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

2.3. Décharges hors équilibre dans les gazcentaines de nanosecondes dont l’intensité varie de 10 nA à 100 µA. Une avalanche se développe auvoisinage de l’anode. Les électrons sont rapidement évacués à l’anode. La charge d’espace positivedue aux ions restants écrante le champ électrique, qui n’est plus suffisant pour entretenir ouréinitier une avalanche. Les ions dérivent sous l’effet du champ électrique. Lorsque les conditionssont à nouveau réunies, un nouveau pulse s’établit. Les avalanches peuvent éventuellement setransformer en streamers mais ne se propagent pas trop en direction de la cathode. La fréquencedes pulses est déterminée par le temps d’évacuation des ions. Elle peut atteindre quelques kHz.Lorsque l’on augmente la tension, les streamers créés dans la décharge sont plus énergétiques.Si le gaz n’est pas électronégatif, c’est-à-dire si l’attachement électronique reste faible, alors lacharge d’espace créée initie un streamer en direction de la cathode. Ce streamer peut présenterdes ramifications tridimensionnelles. On a vu au paragraphe 2.3.2 que la photoionisation jouealors un rôle important. La tension doit rester sous un niveau tel que le streamer n’atteint pas lacathode. La décharge s’éteint avant d’être réinitiée. Le courant lors de ces pulses est de l’ordrede 10 à 100 mA. Si le gaz est électronégatif, un nuage d’ions négatifs se forme près de l’anode.Ceci provoque une augmentation du champ électrique et le claquage de Townsend entre l’anodeet le nuage négatif si le gaz est suffisamment électronégatif. La décharge est alors stable etentretenue. Des résultats exprimentaux et de simulations numériques [46, 45] montrent que cerégime est constitué de pulses de haute fréquence (0,1 à 1 MHz) et que la photoionisation et ledétachement électronique par collision avec les métastables sont essentiels. La figure 2.9, tirée de[46], indique que ces deux processus sont des sources essentielles d’électrons. La courbe en traitplein est relative à une cinétique comprenant l’ionisation, les recombinaisons, l’attachement etle détachement électronique et la photoionisation notamment. La courbe en pointillés indiqueque la non prise en compte de la photoionisation met un terme au développement des pulses.Cela montre que cette source est nécessaire au développement des pics de courant. La courbeen tirets indique que le détachement électronique permet de disposer d’électrons sur un tempscaractéristique plus long, ce qui autorise la réinitialisation de nouveaux pulses.Lorsque l’on augmente encore la tension, les streamers se développent à des vitesses très élevéesvers la cathode. Lorsque la zone cathodique est atteinte, le champ électrique y est concentré,ce qui provoque l’extraction forte d’électrons et le passage à l’arc, par le phénomène d’onde deretour ou de ’return stroke’.Les décharges couronnes négativesLa première phase d’une décharge couronne négative est la multiplication des charges selonle processus de Townsend. Les charges se multiplient par avalanche électronique. Des électronssont émis à la cathode par l’un des effets cités au paragraphe 2.2.4, sans que l’on puisse préjugerde l’importance de l’un par rapport aux autres. Morrow [43, 44] et Napartovich [47] privilégientl’émission par bombardement ionique, Espel [20] l’émission par effet de champ et Odrobina [48]l’émission photoélectrique.A partir de là, deux scénarii sont proposés dans la littérature pour expliquer la formation depulses de courant, nommés les pulses de Trichel.31