Imagerie rapide intensifiée à travers le spectromètre

La figure 41 présente une série résolue temporellement de dix images intensifiées de la décharge obtenue à travers le spectromètre en réglant le réseau de diffraction à . Nous considérons que cette série est représentative d’un évènement de décharge NRP micro-plasma du fait de la stabilité de la décharge. Dans la limite de nos conditions expérimentales, nous pouvons affirmer qu’aucune lumière n’est émise à = , et qu’une lumière diffuse apparaît à = . Cette émission diffuse apparaît lorsque le champ électrique n’a pas

encore atteint son maximum, la période qui précède la montée du courant. Un canal reliant l’anode et la cathode est ainsi formé : l’évènement de claquage diffus apparaît dès les premiers instants.

Figure 41:Imagerie instantanée de plusieurs décharges pour , avec les conditions expérimentales de la figure 39 ( = , = ) . Le gain est resté constant et =

sur tous les pas de temps. Aucune émission n’est observée à = , .

Cette phase est prolongée jusqu’à = et une lumière intense est alors observée proche de la cathode à = , . Au début de la montée du courant à = , une constriction brutale du canal apparaît moins d’une nanoseconde après cette émission près de la cathode. Suite à la constriction, nous observons que l’émission lumineuse s’homogénéise dans l’espace inter-électrodes pour > , et que le diamètre de la décharge augmente.

La transition entre les images sur la figure 41 de = à = , est brusque. Nous effectuons une expérience pour = pour deux raisons principales. En premier, si nous pouvons voir la propagation d’une onde, nous pouvons l’observer avec = car la résolution spatiale relative à est plus importante. Deuxièmement, les mesures électriques de la section 4.1 avec la figure 40 semblent montrer que la chute du champ électrique est plus lente dans le cas de = que pour = . Cela devrait permettre de mieux distinguer les phases que nous observons lors du claquage.

Les images pour = sont reportées sur la figure 42A. La dynamique entre les décharges micrométriques et millimétriques semblent identiques car les phases homogène et filamentaire sont également observées.

A B

Figure 42:A) Ensemble d’images instantanées intensifiées de = à = , dans les conditions de la figure 40 pour, = et = ; B)images intensifiées pour =

, . L’échelle de couleur est à l’échelle logarithmique.

Cependant, la résolution spatio-temporelle relative à , nous permettant ainsi d’observer une phase supplémentaire sur la figure 42A : pour = , , un foyer14 à l’anode et à la cathode est apparu. La figure 42B donne un aperçu de la même image avec les contrastes en échelle logarithmique, ce qui montre que l’aspect homogène est maintenu au milieu du gap. Enfin, nous observons pour = , que la phase filamentaire est présente dans tout l’espace inter-électrodes mais que l’émission « diffuse » est toujours visible.

Des aspects homogènes et filamentaires ont été observées de nombreuses fois dans la littérature sur les décharges pulsées. Nous reportons plusieurs études couplant imagerie et mesures électriques dans le tableau 12. Nous utilisons les termes « diffus » ou « homogène » pour désigner l’aspect de la première phase ainsi que « filamentaire » ou « contracté » pour l’aspect de la seconde phase.

Tableau 12 : Résumé des études reportant un régime d’étincelle d’apparence diffuse (ou homogène) et/ou filamentaire. Source [26] [125] [27] [21] [20] [40] Gaz + Air Air Air ,

Air Air Air

⁄

̂

��

� > <

,

Aspect décharge Streamer

filament

Streamer filament

Diffus filament

Diffus Diffus Streamer filament Diffus filament Diffus filament Source [28]15 _{[149] [150] [25] [25] [151] [46]}

Gaz Air, 8 bar Air Ne Air Air He Ar

⁄

̂

�� ℎ − −

�

, , , ,

Aspect décharge Streamer

filament

Diffus ? Diffus Diffus

Filament

Streamer ?

La figure 43 offre une répartition des études reportées dans le tableau 12 selon les phases des décharges.

Première phase : homogène ou streamer

Ce type de claquage apparemment homogène a déjà été observé pour des étincelles NRP dans dans l’étude de Pai et al. [21], Rusterholtz et al. [20], Pai et al. [149] et dans de la vapeur d’eau par Sainct [27] (p86). Pour un régime avec un champ pulsé bien plus important qui devrait générer des électrons runaway, Shao et al. [25] reportent le régime diffus pour =

, et = .

Concernant chacune des études du tableau 12, et sur la figure 43, la phase filamentaire n’apparait jamais comme première phase. Ainsi, les études ne présentant pas le claquage homogène reportent la propagation d’un avant la filamentation.

Les paramètres les plus influents ont été mis en évidence, premièrement par Palmer [13], puis par Levatter et Lin [14], et enfin repris par Pai et al. [21] pour la présence de ce claquage homogène lors des décharges pulsées. Il s’agit principalement de la pré-ionisation et la variation temporelle du champ électrique qui peuvent empêcher les conditions pour l’apparition d’un streamer. Nous reportons dans le tableau 12 les paramètres influents : la fréquence de répétition , le temps entre l’application et la chute de la tension � , et le champ électrique / qui a été calculé à partir des données issues de la bibliographie. Nous étudierons la présence du claquage homogène pour notre configuration dans la section 4.3.2. L’absence de claquage homogène dans les études de Shcherbanev [28] et de Lo et al. [40] pourrait être expliquée par une fréquence de répétition trop faible. Horst et al. [26] utilisent une fréquence également plus basse et � plus élevé que les autres études, mais l’absence de phase diffuse pourrait aussi être due à la recombinaison rapide de +, l’ion majoritaire dans un plasma de .

L’ion majoritaire dans de l’air préchauffé à haute température comme dans Pai et al. [21] et Rusterholtz et al. [20] devrait être + ; sa recombinaison devrait être plus lente que

+ _{(voir dans section 4.4.1). Enfin, dans le cas de Janda et al. [125], la montée de tension très}

lente avec � > serait la cause de l’apparition du streamer comme première étape.

Apparition d’une deuxième phase filamentaire

L’apparition d’une phase filamentaire est reportée pour des études avec le régime étincelle telles que dans Janda et al. [125], Lo et al. [40], Sainct [27] et Horst et al. [26]. Shao et

al. [25] l’observent également pour la configuration de micro-plasma mais pas pour la

configuration millimétrique. L’étude de Shcherbanev [28] montre que ce comportement n’est pas exclusif à des étincelles puisqu’il obtient une contraction du canal formé par le streamer avec une décharge à barrière diélectrique dans des gaz portés à haute pression ( > ). Ainsi, nous recensons seulement deux cas où l’aspect homogène est poursuivi de la contraction du canal : dans de la vapeur d’eau dans l’étude de Sainct [27] et dans l’air avec la configuration micrométrique de Shao et al. [25].

Dans les études que nous venons de citer, il apparait que la contraction du canal est associée à la réduction du diamètre de la décharge initiale (homogène ou streamer) et à une forte augmentation de la densité électronique à ~ − . Nous aborderons ces propriétés dans les sections 4.2.2, 4.4, et 5.3.1.

Nous évoquons maintenant des raisons pour lesquelles le phénomène est absent dans plusieurs études. Deux paramètres semblent prépondérants. Tout d’abord, cette contraction commence toujours par la formation d’un foyer à la cathode ou à l’anode, ce que nous observons sur les figures 41 et 42A. Cela est reporté par Shcherbanev [28] ou Shao et al. [25] par exemple. L’étude de Pai et al. [149] montre des images d’une étincelle NRP pour = et

= , . On y observe que des foyers lumineux se sont formés. Cela indique que le foyer est toujours présent pour mener à la contraction mais qu’il n’est pas systématiquement suivi d’une contraction.

Le processus de contraction initié par le foyer peut ne pas s’étendre dans l’ensemble du gap. Cela s’observe dans le cas de = dans Shao et al. [25]. Les études [149] et [25] montrent que couper le courant avant que le phénomène de constriction ne se propage dans le gap pourrait être un moyen d’éviter ce régime. L’autre paramètre concerne la densité du gaz dans laquelle la décharge est générée. Shcherbanev [28] (p 107) indique dans le cas d’une DBD, que le délai pour provoquer la contraction du canal diminue lorsque la pression augmente dans de l’azote pur ou de l’air, à polarité positive ou négative. Sur la figure 43, deux études ne présentant pas la contraction du canal sont également celles dans laquelle la densité de l’air est la plus faible à cause d’un préchauffage d’au moins .

Nous en concluons que la filamentation de la décharge serait liée au maintien du courant pendant un temps nécessaire dans la décharge. Ce temps devrait être dépendant de plusieurs paramètres dont la densité du gaz. Les impulsions longues comme dans [26,125] permettraient d’obtenir ce régime, car elles laissent plus de temps au phénomène de se produire.

Dans notre étude, l’apparition du foyer à la cathode est assez inconstante : environ après la première émission soit à ≈ pour = et ≈ pour = . La

figure 44 met en évidence l’inconstance du moment d’apparition du foyer lumineux proche de la cathode alors que l’émission diffuse est extrêmement stable et toujours présente à = sans aucune lumière détectée pour = , .

Le temps effectif d’exposition est de , , donc le temps caractéristique lié à l’instabilité de l’apparition du régime diffus est Δ� < . alors que celui concernant l’apparition du foyer est Δ� > . Ce temps caractéristique est plus proche du temps correspondant à l’instabilité du claquage Δ� estimé par la position du maximum de la tension : cela indique que l’émission diffuse ne correspond pas au moment de la caractéristique tension-courant descendante.

A B

Figure 44:Imagerie instantanée de plusieurs décharges avec = A) pour = , à = , et = , mettant en évidence le l’instabilité temporelle de l’apparition du foyer

proche de la cathode, B) pour = .

Notre banc expérimental avec notre temps d’exposition minimum = et notre échantillonnage temporel effectué toute les , ne nous permet pas d’observer des phénomènes dont la vitesse est supérieure à . − pour = .

Pour les deux décharges, la visualisation des images permet de mettre en évidence deux régimes en un intervalle de temps très court après application de l’impulsion ( < ) :

 une phase diffuse, le contraste des images est distribué de manière homogène ;

 une phase filamentaire avec foyer se produisant en premier sur la cathode puis sur l’anode.

Dans la partie suivante, nous utiliserons ces images afin de quantifier le diamètre de la décharge.