In this Ph.D. thesis, we have carried out numerical simulations to study nanosecond repetitively pulsed discharges (NRPD) in a point-to-point geometry at atmospheric pressure in air and in H2-air mixtures. Experimentally, three discharge regimes have been observed for NRPD in air at atmospheric pressure for the temperature range Tg = 300 to 1000 K: corona, glow and spark. To study these regimes, first, we have considered a discharge occurring during one of the nanosecond voltage pulses. We have shown that a key parameter for the transition between the discharge regimes is the ratio between the connection-time of positive and negative discharges initiated at point electrodes and the pulse duration. In a second step, we have studied the dynamics of charged species during the interpulse at Tg = 300 and 1000 K and we have shown that the discharge characteristics during a given voltage pulse remain rather close whatever the preionization level (in the range 109-1011 cm��3) left by previous discharges. Then, we have simulated several consecutive nanosecond voltage pulses at Tg = 1000 K at a repetition frequency of 10 kHz. We have shown that in a few voltage pulses, the discharge reaches a stable quasi-periodic glow regime observed in the experiments. We have studied the nanosecond spark discharge regime. We have shown that the fraction of the discharge energy going to fast heating is in the range 20%- 30%. Due to this fast heating, we have observed the propagation of a cylindrical shockwave followed by the formation of a hot channel in the path of the discharge that expands radially on short timescales (t < 1 _s), as observed in experiments. Then we have taken into account an external circuit model to limit the current and then, we have simulated several consecutive pulses to study the transition from multipulse nanosecond glow to spark discharges. Finally the results of this Ph.D. have been used to find conditions to obtain a stable glow regime in air at 300 K and atmospheric pressure. Second we have studied on short time-scales (t_ 100_s) the ignition by a nanosecond spark discharge of a lean H2-air mixture at 1000 K and atmospheric pressure with an equivalence ratio of _ = 0:3. We have compared the relative importance for ignition of the fast-heating of the discharge and of the production of atomic oxygen. We have shown that the ignition with atomic oxygen seems to be slightly more efficient and has a completely different dynamics.

Dans cette thèse, nous avons étudié des décharges nanosecondes répétitives pulsées dans une géométrie pointe-pointe à la pression atmosphérique dans l’air et dans des mélanges hydrogène-air. Expérimentalement, trois régimes de décharges ont été observés dans l’air à pression atmosphérique entre 300 et 1000 K : couronne, diffus et arc. Pour étudier ces différents régimes, nous avons tout d’abord simulé une décharge ayant lieu pendant un des pulses de tension nanosecondes. Nous avons montré qu’un paramètre clé pour la transition entre les régimes est le rapport entre le temps de connexion entre les décharges positives et négatives initiées aux pointes et la durée du pulse de tension. Dans une seconde étape, nous avons étudié la dynamique des espèces chargées entre les pulses de tension à 300 et 1000 K et nous avons montré que les caractéristiques de la décharge pendant un pulse de tension dépendaient très peu du niveau de préionisation (dans la gamme 109-1011 cm��3) laissé par les décharges précédentes. Nous avons ensuite simulé plusieurs pulses de tensions consécutifs à Tg=1000 K à une fréquence de 10 kHz. Nous avons montré que, en quelques pulses de tension, la décharge atteint un régime diffus "stable", observé dans les expériences. Nous avons ensuite étudié le régime de décharge de type arc nanoseconde. Nous avons montré que la fraction d’énergie de la décharge allant dans le chauffage rapide de l’air est de 20-30 %. A cause de ce chauffage rapide, nous avons observé la propagation d’une onde de choc cylindrique suivie par la formation d’un canal chaud, sur le passage initial de la décharge, qui se dilate radialement sur des temps courts (t 6 1 _s), comme observé dans les expériences. Ensuite nous avons pris en compte un modèle de circuit externe pour limiter le courant et ainsi nous avons simulé plusieurs pulses consécutifs pour étudier la transition entre les régimes diffus et d’arc nanoseconde. Pour finir, les résultats de cette thèse ont été utilisés pour trouver des conditions d’obtention d’un régime diffus stable à 300 K et à la pression atmosphérique. Puis nous avons étudié l’allumage sur des temps courts (t 6 100 _s) d’un mélange pauvre H2-air par une décharge de type arc nanoseconde à 1000 K et à pression atmosphérique avec une richesse de 0.3. Nous avons comparé les importances relatives pour l’allumage du chauffage rapide et de la production d’oxygène atomique. Nous avons montré que l’allumage par l’oxygène atomique semble être légèrement plus efficace et a une dynamique complètement différente de celle initiée par le chauffage rapide. / In this Ph.D. thesis, we have carried out numerical simulations to study nanosecond repetitively pulsed discharges (NRPD) in a point-to-point geometry at atmospheric pressure in air and in H2-air mixtures. Experimentally, three discharge regimes have been observed for NRPD in air at atmospheric pressure for the temperature range Tg = 300 to 1000 K: corona, glow and spark. To study these regimes, first, we have considered a discharge occurring during one of the nanosecond voltage pulses. We have shown that a key parameter for the transition between the discharge regimes is the ratio between the connection-time of positive and negative discharges initiated at point electrodes and the pulse duration. In a second step, we have studied the dynamics of charged species during the interpulse at Tg = 300 and 1000 K and we have shown that the discharge characteristics during a given voltage pulse remain rather close whatever the preionization level (in the range 109-1011 cm��3) left by previous discharges. Then, we have simulated several consecutive nanosecond voltage pulses at Tg = 1000 K at a repetition frequency of 10 kHz. We have shown that in a few voltage pulses, the discharge reaches a stable quasi-periodic glow regime observed in the experiments. We have studied the nanosecond spark discharge regime. We have shown that the fraction of the discharge energy going to fast heating is in the range 20%- 30%. Due to this fast heating, we have observed the propagation of a cylindrical shockwave followed by the formation of a hot channel in the path of the discharge that expands radially on short timescales (t < 1 _s), as observed in experiments. Then we have taken into account an external circuit model to limit the current and then, we have simulated several consecutive pulses to study the transition from multipulse nanosecond glow to spark discharges. Finally the results of this Ph.D. have been used to find conditions to obtain a stable glow regime in air at 300 K and atmospheric pressure. Second we have studied on short time-scales (t_ 100_s) the ignition by a nanosecond spark discharge of a lean H2-air mixture at 1000 K and atmospheric pressure with an equivalence ratio of _ = 0:3. We have compared the relative importance for ignition of the fast-heating of the discharge and of the production of atomic oxygen. We have shown that the ignition with atomic oxygen seems to be slightly more efficient and has a completely different dynamics.

La décontamination bactériologique des surfaces par lumière pulsée est un enjeu de société qui requiert le développement de nouveaux outils. Une technique ayant prouvée son efficacité est l’utilisation de lumière pulsée dans le domaine de longueur d’onde 200-280 nm (bande d’absorption de l’ADN). Dans ce travail, nous avons étudié deux sources, Décharge à Barrière Diélectrique (DBD) et réseaux de microdécharges permettant de générer un rayonnement à 222 nm correspondant à l’émission de l’exciplexe KrCl*. Nos études ont permis de démontrer qu’il était possible de produire des décharges dans de nombreuses microcavités fonctionnant en parallèle sans aucun ballast résistif à condition d’employer une excitation impulsionnelle nanoseconde. Des études d’imagerie et de spectroscopie résolues temporellement ont démontré que l’ensemble des microdécharges s’initiaient en moins de 5 ns, ce qui permet d’envisager la réalisation de matrice de microdécharges rayonnant des puissances crêtes élevées. Dans le cas des DBD, les études ont couplé modèle et expérience, ce qui nous a permis de déterminer les étapes clés de la cinétique réactionnelle et de prédire les meilleures conditions de production d’un rayonnement intense à 222 nm. Par ailleurs, grâce aux microdécharges, nous avons pu réaliser une source de rayonnement VUV permettant de sonder la densité de chlore atomique dans des réacteurs de gravure plasma par spectroscopie d'absorption résonnante. / Bacteriological decontamination of surfaces by pulsed light is a society issue that requires the development of new tools. A technique that proved its efficiency was to use a pulsed light in the 200-280 wavelength range corresponding to the DNA absorption band.In this work, we studied two different sources, the so-called Dielectric Barrier Discharge (DBD) and microdischarges arrays, to generate a radiation at 222 nm corresponding to the KrCl* exciplex emission. By using nanosecond pulsed discharges, we demonstrated that many microdischarges operating in parallel can be triggered simultaneously without introducing any resistive ballast. High speed ICCD imaging and time resolved spectroscopic studies had shown that all the microdischarges were initiated in less than 5 ns, which allowed the produce arrays of microdischarges generating high peak power of UV light. In the DBD case, studies have coupled experience and simulation which allowed us to determine the key steps of the kinetic pathways and to predict the best conditions for producing an intense 222 nm radiation. Moreover, microdischarges were also used to realize a VUV source to probe the atomic chlorine density in plasma etching reactors through resonance absorption spectroscopy.

Les plasmas froids d’air à pression atmosphérique sont très utiles pour un grand nombre d’applications grâce à leur chimie hors-équilibre et leur souplesse d’utilisation. Leur intérêt réside dans la production de certaines espèces réactives ou chargées avec un coût énergétique plus avantageux que la chimie à l’équilibre. L’objectif de cette thèse est de combiner les décharges nanosecondes répétitives pulsées (NRP) avec une géométrie micrométrique. Par cette combinaison, nous souhaitons palier au chauffage excessif des étincelles qui génèrent pourtant des fortes densités d’espèces. Notre étude se concentre en trois points principaux. Dans un premier temps la phase de claquage est étudiée ; c’est pendant cette étape que l’énergie est déposée et que les espèces sont produites. La combinaison des diagnostics électriques et de spectroscopie d’émission optique montrent que l’air est presque complètement dissocié et ionisé. Ensuite, nous nous intéressons à la phase de recombinaison qui conditionne la durée de vie de ces espèces. Les résultats mettent en évidence une réaction à trois corps comme mécanisme de recombinaison principal. Et enfin, le dernier point concerne le transport des espèces vers un substrat conducteur. En lui appliquant une tension, celui-ci nous permet de générer un écoulement de vent ionique provenant de la décharge. L’écoulement est étudié par vélocimétrie d’images de particules et imagerie Schlieren. Ce travail a permis de démontrer la capacité des NRP micro-plasmas dans la production contrôlée d’espèces réactives et chargées, mais aussi dans leur transport vers une surface par panache électro-aérodynamique. / Non-thermal plasmas generated in air at atmospheric pressure have numerous potential applications due to their non-equilibrium chemistry and ease of use. Their main advantages lie in the cost-efficient production of reactive and charged species compared to that of equilibrium chemistry. The aim of this thesis is to combine nanosecond repetitively pulsed discharges (NRP) with a microscale geometry. Using this combination, we seek to reduce the excessive heat release of NRP sparks, while nonetheless reaching high densities of reactive species and electrons. This work is comprised of three main parts. Our first goal is to study the breakdown phase, in which energy is deposited and charged species are produced. We employ both electrical characterization and optical emission spectroscopy in order to show that the NRP microplasma fully ionizes and dissociates the gas. The second part consists of the study of the recombination phase, in which the produced species recombine or survive. Results show that three-body recombination can explain the electron lifetime in this phase. Finally, we study the transport of plasma chemical species from the microplasma to a DC-biased conductive plate representing a substrate. By applying a voltage to this third electrode, we drive an electro-thermal plume via an ionic wind from the microplasma to the plate. This flow is investigated mainly by particle image velocimetry as well as Schlieren imaging. This work shows the capability of NRP microplasmas to produce high densities of reactive and charged species and transport them to a surface using an electrohydrodynamic plume.

Research on the characterisation and understanding of pulsed magnetron discharges used for the deposition of thin, especially dielectric, films has been carried out between 2003 and 2008 at Chemnitz University of Technology. This thesis is a collection and summary of the original research during this period. In the main part of the thesis, work published in peer-reviewed scientific papers is summarised and yet unpublished results are given in more detail. Different aspects highlighted in the publications are described in a general context of the characterisation of the pulsed discharges for the principal understanding. The cross-linking of the published results is addressed and where necessary extensions to the publications are given. The main part is organised in three sections. In the first one, basics of pulsed magnetron discharges, their application, and important questions are summarised. The second section describes general results and physics of the discharges that have been obtained during the research work. It also emphasises the successful development or modifications of experimental techniques for the time-resolved characterisation. The third section addresses the possibilities to modify and control the process by external parameters that are typically accessible during the application or required by it. An appendix to the thesis comprises selected published research work which is made available as reprints of the original publications. Other publications which are not included as reprints are referenced to in the main part. / Untersuchungen zur Charakterisierung und zum Verständnis gepulster Magnetronentladungen, die zur Abscheidung von dünnen Schichten, besonders von dielektrischen Schichten, verwendet werden, wurden in den Jahren 2003 bis 2008 an der Technischen Universität Chemnitz durchgeführt. Diese Arbeit ist eine Sammlung und Zusammenfassung von neuen Forschungsergebnissen, die in diesem Zeitraum gewonnen wurden. Im Hauptteil der Habilitationsschrift werden die Arbeiten, die in referierten wissenschaftlichen Zeitschriften erschienen sind, zusammengefasst und noch unveröffentlichte Ergebnisse ausführlicher beschrieben. Verschiedene Aspekte, die in den Veröffentlichungen herausgestrichen wurden, werden in einem allgemeinen Zusammenhang der Charakterisierung gepulster Entladungen für ein prinzipielles Verständnis dargestellt. Querverbindungen zwischen den veröffentlichten Ergebnissen werden herausgearbeitet und wo nötig werden Erweiterungen der Originalveröffentlichungen vorgenommen. Der Hauptteil der Habilitationsschrift ist in drei Abschnitte unterteilt. Im ersten Teil werden Grundzüge gepulster Entladungen, ihre Anwendung und wesentliche Fragestellungen zusammengefasst. Der zweite Abschnitt beschreibt allgemeine Ergebnisse und die Physik der Entladungen, die während der Forschungsarbeit herausgearbeitet wurden. Er stellt auch die erfolgreiche Neuentwicklung oder Modifikation von Messtechniken zur zeitaufgelösten Charakterisierung heraus. Der dritte Abschnitt befasst sich mit den Möglichkeiten, den Beschichtungsprozess durch externe Parameter, die typischerweise während der Prozessanwendung zugänglich oder auch erforderlich sind, zu modifizieren und zu steuern. Der Anhang der Schrift beinhaltet ausgewählte Originalveröffentlichungen, die in Form von Reprints zugänglich gemacht werden. Andere Veröffentlichungen, die nicht im Anhang enthalten sind, werden im Hauptteil zitiert.

Research on the characterisation and understanding of pulsed magnetron discharges used for the deposition of thin, especially dielectric, films has been carried out between 2003 and 2008 at Chemnitz University of Technology. This thesis is a collection and summary of the original research during this period. In the main part of the thesis, work published in peer-reviewed scientific papers is summarised and yet unpublished results are given in more detail. Different aspects highlighted in the publications are described in a general context of the characterisation of the pulsed discharges for the principal understanding. The cross-linking of the published results is addressed and where necessary extensions to the publications are given. The main part is organised in three sections. In the first one, basics of pulsed magnetron discharges, their application, and important questions are summarised. The second section describes general results and physics of the discharges that have been obtained during the research work. It also emphasises the successful development or modifications of experimental techniques for the time-resolved characterisation. The third section addresses the possibilities to modify and control the process by external parameters that are typically accessible during the application or required by it. An appendix to the thesis comprises selected published research work which is made available as reprints of the original publications. Other publications which are not included as reprints are referenced to in the main part. / Untersuchungen zur Charakterisierung und zum Verständnis gepulster Magnetronentladungen, die zur Abscheidung von dünnen Schichten, besonders von dielektrischen Schichten, verwendet werden, wurden in den Jahren 2003 bis 2008 an der Technischen Universität Chemnitz durchgeführt. Diese Arbeit ist eine Sammlung und Zusammenfassung von neuen Forschungsergebnissen, die in diesem Zeitraum gewonnen wurden. Im Hauptteil der Habilitationsschrift werden die Arbeiten, die in referierten wissenschaftlichen Zeitschriften erschienen sind, zusammengefasst und noch unveröffentlichte Ergebnisse ausführlicher beschrieben. Verschiedene Aspekte, die in den Veröffentlichungen herausgestrichen wurden, werden in einem allgemeinen Zusammenhang der Charakterisierung gepulster Entladungen für ein prinzipielles Verständnis dargestellt. Querverbindungen zwischen den veröffentlichten Ergebnissen werden herausgearbeitet und wo nötig werden Erweiterungen der Originalveröffentlichungen vorgenommen. Der Hauptteil der Habilitationsschrift ist in drei Abschnitte unterteilt. Im ersten Teil werden Grundzüge gepulster Entladungen, ihre Anwendung und wesentliche Fragestellungen zusammengefasst. Der zweite Abschnitt beschreibt allgemeine Ergebnisse und die Physik der Entladungen, die während der Forschungsarbeit herausgearbeitet wurden. Er stellt auch die erfolgreiche Neuentwicklung oder Modifikation von Messtechniken zur zeitaufgelösten Charakterisierung heraus. Der dritte Abschnitt befasst sich mit den Möglichkeiten, den Beschichtungsprozess durch externe Parameter, die typischerweise während der Prozessanwendung zugänglich oder auch erforderlich sind, zu modifizieren und zu steuern. Der Anhang der Schrift beinhaltet ausgewählte Originalveröffentlichungen, die in Form von Reprints zugänglich gemacht werden. Andere Veröffentlichungen, die nicht im Anhang enthalten sind, werden im Hauptteil zitiert.

Research on the characterisation and understanding of pulsed magnetron discharges used for the deposition of thin, especially dielectric, films has been carried out between 2003 and 2008 at Chemnitz University of Technology. This thesis is a collection and summary of the original research during this period. In the main part of the thesis, work published in peer-reviewed scientific papers is summarised and yet unpublished results are given in more detail. Different aspects highlighted in the publications are described in a general context of the characterisation of the pulsed discharges for the principal understanding. The cross-linking of the published results is addressed and where necessary extensions to the publications are given. The main part is organised in three sections. In the first one, basics of pulsed magnetron discharges, their application, and important questions are summarised. The second section describes general results and physics of the discharges that have been obtained during the research work. It also emphasises the successful development or modifications of experimental techniques for the time-resolved characterisation. The third section addresses the possibilities to modify and control the process by external parameters that are typically accessible during the application or required by it. An appendix to the thesis comprises selected published research work which is made available as reprints of the original publications. Other publications which are not included as reprints are referenced to in the main part. / Untersuchungen zur Charakterisierung und zum Verständnis gepulster Magnetronentladungen, die zur Abscheidung von dünnen Schichten, besonders von dielektrischen Schichten, verwendet werden, wurden in den Jahren 2003 bis 2008 an der Technischen Universität Chemnitz durchgeführt. Diese Arbeit ist eine Sammlung und Zusammenfassung von neuen Forschungsergebnissen, die in diesem Zeitraum gewonnen wurden. Im Hauptteil der Habilitationsschrift werden die Arbeiten, die in referierten wissenschaftlichen Zeitschriften erschienen sind, zusammengefasst und noch unveröffentlichte Ergebnisse ausführlicher beschrieben. Verschiedene Aspekte, die in den Veröffentlichungen herausgestrichen wurden, werden in einem allgemeinen Zusammenhang der Charakterisierung gepulster Entladungen für ein prinzipielles Verständnis dargestellt. Querverbindungen zwischen den veröffentlichten Ergebnissen werden herausgearbeitet und wo nötig werden Erweiterungen der Originalveröffentlichungen vorgenommen. Der Hauptteil der Habilitationsschrift ist in drei Abschnitte unterteilt. Im ersten Teil werden Grundzüge gepulster Entladungen, ihre Anwendung und wesentliche Fragestellungen zusammengefasst. Der zweite Abschnitt beschreibt allgemeine Ergebnisse und die Physik der Entladungen, die während der Forschungsarbeit herausgearbeitet wurden. Er stellt auch die erfolgreiche Neuentwicklung oder Modifikation von Messtechniken zur zeitaufgelösten Charakterisierung heraus. Der dritte Abschnitt befasst sich mit den Möglichkeiten, den Beschichtungsprozess durch externe Parameter, die typischerweise während der Prozessanwendung zugänglich oder auch erforderlich sind, zu modifizieren und zu steuern. Der Anhang der Schrift beinhaltet ausgewählte Originalveröffentlichungen, die in Form von Reprints zugänglich gemacht werden. Andere Veröffentlichungen, die nicht im Anhang enthalten sind, werden im Hauptteil zitiert.

Research on the characterisation and understanding of pulsed magnetron discharges used for the deposition of thin, especially dielectric, films has been carried out between 2003 and 2008 at Chemnitz University of Technology. This thesis is a collection and summary of the original research during this period. In the main part of the thesis, work published in peer-reviewed scientific papers is summarised and yet unpublished results are given in more detail. Different aspects highlighted in the publications are described in a general context of the characterisation of the pulsed discharges for the principal understanding. The cross-linking of the published results is addressed and where necessary extensions to the publications are given. The main part is organised in three sections. In the first one, basics of pulsed magnetron discharges, their application, and important questions are summarised. The second section describes general results and physics of the discharges that have been obtained during the research work. It also emphasises the successful development or modifications of experimental techniques for the time-resolved characterisation. The third section addresses the possibilities to modify and control the process by external parameters that are typically accessible during the application or required by it. An appendix to the thesis comprises selected published research work which is made available as reprints of the original publications. Other publications which are not included as reprints are referenced to in the main part. / Untersuchungen zur Charakterisierung und zum Verständnis gepulster Magnetronentladungen, die zur Abscheidung von dünnen Schichten, besonders von dielektrischen Schichten, verwendet werden, wurden in den Jahren 2003 bis 2008 an der Technischen Universität Chemnitz durchgeführt. Diese Arbeit ist eine Sammlung und Zusammenfassung von neuen Forschungsergebnissen, die in diesem Zeitraum gewonnen wurden. Im Hauptteil der Habilitationsschrift werden die Arbeiten, die in referierten wissenschaftlichen Zeitschriften erschienen sind, zusammengefasst und noch unveröffentlichte Ergebnisse ausführlicher beschrieben. Verschiedene Aspekte, die in den Veröffentlichungen herausgestrichen wurden, werden in einem allgemeinen Zusammenhang der Charakterisierung gepulster Entladungen für ein prinzipielles Verständnis dargestellt. Querverbindungen zwischen den veröffentlichten Ergebnissen werden herausgearbeitet und wo nötig werden Erweiterungen der Originalveröffentlichungen vorgenommen. Der Hauptteil der Habilitationsschrift ist in drei Abschnitte unterteilt. Im ersten Teil werden Grundzüge gepulster Entladungen, ihre Anwendung und wesentliche Fragestellungen zusammengefasst. Der zweite Abschnitt beschreibt allgemeine Ergebnisse und die Physik der Entladungen, die während der Forschungsarbeit herausgearbeitet wurden. Er stellt auch die erfolgreiche Neuentwicklung oder Modifikation von Messtechniken zur zeitaufgelösten Charakterisierung heraus. Der dritte Abschnitt befasst sich mit den Möglichkeiten, den Beschichtungsprozess durch externe Parameter, die typischerweise während der Prozessanwendung zugänglich oder auch erforderlich sind, zu modifizieren und zu steuern. Der Anhang der Schrift beinhaltet ausgewählte Originalveröffentlichungen, die in Form von Reprints zugänglich gemacht werden. Andere Veröffentlichungen, die nicht im Anhang enthalten sind, werden im Hauptteil zitiert.