5 Réunion de deux PAPS « identiques »
5. RÉUNION DE DEUX PAPS « IDENTIQUES »
PAPS-II en direction du point S.
1020 ns 1100 ns 1240 ns
1300 ns 1340 ns 1400 ns 1500 ns
1270 ns
E S
D1
D2
E S
(a) Visualisation globale du capillaire circulaire. Temps d’exposition :50 ns. D1
D2
S
E PAPS-I
PAPS-II PAPS-0
PAPS-II
(b) Schéma de la géométrie du capillaire et défini-tions des PAPS.
1360 ns 1380 ns 1400 ns 1440 ns 1460 ns
(c) Zoom sur le point S du capillaire. Temps d’ex-position :10 ns.
FigureIV.18 – Imagerie ICCD de la propagation de PAPS à l’intérieur d’un capillaire circulaire de diamètre 10 cm. Les capillaires de sortie sont situés à 15 cm de l’électrode interne. Les traits blancs indiquent la géométrie du capillaire. Débit néon : 500 sccm, tension appliquée : −25 kV.
Au cours de la propagation des PAPS-II, l’intensité lumineuse émise par le front d’ionisation,
ainsi que la vitesse diminuent. Cependant, cette diminution s’accentue à mesure que les PAPS-II sont proches l’un de l’autre. Au temps t =1 500 ns, les PAPS-II sont arrivés au point S et leur vitesse et intensité lumineuse sont très faibles, voire nulles.
La figure IV.18(c) illustre la propagation des deux PAPS au voisinage du point S. La dimi-nution de la vitesse et de l’intensité lumineuse s’accompagne d’une dimidimi-nution du volume du front d’ionisation. La diminution de ces trois caractéristiques accompagne l’extinction des PAPS.
Cette extinction est relativement longue. En effet, la proximité des fronts d’ionisation conduit à une diminution graduelle de la vitesse ainsi qu’une distance minimale d’approche des deux fronts.
Au temps t=1 500 ns, les deux PAPS se sont éteints après avoir atteint leur distance minimale d’approche. Cette chute de vitesse, ainsi que la présence d’une distance minimale ont également été observées dans le cas de deux jets de plasma se propageant dans l’air ambiant [116].
5.2 Interaction de deux PAPS à proximité d’une jonction de capillaires L’interaction de deux PAPS à proximité d’une sortie de capillaire est obtenue à l’aide d’un capillaire à géométrie circulaire, (figure IV.11(a)). L’utilisation d’une telle géométrie est nécessaire pour plusieurs raisons :
1. Génération de deux PAPS identiques au point E (PAPS-I).
2. Peu d’interactions entre les PAPS sur plus de la moitié du parcours.
3. Étude de l’interaction de deux PAPS (PAPS-I) à proximité de la jonction des deux branches (point S).
Afin de minimiser l’influence des PAPS entre eux, un capillaire circulaire de diamètre15 cmsitué également à 15 cm de l’électrode interne est utilisé. Le PAPS-0, généré aux électrodes, va donc se propager sur 15 cm avant d’être divisé en deux PAPS-I identiques. Ces mêmes PAPS-I vont ensuite poursuivre leur propagation à l’intérieur des branches du capillaire, jusqu’au point de jonction (point S de la figure IV.11(a)), pour ensuite continuer leur propagation dans le capil-laire rectiligne en aval de la jonction. La propagation de PAPS à l’intérieur d’un tel capilcapil-laire est représentée en figure IV.19 ainsi que l’évolution de l’intensité lumineuse émise au cours de leur propagation. Au fur et à mesure de la propagation, les caractéristiques des PAPS évoluent, no-tamment la vitesse de propagation ainsi que l’intensité lumineuse émise par le front d’ionisation.
L’évolution de l’intensité lumineuse des PAPS se propageant dans un capillaire circulaire présente trois phases :
1. Diminution liée à la propagation du PAPS au sein d’un capillaire.
2. Chute de l’intensité lorsque les PAPS-I sont proches l’un de l’autre.
3. Augmentation de l’intensité lumineuse dans le capillaire rectiligne placé en sortie du ca-pillaire circulaire, soit après le point S.
Les deux premières phases de l’évolution de l’intensité lumineuse sont propres à la propagation de deux PAPS au sein d’un capillaire, comme décrit précédemment. La chute rapide de l’intensité lumineuse résulte de l’interaction entre les deux PAPS-I. Cette chute de l’intensité lumineuse est observable sur les photographies de la figure IV.19, mais également sur le profil d’intensité lumineuse.
La chute d’intensité lumineuse est observée en amont du point S, et correspond à une perte d’environ45%sur1 cm. La réunion de deux PAPS-I va donc induire une transition brutale dans la propagation des PAPS. Après le point S, les PAPS se propagent dans un capillaire rectiligne, au sein duquel est observé une augmentation de l’intensité lumineuse (de 43 à 46 cm). Cette
5. RÉUNION DE DEUX PAPS « IDENTIQUES »
(a) Photographie visible [113]. Temps d’exposition : 1,6 s.
0 50 250 450 700 1250 1500
Time (ns)
(b) Montage d’images ICCD [113]. Échelle logarith-mique. Temps d’exposition :25 ns.
Propagation dans le capillaire
FigureIV.19 – Étude de la propagation de PAPS à l’intérieur d’un capillaire circulaire de15 cm de diamètre.
variation d’intensité lumineuse aux abords de la jonction est détaillée dans la figure IV.20.
La figure IV.20 présente une photographie, intégrée sur 4 000 nset les profils qui en ont été extraits. Chacun des profils correspond à la variation de l’intensité lumineuse sur une largeur de 0,5 mmet une hauteur de20 cm. Ces profils illustrent l’évolution de l’intensité lumineuse des deux PAPS-I circulant dans les deux branches du capillaire.
Lorsque les deux PAPS-I se rapprochent l’un de l’autre, une diminution brutale de l’intensité lumineuse est observable (d= 34 cmet d= 35 cm). Cette chute d’intensité lumineuse est aussi observée dans le cas de la rencontre de deux PAPS au sein d’un capillaire (cf. figure IV.18). La confrontation de deux PAPS se termine par une extinction des PAPS, dans le cas de la géomé-trie de capillaire utilisée dans la figure IV.18. Or, dans le cas où une jonction de capillaire est présente, les deux PAPS-I ne s’éteignent pas, mais la propagation d’un seul PAPS au sein du capillaire rectiligne est observé. Ce PAPS est caractérisé par une intensité lumineuse plus élevée
Extraction des profils selon
Figure IV.20 – Étude des profils d’intensité lumineuse extraits de la photographie à gauche (temps d’exposition :4 000 ns), en fonction de la position des PAPS au sein du capillaire circulaire.
que celle des PAPS-I. Au cours de sa propagation, de d= 38 cm à 40 cm, l’intensité lumineuse du PAPS se propageant dans le capillaire rectiligne augmente jusqu’en sortie de capillaire. Ce PAPS semble donc présenter des caractéristiques différentes de celles des PAPS-I, de ce fait ce PAPS sera nommé PAPS-Σ.
L’étude de l’interaction de deux PAPS à proximité d’une jonction a permis de mettre en évidence la génération d’un nouveau PAPS dont la propagation est représentée en figure IV.21.
Le point S est situé à ≈31 cm de l’électrode interne. Les PAPS-I atteignent ce point au temps t=1 675 ns. Au cours de leur propagation, leur volume et leur intensité lumineuse ont fortement diminué. De plus, leur vitesse de propagation chute lorsque les PAPS-I sont à 4 cm du point S (figure IV.21(b)). Contrairement au cas discuté précédemment, les PAPS-I ne s’éteignent pas.
Au contraire, les deux PAPS-I se propagent dans le capillaire rectiligne (t = 1 730 ns). Au cours de leur propagation, ces deux PAPS-I s’homogénéisent pour ne plus en former qu’un seul (t
=1 895 ns) : le PAPS-Σ, d’intensité lumineuse plus élevée. Outre un regain d’intensité lumineuse, le PAPS-Σ se propage avec une vitesse supérieure à celle des PAPS-I arrivant au point S. Au cours de la propagation au sein du capillaire rectiligne, le PAPS-Σ accélère, tout en ayant son intensité lumineuse qui croît. L’augmentation de la vitesse du PAPS-Σpourrait être induite par la présence d’un hypothétique PAPS (soit par une répulsion entre les deux PAPS), comme pour le cas de la géométrie en S.
5.3 Réunion de deux PAPS symétriques
Nous avons vu précédemment qu’à la jonction de capillaires, une division (point E) ou une
« réunion » (point S) de PAPS peut être observée. De ce fait, lors de la réunion de PAPS au point S, il est possible qu’une division ait lieu. La figure IV.22 illustre la réunion de deux PAPS à proximité d’une jonction de capillaires, en tenant compte d’une possible division de PAPS au point S.
5. RÉUNION DE DEUX PAPS « IDENTIQUES »
1350 ns 1675 ns 1730 ns 1895 ns 1985 ns 2030 ns
(a) Imagerie ICCD de la réunion de 2 PAPS. Temps d’exposition :50 ns.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40
Vitesse (107 cm.s-1 )
Distance depuis l’électrode interne (cm)
Cap. rectiligne Cap. circulaire
S
(b) Vitesse de propagation d’un PAPS avant et après
« réunion ».
Figure IV.21 – Propagation des PAPS à l’approche d’une jonction de capillaires.
Temps PAPS-I
b d a
c
PAPS-Σ Propagation des PAPS-I Début de la division Propagation des PAPS-II Propagation du PAPS-Σ
des PAPS-I
Point S
Figure IV.22 – Illustration de la « réunion » de deux PAPS symétriques à proximité d’une jonction de capillaire.
À l’intérieur de chaque branche du capillaire se propage un PAPS-I en direction du point S. Arrivés à ce point, ces derniers se divisent chacun en deux PAPS-II, d’où l’obtention de 4 PAPS-II (notés PAPS-IIa, b, c et d dans la figure IV.22). Chacun de ces PAPS-II va se propager soit en direction du capillaire rectiligne (PAPS-IIb et PAPS-IId), soit en direction de la branche opposée (PAPS-IIa et PAPS-IIc) du capillaire circulaire (inférieure ou supérieure).
Le PAPS-IIa et le PAPS-IIc vont se faire face au point S, ce qui induira leur extinction
mutuelle au point S. Il est à noter qu’expérimentalement, aucune observation de ces PAPS n’a été faite.
Quant aux PAPS-IIb et PAPS-IId, ces derniers vont dans un premier temps se propager le long de la paroi du capillaire, puis ensuite s’homogénéiser et former ainsi un nouveau PAPS (PAPS-Σ).
Ce PAPS-Σ se caractérise par son intensité lumineuse et sa vitesse de propagation. Cette dernière augmente au cours de sa propagation dans le capillaire, à l’instar de deux PAPS se propageant dans un capillaire à géométrie en S.
L’accélération des PAPS résulte de « l’arrêt » de l’écrantage des deux fronts d’ionisation au-quel peut s’ajouter une répulsion de ces mêmes fronts d’ionisation. Par conséquent, l’accélération du PAPS-Σpeut résulter de la répulsion occasionnée par la présence des PAPS-IIa et PAPS-IIc au point S.
Les mécanismes régissant la propagation du PAPS-Σ ont été mis en évidence lors de la simulation de la rencontre de deux PAPS.
5.4 PAPS asymétriques
À l’issue d’une division, deux PAPS symétriques sont observés. Par une perturbation du champ électrique environnant, deux PAPS asymétriques peuvent être induits. Dans nos conditions expérimentales, une plaque reliée à la masse est positionnée à 2 cm de la branche inférieure du capillaire circulaire. La modification de la configuration des lignes de champ va induire une augmentation de la vitesse de propagation du PAPS de la branche inférieure, et par conséquent ce dernier arrivera en premier au point S. La figure IV.23 présente la propagation de deux PAPS asymétriques au sein d’un capillaire circulaire. On notera PAPS-Ia, le PAPS se propageant dans la branche inférieure du capillaire et PAPS-Ib, le PAPS se propageant dans la branche supérieure du capillaire, comme indiqué en figure (c).
À l’approche de la jonction, le PAPS-Ia va se diviser. L’expansion du plasma se fait dans les deux branches restantes du capillaire, de manière inhomogène. En effet, la répartition de l’intensité lumineuse n’est pas symétrique, cette asymétrie ayant déjà été observée dans le cas d’un capillaire à géométrie pyramidale. Tandis que le PAPS-Ib venant de la branche supérieure continue sa propagation en direction du point S, sa proximité avec le PAPS-Ia va induire une division asymétrique. Le PAPS-Ia va induire la formation de deux PAPS, l’un se propageant en direction de la branche supérieure du capillaire (PAPS-IIa) et un second se propageant en direc-tion du capillaire rectiligne (PAPS-IIb). Malgré la proximité du PAPS-Ib, le PAPS-IIa continue sa propagation dans la branche supérieure du capillaire. Le PAPS-IIa se propage avec une vitesse relativement faible par rapport au PAPS-IIb. En effet, ce dernier se propage dans le capillaire1,5 fois plus vite que le PAPS-IIa. De plus, la répartition de l’intensité lumineuse n’est pas symétrique à l’issue de la division du PAPS-Ia et est au profit du PAPS-IIb.
Dans le cas de deux PAPS asymétriques, la réunion de PAPS, comme observée dans le cas symétrique, ne peut avoir lieu. Par conséquent, le PAPS-Σpeut être induit suite à une division suivant le principe décrit en figure IV.23(c). Le PAPS-IIa va se propager à l’encontre du PAPS-Ib, jusqu’à ce qu’une distance minimale les sépare. La proximité des deux PAPS dans la branche supérieure du capillaire va induire un phénomène de répulsion sur le PAPS-IIb, ce qui va induire une accélération de ce dernier.
Par conséquent, dans le cas asymétrique, l’observation d’une augmentation d’intensité lumi-neuse et de vitesse de propagation du PAPS-IIb, conduisant au PAPS-Σ, est majoritairement
5. RÉUNION DE DEUX PAPS « IDENTIQUES »
(a) Imagerie ICCD de la propagation de PAPS asymétriques à proximité d’une jonction de capillaires. Temps d’exposition :10 ns.
(b) Zoom sur la jonction de capillaire. temps d’expo-sition :10 ns.
Temps PAPS-Ib
PAPS-IIb PAPS-Ib
PAPS-IIa
PAPS-Σ Propagation des PAPS-I Initiation de la division Propagation des PAPS-IIPropagation du PAPS-Σ
du PAPS-Ia
PAPS-Ia PAPS-Ia
Point S
(c) Schéma illustrant les divisions successives à la jonction de capillaires.
Figure IV.23 – Étude de la propagation de PAPS asymétriques à proximité d’une jonction de capillaires.
induite par une répulsion entre les PAPS présents dans la branche supérieure du capillaire et le PAPS-IIb.
5.5 Conclusion
L’étude de la « réunion » de deux PAPS à proximité d’une jonction de capillaires a permis de mettre en évidence le rôle important du champ électrique dans les mécanismes de génération et de propagation des PAPS. Il a été notamment mis en évidence que la proximité de deux PAPS va induire une diminution de :
— la vitesse ;
— l’intensité lumineuse.
Le résultat de la réunion de deux PAPS, au sein d’un capillaire, est leur extinction mutuelle, cependant aucune génération d’un plasma secondaire n’est observée, contrairement à Douat et al. [116], l’étude ayant été faite dans le néon et non dans l’air.
Cet effet du champ électrique est critique lors de la propagation de deux PAPS à proximité d’une jonction de capillaires. La propagation d’un PAPS à l’intérieur d’un capillaire circulaire peut être décrite comme suit :
1. Division d’un PAPS en deux PAPS identiques au point E ; 2. Propagation des PAPS jusqu’au point S ;
3. Diminution de la vitesse de propagation et de l’intensité lumineuse à proximité du point S ;
4. Division des deux PAPS au point S ;
5. Propagation de deux des nouveaux PAPS dans le capillaire rectiligne ; 6. Extinction des deux PAPS restants au point S ;
7. Couplage des deux PAPS se propageant dans le capillaire rectiligne ; 8. Propagation d’un PAPS-Σdans le capillaire rectiligne.
La génération du PAPS-Σ va dépendre des phénomènes de répulsions mis en jeu au moment de la réunion des PAPS. En effet, la répulsion occasionnée par la proximité de deux PAPS va induire une accélération de ces PAPS (cas de la géométrie en S). Ces phénomènes de répulsion ont été observés lors de la réunion de deux PAPS, mais leur influence semble moins importante lors de la division de PAPS. Cependant, une compensation après division peut avoir lieu selon la géométrie du capillaire. Selon certaines études, le couplage entre plasma est possible à condition que la densité électronique soit suffisante [164, 165]. Cette densité électronique suffisante pouvant être atteinte par la répulsion occasionnée avec les champs électriques présents en amont des deux PAPS, et concentrés au point S. Cette hypothèse reste néanmoins sujette à caution et de nouvelles expériences sont nécessaires pour la vérifier. Par conséquent la réunion de deux PAPS, qu’ils soient identiques ou non, va dépendre principalement du champ électrique développé par le front d’ionisation.