Modélisation et simulation numérique de la génération de plasma ...

More documents

Recommendations

Info

2.2. Généralités sur les gaz ionisés et plasmasélectrons et les neutres, alors le gaz se comportera comme un plasma si :ω p > ν e0Dans les plasmas de laboratoire sous condition de pression atmosphérique, la fréquence ν e0est de l’ordre de 10 12 s −1 . Rappelons que ω p est de l’ordre de 10 11 s −1 . On se situe donc à lalimite entre le gaz simplement ionisé et le plasma. A ce niveau de pression, il est ainsi difficilede créer des plasmas sur des zones étendues, du fait des nombreuses collisions avec les neutresdurant lesquelles les électrons perdent beaucoup d’énergie. On verra au paragraphe 2.3 que lesdécharges peuvent avoir des comportements très différents selon le dispositif électrique étudié etquels sont ceux qui permettent d’obtenir des plasmas sur des régions étendues.2.2.4 Formation des espèces d’un plasmaLors de leur mouvement, qu’il soit dû à leur agitation thermique ou à un phénomène detransport tel que la convection ou la dérive dans un champ électrique, les particules d’un gazentrent en collision. Il existe deux types de collisions. Les collisions élastiques durant lesquellesles particules rebondissent les unes sur les autres en conservant leur énergie cinétique globale.Les collisions inélastiques donnent quant à elles naissance à des échanges d’énergie interne. C’estce type de chocs inter particulaires qui peut donner naissance aux espèces d’un plasma. Les collisionsinélastiques déterminent en grande partie la température des particules. Elles sont fonctionsdes sections efficaces de collision et des taux de réaction.L’énergie interne d’une molécule est la somme de ses énergies électronique E el , vibrationnelleE vib et rotationnelle E rot : E int = E el +E vib +E rot avec E el ≫ E vib ≫ E rot . Toutes les particules(sauf les électrons) peuvent exister dans l’état fondamental ou dans une série d’états excités telsque :– les états radiatifs, de courtes durées (10 −8 s), qui sont suivis d’une émission spontanée d’unphoton lors du dépeuplement du niveau radiatif atteint,– le niveau de résonance qui est un niveau radiatif menant au niveau fondamental,– les états métastables, qui ne peuvent se désexciter que lors d’une collision, et qui ont destemps de vie plus long par conséquent,– les états ionisés, qui correspondent à une perte ou un gain d’un ou plusieurs électrons.L’énergie totale E tot d’une particule se divise en l’énergie cinétique E cin et l’énergie interneE int . Lors d’une collision inélastique, il y a changement des états internes. Avant la collision,E tot = E cin + E int . Après celle-ci :{{E cin ′ = E cin + Qsi Q < 0 : réaction endothermiqueE int ′ = E avecint − Qsi Q > 0 : réaction exoénergétiqueUne réaction Q < 0 n’est possible que si E cin >| Q |. En fait, la vraie condition nécessaire est19
2. Physique des décharges électriquesque E rel >| Q |, où E rel est l’énergie cinétique du mouvement relatif des particules. Ceci indiqueque les collisions frontales sont plus efficaces.Considérons la réaction : 1+2 → 3. L’évolution de la densité N 3 de l’espèce 3 est généralementrégie par une équation du type :dN 3dt= kN 1 N 2avec k la constante de réaction, exprimée en m 3 s −1 . Une formulation souvent rencontrée dansle domaine des plasmas, lorsque l’espèce 2 est majoritaire et très lente par rapport à l’espèce 1,est :dN 3dt= αN 1 U 1où U 1 est la vitesse de l’espèce 1 et α un coefficient exprimé en m −1 , comparable à un libreparcours moyen avant la collision du type 1 + 2 → 3. Ces coefficients dépendent de la fonctionde distribution en vitesse des particules 1 et 2, de la section efficace de collision et de la vitesserelative des espèces 1 et 2. Ils sont sensibles également à la température du milieu.Après cette description générale, on va maintenant s’intéresser plus particulièrement auxréactions de production et de destruction d’espèces dans un plasma.Production d’électrons à partir d’une surfacePour arracher des électrons à une surface, il est nécessaire d’apporter une énergie eφ suffisanteappelée "fonction de travail". Les moyens d’y parvenir sont :– Thermique : si le matériau est porté à une température suffisante, il émet un flux d’électrons.– Photonique : lors du bombardement de la surface par des photons d’énergie hν, si hν > eφalors il y a émission de photons d’énergie k B T e = hν − eφ.– Champ électrique intense de l’ordre de 10 8 Vm −1 . Cette source d’électrons peut avoir lieusi la cathode est parsemée d’aspérités sur sa surface. Le champ électrique y est alors trèsintense et provoque l’arrachement d’électrons de surface.– Bombardement ionique : lorsque les ions positifs percutent la cathode, ceux-ci sont capablesd’arracher un certains nombres d’électrons. Le flux d’électrons émis est proportionnel auflux incident d’ions. Le rapport de ces flux est le coefficient d’émission secondaire parbombardement ionique et noté γ i . C’est une source avérée d’électrons, notamment pour lesdécharges basse pression.Production d’ions sur une surfaceCe phénomène est négligeable.20
Page 2: Département Modèles pour l’Aér
Page 5 and 6: Explorer un nouveau domaine lors de
Page 8: Table des matièresTable des figure
Page 12 and 13: Table des figures1.1 Schéma repré
Page 14 and 15: TABLE DES FIGURES7.6 Décharge nég
Page 16 and 17: Table des figures9.6 Isovaleurs de
Page 18 and 19: Liste des tableaux2.1 Réactions da
Page 20 and 21: Chapitre 1Introduction1.1 Observati
Page 22 and 23: 1.1. Observation du vent ionique1.1
Page 24 and 25: 1.2. Explication physique du vent i
Page 26 and 27: 1.3. Modèles de vent ioniqueZone n
Page 28 and 29: 1.4. Intérêt des plasmas pour l
Page 30 and 31: 1.6. Plan et résumé du mémoirePo
Page 32 and 33: Chapitre 2Physique des décharges
Page 34 and 35: 2.2. Généralités sur les gaz ion
Page 44 and 45: 2.3. Décharges hors équilibre dan
Page 54 and 55: Chapitre 3Description et analyse de
Page 56 and 57: 3.1. Descriptif du banc expériment
Page 58 and 59: 3.2. Analyse des résultatsd’une
Page 60 and 61: Chapitre 4Description et mise en oe
Page 62 and 63: 4.1. Stratégie de résolution num
Page 64 and 65: 4.2. Modèle phénoménologique de
Page 70 and 71: 4.3. Conclusion4.3 ConclusionLa mé
Page 72 and 73: Chapitre 5Modèle physique des déc
Page 74 and 75: 5.2. Détermination de la vitesse d
Page 76 and 77: 5.2. Détermination de la vitesse d
Page 78 and 79: 5.3. Production des espècese, N 2
Page 80 and 81: 5.4. Courant électrique et prise e
Page 82 and 83: 5.5. BilanLe champ électrique sera
Page 84 and 85: Chapitre 6Description de la méthod
Page 86 and 87: 6.2. Description de la méthode num
Page 88 and 89:
6.2. Description de la méthode num
Page 90 and 91:
6.2. Description de la méthode num
Page 92 and 93:
6.3. Validation sur le dispositif S
Page 94 and 95:
Page 96 and 97:
Page 98 and 99:
Page 100 and 101:
Chapitre 7Comportement du modèleCe
Page 102 and 103:
7.2. Décharge Fil - Cylindre néga
Page 104 and 105:
Page 106 and 107:
Page 108 and 109:
Page 110 and 111:
7.3. Décharge Fil - Cylindre posit
Page 112 and 113:
Page 114 and 115:
Page 116 and 117:
Chapitre 8Modélisation pseudo 1D d
Page 118 and 119:
8.1. Dispositif Fil - Fil en pseudo
Page 120 and 121:
8.2. Résultat des simulations num
Page 122 and 123:
Page 124 and 125:
Page 126 and 127:
8.3. Variation des paramètres de l
Page 128 and 129:
Page 130 and 131:
Page 132 and 133:
8.4. Application à des configurati
Page 134 and 135:
8.5. Bilan du modèle électrique8.
Page 136 and 137:
8.6. Vent ionique8.6 Vent ioniqueLe
Page 138 and 139:
8.6. Vent ionique8.6.3 Ecoulement e
Page 140 and 141:
8.6. Vent ioniqueFigure 8.24 - Comp
Page 142 and 143:
8.7. Conclusionà l’utilisation d
Page 144 and 145:
Chapitre 9Modélisation 2D du cas e
Page 146 and 147:
9.2. Méthode numériqueCi-1,jnoC i
Page 148 and 149:
9.2. Méthode numériqueLes caract
Page 150 and 151:
9.2. Méthode numériqueN n+1 2i,jL
Page 152 and 153:
9.3. RésultatsV G R γ L V 0 P 0 T
Page 154 and 155:
9.3. Résultatssuivant, à t = 1030
Page 156 and 157:
9.3. Résultats2t = 1000 µs122t =
Page 158 and 159:
9.3. Résultats0.3t = 1000 µsx 10
Page 160 and 161:
9.3. Résultats54400y (cm)323002001
Page 162 and 163:
9.4. Vent ionique0.120.10.08y (m)0.
Page 164 and 165:
9.4. Vent ioniqueFigure 9.15 - Comp
Page 166 and 167:
9.5. Conclusion9.5 ConclusionVenant
Page 168 and 169:
Chapitre 10ConclusionCette thèse,
Page 170 and 171:
forme de capacités, inductances et
Page 172 and 173:
Annexe ADescription de la cinétiqu
Page 174 and 175:
A.2. Sources en volumeξ = 0,06 −
Page 176 and 177:
Bibliographie[1] http ://fr.wikiped
Page 178 and 179:
BIBLIOGRAPHIE[31] Loeb L.B. Electri
Page 180:
BIBLIOGRAPHIE[63] Shcherbakov Yu. V
show all

Modélisation et simulation numérique de la génération de plasma ...

You also want an ePaper? Increase the reach of your titles

Delete template?

Save as template?