Décharges couronnes et streamers

Les décharges couronnes regroupent l'ensemble des décharges générées dans la région de fort champ d'une géométrie inhomogène, généralement de type pointe-plan ou l-cylindre. Beaucoup de décharges sont donc de type couronne. En particulier, en fonction de la tension appliquée, de la distance inter-électrode et de la nature du gaz, les décharges pointe-plan peuvent être [40, 41] :

• un burst, c'est un paquet d'avalanches localisé au voisinage de l'électrode,

• des streamers, qui se propagent dans le gap et atteignent éventuellement la contre-électrode, le courant reste limité de quelques mA à quelques centaines de mA,

et qui représente un état permanent constitué d'une succession de burst qui se superposent [21, 40],

• des arcs entravés pour lesquels l'ajout d'une résistance R très proche de la pointe permet de contrôler le courant et le temps de décharge RC [42, 43],

• des spark, ou étincelles, qui soutiennent de forts courants et sont proches de l'équilibre ther-modynamique.

Notons que certains termes ne font pas référence aux mêmes types de décharges selon les auteurs. Par exemple, le terme glow est aussi utilisé pour caractériser certaines décharges NRP comme dans [44] représentant des décharges initiées par des streamers qui restent hors-équilibre mais qui supportent de forts courants et sont caractérisés par une émission lumineuse très in-tense.

Précisons que ces décharges couronnes peuvent être créées par des tensions continues ou impulsionnelles. Pour les décharges couronnes continues, le risque d'une transition vers une décharge thermique est élevé et il convient de prévoir des systèmes permettant d'éviter cette transition, comme dans le cas de l'arc entravé ou par l'introduction d'un matériau diélectrique dans le cas des décharges à barrière diélectrique que nous verrons ci-dessous. Pour les décharges couronnes pulsées, le courant est limité par la durée de l'impulsion, de la nanoseconde à quelques microsecondes en général. Elles permettent donc d'appliquer de fortes tensions et générer de forts courants en évitant la thermalisation. Grâce à ce principe, les décharges nanosecondes permettent d'appliquer des amplitudes de tension allant jusqu'à 100-200 kV pour des courants de plusieurs centaines d'ampères [45, 46]. En laboratoire, une géométrie des électrodes cou-ramment utilisée est la géométrie pointe-plan. L'étude expérimentale est facilitée par le départ systématique de la décharge depuis la pointe et dans certaines conditions par l'axi-symétrie de la décharge [47, 48]. Cependant, cette géométrie génère des décharges très localisées et les applications industrielles nécessitant des volumes plasma conséquents préfèreront utiliser les géométries multi-pointes ou l-cylindre qui sont plus homogènes et qui permettent de mettre en place un système de renouvellement du gaz plus adapté.

de la pointe, puis créent leur propre charge d'espace et se propagent grâce à elle dans des régions de faible champ externe. Le mécanisme de formation de la charge d'espace et de propagation du streamer positif (pointe au potentiel positif haute tension) sont illustrés par la gure 7 d'après [49].

Initialement, un électron présent dans l'espace inter-électrode, appelé électron germe, est accéléré par un champ électrique appliqué. S'il gagne susamment d'énergie, il peut générer une avalanche électronique par ionisation directe. Dans un champ uniforme l'augmentation du nombre d'électrons est exponentielle : eαx où α est le premier coecient de Townsend et x la la distance de parcourt de l'avalanche depuis l'électron germe. Les électrons se déplacent vers l'anode laissant derrière eux des ions positifs qui créent une distorsion du champ électrique si l'avalanche est susamment importante. Si le nombre d'électrons atteint environ 108, selon le critère de Meek et Rather [50], le champ de la charge d'espace devient du même ordre que le champ géométrique appliquée et un streamer se forme. Cette étape est illustrée par le cas b) de la gure 7. Y sont représentés les ions positifs au niveau de la formation de la première avalanche et les électrons devant la tête de streamer.

Les raisons de la propagation de cette charge d'espace sont encore discutées mais dans tous les cas la propagation d'un streamer positif nécessite la présence d'électrons libres devant la tête du streamer. Il existe toujours une densité homogène d'électrons disponibles qui sont is-sus des phénomènes de photo-ionisation ou de l'ionisation du gaz par des rayons cosmiques ou radioactifs générant une densité de l'ordre de 103− 104 cm⁻³. Les électrons peuvent aussi provenir des décharges précédentes, même à basse fréquence (1 Hz) [51]. Pour certaines études, le gaz est volontairement pré-ionisé par des sources à rayons X ou UV par exemple avant le déclenchement de la décharge [52]. Mais, sans système de pré-ionisation, ces diérentes sources d'électrons sont généralement insusantes pour expliquer la propagation du streamer. Une hy-pothèse est fondée sur le rôle de la photo-ionisation. Au sein de la charge d'espace, outre les ions positifs, il y a également des espèces excités, notamment du diazote. Ces espèces se désexcitent à des longueurs d'onde susamment énergétiques pour ioniser le dioxygène (' 100 nm). Une autre hypothèse est que le champ de charge d'espace est susant pour provoquer de nouvelles avalanches électroniques à son voisinage [48]. Dans les deux cas, ces avalanches laissent derrières elles des ions positifs et viennent neutraliser la tête de streamer, formant le canal de streamer où le champ est faible au centre (c-d). Ces mécanismes de propagation expliquent que le streamer

Figure 7  Tiré de [49]. Sont présentés les mécanismes de développement d'un streamer pri-maire vers un streamer secondaire puis la transition de ce dernier vers une étincelle dans une géométrie pointe-plan (a) Décharge couronne de type glow. (b) et (c) formation et propagation du streamer primaire. (d) formation du canal. (e) et (f) streamer secondaire. (g) et (h) transition vers le streamer secondaire lorsque le streamer secondaire à traversé le gap. Le canal commence à chauer, le gaz se dilate et le champ réduit augmente. Il peut dépasser le seuil d'ionization. De (a) à (h), la partie gauche de la gure représente le champ Laplacien et le champ réduit le long de l'axe et la partie gauche les densitées relatives d'électrons (triangle plein), ions négatifs (triangle creux), d'ions positifs (rond creux). La conductivité du canal est proportionnelle à la densité électronique. Le streamer secondaire a été représenté partant de la pointe, mais il peut également se développer depuis le gap. La graph du dessous représente l'évolution temporelle du courant correspondant à chaque étape dessinée au dessus.

se déplace avec des vitesses très supérieures aux vitesses de déplacement des ions.

Lorsque le streamer joint la cathode (d) le potentiel se redistribue très rapidement le long de l'axe de la décharge, c'est le phénomène du return stroke. Puis, un plateau de fort champ électrique se forme dans la région de la pointe. La formation de ce plateau a été expliquée par Marode et al. dans [24]. Après le return stroke, le courant est constant le long de l'axe et commence à décroitre du fait de l'attachement électronique, avec une constante de temps k. Les variations de densité électronique sont égales à −νne où ν est la fréquence d'attachement et ne la densité électronique. Puisque la dérivée du courant est nulle, il est possible de relier la ν et k selon :