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Tyl, Clémence. Study of the memory effect in atmospheric pressure townsend discharges in nitrogen with addition of oxidizing gas: temporally and spatially resolved electrical and optical characterizations

Tyl, Clémence (2019). Study of the memory effect in atmospheric pressure townsend discharges in nitrogen with addition of oxidizing gas: temporally and spatially resolved electrical and optical characterizations.

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Résumé en francais

Les procédés plasma utilisant des décharges à barrières diélectriques (DBD) à pression atmosphérique sont une bonne alternative aux plasmas froids à basse pression pour de nombreuses applications comme le traitement de surface, le dépôt de couches minces, la stérilisation etc. En effet, ils permettent de s'affranchir des systèmes de pompage et donc de réaliser des traitements sur de grandes surfaces directement implantables sur des lignes de production. Cependant, les DBD sont généralement filamentaires, ce qui conduit à des dépôts non homogènes. Dans certaines conditions expérimentales (géométrie, nature du gaz, excitation etc.), on peut néanmoins obtenir une décharge homogène conduisant à un traitement homogène des surfaces. Néanmoins, les caractéristiques des DBD homogènes ne sont pas identiques en tout point de l'espace, notamment en raison du flux de gaz, mais aussi dans le cas de matériaux diélectriques avec un gradient de propriétés ou dans le cas de décharges auto-organisées. Afin de mieux caractériser la distribution spatiale de la décharge, un outil de mesure de densités locales de courant a été développé au cours de cette thèse. En effet, les mesures électriques sont un bon outil de caractérisation de la décharge donnant accès à de nombreux paramètres (courant de décharge, tension gaz, puissance dissipée etc.). Néanmoins, le courant mesuré est intégré sur toute la surface des électrodes. Pour pouvoir mesurer les courants localement, l'électrode de masse de la cellule de décharge de dimension 3×3 cm2 a été divisée en 64 segments, et un système d'acquisition a été développé afin de pouvoir acquérir les 64 courants mesurés simultanément avec une fréquence d'échantillonnage suffisante pour le traitement des données. Ce nouvel outil de diagnostics électriques peut être corrélé temporellement et spatialement à des mesures optiques par caméra intensifiée iCCD couplée à différents filtres optiques, donnant des informations sur les densités de certaines espèces dans le plasma. L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre la dissipation de puissance locale et de caractériser plus finement les espèces mises en jeu et les différents régimes de décharge, notamment l'obtention d'un régime homogène. Les DBD homogènes sont initiées par un claquage de type Townsend. Pour cela, une source de production d'électrons est nécessaire entre deux décharges, quand le champ électrique est inférieur au champ de claquage. Ce claquage est lié à un effet mémoire d'une décharge à l'autre, visible sur les mesures électriques, avec un saut du courant de décharge. Les hypothèses sur l'origine de cet effet mémoire peuvent être séparées en deux catégories. Des phénomènes liés aux surfaces des diélectriques permettent de produire des électrons germes entre deux décharges, comme la désorption spontanée ou l'émission secondaire d'électrons piégés en surface par collision d'espèces à longue durée de vie tels que les métastables N2(A3 Sigma u+) dans de l'azote. Des phénomènes se produisant dans le volume de gaz ont également été mis en évidence par l'ajout de faibles quantités de gaz oxydant (O2 et NO) dans l'azote. L'augmentation de l'effet mémoire observé dans ces conditions met en évidence la production d'électrons germes en volume. Des mesures électriques et optiques locales, pour différents écarts gazeux entre les diélectriques ont permis de proposer un mécanisme de création d'électrons germes, basé sur l'ionisation associative entre l'azote et l'oxygène atomiques N(2P) et O(3P). La comparaison des mesures dans l'azote pur avec un modèle fluide 0D de la décharge a permis de mettre en évidence l'importance de ces phénomènes en volume comparés aux phénomènes liés aux surfaces.

Sous la direction du :
Directeur de thèse
Naudé, Nicolas
Brandenburg, Ronny
Ecole doctorale:Génie électrique, électronique, télécommunications (GEET)
laboratoire/Unité de recherche :Laboratoire PLAsma et Conversion d'Energie (LAPLACE), UMR 5213
Mots-clés libres :Décharges à barrières diélectriques - Plasma froid hors équilibre - Décharge de townsend à pression atmosphérique - Effet mémoire - Diagnostics électriques locaux - Ionisation associative
Sujets :Sciences de l'ingénieur
Déposé le :05 Nov 2020 15:30