Ce travail s'inscrit dans le cadre du développement d'un procédé de traitement de surface par Décharge à Barrière Diélectrique (DBD) à pression atmosphérique. Une DBD est une source de plasma hors équilibre thermodynamique caractérisée par la présence d'au moins un diélectrique dans le passage du courant, permettant d'éviter la transition à l'arc. Le régime normal de fonctionnement d'une DBD est filamentaire : les répartitions spatiales et temporelles de l'énergie sont fortement inhomogènes, ce qui n'est pas compatible avec la réalisation d'un traitement de surface. Cependant, il est possible d'obtenir une décharge homogène (similaire à celles obtenues à basse pression) dans certaines conditions (excitation électrique, configuration d'électrodes, ...) mais uniquement à faible puissance. L'objectif de cette étude est d'une part d'améliorer le transfert de puissance dans la décharge et d'autre part de comprendre les mécanismes de transition du régime homogène au régime filamentaire.
Dans le but d'améliorer le transfert de puissance, deux approches ont été explorées : l'influence du matériau diélectrique utilisé et le système d'alimentation, Nous avons, dans un premier temps, utilisé différents matériaux (alumine, titanate de baryum, …) ayant des permittivités relatives allant de 6 à 380. Les résultats obtenus montrent que, dans la configuration utilisée, le paramètre important est la valeur globale de la capacité du diélectrique et non le type de matériau. Ainsi, une décharge homogène ne peut pas être obtenue avec des matériaux de forte permittivité relative qui, de fait, conduisent à des valeurs de capacité très élevées. Lorsque la capacité de la barrière diélectrique augmente, la charge dans le gaz est limitée et le domaine de fonctionnement en régime homogène est réduit. De plus, il apparaît que la modification de la valeur de la capacité du diélectrique ne permet pas d'accroître la puissance maximale pouvant être transférée à la décharge dans un régime homogène mais simplement d'optimiser un point de fonctionnement en termes de fréquence et d'amplitude de la tension appliquée. La seconde approche explorée consiste à utiliser une alimentation spécialement optimisée. A ce jour, l'alimentation généralement utilisée pour l'obtention de décharges homogènes fournie une tension sinusoïdale. Dans ce cas, la décharge est allumée pendant seulement une partie de la période. La solution pour améliorer le transfert de puissance consiste à imposer un courant constant durant la décharge et d'accroître sa durée d'allumage. Dans cette optique, une alimentation en courant carré a été développée et réalisée en collaboration avec X. Bonnin (équipe GENESYS du LAPLACE). Cette alimentation a permis d'accroître de manière très importante la puissance transférée à la décharge (maximum : 100 W/cm3).
Concernant la compréhension des mécanismes de transition du régime homogène au régime filamentaire, les études antérieures avaient montré qu'un effet mémoire, d'une décharge à la suivante, permet d'ensemencer le gaz en électrons germes et ainsi d'obtenir un claquage de type Townsend nécessaire à l'obtention d'une décharge homogène. L'hypothèse admise au début de cette thèse était que les états métastables à longue durée de vie N2(A) permettaient d'ensemencer le gaz en électrons germes par émission secondaire à la cathode. Cependant, ceci ne permet pas d'expliquer pourquoi l'ajout de quelques ppm de O2 ou de N2O, qui détruisent très efficacement les N2(A), augmente la stabilité de la décharge. Des mesures de spectroscopie d'émission optique résolue spatialement et temporellement dans différents mélanges de gaz (N2, N2-O2, N2-NO) nous ont permis de montrer l'importance des N2(A) mais également de l'oxygène atomique O(3P) sur l'homogénéité de la décharge. |
This work is part of the development of a method of surface treatment by Dielectric Barrier Discharge (DBD) at atmospheric pressure. A DBD is a source of non-equilibrium plasma characterized by the presence of a dielectric at least in the passage of current to prevent the transition to the arc. The normal operation of a filamentary DBD is : the spatial and temporal distributions of energy are highly inhomogeneous , which is not compatible with the realization of a surface treatment. However, it is possible to obtain a uniform discharge (similar to those obtained at low pressure ) under certain conditions (electric excitation electrode configuration , ... ) but only with low power. The objective of this study is firstly to improve the transfer of power in the discharge and secondly to understand the mechanisms of transition from homogeneous to filamentary regime.
In order to improve the transfer of power , two approaches have been explored : the influence of dielectric material used and the supply system , we have initially used different materials ( aluminum , barium titanate, ... ) having relative permittivity ranging from 6 to 380. The results obtained show that , in the configuration used, the important parameter is the total value of the capacity of the dielectric and not the type of material. Thus, a homogeneous discharge can not be obtained with materials of high relative permittivity which, in fact , lead to very high capacitance values . When the capacity of the dielectric barrier increases, the charge in the gas is limited and the operating range is reduced in a homogeneous system . In addition, it appears that the change in the value of the capacitance of the dielectric does not increase the maximum power that can be transferred to the discharge in a homogeneous system but simply to optimize an operating point in terms of frequency and the amplitude of the applied voltage. The second approach explored is to use a food specially optimized. To date, the food generally used to obtain homogeneous discharge provided a sinusoidal voltage . In this case , the discharge is on seulementune during part of the period . The solution to improve the power transfer is to impose a constant current during the discharging and increase its duration of ignition . In this context, a supply current square was developed and implemented in collaboration with X. Bonnin ( GENESYS team LAPLACE ) . This power supply has increased very significantly the power transferred to the discharge (maximum 100 W/cm3 ) .
On understanding the mechanisms of transition from homogeneous to filamentary regime , previous studies have shown that a memory effect of a discharge to the next, will set the seed sprouts electron gas and to obtain a breakdown Townsend kind necessary to obtain a uniform discharge . The accepted hypothesis at the beginning of this thesis was that the metastable states long life N2 (A ) allowed to sow seeds electron gas by secondary emission at the cathode. However, this does not explain why the addition of a few ppm O2 or N2O , which very effectively destroy the N2 (A) , increases the stability of the discharge . Measurements of optical emission spectroscopy resolved spatially and temporally in different mixtures of gases ( N2 , N2 -O2 , N2 -NO) allowed us to demonstrate the importance of N2 (A) but also atomic oxygen O ( 3P) on the homogeneity of the discharge. Metastable N2 (A ) may be responsible for the creation of excited states of nitrogen N ( 2P ), which by associative ionization of atomic oxygen O ( 3P ) could seed the electron gas . This hypothesis can explain the observed behavior of nitrogen but also in different gas mixtures studied. |