Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Ce travail porte sur le diagnostic des températures de vibration et de rotation des molécules dans les plasmas thermiques.<br /><br />Ce mémoire comporte deux grandes parties : l'une concerne le calcul de spectres moléculaires et la deuxième partie est consacrée à la comparaison des spectres dans quatre cas expérimentaux différents.<br /><br />Un code de calcul a été réalisé pour simuler des spectres d'espèces diatomiques. Ce code a été essentiellement appliqué aux radicaux C2, CN, à la molécule N2 et à l'ion N2+ avec comme paramètres variables les températures de vibration et de rotation. Cette partie commence par une description de la molécule diatomique et de ses propriétés. <br />Ensuite la méthode pour calculer les spectres est explicitée : <br />détermination des longueurs d'onde,<br />de leur intensité,<br />application d'une fonction d'appareil,<br />obtention du spectre final. <br />L'influence des températures de rotation et de vibration sur les intensités des raies est prise en compte ainsi que celle de la fonction d'appareil. Ces spectres sont calculés, pour une expérience donnée, de manière à déterminer ces deux paramètres par comparaison avec les spectres obtenus par la mesure.<br /><br />Cette méthode a été utilisée sur quatre plasmas différents : <br />une flamme oxy-acétylénique,<br />un arc stabilisé dans une chambre de Maecker,<br />une torche à plasma ICP,<br />une décharge entre deux électrodes liquides. <br />Les températures de rotation et de vibration ont été déterminées par la comparaison de spectres. Ainsi des profils de températures ont pu être réalisés.<br /><br />En annexe, les valeurs numériques nécessaires aux calculs de spectres sont répertoriées pour le système de Swan de C2, le système violet de CN, le second système positif de N2 et le premier système négatif de N2+.

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Le recours au plasma pour stériliser des dispositifs médicaux (DM) est un domaine de recherche ne datant véritablement que de la fin des années 1990. Les plasmas permettent, dans les conditions adéquates, de réaliser la stérilisation à basse température (≤ 65°C), tel qu’exigé par la présence de polymères dans les DM et ce contrairement aux procédés par chaleur, et aussi de façon non toxique, contrairement aux procédés chimiques comme, par exemple, l’oxyde d’éthylène (OEt). Les laboratoires du Groupe de physique des plasmas à l’Université de Montréal travaillent à l’élaboration d’un stérilisateur consistant plus particulièrement à employer les effluents d’une décharge N2-%O2 basse pression (2-8 Torrs) en flux, formant ce que l’on appelle une post-décharge en flux. Ce sont les atomes N et O de cette décharge qui viendront, dans les conditions appropriées, entrer en collisions dans la chambre de stérilisation pour y créer des molécules excitées NO*, engendrant ainsi l’émission d’une quantité appréciable de photons UV. Ceux-ci constituent, dans le cas présent, l’agent biocide qui va s’attaquer directement au bagage génétique du micro-organisme (bactéries, virus) que l’on souhaite inactiver. L’utilisation d’une lointaine post-décharge évite du même coup la présence des agents érosifs de la décharge, comme les ions et les métastables. L’un des problèmes de cette méthode de stérilisation est la réduction du nombre de molécules NO* créées par suite de la perte des atomes N et O, qui sont des radicaux connus pour interagir avec les surfaces, sur les parois des matériaux des DM que l’on souhaite stériliser. L’objectif principal de notre travail est de déterminer l’influence d’une telle perte en surface, dite aussi réassociation en surface, par l’introduction de matériaux comme le Téflon, l’acier inoxydable, l’aluminium et le cuivre sur le taux d’inactivation des spores bactériennes. Nous nous attendons à ce que la réassociation en surface de ces atomes occasionne ainsi une diminution de l’intensité UV et subséquemment, une réduction du taux d’inactivation. Par spectroscopie optique d’émission (SOE), nous avons déterminé les concentrations perdues de N et de O par la présence des matériaux dans le stérilisateur, ainsi que la diminution de l’émission UV en découlant. Nous avons observé que cette diminution des concentrations atomiques est d’autant plus importante que les surfaces sont catalytiques. Au cours de l’étude du phénomène de pertes sur les parois pour un mélange N2-%O2 nous avons constaté l’existence d’une compétition en surface entre les atomes N et O, dans laquelle les atomes d’oxygènes semblent dominer largement. Cela implique qu’au-delà d’un certain %O2 ajouté à la décharge N2, seuls les atomes O se réassocient en surface. Par ailleurs, l’analyse des courbes de survie bi-phasiques des micro-organismes a permis d’établir une étroite corrélation, par lien de cause à effet, entre la consommation des atomes N et O en surface et la diminution du taux d’inactivation des spores dans la première phase. En revanche, nous avons constaté que notre principal agent biocide (le rayonnement ultraviolet) est moins efficace dans la deuxième phase et, par conséquent, il n’a pas été possible d’établir un lien entre la diminution des concentrations et le taux d’inactivation de cette phase-là. / The use of plasmas to sterilize medical devices (MDs) is a research field, which really started only at the end of the 90’s. Plasmas under adequate conditions allow achieving low-temperature (≤ 65°C) sterilization, as required by MDs made from polymers, in contrast to heat-driven sterilization methods, and provide a non-toxic method, in contrast to chemical processes such as performed, for example, with ethylene oxide (EtO). The Groupe de physique des plasmas laboratories at Université de Montréal is working on the design and testing of a sterilizer, which has the peculiarity of utilizing the species outflowing from a N2-%O2 discharge at reduced pressure (2-8 Torrs), which is called a plasma flowing-afterglow. It is the N and O atoms of this discharge mixture that, under appropriate conditions, interact in the sterilization chamber to form NO* excited molecules, generating a significant level of UV photons. These are, in the present case, the actual biocidal agent which will create lethal lesions on the genetic material of the microorganisms (bacteria, viruses) that should be inactivated. Using a flowing late afterglow instead of the discharge itself enables us to avoid the presence of the erosive agents of the discharge (ions, metastable-state particles). A major problem of this sterilization method is the reduction in the concentration of NO* molecules resulting from the losses of the N and O atoms on the surfaces of the MD materials that we want to sterilize. These radicals are, in fact, well-known to interact with surfaces and recombine on them. The main aim of our work is to determine the loss level of such atoms following their surface recombination on materials such as Teflon, stainless steel, aluminum and copper and the corresponding influence of such losses on the inactivation rate of bacterial spores. We can expect that surface recombination of these atoms leads to a reduction in the UV emission intensity and, as a result, in a reduction in the inactivation rate. Using optical emission spectroscopy (OES), we have determined the loss of N and O concentrations resulting from the presence of various materials in the sterilizer chamber as well as the corresponding decrease in UV emission intensity. We have observed that this reduction in atomic concentrations increases with the catalytic properties (recombination coefficient) of these materials. While examining the surface recombination phenomenon on these various materials, we have noticed a competition between the surface recombination of N and O atoms where the latter appear to play the main role. This implies that above a certain percentage of O2 added to N2, only the O atoms do recombine on these surfaces. On the other hand, the analysis of the bi-phasic survivor curves has enable us to show a strong correlation between the consumption of N and O atoms on surfaces and the reduction in the inactivation rate coefficient in the first phase of the survivor curve. We have also observed that our main biocidal agent is less efficient in the second phase of the survivor curve and, as a result, it was not possible to make a connection between the reduction in N and O atom concentration and the inactivation rate of the second phase.

Le recours au plasma pour stériliser des dispositifs médicaux (DM) est un domaine de recherche ne datant véritablement que de la fin des années 1990. Les plasmas permettent, dans les conditions adéquates, de réaliser la stérilisation à basse température (≤ 65°C), tel qu’exigé par la présence de polymères dans les DM et ce contrairement aux procédés par chaleur, et aussi de façon non toxique, contrairement aux procédés chimiques comme, par exemple, l’oxyde d’éthylène (OEt). Les laboratoires du Groupe de physique des plasmas à l’Université de Montréal travaillent à l’élaboration d’un stérilisateur consistant plus particulièrement à employer les effluents d’une décharge N2-%O2 basse pression (2-8 Torrs) en flux, formant ce que l’on appelle une post-décharge en flux. Ce sont les atomes N et O de cette décharge qui viendront, dans les conditions appropriées, entrer en collisions dans la chambre de stérilisation pour y créer des molécules excitées NO*, engendrant ainsi l’émission d’une quantité appréciable de photons UV. Ceux-ci constituent, dans le cas présent, l’agent biocide qui va s’attaquer directement au bagage génétique du micro-organisme (bactéries, virus) que l’on souhaite inactiver. L’utilisation d’une lointaine post-décharge évite du même coup la présence des agents érosifs de la décharge, comme les ions et les métastables. L’un des problèmes de cette méthode de stérilisation est la réduction du nombre de molécules NO* créées par suite de la perte des atomes N et O, qui sont des radicaux connus pour interagir avec les surfaces, sur les parois des matériaux des DM que l’on souhaite stériliser. L’objectif principal de notre travail est de déterminer l’influence d’une telle perte en surface, dite aussi réassociation en surface, par l’introduction de matériaux comme le Téflon, l’acier inoxydable, l’aluminium et le cuivre sur le taux d’inactivation des spores bactériennes. Nous nous attendons à ce que la réassociation en surface de ces atomes occasionne ainsi une diminution de l’intensité UV et subséquemment, une réduction du taux d’inactivation. Par spectroscopie optique d’émission (SOE), nous avons déterminé les concentrations perdues de N et de O par la présence des matériaux dans le stérilisateur, ainsi que la diminution de l’émission UV en découlant. Nous avons observé que cette diminution des concentrations atomiques est d’autant plus importante que les surfaces sont catalytiques. Au cours de l’étude du phénomène de pertes sur les parois pour un mélange N2-%O2 nous avons constaté l’existence d’une compétition en surface entre les atomes N et O, dans laquelle les atomes d’oxygènes semblent dominer largement. Cela implique qu’au-delà d’un certain %O2 ajouté à la décharge N2, seuls les atomes O se réassocient en surface. Par ailleurs, l’analyse des courbes de survie bi-phasiques des micro-organismes a permis d’établir une étroite corrélation, par lien de cause à effet, entre la consommation des atomes N et O en surface et la diminution du taux d’inactivation des spores dans la première phase. En revanche, nous avons constaté que notre principal agent biocide (le rayonnement ultraviolet) est moins efficace dans la deuxième phase et, par conséquent, il n’a pas été possible d’établir un lien entre la diminution des concentrations et le taux d’inactivation de cette phase-là. / The use of plasmas to sterilize medical devices (MDs) is a research field, which really started only at the end of the 90’s. Plasmas under adequate conditions allow achieving low-temperature (≤ 65°C) sterilization, as required by MDs made from polymers, in contrast to heat-driven sterilization methods, and provide a non-toxic method, in contrast to chemical processes such as performed, for example, with ethylene oxide (EtO). The Groupe de physique des plasmas laboratories at Université de Montréal is working on the design and testing of a sterilizer, which has the peculiarity of utilizing the species outflowing from a N2-%O2 discharge at reduced pressure (2-8 Torrs), which is called a plasma flowing-afterglow. It is the N and O atoms of this discharge mixture that, under appropriate conditions, interact in the sterilization chamber to form NO* excited molecules, generating a significant level of UV photons. These are, in the present case, the actual biocidal agent which will create lethal lesions on the genetic material of the microorganisms (bacteria, viruses) that should be inactivated. Using a flowing late afterglow instead of the discharge itself enables us to avoid the presence of the erosive agents of the discharge (ions, metastable-state particles). A major problem of this sterilization method is the reduction in the concentration of NO* molecules resulting from the losses of the N and O atoms on the surfaces of the MD materials that we want to sterilize. These radicals are, in fact, well-known to interact with surfaces and recombine on them. The main aim of our work is to determine the loss level of such atoms following their surface recombination on materials such as Teflon, stainless steel, aluminum and copper and the corresponding influence of such losses on the inactivation rate of bacterial spores. We can expect that surface recombination of these atoms leads to a reduction in the UV emission intensity and, as a result, in a reduction in the inactivation rate. Using optical emission spectroscopy (OES), we have determined the loss of N and O concentrations resulting from the presence of various materials in the sterilizer chamber as well as the corresponding decrease in UV emission intensity. We have observed that this reduction in atomic concentrations increases with the catalytic properties (recombination coefficient) of these materials. While examining the surface recombination phenomenon on these various materials, we have noticed a competition between the surface recombination of N and O atoms where the latter appear to play the main role. This implies that above a certain percentage of O2 added to N2, only the O atoms do recombine on these surfaces. On the other hand, the analysis of the bi-phasic survivor curves has enable us to show a strong correlation between the consumption of N and O atoms on surfaces and the reduction in the inactivation rate coefficient in the first phase of the survivor curve. We have also observed that our main biocidal agent is less efficient in the second phase of the survivor curve and, as a result, it was not possible to make a connection between the reduction in N and O atom concentration and the inactivation rate of the second phase.

Le présent mémoire de maîtrise a pour but de jeter les bases sur la physique des plasmas micro-ondes en régime pulsé dans l’argon à la pression atmosphérique. Pour cela, nous avons utilisé une photodiode nous permettant d’acquérir l’émission globale du plasma pour différentes positions du tube où celui-ci détient trois types d’évolutions. La partie croissante, où nous avons observé un retard d’allumage du plasma qui augmente en s’éloignant de l’excitateur. Nous l’avons estimé en dérivant l’émission du plasma afin d’en obtenir ensuite une vitesse de front d’ionisation. Cette méthode de dérivée nous a permis également de constater que l’émission plasma détient un comportement exponentiel en croissance d’émission où nous avons pu en extraire des coefficients homogènes à des fréquences pour chacune des positions. Nous en avons ensuite interprété sous l’appui d’une mise en équation de l’émission plasma que la partie croissante est fortement sensible en début d’ignition, au chauffage des électrons Te(t) et à la multiplication électronique ne(t) puis tardivement au chauffage du gaz Tg(t). Ensuite, la partie stationnaire, pour laquelle nous avons remarqué que la densité électronique ne(z) est fortement dépendante de l’émission intégrée le long du tube. En parallèle, nous avons eu recours à la spectroscopie d’émission optique afin d’en déterminer Tg(z) où nous avons constaté que celui-ci est sensible au rapport cyclique. Enfin, la partie décroissante, où nous avons constaté un pic d’émission plasma au moment de l’extinction du plasma où nous avons supposé qu’il fût associé à la recombinaison radiative des dimères de l’argon Ar2+ avec les électrons. De même que pour la phase d’allumage, la dérivée et la mise en équation de l’émission plasma, nous a permis d’interpréter qu’après l’extinction du plasma, nous avons en première partie Te(t) et ne(t) qui contribuent fortement pour ensuite se terminer sur une décroissance exponentielle lente que nous avons associée à Tg(t). / The present master thesis aims to develop the foundations for the physics of pulsed microwave plasmas in argon at atmospheric pressure. For this, we used a photodiode allowing us to acquire the global plasma emission for different positions of the tube where it has three types of evolution. The increasing part, where we observed a plasma ignition delay which increases away from the exciter. We estimated it by deriving the emission from the plasma in order to then obtain an ionization front velocity. This derivative method also allowed us to see that the plasma emission has an exponential behavior in emission growth where we were able to extract homogeneous coefficients at frequencies for each of the positions. We then interpreted, with the support of an equation of the plasma emission, that the increasing part is highly sensitive at the start of ignition, to the heating of the electrons Te(t) and to the electronic multiplication ne(t) then later on heating the gas Tg(t). Then, the stationary part, for which we noticed that the electron density ne(z) is strongly dependent on the emission integrated along the tube. In parallel, we used optical emission spectroscopy to determine Tg(z) where we found that it is sensitive to the duty cycle. Finally, the decreasing part, where we observed a peak of plasma emission at the time of the extinction of the plasma where we supposed it to be associated to the radiative recombination of the dimers of argon Ar2+ with electrons. As for the ignition phase, the derivative and the equation of the plasma emission allowed us to interpret that after the extinction of the plasma, we have in the first part Te(t) and ne(t) which contribute strongly, and then end in a slow exponential decay that we have associated with Tg(t).