Analyse statistique de l'évolution temporelle de décharges spark pour différentes configurations d'électrodes, conditions de pulse et différents liquides

Les plasmas sont des milieux complexes, hautement réactifs, souvent créés par des décharges électriques. L’utilisation des plasmas dans des applications technologiques couvrent plusieurs domaines, tels que le traitement des surface, en microélectronique, en médicine, etc. Bien que les plasmas sont initialement produits dans des gaz, le développement technologique actuelle nous permet d’étudier une nouvelle type des plasmas, les plasmas dans les liquides. Ces plasmas sont souvent produits par des décharges électriques impulsionnelle. Bien qu’il existe des études sur l’établissement des décharges dans le liquides, celles qui décrivent l’initiation e la décharge dans un liquide sont rares. L’une des caractéristiques de ces décharges est leurs nature stochastique. En effet, pour des mêmes conditions expérimentales, les décharges peuvent être très différentes. De plus, son établissement n’est pas garantie 100%, d’où l’introduction de l’aspect de probabilité de décharge. Dans cette étude, nous sommes intéressés par l’évolution de la décharge en fonction du temps sous différentes conditions expérimentales. En se basant sur les caractéristiques électriques de chaque décharge et sur l’état de l’électrode après décharges, nous décrivons l’évolution des propriétés de la décharge dès son démarrage et jusqu’à son extinction. Pour chaque condition expérimentale, on analyse plus de 50,000 évènements. Les résultats sont de grande importance non seulement de point de vue physique fondamentale, mais aussi de point de vue applications. Par exemple, pour la synthèse des nanomatériaux, il est crucial de comprendre l’évolution temporelle de la décharge et son effet sur les nanomatériaux produits.

Nous avons dabord étudié l'influence du générateur de tension en étudiant un pulse de 5 kV et de 20 kV d'amplitude pour une durée de 100 ns et de 500ns. Ensuite nous avons étudié les décharges dans l'eau, le toluène, l'heptane et le cyclohexane. Finalement, nous avons étudié des montages pointe-pointe, plan-pointe, pointe-plan et plan-plan. Notre cas de référence entre les paramètres est la série de décharge dans l'eau pour un pulse de 20 kV pendant 500 ns avec des électrodes pointe-pointe.

L'érosion des électrodes a été analysée par imagerie à l'aide d'un microscope optique avant et après décharges. Il ne s'agit pas uniquement d'érosion physique, mais aussi de l'érosion chimique avec les sous-espèces créées suites aux décharges; c’est le cas typique de l’eau ou la décharge produits plusieurs espèces oxydantes (O, OH, H2O2, etc.).

Nous avons conclus que l'influence du pulse était minime sur la probabilité de claquage, mais les paramètres principaux étaient la configuration des électrodes (et leurs formes) et le liquide diélectrique. Pour la configuration des électrodes, la probabilité varie plus dans le cas d'une configuration plane-plane, ce qui est attendu. Le champ électrique est moins fort aux abords d'une électrode plane que pointue. Aussi, chaque décharge vient ablatée l'électrode, augmentant la distance à parcourir par la décharge. Ce phénomène est responsable pour une expansion radiale des ablations. Pour les liquides, la présence de l'oxygène dans l'eau facilite grandemement les décharges. Pous les hydrocarbures, l'heptane et le toluène ont un comportement similaire, soit une probabilité aux alentours de 1 pour une bonne partie des décharges et une diminution apique vers une probabilité de 0. Le cyclohexane suit une descente graduelle de 1 à 0.

L'influence de la différence de potentiel est importante. Pour un pulse plus long, le délai va augmenter plus rapidement. Ainsi, pour une même tension, le pulse le plus long aura un délai plus élevé que pour le pulse court, et ce pour une même décharge (même temporalité). L'amplitude du pulse va varier la durée de l'expérience et donc inévitablement, l'augmentation du délai de claquage. Pour la configuration des électrodes, les bornes du nuage de points sont déterminées par la forme des électrodes. On remarque aussi que pour une anode pointe, il y a une augmentation, alors que pour une anode plane, il y a rapidement saturation du délai de claquage. Pour l'influence du liquide, le cyclohexane et l'heptane ont un comportement similaire à l'eau. Cependant, pour le toluène, l'augmentation du délai de claquage se fait plus rapidement que pour les autres.

Nous avons déterminé que la longueur du pulse n'avait aucune influence et que l'amplitude du pulse régissait la tension de claquage maximale, de manière proportionelle. La configuration des électrodes influence beaucoup la forme des données. Une cathode pointe permet une augmentation de le tension de claquage, car la distance inter électrode varie beaucoup plus que dans le cas d'une cathode plane. Pour une cathode plane, la tension de claquage sature autour de 20 kV dès le début et vers la fin de l'expérience, chute drastiquement jusqu'à 6. Ceci pourrait être expliqué par la présence de nanoparticules de cuivre dans le liquide formant un pont d'ions pour transporter la décharge. La nature du liquide n'influence pas autant que la confirguration des électrodes. Initialement, la tension de claquage se situe autour de 16 kV, 14 kV et 14 kV pour le cyclohexane, l'heptane et le toluène respectivement. Il y a une augmentation graduelle comme dans le cas de l'eau.

Dans le cas d'un pulse d'amplitude de 5 kV, la durée du pulse n'as pas d'influence significative. Cependant, pour 20 kV, le pic de courant diminue du tier (en son maximum). Cependant, les séries de données à 5 kV sont très courtes, nous limitant sur les causes possibles. Comme dans la section précédente, la configuration des électrodes joue un rôle déterminant sur la forme de la distribution. Cependant, le maximum de la distribution n'est pas constant. Dans le cadre d'une anode pointe, la cathode plane double le pic de courant maximal. Similairement, dans le cadre d'une cathode pointe, l'anode plane augmente la valeur du pic maximal de courant d'une facteur 1.5. Ceci est du à l'intensité du champ électrique de chaque électrode. Comme précédemment, on remarque une descente rapide à la fin de l'expérience vers un pic de courant de l'ordre des 20 A, du à la présence de nanoparticules dans le liquide. Finalement, on remarque des pics maximaux de l'ordre de 120 A, 105 A, 125 A et 85 A pour le toluène, l'heptane, le cyclohexane et l'eau respectivement. L'eau aura naturellement des pics de courant inférieurs aux autres liquides organiques, car l'électronégativité de l'atome d'oxygène joue un rôle majeur dans le transport des charges.

Les distributions ont une forme très similaire à celle du délai de claquage. Intuitivement, on conclu que la quantité de charges injectées est proportionnelle à l'amplitude et à la durée du pulse. Similairement au délai de claquage, les bornes de la distribution sont déterminées pas la forme des électrodes. Pour une cathode pointe, la présencee d'une anode plane va causer une saturation de charges injectées autour de 11 µC. Pour l'anode pointe, la borne supérieure descend plus lentement que la borne inférieure. Encore une fois, la présence d'une électrode plane va causer une diffusion des points, car la distance parcourue par les charges est variables. Dans le cas des liquides, l'eau et le cyclohexane ont un comportement similaire. Dans le cas du cyclohexane, la borne supérieure descend plus rapidement que l'eau. La borne supérieure du toluène reste relativement constante, mais vers la fin de l'expérience, elle diminue beaucoup plus rapidement. Au même temps, la borne inférieure cesse de diminue et reste constante au tour de 3 µC. Finelement, l'heptane ressemble au cyclohexane, mais la charge injectée reste constante autour de 11 µC et les deux bornes diminuent plus tard que pour l'eau et le cyclohexane. re>

La forme générale de l'énergie injectée ressemble à celle de la tension de claquage. Comme l'énergie est obtenue suite à l'intégration du courant et de la tension. Cependant, comme le montre la figure 1, la tension est beaucoup plus grande que le courant, expliquant la ressemblance des distributions. Dans le cas du pulse, la longueur de celui-ci influence la forme de la distribution. Dans le cas d'un court pulse, il y a une plus petite augmentation de l'énergie au fur et à mesure de l'expérience que pour un long pulse. L'amplitude du pulse influence la valeur de l'énergie injectée (la forme reste intacte). Dans le cas d'une anode pointe, la présence d'une cathode plane va aplatir la distribution et causer une saturation aurtour de 14 mJ comparativement à un maximum autour de 10 mJ pour une cathode pointe. Dans le cas d'une cathode pointe, l'anode pointe va complètement changer l'allure de la distribution. Ceci s'explique par le fait que lorsque l'anode est plane (chargée positivement) va avoir un champ plus intense que pour l'anode plane. Conséquemment, plus de charges et plus d'énergie seront nécessaires pour causer une décharge. Le toluène subit la plus grande variation d'énergie injectée (similairement à l'eau), mais commence autour de 8 mJ et augmente jusqu'à 16 mJ (augmentation de 7 mJ à 11 mJ pour l'eau). L'heptane et le cyclohexane ont une forme similaires, mais le cyclohexane est beaucoup plus diffus et subit une variation moins important que l'heptane.

Nous avons déterminé une relation permettant de «prédire» la quantité de charges injectées selon la relation suivante :

\[Q = \langle I \rangle \cdot (PW - DD) + Q_{0} \]

où PW correspond à la largeur du pulse appliqué et DD le délai de claquage.

Nous avons pu développer notre compréhension des mécanismes fondamentaux de décharges dans les liquides diélectriques. Nous utilisons déjà ces résultats pour un nouveau projet étudiant l'influence de la nature des électrodes sur les mêmes paramètres étudiés ainsi que l'influence de la distance inter-électrode. Cette recherche est particulièrement pertinente, car ce domaine de recherche de la physique des plasmas est encore très jeune et les paramètres influents n'avaient toujours pas été étudiés dans ce genre d'étude temporelle. Nous avons conclus que de manière générale, la configurationdes électrodes (et leurs champs électriques) est le facteur déterminant pour la forme des distributions. Cependant, les liquides diélectriques et le pulse influencent les valeurs que nous obtiendrons. Ils influenceront aussi à quel point ces valeurs varient sur un interval de mesure.