COUCHES LIMITES DANS UN PLASMA D'ARGON SOUS BASSE PRESSION

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Submitted on 1 Jan 1971

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COUCHES LIMITES DANS UN PLASMA D’ARGON SOUS BASSE PRESSION

P. Vervisch, M. Terrier, G. Piar, P. Valentin

To cite this version:

P. Vervisch, M. Terrier, G. Piar, P. Valentin. COUCHES LIMITES DANS UN PLASMA D’ARGON SOUS BASSE PRESSION. Journal de Physique Colloques, 1971, 32 (C5), pp.C5b-66-C5b-68.

�10.1051/jphyscol:1971578�. �jpa-00214797�

COUCHES LIMITES DANS UN PLASMA D'ARGON SOUS BASSE PRESSION p a r P. VERVISCH, M . TERRIER, G . PIAR, P . VALENTIN

L a b o r a t o i r e d e Thermodynamique, F a c u l t é d e s S c i e n c e s d e Rouen, 7 6 - X o n t - S a i n t - A i g n a n .

Nous é t u d i o n s l a r é p a r t i t i o n d e t e m p é r a t u r e e t d e n s i t é é l e c t r o n i q u e s d a n s l a c o u c h e l i m i t e l e l o n g d ' u n e p a r o i m é t a l l i q u e p l a n e , p l a c é e d a n s un é c o u - l e m e n t d e p l a s m a d ' a r g o n à b a s s e p r e s s i o n .

Nous e x p o s o n s l e s d i f f é r e n t s r é s u l t a t s o b t e n u s e n f a i s a n t v a r i e r l e s c o n d i - t i o n s a u x l i m i t e s .

We s t u d y t h e d i s t r i b u t i o n o f e l e c t r o n t e m p e r a t u r e a n d d e n s i t y i n t h e b o u n d a r y l a y e r a l o n g a p l a n e m e t a l l i c w a l l i n a f l o w o f l o w p r e s s u r e a r g o n p l a s m a . We g i v e a n a c c o u n t o f t h e d i f f e r e n t r e s u l t s we g e t by v a r y i n g t h e b o u n d a r y c o n d i t i o n s .

Le d i s p o s i t i f e x p é r i m e n t a l a d é j à é t é Te

d é c r i t [l]. Le p l a s m a e s t p r o d u i t p a r un

.b\

g é n é r a t e u r d u t y p e p l a s m a t r o n c l a s s i q u e . La @ 5 4 0 0

56

-

p r e s s i o n à l ' i n t é r i e u r d e l a v e i n e d ' e s s a i @ ⁹⁰⁰⁰

e s t m a i n t e n u e c o n s t a n t e ( p 2 ² t o r r ) à l ' a i - 14- O ^{11 O 0 0}

d e d ' u n g r o u p e d e pompage à f o r t d é b i t .

i

X=4crn

La p l a q u e m é t a l l i q u e p l a c é e p a r a l l è l e -

ment a u l i t d e l ' é c o u l e m e n t e s t i s o l é e 3 -8-

" S " - o - - 0 ( - 0 ~

O *

-z+-

é l e c t r i q u e m e n t . ^/O0

Nous m e s u r o n s p a r s p e c t r o g r a p h i e l ' i n - 0.6 -

- . - 0 3 I I I I J

1

t e n s i t é d e p l u s i e u r s r a i e s d a n s l e s p e c t r e I

O 1 2 3 4 5 Y ( m m )

v i s i b l e . figure 1

- RESULTATS EXPERIMENTAUX. - S u i v a n t l a mg- d e l o 4 à 3 . 1 0 ~ ~ ~ ~ u n e é v o l u t i o n c o n t i n u e t h o d e c l a s s i q u e , l ' i n t e n s i t é Inm d e l a r a i e d e s p r o f i l s e n f o n c t i o n d e Te a v e c p o s s i b i - d ' é m i s s i o n n+m c o n d u i t à l a d e n s i t é d e po- l i t é d ' u n e c r o i s s a n c e d e t e m p é r a t u r e é l e c - p u l a t i o n Nn d u n i v e a u n . U t i l i s a n t l e s

c o n d i t i o n s d e Griem [23 e t d e Drawin [ 3 ] , n o u s s u p p o s o n s r é a l i s é l ' é q u i l i b r e r e l a t i f d e S a h a d e s é l e c t r o n s l i é s s u r c e s n i v e a u x e t d e s é l e c t r o n s l i b r e s , c e q u i n o u s p e r m e t l a m e s u r e d e l a t e m p é r a t u r e , T e , e t d e l a d e n s i t é é l e c t r o n i q u e , N e .

L e s r é s u l t a t s e x p é r i m e n t a u x s o n t d o n n é s s u r l e s f i g u r e s 1 e t 2 à u n e d i s t a n c e x = 4 cm du b o r d d ' a t t a q u e .

On met e n é v i d e n c e , p o u r d e s t e m p é r a t u - r e s é l e c t r o n i q u e s d e l ' é c o u l e m e n t a l l a n t

t r o n i q u e v e r s l a p l a q u e . C e l l e - c i s ' a c c o m - p a g n e d ' u n e r é d u c t i o n d e s d i m e n s i o n s d e s c o u c h e s l i m i t e s a i n s i q u e d ' u n e a u g m e n t a - t i o n d u r a p p o r t e n t r e l a d e n s i t é é l e c t r o n i - q u e a u p r o c h e v o i s i n a g e d e l a p a r o i e t c e l l e d e l ' é c o u l e m e n t a u l o i n .

Dans t o u s l e s c a s , l a à e n s i t é é l e c t r o n i - q u e à l a l i m i t e d e l a g a i n e r e s t e é l e v é e e t l a d e n s i t é d e p o p u l a t i o n d e s n i v e a u x é t u d i é s e s t t r è s n e t t e m e n t s u p é r i e u r e à c e l l e c o r - r e s p o n d a n t à l ' é q u i l i b r e thermodynamique c o m p l e t p o u r T = Te.

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COUCKES LIMITES DANS UN PLASMA D'ARGON SOUS BASSE PRESSION

01 ^{I I}

O 1 2 3 4 5 Y(mm)

figure 2

INTERPRETATION. - L ' e x p r e s s i o n d u f l u x d e d i f f u s i o n d e s p a r t i c u l e s c h a r g é e s s ' é c r i t s u i v a n t Camac Kemp 14 1 e t D i x 15 1

pDiA(l+u Te/T )

I $ . = I $ = n . < V > = n < V > ^: g

l e 1 1 e e m.

Le champ d e d i f f u s i o n a m b i p o l a i r e d é d u i t d e l ' é q u a t i o n d e c o n s e r v a t i o n du moment d e s é l e c t r o n s e s t

E r - 2

e n P e

L ' é q u a t i o n d e l ' é n e r g i e d e s é l e c t r o n s e n n é g l i g e a n t l e s termes d e c o n v e c t i o n e t d e v i s c o s i t é p r e n d l a f o r m e :

v . q e + n e e + E < V > = qel + +in - q r

e

qr v i t e s s e d e p e r t e d ' é n e r g i e p a r r a y o n n e - m e n t , + e l e t qin v i t e s s e s d e t r a n s f e r t d ' é - n e r g i e p a r u n i t é d e volume r e s p e c t i v e m e n t p a r c o l l i s i o n é l a s t i q u e d ' u n e p a r t e t i n é - l a s t i q u e e t s u p e r é l a s t i q u e d ' a u t r e p a r t , s o i t qel 3 - me v nek ( T -Te)

mi g

-+ qe = - X e V Te + ne < V e > he

h c o n d u c t i v i t é t h e r m i q u e d a n s l e m é l a n g e c a l c u l é s u i v a n t l e s r è g l e s d e m é l a n g e d e Camac r 4 1 ; he = 7 5 kTe.

CONDITIONS DE PAROI. - L e s d i f f é r e n t s p r o - f i l s d e t e m p é r a t u r e s s e m b l e n t m o n t r e r q u e l a t e m p é r a t u r e é l e c t r o n i q u e à l a p a r o i

( T e p a r o i

-

r61

La c o n d i t i o n p a r i é t a l e e s t d é t e r m i n é e e n é g a l a n t à s o n e x p r e s s i o n m i c r o s c o p i q u e l ' e x - p r e s s i o n d u f l u x d ' é n e r g i e é l e c t r o n i q u e à l a l i m i t e d e l a g a i n e d é d u i t e d e s é q u a t i o n s d u c o n t i n u c i - d e s s u s

n c - s . L m n c

e e 2 kTe - I I I C T

4 Y i 7 PG e é m i s .

C e d e r n i e r terme du membre d e d r o i t e t r a - d u i t 1 'é m i s s i o n a v e c yi l e c o e f f i c i e n t d e r é é m i s s i o n e t kTe émission 1 ' é n e r g i e 17

d e s é l e c t r o n s é m i s . Te émission e s t f o n c - t i o n d u t r a v a i l d e s o r t i e d u m é t a l , d e l ' é - n e r g i e d ' i o n i s a t i o n d e l ' a r g o n e t d e l ' a c - c é l é r a t i o n d a n s l a g a i n e , o n p e u t l ' e s t i m e r d e l ' o r d r e d e 9 eV.

Ce g r a d i e n t t h e r m i q u e à l a p a r o i é t a n t f a i b l e , n o u s n é g l i g e r o n s d a n s c e t t e é q u a - t i o n , l e terme d û à l a c o n a u c t i v i t é t h e r m i - q u e d e s é l e c t r o n s .

m n c I I I , -

En n o t a n t q u e - ₄ pI < V I > e t e n e x p l i c i t a n t l e p o t e n t i e l d e g a i n e 4 , o n o b t i e n t une r e l a t i o n o ù Te n ' e s t f o n c t i o n q u e d e yi e t Te

Ce q u i n o u s d o n n e p o u r un yi d e l ' o r - d r e d e 1 0 % une t e m p é r a t u r e é l e c t r o n i q u e d e p a r o i d e l ' o r d r e d e 6000°K.

PROFIL DANS LA COUCHE LIMITE. - P o u r é t u d i e r l ' i n f l u e n c e r e l a t i v e d e s d i f f é r e n t s modes d e t r a n s f e r t d a n s l a c o u c h e l i m i t e , o n p e u t f a i r e a p p a r a î t r e d e s c r i t è r e s d ' é q u i l i b r e

P. VERVISCH E T AL.

thermique en combinant deux à deux les dif- pas ici au profil de la raie d'absorption férents termes de l'équation de l'énergie, par trop imprécis, bien que celui-ci soit

aZT

seule la comparaison de h)?(e et de $el essentiellement Doppler, mais uniquement 3 ay2

peut rendre compte qualitativement des dif- l'intensité de la raie qiii nous permet de férents profils expérimentaux de tempéra- remonter à la population des niveaux méta-

ture électronique. stables.

POPULATION DES NIVEAUX METASTABLES. - ^Nous Nous donnons sur la figure 3 la varia- avons mesuré l'absorption dans la couche tion de population des niveaux métastables

O

limite de la raie 1S5-2P6 (7635 A), produi- dans la couche limite.

te par un plasma d'argon à la pression atmosphérique.

Un tel plasma utilisé comme source est bien adapté au problème pour plusieurs rai- sons :

- D'une part, l'intensité de la raie d'é-

* ^{# I 1}

mission correspondante du plasma sous basse ^O

ll

O 1 2 3 4 5 Y ( m d

pression est négligeable vis à vis de l'in- figure 3

tensité de la raie du plasma source, il Il semble que les niveaux métastables n'est donc pas nécessaire de moduler la lu- soient en équilibre de population avec le=

mière incidente. niveaux supérieurs, à la température Te.

- D'autre part, la raie source est suffi- CONCLUSION, - N~~~ avons montré que la gai- samment large et ne présente pas de dépla- ne d'ions qui se forme au très proche voi- cement excessif. sinage de la plaque, ainsi que la nature de

Un éclairage uniforme au-dessus de la celle-ci imposent une température électro- plaque est obtenu à l'aide d'un montage nique à la limite de la gaine côté plasma optique du type condenseur à relais. La ré- indépendante des conditions de l'écoulement solution du spectrographe utilisé pour ces au loin.

mesures d'absorption étant trop faible pour Le profil de température dans la couche obtenir directement le profil réel de la limite étant régi par la conductivité ther- raie, nous avons été obligés de déconvoluer. mique des électrons.

De ce fait, nous ne nous intéresserons

BIBLIOGRAPHIE

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