2-3 Alternance négative : propagation d’un streamer négatif

Cette partie a pour objectif l’étude des caractéristiques de la décharge se propageant durant l’alternance négative. Nous avons vu précédemment qu’elle est assimilée, dans la littérature, à un streamer négatif [17], [18]. Elle fait cependant l’objet de moins de publications que son homologue positif. Afin d’enregistrer des images de la décharge négative le déclenchement de la caméra ICCD a été décalé de 25 µs.

La Figure 3-14 présente des images de la décharge négative générée à une tension de 2400 V et pour un débit de 2,3 L.min-1_{. Sa structure diffère de celle du streamer positif} ainsi que sa distance de propagation. La décharge négative ressemble à un canal lumineux, s’étendant sur une distance maximale d’environ 12 mm (sur cette figure) et dont l’extrémité est pointue. Tout le canal est visible et le maximum de l’intensité n’est pas localisé à son extrémité. Cette décharge est moins lumineuse que dans le cadre de l'alternance positive. Pour atteindre des intensités équivalentes, l’accumulation choisie est quatre fois supérieure à celle utilisée pour enregistrer la décharge positive. Des observations similaires ont également été publiées [16]–[18], [22]. Dans le cas présenté, le canal sort de la source à 70 ns et stoppe sa propagation à 450 ns. Cependant, le canal reste présent longtemps après qu’il ait cessé de se propager, comme nous le verrons sur les profils d’intensité. Notons que le streamer négatif sort de la source plus tôt que le positif, à 70 ns contre 120 ns. Ces mesures ont été répétées à plusieurs reprises et à chaque fois le streamer négatif s’est amorcé plus vite dans l’air que le positif.

Figure 3-14 : images de la propagation de la décharge négative à différents temps, pour une tension appliquée de 2400 V et un débit de 2,3 L.min-1 _{; le temps d’exposition pour chaque image est de 10 ns. La position z = 0}

correspond à la sortie de la source.

Naidis a modélisé la propagation de streamers générés par des impulsions unipolaires, positive et négative, le long d’un jet d’hélium. Il a déterminé que les valeurs maximales du champ électrique dans la tête du streamer sont plus élevées pour le streamer positif

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que pour le streamer négatif. A l’inverse, le champ électrique est plus important dans le canal de la décharge négative que dans celui de la décharge positive. Le faible champ électrique dans le canal de la décharge positive ne permet pas une production importante d’espèces radiatives alors que, dans le cas de la décharge négative, sa valeur est plus élevée et des espèces sont excitées dans l’ensemble du canal [18]. Ces explications coïncident avec les observations expérimentales concernant la forme adoptée par chacune des décharges, l’émission lumineuse répartie tout le long du canal en alternance négative (streamer négatif) et { l’inverse une concentration de l’intensité lumineuse localisée dans la tête du streamer positif en alternance positive.

Nous avons mesuré la vitesse de propagation du canal, les résultats apparaissent Figure 3-15 (a). La première position à laquelle sa vitesse est mesurable se trouve à 2 mm de la sortie de la source et correspond à t = 80 ns. A l’instar de la décharge positive, le profil de vitesse du streamer négatif montre des accélérations se produisant de façon quasi- périodique (10MHz - 13MHz). Elles sont probablement dues aux variations du signal de tension. Cependant, les pics de vitesse sont moins synchrones avec les oscillations de la tension (Figure 3-15 (a) et (b)) que pour les mesures en alternance positive. Contrairement au streamer positif, le streamer négatif ne progresse pas de façon continue, sa propagation s’arrête entre deux pics de vitesse et semble ne se produire que lors des pics de tension. La vitesse minimale d’un streamer négatif correspond { la vitesse de dérive des électrons, dépendant du champ électrique [19]. Ces résultats suggèrent que le champ électrique total au niveau de la tête du streamer négatif devient nul entre deux oscillations de la tension. Il apparaît également, en négligeant les oscillations du profil de vitesse, que la vitesse du streamer négatif ne fait que décroitre au cours de sa propagation, alors que le streamer positif accélère dans l’air avant de décélérer.

Figure 3-15 : (a) vitesse de propagation du canal en fonction de la position de son extrémité aval le long de l’axe du jet, pour une tension appliquée de 2400 V et un débit de 2,3 L.min-1_{. L’origine z = 0 correspond à la}

sortie de la source. (b) Exemple d’un signal de tension à 2000 V et le signal de déclenchement de la caméra pour une porte de 10 ns (en bleu).

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Hormis une vitesse maximale de 1,80.105 _m.s-1 _{en sortie de source, presque deux fois} plus élevée que la vitesse maximale du front d’ionisation en alternance positive de 1.105 _m.s-1_{, la vitesse moyenne d’expansion du streamer négatif est pratiquement deux} fois plus faible que celle du streamer positif, respectivement 3,7.104 _m.s-1 _{et 5,5.10}4 _m.s-1_. Cette même tendance se retrouve dans les résultats de la littérature [16]–[18], [23]. La différence de vitesse est liée au champ électrique lors de la propagation des décharges. Comme nous l’avons vu précédemment, Naidis détermine que le champ à la tête du streamer négatif est plus faible qu’{ la tête du streamer positif [18]. Nous avons vu plus tôt que le champ électrique géométrique imposé par les conditions d’utilisation du dispositif joue un rôle important dans la propagation du front. Il en va de même pour celui induit par la charge d’espace présente dans la tête du streamer et ce en accord avec le modèle proposé par Lu et al. [20]. Pour l’alternance positive, le champ électrique induit par la tête du streamer et le champ géométrique sont orientés dans le même sens ; alors que dans le cas de l’alternance négative ces deux champs sont de sens opposés [16]. Il en résulte un champ électrique total plus faible en alternance négative qu’en alternance positive, ainsi que des vitesses de propagation plus faibles pour le streamer négatif.

La Figure 3-16 présente l’évolution de l’émission lumineuse dans le canal en fonction du temps. L’intensité atteint un maximum { 180 ns puis décroit. Bien que la propagation du canal soit stoppée à 450 ns, il est encore visible après 1 µs. Nous observons à nouveau des pics quasi-périodiques sur le profil d’intensité { une fréquence comprise entre 11 MHz à 13 MHz.

Figure 3-16 : évolution temporelle de l'intensité normalisée dans le canal, en fonction du temps, à 2400 V et 2,3 L.min-1_.

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