Étude numérique et théorique des phénomènes liés aux hautes pressions dans les microdécharges

Numerical and theorical study of the phenomena due to high pressures in microdischarges

• Auteur / Autrice : Benjamin Eismann
• Direction : Léanne Pitchford
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des plasmas
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cinétique chimique

Plasmas (gaz ionisés)

Hautes pressions

Décharges électriques dans les gaz

Mots clés libres

Plasma

Emission secondaire électronique

Microdécharge

Décharge partielle

Haute pression

Polyéthylène

Cinétique chimique complexe

Résumé

Une décharge dans un gaz à haute pression et à basse température (ie de l'ordre de la température ambiante) est un phénomène généralement instable (transition à l'arc), en raison de phénomènes divergents précisément dûs à la pression élevée. En se basant sur la loi d'échelle pression fois distance qui définit la tension de claquage, on arrive toutefois à créer des plasmas froids, stables et non-filamentaires, à pression atmosphérique, en ramenant les dimensions de la décharges à quelques centaines de microns. Les applications de telles décharges sont nombreuses, tant par la densité d'espèce réactive que l'on peut générer que par la faible tension nécessaire à son maintien et les économies réalisées en terme d'équipement, les systèmes de pompage n'étant plus nécessaires. Cela concerne par exemple la production d'excimère pour la génération de lumière, la production d'espèces réactives pour les applications biologiques ou le traitement des matériaux, ou encore l'affichage plasma. Mais le passage aux hautes pressions entraîne des effets pas encore bien compris au niveau théorique. En effet, à pression atmosphérique, la chimie dans les mélanges gazeux complexes va être modifiée, les effets thermiques jouent un rôle accru, la diffusion étant plus faible, jusqu'à la zone de gaine qui va être plus compacte et donc le champ électrique à la cathode plus élevé, modifiant ainsi l'interaction du plasma avec les électrodes. Par ailleurs, ces dimensions microscopiques et la pression atmosphérique concerne un autre type de décharges, les décharges partielles dans les défauts structurels des isolants, responsables de leur dégradation à très long terme. Ces décharges partielles ayant lieu dans des conditions similaires (volume et pression), l'étude des microdécharges peut alors être calquée sur cet autre problème afin d'en expliquer certains aspects mal connus. Le but de cette thèse est d'étudier les questions soulevées par le passage à haute pression et à dimension microscopique, en se concentrant sur l'étude numérique de la chimie d'un mélange complexe (He/O2/NO) dans une post-décharge, puis l'étude théorique de l'émission électronique secondaire par impact ionique et métastable sur une cathode métallique, et l'influence possible d'un champ électrique moyen (de l'ordre de 107 V/m) sur cette émission. Ces résultats sont ensuite adaptés à l'étude de l'émission secondaire sur une surface diélectrique, avec pour objectif de décrire son mécanisme sur le polyéthylène dans les décharges partielles.

A non-equilibrium discharge at high pressure is generally an unstable phenomenon, because of feedback mechanisms due to this high pressure and leading to the arc. Starting from the p. D scaling law (pressure times distance) that defines the breakdown voltage, one can generate a cold, stable, non-equilibrium and non-constricted plasma at atmospheric pressure by turning down the discharge dimensions to some hundreds of microns. The applications for such discharges are numerous, from the point of view of the active species one can get with it, or the low voltage required for its sustainment, or the simplification of all the experimental equipment since pumping devices and vacuum proofed chambers are not necessary anymore. Those applications deal with excimers production for light generation, reactive species production for biological use or surface treatment or laser pumping, or plasma display. The fact is that many features of those microplasmas are not yet well understood. At atmospheric pressure, the kinetics of complex gas mixes is being modified, temperature plays an increased role due to lower diffusion, the cathode sheath is thiner therefore the electric field at its surface is higher, changing the interaction of the plasma with the electrodes. Besides, those small dimensions and this high pressure are the same conditions for another type of discharge, the partial discharges in structure flaws within isolating materials, these discharges being the cause of the long term ageing (and breakdown) of such materials. Since the partial discharges happen in conditions (pressure and distance) close to controlled microdischarges, some aspects of there study can be applied to the partial discharge problem which also needs some improvements in the description of certain of its processes. The goal of this thesis is to study the issues raised by the transition to high pressure and the downsizing of the geometry, especially by focusing on the numerical study of the kinetics of a complex mix (He/O2/NO) in a post-discharge, then the theoretical study of secondary electron emission by slow ion and metastable impact on a metallic cathode and the possible influence of a medium strength electric field (about 107 V/m) on this emission in the context of the simulation of a Micro Hollow Cathode Discharge. In a final part, those results are used to describe secondary emission on a dielectric surface, first MgO and then polyethylen, the aim being to improve the description of partial discharges in polyethylen.