Eets possible de la présence de rayons X sur la propagation de la décharge178

avons montré que la FDEE était probablement surpeuplée aux hautes énergies (en particulier à la pointe) et il est très probable que des électrons runaway soient formés dans la décharge.

E. Marode a proposé récemment une estimation de l'énergie que les électrons peuvent at-teindre au passage de la tête du streamer [79]. La distribution de champ sur l'axe pointe-plan a été simulée dans des conditions initiales proches des nôtres, pour une amplitude maximale de tension de 50 kV , avec un gap de 1 cm (gure 89). D'après la simulation, le champ électrique dans la tête de streamer atteint 800 kV/cm en 150 ps puis se stabilise vers 300 kV/cm au cours de la propagation. L'énergie totale max gagnée par un électron au cours de son déplacement depuis xseed, la position initialement 150 µm devant la tête de streamer, vers xng, la position dans le canal, juste derrière la tête de streamer, est exprimée selon :

_max= Z xng

xseed

E(x) × ^ve(E(x)) v_st+ v_e(E(x))^dx

v_st et ve(E(x)) représentent respectivement les vitesses du streamer et de l'électron.

Si l'électron commence à accélérer 150 µm devant la région de fort champ, il peut accélérer jusqu'à 1.5 keV . De plus, si cet électron reste dans un champ supérieur à 300 T d [123], ce qui est le cas de la simulation, il devient runaway et acquerra de plus en plus d'énergie sur son

chemin jusqu'à l'anode.

L'hypothèse avancée ici est que sous les forts champs au voisinage de la pointe et dans le front de la décharge, des électrons sont accélérés à des énergies dépassant le keV . Lorsque ces électrons impactent l'anode, ils déposent leur énergie dans le matériau et certains induisent le rayonnement de photons X. Comme expliqué en annexe 1, le rayonnement X induit par impact électronique est constitué d'un rayonnement continu et de l'émission intense de raies caracté-ristiques (Kα dont l'énergie dépend du matériau. Pour cette raison, nous avons étudié l'eet sur la décharge de diérents matériaux dont l'énergie des raies caractéristiques s'étale de 1.5 à 59 keV . En se basant sur l'énergie des raies caractéristiques des matériaux étudiés, ces rayons X devraient être absorbés sur une échelle de l'ordre du centimètre (mais pas exactement sur les mêmes distance). Ils pourraient donc être à l'origine d'une forme de photo-ionisation du gaz dans l'ensemble du gap. De plus, selon l'énergie des raies caractéristiques, le nombre d'électrons ainsi formés pourrait modier développement de la décharge.

Figure 89  Génération du champ de charge d'espace d'un streamer au bout de 150 ps, sur l'axe pointe-plan. D'après [79].

La gure 90 montre l'eet du matériau de la pointe sur la vitesse de propagation de la décharge à basse (45 kV ) et haute (85 kV ) tension en polarité positive. Les matériaux sont classés en fonction de l'énergie de leur principale raie caractéristique. Le matériau ayant la plus petite énergie caractéristique est l'aluminium (1.5 keV ), le matériau ayant la plus grande énergie caractéristique est le tungstène (59 keV ). Ainsi, en polarité positive, à 85 kV , la vitesse de propagation dépend eectivement du matériau de la pointe. La décharge est plus rapide

avec une pointe en cuivre et plus lente avec une pointe en tungstène. Par contre, cet eet n'est observé ni à basse tension, ni en polarité négative (résultats non montrés ici). Ces résultats semblent indiquer qu'il y a une relation entre le matériau de la pointe et ce qui contrôle la vitesse de propagation de la décharge (disponibilité d'électrons germes).

Figure 90  Eet du matériau de la pointe sur la vitesse de propagation de la décharge à basse (45 kV ) et haute (85 kV ) tension en polarité positive.

Si l'hypothèse de l'ionisation par des rayons X issus de la pointe est exacte, alors tentons d'interpréter les résultats montrés sur la gure 90 de la façon suivante. Pour l'aluminium, les rayons X sont probablement plus facilement produits (ils nécessitent des électrons de plus basse énergie), mais sont aussi absorbés sur de plus courtes distances. Pour le tungstène, des photons de 60 keV sont presque impossibles à générer et la décharge ne bénécie probablement pas de l'eet de ces raies caractéristiques. Le cuivre est dans une situation intermédiaire, avec une raie à 8 keV dont les photons sont absorbés sur de plus longues distances, favorisant la propagation de la décharge.

La génération de rayons X pourrait aussi expliquer en partie la propagation diuse de la décharge puisque les électrons libres produits par photo-ionisation-X sont répartis dans toutes les directions. Remarquons qu'il y a deux mécanismes de génération de rayons X, celui à l'ori-gine des raies caractéristiques et le mécanisme Bremsstrahlung qui est une émission continue depuis les basse énergies jusqu'à l'énergie maximale que peut acquérir un électron. Ainsi, dans l'hypothèse où les rayons X ont un rôle dans l'extension spatiale de la décharge, il n'est pas

surprenant d'avoir une décharge diuse même avec la pointe en tungstène. L'autre raison de l'aspect dius de la décharge est l'importance de la distribution radiale du champ à très haute tension. Cette hypothèse semble soutenue par certains modèles numériques [104, 105] mais nécessite davantage d'étude.

3.4.2 Mesure de détection de rayons X

L'analyse précédente donne des éléments pour soutenir l'hypothèse de la présence de rayons X mais ne susent pas pour l'armer. Mais, la détection de rayons X dans l'air à pression atmosphérique est dicile à cause de leur faible rendement de production (dans l'hypothèse du mécanisme de production pré-cité) et de leur faible distance d'absorption (centimétrique aux énergies estimées). Pour maximiser le signal, nous avons décidé d'accumuler le rayonnement de nombreuses décharges en utilisant des écrans radioluminescents à mémoire (ERM) pour tenter de détecter des rayons X. Les écrans sont également sensibles au rayonnement UV, ils néces-sitent donc l'ajout de ltres UV laissant passer les rayons X.

Pour vérier la sensibilité des écrans aux rayonnements UV-visible en s'assurant qu'il n'y a pas d'interaction entre le plasma et les écrans, ils sont soumis à l'émission d'une source UV.

Trois écrans sont comparés : (1) un écran témoin est uniquement exposé à la lumière am-biante, (2) un deuxième écran est exposé à un tir de la lampe UV (1.5 kV ) à une distance de 5 cm et (3) le troisième écran est exposé à 2 tirs de la lampe UV. Les résultats (gure 91) montrent sans équivoque que les écrans sont tout à fait sensibles aux UV. Ils montrent égale-ment que la sensibilité des écrans n'est pas homogène sur toute la surface puisque le deuxième écran est plus sensible à ses bords. Le troisième écran est saturé.

Pour distinguer l'origine des rayonnements impactant la plaque en isolant le signal provenant des photons UV et ceux des photons X, il est donc nécessaire de ltrer les photons en fonction de leur énergie. Un matériau facilement disponible en laboratoire et ayant la propriété de laisser passer les rayons X mais d'arrêter les UV, est le kapton. Dans la gamme d'énergie des rayons X, on présente en gure 92 la courbe de distance d'atténuation du kapton. La distance d'atténuation est dénie ici comme l'épaisseur de kapton traversée à laquelle l'intensité du rayonnement ne vaut plus que 1/e de sa valeur à la surface, soit environ 37% de transmission.

Figure 91  a) Images latentes après développement des écrans. L'échelle d'intensité de la plaque (1) n'est pas comparable à l'échelle des deux autres plaques. b) Prols d'intensité du rayonnement révélé le long de la plaque.

Pour une épaisseur de kapton de 75 µm, qui correspond à l'épaisseur de la feuille utilisée pour les expériences, nous laissons donc passer au moins 37% des rayonnements X ayant une énergie de 3,1 keV. Comme il faut des énergies supérieures à la dizaine d'électronvolt pour que le kapton laisse passer une partie des rayonnements, aucun signal n'est attendu dans la gamme du VUV.

Figure 92  Distance d'atténuation de l'intensité du rayonnement X déni comme la distance à partir de laquelle l'intensité du rayonnement ne vaut plus que 1/e de sa valeur à la surface.

Avec une pointe en titane dont l'énergie de la raie Kα est de l'ordre de 4,5 keV, on attend donc une transmission susante ainsi qu'une probabilité d'émission de rayonnement parmi les plus favorables avec les matériaux dont nous disposons.

dis-tance inter-électrode de 18 mm, fréquence de répétition de 10 Hz et temps d'exposition d'une heure. La démarche est de recouvrir une zone d'un écran par une feuille de kapton de 75 µm et de laisser le reste de l'écran face à la décharge, puis de recouvrir une zone d'un autre écran d'une plaque de carton épais noir arrêtant tous les rayonnements (X, UV). Le rôle de la feuille de carton épais est un rôle de témoin. D'autre part, une troisième plaque n'est pas du tout exposée à la décharge, qui constitue un deuxième témoin. Cette expérience a été réalisée deux fois à deux tensions diérentes (70 et 80 kV ). Les résultats sont montrés en gure 93.

Figure 93  a)Images après développement des écrans. Les numéros des écrans correspondent à la légende de b). Les encadrés rouges mettent en évidence les zones protégées par du kapton ou du carton. b) prols verticaux de chaque écran de a).

Les nombres d'impacts mesurés au niveau de la plaque de kapton et du carton sont identiques et très proches du nombre de coups de la plaque témoin. Ces résultats ne révèlent donc aucun rayonnements X. Toutefois, des doutes persistent à cause du bruit de fond, légèrement plus élevé pour des expositions plus longues à la décharge, et à cause d'impressions bien visibles au niveau de défauts de la plaques (des zones rayées qui pourraient faciliter l'impression). Il est également possible que l'émission de la raie Kα du titane soit trop absorbée par le kapton. Des

expériences avec une feuille plus ne permettraient d'augmenter la sensibilité de la détection. Par manque de temps, des expériences complémentaires n'ont pas pu être menées.