Physics on plasma chemistry

Résumé
Dans cet article après un bref historique de la chimie des plasmas et une courte description des différents types de plasmas utilisés et de leurs moyens de production, nous présentons le réacteur de chimie des plasmas avec les différents problèmes rencontrés, notamment le mélange des réactifs, la trempe des produits et la catalyse. Nous continuons alors par une discussion sur les techniques de diagnostic utilisées en chimie des plasmas tant pour le plasma lui-même : mesure spectroscopique de la température et de la population des états excités, fluorescence laser, mesure de la vitesse des gaz et spectroscopie de masse des ions, que pour les matériaux en phases condensées introduits dans le plasma : vitesse, température de surface, population et diamètre des particules. Pour les réactions en phase homogène un bref rappel des calculs à l'équilibre et de la cinétique des réactions est suivi par des exemples d'applications de tels calculs sur des expériences réelles : synthèse des oxydes d'azote dans un générateur à arc en courant continu, synthèse de l'acétylène et de l'acide cyanhydrique dans une torche haute fréquence, synthèse de composés organiques avec le métastable moléculaire de l'oxygène O₂ ¹ Δ_g produit dans une décharge HF à basse pression. Pour les réactions en phase hétérogène, nous rappelons tout d'abord le calcul des propriétés thermodynamiques et de transport du plasma, puis nous considérons les problèmes de transfert de chaleur et de masse plasma-particules. Les applications illustrant ces calculs sont d'abord celles où le matériau traité subit dans le plasma uniquement un changement de structure physique : projection par plasma, sphéroïdisation, vaporisation, condensation puis celles où il est le siège d'une transformation chimique.

Abstract
In this paper, after a brief historical review of plasma chemistry, a short description of the different types of plasmas used, and of their means of production, we will present the plasma chemistry reactor with the problems of mixing the reactants with the plasma, the quenching and the catalysis. This is followed by a discussion of diagnostic techniques either on the plasma itself : spectroscopic measurement of temperature and population, laser fluorescence spectroscopy, gas velocity measurements and mass spectroscopy of ions ; or on the condensed materials injected into the plasma : velocity, surface temperature, population and diameters of the particles. For the reactions in homogeneous phase a brief summary on equilibrium and kinetics calculations is followed by an illustration of the application of this calculations with three examples : NO synthesis in a DC plasma jet, C₂H₂ and HCN synthesis in a HF plasma torch, organic compound synthesis with the O₂ ¹ Δ_g metastable state produced in a HF low pressure plasma. For the reactions in heterogeneous phase, first we recall thermodynamic and transport properties of the plasma and then we deal with heat and mass transfer plasma particles. The applications described are first concerned with physical changes of solid materials in plasma : plasma spraying, spheroidisation, vaporisation, condensation and second chemical reactions.