5.3 Mesures électriques
5.3.2 Caractéristiques électriques en fonction de la pression
Les mesures électriques de la décharge mono filamentaire à barrières diélectriques ont été réalisées dans une gamme de pression de krypton de 100 à 500 Torr et dans une gamme de fréquence de l’alimentation sinusoïdale f comprise entre de 10 à 50 kHz pour une dis- tance inter électrodes d = 2 mm. Pour différentes fréquences, les formes des signaux corres- pondant aux tensions usupet aux courants isupmesurés, ainsi qu’aux grandeurs électriques
calculées udis, udie, icell, idis et igap, restent similaires dans nos conditions expérimentales.
Ils différent seulement par les caractéristiques de l’impulsion de courant (amplitude, temps de montée et de descente, largeur temporelle), par les tensions d’amorçage et d’extinction et par l’amplitude des courants de déplacement.
5.3.2.1 Résultats électriques à pKr = 200 Torr
Comme le montrent les figures 5.3 et 5.5 montrant les signaux mesurés et calculés sur une période, la tension d’alimentation ucell est quasi sinusoïdale et le courant isuppossède
deux composantes : un courant de déplacement sinusoïdal de très faible amplitude et un courant impulsionnel d’amplitude beaucoup plus élevée et de temps de montée très court comme l’atteste la figure 5.6. Les signaux correspondant aux intensitésicell et icell sont
Figure 5.5 – Signaux électriques calculés, usup, udis, udie et icell sur une période. pKr = 200 Torr, f = 10 kHz, d = 2 mm, Ucellmax = 1, 59 kV [Jab08a].
Figure 5.6 – Signaux électriques calculés, ucell,udis, udie and icell durant l’allumage de la décharge. pKr = 200 Torr, f = 10 kHz, d = 2 mm, Ucellmax = 1, 59 kV [Jab08a].
iCp est faible [Liu01]. Cependant, afin de déterminer correctement le courant icell, il est
indispensable dans le traitement des données expérimentales, de soustraire le courant iCp
au courant isup. Cela a pour conséquence une meilleure estimation des paramètres de la
décharge, notamment la durée tf ull de celle-ci et la puissance électrique injectée dans la
décharge.
L’origine des temps est choisie à l’instant où ucell devient positive. A cet instant (t =
0 µs), la tension udie est négative. Cela est dû à l’accumulation de charges négatives sur
la surface du diélectrique durant la décharge précédente, lors de l’alternance négative. La différence de potentiel initiale aux extrémités de la décharge udis s’écrit donc :
udis(0) = U0 = −
qdie(0)
Cdie
(5.19) La tension d’alimentation ucell étant positive pendant la première alternance, la diffé-
rence de potentiel entre les électrodes udis augmente jusqu’à ce que le champ électrique
axial régnant dans l’espace inter électrodes soit suffisant pour déclencher une avalanche électronique au temps tB d’amorçage de la décharge. Pour 0 ≤ t < tB, la cellule est
équivalente à deux condensateurs Cdie et Cgap en série. On a donc :
udis(t) = Cdie Cgap+ Cdie ucell(t) + U0 (5.20)
Dans le cas présenté par la figure 5.5 qui correspond à une décharge mono-filamentaire à la pression pKr = 200 Torr, on a :
Cdie
Cgap+ Cdie
= 0, 8 (5.21) U0 = 930 V (5.22)
A cette pression, l’amorçage de la décharge se produit quand la différence de potentiel entre l’espace inter électrode atteint la tension d’amorçage VB = 1630 V qui correspond
à un champ réduit (E/N) de 126 Td (1 Td = 10−17V.cm2). Pendant la phase de dé-
charge, la tension udis décroît rapidement en raison de l’accumulation des charges sur les
diélectriques. La décharge s’éteint quand la tension inter électrodes chute en dessous de la tension d’extinction VE = 230 V au temps t = tE. A ce moment, la conductivité du
plasma est réduite principalement à cause de l’accumulation des ions et des électrons à la surface des diélectriques. L’étude cinétique des émissions VUV de la décharge mono fila- mentaire dans le krypton montre que les réactions électroniques ne sont plus observables 80 ns après l’amorçage de la décharge. Le gaz n’est donc quasiment plus ionisé quelques dizaines de nanosecondes après la formation de la première avalanche électronique. La tension udis décroît régulièrement et le courant idis devient supérieur au courant icell en
raison du signe négatif du courant igap. Le maximum du courant de décharge idisM ax est
plus élevé de 25% par rapport à l’amplitude du courant icell en raison des valeurs des
capacités Cgapet Cdie. A l’extinction de la décharge, le champ électrique réduit est faible,
de l’ordre de 18 Td.
La puissance instantanée injectée dans la décharge pdis et la puissance instantanée
fournie par l’alimentation psup peuvent être évaluées par les expressions :
pdis = idis.udis (5.23)
f = 10 kHz 100 Torr 200 Torr 400 Torr 500 Torr VB (kV) 0, 92 1, 63 3, 34 3, 64 VE (kV) 0, 10 0, 23 0, 63 0, 82 IM (mA) 2, 6 3, 5 35 74 tr (ns) 39 55 21 22 tf (ns) 382 331 56 7, 8 tf ull (ns) 445 445 88 38 hpdisi (mW) 5, 5 16 68 78 Edis(J) 0, 3 0, 8 3, 4 3, 9 ∆Qdis (nC) 0, 6 0, 86 1, 7 1, 8
Table 5.1 – Caractéristiques électriques de la micro-décharge à barrières diélectriques à différentes pressions et f = 10 kHz.
et les puissances moyennes sont obtenues par le calcul de la moyenne sur une période T = f1 : hpdisi = 1 T Z T 0 idis.udisdt (5.25) hpsupi = 1 T Z T 0 isup.ucelldt (5.26)
L’énergie Edis et la charge ∆Qdis injectée dans un seul filament ont pour expression :
Edis =
Z T /2
0
idis.udisdt = hPdisi
2f (5.27) ∆Qdis =
Z T /2
0
idisdt (5.28)
5.3.2.2 Influence de la pression et de la fréquence
Les valeurs de VB, VE, IM : amplitude de idis, son temps de montée tr, son temps
de descente tf, sa largeur à 10% du maximum, tf ull, Pdis, Edis and δQdis sont données
dans les tableaux 5.1 et 5.2 pour différentes pressions pKr à f = 10 kHz et à différentes
fréquences f pour une pression pKr = 500 Torr.
Pour l’ensemble des mesures effectuées à pressions variables, le produit p × d de la pression de krypton par la distance inter électrodes est supérieure à 40 Torr.cm. Pour ces valeurs le claquage normalement observé est de type filamentaire [Has04, Eli91]. Ce n’est que pour des valeurs de quelques Torr.cm qu’un claquage de type Townsend est obtenu. Les observations effectuées à différentes pressions confirment la présence d’un filament ce qui tend à montrer que le mécanisme de claquage du gaz est de type streamer. La tension d’amorçage VB augmente avec la pression à la fréquence f = 10 kHz. Le claquage
du gaz est rendu plus difficile à pression élevée. Aussi la décharge évolue à haute pression avec une charge d’espace plus importante et dont la densité électronique est elle aussi
pKr = 500 Torr 10 kHz 20 kHz 30 kHz 40 kHz 50 kHz VB (kV) 3, 64 3, 67 3, 22 3, 28 1, 83 VE (kV) 0, 82 0, 91 0, 29 1, 1 0, 55 IM (mA) 74 91 14 7, 6 1, 7 tr (ns) 22 18 143 256 734 tf (ns) 7, 8 6, 7 101 170 770 tf ull (ns) 38 31 270 450 1600 hpdisi (mW) 78 158 196 284 158 Edis(J) 3, 9 3, 9 3, 3 3, 5 1, 6 ∆Qdis (nC) 1, 8 1, 7 1, 9 1, 6 1, 4
Table 5.2 – Caractéristiques électriques de la micro-décharge à barrières diélectriques à différentes fréquences f et à pKr = 500 Torr.
plus élevée. Il est donc logique d’observer, à haute pression, une diminution de temps de montée et de la largeur temporelle de l’impulsion du courant de décharge .
L’effet mémoire d’une micro-décharge à la suivante qui se traduit par une accumulation de charges sur la surface des électrodes est plus sensible à haute fréquence. Aussi la charge d’espace créée lors de la micro décharge est plus faible lorsque la fréquence augmente. Par conséquent, à haute fréquence on observe une augmentation du temps de montée et de la largeur temporelle de l’impulsion du courant de décharge.
A f = 50 kHz, l’amorçage de la décharge est difficile à obtenir, et le régime de décharge peut ne pas être filamentaire. Pour des fréquences inférieures, l’énergie et la charge injectée dans la décharge sont peu dépendantes de la fréquence. Cette constatation a aussi été effectuée dans le xénon [Mer07, Sto95].