Monopic de courant

Présentation

La simulation est effectuée dans les conditions données dans le tableau 5.5. Dénomination/Grandeur Type/Valeur Gaz Néon Pression 100 Torr Amplitude Tension 950 V Fréquence 10 kHz Gap(L) 3 mm Dielectrique (Ld) 1 mm d 5 γ 0.03 R 1000 Ω

Table 5.5 – Conditions de simulation.

Ces conditions sont proches de celles du tube avec une valeur de gap identique de 3mm et une épaisseur de diélectrique de 1mm au lieu de 1.5mm.

La figure 5.5 présente l’évolution du courant pour des taux d’impuretés allant de 0ppm à 10kppm avec 6 valeurs intermédiaires, en régime permanent atteint, et sur 10µs après le passage de la tension appliquée par 0.

Pour des calculs dans le néon (0ppm), le fait de prendre seulement en compte la cinétique des espèces excitées sans azote n’influe pas la valeur du courant. Les résultats sont identiques avec ceux obtenus sans cinétique pour toutes les variables du modèle. Ceci montre que dans ces conditions, le fait de prendre seulement en compte les métastables, les résonnants et les autres états excités ne joue pas sur le comportement de la décharge.

Figure 5.5 – Modèle 0D. Évolution du courant et de la tension en fonction de la quantité d’azote.

En présence d’azote, tout en gardant la cinétique des espèces excitées du néon, le comporte- ment est radicalement différent. Si la quantité d’azote est augmentée, le maximum de courant chute progressivement jusqu’à être divisé par un facteur 3 à 100ppm et le pic de courant s’élargit d’un facteur 2 en se décalant légèrement vers la droite de moins de 1µs. De 100ppm à 10kppm le pic recroit d’un facteur 2 et s’affine à nouveau tout en se décalant vers la gauche de quasiment 3µs. Cette évolution montre que l’effet Penning menant à une ionisation de l’azote par les états excités du néon a une influence significative sur la forme du courant. Comme pour le multipic, un passage par un minimum de courant est remarquable pour 100ppm d’azote. Aucune publication ne fait encore état de ce minimum mais des résultats numériques dans l’hélium à la pression atmosphérique [65] montrent aussi une diminution du pic de courant lors de l’ajout de quelques ppm d’azote.

Évolution des densités

Pour comprendre la ou les raisons pouvant expliquer ces différentes formes de courant, notam- ment la présence d’un minimum, il est nécessaire de regarder comment évoluent des paramètres tels que les densités de particules, le champ électrique et les termes sources. L’évolution des den- sités de métastables, de résonnants et d’ions dans la gaine et d’ions dans le plasma sont présentés sur la figure 5.6. De manière à rendre les résultats plus lisibles, seuls les résultats concernant les cas ayant des taux d’impuretés de 0ppm, 100ppm et 1kppm sont présentés. Chaque courbe est obtenue dans les conditions décrites précédemment pour une durée de 30µs et les échelles sont identiques.

Dans les trois cas, la densité de résonnants est quasiment toujours très inférieure à celle des métastables. Sans azote, la quantité de métastables est toujours importante et constante car il n’y a pas d’effet Penning pour diminuer leur quantité et le courant est quasi nul avant le claquage et après 25µs. Avec 100ppm d’azote, la quantité de métastables est d’un facteur 2 à 5 inférieure au cas pur et la densité d’ions dans la gaine est plus importante à tous les instants en dehors du moment où il y a le pic de courant associé au claquage. Comme la densité d’ions dans la gaine, le courant est globalement plus important sur tous les instants en dehors du pic de courant et ne s’annule pas. La présence permanente d’un plasma est aussi notable. A 1000ppm d’azote, la densité de métastables a encore chuté d’un facteur 10 par rapport au cas précédent et est cette fois-ci inférieure à la densité d’ions dans la gaine. Le pic de courant est plus marqué par rapport au cas à 100ppm mais moins qu’à 0ppm.

5.2 Modèle 0D : Forme du courant 103 L’effet Penning induit de l’ionisation dans le cas ou les quantités de métastables (ou de résonnants) et d’azote sont simultanément importantes. Les résultats montrent qu’il existe un taux d’impuretés optimal autour de 100ppm qui permet de maximiser cet effet d’ionisation de volume. Elle permet de maintenir une densité d’ions suffisante et induit une gaine contractée en permanence, même à bas champ avant le claquage. Comme la gaine est déjà formée au moment du claquage et que la densité d’ions est importante, alors l’augmentation relative du champ nécessaire au claquage est moins importante et induit un petit pic de courant. A 1000ppm, la quantité de métastables diminue ce qui signifie qu’ils sont détruis rapidement par effet Penning pour faire de l’ionisation sans latence. Juste avant le claquage, il y a donc moins d’ionisation en volume à 1000pmm qu’à 100ppm et ceci semble induire un plus grand pic de courant, comme dans le cas sans impuretés.

Figure 5.6 – Modèle 0D. Évolution des densités d’ions dans la gaine (ng), de la densité d’ions dans

le plasma (np), de la densité de métastables (nM) et de la densité de résonnants (nR) en fonction de la quantité d’azote.

Évolution des termes source et du champ électrique

La figure 5.7 présente les évolutions de tous les termes sources dans le néon.

Figure 5.7 – Modèle 0D. Évolution typique de tous les termes sources dans le néon à 100ppm pendant

le pic de courant.

Les différents termes sont séparés par deux ordres de grandeurs en deux groupes. Cette constatation est identique pour les autres taux d’azote testés. Parmi ceux correspondants au groupe du haut, les termes de création d’ions en volume sont :

- R3 : ionisation directe par impact électronique sur les neutres du néon. (ki) : e– + Ne−→ Ne++ 2 e–

- R14 : ionisation Penning par impact des métastables du néon sur l’azote. (kp) : NeM+ N2−→Ne + N

+ 2 + e

–

- R15 : ionisation Penning par impact des résonnants du néon sur l’azote. (kp) : NeR+ N2−→Ne + N

+ 2 + e

–

Les évolutions de ces 3 termes de création accompagnés du terme de disparition des ions dans la gaine par dérive sur la cathode et du champ électrique sont présentés sur la figure 5.8.

Dans le premier cas à 0ppm, la seule source d’ions est l’ionisation directe. Dans les deux autres cas avec azote, le terme source total est traduit par le terme gain total et somme l’effet penning et l’ionisation directe. Les trois cas montrent une concordance forte dans les variations du champ électrique et de l’ionisation directe. Les pertes aux parois par dérive suivent aussi ces variations avec un léger retard d’environ 1µs. Dans les cas où l’effet penning est présent, les termes sources des réactions montrent une ionisation Penning inférieure à l’ionisation directe pendant le claquage mais supérieure ensuite et sur toute la durée entre les claquages. L’effet Penning total provient essentiellement des métastables car leur densité est en permanence plus grande que celle des résonnants. Comme pour le courant, le maximum du champ électrique à 100ppm est plus faible par rapport aux cas pur et à 1000ppm. A l’instant initial, soit au tout début du claquage, le champ est plus important dans le cas où il y a de l’azote. Les brisures de pente dans les termes d’ionisation directe pour les cas 0ppm et 1000ppm sont le signe de la contraction de la gaine évoquée précédemment et non observable dans le cas à 100ppm.

5.2 Modèle 0D : Forme du courant 105 Un calcul rapide des tailles des gaines fictives ’s’ à partir des valeurs du champ et des densités à t = 0 montre une taille d’environ 1.2mm à 100ppm ce qui est inférieur au gap (3mm) et d’environ 3.5mm dans le cas à 1000ppm ce qui est supérieur au gap. Ceci est bien en accord avec les observations précédentes sur les brisures de pente pour l’ionisation directe et la présence permanente d’un plasma à 100ppm.

5.2.3

Bilan

D’après les résultats obtenus avec le modèle 0D pour le cas multipic et le cas monopic, l’ajout d’azote dans des quantités infimes (dès 1ppm) produit une modification importante du comportement de la décharge. Lorsqu’il n’y a pas d’azote, aucun effet n’est observé, même en considérant l’existence des espèces excitées du néon. L’effet Penning entre le néon et l’azote à pour conséquence une modification significative de l’ionisation dans la gaine qui induit à postériori toutes les modifications observées sur le courant, les densités de particules, les champs et les termes de réaction.

Autour de 100ppm, il semble que la proportion d’azote dans le néon soit idéale pour maximiser les effets d’ionisation entre les claquages. Le passage du maximum du pic de courant par une valeur minimale en est la preuve et s’explique par le fait que l’ionisation Penning permet de maintenir une densité d’ion importante dans le gaz quel que soit l’instant. Le claquage est donc initié à plus bas champ que dans les autres cas. Il est donc très probable qu’un claquage à bas champ rendu possible par une ionisation de volume permanente soit lié avec l’observation d’un pic de courant plat et étalé. Ces constatations sont compatibles avec les résultats l’article de F. Massines [63] obtenus dans l’hélium à la pression atmosphérique et visant à comprendre les mécanismes menant à un claquage de type Townsend ou streamer.

Dans la suite, une approche complémentaire de modélisation 2D et une étude expérimentale tentent de lier ces résultats aux phénomènes d’auto-organisation.