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

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2.2. Généralités sur les gaz ionisés et plasmasProcessus Nom Effet macroscopiqueGaz monoatomiquese, A→ e, A Collision élastique électron-atome Mobilité électroniquee, A→ e, A ∗ Excitation par collision électronique Production de métastablese, A→ e, e, A + ionisation par collision électronique Multiplication des électronse, A ∗ → e, A Désexcitation (quenching) Destruction des métastablese, A ∗ → e, e, A + Ionisation en deux étapes Multiplication des électronse, A + → e, A + Interaction coulombienne Diffusion ambipolairee, e, A + → e, A Recombinaison à trois corps e-e-i Plasmas fortement ionisése, A + → hν, A ∗ recombinaison radiative Plasmas fortement ionisése, A + 2 → e, A+ 2 Interaction coulombienne Diffusion ambipolairee, A + 2 → A∗ , A Recombinaison dissociative Plasmas faiblement ionisése, e, A + → e, A ∗ Recombinaison à trois corps e-e-i Plasmas fortement ionisésA, A→ A, A Collision élastique atome-atome Transport dans les gaz neutresA ∗ , A→ A ∗ , A Collision élastique atome-métastable Diffusion des métastablesA ∗ , B→ e, A, B + Réaction Penning Ionisation dans les mélangesA + , A→ A + , A Collision élastique atome-ion Mobilité ioniqueA + , A→ A, A + Échange de charge résonnant Mobilité ioniqueA + , A, A→ A + 2 , A Association ionique Production d’ions moléculairesA ∗ , A ∗ → e, A + , A Réaction Penning croisée Destruction des métastablesA ∗ , A→ e, A + 2 Ionisation associative Formation d’ions moléculairesProcessus supplémentaires dans un gaz diatomiquee, A 2 → e, A V 2 Excitation vibrationnelle "Température de vibration"e, A 2 → e, A, A Dissociation par choc électronique Production d’atomese, A 2 → e, e, A + , A Ionisation dissociative Production d’ions atomiquesProcessus supplémentaires dans un gaz électronégatif (par exemple O 2)e, A 2 → A − , A Attachement dissociatif Production de A −e, A 2, A 2 → A − 2 , A2 Attachement à trois corps Production de A− 2e, A − → e, e, A Détachement par choc électronique Destruction de A −A − 2 , A+ 2 → A2, A2 Recombinaison ion-ion Destruction de A− 2Tableau 2.1 – Réactions dans les plasmasdérivent également du fait de leur gradient de densité, par le biais d’une vitesse de diffusion quis’écrit pour les électrons :U e = − D eN e∇N eLes interactions coulombiennes entre les électrons et les ions positifs participent égalementaux bilans de force. Lorsque les ions et électrons s’éloignent, une force de rappel tend à lesrapprocher les uns des autres. Il s’ensuit un mouvement de diffusion global des ions positifs etélectrons que l’on appelle diffusion ambipolaire et qui se caractérise par un coefficient D a quisuit la relation :D a = µ eD i + µ i D eµ e + µ iavec µ i la mobilité et D i le coefficient de diffusion des ions.23
2. Physique des décharges électriques2.3 Décharges hors équilibre dans les gazOn désigne par décharge le phénomène électrique permettant d’ioniser un milieu gazeux.Selon les conditions d’utilisation, les décharges peuvent produire des plasmas ou simplementdes gaz faiblement ionisés. Par plasma ou décharge hors équilibre, on entend un plasma ou unedécharge dans lesquels les électrons ont une température très élevée, typiquement de l’ordre del’électronvolt (1 eV ≃ 10000 K), alors que les ions restent à température ambiante. Le mode defonctionnement de ces plasmas dépend principalement du produit P × d de la pression et de ladistance entre les électrodes. Lorsque le produit P ×d est supérieur à environ 200 cm.torr (1 torr= 133 Pa), la décharge prend la forme de canaux très fins menant rapidement à l’arc électrique.Ainsi les décharges à la pression atmosphérique ne peuvent-elles s’entretenir durablement quepar le biais d’impulsions faibles de courant. Dans ce qui suit, une présentation des décharges àbasse pression permet d’introduire les notions utiles à la compréhension des décharges à hautepression (0,1 à 10 bars).2.3.1 Décharges hors équilibre à basse pressionHistoriquement, les premiers travaux, menés par Townsend, concernent la création d’unplasma entre deux électrodes planes dans une enceinte où la pression est de l’ordre du Torr.La figure 2.3 est le dispositif académique utilisé pour l’obtention de décharges basse pression.CAVRFigure 2.3 – Configuration pour l’étude des décharges basse pressionLorsque l’on applique une différence de potentiel aux bornes des électrodes planes, les électronsprésents initialement dans l’enceinte dérivent sous l’effet du champ électrique. Ce champélectrique initial est le champ extérieur : aucune charge d’espace n’existe dans le domaine puisquel’ionisation ne se produit pas encore. Les électrons sont à l’origine de deux réactions : l’ionisation,qui favorise la croissance du nombre de charges ; l’attachement ou la recombinaison, qui a l’effetcontraire de l’ionisation. La figure 2.4 présente les quatre régimes de décharges observés.Les décharges non autonomes sont caractérisées par de faibles courants et ne peuvent subsisterque par l’apport extérieur d’électrons germes. Une source lumineuse constitue généralement cetapport extérieur. Les électrons dérivent alors sous l’effet du champ électrique et sont collectés à24
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Bibliographie[1] http ://fr.wikiped
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BIBLIOGRAPHIE[31] Loeb L.B. Electri
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BIBLIOGRAPHIE[63] Shcherbakov Yu. V
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