Phénomène d’auto-organisation dans une décharge à barrière diélectrique

Plasmas et DBD

Définition Une vision scientifique primaire de l’univers, mais suffisante pour résoudre la plupart des problèmes physiques, consiste à dire qu’il est composé de trois entités. La première est l’ensemble des corps ayant une inertie, une position, une vitesse, une trajectoire etc… appelée « matière » et suffisamment bien décrite par les premières théories modernes de la mécanique classique établies par Galilée, Newton, Kepler… La deuxième correspond à une partie immatérielle et non localisée faite de ce qui d’usage est appelé « lumière » et souvent décrite par une théorie ondulatoire même si historiquement elle fut d’abord décrite par une théorie mécanique corpusculaire. La troisième est appelée « espace temps » et peut être regardée comme l’environnement dans lequel, matière et lumière évoluent, coexistent et interagissent. Une image de tout ça pourrait être une scène avec deux acteurs.

La décharge à barrière diélectrique

   La transition vers l’arc électrique n’est parfois pas souhaitée. Par exemple, lors d’un procédé visant à traiter une surface de polymères, un arc électrique endommagerait la surface. Pour s’affranchir de ce problème et limiter le courant maximal possible, il est possible d’ajouter un diélectrique dans l’espace inter-électrodes comme illustré sur la figure 1.10. L’ajout d’un conducteur ohmique de grande valeur ou l’utilisation d’une source de courant sont aussi envisageables. L’ajout d’un seul diélectrique suffit à réaliser une DBD mais la présence de deux diélectriques de même nature et de même forme sur chacune des électrodes métalliques a l’avantage d’avoir des décharges identiques sur chaque demi-alternance. La présence du diélectrique a aussi pour conséquence d’abaisser la tension appliquée nécessaire au claquage par rapport à une décharge DC. Ceci s’explique par l’accumulation de charges sur les diélectriques, qui à la demi-alternance suivante, crée un champ qui s’ajoute au champ appliqué. En électrocinétique, ce diélectrique peut être représenté par un condensateur de quelques pico Farads en série avec la cellule de décharge décrite figure 1.6. Il convient alors d’adapter aussi l’alimentation en prenant une source de tension ou de courant alternative. La décharge fonctionne alors par claquages successifs sur chaque demi-alternance et la caractéristique T ension−Courant est parcourue en permanence de manière dynamique.

Exemples de structures dans les DBD

    Les agents sont ici les molécules, les atomes, les ions et les électrons qui collisionnent par diffusion ou dérive dans le champ électrique. Les conséquences de ces collisions sont les variations des quantités de ces espèces dans l’espace et dans le temps. Dans les plasmas de type DBD, les conditions de potentiel sur toute la surface d’une électrode sont identiques à tout instant et imposées par la source de tension extérieure. Le champ appliqué à l’ensemble dielectrique + gaz + dielectrique est donc le même quel que soit l’endroit considéré suffisamment loin des bords. Ces conditions favorisent donc à priori l’existence d’une décharge homogène. La cellule de décharge utilisée pour les photographies de la figure 1.17 est constituée de deux électrodes planes, en face à face, en forme de disque de rayon de 5cm et apposées sur deux couches de verre. L’électrode située entre la caméra et la décharge est transparente.

Claquage dans un gaz

   La tension de claquage est la tension gaz pour laquelle il y a auto-entretien de la décharge. La multiplication électronique compense alors exactement les pertes aux bords et en volume. Selon la nature des électrodes, le type de gaz, l’épaisseur de gaz et les conditions de pression, la tension nécessaire pour obtenir un claquage n’est pas la même. Les courbes de Paschen sont données figure 1.25 pour quelques gaz et représentent la tension gaz de claquage en fonction du produit pression − distance. La tension représentée sur ces courbes correspond à la tension aux bornes du gaz. Il est assez facile de comprendre qualitativement la forme de ces courbes. D’un point de vue simplifié et pour un gap donné, la multiplication des électrons est liée à l’impact sur les neutres des électrons germes accélérés dans le champ électrique. Sur la droite du graphe, la densité de neutres est grande, les électrons n’ont pas le temps d’être suffisamment accélérés entre deux collisions pour qu’elles soient efficaces. Il faut augmenter la tension pour y remédier et atteindre la tension de claquage. Sur la gauche, il y a peu de neutres et le manque de collisions doit aussi 1.3 Mécanismes de l’auto-organisation dans les DBD être compensé par une augmentation de la tension pour claquer. Il existe donc un minimum de tension correspondant aux conditions de pression optimales pour la multiplication électronique. Le livre de J. M. Meek [49] et la thèse de B. Bernecker [50] montrent que si les conditions appliquées favorisent une avalanche telle que M > 108 alors le claquage est de type streamer et la décharge est nécessairement filamentaire et dynamique. Ceci a permis notamment d’expliquer la différence de comportement entre l’azote et le néon au moment du claquage. Dans le cas où le claquage est de type Townsend, une structure est tout de même susceptible d’apparaitre en attendant au moins quelques dizaines de périodes et de se maintenir même si le premier claquage est homogène. Il faut alors s’intéresser aux états permanents.

Table des matières

1 Contexte et problématique 
1.1 Plasmas et DBD 
1.1.1 Généralités
1.1.2 Les plasmas froids hors équilibre
1.1.3 Les DBD, principe et applications
1.2 Auto-organisation et DBD 
1.2.1 Généralités
1.2.2 Conséquences
1.2.3 Similarités avec d’autres domaines
1.3 Mécanismes de l’auto-organisation dans les DBD
1.3.1 Claquage dans un gaz
1.3.2 États permanents
1.3.3 États dynamiques
1.3.4 Conditions initiales
1.3.5 Géométrie
1.3.6 Charges mémoire
1.3.7 Diagrammes de phases
1.3.8 Espèces excitées
1.3.9 Bilan
1.4 Problématique 
2 Dispositif expérimental 
2.1 Vue d’ensemble 
2.2 Cellules de décharge
2.2.1 Cellules fermées
2.2.2 Cellules ouvertes
2.3 Circuit de gaz
2.3.1 Description globale
2.3.2 Instrumentation, mesures, limites
2.4 Circuit électrique
2.4.1 Description globale
2.4.2 Instrumentation, mesures, limites
2.5 Mesures optiques
2.5.1 Camera rapide
2.5.2 Spectromètre 1
2.5.3 Spectromètre 2
2.6 Bilan
3 Modèles fluides 2D et 0D 
3.1 Modèle fluide 2D 
3.1.1 Description
3.1.2 Équations
3.1.3 Conditions aux limites
3.1.4 Résolution
3.1.5 Discussion
3.2 Modèle 0D 
3.2.1 Objectif
3.2.2 Vue géométrique, principe
3.2.3 Équations
3.2.4 Conditions aux limites
3.2.5 Différences avec le modèle 2D
3.2.6 Validation : Décharge DC et réponse à un échelon de tension
3.2.7 Validation : Décharge DBD et réponse à un échelon de tension
3.2.8 Validation : Décharge DBD et réponse à un sinus de tension
3.3 Bilan 
4 Résultats expérimentaux : Tendances générales 
4.1 Effets de l’azote dans un gaz rare 
4.1.1 Diagrammes de phases : Présentation
4.1.2 Diagrammes de phases : Étude de cas
4.1.3 Forme du courant
4.1.4 Effet de l’azote : Bilan
4.2 Effets géométriques et filaments 
4.2.1 Grandeurs caractéristiques et mesures
4.2.2 Taille du diélectrique
4.2.3 Surface des électrodes
4.2.4 Taille du gap
4.2.5 Effets géométriques : Bilan
4.3 Autres études
4.3.1 Effet des conditions initiales
4.3.2 Effet du débit de gaz
4.3.3 Effet de la distance entre deux filaments
4.4 Bilan général
5 Rôle des impuretés 
5.1 Métastables et effet Penning : Modèle cinétique 
5.1.1 Cinétique des métastables
5.1.2 Cinétique Penning
5.2 Modèle 0D : Forme du courant
5.2.1 Multipic de courant
5.2.2 Monopic de courant
5.2.3 Bilan
5.3 Modèle 2D : Stabilité d’un pattern 
5.3.1 Conditions de simulation
5.3.2 Effet des métastables
5.4 Mesures expérimentales et étude temporelle 
5.4.1 Apparence de la décharge
5.4.2 Étude des courants
5.4.3 Spectroscopie d’émission
5.5 Bilan
6 Conclusion et perspectives 
6.1 Résultats principaux 
6.2 Perspectives de travail 
A Réactivité et transport des particules chargées dans les gaz
A.1 Grandeurs physiques
A.1.1 Champ électrique
A.1.2 Coefficient de mobilité, dérive
A.1.3 Coefficient de diffusion
A.1.4 Coefficient d’ionisation par dérive
A.2 Approximations pour la modélisation 0D
A.2.1 Mobilité électronique
A.2.2 Mobilité ionique
A.2.3 Coefficient de diffusion
A.2.4 Coefficient d’ionisation
A.2.5 Équations standards
B Du modèle 2D vers le modèle 0D
B.1 Du système réel au modèle
B.1.1 Circuit externe
B.1.2 Espace gazeux
B.1.3 Équations fondamentales
B.2 Modèle de la gaine
B.2.1 Hypothèses
B.2.2 Équation sur les électrons
B.2.3 Équations dans la gaine seule
B.2.4 Équations dans la gaine avec plasma
B.3 Modèle du plasma
B.3.1 Hypothèses
B.3.2 Équations dans le plasma
B.3.3 Expression des densités de flux
B.4 Circuit extérieur
B.4.1 Hypothèses
B.4.2 Circuit résistif
B.4.3 Circuit résisto-capacitif
B.4.4 Tension gaz
B.5 Expressions générales
B.5.1 Gestion du signe
B.5.2 Gaine seule
B.5.3 Gaine avec plasma
B.5.4 Plasma
B.5.5 Modes de fonctionnement et fonction de Heaviside
B.5.6 Bilan
C Autres résultats expérimentaux
C.1 Cellule 1D fermée (tube)
C.1.1 Diagrammes de phases
C.1.2 Structures classiques
C.1.3 Structure nouvelle : Rangée de croix
C.2 Cellule 2D fermée
C.2.1 Diagrammes de phases
C.2.2 Structures classiques
C.2.3 Structure nouvelle : Double spot
C.3 Diagrammes de phases : Bilan et tendances
D Spatialisation du modèle 0D
D.1 Description
D.1.1 Idée de départ
D.1.2 Spatialisation du modèle 0D
D.2 Couplage externe à deux cellules
D.2.1 Principe
D.2.2 États transitoires
D.2.3 États permanents et discussion
D.3 Couplages externe et interne à deux cellules
D.3.1 Principe
D.3.2 Couplage diffusif seul
D.3.3 Couplage réactif seul
D.3.4 Couplage réacto-diffusif
D.4 Bilan et perspectives
D.4.1 Bilan
D.4.2 Perspectives
Références

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