Evolution spatio-temporelle du plasma

Dans le but d’analyser l'évolution du plasma au cours du temps, des diagnostics d'imagerie rapide ont été effectués et sont présentés sur la Figure 5-13. A 250 ns les deux décharges s’amorcent simultanément, puis commencent leur propagation à 320 ns, les streamers quittent ensuite leur tube diélectrique respectif et se propagent dans l’air ambiant. La visualisation du plasma au cours du temps permet d’affirmer qu’il y a bien création de deux jets de plasma. Par contre, les deux streamers ne se rencontrent pas, et laissent une zone sombre sans plasma entre eux, révélant l’existence d’une distance minimale d’approche de 700 µm ± 200 µm à 370 ns. Notons que cette distance est voisine de celle du diamètre des streamers, qui est comprise entre 500 et 1500 µm. Ce qui est confirmé par les prédictions des modèles numériques de Naidis [124] et de Bourdon et al [213], qui ont montré que deux streamers se propageant dans des directions opposés ne se rencontrent pas et que la distance minimale d’approche entre ces derniers est du même ordre de grandeur que le diamètre du streamer. Cette distance correspond à la distance pour laquelle le champ électrique est insuffisant pour assurer la poursuite de la propagation, ce qui se traduit pour des streamers positifs par une zone quasi exempte d’électrons et donc exempte d’excitation et d’ionisation. Une fois que les streamers ont atteint cette distance minimale d’approche (correspond à 370 ns), l’émission lumineuse de ces derniers diminue au cours du temps.

D’autre part, l’émission lumineuse du canal reliant la décharge à la tête du streamer est plus importante pour la décharge de droite que pour celle de gauche. Les modèles numériques nous apprennent que le champ électrique est quasi nul dans le canal [103], [104], [107], [111], [214], [215]. L’émission lumineuse de ce dernier est donc due à la recombinaison des ions et des électrons et à la présence d’espèces à longue durée de vie capables de transférer leur énergie à d’autres espèces qui vont ensuite émettre un photon en se désexcitant.

Figure 5-12 : Photographie en vraies couleurs de la contre propagation de deux jets de plasma en présence d’un seul débit de gaz (photographie obtenue avec un appareil photographique classique (Canon PowerShot SX120)).

Nous avons vu au chapitre 4, que les atomes métastables d’hélium, qui représentent l’une des espèces à longue durée de vie, sont sensibles à la présence des impuretés. Ces atomes métastables sont responsables en grande partie de l’excitation des états radiatifs

N2⁺(B) et O*, dont la désexcitation radiative représente la grande majorité de

l’intensité lumineuse (cf Figure 4-27). La proportion d’air dans le canal d’hélium est plus importante au niveau de la décharge de gauche que de celle de droite, du fait que l’hélium provient de la décharge de droite. Les atomes métastables d’hélium sont donc détruits de manière plus significative à gauche qu’à droite et les états radiatifs N2⁺ et O* sont moins peuplés, ce qui explique pourquoi l’intensité lumineuse du canal est moins importante à gauche qu’à droite. Ce scénario est confirmé par la Figure 3-17, qui montre que l’ajout de gaz moléculaire diminue l’intensité lumineuse du canal.

D’autre part, la Figure 5-13 révèle que l’intensité lumineuse au sein de la tête du streamer est plus importante pour celui de gauche que pour celui de droite. Cette disparité doit probablement s’expliquer par une différence de la valeur du champ électrique. Au sein de la tête d’un streamer se propageant dans de l’hélium, le champ électrique est compris entre 10 et 20 kV/cm, tandis que dans l’air il se situe à 150 kV/cm [104]. La présence de quelques pourcents d’air au sein du streamer de

Figure 5-13 : Photographies en fausses couleurs de la dynamique de la contre propagation de deux micro-jets de plasma. L’hélium provient de la décharge de droite. Le temps de pause pour chaque photographie est de 1 ns. L’origine du temps est défini par le front de montée du signal de synchronisation.

gauche doit augmenter légèrement ce champ, et expliquer ainsi l’augmentation de la luminosité.

Nous avons représenté sur la Figure 5-14, l’évolution de la position des fronts d’ionisation, correspondant aux images de la Figure 5-13, au cours du temps (ronds et carrés pleins). L’origine des positions a été prise au centre du dispositif, c'est-à-dire entre les deux décharges. Ces résultats sont comparés avec la position du streamer lorsque seulement une des deux décharges est allumée. Les ronds creux représentent le cas où seule la décharge de gauche est allumée, et les carrés creux le cas inverse. Ces résultats montrent que le streamer se propage jusqu’à l’autre dispositif et pénètre dans le tube diélectrique de la décharge opposée lorsqu’il n’y a qu’une décharge d’allumée. La comparaison des deux configurations indique également qu’à partir de 325 ns, la position du streamer de droite, lorsqu’une seule décharge est allumée, ne suit plus l’évolution de la position du streamer dans le cas où les deux décharges sont allumées. Cette observation révèle qu’à partir du moment où les deux streamers commencent leur propagation, ils vont immédiatement interagir l’un par rapport à l’autre, modifiant alors leur évolution spatio-temporelle. Ce résultat est confirmé par les modèles numériques. Ils montrent que durant la propagation du streamer, lorsqu’il n’y a qu’une décharge, la valeur du champ électrique est quasi constante durant la propagation du plasma [104], [215], alors que dans le cas où il y a deux décharges, le champ électrique de chacun des streamers diminue au cours de la propagation révélant que ces derniers interagissent entre eux [214].

250 275 300 325 350 375 400 425 -12 -10^-8 -6 -4 -2⁰ 2 4 6 8 10 12 Dech. Droite Po si tio n ( m m ) Temps (ns)

Dech. Droite : on-on Dech. Gauche : on-on Dech. Droite : on-off Dech. Gauche : off-on Dech. Gauche

Figure 5-14 : Evolution temporelle de la position du front d'ionisation pour différentes conditions: les carrés bleus représentent la position du front d’ionisation de la décharge de droite, alors que les cercles rouges représentent le front d’ionisation de la décharge de gauche. Les symboles pleins représentent la condition lorsque les deux décharges sont allumées, c’est-à-dire lorsque les deux plasmas sont en contre propagation. Les symboles creux représentent la situation lorsqu’une seule des deux décharges est allumée.

La Figure 5-15 présente les vitesses respectives de chaque streamer, lorsque les deux décharges sont allumées (a), et lorsque seulement une des deux décharges est allumée (b). Dans les deux cas, la vitesse du front d’ionisation de gauche est supérieure à celle de droite. Deux hypothèses peuvent expliquer cette différence de vitesse :

 Plus la densité d’électrons germes est importante, plus la vitesse de propagation du streamer est importante. Ces électrons proviennent soit de la photoionisation, soit d’un processus de détachement [108]. Ce détachement dans notre cas est principalement dû à l’ion d’oxygène, O2^-. La densité d’oxygène étant plus importante à gauche qu’à droite, ceci pourrait expliquer pourquoi la vitesse est plus importante.

 Le champ local à la tête du streamer est plus important d’un ordre de grandeur en air (150 kV/cm) qu’en hélium (10-20 kV/cm) [104]. Plus ce champ est important, plus la vitesse de propagation est rapide. La proportion d’air est plus importante à gauche qu’à droite, ce qui expliquerait pourquoi la vitesse du front d’ionisation de gauche est plus rapide.

Seul le développement d’un modèle complet, en milieu non homogène, de propagation du streamer permettrait d’apporter la réponse. L’établissement d’un tel modèle dépassait largement le cadre de notre travail.

Les vitesses de propagation en présence de deux streamers sont plus faibles d’un facteur 2 par rapport aux vitesses mesurées lorsque seulement une des deux décharges est allumée. La vitesse de propagation dépend du champ électrique au sein de la tête du streamer. Les modèles numériques montrent qu’au niveau de la tête du streamer le champ électrique est relativement constant au cours de la propagation [104], [215]. Par contre, dans le cas de deux jets de plasma se contre propageant, le champ électrique au niveau de chaque streamer diminue au cours de sa propagation [214]. Cette diminution doit vraisemblablement expliquer pourquoi les vitesses de propagation des streamers sont plus faibles en présence des deux plasmas.

De plus, à cause de la différence de vitesse des deux jets, la position de la zone sombre entre les deux plasmas ne se situe pas rigoureusement au centre du dispositif. Elle dépend fortement de la distance entre deux décharges comme le montre la Figure 5-16.

La position de la zone sombre varie peu par rapport à la décharge de droite (l’hélium provient de cette décharge). Par contre, par rapport à la décharge de gauche cette position varie linéairement avec la distance entre les deux décharges. La position de

-12-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 (b) Dech. Droite Dech. Gauche V ite ss e d e p ro pa ga tio n d u fro nt (1 0 5 m^/s) Position (mm) (a) -12-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Dech. Droite Dech. Gauche Position (mm)

Figure 5-15 : Evolution spatiale de la vitesse du front d’ionisation des deux jets de plasma se contre propageant. L'origine des distances est prise au niveau du plan entre les deux décharges. (a) Lorsque les deux décharges sont allumées. (b) Lorsque seulement une des deux décharge est allumée.

Figure 5-16 : Position du centre de la zone sans plasma selon la distance séparant les deux décharges. L'origine des distances a été prise à la sortie des tubes diélectriques respectifs.

cette zone dépend donc de la composition du gaz et confirme que la vitesse de propagation du plasma est en moyenne plus rapide pour la décharge de gauche que pour celle de droite (pour une distance inter-décharge supérieure à 10 mm).