Diagnostics électriques

Des mesures électriques de la décharge ont été réalisées par le relevé de la tension à ses bornes, ainsi que par le courant qui la traverse. A partir de ces mesures, la puissance délivrée et l’énergie déposée dans le plasma peuvent être déterminées. Cette partie présente le matériel ainsi que les méthodes utilisées pour mesurer ces grandeurs. La Figure 23 présente le schéma simplifié du montage utilisé lors de la mesure du courant et de la tension de la décharge.

Chapitre 2 - Dispositif expérimental, diagnostics et méthodes

42

Figure 23 : Schéma du dispositif expérimental pour effectuer les mesures électriques.

3.1.1. Oscilloscope

L’oscilloscope utilisé (Tektronix, TDS7254 Digital Phosphor) a une bande passante de 2.5 GHz et une fréquence d’échantillonnage maximale de 20 GS.s-1_{. Il possède quatre}

voies d’entrées dont les impédances sont toutes de 50 Ω. Deux de ces voies sont utilisées pour mesurer la tension et le courant.

3.1.2. Sonde de tension

La sonde haute tension (Tektronix P6015A) peut mesurer des tensions allant jusqu’à 20 kV en valeur efficace. Sa bande passante est de 75 MHz, sa capacité est de 3 pF et elle possède un coefficient d’atténuation de 1000. Un adaptateur (Tektronix, TCA- 1MEG) ayant une bande passante de 500 MHz, permet d’adapter l’impédance d’entrée d’une voie de l’oscilloscope pour l’élever à 1 MΩ, comme la sonde de tension le requiert. En plus de modifier l’impédance de la sonde de tension, il atténue d’un facteur 10 le signal observé à l’oscilloscope. Il est donc nécessaire de multiplier par 10000 le signal de tension mesuré à l’oscilloscope.

Cette sonde est branchée en parallèle de la décharge, entre l’électrode haute tension et l’électrode de masse de la source. La Figure 24 présente une mesure de tension de la décharge sur deux périodes et en zoomant sur le front montant de l’impulsion, avec la source asymétrique lorsque le plasma est allumé.

Chapitre 2 - Dispositif expérimental, diagnostics et méthodes

43

Figure 24 : Signal de tension mesuré aux bornes de la décharge pour une tension de 6 kV et une durée d’impulsion de 2.5 µs quand le plasma est allumé (source asymétrique) : a) sur deux périodes, b) zoom sur le front montant de l’impulsion.

3.1.3. Sonde de courant

La sonde de courant (Pearson Electronics, modèle 6585) fonctionne selon le principe de l’enroulement de Rogowski. Elle entoure le câble provenant du générateur fournissant la haute tension connectée à l’anode de la source, induisant une tension proportionnelle à la dérivée du courant. Un circuit d’intégration permet de fournir un signal de tension proportionnel au courant (gain de 1 volt par ampère). La plage de fréquence d’utilisation de cette sonde est comprise entre 400 Hz et 200 MHz environ. Elle peut mesurer un courant efficace allant jusqu’à 10 A et son impédance d’entrée est de 50 Ω. Un atténuateur, identique à celui utilisé pour la sonde de tension, est utilisé pour diminuer d’un facteur 10 le signal de courant afin qu’il puisse s’afficher dans son intégralité à l’oscilloscope. La Figure 25 présente une mesure de courant de la décharge sur deux périodes et en zoomant sur le front montant de l’impulsion, avec la source asymétrique lorsque le plasma est allumé.

Figure 25 : Signal de courant mesuré aux bornes de la décharge pour une tension de 6 kV et une durée d’impulsion de 2.5 µs (source asymétrique) : a) sur deux périodes, b)

Chapitre 2 - Dispositif expérimental, diagnostics et méthodes

44

3.1.4. Mesure de l’énergie déposée dans la décharge

Les signaux issus des sondes de tension et de courant permettent de calculer l’énergie déposée dans la décharge. Or, à cause des délais que provoquent les sondes (temps de réponse des sondes et longueurs des câbles différentes), un décalage de plusieurs nanosecondes apparaît entre le signal de la tension et le signal du courant. La Figure 26 montre le décalage qu’il y a entre ces deux signaux.

La tension devance temporellement le signal de courant de plusieurs nanosecondes. On ne peut donc pas calculer la puissance ou l’énergie déposée tant que ce décalage existe. C’est pourquoi nous avons utilisé une méthode expérimentale capable de déterminer avec précision la valeur de ce délai. Tout d’abord, des mesures de la tension et du courant sont effectuées à 6 kV sans l’ajout du gaz plasmagène (le plasma ne s’allume donc pas).

Figure 26 : Décalage entre les signaux de tension et de courant pour une tension de 6 kV et une durée d’impulsion de 2.5 µs (source asymétrique).

L’air dans la source agira donc comme un condensateur de capacité . Ainsi la relation entre le courant et la tension peut s’écrire :

!" # _$%

! # (12)

Où le courant est noté , la tension est notée " & , et $' le délai entre (base de temps du courant) et # (base de temps de la tension). Le but est de décaler la dérivée temporelle du signal de tension par rapport à celui du courant de manière à superposer au mieux les premières oscillations. La Figure 27 représente le décalage temporel entre la dérivée temporelle du signal de tension et le signal de courant. Le décalage temporel est ici égal à 8 ns, ce qui n’est pas négligeable sachant que le temps de montée de l’impulsion est lui aussi égal à 8 ns.

Chapitre 2 - Dispositif expérimental, diagnostics et méthodes

45 A ce stade nous ne pouvons pas directement déduire l’énergie déposée dans la décharge car le courant mesuré, ou courant total, est la somme du courant de décharge et du courant capacitif. Le courant de décharge s’obtient en soustrayant le courant capacitif (mesuré lorsque le plasma est éteint, dans notre cas quand le gaz rare ne s’écoule plus dans la source) au courant total (mesuré lorsque le plasma est allumé). Ainsi, après avoir décalé manuellement le signal de tension par rapport au signal de courant et mesuré le courant de décharge, nous pouvons calculer la puissance instantanée en multipliant la tension avec le courant de décharge. L’intégration de cette puissance par rapport au temps permet d’obtenir l’énergie déposée dans la décharge comme le montre la Figure 28.

Figure 27 : Mesure du décalage temporel ∆ entre le courant i(t) et la dérivée de la tension pour une tension de 6 kV et une durée d’impulsion de 2.5 µs. Le plasma n’est

pas allumé (source asymétrique).

Après le front montant de l’impulsion, l’énergie déposée dans le plasma généré dans la source asymétrique pour une tension de 6 kV et une durée d’impulsion de 2.5 µs est de 0.52 mJ environ. La mesure de l’énergie déposée au niveau du front descendant est similaire à celle du front descendant, comme elle est de 0.57 mJ environ. Ainsi, l’énergie totale déposée dans le plasma de la source asymétrique après chaque impulsion est d’environ 1.09 mJ. La puissance moyenne de la décharge est également calculée par la multiplication de cette énergie déposée avec la fréquence de répétition de l’impulsion (20 kHz). Dans ces conditions, la puissance moyenne de la décharge est de 21.8 W.

Chapitre 2 - Dispositif expérimental, diagnostics et méthodes

46

Figure 28 : Energie obtenue après le front montant de l’impulsion, suite au décalage du signal de tension par rapport au signal de courant de 8 ns, pour une tension de 6 kV et

une durée d’impulsion de 2.5 µs (source asymétrique).

A titre de comparaison, l’énergie déposée dans la source symétrique est de 0.52 mJ lors du front montant, et de 0.44 mJ lors du front montant (total = 0.96 mJ). Dans ce cas, la puissance moyenne de la décharge est de 19.2 W.