Distribution du champ réduit axial mesuré par EFISH

Les mesures précédentes par SEO ont apporté une analyse détaillée de la détermination du champ électrique dans la décharge très transitoire et très haute tension. Néanmoins, la néces-sité d'améliorer la résolution spatiale et temporelle est cruciale. An de palier cela, une autre technique de détermination du champ électrique a été mise en place, la technique EFISH. Cette technique a seulement récemment été appliquée aux plasmas hors-équilibre et la suite de ce travail montrera qu'elle semble très bien adaptée à la mesure du champ dans les décharges d'air à pression atmosphérique très haute tension.

La gure 80 rappelle l'évolution de l'émission lumineuse de la décharge intégrée spectra-lement et temporelspectra-lement pour diérentes tensions avec la voie rapide du générateur (voie 1) ayant un temps de montée de 2 ns. La gure 81 représente le champ électrique axial mesuré par EFISH à 3 mm de la pointe (données tir-à-tir en noir, moyenne en rouge), et le champ Laplacien déduit de la mesure de tension (courbe bleue) pour des amplitudes de 28 à 85 kV . La distribution de champ évolue signicativement avec l'amplitude de tension.

Figure 80  Émission lumineuse de la décharge pour diérentes amplitudes de tension. L'émis-sion est intégrée spectralement et sur toute la durée de l'émisL'émis-sion. Les contours de la pointe sont représentés par un triangle blanc et la position du laser à 3 mm de la pointe par une ligne blanche (gap de 16 mm).

Á 28 kV , le front de champ atteint environ 140 kV/cm, supérieur au champ Laplacien de près d'un ordre de grandeur. L'émission lumineuse indique que la décharge est dans un régime glow car elle se propage puis stagne à 3 mm de la pointe, ce qui correspond à la position du faisceau laser. Le laser sonde donc le front d'ionisation durant toute la durée de la décharge. Par ailleurs, si la décharge s'était propagée au delà du faisceau laser, ce dernier aurait sondé premièrement le front d'ionisation puis le canal plasma de faible champ où l'écrantage est im-portant. Or la chute brutale de champ correspondant au passage du canal de plasma n'est pas observée, l'onde d'ionisation approche donc la position du laser sans le traverser.

L'émis-Figure 81  Mesures EFISH tir-à-tir et moyennes et champ Laplacien pour des tensions de 28, 40, 56, 68 et 85 kV à 3 mm de la pointe (gap de 16 mm).

sion montre que la décharge traverse signicativement le laser qui sonde donc des régions en amont et en aval du front d'ionisation. Avec un champ maximal de 160 kV/cm, la chute de champ qui suit le front d'ionisation vers 1 ns devient très prononcée. Après le passage du front, le champ reste de l'ordre de, ou plus faible, que le champ Laplacien jusqu'à la n de la décharge. Il est de 20 kV/cm à 4 ns, juste après le passage du front puis décroît avec la tension.

Á 56 kV , la décharge se propage jusqu'au plan et de nouvelles structures sont observées. Se propageant plus loin dans le gap, elle devient moins connectée à la pointe que dans le cas du régime glow et la réduction de champ dû à l'écrantage est encore plus prononcé, il atteint à peine quelques kV/cm comme observé dans les streamers classiques. Le champ du front d'io-nisation mesuré à 3 mm atteint 200 kV/cm. Cependant, les variations temporelles de champ sont importantes et le nombre de points de mesure est trop limité pour décrire précisément ces rapides évolutions temporelles de du front de champ. Il n'est donc peut-être pas susamment résolu. Lorsque la décharge atteint le plan, le champ augmente à nouveau très rapidement à 3 mm, ce qui correspond au return stroke durant lequel l'émission d'électrons secondaires à la cathode neutralise les ions positifs restant dans le gap et réorganise la distribution du potentiel. Le champ se stabilise en fonction du potentiel appliqué. Les diérentes étapes du développe-ment de la décharge sont comdéveloppe-mentées en gure 81.

Si la tension augmente encore, l'évolution temporelle de la distribution axiale de champ reste globalement similaire au cas à 56 kV . Comme attendu, la décharge devient plus rapide et l'intervalle de temps entre la détection du canal plasma et la jonction au plan devient plus court. Le return stroke lui-même est également plus rapide. Pour la même raison, le pic de champ du front d'ionisation est aussi plus rapide : à 85 kV , il se propage à environ 2-3 mm/ns dans les premiers instants mais 10 mm/ns en moyenne. Par contre, l'amplitude du champ du front d'ionisation n'évolue pas signicativement, il est estimé entre 180-210 kV/cm à 68-85 kV . Malgré le nombre de points de mesure limité comme discuté précédemment, la répétabilité des expériences à 85 kV et en particulier la valeur du maximum de champ est très bonne, avec une erreur inférieure à 10%.

le return stroke, le champ sur l'axe augmente avec la tension et atteint 20 kV/cm (80 T d) à 85 kV . Ainsi, de très hautes tensions semblent aaiblir l'écrantage et permettre la pénétration du champ dans la région du plasma. De tels champs, proches du champ critique d'ionisation de l'air sont cohérents avec l'émission lumineuse observée dans cette région (gure 80 à 85 kV ). Puis, après le return stroke, le champ sur l'axe augmente avec la tension et est maintenu entre 50 et 20 kV/cm (200 et 80 T d) entre 2 et 8 ns. Ces champs sont susamment élevés pour engendrer une cinétique chimique intéressante. D'autre part, le champ mesuré avant le pas-sage du front d'ionisation est déjà élevé (voir gure 81 à 85 kV ). Cela suggère que l'extension spatiale du champ électrique devant le front d'ionisation devient important à haute tension, i.e. la charge d'espace se développe sur des régions bien plus étendues que pour des streamers classiques. Ces deux observations ont déjà été faites avec les mesures de champ par SEO. Avant de commenter davantage cette comparaison, analysons les résultats des mesures à 6 et 9 mm et 85 kV qui donnent des indications sur la distribution du champ le long de l'axe (voir gure 82).

La vitesse de propagation du champ n'est pas constante, contrairement à la propagation du front lumineux (gure 82). Le champ se propage à environ 2-3 mm/ns dans les premières ns puis accélère. Malgré cette accélération, à une position axiale donnée, la durée du passage du front de champ ne diminue pas mais augmente, suggérant que l'étalement spatial de la charge d'espace devient plus important lors de la propagation. Á 9 mm, le canal de bas champ n'est même plus observé. Est-ce par ce que la décharge se propage si rapidement qu'avec notre ré-solution temporelle (150 ps) il n'a pas été mesuré ? Il est possible qu'à 9 mm, la situation soit la suivante. 9 mm correspond à la distance à mi-gap et la distance à laquelle le front lumineux de la décharge accélère signicativement. Alors, tandis que le champ baisse derrière le maxi-mum de champ qui continue de se propager dans le gap, le front lumineux a déjà atteint le plan et le return stroke remonte progressivement jusqu'à la pointe, en passant par la position à 9 mm. Autrement dit, le return stroke arrive du plan avant que le front de champ se soit susamment propagé pour pouvoir observer le canal de bas champ. Avec une encore meilleure précision temporelle, il serait possible de mesurer le return stroke. Dans tous les cas, la vitesse de propagation de 2 à 3 mm/ns dans les premiers instants est cohérente avec les mesures de champ par SEO et par la simulation. La simulation actuelle n'est en revanche pas capable de

simuler l'accélération et l'élargissement du front de champ. Il pourrait donc y avoir un change-ment de la nature du front de champ lors de la propagation d'une décharge à très haute tension.

Figure 82  Mesures EFISH tir-à-tir et moyennes à 85 kV à 3, 6 et 9 mm de la pointe (gap de 16 mm).

La gure 83 montre les résultats de mesure de champ axial réduit obtenus par SEO à diérents instants et des mesures obtenues par EFISH à 3, 6 et 9 mm. Ces résultats sont remarquablement cohérents. Ils semblent donc conrmer les spécicités de la distribution de champ à haute tension comme le délai du maximum de champ par rapport au front lumineux durant la propagation (le maximum de champ est à 2 mm à 1 ns tandis que le front lumineux est à 10 mm) et l'extension spatiale du champ en avant du front vers la cathode. Cependant, les mesures sont incomplètes dans des régions où les résultats de la méthode par SEO sont dis-cutables, en particulier la région de fort champ derrière le front d'ionisation (entre 0 et 2 mm à 1 ns) car la résolution spatio-temporelle y est limitée.

Un avantage de la méthode par EFISH révélé par cette comparaison est la sensibilité de cette méthode à faible champ, là où la méthode par SEO appliquée aux espèces azotées devient limitée.

Figure 83  Comparaison des résultats obtenus avec les méthodes SEO et EFISH à 85 kV . Á 0.5 ns, les mesures EFISH à 3 et 9 mm sont dicilement visibles car elles se superposent aux mesures à 3 et 4 ns respectivement.