Dans le cas de la géométrie (a), le point S correspond à l’intersection des branches du capillaire circulaire et du capillaire rectiligne de sortie du gaz.
Dans le cas de la géométrie (b), le point S correspond au point situé dans la branche de droite, au niveau du point E. La sortie du gaz s’effectue aux points D1 et D2, sièges d’une seconde division de PAPS.
3 Division de PAPS
À l’aide des dispositifs expérimentaux à géométrie en T ou pyramidale décrits précédemment, la division d’un PAPS en 2 PAPS est rendue possible. L’étude de la division des PAPS s’est cen-trée sur la propagation des PAPS pendant la division et après la division.
3.1 Cas de la géométrie en T
La figure IV.12 présente la propagation d’un PAPS homogène à l’intérieur d’un capillaire à géométrie en T (cf. figure IV.7). Au cours des premières200 ns, le PAPS se propage en direction de l’embranchement, tout en passant du mode Wall-hugging(t=25 ns) au mode Homogène (t= 135 ns). Au passage de l’intersection (t=195 ns), une « augmentation » du volume est observée, en même temps que le début de la division. Àt=215 ns, le PAPS a terminé sa division et chacun des fronts d’ionisation créés va se propager dans deux directions opposées. À la suite de cette division, deux PAPS distincts avec des volumes égaux se propagent à l’intérieur du capillaire (PAPS-I).
25 ns 135 ns 195 ns 215 ns 235 ns
255 ns 295 ns 335 ns 375 ns 415 ns
Figure IV.12 – Imagerie ICCD de la propagation d’un PAPS homogène à l’intérieur d’un capil-laire à géométrie en T. Les traits blancs en pointillés définissent les contours du capilcapil-laire. Temps d’exposition : 5 ns, débit néon :200 sccm, tension appliquée : −25 kV.
À la suite de la division d’un PAPS, deux PAPS se propagent dans le capillaire. Ces PAPS présentent un volume, une vitesse et une intensité lumineuse équivalents. De plus, le pic de cou-rant mesuré au passage de chacun de ces PAPS est égal à la moitié de celui du PAPS incident.
Toutes ces données suggèrent qu’à la suite d’une division de PAPS, deux PAPS équivalents vont se propager chacun dans l’une des branches du capillaire. De ce fait, la propagation des PAPS dans des géométries plus complexes, type structure pyramidale, devrait permettre la génération de plusieurs PAPS symétriques, comme illustré en figure IV.8.
3.2 Multi-division de PAPS
La propagation d’un PAPS dans une structure à géométrie pyramidale est présentée dans la figure IV.13. Le PAPS incident va se diviser à chaque embranchement et les PAPS résultants vont se propager à l’intérieur des divers capillaires de la structure. À l’aide d’une telle géométrie, il est possible de créer un « peigne » de jets de plasma.
A
B C
D E F G
780 ns 680 ns
580 ns
280 ns 300 ns 380 ns 640 ns
250 ns
125 ns 175 ns 210 ns 270 ns
A A A A A
B B B B B B B
Figure IV.13 – Imagerie ICCD de la propagation d’un PAPS au sein d’une structure à géomé-trie pyramidale. La ligne supérieure décrit la division survenue aux points A, B et C. La ligne inférieure décrit la propagation des PAPS issus de la division au point B. Ces PAPS vont par la suite se diviser de nouveau aux points D et E. Temps d’exposition : 5 ns, débit néon :100 sccm, tension appliquée : −25 kV.
En entrée de structure, notée A, le PAPS incident est en mode Wall-hugging et se divise (t= 125 ns). À la suite de cette division, deux Wh-PAPS se propagent dans l’une des branches du capillaire (t = 175 ns). Les directions de propagation de ces deux PAPS sont opposées. En effet, le PAPS de gauche se dirige en direction du point noté B sur le schéma, tandis que le PAPS de droite se propage en direction du point C. Ces deux PAPS se propagent à la même vitesse et arrivent au point de la 2ndedivision, les points B et C respectivement, à t = 270 ns.
Par conséquent, la division observée au point A a abouti à deux PAPS symétriques.
La division étant symétrique, l’étude des PAPS issus des secondes divisions (points B et C) sera limitée à la partie gauche de la structure, c’est-à-dire les points notés B, D et E sur le schéma de la figure IV.13. La division au point B a lieu au temps t=270 ns, mais est différente de celle observée au temps t = 125 ns (point A). Lorsque la division est symétrique, deux volumes de plasmas équivalents sont observés, cependant la division observée aux temps t = 270 et 280 ns conduit à la génération de deux plasmas secondaires de volumes différents. Le PAPS se propa-geant vers la gauche a un volume plus important que celui se propapropa-geant vers la droite. Outre cette différence de volume plasma, les deux PAPS issus du point B ne se propagent pas à la même vitesse. Le PAPS de gauche atteint le point D en 100 ns, tandis que le PAPS de droite atteint le point E en360 ns. Cette division asymétrique est par la suite de nouveau observée aux points D (t=380 ns) et E (t =680 ns).
Lors d’une division symétrique, les volumes plasma et les vitesses de propagation des deux
3. DIVISION DE PAPS
PAPS résultants sont équivalents. Cependant, dans le cas d’une division asymétrique, l’un des PAPS résultant se propagera plus vite et aura un volume plasma plus important que le second PAPS. Lors de la division observée aux points B et C (t=270 ns), on remarque que les PAPS se propageant en direction du centre de la structure ont un volume plasma inférieur à celui des PAPS se propageant en direction des extrémités de la structure. Par conséquent, nous sommes en droit de supposer que la proximité des deux fronts d’ionisation va influer sur la division des PAPS et aboutir à la génération de deux PAPS asymétriques. Lorsque les PAPS sont respectivement aux points B et C, ils sont espacés de 65 mm. À l’issue de cette division, les deux PAPS se propagent dans leur capillaire respectif. Le PAPS se propageant en direction du centre de la structure (PAPS de droite à t=300 ns) fait face au PAPS issu du point C, et leur distance minimale d’approche sera de 35 mm. Cette proximité va également influer sur la vitesse de propagation des PAPS.
Au tempst =380 ns, on observe une troisième division, au point C, mais aucun PAPS n’est observable au point E. Dans la branche BE, le PAPS issu de B n’a parcouru que la moitié de la distance, la distance le séparant de E est de40 mm. Malgré cette distance, une influence mutuelle est observée et cause une asymétrie, visible au temps t =380 nspar exemple.
La propagation de PAPS au sein d’une structure pyramidale va aboutir à la formation de plusieurs PAPS équivalents ou non. La symétrie des PAPS sera obtenue à condition que les capil-laires soient espacés d’une distance minimale. Cette distance minimale pouvant être interprétée comme étant la distance à laquelle le champ électrique développé par le front d’ionisation n’in-teragit plus avec les PAPS alentours. Dans ces conditions, la production d’un multi-jet homogène peut alors être obtenue.
3.3 Expansion du volume plasma
Lors de la division induite par un capillaire à géométrie en T, le volume de plasma initial augmente au passage du T, pour ensuite donner « naissance » à deux volumes de plasma équi-valents (cf. figure IV.12). Plus précisément cette augmentation de volume plasma correspond à une expansion du plasma au sein du capillaire. Cette expansion du volume plasma s’effectuant dans un milieu sous flux de gaz, ici du néon, le plasma se propage dans toutes les directions, de sorte à obtenir un plasma de forme sphérique, comme observé en figure IV.14(a).
Au tempst =185 ns, le PAPS incident a commencé sa division. L’extrémité visible du front d’ionisation est avancée au sein de la jonction, tandis que le plasma lui faisant suite tend à rester homogène dans tout le volume. À mesure que le front d’ionisation avance, un élargissement du plasma est observé, ce dernier n’est plus confiné par les parois du capillaire au sein même de la jonction. Cette expansion est notamment visible aux temps t = 195 et 205 ns. Suite à cette expansion, le front d’ionisation vient au contact de la paroi du capillaire, le plasma occupe alors tout le volume disponible à l’intérieur de la jonction. Au temps t = 215 ns, les deux PAPS secondaires sont identifiables et sont observés à équidistance de l’axe du capillaire. La division est donc symétrique. Au cours de cette division, l’influence des parois du capillaire n’est pas négligeable. En effet, dès205 ns, une surbrillance est observée le long des parois. Cette surbrillance est visible au cours de la division du PAPS. Chacun des PAPS induits après division présentent un maximum d’intensité lumineuse le long de la paroi du capillaire. Au cours de leur propagation, les PAPS s’homogénéisent et le maximum d’intensité lumineuse est observé sur la paroi opposée (t=245 ns). Ce changement de paroi a été observé lors de la modélisation de la division de PAPS [144] et est lié, entre autres, à la géométrie du capillaire.
215 ns 235 ns
195 ns 205 ns 225 ns
185 ns 245 ns
(a) Division d’un H-PAPS
50 ns 55 ns 60 ns 70 ns
(b) Division d’unWh- PAPS.
Figure IV.14 – Imagerie ICCD sur l’expansion d’un PAPS. Temps d’exposition : 5 ns, débit néon : 200 sccm, tension appliquée : −30 kV.
Lors de la division d’un PAPS en modeWall-hugging, comme décrit en figure IV.14(b), une expansion du plasma au sein de la jonction est observable. Malgré l’inhomogénéité des Wh-PAPS, ces derniers tendent à occuper la jonction de manière homogène. Dès lors que le plasma vient en contact de la paroi opposée, t =55 ns, les deux PAPS sont visibles et sont à équidistance de l’axe du capillaire. À l’instar des H-PAPS, la présence de la paroi va induire une surbrillance qui au cours de la propagation des PAPS va être observée sur la paroi opposée. Au tempst =60 ns, le front d’ionisation présente un maximum d’intensité lumineuse sur la paroi droite du capillaire.
L’expansion du PAPS est également visible pour un élargissement de capillaire, sans nécessité d’un embranchement (voir chapitre III). Cependant, dans le cas d’une zone élargie progressive-ment, le volume du PAPS augmente progressivement puisqu’il est confiné dans le capillaire. Dans le cas d’une intersection, l’élargissement étant « brutal », le PAPS observé peut être directement comparé au jet de plasma obtenu par Zhu et al.[143], décrite dans le chapitre I (figure I.23).
L’expansion du plasma suivie par une division symétrique du volume plasma a été observée pour les deux modes de propagation. De plus, la présence de la paroi du capillaire va avoir une influence sur cette division, comme ce fut observé dans le cas de la propagation dans un coude (cf. chapitre III). La paroi du capillaire couplée au champ électrique développé en front d’ionisa-tion vont être a priori des paramètres non négligeables dans la compréhension des mécanismes régissant la division des PAPS. Compte-tenu des observations faites par imagerie, la division d’un PAPS au sein d’un capillaire peut être résumée comme étant une succession d’évènements (cf.
figure IV.14) :
3. DIVISION DE PAPS
1. Le PAPS se propage dans un capillaire jusqu’à l’embranchement.
2. Arrivé à l’embranchement, la propagation du PAPS s’apparente à un jet de plasma débou-chant dans une enceinte saturée en gaz porteur. L’arrivée dans un espace (intersection) plus grand que la section du capillaire va induire une expansion du plasma.
3. Lorsque l’expansion du plasma atteint les parois internes du capillaire, la propagation du PAPS est de nouveau guidée à l’intérieur du capillaire.
4. Au cours de la propagation, un changement de paroi le long de laquelle se propage le front d’ionisation va avoir lieu.
3.4 Propagation après division
Suite à la division d’unPAPS en deux PAPS équivalents, ces derniers vont chacun se propager dans leur branche de capillaire respective. La figure IV.15 présente la propagation d’un PAPS au sein d’un capillaire à géométrie circulaire. Cependant la division étant symétrique, l’étude peut être faite dans une seule branche de capillaire, dans notre cas la branche inférieure.
Le PAPS se propage en mode Wall-hugging (ouWh-PAPS) avant et après la division. Mal-gré la division en régime Wall-hugging, l’homogénéisation du PAPS est observée à une distance équivalente de celle obtenue dans un capillaire droit. Dans les conditions expérimentales de la figure IV.15 (U = −30 kV), la transition Wall-hugging - Homogène est observée à une distance comprise entre 15 cm et 20 cm, d’où l’observation d’un PAPS homogène (H-PAPS) à 25 cm de l’électrode interne. La colonne de plasma résiduel faisant suite au PAPS est observable au cours de la propagation du PAPS.
70 230 530
Temps (ns)
Distance depuis l’électrode interne (cm)
8 15 25
Figure IV.15 – Superposition d’images ICCD de la propagation d’un PAPS dans un capillaire de géométrie circulaire, de diamètre 15 cm. L’embranchement du capillaire est situé à 6 cm de l’électrode interne. Temps d’exposition :2 ns, débit néon :200 sccm, tension appliquée :−30 kV.
Après division d’un Wh-PAPS, nous observons :
1. un plasma se propageant en léchant les parois internes, ou Wh-PAPS; 2. un plasma homogène ou H-PAPS ;
3. une colonne de plasma résiduel reliant le front d’ionisation aux électrodes.
La division conserve les propriétés de propagation du PAPS, notamment les modes de propaga-tion. L’évolution de la vitesse de propagation d’un PAPS dans un capillaire rectiligne diminue selon une somme d’exponentielles. Les deux phases de l’évolution de la vitesse sont reliées à la morphologie du PAPS : chute rapide pour les Wh-PAPS, et diminution lente pour les H-PAPS.
La comparaison entre la vitesse d’un PAPS se propageant dans un capillaire droit et un PAPS se propageant à l’intérieur d’un capillaire circulaire, donc subissant une division, est illustrée en figure IV.16.
0 5 10 15 20
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Vitesse (107 cm.s-1 )
Distance depuis l’électrode interne (cm)
Capillaire Circulaire Capillaire droit
E
Figure IV.16 – Évolution de la vitesse de propagation d’un PAPS dans un capillaire droit, et dans un capillaire à géométrie circulaire, de diamètre 5 cm.
La division du PAPS est obtenue par un capillaire de géométrie circulaire, de diamètre5 cm, dont l’entrée (point E de la figure IV.11(a)) est située à5 cmde l’électrode interne. Dans les deux configurations, les PAPS sont générés à la même vitesse. À la distance 5 cm, le PAPS se divise en deux PAPS identiques, le PAPS se propageant dans la branche inférieure du cercle est étduié.
L’évolution de la vitesse du PAPS inférieur suit celle du PAPS se propageant dans le capillaire droit.
Les mesures de courant effectuées après division, à l’aide d’un capillaire en T, ont montré que l’intensité crête de courant mesurée après division était égale à la moitié de celle du PAPS incident. Dans le cas d’un capillaire circulaire, les mesures de courant après division s’avèrent plus difficiles à mettre en œuvrent, mais nous devrions nous attendre à des effets similaires que ceux mesurés dans un capillaire en T. D’après la figure III.22, la vitesse de propagation des PAPS et le pic de courant mesuré au passage du PAPS sont proportionnels. Sachant qu’après division, une division par deux de l’amplitude crête de courant est obtenue, nous devrions observer une diminution de la vitesse de propagation des PAPS après leur division. Or ce n’est pas le cas, les vitesses mesurées dans un capillaire rectiligne et dans un capillaire circulaire sont équivalentes.
Néanmoins, les PAPS étant espacés au maximum de 5 cm, ces derniers peuvent s’influencer mutuellement, comme ce fut décrit dans le cas de géométrie pyramidale. Cette influence mutuelle pourrait compenser la diminution de vitesse induite par la division, par conséquent, deux PAPS