Réacteur (e): TiO 2 + U
Annexe 2 : Paramètres complémentaires
2. INFLUENCE DE L EPAISSEUR
Une question est revenue souvent au cours de diverses communications: que se passe-t-il si on change l’épaisseur du diélectrique ? C’est ici que nous apportons la réponse. Les résultats présentés dans cette partie ont été obtenus avec une plaque de verre de 4 mm d’épaisseur, au lieu de 2 mm précédemment. Les autres paramètres ont été gardés constants : tensions appliquées 10 et 14 kV, flux d’air de 500 sccm.
2.1. Paramètres électriques
Augmenter l’épaisseur du diélectrique a pour premier effet d’augmenter la tension du premier amorçage U0 du plasma. Ainsi, on passe de U0 = 2,7 kV (2 mm d’épaisseur) à 3,2 kV pour 4 mm
d’épaisseur.
2.1.1 Durée d’un transfert de charges
La Figure 4 montre un incrément de tension aux bornes de la capacité de mesure. La forme est identique à celles obtenues dans l’air.
-100 0 100 200 300 0 20 40 60 80 100 Um ( V ) t (ns) 46 ns Epaisseur 4 mm
Figure 4: Incrément de tension aux bornes de la capacité de mesure pour 4 mm d’épaisseur.
Le signal est assez perturbé par les oscillations de circuit, mais on peut tout de même estimer une durée de 46 ns. Cela reste du même ordre de grandeur que pour 2 mm.
2.1.2 Puissance électrique
Si l’on trace simplement la puissance électrique en fonction de la tension appliquée, on voit que la puissance est inférieure pour 4 mm d’épaisseur :
8 10 12 14 16 18 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 P (W) Uamax (kV) 2 mm 4 mm
Figure 5: Puissance électrique pour 2 mm d’épaisseur (en noir) et 4 mm d’épaisseur (en rouge).
Cela est uniquement dû au décalage imposé par la tension de claquage. Si l’on trace la puissance électrique en fonction du paramètre Uamax-U0, la différence disparaît :
4 6 8 10 12 14 16 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 P (W ) Uamax-Uo (kV)
Figure 6: Puissance électrique pour 2 mm (en noir) et 4 mm d’épaisseur en fonction du paramètre Uamax-U0.
L’épaisseur influe donc uniquement sur la tension de départ. A partir de cette tension, la puissance se comporte de la même façon.
2.1.3 Extrema
Nous n’utilisons pas souvent les extrema dans nos mesures, sinon pour vérifier la stabilisation de la surface. La comparaison des intensités d’une condition à l’autre n’est pas toujours évidente, comme dans le mélange N2/O2 par exemple, où la durée des pics de courant n’est pas comparable.
Néanmoins, les extrema permettent de voir à quel moment de la période la décharge commence. Etant donné que changer l’épaisseur change la tension U0, il serait intéressant de voir s’il
Figure 7: Extrema obtenus à Uamax= 10 kV (a) et 14 kV (b). En rouge : épaisseur 4 mm. En noir : épaisseur 2
mm. Mesures moyennées sur 500 périodes.
A Uamax = 10 kV, la décharge de l’alternance positive débute à t = 19,56 ms pour 2 mm
d’épaisseur contre 19,68 ms pour 4 mm. Si l’on monte la tension à 14 kV, les deux décharges débutent à t = 19 ms. Autant l’écart entre les tensions U0 est significatif, autant celui sur Ub est réduit.
L’épaisseur joue donc un rôle important pour la première tension d’allumage du plasma. Une fois celui-ci établi, il n’y a plus de différence.
2.2. Images intégrées de l’alternance positive
Augmenter l’épaisseur augmente U0, mais n’a pas d’effet sur Ub. Voyons si les mesures
intégrées peuvent nous apporter des informations.
2.2.1 Aspect de la décharge
Les images de la figure 8 correspondent à des mesures intégrées de l’alternance positive pour chaque épaisseur.
Figure 8: Images intégrées de l’alternance positive pour 2 mm (a) et 4 mm (b) d’épaisseur. Uamax = 10 kV.
Sur ce plan, pas de différence significative. Cela n’est pas tellement surprenant étant donné que nous avons vu en 5 que c’est l’oxygène qui joue le rôle le plus important dans la morphologie des filaments.
2.2.2 Charge par filament
0 20 40 60 80 0 20 40 60 80 Q (nC) N filamentsFigure 9: Quantité de charges transférée en fonction du nombre de filaments pour 2 mm (en noir) et 4 mm
d’épaisseur (en rouge). Etoiles : Uamax = 14 kV ; carrés : Uamax= 10 kV.
La charge par filament reste inchangée quelle que soit l’épaisseur, avec 1,20 ± 0,03 nC. Les deux courbes couvrent la même zone du graphe pour 10 kV. A 14 kV, l’intervalle balayé par la décharge pour 4 mm d’épaisseur est inférieur, mais cela pourrait être attribué à l’aspect statistique de la mesure. De plus, les amplitudes des extrema sont identiques.
2.3. Images de l’alternance négative
Les images de l’alternance négative n’apportent pas d’informations supplémentaires :
Figure 10: Images de l’alternance négative, pour 2 mm (a) et 4 mm (b), Uamax= 10 kV. Caméra : t = 14 ms, porte
1 ms, 10 accumulations.
Leur comparaison confirme que les deux décharges sont identiques une fois le plasma établi.
2.4. Conclusion
Les résultats présentés ici montrent une fois de plus l’importance des charges adsorbées dans l’amorçage du plasma. Le premier claquage, caractérisé par la tension U0, dépend de l’épaisseur du
diélectrique, ou des caractéristiques du gaz. Une fois que le plasma a déposé suffisamment de charges sur le diélectrique, celles-ci vont considérablement aider à amorcer, de telle sorte que l’effet de la
3. INFLUENCE DU C
2H
2Il ne nous reste plus qu’à introduire un dernier acteur : le C2H2. C’est sur cette molécule que vont
porter toutes nos mesures de chimie, il faut donc savoir si elle a un effet sur la structure du plasma. Ici nous modifions à nouveau la composition chimique du gaz. Le flux est constitué de 450 sccm d’air et de 50 sccm d’un mélange de 1% de C2H2 dans N2. Le flux total comportera donc 18 %
d’oxygène au lieu de 20, et 1000 ppm de C2H2.
3.1. Paramètres électriques
3.1.1 Durée d’un transfert de charges
Sur la Figure 11 nous voyons que l’incrément de charges aux bornes de la capacité de mesure n’est pas du tout affecté par la présence de C2H2, ni par la perte de 2 % d’oxygène :
0 100 200 300 0 10 20 Um(V) t (ns) 40 ns 1000 ppm C2H2
Figure 11: Incrément de tension aux bornes de la capacité de mesure pour 1000 ppm de C2H2.
La modification de la concentration en O2 dans le mélange est donc trop minime pour induire un
changement sur la décharge, ce qui est plutôt positif. D’autre part, nous n’avons pas mesuré de différence au niveau de la puissance électrique.
3.2. Mesures intégrées
L’ajout de 1000 ppm de C2H2 et la perte de 2 % de O2 n’ont pas d’effet sur les caractéristiques
électriques du plasma. Afin de compléter l’étude, il faut encore vérifier la charge par filament, et l’extension du plasma.