Un problème récurrent des décharges à tension continue dans l’air à pression
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d’espace qui peuvent conduire à des arcs électriques potentiellement dangereux pour le
matériel. Pour limiter leur apparition, une solution consiste à déposer au moins un diélectrique solide entre les deux électrodes, c’est la Décharge à Barrière Diélectrique (ou DBD ; figure I– 46).
Figure I-46 : Configuration classique d'une DBD volumique.
Lorsqu’une tension suffisamment élevée est appliquée entre les électrodes, le claquage du gaz conduit à la formation d’un canal conducteur, c’est-à-dire à une micro-décharge (figure I–
47 (a)). Le schéma électrique équivalent à cette micro-décharge est représenté en figure I–47 (d). Le diélectrique se comporte alors comme l’isolant d’un condensateur Cd, dont les armatures sont d’un côté la décharge et de l’autre l’électrode. Va est la tension appliquée à l’ensemble de la cellule, Vg celle aux bornes du gaz et Vd celle aux bornes du diélectrique.
Une accumulation de charge sur la surface du diélectrique en vis-à-vis du canal de décharge est induite par le passage du courant, se traduisant par une augmentation de la tension Vd. Si l’augmentation de cette tension pendant le développement de la décharge est supérieure à celle de la tension Va, elle cause une diminution de la tension Vg appliquée sur le gaz, conduisant ainsi à l’extinction de la décharge. Ainsi, la micro-décharge est stoppée bien avant d’avoir atteint le seuil d’apparition d’arc électrique. Tant que la tension appliquée
augmente, des micro-décharges s’amorcent à de nouvelles positions car la présence de charges résiduelles sur le diélectrique diminue localement le champ électrique appliqué sur le gaz (figure I–47 (b)).
Au changement de polarité (tension alternative ; figure I–47 (c)), les charges alors déposées sur la surface du diélectrique favorisent un claquage du gaz sous un champ plus faible.
Le diélectrique sert à limiter le courant transitant dans le canal afin que la décharge ne devienne pas un arc comme cela peut arriver entre deux électrodes métalliques à pression atmosphérique. Le diélectrique tend également à favoriser une répartition uniforme des micro- décharges sur toute sa surface [159].
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(a) (b)
(c) (d)
Figure I-47 : Principe de fonctionnement d'une DBD. (a) Etablissement d’une première micro-décharge ; (b) Extinction de la première micro-décharge et amorçage d’une nouvelle ; (c) Changement de polarité appliquée
aux électrodes ; (d) Schéma électrique équivalent à une micro-décharge.
(a) (b)
(c) (d)
Figure I-48 : Différentes configurations de DBD volumiques. (a) Double barrière diélectrique ; (b) Coaxiale ; (c) Simple barrière sans contact ; (d) Fil-cylindre.
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Outre la configuration classique présentée en figure I–46, de nombreuses configurations de DBD existent et sont largement utilisées. En effet, le terme de DBD regroupe toutes les configurations de cellule de décharge pour lesquelles un courant transite entre deux électrodes
métalliques séparées par un gaz et par au moins une couche d’un matériau isolant. Selon l’application visée, deux couches isolantes peuvent être utilisées. Les configurations des
électrodes coplanaires et cylindrique typiques sont illustrées sur la figure I–48.
La physique des DBD fait toujours l’objet de nombreux travaux de recherche. Ainsi, les
régimes de décharges observés à pression atmosphérique sont principalement le régime filamentaire (de type streamer) ou le régime homogène. Ces régimes dépendent des
configurations géométriques, des gaz ou encore du type d’excitation électrique. Les
photographies de la figure I–49 montrent différents régimes de décharge dans différent gaz à pression atmosphérique créés dans l’espace inter-électrode d’une DBD volumique en configuration plan – plan avec une excitation AC. Certaines études ont démontré que l’espace inter-électrode ainsi que le matériau du diélectrique constituent des facteurs importants, influençant la transition des deux principaux régimes de décharge sous excitation impulsionnelle [160], [161].
(a) (b) (c)
Figure I-49 : Différents régimes de DBD de volume à pression atmosphérique. (a) Régime filamentaire de type streamer [162] ; (b) Régime homogène de type Glow [ 163] ; (c) Régime homogène de type Townsend [163] .
Une décharge filamentaire est, par définition, composée d’une multitude de filaments, initiés par un claquage de type streamer (figure I–49 (a)). Ce régime est caractérisé par
l’apparition d’une multitude de streamers se développant indépendamment les uns des autres
et conduisant à la formations de micro-décharges.
Figure I-50 : Formes d'ondes électriques d'une décharge filamentaire sous excitation AC sinusoïdale à 10 kHz [165] .
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Chacune de ces décharges induit une impulsion de courant d’une durée moyenne de
quelques dizaines de nanosecondes en AC (figure I–50). Comme les micro-décharges se développent indépendamment, le courant est constitué d’une multitude d’impulsions. Ces
paquets d’impulsions de courant s’ajoutent à une composante de courant capacitive due à la
structure de la décharge et au montage électrique dans son ensemble [164].
En ce qui concerne le régime de décharge homogène, il peut être de type Glow (luminescent) ou de type Townsend.
DBD homogène de type Glow :
Dès 1969, Bartnikas observait, dans une DBD dans l’hélium, un régime différent du régime filamentaire classique [166]. Plus récemment, Okazaki et al. montrèrent l’existence d’un régime homogène à la pression atmosphérique, qu’ils appelèrent « luminescent » [167-
169]. Elle se caractérise, en AC, par un seul pic de courant par demi-période. Ceci suggère un développement unique de la décharge dans tout l'espace inter-électrodes (figure I–49 (b)).
La caractéristique courant – tension d’une décharge luminescente (figure I–51), comme
celle obtenue dans l’hélium, permet de mettre en évidence qu’une fois la décharge amorcée, la
tension appliquée sur le gaz diminue alors que le courant continue à augmenter.
Figure I-51 : Forme d'onde électrique d'une décharge homogène de type Glow à 10 kHz [170] . DBD homogène de type Townsend :
Des travaux similaires à ceux d’Okazaki furent réalisés par Roth et al. [171], [172], ainsi que par Massines et al. [173], [174] montrant l’existence d’un régime homogène à la pression
atmosphérique, qu’ils appelèrent « Townsend DBD » [175]. La décharge de type Townsend
(figure I–49 (c)) est aussi caractérisée par un seul pic d’intensité par demi-période en AC mais celui-ci est plus étendu (figure I–52). De plus, la tension dans le gaz reste sensiblement constante durant toute la phase de la décharge.
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Figure I-52 : Formes d’ondes électriques d’une décharge homogène de type Townsend [170].