Transition des basses fréquences aux hautes fréquences d’une décharge à barrière diélectrique en hélium à la pression atmosphérique

Les décharges à barrière diélectrique homogènes à la pression atmosphérique représentent un véritable intérêt autant pour les applications industrielles que pour la richesse de leur comportement physique. Jusqu’à maintenant, la gamme des basses fréquences (sous 300 kHz) et la gamme des hautes fréquences (au-dessus de 3 MHz) ont été amplement étudiées ; la physique contrôlant la décharge est donc relativement bien connue. Par contre, la gamme des moyennes fréquences (entre 0,3 et 3 MHz) reste à ce jour très peu explorée. Cette thèse par article vise, dans un premier temps, à comprendre le fonctionnement de la décharge à barrière diélectrique dans la gamme des moyennes fréquences. Dans un deuxième temps, l’effet de la fréquence sur la décharge est étudié sur la plage des basses aux hautes fréquences. Cette recherche expérimentale est poursuivie à l’aide d’une décharge à barrière diélectrique dans une atmosphère contrôlée d’hélium à la pression atmosphérique. Afin d’identifier les multiples régimes de décharge, plusieurs diagnostics sont mis en oeuvre. L’imagerie rapide est d’abord employée pour permettre l’identification des régimes de décharge en fonction de leur évolution temporelle. Ensuite, des mesures électriques, de la spectroscopie d’émission optique et de la spectroscopie d’absorption sont utilisées de manière à déterminer la densité électronique, la température électronique ainsi que la densité des atomes dans un état métastable. Pour une fréquence d’excitation fixe dans la gamme des moyennes fréquences, la décharge peut se comporter selon deux régimes distincts. Ceux-ci sont identifiés comme le régime Ω, pour lequel l’ionisation se produit au centre de la décharge et la densité de puissance est d’environ 0,1W/cm3, et le régime hybride, pour lequel l’ionisation se produit dans les gaines et la densité de puissance est d’environs 10W/cm3. Lorsque la fréquence est supérieure à 1MHz, le passage du régime Ω au régime hybride est accompagné d’une hystérèse. Cette hystérèse est due au piégeage efficace des ions dans l’espace interdielectrique qui ne permet pas aux ions de participer à l’émission secondaire tant que la charge d’espace n’est pas suffisante pour déformer le champ électrique. Quant aux fréquences inférieures à 1MHz, le régime hybride qui leur est associé n’est pas maintenu de manière continue, mais transite spontanément entre les régimes Ω et hybride. Un phénomène qui est dû au piégeage des ions qui n’est pas encore suffisant pour conserver les ions dans la gaine dans le cas où le champ électrique est perturbé par la charge d’espace. De plus, sur toute la gamme de fréquences étudiée (de 25kHz à 15MHz), il est possible de générer plusieurs autres régimes de décharge homogènes. Jusqu’à 100 kHz, en plus du régime luminescent (pour lequel l’ionisation est maximum près de la cathode) habituellement observé en basses fréquences, un régime dit quasi-Townsend, pour lequel l’ionisation est à son maximum près de l’anode a pu être observé. Entre 200 et 3000 kHz, ce sont les régimes Ω et hybride qui sont observés. À partir de 5 MHz, le régime RF-α est finalement atteint. Sur la plage de fréquence étudiée, la densité électronique moyenne (intégrée spatialement et temporellement) varie de e14 à e17 /m3 tandis que la température électronique moyenne se situe entre 0.3 et 0,5 eV. Tout comme la température électronique, la densité des atomes dans un état métastable est maximale dans le régime hybride.

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