Effets anodiques dans les décharges prédisruptives entre pointe négative et plan

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Submitted on 1 Jan 1965

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Effets anodiques dans les décharges prédisruptives entre pointe négative et plan

A. Goldman, M. Goldman, M. Rautureau, C. Tchoubar

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A. Goldman, M. Goldman, M. Rautureau, C. Tchoubar. Effets anodiques dans les décharges prédisruptives entre pointe négative et plan. Journal de Physique, 1965, 26 (8-9), pp.486-489.

�10.1051/jphys:01965002608-9048600�. �jpa-00206009�

EFFETS ANODIQUES ^{DANS LES} DÉCHARGES PRÉDISRUPTIVES

ENTRE POINTE NÉGATIVE ET PLAN

Par Mme A. GOLDMAN, ^M. GOLDMAN, ^M. RAUTUREAU, ^C. TCHOUBAR,

C. N. R. S., Laboratoire de Synthèse Atomique ^et d’Optique Protonique, Ivry, ^Seine.

Résumé, 2014 ^{L’anode d’un} système d’électrodes pointe négative-plan ^{utilisé en décharhe couronne}

s’altère peu à peu. Il ^se forme à sa surface des cristallisations qui peuvent ^{être ensuite le} siège ^de

formation de phénomènes ^lumineux localisés. On analysera, ^en particulier, ^les propriétés caractéris- tiques ^du régime ^de décharge ^{ainsi créé.}

Abstract, 2014 ^{When used in a corona} discharge, ^{the anode surface of a} negative point-to-plane system ^is progressively ^modified by ^the formation of microcrystals which then can be the seat of localized luminous phenomena. ^{We have studied the} mechanism of formation and the properties ^of

the discharge ^{so created.}

JOURNAL DE PHYSIQUE 26, 1965,

INTRODUCTION.- Nous nous proposons d’étudier l’influence de certains phenomenes anodiques ^sur

les d6charges prédisruptives ^{entre une} pointe n6ga-

tive et un plan, ^les experiences, qui ^sont l’objet ^de

cette communication, faisant suite a des 6tudes de surface eff ectuees antérieurement [1] ^{sur l’anode de}

tels syst6mes. Aussi allons-nous introduire cet

expose ^en rappelant, aussi brievement _que possible,

d’une part quelques caraet6res particuliers ^aux d6charges prédisruptives ^en champ ^non homog6ne

et d’autre part ^les resultats essentiels auxquels

nous avaient conduit les 6tudes de surface que

nous venons de mentionner.

Les d6charges prédisruptives ^en champ ^non uniforme.

Appliquons ^une tension continue

sur la pointe ^du syst6me d’électrodes repr6sent6

sur le schema de la figure 1. En faisant croltre la

FIG. 1.

Schema du dispositif experimental.

tension, ^{on voit} apparaitre ^{un courant de} decharge

a une tension inf6rieure a la tension disruptive. ^Si

l’enceinte ne contient pas de gaz électronégatif, ^Ie

courant est g6n6ralement ^{continu et son intensite}

croit avec la tension jusqu’a formation de 1’6tin-

celle.

Si l’on introduit ^un _gaz électronégatif ^{dans 1’en-} ceinte, ^{on observe} l’apparition d’impulsions ^de

courant dont les caractéristiques different suivant 1 a polarite de la tension appliqu6e ^{sur la} pointe ;

les frequences en jeu ^sont beaucoup plus ^6lev6es

en pointe negative (de l’ordre de 106 impulsions/

seconde) qu’en pointe positive (de l’ordre de 103

impulsions/seconde).

Evolution de la surface du plan anodique ^en ddeharge ^couronne negative [1].

Observons, ^au microscope 6lectronique par l’interm6diaire d’une

replique-transfert ^{de carbone} [2], I’aspect super- ficiel d’un disque m6tallique, nouvellement poli ;

il ne presente que des stries de polissage industriel.

Utilisons-le comme anode en decharge ^couronne negative, dans 1’air ou dans 1’azote commercial, ^à

des tensions telles que ^tous les ph6nom6nes ^de multiplication ^se produisent ^au niveau de la pointe

ou Ie champ électrostatique ^est important, ^le plan

servant essentiellement de collecteur ; apres ^une

demi-heure de decharge environ, ^il presente deja

bon nombre de microcristaux disperses ^{sur une} partie ^{de sa surface.} Apr6s deux heures de d6-

charge environ, ^on constate, toujours ^{a 1’aide de} r6pliques, que ^ces microcristaux se sont regroup6s

en cristaux de plus grande taille, dont les formes vont de la sphere ^a des formes cubiques ^{ou trian-} gulaires. ^Des diagrammes ^de diffraction, ^{eff ectues}

sur des groupements de microcristaux arrach6s du

plan ^{avec la} r6plique, ^{ont montre} que les particules

formant les excroissances proviennent ^du plan ^lui- m6me, ^sous la forme de microcristaux du metal constituant ce plan ^{ou bien} d’oxydes ^{de ce metal.}

Les m6taux suivants, cuivre, argent, ^{or et} platine

ont donne des resultats comparables. Toutefois, ^les

processus d’alteration ^et de regroupement ^{ont 6t6}

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01965002608-9048600

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particulièrement ^{bien mis en evidence en} utilisant,

comme anode, ^{une lame de} clivage de chlorure de sodium. La figure ^{2 montre} I’aspect ^{de la surface}

d’un tel 6chantillon considere a trois stades diffé-

rents de son evolution pendant ^la decharge ; ^dans

le dernier stade, ^on observe"des monocristaux qui atteignent des dimensions de l’ordre du micron.

Les experiences effectuées jusqu’a maintenant ne

FIG. 2.

R6pliques de carbone de lames de clivage ^{de chlorure de sodium} [1] montrant trois phases successives de la croissance des cristaux pendant ^la decharge ^couronne negative ^{a la} pression atmosphérique.

nous permettent pas de conclure ^sur les causes

d’altération. Cependant, ^{on ne} doit pas perdre ^de

vue que les particules negatives, qui ^viennent frapper la surface anodique pendant ^la decharge

couronne, ont vraisemblablement une energie

moyenne qui ^ne d6passe pas ^une fraction d’electron volt. Si l’on tient compte de la couche de gaz adsorb6

qui ^recouvre la surface aux pressions auxquelles ^les experiences ^{ont ete} faites, ^on peut peut-etre sup- poser que les particules incidentes ont une energie

suffisante pour chasser des ^{atomes ou} des molecules de ce gaz. Les ^{atomes ou} les ions du cristal ne for- meraient plus ^{alors un} arrangement ^{stable et ils se} réorganiseraient ^{en vue} d’un nouvel 6quilibre ^{de la}

surface.

Le champ 6lectrique ^au niveau du plan.

L’évolution de Fetal de surface du plan anodique

s’accompagne de modifications dans la configura-

tion du champ electrique ^{a son niveau.}

Une proeminence ellipsoidale, ^{isol6e sur un} plan infini, modifie localement le champ ^en 1’amplifiant

par ^un facteur 6gal ^a [3] :

1) 6tant un facteur lie au rayon de base b, ^{et à}

la hauteur c de la preeminence : 7j

c(c2- b 2)--112,

c 6tant suppose ^tres petit ^par rapport ^a la distance interelectrode.

On obtient ainsi, pour ^G

b, ^{un facteur} d’ampli-

fication de quelques unites, vraisemblablement insuffisant _pour produire directement, ^{a lui} seul,

une augmentation ^de champ electrique susceptible

d’entralner des changements ^{sensibles dans} les pro-

pri6t6s 6lectriques ^{de la} decharge.

Influenee du ^« conditionnement » du plan ^ano- dique ^{dans les} ddeharges prddisruptives.

^Les expériences, qui ^{vont etre} décrites, ^{ont ete faites}

en atmosphere ^{contr6l6e avec le} montage ^schema-

tis6 sur la figure ^{1. Un voltm6tre} electronique ^indi- quait la tension moyenne ^aux bornes du syst6me

d’électrodes et les variations du courant de d6-

charge 6taient suivies a l’oscillographe par ^l’inter- m6diaire des variations de tension apparaissant ^aux

bornes de la résistance r, plac6e ^{en serie avec Ie} syst6me d’électrodes.

A la pression atmosphérique, ^{il est} difficile de d6celer l’influence, ^{sur la} d6charge, des modifi- cations superficielles de I’anode ^« conditionn6e »

par la décharge ^couronne negative, ^car elle n’est vraisemblablement sensible qu’aux abords imm6- diats de la rupture. Mais si l’on opere a des pres- sions un peu inferieures, ^{on voit un nouveau} regime

de decharge ^s’6tablir pour ^une tension Vs au dela du seuil de la decharge ^couronne negative ^non

FIG. 3.

Allure generale ^{de la} courbe de variation de la

frequence ^des impulsions ^de decharge ^couronne negative

en fonction de la tension aux bornes du systeme ^d’61ee-

trodes :

Vo : ^{seuil du} regime impulsionnel.

V 1 : ^{seuil de la} decharge ^{couronne non} impulsionnelle.

Vs : ^tension d’allumage ^des

spots ^».

impulsionnelle ^{[4], [5]} (fig. 3). L’etablissement de

ce regime ^{se manifeste} par divers ph6nom6nes : 1) ^des « spots)) s’allument ^au niveau du plan [6] ; quand ^on augmente ^la tension, ^{ils se dilatent et} s;étendent dans l’intervalle interélectrode (fig. 4)

en formant des colonnes ;

2) ^la caractéristique tension-courant moyen subit un changement ^de pente (fig. 5) ;

3) ^des impulsions ^{de courant} reapparaissenty

mais elles ^se pr6sentent par groupes altern6s ^avec des impulsions uniques ^de plus ^basse frequence (fig. 6a).

Cet ensemble de ph6nom6nes apparait ^{a une}

FIG. 4.

Lueurs anodiques, uniques ^ou multiples,

de la decharge

^{altern6e ».}

FIG. 5.

Caracteristiques tension-courant rroyen.

Air ; d = 1,5 ^cm.

FIG. 6.

Oscillogrammes de courant (courbe a) ^{et de}

tension (courbe b) ^{dans la} decharge

^{altern6e ».}

Air ; p = 260 ^mm Hg ; d = 1,5 ^{cm ; V = 8} kV ; balayage : ^{2 ms.} Sensibilités:’ 07 mA/carreau ^et

1 kV/carreau.

pression ^d’autant plus 6lev6e que le condition- nement du plan ^{a ete} plus prolong6. On remarque que 1’etincelle a la pression atmosph6rique ^{et les}

« spots ^{» aux} pressions inf6rieures se forment, ^dans

1’air, pour ^{un courant} moyen de decharge ^sensi-

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blement constant, 2,5 ^X 10-4 A environ dans les conditions expérimentales consid6r6es.

L’analyse, ^au photomultiplicateur, ^des pheno-

m6nes lumineux au niveau des electrodes ^{nous a}

permis de diff6rencier les deux types d’impulsions

de courant. En effete ^des impulsions ^lumineuses

FIG. 7. - Intensite lumineuse de la decharge

^altern6e », en fonction du temps.

1°, ^{haut :} Simultan6ment au

niveau de la pointe ^{et du} plan; balayage : ¹ 000 ys ;

2°, milieu : Au niveau du plan ; balayage : ² 000 us.

3°,

bas : Au niveau de la pointe; balayage : 5 ys.

accompagnent ^{ces derni6res} ( fig. 7, ^{haut) et elles se} présentent, ^comme elles, par trains d’impulsions

altern6s avec des impulsions ^de plus longue ^duree

et de plus ^faible frequence ; ^les impulsions ^lumi-

neuses d6tect6es au niveau de la pointe (fig. 7, bas)

coincident ^{avec les} impulsions 6lectriques ^{de d6-} charge ^couronne negative tandis que les impulsions

d6tect6es au niveau du plan (fig. 7, milieu), ^coïnci--

dent avec les impulsions ^basse frequence ^{du courant.}

INTERPRETATION DES RESULTATS.

11 est ainsi 6tabli _{que le} changement ^de regime considere doit etre attribué a des ph6nom6nes anodiques. ^On peut penser que les cristallisations form6es ^sur l’anode

pendant ^son conditionnement produisent ^{une con-}

centration du courant et que la charge d’espace

résultante provoque des ph6nom6nes ^tres proches

de ceux de la decharge ^couronne positive. ^On peut

obtenir un regime ^de decharge altern6e, ^{semblable à}

celui qui vient d’etre d6crit, ^en cr6ant artificiel- lement une pointe ^{sur un} plan nouvellement poli.

L’alternance des deux types d’impulsions peut s’expliquer ^en consid6rant la courbe de variation de la tension aux bornes du syst6me d’electrodes en

fonction du temps (fig. 6b). ^En effet, ^les impulsions

basse frequence ^{du courant} s’accompagnent ^d’une

chute de tension appreciable qui ^{ram6ne transi-}

toirement le potentiel ’a ^une valeur inférieure a Y, (fig. 3), ^ce qui provoque la r6apparition ^des impul-

sions de decharge ^couronne negative. ^{Puis le} poten-

tiel croit de nouveau, entrainant ^une d6croissance

d’amplitude ^des impulsions ^haute frequence ; lorsqu’il atteint de ^nouveau la valeur Vi, ^les impul-

sions haute frequence disparaissent jusqu’A ^ce que la chute de tension qui accompagnera l’impulsioi

suivante de basse frequence puisse ^{de nouveau}

r6tablir un train d’impulsions ^haute frequence.

A la pression atmosphérique, les deformations de surface analys6es ^{dans cette 6tude} pourraient expliquer ^{comment le} champ ^a l’anode d’un sys- t6me pointe negative-plan peut devenir suffisant pour donner naissance ^a certains ph6nom6nes ^lumi-

neux anodiques que l’on appelle ^{« streamers} posi-

tifs ^» [7], [8]. ^En eff et, ^on peut estimer a 105 ou

2 X 105 V/cm ^le champ n6cessaire pour ^{creer ces}

ph6nom6nes que l’on voit cependant ^naitre pour des champs électrostatiques de l’ordre de 103 a 2 X 103 V/cm seulement, alors que le coefficient

d’amplification ^{du a la} charge d’espace negative

ne doit vraisemblablement pas ^etre sup6rieur

a 10 [9].

On peut ^encore ajouter ^{que les} propri6t6s ^{de la} decharge altern6e que nous avons analys6e ^nous

conduisent a considerer la zone d’allumage ^des

« spots »

resultant de la f ormation d’une region

de grande multiplication 6lectronique ^{au niveau de}

1’electrode

comme comparable ^{a la zone de tran-} sition, ^a pente negative, ^{de la} caractéristique

courant-tension d’une decharge gazeuse a basse

pression, ^zone comprise ^{entre Ie} regime .de

Townsend et le regime ^de decharge luminescente.

Dans notre cas, la chute de tension semble direc- tement li6e aux ph6nom6nes anodiques.

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[9] ^LOEB (L. B.), Communication privée.