Présentation
En anglais
Auteur(s)
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Anne-Marie POINTU : Docteur ès sciences - Professeur à l’université Paris-XI Laboratoire de physique des gaz et des plasmas
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Jérôme PERRIN : Ingénieur de l’École polytechnique - Docteur ès sciences - Directeur de recherche au Centre national de la recherche scientifique Détaché auprès de la société Balzers Process Systems
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Jacques JOLLY : Docteur ès sciences - Directeur de recherche au Centre national de la recherche scientifique
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Lire l’articleINTRODUCTION
Dans la nature, les plasmas constituent le quatrième état de la matière après les états solide, liquide et gazeux.
Le terme plasma fut introduit par Langmuir pour désigner le gaz ionisé produit dans une décharge électrique et caractérisé par le comportement des particules chargées (électrons et ions).
On parle de décharge électrique pour décrire tout mécanisme de passage du courant dans un gaz. Le terme de décharge doit son origine au fait que la première méthode d’obtention de ces courants a été la décharge de condensateurs à air. Il est resté communément employé par la suite, même en l’absence de transfert effectif de charges, comme dans le cas des dispositifs hyperfréquences.
De nos jours, les décharges électriques dans les gaz suscitent un regain d’intérêt qui tient à leurs applications potentielles ou déjà mises en œuvre au laboratoire et dans l’industrie. Ces applications utilisent tout ou partie des espèces présentes dans le plasma, électrons, ions, espèces neutres réactives qui sont les agents d’une physico-chimie de volume ou de surface peu coûteuse en énergie.
Les progrès réalisés simultanément dans la modélisation numérique et dans les techniques de caractérisation expérimentale rendent plus aisé aujourd’hui le choix d’une décharge et la maîtrise de sa phénoménologie, en fonction du but recherché.
Cet article présente les concepts de base essentiels des décharges de faible intensité (plasmas faiblement ionisés ou plasmas froids) dont les propriétés sont dominées par les collisions des particules chargées avec les atomes ou molécules neutres majoritaires
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Principaux mécanismes d’amorçage et d’entretien d’une décharge
En anglais
4. Décharge à courant continu
L’application d’une tension continue entre deux électrodes d’un tube à gaz reste une méthode classique pour réaliser une décharge. On utilise, par exemple, un tube de verre de quelques centimètres de diamètre, muni d’électrodes à ses deux extrémités et rempli d’un gaz sous une pression moyenne, de l’ordre de 1 torr.
Une différence de potentiel continue V est appliquée aux bornes du tube au travers d’une résistance de charge Rc par un générateur de force électromotrice V0. En agissant sur Rc et V0, on peut faire varier le courant I traversant le gaz, depuis des valeurs très faibles, de l’ordre de 10−18 A, jusqu’à quelque 10 A. A chaque valeur de I correspond une valeur de V, ce qui définit une caractéristique courant-tension de la décharge, dont l’allure est représentée sur la figure 10. Cette courbe fait apparaître plusieurs domaines correspondant aux différents régimes de fonctionnement, que nous nous proposons de décrire, à l’exclusion du régime d’arc qui correspond aux courants les plus forts (région VIII). Ce dernier régime, caractérisé par l’apparition d’effets thermiques importants dans le gaz et sur les électrodes, constitue à lui seul un vaste thème d’étude et d’applications [11].
L’observation de tous les points de la caractéristique n’est pos-sible que moyennant un choix approprié des valeurs de V0 et de Rc. En effet, le point de fonctionnement correspond à l’intersection de la caractéristique et de la droite de charge V = V0 − RcI.
Il arrive que plusieurs points de fonctionnement soient ainsi déterminés, dont certains sont stables et d’autres instables (figure 11). On montre que les points où la caractéristique a une pente positive sont toujours stables. En revanche, les points où la caractéristique a une pente négative ne sont stables que si la pente de la droite de charge est supérieure, en valeur absolue, à celle de la caractéristique.
4.1 Décharge non autonome sans multiplication électronique
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