Une attention particulière est portée à ce type de décharge qui sera le sujet d’une modélisation électrique dans ce travail de thèse.
Les décharges filamentaires font partie des décharges couronnes généralement et facilement créées sous des configurations fortement dissymétriques. Parmi ces configurations, on cite la décharge couronne créée sous une géométrie pointe plan. La décharge dans ce type de configuration est généralement très simple à créer, elle est unique et très économique énergétiquement. Elle semble d’être une base de données pour l’étude des autres types de décharges couronnes créées sous les différentes configurations connues.
37 Pratiquement, lorsqu’un système d’électrodes pointe plan soumis à l’action d’une tension continue positive à pression atmosphérique (tension positive appliquée à la pointe), on peut se trouver dans trois situations différentes selon la valeur de la tension appliquée. Deux situations extrêmes à éviter et une autre intermédiaire très souhaitable en mode d’exploitation.
La première situation extrême est obtenue lorsque la tension appliquée est faible et reste incapable de provoquer l’avancement du streamer où il demeure localisé autour de la pointe. En cette même situation, on peut distinguer deux régimes différents selon la valeur de la tension appliquée toujours [2, 11, 12, 39] :
• Le régime Onset streamer, dû à une tension très faible, ce régime est caractérisé par une zone d’auto-stabilisation de la décharge couronne. Il donne naissance à un courant impulsionnel d’une valeur moyenne de quelques micromètres et d’une fréquence aléatoire. A cause de la déformation du champ électrique affecté par la charge d’espace positive et négative présentent dans l’espace inter-électrode est de tel caractère.
Les avalanches sont alors avortées dès qu’elles dépassent la zone d’auto-entretient de la décharge.
• Le régime glow, dû à une tension moins faible par apport à celle du premier régime qui reste insuffisante pour provoquer le développement des streamers jusqu’à la cathode.
A cause de l’effet de la pointe, le champ électrique n’est plus uniforme le long de l’axe inter-électrodes. La valeur du champ dans l’intervalle pointe-plan est donc très importante au niveau de la pointe par contre elle devienne de plus en plus faible plus en éloignant vers le plan.
Sous ces conditions, il en résulte trois zones distinctes :
- La zone d’ionisation : c’est une zone de forte ionisation située au voisinage de l’électrode active là où le champ électrique géométrique est le plus intense. En outre, dans cette zone on marque une domination du processus d’ionisation avec un coefficient d’ionisation très important.
- La zone de dérive ionique : de son nom, on peut comprendre que dans cette zone dérivent les ions produits dans la premières zone. Le champ électrique géométrique devient faible, donc les processus d’attachement et de recombinaison dominent cette zone. Du point de vue électrique, cette zone est passive mais elle est le siège d’une activité physico-chimique complexe et intense.
Chapitre I Physique des décharges électriques à pression atmosphérique
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- La zone critique : constitue la frontière entre les deux zones précédentes où les deux processus se neutralise entres eux. Visuellement, elle apparait comme une couronne lumineuse qui enveloppe la pointe.
Globalement, le courant continu de la décharge couronne en régime ‘‘glow’’ est le résultat du mouvement des espèces chargées dans l’espace inter-électrodes.
Plusieurs auteurs ont décrit la variation du champ électrique le long de l’axe inter- électrodes, afin de monter la graduation des zones pré-décrites.
A titre d’exemple, dans un espace inter-électrodes pointe parabolique-plan, le champ décroît à partir d’une valeur maximale située au niveau de la pointe parabolique (z=0). Cette variation peut être décrite par l’équation suivante :
(I-20)
Avec : E(z), est le champ électrique (V.m-1), U, est la tension appliquée à la pointe (V),
, est la distance à la pointe sur l’axe pointe-plan (m), r, est le rayon courbure de la pointe (m),
d, est la distance inter-électrode (m).
La figure ci-dessous présente l’enchaînement des différentes zone dans l’espace inter-électrode en régime ‘‘glow’’ dans le cas d’une configuration pointe parabolique-plan.
Figure I-6, [12] : Topographie de la décharge couronne « pointe – plan » en régime ‘‘glow’’.
Pointe
Zone d’ionisation
Zone critique
Zone de dérive ionique
Plan Z=0
39 • Le régime breakdown streamer, ce régime aura lieu quand la tension appliquée dépasse un seuil au-delà d’elle, les avalanches puissent se propager jusqu’à la cathode. A partir de ce seuil, des impulsions de courant s’ajoutent de manière significative au courant continu déjà observé au régime ‘‘glow’’.
En effet, ces impulsions ont une fréquence de répétition beaucoup plus stable et leurs amplitudes sont très importantes par apport à celles enregistrées en régime ‘‘Onset’’ streamer. Ces impulsions caractérisent le régime, ‘‘breakdown’’ streamer.
La Figure I-7, présente une impulsion de courant en régime breakdown streamer extraite de nos expériences dans les conditions opératoires suivantes : tension appliquée 11.5kV, rayon de courbure ρ=25µm, distance inter-électrode d=14 mm, pression atmosphérique, température ambiante.
Figure I-7 : Courant instantané mesuré d’une décharge couronne pointe plan continue positive.
La morphologie d’une impulsion complète, se présente sous forme d’un canal filamentaire ionisé et lumineux s’établit entre la pointe et le plan qui résulte d’un développement intégral des streamers.
Le tableau I-3, résume les données numériques caractéristiques d’un streamer.
-100 0 100 200 300 0 5 10 15 20 25 courant (m A) temps (µs)
Chapitre I Physique des décharges électriques à pression atmosphérique 40 Diamètre de filament Vitesse de propagation Densité électronique en tête de streamer Energie moyenne des électrons Température dans le canal de streamer Amplitude d’impulsion de courant Quelques micromètres environ 20 µm de 105 à 106 m.s-1. 1015-1016 électrons par cm3 De 10 à 15 eV de 300 à 350 K ~10 à ~100 mA
Tableau I-3, [2, 12, 22, 23, 39, 45] : Données numériques des différents paramètres caractérisant un streamer dans le régime breakdown streamer dans une géométrie pointe
plan.
Le développement d’un streamer est accompagné d’une variation significative en champs électrique durant sa propagation. La Figure I-8, présente les résultats de simulations montrant l’évolution du streamer associée à l’évolution du champ électrique dans une décharge pointe plan positive à pression atmosphérique réalisés par notre équipe de recherche.
Figure I-8, [39]: Simulation de développement temporelle d’un streamer et l’évolution de champ électrique accompagnée.
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