Rigidité diélectrique des gaz pré-excités

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Rigidité diélectrique des gaz pré-excités

A. Pozwolski

To cite this version:

A. Pozwolski. Rigidité diélectrique des gaz pré-excités. Revue de Physique Appliquée, Société française

de physique / EDP, 1969, 4 (4), pp.471-475. �10.1051/rphysap:0196900404047100�. �jpa-00243313�

RIGIDITÉ DIÉLECTRIQUE ^{DES GAZ} PRÉ-EXCITÉS

Par A. POZWOLSKI,

Université de Paris, Département d’Electrical Engineering, Université d’Alberta, ^Canada (Reçu ^{le 21} janviey 1969, ^{révisé le 4} juin 1969.)

Résumé. - On a étudié la rigidité diélectrique ^{de l’azote et de} l’argon ^en présence ^d’atomes

métastables. L’excitation est obtenue en déchargeant périodiquement de gros condensateurs et les atomes métastables sont transportés ^au point ^{de mesure} par ^un rapide ^courant gazeux.

On a obtenu des durées de vie supérieures ^{à 15 ms et une réduction du} potentiel disruptif ^par

un facteur atteignant ^3.

Abstract.

Breakdown in nitrogen ^and argon ^{has been} investigated when metastable

particles ^are present. Excitation is obtained by periodical discharge ^of large capacitor ^banks

and metastable species ^{are carried down} by ^a rapid stream of gas. Lifetime larger ^than

15 ^ms and a decrease of breakdown voltage by ^{a factor as} large ^{as 3 were observed.}

I. Introduction.

On sait qu’il existe différentes classes de décharge électrique. ^{Ainsi aux basses} pres- sions ^et _pour de faibles valeurs du potentiel appliqué,

on observe une décharge ^{de Townsend ou non auto-}

entretenue, ^car elle s’arrête en l’absence d’une source externe de production d’électrons. Pour des valeurs

plus élevées du potentiel, ^{on a une} décharge ^lumines-

cente ou auto-entretenue et si la densité de courant

augmente ^on passe ^en régime ^d’arc [1].

L’étude du déclenchement d’une décharge gazeuse est intéressante d’abord ^sur le plan recherche fonda- mentale _par les renseignements qu’elle apporte ^sur les mécanismes d’interaction entre électrons, ^atomes

et molécules et ensuite au point ^{de vue de} l’ingénieur.

En effet, ^le claquage peut ^{être un} phénomène ^aux applications ^très utiles telles _que éclairagisme, ^conduc- tion, production d’impulsions ^{à front très} raide,

arcs, etc., ou, ^au contraire, ^un phénomène nocif, ^lors- qu’il ^se produit ^{dans les} disjoncteurs ^{ou les transfor-}

mateurs à haute tension. Plus récemment, ^l’étude des problèmes ^de conversion d’énergie ^a apporté

un regain ^{d’intérêt aux} propriétés électriques ^des

gaz [2], [3].

La rigidité diélectrique ^{des gaz est très sensible}

aux additifs que l’on peut y incorporer. Suivant les

applications envisagées, ^le phénomène peut être gou- verné dans les deux sens. Ainsi les corps à caractère

électro-négatif accroissent les propriétés isolantes des gaz ^et les fréons comptent parmi ^les plus ^efficaces.

Ils sont largement employés ^{dans les} appareillages

nécessitant de hautes tensions (Van ^de Graff, etc.).

(1) Actuellement Laboratoire d’~lectrodynamique ^des

Gaz Ionisés, Faculté des Sciences de Paris.

En revanche, l’addition de composés ^{à faible} potentiel d’ionisation, fournissant spontanément ^{des électrons}

libres ou facilitant l’ionisation _par étapes, ^diminue

le potentiel disruptif. ^{Elle diminue} également ^le

« retard temporel » ^entre la tension appliquée ^{et la}

conduction. Les atomes métastables possèdent ^ces propriétés ^et leur effet ^est connu sous le nom d’effet

Penning. ^Von Engel ^{et Vidaud} [4] ^{ont obtenu une}

diminution de l’ordre de 10 % ^du potentiel disruptif

en ajoutant ^à de l’azote ordinaire de l’azote actif obtenu _par diffusion à partir ^d’une décharge auxiliaire.

P. B. Curtis et A. Reddish [5] ^ont étudié les _pro-

priétés électriques ^{d’un courant} d’argon lorsqu’on

lui ajoute ^des espèces excitées obtenues _par une

décharge ^{H.F. située en amont.}

Le présent ^travail porte essentiellement sur la rigi-

dité diélectrique de l’azote et de l’argon lorsqu’ils

sont pré-excités par des courants intenses provenant de la décharge ^d’un condensateur. Les mesures sont

faites en régime dynamique, ^les espèces ^{excitées étant} transportées ^au point ^{de mesure} par l’écoulement même du gaz. Quand la tension appliquée ^{aux élec-}

trodes de mesure est faible, ^{aucun courant n’est obser-}

vable. En augmentant graduellement la tension

appliquée, ^on arrive à observer un éclair lumineux

accompagné ^d’une brusque apparition ^{de courant}

dans le circuit de mesure.

Par analogie ^{avec les} phénomènes ^{observés avec les}

gaz ^non préalablement ^{excités, nous} appelons ^dans

tout ce qui ^suit potentiel disruptif ^ou potentiel ^d’amor-

çage le potentiel ^minimum qu’il ^est nécessaire d’appli-

quer afin d’obtenir ^une décharge ^{dans le} circuit de

mesure.

Il est à noter toutefois que pour certaines valeurs

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/rphysap:0196900404047100

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des paramètres hydrodynamiques, lesquelles ^sont pré-

cisées _{par la} suite, ^la détermination expérimentale

d’un tel seuil était malaisée. On désigne alors par VB

et IB la tension et le courant dans le circuit de _mesure;

I~B peut être ainsi considéré comme une limite supé-

rieure du potentiel disruptif.

Dans les conditions de nos expériences, ^les potentiels disruptifs ^observés atteignaient des valeurs jusqu’à

trois fois inférieures aux valeurs du potentiel disruptif

mesuré pour le gaz ^non excité et pouvaient ^{même être}

inférieures à la valeur correspondant ^{au minimum de}

la courbe de Paschen [1], [7].

Étant donné que la décharge secondaire objet ^de

la mesure est entièrement modulée _par la fréquence

de la décharge ^{du banc de} condensateurs produite

en amont, ^on peut ^{encore dire} qu’il s’agit ^d’une décharge luminescente non auto-entretenue.

Il semble _que l’amorçage ^{de cette} décharge puisse

être attribué dans la plupart ^{des cas aux atomes}

métastables transportés par le courant gazeux, ^comme le montrera la discussion qui ^{va suivre.}

Néanmoins, ^{dans le cas d’un courant} gazeux à

grande vitesse, ^le temps ^{de transit entre la zone d’exci-} tation et la zone de mesure devient comparable ^au temps de relaxation des charges ^{et on observe des}

courants appréciables, même pour de très faibles valeurs (5 volts) ^du potentiel appliqué, ^ce qui ^rend

alors difficile la définition d’un seuil d’amorçage.

II. Réalisation expérimentale.

^{II .1.} DESCRIPTION GÉNÉRALE.

La figure ¹ donne le schéma général

Fie. 1.

Schéma général de l’installation.

de l’installation. La bouteille _{de gaz} S débite dans le tube TT’, connecté à un réservoir R, ^{où l’on a} préalablement ^{fait le vide à l’aide} de la pompe P.

VI’ V~, V3 désignent ^un système ^de vannes conve-

nable. Les pressions ^et ~’ à l’intérieur du tube et du réservoir sont données par les jauges j ^et j’, ^tandis

que le manomètre différentiel M fournit la perte ^de charge, laquelle ^était négligeable dans les conditions de ^nos essais. Ti ^et T2 ^{sont des} diaphragmes permet-

tant le contrôle du débit. La décharge excitatrice

est entretenue entre les électrodes E et le potentiel disruptif ^{est mesuré entre} les électrodes B et B’ (ou ^A

et A’), dites électrodes de ^mesure. Les électrodes C et C’, ^dites électrodes de contrôle, ^{sont situées} symétriquement par rapport ^{à B et} B’, ^{en amont du}

courant gazeux, ^et permettent de différencier les phé-

nomènes dus au transport ^de phénomènes parasites.

VB désigne ^la tension continue appliquée ^{aux élec-}

trodes de _mesure, Ib ^{le courant} consécutif à l’appli-

cation de cette tension et YE la tension excitatrice.

Ces diverses grandeurs ^sont observables sur l’écran d’un oscilloscope.

II . 2. CIRCUITS DE VIDE. - TT’ est un tube de _pyrex ayant ^{2 cm} de diamètre. Il était désirable d’obtenir

une vitesse de circulation des gaz comprise ^entre quelques mis ^{et 100} mjs ^{à une} pression ^de quelques

torrs. Cela a été effectué au moyen d’une pompe à

palettes ^{ayant un débit de 500} I/mn ^et couplée ^{à un}

réservoir R ayant ^{3 m3 de} capacité. Il suffit d’abord de faire le vide dans ce réservoir, puis ^{de le mettre}

en communication avec le tube TT’ à l’aide de la

vanne pneumatique V2 pour obtenir pendant ^une

dizaine de secondes la vitesse maximum de _pompage désirée. Cette vitesse peut d’ailleurs être ajustée par le diaphragme T2. Tl ^{est une} tuyère sonique qui,

pour ^une pression ^{amont donnée} P, ^{fournit un débit} de masse constant, ^tant que ^la pression aval p reste

inférieure à une valeur limite de P12. ^On peut ^d’ailleurs tolérer une valeur limite supérieure ^{mais à condition} d’employer ^des tuyères spécialement profilées. ^Dans

ces conditions, la vitesse V du fluide dans le tube TT’

est inversement proportionnelle ^{à la} pression p. ^Le régime d’écoulement était essentiellement laminaire dans tous ces essais. Après que la ^vanne V2 ^{ait été}

ouverte, la pression p augmente régulièrement jus- qu’à ^une valeur limite imposée par la pompe ^{et on}

a ainsi un moyen commode de faire varier de façon

continue la vitesse du _gaz dans le tube. En cours

d’expérimentation, ^{la vanne} V3 ^était toujours ^main-

tenue ouverte. En dehors des ^heures d’expérimenta- tion, ^la pompe était habituellement arrêtée, V3 ^fermée

et le réservoir R maintenu constamment sous vide.

II.3. CIRCUITS ÉLECTRIQUES.

^{Ils sont} représentés figure ^{2. Les} électrodes E, refroidies à l’eau, ^{sont des}

Fie. 2.

Circuits électriques :

a) ^Circuit d’excitation ; b) Circuit de mesure.

cylindres ^{de 13 mm} de diamètre et situés à 1,5 ^cm

l’un de l’autre. Les électrodes B et B’ sont des disques

en acier inox de 1 cm de diamètre et distants de 1 cm.

Les distances EA et EB, ^{mesurées entre les axes des} électrodes, ^sont respectivement ^{15 cm et 25 cm. La} décharge excitatrice a été obtenue à partir ^d’un

condensateur de capacité ^C

¹ [iF, chargé ^{entre 0}

et 5 keV et fournissant des oscillations de relaxation.

L’éclateur F permet d’ajuster la tension du déclen- chement. Une résistance R’ - 4,5 ohms consti- tuée par ^un rhéostat électrolytique de self-inductance

négligeable ^{assure le} régime critique ^{de la} décharge, laquelle s’effectue en 8 _{ps. La} résistance R" (quelques mégohms) ^facilite l’amorçage ^{de la} décharge. ^Ce type de décharge présente l’avantage ^de permettre ^une excitation intense du gaz, ^un faible échauffement des électrodes et une faible consommation d’énergie. Ainsi,

à la fréquence ^{de 20} Hz, l’intensité moyenne ^consom- mée est de 125 mA, tandis que le ^courant maximum atteint 1 100 A. De plus, la brièveté de la décharge

assure une bonne définition de l’origine ^des temps

pour l’observation des phénomènes ^de post-décharge.

Au lieu d’avoir des oscillations de relaxation, ^on peut aussi observer une décharge unique ^{à l’aide d’un}

éclateur commandé extérieurement à l’aide d’un thy-

ratron, ^{suivant un schéma} classique. ^{Le courant} Ib, ^et

la tension hB (circuit ^de mesure) ^{et la tension} YE aux

bornes du condensateur du circuit d’excitation sont

observés sur l’écran d’un oscilloscope fonctionnant soit ^en régime normal, ^{soit en «} déclenché ».

III. Théorie du claquage.

^{Nous avons observé}

une diminution considérable du potentiel disruptif.

Cet effet pouvant ^{être dû à} plusieurs ^{causes, il est}

opportun ^de rappeler brièvement les diverses théories

proposées pour le claquage.

Considérons donc un électron se déplaçant ^{de la}

cathode K à l’anode A située à une distance d.

Si ce est le nombre d’ions créés _par un électron par unité de longueur, il arrivera à l’anode ead électrons formant une « avalanche ». Pour rendre compte ^du

claquage, ^il faut introduire un nouveau mécanisme de production d’électrons, ^le plus vraisemblable étant l’émission secondaire à la cathode _par bombardement d’ions positifs. Soit y ^{le nombre} d’électrons secondaires libérés par chaque ^ion positif, lorsqu’il frappe ^la

cathode. Dans ces conditions, la théorie bien connue

de Townsend donne :

avec Ie, ^courant électronique à la cathode dû à une cause externe et ayant ^un simple ^rôle d’amorçage;

Ib, ^courant global ^circulant dans le circuit.

La condition de claquage ^{est alors :}

Cette équation signifie physiquement qu’un ^électron

ayant quitté la cathode ^assure le départ ^{d’un autre.}

Lorsque les électrons sont régulièrement répartis

dans tout l’espace inter-électrode, ^{on trouve une}

condition de claquage analogue.

IV. Résultats.

Les potentiels nécessaires pour créer l’amorçage ^ont été mesurés dans l’argon ^{et dans}

l’azote et peuvent atteindre dans ce dernier cas des valeurs qui diffèrent de celles observées dans le gaz à l’état normal par ^un facteur de l’ordre de 3.

IV 1. DÉCHARGES DANS L’AZOTE.

Les oscillo- grammes des figures ^{3 a, 3} b, ^{3 c et 3} d, ^{relatives à} l’azote, donnent le courant dans la décharge ^{en fonc-}

tion du temps pour différentes pressions ^et différentes valeurs du potentiel UB, appliqué ^aux électrodes B.

Ce potentiel ^a été choisi suffisamment bas en sorte que la décharge disparaisse ^avec l’excitation exté- rieure qui ^{lui a} donné naissance.

L’intervalle de temps s’écoulant entre l’excitation

(décharge ^du condensateur) ^{et la} décharge objet ^de

la mesure peut dépasser ^{15 ms. Dans l’azote, l’amor-}

çage de la décharge est net et s’observe visuellement.

Le phénomène s’explique par les ^{atomes et} molé- cules métastables de l’azote réputés posséder ^les plus longues durées de vie connues. Ils disparaissent ^sui-

vant les processus [8] ^décrits ci-dessous.

L’azote atomique ^{N se détruit au cours d’une col-}

lision triple suivant la réaction :

C, troisième corps, molécule d’azote à l’état normal

ou de gaz ^rare.

Puis l’azote électroniquement ^excité N~ disparaît

avec émission de radiations et formation d’azote métastable à excitation électronique puis ^vibra-

tionnelle :

cette énergie de vibration se transforme finalement ^en

énergie de translation.

Dans les conditions de nos expériences, ^les décharges

ont été étudiées dans l’intervalle de pression ^{1-8 torrs.}

Si la pression augmente, ^{on constate} que le ^courant d’azote devient lumineux. Il y ^a formation d’une

« flamme froide » qui ^est entraînée par le ^courant gazeux. A ^ce moment, l’amorçage ^{de la} décharge ^se

fait de façon ^moins franche, il devient difficile de parler

d’un « seuil de claquage ^{». La} décharge ^{est obtenue}

pour des tensions plus élevées, quoique inférieures à celles observées sans excitations amont, mais elle per- siste alors après que celle-ci ^eut disparu. ^On peut admettre que l’augmentation ^de pression ^{favorise la}

désexcitation radiative des métastables d’où augmen-

tation du potentiel disruptif.

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FIG. 3 a.

Pression, 1 torr ; Vitesse, 144 m/s ; ^Tension disruptive, ¹⁵⁰ V ; Horizontal, ¹ ms,’cm ; Vertical, 0,25 mA/cm.

La courbe inférieure donne la tension aux bornes du condensateur durant sa période ^de charge. ^{La courbe}

débute à l’origine ^des temps (à gauche) qui correspond

à l’instant où le condensateur vient de se décharger.

L’origine ^{des ordonnées se trouve} également ^{à la} partie

initiale de la courbe, sensibilité verticale : 1 000 V/cm.

Pic. 3 b.

Pression, ² torrs ; Vitesse, ⁷² m/s ; ^Tension disruptive, ²⁰⁰ V ; Horizontal, ² ms/cm ; Vertical, 0,5 mA/cm ; ^Courbe inférieure, ^mêmes remarques que

figure ^{3 a.}

IV. 2. DÉCHARGES DANS L’ARGON.

Dans le cas de

l’argon, l’expérience ^montre que l’amorçage ^{de la} décharge ^{de mesure n’est lié au} déclenchement de la

décharge d’excitation que pour des intervalles de temps ^bien plus restreints, ^{2 à 3 ms au} plus.

Les expériences ^ont été effectuées en utilisant les électrodes A.

La réduction du retard temporel ^{entre les} décharges

d’excitation et de mesure est due certainement au 1

FIG. 3 c.

Pression, ² torrs ; Vitesse, ⁷² m/s ; ^Tension appliquée ^{pour créer} l’amorçage, ³⁰⁰ V ; Horizontal,

2 ms/cm ; Vertical, 0,5 mA,-cm ; ^Courbe inférieure, mêmes remarques que figure ^{3 a.}

FIG. 3 d.

Pression, ⁴ torrs ; Vitesse, 23,5 m/s ; ^Tension appliquée ^{pour créer} l’amorçage, ⁴⁰⁰ V ; Horizontal, 5 ms/cm ; ^{Vertical, 1} mA/cm.

La courbe inférieure ^donne également la tension ^aux bornes du condensateur mais ici l’instant de sa décharge correspond ^{à la} discontinuité. L’origine des ordonnées

se trouve ^au niveau inférieur de la discontinuité ; ^sensi- bilité verticale, ^{1 000} V/cm.

fait _{que les} atomes métastables de l’argon ^{ont une}

durée de vie nettement inférieure à ceux de l’azote.

Mais d’autre part, pour de faibles retards de temps, le courant mesuré peut ^{être dû} également ^aux

électrons libres transportés ^{en aval. A} l’appui ^de

cette dernière interprétation, ^{nous observons des}

courants appréciables (0,5 mA) ^{avec des} potentiels appliqués VA très bas : 5 V.

Si VA augmente, ⁵ VA ⁵⁰ V, ^{le courant reste}

sensiblement constant et on peut l’interpréter ^comme

dû à la collection des charges libres. Le facteur de

multiplication électronique ^est négligeable ^{dans des} champs aussi faibles (II).

La densité électronique n’a pu être mesurée direc- tement ici. Elle peut ^être estimée de l’ordre de

électrons

~ ’

1012 électrons cm3 ^{d’après les mesures de Noakes faites sur} des post-décharges [12].

IV. 3. DIsCUSSION.

Un gaz pré-excité peut ^contenir des électrons libres, ^{mais leur} effet, d’après ^{la discus-}

sion du paragraphe III, ^ne changera guère ^{la condi-}

tion du claquage ^à moins que la densité électronique

ne soit élevée, ^ce qui peut produire ^des champs

locaux élevés (effet ^de charge d’espace) ^{ou même}

rendre d’emblée le milieu conducteur, auquel ^cas

le phénomène ^de claquage perd ^sa signification.

Par contre, ^{si un} gaz pré-excité ^{renferme une} quan- tité appréciable ^d’atomes métastables, ^{ceux-ci se} comportent ^{comme des atomes} ayant ^un potentiel

d’ionisation apparent V,

VM ^{assez faible} [9] (Vi, ^ni-

veau d’ionisation; VM, ^niveau métastable), ^{le milieu}

gazeux ^est donc plus ^{fertile en électrons et} le coeffi- cient ex. augmente.

Le coefficient _y est aussi augmenté par suite des électrons supplémentaires ^libérés par les métastables diffusant sur la cathode.

Mais la diminution du potentiel disruptif peut ^être due à d’autres causes. L’irradiation de la cathode par ^une lumière ultraviolette _provoque l’émission de photo-électrons ^{et aboutit à une} diminution de

quelques pour ^cent du potentiel disruptif. ^{Cette cause}

ne peut ^{être retenue dans nos} expériences ^{car alors}

le claquage ^se produirait pratiquement ^{au moment}

même où se déclenche la décharge excitatrice, ^tandis

que l’on observe un délai de plusieurs millisecondes

correspondant précisément ^{au temps} de transit des molécules gazeuses de la ^zone d’excitation à la zone

de mesure. De plus, ^{si toutes choses} égales (pression ^et potentiel appliqué) ^on interrompt ^{le courant} gazeux, le claquage ^{ne se} produit plus. Enfin, les électrodes de contrôle mentionnées au paragraphe II.1 per- mettent d’écarter définitivement cet effet ici. Mais d’autre part, ^{il faut noter} qu’une diminution _{de pres-} sion ou un échauffement du _{gaz à} pression ^constante

diminuent le potentiel disruptif. Nous n’avons observé

aucun échauffement du tube en aval des électrodes excitatrices et pensons que la modulation thermique

de la veine gazeuse ^est faible dans les conditions de

ces expériences. ^De plus, ^les potentiels nécessaires pour entraîner l’amorçage atteignent des valeurs (150 V)

nettement inférieures au potentiel disruptif ^minimum (350 ^V pour l’azote) ^fourni par la courbe de Paschen,

ce qui ^{montre bien} qu’il s’agit d’un effet dû aux atomes métastables et ne pouvant ^être expliqué par la seule diminution de la densité du gaz. On ^remar- quera aussi ^sur les oscillogrammes précédents que le

courant de décharge persiste ^{un certain} temps après

la disparition ^{de la cause} qui ^l’a produit. ^Ce phéno-

mène dû à des processus de diffusion et de recombi- naison a été aussi signalé ^{dans le cas de} claquages

déclenchés _par une onde de choc [10] à propos de

son utilité en vue de la conversion directe d’énergie.

Remerciements.

Le présent ^{travail a} été effectué à l’Université d’Alberta, Département ^{de Génie Élec-} trique, Edmonton, Canada, que ^nous remercions _pour

son aide. Nous remercions également le Conseil Cana- dien des Recherches (N.R.C.) ^{pour l’aide financière} qui ^a permis ^ces expériences.

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