Experimental characterization and simulation of micro hollow cathode discharges
Etude expérimentale et simulation des micro-plasmas générés dans des micro-cathodes creuses
Résumé
The micro-plasmas are a promising technology for a lot of applications: environmental remediation, surface treatment, bio-medical applications, aerodynamic acceleration ... Our micro-plasmas are generated in microhollow cathode (M.H.C) structures, supplied by direct current and studied in rare gases (helium or argon). To understand the physical mechanisms ruling their behaviour, they have been characterized by several diagnostics, especially ICCD camera and optical emission spectroscopy. This last diagnostic has been used to determine the micro-plasma gas tempe rature , by analysing the bands 1.3 and 0.2 (from the second . positive system of nitrogen). but also to measure the electron density by analyzing the Stark broadening of the H beta line. We have also carried out simulations with a fully fluid model to obtain the spatial profiles of the electric field, the charge species densities and the gas temperature. Thus, we have studied the breakdown, the self-pulsing regime and the normal glow regime of our micro-plasmas. We have also demonstrated that a micro-plasma can work in the ab normal glow regime, at the condition to limit the cathode surface of the micro-device. For increasing values of curre nt. this abnormal glow regime is accompanied by a fast increase of the gas temperature. Moreove r, when the micro-plasma is supplied by a linear increasing-decreasing DC voltage ramp, this regime is accompanied by the formation of a hysteresis phenome non. At last, in the case of a micro-devi ce with severa 1micro-ho 1I0wcathodes in parallel, we exp lain how the cathode limitation favours the parallel ignition and is an alternative issue to the individual ballasting.
Les micro-plasmas constituent une technologie d'avenir pour des applications aussi nombreuses que diverses : dépollution, traitement de surface, applications bio-médicales, accélération aérodynamique... Nous avons étudié ces micro-plasmas dans des gaz inertes (hélium ou argon), en les alimentant en courant continu dans des structures de type micro-cathode creuse. Afin de comprendre les mécanismes physiques régissant leur comportement, nous les avons caractérisés par plusieurs diagnostics, notamment par caméra ICCD et par spectrométrie d'émission optique. Ce dernier diagnostic nous a permis de déterminer la température du gaz des micro-plasmas, par l’analyse de la structure rovibrationnelle des raies du second système positif de l’azote (présent à l’état de traces), mais aussi d’effectuer des mesures de densité électronique, en analysant l’élargissement Stark de la raie H béta. Ces paramètres physiques obtenus expérimentalement, ont été comparés à leurs équivalents obtenus par simulation (logiciel GdSIM du laboratoire Laplace). Ce travail de thèse a également permis de montrer la possibilité d’atteindre le régime luminescent anormal d’un micro-plasma, en réduisant l’aire de la surface cathodique extérieure de la micro-cathode creuse. Ce régime de fonctionnement s’accompagne d’une hausse rapide de la température du gaz, ainsi que d’un phénomène d’hystérésis qui apparaît sur une courbe I-V, pour une rampe d’alimentation en courant linéairement croissante puis décroissante. Dans le cas de plusieurs micro-plasmas fonctionnant en parallèle, nous avons mis à jour un nouveau mécanisme, expliquant l’allumage des cavités de proche en proche.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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