Gaz rare à pression atmosphérique

Pour cette campagne de mesures, on reste toujours dans un mélange gazeux non-réactif (argon pur) mais en l’absence de pompe, donc avec un plasma à la pression atmosphérique (en réalité en légère surpression en amont du capillaire), mais toujours avec un plasma entièrement confiné dans le capillaire. Comme décrit dans la partie 3.2.3, à pression atmosphérique la colonne de plasma générée est bien plus courte que pour des conditions identiques à basse pression. On ne pourra donc ici utiliser que l’applicateur surfatron ajustable, qui permet un accès optique possible pour ces plasmas plus courts, obtenus dans des conditions expérimentales comparables à celles de la partie 5.3.1. On étudie l’évolution des paramètres plasmas en fonction de la puissance micro-onde consigne ainsi que de la position longitudinale, les autres paramètres sont fixés, à savoir : applicateur surfatron ajustable, fréquence micro-onde de 2,427 GHz, débit de gaz de 500 ml/min (à pression atmosphérique), sans convection externe forcée. La puissance micro-onde consigne est de 30, 40 et 50 W. Dans les deux premiers cas le point de collecte est uniquement à 2 cm en aval de l’applicateur, en raison de la faible longueur de la colonne de plasma, et dans le dernier cas, on prendra deux points de collecte, à 2 et 4 cm en aval du surfatron. Les spectres de OH sont intégrés pendant 3 s et ceux de Hβ pendant 5 s.

Les mesures de température rotationnelle de OH représentées figure 121 établissent une comparaison entre les cas à basse pression et à pression atmosphérique pour 30 W et 40 W de puissance micro-onde consigne, les autres paramètres expérimentaux étant identiques, tandis que la figure 122 expose la résolution longitudinale pour le cas à 50 W, uniquement à pression atmosphérique.

Figure 121 – Température rotationnelle de OH obtenue par fits Specair, en fonction de la position radiale et de la puissance MO consigne, prise 2 cm en aval de l’applicateur, pour deux pressions, basse (BP) et atmosphérique (PA).

Sur la figure 121 on constate que les températures mesurées sont globalement supérieures pour le cas à pression atmosphérique (de 250 à 500 K par rapport au cas à basse pression) et également que l’écart radial en température est plus important, passant de 100 à 250 K. L’élévation de température avec la puissance est également plus importante, passant d’un maximum de 100 K entre deux points mesurés à la même position spatiale à 200 K. Ces différents phénomènes partagent la même explication détaillée

Figure 122 – Température rotationnelle de OH obtenue par fits Specair, en fonction de la position radiale pour deux positions longitudinales.

dans la partie 5.3.1 pour une variation du débit de gaz : à plus haute pression, la densité de particules est plus importante, ainsi un taux de collision plus important conduit à homogénéiser radialement le plasma, ce qui implique une élévation de la température rotationnelle du gaz. De la même façon, ces phénomènes peuvent s’expliquer par la densité volumique de puissance bien plus importante dans le cas à pression atmosphérique, comme détaillé dans la partie 3.2.3.

La figure 122 montre que les profils radiaux pour deux positions longitudinales obtenus à pression atmo-sphérique sont comparables à ceux obtenus à basse pression dans la partie 5.3.1 : la température décroît avec la position longitudinale, de façon plus marquée qu’à basse pression : un différence allant jusqu’à 200 K pour le cas à pression atmosphérique contre 100 K à basse pression entre les positions à 2 et 4 cm en aval de l’applicateur. Cela peut s’expliquer par la faible longueur de la colonne de plasma, le point à 4 cm est très proche de l’extrémité du plasma, une zone où la température du plasma décroît plus rapidement selon la direction longitudinale, comme déjà observé sur les figures 117 et 118.

De la même façon, on présente sur la figure 123 la comparaison entre les cas à basse pression et à pression atmosphérique de la densité électronique mesurée pour deux cas de puissance micro-onde consigne, et sur la figure 124 la distribution radiale de la densité électronique pour deux positions longitudinales, pour une valeur de puissance consigne fixe.

La comparaison entre les cas à basse pression et à pression atmosphérique expose une tendance qui dépend de la position radiale : aux positions centrales et intermédiaires la densité électronique mesurée est plus importante à basse pression qu’à pression atmosphérique, à l’inverse de l’extrémité du capillaire. En revanche, dans le cas à pression atmosphérique, l’écart en température radial est plus faible et la variation de la densité électronique avec la puissance micro-onde consigne est bien plus modérée (augmentation systématique de 20 % dans le cas à basse pression contre une variation maximale de 5 à 10 % pour le cas à pression atmosphérique, la puissance consigne la plus importante ne donnant pas toujours la densité électronique la plus élevée), ce qui conduit à un plasma plus homogène, à la fois sur la direction radiale,

Figure 123 – Densité électronique obtenue par élargissement Stark de Hβ, en fonction de la position radiale, de la puissance MO consigne, pour deux configurations de pressions, basse (BP) et atmosphérique (PA).

Figure 124 – Densité électronique obtenue par élargissement Stark de Hβ, en fonction de la position radiale, pour deux positions longitudinales.

et en fonction de la puissance consigne. Il est à noter que, comme pour les mesures de température, ces cas à pression atmosphérique correspondent à des densités volumiques de puissance plus importantes. En revanche, ce paramètre semble ici décorrélé des effets observés sur la densité électronique.

Le profil radial pour deux positions longitudinales (figure 124) présente un aspect très différent de ce qui a été mesuré à basse pression (figures 119 et 120) : la densité électronique décroît bien plus fortement avec la position (jusqu’à un ordre de grandeur ici contre une variation de 20 à 30 % à basse pression entre les mêmes positions longitudinales) et un profil radial beaucoup plus homogène pour la position longitudinale à 4 cm (une variation d’un facteur 2 à basse pression contre 30 % au plus ici). Ces effets peuvent s’expliquer par la position longitudinale à 4 cm, qui est très proche du point d’extinction du plasma, correspondant donc à une zone de densité électronique bien plus faible.

De façon systématique, on constate sur ces résultats des densités électroniques plus faibles pour les positions intermédiaires que pour les positions au bord du capillaire, un résultat qui semble contre intuitif, étant donné les réactions de recombinaison et la présence d’une gaine au bord. Ce constat doit cependant être modéré, étant donné que l’amplitude de variation de densité électronique entre ces positions est de l’ordre de grandeur de l’incertitude sur ces valeurs.