Mesures électriques : courant et tension de décharge

Dans cette section, nous étudions les caractéristiques électriques de la décharge NRP micro- plasma dans les conditions standards = , , = et = . D’une part, les mesures électriques apportent des informations sur un grand nombre de grandeurs fondamentales, utilisées par la suite, comme par exemple le champ électrique réduit ⁄ ou le courant . D’autre part, elles donnent accès au calcul de l’énergie, qui va entrer dans le calcul de n’importe quel rendement ou efficacité énergétique pour une application.

A B

Figure 39:A) formes d’ondes mesurées du courant (ligne rouge) et de la tension (ligne noir) de la décharge = et = avec l’intensité lumineuse intégrée sur toute la décharge,

mesurée par la caméra sur le spectromètre (points verts) et la photodiode (bleu pointillé). Les points sont obtenus à partir de l’intégration spatiale de 50 images (voir figure 41) accumulées numériquement. B) L’énergie finale de l’impulsion à = est = . Les courbes

continues représentent le calcul utilisant la compensation de l’inductance et en pointillés, le calcul direct.

La figure 39A montre les formes d’ondes du courant et de la tension instantanés en fixant la consigne de notre générateur d’impulsion pour obtenir = , . Lorsque la décharge est générée, la tension augmente jusqu’à = , , correspondant à un champ maximum moyen appliqué ⁄ = en prenant = , × − avec

= (voir section 5.2.1 pour la mesure de la température).

Après claquage de l’espace inter-électrodes, la tension chute à = brutalement vers ce qui semble être une tension tendant vers en . Nous supposons que la tension aux bornes de la décharge est nulle à = , dans la limite de nos conditions expérimentales, puisqu’un bruit est superposé à notre tension suite à la soustraction de la tension inductive. La courbe de courant quant à elle, augmente de à durant l’intervalle de la chute de tension. On observe alors, quelques nanosecondes plus tard, une nouvelle décroissance vers

La figure 39 présente également l’émission lumineuse mesurée avec une photodiode et le système de spectroscopie d’émission : le pic d’intensité lumineuse correspond au premier pic de courant. Nous avons utilisé la courbe de la photodiode afin de synchroniser les mesures électriques et les diagnostics optiques (voir la section 3.1.4).

Après plusieurs milliers de décharges, la tension maximum moyenne, tombant aux bornes du gap est de ̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅ = , ± , à cause d’une faible instabilité du moment de la chute de la tension. On peut estimer ce temps par la position du maximum de la tension relativement au signal envoyé pour déclencher l’alimentation. Nous notons cette incertitude sur le moment du claquage qui est Δ� = , . Cela conduit à introduire une incertitude sur le champ réduit maximum moyen appliqué ̅̅̅̅̅̅ = / ± .

Les courbes instantanées de la puissance et de l’énergie déposée dans le micro-plasma NRP sont représentées sur la figure 39B. En moyenne, l’énergie par impulsion déposée dans ces conditions est = ± (sur 1000 décharges). Les courbes affichées en pointillés indiquent la puissance et l’énergie calculées directement par les données issues des sondes tandis que les courbes solides sont obtenues en retirant la partie inductive de la tension (voir section 3.2). La puissance maximale est de

.

A B

Figure 40:a) Caractéristiques instantanées de la tension (ligne noire) superposées à la courbe de tension à vide (ligne bleue) dans les mêmes conditions ( = , et = ) b)

Mesure du courant (ligne rouge) de la décharge ainsi que de la courbe de courant en court- circuit (ligne verte) pour une énergie identique fournie par le pulser.

La figure 40 montre des courbes de tension-courant identiques à celles de la figure 39. Les différentes courbes superposées sont acquises avec la même énergie délivrée par le pulser : la courbe de tension obtenue lorsqu’il n’y a pas de claquage (grâce à l’écartement des électrodes), la courbe de courant obtenue en court-circuit (lorsque les électrodes sont en contact) ainsi que les courbes courant-tension d’une décharge avec = .

Après le claquage, le courant s’écoulant dans la décharge tend à rejoindre la courbe en court- circuit à = . En revanche le second pic survenant par la suite n’est pas observé avec le cas court-circuit. Cela indique un comportement non-linéaire dont la constante de temps est

évaluée à environ . A partir de = , la courbe de courant de la décharge et celle en court-circuit sont exactement superposées indiquant ainsi, qu’après la chute de tension, la décharge se comporte comme une résistance de très faible valeur par rapport à (voir section 3.1.1 et 3.2).

Dans le cas de = , plusieurs indices révèlent que la résistance de la décharge est plus importante. Premièrement, malgré le bruit sur la mesure, la tension après claquage ne tombe pas complètement à 0 V. De plus, on aperçoit que la courbe de courant ne rejoint pas la caractéristique en court-circuit ; cela indique qu’il y a un diviseur de courant significatif entre la décharge et la résistance . C’est probablement pour cette raison que le courant maximum traversant le plasma atteint des valeurs plus faibles à environ 24 A. Le comportement de chute de tension, caractéristique des étincelles, est plus tardif de , que le micro-plasma.

La seconde bosse est toujours observée pour = , mais elle a maintenant une amplitude plus faible que le premier pic contrairement au cas de = . Cela s’explique par la position, car la pente descendante est plus tardive que celle de la courbe de courant en court-circuit. Enfin la différence de temps entre les deux pics a été conservée puisqu’elle est de , pour le micro-plasma et de , pour la décharge millimétrique. Pour = une énergie = et un champ réduit de ⁄ = sont obtenus.

L’étude du confinement sur les caractéristiques électriques de la décharge sera abordée lors du chapitre 7. Cette section nous a permis de quantifier le champ électrique et l’énergie déposée pour deux distances inter-électrodes = et = .