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Comparaison entre alternances positives et négatives

Dépôt de charges

3.5. Comparaison entre alternances positives et négatives

Nous avons vu que l’alternance positive de notre DBD de surface est caractérisé par des pics de courant intenses. Chaque pic de courant est en fait le résultat du départ simultané de plusieurs filaments adjacents et similaires. Nous avons expliqué ceci par un stockage des électrons sur le diélectrique. Qu’en est-il de l’alternance négative ?

3.5.1 Signal de courant

Les intensités des pics de courant positifs varient de 40 mA à plus d’un ampère. Les pics de courant négatifs sont quant à eux bien plus faibles : leur intensité varie du mA jusqu’à quelques dizaines de milliampères seulement. En conséquence l’intervalle de temps séparant deux pics négatifs est bien plus, court, généralement de quelques microsecondes.

Cette différence d’amplitudes peut être expliquée par la configuration de la décharge. Lorsque la tension appliquée est positive, la décharge se produit via les effets collectifs grâce aux électrons adsorbés sur le diélectrique. Pendant l’alternance négative, il n’y a plus de surface de stockage et les premiers électrons sont issus de l’électrode métallique. Ainsi, un pic de courant négatif élémentaire se traduit par un seul site de décharge sur l’électrode (Figure 25).

Figure 25: Pic de courant négatif d’environ 4 mA (a) et la photo du plasma correspondent (b). Porte iCCD : 5

µs.

Le délai très court entre deux pics négatifs rend l’imagerie d’un seul pic assez difficile. La Figure 26 montre une image prise avec une porte de 50 µs, à t = 13,5 ms, donc juste avant le maximum de tension négative.

Figure 26: Image iCCD de la décharge pour Uamax=10kV et t = 13,5 ms. Porte : 50 µs. La forme grise représente

l’électrode métallique.

Une porte de 50 µs correspond à environ une dizaine de pics de courant, hors sur l’image nous ne pouvons voir que 6 sites de décharge. Chaque site consiste en un spot comportant un point lumineux sur l’électrode et une partie plus diffuse s’étalant comme un éventail. Les sites son très séparés autour de l’électrode, et leurs emplacements ne semblent pas corrélés. De plus, certains spots sont plus lumineux ou même plus longs que d’autres. Cela suggère que plusieurs pics de courant pourraient passer par le même spot. Ceci pourrait bien être dû à des imperfections de l’électrode qui renforcent localement le champ.

Les Figure 25 et Figure 26 nous permettent de laisser définitivement de côté l’hypothèse selon laquelle les effets collectifs pourraient être dus à des électrons photo extraits de l’électrode métallique. En effet, si ce processus était valide, on aurait des déclenchements simultanés pendant l’alternance négative aussi. Mais nous voyons pour une électrode négative, un pic de courant correspond à un site individuel. Il est par contre possible que la photoextraction d’électrons intervienne dans les sites plus lumineux que nous voyons sur l’image Figure 26. Dans ce cas, de tels électrons pourraient très bien venir alimenter la décharge.

Ces premières images révèlent plusieurs caractéristiques qui différencient fondamentalement les pics négatifs des pics positifs :

• Un pic négatif = 1 site de décharge • Les sites ne sont pas équivalents

• L’aspect des sites est sensible aux particularités de l’électrode (et donc du champ). Regardons d’un peu plus près l’aspect des deux types de décharge.

a

b

Les deux photos sont prises au maximum de tension appliquée, donc le plasma a atteint son maximum d’extension. Le filament de l’alternance positive fait 6,8 mm de long pour moins d’un millimètre de large, tandis que le spot de l’alternance négative mesure 3,3 mm de long pour 2,5 mm de large. Par ailleurs on voit nettement le point lumineux sur le bord de l’électrode pour le spot. Par contre, la luminosité semble uniforme sur tout le filament. Pour compléter ces constatations, nous avons tracé le profil d’intensité lumineuse aux maxima de tensions appliquées des deux alternances. Le profil est tracé selon la direction perpendiculaire à l’électrode, x = 0 représentant le bord de l’électrode métallique. Le signal a été accumulé sur 10 acquisitions.

Figure 28 : Profil d’intensité lumineuse dans la direction horizontale depuis le bord de l’électrode (x = 0).

Paramètres iCCD : t = 4 et 14 ms, porte = 1 ms, 10 accumulations.

On voit que l’intensité lumineuse pour l’alternance négative est nettement supérieure au bord de l’électrode, comme nous l’avions remarqué sur la photoFigure 27 (b). Cela peut être lié au profil du champ électrique qui est très fort au voisinage de l’électrode et décroît ensuite rapidement. Les résultats obtenus en calculant le champ produit par une électrode ayant un rayon de courbure de 100 µm montrent que le champ est très intense au bord de l’électrode et est divisé de moitié sur une distance de l’ordre du rayon de courbure. D’un autre côté, l’intensité lumineuse de l’alternance positive est beaucoup plus lissée. L’intensité reste uniforme le long de l’axe horizontal, et décroît doucement à l’extrémité de la zone de décharge.

Le profil de l’intensité lumineuse rejoint les premières suppositions apportées par la photoFigure 26 : la décharge de l’alternance négative semble bien plus sensible aux particularités du champ électrique. La Figure 28 confirme une autre remarque importante : la décharge de l’alternance négative est bien plus courte que celle de l’alternance positive, contrairement à certains résultats de la littérature [Pietsch 02].

(a) (b)

l’axe horizontal, depuis le bord de l’électrode. Uamax = 10 kV, iCCD : porte 1 ms, 10

accumulations.

La Figure 29 montre l’évolution des profils d’intensité lumineuse au cours de l’alternance positive (Figure 29 (a)) et négative (Figure 29 (b)). En positif, la zone de plasma s’expand pendant toute la demi-période. Pendant l’alternance négative, l’extension du plasma arrive à saturation en deux millisecondes. Cependant nous avons expliqué dans le paragraphe 3.4 que la longueur des filaments est liée au dépôt des charges sur le diélectrique pendant l’alternance négative précédente. La Figure 29 montre que la zone lumineuse du plasma de l’alternance négative est bien plus réduite que celle de l’alternance positive. Il nous faut donc trouver une explication pour que les électrons de l’alternance négative atteignent les 7 mm requis.

Une première hypothèse se fonde sur l’interaction entre les électrons produits par un spot et ceux qui ont été déposés par les spots précédents. Gibalov et al ont simulé la propagation des électrons d’une telle décharge sur une surface déjà chargée négativement [Gibalov 00]. Ils ont montré que les électrons adsorbés changent le profil du champ électrique au voisinage de la surface et influencent la trajectoire des électrons de la décharge suivante. Ces nouveaux électrons glissent au dessus de la zone pré- chargée puis dévient vers le diélectrique. Ainsi, le dépôt de charges croît étape par étape au cours de l’alternance négative.

Une autre proposition s’apparente aux mécanismes des décharges couronne. Le transport des charges négatives dans la zone non lumineuse de la décharge pourrait être assuré par les ions. Ces ions pourraient ensuite se neutraliser à la surface du diélectrique et donner ainsi un électron adsorbé.