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Striations dans les plasmas radio-fréquence

Français-French     English-Anglais Pascal BOUBERT .  Auteur 
Noémie BREMARE .  Auteur 
Le 08 07 2009

Bullet    Résumé

Des expériences de spectroscopie d'émission et d'imagerie optique ont été réalisées dans un plasma à couplage inductif dans le but d'étudier le phénomène de striation en fonction de la pression, du débit massique, de la puisance injectée et du gaz plasmagène. Des paires d'anneaux lumineux stationnaires ou mobiles ont été observés dans le CO2 pur lorsque la puissance injectée est élevée et dans des mélanges CO2-CO lorsque la puissance reste modérée. La spectroscopie d'émission a permis d'identifier les systèmes triplets de CO et la chimiluminescence de CO2 comme majeures contributions au rayonnement visible. Des acquisitions par caméra haute-cadence ont révélé comment les striations mobiles descendantes et ascendantes sont formées à partir d'un anneau stationnaire. Dans l'argon et la krypton, des structures lumineuses ont été observées évoluant avec la pression d'une série rectiligne de grosses perles lentes à une fine colonne continue rampant sur les parois du réacteur en passant par un chapelet sinueux de petites perles pour les pressions intermédiaires. La naissance de nouvelles striations a été visualisée à équidistance de deux striations existantes (Ar, Kr) ou à partir de striations stationnaires (CO2).

Bullet    Montage expérimental

Bullet    Sriation dans le dioxyde de carbone

Bullet    Striations dans l'argon

Bullet    Striations dans le krypton

Bullet    Conclusion

Bullet    Bibliographie succincte


Bullet    Montage expérimental Top


Experimental set-up
Fréquence : 13.56 MHz
Diamètre interne : 90 mm
Gamme de pression : 100-1000 Pa
Gamme de débit massique : 1-100 mg/s
Gamme de puissance : 50-500 W
Caméra haute-cadence : Kodak Ektapro 4540
Caméra intensifiée : Princeton PI-Max
Appareil photo : Minolta Dimage Z3
Spectromètre : SpectraPro-300i
Réseau : 1800 gr/mm


Bullet    Striations dans le dioxyde de carbone Top


CO2_rings_time
Evolution temporelle des striations mobiles (descendantes) dans le CO2
PW=325 W, p=120 Pa, Qm=4,5 mg/s
Les acquisitions par caméra rapide (4500 i/s - en fausses couleurs dans cette page) montrent que les striations mobiles prennent naissance à partir d'une structure lumineuse vibrant faiblement en haut et descendent avec une vitesse non constante. Une accélération peut être notée lorsqu'une striation naissante devient indépendante. Les striations peuvent être ascendantes ou descendantes. La vitesse de l'écoulement et celle des striations sont toutes deux proche de 1 m/s.

CO2_rings_still
Paires d'anneaux dans un plasma de CO2
PW=280 W, p=200 Pa, Qm=1.5 mg/s
Pour la puissance injectée et le débit donnés, les anneaux se stabilisent pour trois pressions reproductibles : 120, 200 and 500 Pa. Leur diamètre décroît avec la pression.


CO2_rings_spectrum

Spectre de l'émission des striations dans CO2 et CO2/CO
Le spectre est principalement compoé des systèmes de CO, du rayonnement continu de chimiluminescence de CO2 et des raies de l'oxygène atomique. La température vibrationnelle décroît clairement depuis le centre des anneaux vers les espaces sombres. Les tentatives pour étudier les striation dan sle CO pur ont été sans succès à cause de la production de suies suivant la dissociation de CO. A noter que la partie continu du rayonnement a également été observé dans le CO pur. Les anneaux apparaissent très facilement dans un mélange CO2/CO.


Bullet    Striations dans l'argon Top


Evolution des striations du plasma d'argon avec la pression
Selon le débit massique, différentes structures apparaissent lorsque la pression croît. Pour les plus hautes pressions, le plasma n'est plus visible en aval des spires où une colonne peut demeurer. La puissance injectée est constante et égale à 180 W. Le temps d'exposition pour chaque image est 40 ms.

Pressure evolution of an argon plasma
Qm = 10 mg/s - Les perles de plasma sont diffuses et lentement mobiles. Lorque que la pression augmente, les striations disparaissent.
Pressure evolution of an argon plasma
Qm = 20 mg/s - Le chapelet de perles lumineuses se stabilise pour certaines pressions. Ces perles disparaissent à plus haute pression.
Pressure evolution of an argon plasma
Qm = 50 mg/s - à basse pression, le plasma ressemble à une décharge continu avec une lueur négative violette, un espace sombre de Faraday and une colonne positive rose. A plus haute pression, la colonne étroite et continue rampe sur la paroi du tube de quartz.
Pressure evolution of an argon plasma
Qm = 125 mg/s - Les chapelets et les colonnes sont beaucoup plus instables mais sans aucune reproductibilité avec la pression. Des effets d'hystérésis sont observés. Des striations réapparaissent lorsque le plasma est sur le point de disparaître.

     Top
Temporal evolution of an unstable string of plasma beads in argon

Evolution temporelle d'un chapelet instable de perles lumineuses dans l'argon
PW=40 W, p=266 Pa, Qm=95 mg/s
Des variations rapides peuvent survenir sur les chapelets aussi bien que sur les colonnes continues mais uniquement pour des débits et des pressions élevées. Un tel comportement peut être remarqué avec des striation stationnaires ou mobiles. Pour certaines conditions des boucles sont également visibles. Les conditions aérodynamiques ne peuvent pas justifier un comportement turbulent à l'échelle du réacteur. L'écoulement est alors très inhomogène et la diffusion et les parois doivent jouer un rôle majeur pour des vitesses d'écoulement croissantes.
Temporal evolution of descending and still striations in argon

Evolution temporelle de striations stationnaires et mobiles dans l'argon
PW=35 W, p=133 Pa, Qm=32 mg/s
Les acquisitions à la caméra rapide (500 i/s) montrent que les striations se déplacent vers l'aval depuis les spires vers les striations stationnaires où elles disparaissent. Il n'y a pas de phénomène de type coalescence ou de type séparation comme pour CO2. Une autre différence est que la vitesse des perles lumineuses est quasiment constante proche de 0,9 m/s. Le temps caractéristique de disparition est d'environ 4 ms.

     Top
Autres comportements à faible puissance injectée
Striations mobiles
PW=31 W, p=133 Pa, Qm=30 mg/s


Colonne tordue
PW=41 W, p=266 Pa, Qm=30 mg/s



Bullet    Striations dans le krypton Top


Faible pression - Haut débit massique
PW=125 W, p=93 Pa, Qm=60 mg/s, 500 i/s

Haute pression - Faible débit massique
PW=170 W, p=220 Pa, Qm=18 mg/s, 500 i/s



Evolution temporelle de striations stationnaires et mobiles dans le krypton

Temporal evolution of striations in krypton
Click to enlarge

PW=125 W, p=93 Pa, Qm=60 mg/s, 500 i/s
Les striations sont stationnaires en bas du réacteur et ascendantes en haut avec une vitesse proche de 2,5 m/s. La plupart des striations disparaissent en haut (cercles jaunes pâles) mais pas toutes (cercles roses vifs). La durée de vie d'une striation au sein du réacteur est estimée à 360 ms. La plupart des striations apparaissent à mi-hauteur du réacteur lorsque la distance entre deux striations augmente. Les striations naissantes et les trajectoires sont soulignées en rose.


Bullet    Conclusion Top
Les striations dans le CO2 plaident pour un rôle crucial des états métastables alors que le comportement des plasmas de gaz rare appelle des expériences sans écoulement et avec davantage de mesures spectroscopiques et électriques. Il pourrait être possible d'utiliser masse électrique mobile et d'enregistrer l'évolution temporelle du potentiel. Des informations évidemment précieuses seraient la distribution spatiales de la densité électronique et du champ électrique local.


Bullet    Bibliographie succincte Top
puce N. Čutić, N. Glavan, Z. Kregar, N. Krstulović, S. Milošević – "Transition phenomena and striations in inductively coupled radio-frequency plasma studied by optical emission spectroscopy." 29th International Conference on Phenomena in Ionized Gases (2007), Prague, Czech Republic
puce Y. Sakawa, T. Shoji – "Gas dependence of paired luminous rings in capacitive radio-frequency discharges." Physics of Plasma (2001) Vol. 8, No. 6, 2998-3007.
puce Y. Sakawa, M. Hori, T. Shoji, T Sato – "Optical measurements of paired luminous rings in capacitive radio-frequency hydrogen discharges." Physical Review E (1999) Vol. 60, No. 5, 6007-6015.
puce V.I. Kolobov – "Striations in rare gas plasmas." Journal of Physics D: Applied Physics (2006), Vol. 39, R487-R506.
puce A.V. Fedoseev, G.I. Sukhinin – "Self consistent hybrid model for a stratified positive column of a low pressure glow discharge." Journal of Engineering Thermophysics (2008), Vol. 17, No. 5, 74-79.
puce R. Kumar, S.V. Kulkarni, D. Bora – "Cylindrical stationary striations in surface wave produced plasma columns of argon." Physics of Plasmas (2007), Vol. 14, 122101.
puce D. Van den Akker, R. Norman – "Plasma striations in krypton gas." (2006) http://www.calvin.edu/~mwalhout/plasmastriations.htm

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