Striations dans les plasmas radio-fréquence
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).
Montage expérimental
Sriation dans le dioxyde de carbone
Striations dans l'argon
Striations dans le krypton
Conclusion
Bibliographie succincte
Montage expérimental
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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
Striations dans le dioxyde de carbone
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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.
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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.
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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.
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Striations dans l'argon
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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.
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Qm = 10 mg/s - Les perles de plasma sont diffuses et lentement mobiles.
Lorque que la pression augmente, les striations disparaissent.
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Qm = 20 mg/s - Le chapelet de perles lumineuses se stabilise pour certaines pressions. Ces perles disparaissent à plus haute pression.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Autres comportements à faible puissance injectée Striations mobiles PW=31 W, p=133 Pa, Qm=30 mg/s
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Colonne tordue PW=41 W, p=266 Pa, Qm=30 mg/s
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Striations dans le krypton
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Faible pression - Haut débit massique PW=125 W, p=93 Pa, Qm=60 mg/s, 500 i/s
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Haute pression - Faible débit massique PW=170 W, p=220 Pa, Qm=18 mg/s, 500 i/s
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Evolution temporelle de striations stationnaires et mobiles dans le 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.
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Conclusion
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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.
Bibliographie succincte
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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
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.
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.
V.I. Kolobov – "Striations in rare gas plasmas." Journal of Physics D: Applied Physics (2006), Vol. 39, R487-R506.
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.
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.
D. Van den Akker, R. Norman – "Plasma striations in krypton gas." (2006) http://www.calvin.edu/~mwalhout/plasmastriations.htm
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