La possibilité de faire interagir des jets de plasma entre eux ou sur la surface à traiter pourrait induire une modification de la concentration en espèces réactives délivrée et/ou de l’efficacité du plasma. L’interaction de jets de plasma différents (gaz porteur différents par exemple) induirait une cinétique chimique différente et par conséquent un effet différent. La figure IV.1 présente différentes configurations de multi-jets. Sur les photos (a) et (b), la distribution du plasma n’est pas homogène, en effet certains jets sont plus lumineux que les autres. La proximité de plusieurs jets peut donc conduire à une répartition inhomogène du plasma mais également induire l’extinc-tion ou la non-général’extinc-tion de jets [136]. Bien que certaines équipes aient déjà testé ces systèmes
« multi-jets », il convient d’étudier les mécanismes d’interactions entre jets de plasma.
(a) Photographie de 7 jets de plasma d’hélium arrivant sur une électrode en ITO [136].
(b) Photographie de 31 jets de plasma d’hé-lium arrivant sur une électrode en ITO [136].
(c) Photographie de 10 jets de plasma alignés, l’alimentation en hélium est propre à chaque jet [161].
(d) Photographie de 7 jets de plasma d’hé-lium arrivant sur une électrode en ITO [162].
Figure IV.1 – Photographies des différentes possibilités de configurations de « multi-jets » de plasma.
1.1 Confrontation de deux plasmas
Deux équipes ont travaillé sur l’interaction de deux jets de plasma, générés chacun par des réacteurs différents. Les études menées par Algwari et al.concernent l’étude de la génération de deux plasmas dans un capillaire ayant une configuration en T [163] (figure IV.2(a)). Tandis que l’étude menée par Douat et al.s’est centrée sur la collision de deux jets de plasma d’hélium dans l’air ambiant [116, 117] (figure IV.2(b)).
H.T. H.T.
Gaz
(a) Algwariet al.[163].
H.T. H.T.
Gaz Gaz
(b) Douatet al.[116].
Figure IV.2 – Illustration des configurations utilisées pour la confrontation de jets de plasma, (a) en environnement « contrôlé », et (b) en air ambiant.
1. ÉTUDE DE L’INTERACTION ENTRE DEUX PLASMAS
Afin de mieux comprendre les mécanismes d’interactions entre plasmas, l’utilisation d’un environnement « contrôlé » est adéquat. Algwariet al.étudièrent la propagation de deux plasmas, générés à l’aide de deux réacteurs, au sein d’un même capillaire. Les deux plasmas générés se propagent à contre-flux, en se faisant face. Bien que les deux réacteurs soient similaires, les plasmas générés ne sont pas « identiques ». Les plasmas sont générés au temps t = 1,55µs, cependant le plasma généré par le réacteur de droite est plus lumineux et plus inhomogène que celui généré par le réacteur de gauche. Au cours de la propagation, le plasma de droite conserve cet aspect inhomogène comme illustré au temps t =1,75µs.
Arrivés au niveau de la jonction (t = 1,85µs), les deux plasmas suivent le capillaire et se propagent à l’intérieur du capillaire d’arrivée de gaz (capillaire vertical). Au sein de ce capillaire, deux phases de propagation sont observées. Dans un premier temps, les deux plasmas se propagent le long de la paroi du capillaire (t= 1,85 à 2,25µs). Puis, au cours de leur propagation, les deux plasmas s’homogénéisent pour n’en former qu’un (t= 2,35 à 2,85µs). À terme, le plasma nouvellement formé s’éteint.
Figure IV.3 – Imagerie rapide de la propagation de deux plasmas dans une jonction en T, d’après Algwari et al. [163]. Les deux plasmas sont générés de part et d’autre de la jonction et se propagent à contre-flux (le gaz circule du haut vers le bas). Les zones grisées correspondent aux électrodes de masse. Le temps maximal d’exposition est inférieur à 100 ns.
À la jonction des deux capillaires, aucune émission lumineuse n’est observable, ce qui sug-gère une région vide d’espèces excitées, mais Algwari et al. avancent l’hypothèse que cette zone
« sombre » pourrait cependant contenir certains radicaux. Lors de la confrontation de deux jets dans l’air ambiant, cette zone « sombre » est observée [116].
Lors de l’interaction de deux jets de plasma dans l’air, générés indépendamment et ayant chacun leur propre circuit d’alimentation en gaz, des instabilités hydrodynamiques sont observées [116] et présentées en figure IV.4. En effet, lorsque l’un des deux plasmas est porté par un débit de gaz inférieur à l’autre, celui-là sera contraint à s’étendre latéralement. Les régions turbulentes vont induire une ramification de la « balle » plasma (figure IV.4). Cette ramification est visible sous la forme de plusieurs « petites balles » de plasma qui vont se propager dans une direction perpendiculaire à l’écoulement du flux d’hélium. Cette ramification, générée dans une zone où deux flux de gaz se mélangent, peut être due à une division du plasma incident. Ce dernier va être divisé en plusieurs plasmas qui vont soit se propager dans une direction perpendiculaire à l’écoulement, soit dans la direction de l’écoulement principal. Le plasma se propageant dans le sens de l’écoulement principal est caractérisé par un volume et une intensité lumineuse plus importants (en comparaison avec ceux se propageant radialement). Ce plasma a été défini en tant que « balle » de plasma secondaire par Douat et al.[116]. Ce plasma secondaire croît en volume et en luminosité au cours de sa propagation. Cependant, dans le cas où une « balle » de plasma
se propage dans la direction opposée, les caractéristiques de propagation de la seconde « balle » (vitesse, volume, luminosité) seront amoindries par l’interaction entre les plasmas. Cependant, dans le cas où les deux flux gazeux sont identiques, les deux jets de plasma se propagent mais n’entrent pas en contact. La proximité de ces deux jets de plasma va induire la génération d’un plasma « secondaire », ou lueur rose [116].
800 sccm 700 sccm
ON ON
800 sccm 700 sccm
ON OFF
ON ON
800 sccm 700 sccm
FigureIV.4 – Propagation de deux jets de plasma d’hélium dans l’air ambiant et observation de ramifications dues aux instabilités hydrodynamiques, d’après Douatet al.[116]. La photographie du dessus a été réalisée pour un temps d’exposition long (non renseigné). Les photographies du dessous ont été obtenues pour un temps d’exposition de 5 ns.
1.2 Génération d’un plasma secondaire, suite à l’interaction de deux jets de plasma
Afin de minimiser les effets dus au mélange de deux jets de gaz, Douatet al.travaillèrent avec une seule décharge alimentée en hélium. Par conséquent, un plasma se propagera dans le sens de l’écoulement tandis que le second se propagera en remontant l’écoulement (cf. figure IV.5).
H.T. H.T.
Gaz
Réacteur Gauche (He-off ) Réacteur Droite (He-on)
sens de l’écoulement du gaz
(a) Dispositif expérimental.
Pink Glow
(b) Photographie de la lueur rose.
Figure IV.5 – Interaction de deux jets de plasma d’hélium, se propageant dans l’air ambiant, d’après Douat et al.[116].
1. ÉTUDE DE L’INTERACTION ENTRE DEUX PLASMAS
Le débit gazeux et les générateurs alimentant les réacteurs (tension et fréquence) étant iden-tiques, nous pouvons faire le postulat que les deux plasmas générés seront équivalents. La fi-gure IV.6 illustre la propagation des deux jets de plasma générés selon la configuration décrite dans la figure IV.5. Les deux plasmas se propagent dans l’air et plus précisément dans un canal d’hélium formé en sortie du réacteur droit (t=290à350 ns). Au cours de leur propagation, l’in-tensité lumineuse de chacun des fronts d’ionisation diminue, ainsi que leur vitesse. Àt=370 ns, les deux plasmas sont espacés de 1 mm, cette distance est ensuite conservée jusqu’à l’extinction de l’un des deux jets (t=430 ns). Cet espacement entre les deux plasmas constitue une zone dite sombre. La proximité des deux plasmas va influer sur leur vitesse de propagation, cette dernière va diminuer à mesure que la distance séparant les plasmas s’amoindrit. Lorsque les deux plasmas sont espacés de 2 mm, Douat et al. observèrent une chute de la vitesse de propagation (pas-sage de 9×106cm·s−1 à une vitesse quasi-nulle). De même que Douatet al., Algwariet al. ont montré l’existence d’une zone sombre lorsque les plasmas sont proches. Cependant, les plasmas continuent leur propagation à l’intérieur d’un capillaire vertical, sous flux d’hélium, [163] au lieu d’être stoppés et de s’éteindre [116].
Douatet al. ont observé la génération d’un plasma quelques nanosecondes après l’extinction des jets. Ce plasma se caractérise par sa géométrie (sphérique) et sa couleur (rose). Des études spectroscopiques de cette « lueur rose » ont révélé une augmentation de l’intensité du premier et second systèmes positifs de l’azote.
FigureIV.6 – Apparition d’une lueur rose suite à l’interaction de deux jets de plasma d’hélium, se propageant dans l’air ambiant. Imagerie rapide de la propagation de deux jets de plasma d’hélium, d’après Douat et al. [116]. Seul le réacteur de droite est pourvu en hélium. Temps d’exposition : 0,95 ns.
L’interaction entre plasmas a pu être étudiée à l’intérieur de capillaires [163] ou dans l’air ambiant [116]. Cependant, dans les deux cas présentés précédemment, la génération des plasmas est effectué à l’aide de deux générateurs distincts, reliés chacun à une paire d’électrodes. Toutefois, à l’aide d’un seul générateur et d’une géométrie de capillaire adaptée, il est possible de générer deux PAPS. Ces deux PAPS pourront par la suite se propager à l’intérieur d’un capillaire ou dans l’air ambiant, voire se rencontrer à l’intérieur d’un même capillaire. La possibilité de générer un faisceau de jets de plasma à l’aide d’un générateur et réacteur de décharge unique représente une alternative aux configurations actuelles multi-jets.