Kinetics of Atomic Nitrogen Production by Nanosecond Pulsed Discharges

Cinétique de la production d'azote atomique par décharges nanosecondes répétitives pulsées L'industrialisation de la chimie de l'azote a connu un essor sans précédent au tournant du XXème siècle grâce au procédé Haber, utilisé pour la production d'engrais et d'explosifs. De nos jours, les applications de l'azote se sont diversifiées, notamment à travers les traitements surfaciques (nitruration, stérilisation, dopage de semi-conducteurs) et la réduction de la pollution dans les effluents gazeux. Ces applications nécessitent la production d'un flux d'azote atomique dans des conditions atmosphériques ou à basse pression, et à basse température (300 K).Une approche pour produire de l'azote dans ces conditions de pression et de température est d'utiliser des décharges électriques nanosecondes répétitives pulsées (NRP). Ces décharges permettent d'ioniser un gaz d'azote et de former un plasma. L'accélération des électrons dans le champ électrique imposé par le générateur électrique permet d'exciter les molécules du gaz et de dissocier l'azote moléculaire. En d'autres mots, cette technique convertit l'énergie électrique en énergie chimique menant à la production d'azote atomique. L'objet de cette thèse est de caractériser ce procédé, afin d'étudier les mécanismes cinétiques fondamentaux qui contrôlent la dissociation de l'azote moléculaire (N₂) et la recombinaison de l'azote atomique. Un des objectifs de l'étude et de déterminer le rendement énergétique et le taux de production de cette technique afin d'augmenter l'efficacité des procédés utilisant de l'azote atomique. Les décharges sont produites à l'intérieur d'un réacteur étanche, rempli de N₂ initialement à 1 bar et 300 K. Le plasma est créé à l'aide de deux électrodes pointues en tungstène, espacées de 1 mm. La source de tension génère des pulses de 8 kV, d'une durée pouvant varier de 10 à 30 ns. Durant la décharge, un courant d'environ 100 A est mesuré, et environ 3 mJ sont absorbés par le gaz. Dans ces conditions, un streamer d'environ 50 μm de rayon se forme entre les électrodes et parcourt l'espace inter-électrode en 1 ns, puis commence à chauffer jusqu'à 45 000 K en environ 10 ns. De nombreux ions N+ sont formés dans ce canal avant de se recombiner en azote atomique et moléculaire. Le nombre total d'atomes d'azote produits (∼10¹³) reste constant durant 100 μs. Pendant cette durée, le cylindre de gaz chauffé s'effondre sur lui-même puis se détend radialement en formant un tore. À t=100 μs, la température au cœur du tore redescend à environ 1 000 K. L'essentiel des mesures ont été réalisées par spectroscopie d'émission, à l'exception de la mesure de la densité d'azote atomique. Pour celle-ci, nous avons développé une technique de calibration absolue de fluorescence induite par excitation laser à deux photons (TALIF), permettant de s'affranchir des effets de quenching à pression atmosphérique.