Identification des régimes de fonctionnement d’une macro- macro-décharge à basse pression et d’une micro-macro-décharge à haute

pression

3.1.1. Macro-décharges à basse pression

Courbe V-I expérimentale

Une macro-décharge à basse pression, alimentée par un courant continu croissant, présente trois phases de fonctionnement successives : la phase sombre, la phase luminescente et la phase d’arc. Chaque phase est elle-même divisée en plusieurs régimes facilement identifiables à partir du tracé de la courbe V-I que nous avons représentée dans la figure 3.1.

Figure 3.1 – Caractéristique courant-tension d’une macro-décharge basse pression, dans une géométrie où les électrodes forment deux plans parallèles.

Régime de Townsend

Régime normal

Régime non-thermique

PHASE SOMBRE PHASE LUMINESCENTE PHASE D’ARC

Tension de claquage Transition luminenescente-arc 10–10 10–8 10–6 10–4 10–2 1 100 103 Hystérésis Id (A) Vd (V) Régime d’ionisation résiduelle 800 700 600 500 400 300 200 100 Régime anormal Régime Thermique Transition sombre-luminescente

91 La phase sombre possède deux régimes de fonctionnement non-autonomes : le régime d’ionisation résiduelle qui correspond à une simple collecte des charges déjà présentes dans le gaz puis le régime de Townsend dans lequel des réactions d’ionisation par impact électronique génèrent une multiplication des électrons et des ions ainsi que de l’émission secondaire à la cathode. Ces réactions, encadrées par les processus de Townsend, sont à l’origine d’une croissance de type exponentiel du courant en fonction de la tension.

La transition entre la phase sombre et la phase luminescente est électriquement instable ; elle marque le passage d’un état où les densités de charges sont négligeables à un autre où elles deviennent suffisamment importantes pour modifier la structure du champ électrique, conformément à la relation de Laplace. Cette transition laisse place à la phase luminescente qui se manifeste par une forte émissivité dans les domaines visible et ultraviolet. Caractérisée par un fonctionnement à haute tension et à bas courant, elle est décomposable en deux régimes : le premier est qualifié de normal et le second d’anormal.

Après une courte transition, et pour des valeurs de courant élevées (> 1 A), la phase d’arc apparaît, au cours de laquelle l’émission secondaire au niveau de la cathode est remplacée par l’émission thermoïonique. Cette phase est décomposable en deux régimes : un régime non thermique dans lequel la tension chute progressivement alors que le courant augmente, puis un régime thermique caractérisé par une faible tension (< 100 V) et par l’existence d’un équilibre thermodynamique local entre le gaz neutre et le plasma {Rax-05}.

Structure d’une macro-décharge à basse pression en régime luminescent normal

En régime luminescent normal, la décharge est structurée en une succession de couches sombres et lumineuses, représentées dans la figure 3.2. De la cathode vers l’anode, se succèdent : - La chute cathodique, caractérisée par un champ électrique intense puisque la plupart de la tension appliquée aux bornes des électrodes est localisée dans cette région. Elle est constituée de l’espace sombre d’Aston, de la gaine cathodique et de l’espace sombre d’Hittorf. Ces trois premières zones ne sont visibles qu’à faible pression {Pen-02}.

- La lueur négative.

- L’espace sombre de Faraday.

- La colonne positive (région à champ électrique faible), si la distance inter-électrodes est suffisamment grande.

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Figure 3.2 – Structure d’une macro-décharge à basse pression générée entre deux plans parallèles, et fonctionnant en régime luminescent normal.

Si la distance inter-électrodes diminue à pression constante, la colonne positive se rétrécit puis finit par disparaître, alors que les dimensions des autres zones restent inchangées. Si la pression augmente pour une distance inter-électrodes fixée, toutes les zones lumineuses et sombres s’affinent et se déplacent vers la cathode.

3.1.2. Micro-décharges à haute pression

Courbe V-I expérimentale

La figure 3.3.a. est un oscillogramme représentant l’évolution temporelle du courant (Id) et de la tension (Vd) dans le cas d’une micro-décharge générée dans une micro-cathode creuse ouverte (de diamètre 240 µm et d’épaisseur 250 µm) fonctionnant dans l’hélium à 100 Torr. A partir de cet oscillogramme, il est possible de tracer la tension en fonction du courant, comme le montre la figure 3.3.b. Cette courbe V-I, contrairement à celle d’une macro-décharge basse pression, ne laisse apparaître qu’une seule phase de fonctionnement : la phase luminescente, avec son régime normal et la possibilité d’obtenir un régime anormal sous certaines conditions que nous développerons par la suite. La phase de décharge sombre est réduite au simple phénomène de claquage et le régime d’arc n’est jamais atteint car les cavités de nos échantillons ne peuvent pas supporter les puissances volumiques qu’exigerait cette phase ; à titre indicatif, nos échantillons se brisent dès un courant de 40 mA (soit une puissance d’environ 7 W).

Espace sombre d’Aston Espace sombre Hittorf Espace sombre de Faraday Espace sombre anodique anode cathode Colonne positive Lueur anodique Lueur négative Gaine cathodique zone anodique chute cathodique

93 Entre les points A et B, la tension augmente linéairement alors que le courant mesuré reste nul. Cela signifie d’une part que le plasma n’est pas encore formé, et d’autre part qu’il nous est impossible de mettre en évidence le régime de Townsend à cause des limitations techniques de notre système d’acquisition et de notre alimentation électrique. Le plasma n’apparaît qu’au point B correspondant au phénomène de claquage. La zone située entre les points B et C marque une transition entre le phénomène de claquage et le début du régime normal. Dans cette zone, la micro-décharge peut se mettre à osciller à une fréquence stable si l’alimentation est limitée en courant : il s’agît du régime auto-impulsionnel, étudié par Rousseau et al {Rou-06}, {Aub-07}. Entre les points C et D, la tension de la micro-décharge reste constante pour une augmentation linéaire du courant : il s’agît du régime luminescent normal. Le régime luminescent anormal devient accessible si pour des courants plus élevés, la surface cathodique est spatialement limitée. Ce n’est pas le cas ici mais l’étude du régime anormal fera l’objet du chapitre 4. Le point D correspond au courant maximum fourni à la micro-décharge par l’alimentation. Entre les points D et E, le signal de consigne impose à la micro-micro-décharge une rampe de courant linéairement décroissante en fonction du temps. La micro-décharge continue de fonctionner en régime normal jusqu’à ce que le courant devienne trop faible pour l’auto-entretenir. Cet événement se traduit au point E par l’annulation du courant, puis entre les points E et F, par une chute progressive de la tension de décharge à travers le condensateur du circuit électrique.

Figure 3.3 – (a) Courbe V-I et (b) oscillogramme d’une micro-cathode creuse à une cavité, de diamètre 240 µm et d’épaisseur 250 µm, fonctionnant dans l’hélium à 100 Torr.

B C D E A F Phénomène de claquage Régime auto-impulsionnel Régime luminescent normal Vers le régime luminescent anormal E F Régime auto impulsionnel

Régime luminescent normal Phénomène de claquage A C B (a) (b)

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Courbe V-I simulée

A l’aide du logiciel GDSim, il est possible de simuler la courbe V-I de l’expérience précédente en considérant les mêmes conditions de travail :

- La micro-décharge fonctionne dans l’hélium à une pression de 100 Torr.

- La micro-cavité creuse ouverte possède une cavité de diamètre 260 µm et de hauteur 250 µm. Un paramètre qui influence grandement la tension simulée est le coefficient d’émission électronique secondaire (γse). Comme nous ne pouvons pas déterminer expérimentalement la valeur de ce coefficient, nous simulons plusieurs courbes V-I, chacune caractérisée par son propre coefficient d’émission électronique secondaire. Ainsi, il est possible de réaliser un ajustement (fit) entre la courbe V-I expérimentale et la courbe V-I simulée qui se superpose le mieux. La figure 3.4. représente la courbe expérimentale de la figure 3.3.a. ainsi que trois courbes V-I simulées, chacune caractérisée par son propre coefficient d’émission électronique secondaire : γse=0,20, 0,25 et 0,30. Le meilleur ajustement est obtenu pour γse=0,30. En effet, la simulation du régime luminescent normal est caractérisée par une tension d’environ 190 V contre 180 V dans le cas expérimental ; cette différence de 10 V est suffisamment faible pour que nous puissions valider la valeur de γse à 0,30.

Par ailleurs, il est important de rappeler que chaque point simulé correspond à une solution stationnaire : chaque point est tracé après un délai d’environ 5 µs correspondant au temps nécessaire à la formation et la stabilisation des gaines cathodiques. C’est la raison pour laquelle la tension de claquage n’apparaît dans aucune courbe simulée puisqu’il s’agît d’un phénomène purement transitoire.

Figure 3.4 – Courbe expérimentale et courbes simulées dans l’hélium à 100 Torr pour trois coefficients d’émission électronique secondaire (0,20, 0,25 et 0,30). Cas d’une cavité de diamètre 260 µm et de hauteur 250 µm.

Résistance de ballast

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3.1.3. Limites de comparaison entre macro-décharges et micro-décharges

Dans la phase luminescente, les courbes V-I de nos micro-décharges sont superposables à celles des macro-décharges à basse pression. Cependant, ces similitudes ne doivent pas nous faire perdre de vue qu’à l’échelle microscopique les mécanismes mis en jeu sont différents : ainsi, d’après les travaux de Kurunczi et al {Kur-01} et de Schoenbach et al {Sch-00}, l’émission excimère mesurée par spectrométrie d’émission optique indique que des réactions à trois corps ont lieu à haute pression alors qu’elles n’existent pas à basse pression. Par ailleurs, à basse pression la production d’électrons secondaires est principalement due au bombardement ionique de la surface cathodique, alors qu’à haute pression ce mécanisme est complété par un bombardement des métastables et des photons {Eic-93}. Enfin, la géométrie même de la micro-cathode creuse diffère de la géométrie des électrodes plans parallèles et peut être à l’origine de phénomènes spécifiques, comme l’effet de cathode creuse ou le régime auto-impulsionnel