La décharge couronne positive comme source de

La décharge couronne est une décharge hors-équilibre avec une faible densité de

courant. Elle est réalisée à l’aide de deux électrodes fortement dissymétriques, afin

d’obtenir un champ électrique important, plus important que la limite d’ionisation, au

voisinage de l’électrode ayant le plus petit rayon de courbure. Les processus d’ionisation

sont alors initiés dans la région où le champ électrique est le plus intense. Celle-ci

correspond au voisinage de l’électrode à forte courbure où naissent et commencent à se

développer les avalanches. Ces avalanches se transforment en streamers positifs qui se

propagent par photo-ionisation vers la cathode de plus faible courbure.

Pour ces décharges positives, la nature du matériau de l’électrode utilisée intervient

relativement peu dans le processus de décharge. La présence de relief particulier peut par

contre générer des points de champ fort et donc privilégier le départ d’avalanche et la

formation de streamer très localement.

Le dispositif (Figure 1-11) se compose d'une anode (fil, pointe, cylindre) et d’une

cathode (plane ou cylindrique), la source d'alimentation DC est pulsée. Le plasma crée

une couronne lumineuse autour du fil: c'est pourquoi cette décharge s'appelle

''couronne''.

Figure 1-11 Principe de la décharge couronne

On distingue trois types de régimes qui apparaissent dans l'ordre croissant de la tension

appliquée.

On a tout d'abord un régime « burst » à basse tension. Ce régime est caractérisé par de

très faibles pulses de courant d'intensité comprise entre 10

^-8

A et quelques centaines de

µA. Ces pulses s'établissent en environ 20 ns et durent environ quelques centaines de

nanosecondes. Ils correspondent à des éclats de décharges qui ont lieu au voisinage

immédiat de l'électrode à forte courbure. L’établissement de ces éclats de décharge a lieu

par initiation d’une avalanche au voisinage de l’électrode. Les électrons de l’avalanche

se dirigent en se développant vers l’anode. On assiste alors éventuellement à une

transition avalanche/streamer et à l'établissement d’un champ de charge d’espace qui

s’oppose au champ Laplacien. L’action du champ de charge d’espace fait en sorte que le

champ total devient trop faible pour entretenir la décharge ou permettre l'initiation d'une

autre avalanche. On assiste à une déplétion des électrons par attachement avec les

molécules du gaz ou absorption à l’anode. Il reste une charge d’espace positive formée

par les ions positifs produits lors de la phase de décharge. Ces ions vont dériver loin de

l’anode jusqu’à ce que la charge d’espace autour de celle-ci diminue à un niveau où le

champ total devient assez important pour ré-initier un nouvel éclat de décharge. La

fréquence de ces éclats de décharges est typiquement de l’ordre du temps caractéristique

de dérive des ions. De ce fait, la fréquence des pulses augmente avec la tension

appliquée et peut atteindre des valeurs de l'ordre de quelques KHz.

Lorsque l’on continue à augmenter la tension, les avalanches initiées près de l'anode

donnent naissance à des streamers de plus en plus vigoureux. Deux cas de figures

peuvent avoir lieu selon le pouvoir attachant du gaz.

Dans un gaz où l'attachement est faible, les avalanches initiées au voisinage de l’anode

se développent de manière assez importante pour acquérir une charge d’espace

permettant d’induire une onde d’ionisation cathodique. Si la tension reste à un niveau

raisonnable, ces ondes d’ionisation vont se propager vers la cathode et s’éteindre dans

l’espace inter-électrode. La propagation de ces streamers est assurée par les processus de

photo-ionisation dans le gaz. Ceux-ci peuvent conduire à une ramification du streamer

initial qui acquiert une structure tridimensionnelle. La succession des phases d’initiation,

de propagation ramification et d’extinction des micro-décharges de streamers constitue

le cycle élémentaire d’une décharge couronne.

Si maintenant le gaz présente un pouvoir d'attachement important, les avalanches près de

l'anode vont donner lieu à la formation d'un nuage d'ions négatifs qui va induire un

champ de charge d'espace au voisinage de la décharge. Dans cette zone relativement

limitée et comprise entre le nuage d'ions négatifs et l'anode règne un champ fort qui peut

donner lieu, si le gaz est suffisamment attachant à un claquage de type Townsend où le

nuage d'électron négatif joue le rôle de cathode. Les électrons formés par

photo-ionisation dans l'espace compris entre le nuage d'ions négatifs et l'anode vont être

accélérés vers l'anode en induisant une forte ionisation dans cette espace. Les ions

positifs produits par l'ionisation sont accélérés vers les ions négatifs où ils subissent une

neutralisation mutuelle. Le régime de décharge ainsi obtenu est stable, stationnaire et

auto-entretenu.

Si on continue à augmenter la tension, les streamer, générés sont de plus en plus

importants et finissent par atteindre la cathode.La Figure 1-12 présente les différentes

phases du mécanisme de propagation d’un streamer positif.

• Les phases b et c, correspondant à la génération et au passage du streamer

primaire. Durant ces deux phases, le courant croît de façon quasi-linéaire.

• La phase d correspond à la jonction entre les deux électrodes par le streamer,

cette jonction initie alors une décharge luminescente due à la compression du

champ de charge d’espace au voisinage de la cathode et à une chute de potentiel

cathodique. Cette phase correspond à une montée brutale du courant vers son

maximum. Les courants associés à ces streamers sont de l’ordre de quelques

dizaines à quelques centaines de milliampères.

• Les phases e, f et g, correspondent à la traversée du streamer secondaire,

possédant une vitesse beaucoup plus faible (de l’ordre de 100 fois inférieure à

celle du streamer primaire). La courbe de courant présentée en dessous du

mécanisme de propagation nous montre, que ce streamer secondaire n’engendre

pas de modification notable du comportement descendant du courant mesuré. Si

le champ électrique est tel que le coefficient d’ionisation reste inférieur au

coefficient d’attachement, cette accumulation de charge d’espace n’aura pas lieu.

L’attachement majoritaire entraînera alors l’extinction du canal ionisé avant le

début d’un nouveau cycle de décharge. La succession des phases d’initiation, de

propagation-ramification et d’extinction des micro-décharges de streamers

constitue le cycle élémentaire d’une décharge couronne. Les streamers générés

dans une couronne positive permettent d’atteindre des valeurs de champ réduit en

tête de streamer de plusieurs centaines de Td, alors que le champ réduit à

l’intérieur du canal est généralement de l’ordre de 20 Td.

• Tableau 1-7 regroupe les caractéristiques électriques de la décharge couronne.

• Enfin, le dernier régime, correspondant à la dernière phase h, n’intervient que

dans les cas où la tension appliquée est supérieure à la tension de claquage. Les

streamers générés sont de plus en plus importants et finissent par atteindre la

cathode. On déclenche comme décrit précédemment une onde d'ionisation qui se

propage de la cathode vers l'anode afin d'équilibrer le potentiel entre les deux

électrodes. Le champ réduit est supérieur à une valeur critique correspondant à

un coefficient d’ionisation supérieur au coefficient d’attachement. Il se forme

alors une structure filamentaire ayant des caractéristiques similaire à la décharge

continue. Cette phase correspond au passage à l’arc du milieu, l’énergie est

fortement localisée sur un seul conduit et se dissipe sous forme thermique

(températures de plusieurs milliers de degrés) et non chimiques. Durant cette

phase, on peut noter que la croissance du courant est exponentielle, les courants

mesurés typiquement dans de telles situations étant généralement supérieurs d’un

ordre de grandeur à ceux mesurés dans le cas d’un streamer simple.

Tableau 1-7 Caractéristiques physiques de la décharge couronne (Sigmond

1984)

Tension (kV) 1-100

Courant (A) 10

^-10

-10

^-3

Champ électrique (kV.cm

^-1

) 1-10

Champ électrique réduit (Td) 1-200

Densité des électrons (cm

^-3

) 10

¹³

Énergie des électrons (eV) 1-5

Figure 1-12 Mécanisme de propagation d’un streamer positif

(Sigmond 1984)

1.3.5 Conclusions

Deux types de décharges non thermiques à pression atmosphérique sont généralement

utilisés pour développer des procédés de traitement d’effluents contenant des

hydrocarbures. Il s’agit de la décharge couronne et à barrière diélectrique. Nous avons

choisi dans ce travail d’utiliser une décharge couronne positive. Le problème de ce type

de décharges réside dans sa tendance à transiter à l’arc. Pour contourner ce problème,

nous avons opté pour l’utilisation de décharges en régime de tension pulsée. Dans ce cas

le pulse de tension doit être d’une durée inférieure au temps nécessaire à l’échauffement

du filament de décharge, phénomène qui contrôle la transition streamer/étincelle. On

peut remarquer aussi que l’utilisation de barrière diélectrique est également employée

pour éviter la formation de ces arcs.

La section suivante fait l’état de l’art du traitement d’hydrocarbures par décharges

atmosphériques non-thermiques de type couronnes pulsées et à barrière diélectriques.

Dans le document Etude de l' Oxydation de différents types d'hydrocarbures par des procédés utilisant des techniques de déharges électriques non- thermiques à pression atmosphérique: application à la problématique du démarrage à froid (Page 60-65)