensemble (4) cathodique présente(nt) en section dans au moins un plan perpendiculaire au plan (8) d'ouverture cathodique, ledit plan perpendiculaire comprenant la portion (13) pointue d'extrémité axiale de l'anode (11) cylindrique, une forme symétrique par rapport à ladite portion (13) pointue d'extrémité axiale de l'anode (11) cylindrique à laquelle cet ensemble (4) cathodique est associé.
8/ Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'ensemble (4) cathodique présente une arête (7) active présentant en section dans chaque plan perpendiculaire audit plan (8) d'ouverture cathodique, une forme présentant une symétrie par rapport à ladite portion (13) pointue d'extrémité axiale
de chaque anode (11) cylindrique à laquelle ledit ensemble (4) cathodique est associé.
9/ Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'arête (7) active de l'ensemble (4) cathodique présente une forme circulaire ou une forme polygonale à centre de symétrie -notamment hexagonale, octogonale, en parallélogramme ou en carré-.
10/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'ensemble (4) cathodique comprend deux plaques (22) cathodiques présentant chacune une arête (7) active rectiligne, lesdites arêtes (7) actives rectilignes des deux plaques (22) cathodiques étant coplanaires et parallèles entre elles et symétriques par rapport au plan (17) médian des arêtes (7) actives rectilignes des deux plaques (22) cathodiques, ledit plan (17) médian comprenant la portion (6) pointue de l'ensemble (3) anodique.
11/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le rayon de courbure minimum de la portion (6) pointue de l'ensemble (3) anodique est inférieur à 500 μm, notamment compris entre 1 μm et 500 μm, en particulier compris entre 10 μm et 100 μm.
12/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la portion (6) pointue de l'ensemble (3) anodique est formée d'un matériau conducteur choisi dans le groupe formé du tungstène, des carbures de tungstène, de l'aluminium et de leurs alliages.
13/ Dispositif selon l'une des revendications 4 à 12, caractérisé en ce que le plan (8) d'ouverture cathodique de l'ensemble (4) cathodique est sensiblement perpendiculaire à la direction (12) axiale de l'anode (11) cylindrique.
14/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que l'(les) arête(s) (7) active(s) de l'ensemble (4) cathodique est (sont) formée(s) d'au moins un matériau conducteur choisi dans le groupe formé du laiton, du cuivre et de leurs alliages.
15/ Dispositif selon l'une des revendications 4 à 14, caractérisé en ce que chaque anode (11) cylindrique présente en section transversale
perpendiculaire à sa direction (12) axiale, une forme sensiblement discoïdale, dont le diamètre est compris entre 0,5 mm et 3 mm, notamment de l'ordre de 1 mm.
16/ Utilisation d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 15 pour un traitement d'une surface dans lequel ladite surface est disposée dans le jet (10) de plasma auto-projeté.
17/ Utilisation selon la revendication 16 d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 15 pour la décontamination de surface, notamment pour le traitement bio- statique et/ou le traitement biocide de surfaces.
18/ Utilisation selon l'une des revendications 16 et 17 d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 15 pour la coagulation sanguine et l'asepsie.
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