Etat de l’art :

Une décharge électrique est essentiellement une circulation de courant électrique dans un gaz. Il est caractérisé par la génération d’ions dans le gaz après l’application d’un champ électrique De ce fait, deux points essentiels doivent être étudiés afin de mieux comprendre cette décharge électrique (David B. Go, 2012). :

1. La création d’ions (Ionisation)

2. Le mouvement d’ions (Transport d’ions)

2.1 Classification des décharges électrique :

Les décharges électriques peuvent être classé dans deux groupes selon le mode d’opération :

2.1.1 Décharges à tension continue : Décharges électriques suite à l’application d’un

*Décharge Luminescente (Glow discharge) *Décharge Corona (Corona discharge)

*Décharge Cathode Creuse (Hollow cathode discharge)

2.1.2 Décharges en courant alternatif : Décharges électriques sous l’influence d’un

champ électrique alternatif. *Décharges barrière diélectrique *Radio Fréquence (RF) 102 𝑡𝑜 108Hz *Microondes 109 𝑡𝑜 1011Hz

*Optique

Les décharges consistent de différents types de particule (gaz neutre, gaz excité, molécules de gaz ionisé (ions), et électrons). Chacune de ces particules a une énergie cinétique moyenne. En général, l’énergie (en Joules J ou électron volts eV) peut être exprimée comme la produit de la température T (Kelvin K) par la constate de Boltzmann.

𝜀 = 𝑘_𝐵. 𝑇 [1] Où : 𝑘_𝐵 = 1.3807×10−23𝐽/𝐾 = 8.617343 × 10−5 𝑒𝑉/𝐾

Pour cela, les décharges électriques peuvent aussi être classées selon leurs propriétés thermodynamiques (Becker K. H., Kogelschatz U., Schoenbach, 2005) :

Non équilibre, Température Basse : La température de l’électrons est supérieure à

celle du gaz et de l’ion. T_elec >>>>T_gas~T_ion~102𝐾.

Equilibre, Température Moyenne : La température de l’électrons ainsi que celle du

gaz et de l’ion sont en équilibre et assez élevée par rapport à la température ambiante. T_elec ~T_gas~T_ion~104𝐾

Equilibre, Température Haute : La température de l’électrons ainsi que celle du gaz

et de l’ion sont en équilibre et beaucoup plus élevée en comparaison avec la température ambiante. T_elec ~T_gas~T_ion~106𝐾

2.2 Ionisation :

Il s’agit d’une création d’ions de telle sorte que le gaz interstitiel entre deux électrodes se transforme d’un isolant à un conducteur. Pour créer une décharge, deux processus sont indispensables, un processus gazeux et un autre cathodique (Lieberman M. A. and Lichtenberg A. J. 2005)

2.2.1 Les Réactions gazeuses :

En alimentant le tube à décharge avec une tension électrique, les électrons s’accélèrent, et donc plusieurs collisions avec les atomes et les molécules de gaz surviennent. Ces collisions peuvent classées dans trois catégories :

*Collisions Elastiques : 𝑒−+ 𝑀 → 𝑒−+ 𝑀

*Collision Inélastique (Excitation) : 𝑒−+ 𝑀 → 𝑒−+ 𝑀∗ (Condition : 𝜀_𝑒≥ 𝐸_𝑀∗)

*Collision Inélastique (Ionisation) : 𝑒−+ 𝑀 → 2𝑒−+ 𝑀+ (Condition : 𝜀𝑒≥ 𝐸𝑖𝑜𝑛) Pour que l’excitation et l’ionisation se produisent, l’énergie cinétique des électrons incidents 𝜀𝑒 doit être supérieure ou égale à l’énergie minimale pour l’excitation 𝐸𝑀^∗, ou ionisation 𝐸_𝑖𝑜𝑛, respectivement.

La réaction d’ionisation est très intéressant vu qu’elle génère un électron supplémentaire (plus un ion positive). Cependant, tous les collisions citées ci-dessus sont importants. La réaction d’excitation est également très indispensable étant donné qu’elle produit l’effet désiré d’une décharge qui est la lumière.

Collisions Elastiques:

Figure 1 : Collision élastique

Ici, l’électron bouge beaucoup plus vite que la molécule. L’électron entre en collision avec la molécule et change sa direction.

Collision Inélastique (Excitation) :

Figure 2 : Collision inélastique (excitation)

Quand on accélère suffisamment un électron, l’énergie cinétique de ce dernier est transférer à la molécule neutre et il la sort de son état de repos pour l’amener à un état d’énergie supérieure. Le système est alors dans un état excité. Cette collision est dite inélastique vu que l’énergie cinétique n’est pas conservée. La plupart des molécules disposent de plusieurs états excités, et chacune a une énergie seuil différente. De ce fait, pour obtenir une excitation, l’énergie de l’électron entrant en collision doit dépasser le seuil d’énergie d’excitation 𝐸_𝑀 (David B. Go, 2012).

La raison pour laquelle une décharge est luminescente est que quand on excite le neutre, il relax après à son état fondamental. Ce qui libère la différence d’énergie émettant un photon. C’est pourquoi la couleur de la décharge dépend du type de gaz utilisé, car la longueur d’onde de la lumière émise dépend du niveau d’énergie de l’atome ou de la molécule dans le gaz.

(Par exemple, la décharge dans le néon émet une couleur orange, par contre une décharge dans l’argon émets une couleur violet foncé).

Collision Inélastique (Ionisation) :

Figure 4 : Collision inélastique (ionisation)

Dans ce cas, un électron ayant une énergie cinétique suffisant (de l’ordre de 10-20 eV) peut provoquer un détachement de l’électron de sa molécule qui produit un autre électron ainsi qu’un ion.

2.2.2 La Fréquence d’Ionisation :

L’ionisation des atomes et des molécules par l’impact d’un électron est un mécanisme très important pour la génération de décharge dans le tube. Par définition, la fréquence d’ionisation est le nombre d’évènements d’ionisation se produisant par un électron par seconde (Razer Y. 1991)

𝜈_𝑖̇= 𝑁.^{∫ 𝑛(𝜀).𝑣.𝜎} 𝑖(𝜀)𝑑𝜀

∫ 𝑛(𝜀)𝑑𝜀 [2] Où :

𝜈𝑖̇ : La Fréquence d’ionisation

N : Le densité numérique (Le nombre total de molécules neutres avec lequel un électron peut entrer en collision)

𝑛(𝜀) : nombre d’électrons ayant une énergie cinétique 𝜀. (Electron energy density distribution (EEDF))

𝑣 : La vitesse de l’électron

𝜎(𝜀) : section efficace de collision d’un atome (collision cross section of atomes.)

2.3 Le problème d’optimisation :

Vu que notre but est de mesurer le pourcentage de chaque gaz dans un mélange gazeuse, donc nous devons augmenter la luminescence de la décharge autant que possible afin de récupérer une image claire portant le plus d’information possible pour pouvoir la traiter après.

Une fonction à maximiser car la maximisation de fréquence d’ionisation résulte en plus de photons, la lumière serait ensuite plus intense.

Les contraintes : contraintes géométriques : Rayon de tube à décharge, distance entre électrode, diamètre d’électrodes….

Contraintes physiques (plafond pour la tension, plancher pour la pression…)