Les paragraphes précédents nous ont montré les différences de mécanisme de décharge dans un plasma à basse pression et à haute pression. Cette dernière est beaucoup plus complexe et, comme nous l’avons dit, le développement de la décharge passe par plusieurs phases.
Pour les décharges à haute pression, le mécanisme de claquage détermine le type de décharges : soit filamentaire soit luminescente. Selon de nombreuses études déjà réalisées, il est admis que le produit pression - distance inter-électrodes joue un rôle déterminant dans le développement de ces décharges [El-1][Ha-2].
A pression atmosphérique ou plus, les filaments, comme ceux de la figure 1.9.a ont des diamètres de quelques dixièmes de millimètre et des durées de vie de l’ordre des centaines de nanosecondes [El-1]. Ces paramètres dépendent, entre autres, de la pression, de la distance inter-électrodes, de la nature du gaz utilisé et du mélange du gaz. L’échange d’énergie entre les particules lourdes (atomes ou molécules) et les électrons est alors très efficace et d’après Eliasson [El-1] il n’est pas inhabituel de transformer 90% ou plus d’énergie cinétique en énergie « stockée » dans les espèces excitées. Les pertes par collision élastique sont très faibles, et donc très peu d’énergie est perdue sous forme de chaleur.
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Figure 1.9 : Photographies de décharge filamentaire obtenues par caméra rapide [Ma-2][Me- 4] ; a) aspect filamentaire, b) homogène.
A des pressions inférieures, le diamètre ainsi que le nombre des filaments augmentent. L’aspect de la décharge devient plus diffus, et, si la pression diminue encore, une décharge luminescente uniforme peut être obtenue. Cependant, sous certaines conditions particulières, des décharges luminescentes ou des décharges homogènes peuvent être réalisées même à forte pression (cf figure 1.9.b). Elles sont principalement utilisées pour certaines applications, par exemple, pour les traitements de surface car elles permettent des traitements uniformes et de meilleure qualité que les décharges filamentaires. Toutefois, ces décharges homogènes ne sont pas aussi stables que les décharges filamentaires et ne sont pas faciles à obtenir dans tous les gaz ou mélanges de gaz d’intérêt industriel.
Dans les paragraphes suivants nous nous contenterons de rappeler seulement les principaux mécanismes et les conditions de fonctionnement qui conduisent à des décharges soit filamentaires soit luminescentes.
1.3.1 Décharge filamentaire
Comme mentionné dans les sections précédentes, le mécanisme du développement de décharge dépend principalement du produit pression–distance (p.d) inter-électrodes. Pour des valeurs de l’ordre de quelques Torr.cm, un claquage de Townsend est obtenu ; par contre, pour des valeurs de p.d supérieures à quelques dizaines Torr.cm, le claquage normalement observé est de type « filamentaire » (aussi appelé streamer » [Ra-2]. La théorie du streamer a été développée en 1939 à la fois par Raether [Ra-1] et par Meek et Loeb [Me-1] et permet d’expliquer le développement des filaments. Ce phénomène a été explicité dans les paragraphes précédents. Plusieurs auteurs [El-1][Ko-2][Ha-2] et surtout des récents travaux de
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modélisation d’une DBD filamentaire dans l’azote [Ce-1] ont montré clairement que la décharge filamentaire débute du côté de la cathode.
Les caractéristiques typiques d’un filament (dans l’azote, l’air ou l’oxygène) sont résumées dans le tableau 1.1.
Durée (ns) 1-10
Vitesse de propagation (m.s-1) 106
Rayon d’un filament (mm) 0.1
Densité de courant (A.m-2) 105 -107 Densité électronique (m-3) 1020-1021 Energie électronique moyenne (eV) 1-10
Tableau 1.1 : Ordre de grandeur des principales caractéristiques d’un filament [Ko-3][Me-4].
En ce qui concerne le dispositif utilisé pour cette étude, la distance inter-électrodes est de 2mm [Me-4] et la pression du travail proche de la pression atmosphérique. Ainsi le produit p.d est de l’ordre de quelques dizaines de Torr.cm et le mécanisme de claquage du gaz le plus probable est de type streamer.
1.3.2 Décharge luminescente ou diffuse
Dans certaines configurations, il est possible d’obtenir une décharge homogène recouvrant l’intégralité de la surface des électrodes à pression atmosphérique sans se trouver en régime d’arc. Kogama Masuhiro et Al [Ko-1] en 1993 ont émis une série de recommandations empiriques pour obtenir une décharge homogène hors d’équilibre à pression atmosphérique :
Choisir une distance inter-électrodes et des matériaux appropriés (électrodes et diélectriques).
Maîtriser la composition gazeuse et le taux d’impuretés.
Contrôler l’alimentation de la décharge : fréquence approprié de l’ordre de quelques kHz, haute tension de l’ordre de quelques kV et accord d’impédance.
Deux familles de décharges dites homogènes sont alors distinguées : les décharges par couplage de streamers sur la figure 1.10.a et les décharges luminescentes de « type
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Townsend » sur la figure 1.10.b. Même si elles ont une homogénéité spatiale semblable, les mécanismes physiques responsables de leur établissement et entretien sont différents. Les premières se rapprochent de la décharge filamentaire, alors que les secondes sont voisines des décharges luminescentes à basse pression [Ma-2].
a) Couplage de streamers b) Luminescente de type de Townsend
Figure 1.10 : Photographies par caméra rapide de décharges de nature différente ayant cependant toutes les deux un aspect homogène [Ma-2].
Les décharges par couplage de streamer sont constituées de nombreuses micro-décharges réparties aléatoirement sur la surface des électrodes. Chaque micro-décharge suit le principe de formation d’un streamer développé dans le paragraphe précédent. Si la quantité d’électrons germes (initialement présent) est élevée, plusieurs filaments prennent naissance. A cause du nombre important de ces filaments et de leur proximité, les avalanches peuvent se chevaucher et l’ensemble peut être considéré comme une avalanche initiale de plus grand rayon [Pa-1].
Dans une décharge à barrières diélectriques fonctionnant à la pression atmosphérique, on peut avoir des décharges de Townsend et des décharges luminescentes ayant les mêmes caractéristiques V (I) et la même répartition de champ électrique que les décharges basses pressions. Mais, à une telle pression, les densités de particules chargées et excitées sont forcement beaucoup plus importantes (d’un facteur 1000 par rapport à une vraie décharge luminescente). Les particules lourdes (comme les métastables par exemple) qui ne jouent qu’un rôle secondaire à basse pression tiennent ici un rôle majeur [Ma-6].
Comme pour la décharge filamentaire, pour donner un ordre d’idée, nous avons reporté, dans le tableau 1.2, les caractéristiques principales d’une décharge luminescente à pression atmosphérique :
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Durée du pic de courant 5s
Dimension Toute l’électrode
Densité d’électrons à l’amorçage 106cm-3
Densité de courant 10mA.cm-2
Densité de courant maximale 3.1011cm-3
Tableau 1.2 : Caractéristiques d’une décharge luminescente dans l’Hélium [Ma-3].