Objectif et état de l’art

Les jets de plasma se propagent sur de longues distances mais leur diamètre est limité à quelques millimètres. Ils ne sont donc pas très efficaces pour des applications à grandes échelles. Une solution à cet inconvénient serait de translater le jet de manière à traiter toute la surface désirée, mais de tels modes opératoires consomment du temps et demandent une certaine automatisation. Une solution plus efficace serait d’organiser plusieurs jets de plasma selon une matrice 1D ou 2D, opérant simultanément depuis une alimentation unique. Ce concept a déjà été validé par plusieurs groupes [31], [77], [83], [195]–[206], et utilise soit une excitation RF, soit une excitation impulsionnelle. Mais pour de telles configurations les jets peuvent interagir entre eux, comme le montre en exemple la Figure 5-1 (a). D’un autre côté, il peut être intéressant de produire volontairement l’interaction entre deux ou plusieurs jets de plasma ciblant une même zone à traiter. Ce procédé permettrait d’augmenter la dose déposée par le plasma ou de régler finement la composition des espèces réactives en utilisant un mélange de gaz différent pour chacun des jets. Certaines équipes ont déjà expérimenté cette application [207], [208], dont un exemple est présenté à la Figure 5-1 (b).

L’étude de la contre propagation de deux jets de plasma, placés l’un en face de l’autre, ne représente pas exactement la configuration des applications citées ci-avant, mais

Figure 5-1 : (a) Matrice de 31 jets d’hélium à pression atmosphérique excités à une fréquence de 6 kHz [83]. (b) Interaction de deux jets d’hélium à pression atmosphérique, où la distance inter-électrode est de 2,3 mm pour une tension appliquée de 5,2 kV [207].

permettrait de comprendre de quelle manière interagissent deux jets de plasma, et ainsi d’améliorer les applications liées à ce sujet.

A l’heure actuelle seules quelques équipes se sont intéressées à l’interaction de deux jets de plasmas. Leur travaux et résultats sont résumés ci-dessous.

Algwari et al [209] ont étudié la contre propagation de deux jets de plasma dans un tube en forme de T, dont le dispositif est schématisé sur la Figure 5-2 (a). Au niveau de chaque bras du T est amorcé un jet de plasma alimenté par un débit d’hélium. Lorsque les deux fronts d'ionisation arrivent au niveau de l'interaction, ils ne fusionnent pas directement. Dans le canal commun du «T», ils vont tout d'abord se propager le long de leur paroi respective et vont ensuite se mélanger petit à petit au cours de leur propagation pour finir par former un seul front d’ionisation.

D’autre part, Sarron et al ont également étudié la propagation d’un jet de plasma alimenté en néon, se propageant dans un tube en forme de boucle relié de part et d’autre d’un tube droit. Un schéma du dispositif est présenté en Figure 5-2 (b) [210]. Expérimentalement Sarron et al observent qu’à l’approche de l’intersection le front d’ionisation se divise en deux, et un streamer se propage dans chacune des deux branches de la boucle de manière symétrique. A l’approche de la jonction, les deux fronts d'ionisation se mixent en un seul. La propagation de ce plasma est montrée à la Figure 5-3 (a). Un modèle numérique de cette configuration a été réalisé par Xiong et al [211] (Figure 5-3 (b)) et ils expliquent que la division du front d’ionisation à l’approche de l’intersection est facilitée par le chargement de la paroi opposée, créant alors un champ électrique latéral, ce qui a comme conséquence d’initier deux streamers, qui possèdent des directions opposées. De la même manière, l’unification des deux

Figure 5-2 : Schéma des dispositifs expérimentaux de (a) Algwari et al [78], [209] (b) de Sarron et al et [210], [211] et (c) de Wu et al [212].

streamers, au niveau de fusion de la boucle et du tube droit, est facilitée par le champ électrique créé à l’approche des deux fronts d'ionisation.

De même, Wu et al ont fait contre propager deux jets de plasma dans un tube en quartz alimenté par un débit d’argon [212], dont le dispositif est schématisé sur la Figure 5-2 (c). Ils montrent que les deux plasmas créés sont influencés par la direction du débit de gaz et observent que lorsque le gaz est en régime turbulent, le plasma prend une structure en forme de serpent (Figure 5-3 (c)), qui serait due à la distribution des charges le long de la surface du tube diélectrique.

Les quelques équipes qui se sont intéressées à la contre propagation de deux jets de plasma ont effectué cette étude au sein de capillaires diélectriques. Dans ce chapitre, l’étude sera focalisée sur la contre propagation de deux jets de plasma se propageant dans l’air ambiant, ce qui représente une configuration, qui à l'heure actuelle n'a jamais été étudiée. Ces investigations ont été réalisées par le biais de diagnostics d'imagerie, de spectroscopie et électriques, dont le principe est décrit en détail au chapitre 2.

5.2 Dispositif

Le dispositif expérimental, schématisé sur la Figure 5-4, présente deux micro-jets identiques placés exactement l’un en face de l’autre. Chaque décharge est composée d’un tube diélectrique respectivement de diamètres interne et externe de 1 et 3 mm correspondant à la décharge n°1 présentée au chapitre 3, Pour cette étude, l’électrode externe est positionnée à 4,5 mm de l’extrémité du tube (cette distance est représentée par ee sur la Figure 2-1) et l’électrode haute tension est placée à 7,5 mm depuis l’extrémité du tube (représente la distance ei sur la Figure 2-1). Les débits d’hélium

Figure 5-3 : (a) Propagation d’un plasma dans un tube en verre circulaire [210]. (b) Résultats d’une simulation numérique de l’ionisation par impact électronique de (a) [211]. (c) Contre propagation de deux jets de plasma dans un capillaire [212].

utilisés dans cette étude sont dans la gamme 150-1500 sccm. Chaque décharge est alimentée par un module haute tension. Ces modules sont identiques et connectés à une même alimentation continue capable de délivrer une tension de 0 à 300 V. Le générateur d’impulsion permet de synchroniser à la nanoseconde près les impulsions haute tension, afin que les deux décharges s’amorcent au même instant. Les impulsions de haute tension (3-6 kV) sont appliquées entre les deux électrodes de chaque décharge avec une fréquence de répétition de 20 kHz.

Pour cette étude, chaque décharge est placée sur un système de micro-platine permettant un déplacement de rotation et translation selon les trois directions avec une précision de 10 µm. La distance entre les deux décharges peut être ajustée de 5 à 20 mm, de telle sorte que le jet produit par l’une des deux décharges, qui a une longueur de 25 mm pour une tension de 5 kV, peut facilement atteindre la décharge opposée.

Dans la suite, nous allons nous intéresser à deux configurations différentes. Le premier cas traité représente une configuration où un débit d'hélium provient de chaque décharge (paragraphe 5.3), tandis que le second sera consacré à l'étude de la contre propagation de deux jets de plasma, lorsque le débit de gaz ne provient que d'une des deux décharges (paragraphe 5.4).