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Thèse Année : 2007

Atmospheric pressure Radio Frequency discharges, diagnostic and numerical modeling

Décharges radio fréquence à pression atmosphérique, diagnostic et modèle numérique

Résumé

The aim of this thesis is to investigate the properties of a Radio Frequency capacitive discharge at atmospheric pressure in argon. In these conditions where the pressure•distance product is around 150 Torr.cm, the discharge usually consists of several locally hot filaments. By pulsing the RF generator with an appropriate width and period, it was found possible to control the filament to glow transition in order to obtain a diffused and stable plasma.
The 2 mm gap between the electrodes is open to the ambient air and fed with argon via one hundred submillimetric holes regularly spread on the surface of the top electrode. This configuration allows “on-line” surface treatment of polymer films without having to turn the discharge off between successive samples. An important and lasting improvement of the polymer wettability is quickly obtained without risk of damage.
The plasma diagnostic methods are emission spectroscopy and electric measurements. The Stark broadening of the Balmer β transition line of atomic hydrogen is measured to determine a plasma density of 10^15/cm3 in the filamentary mode. The glow mode density estimation was based on power balance yielding a density of 5×10^11/cm3. Emission line ratios between neutrals and Ar+ ions are used in the Saha equation to calculate the electron temperature. It results in an approximation of 1.3 eV for the glow mode and 1.7 eV for the filaments.
A unidimensional self-consistent fluid model is developed to gain insight into the homogeneous discharge behaviour. Poisson's equation for the electric field is coupled to the first moments of the Boltzmann equation (continuity equation, drift-diffusion equation and energy equation). Transport and reaction coefficients are obtained from the mean energy of the electrons.
The model is applied to a reduced argon kinetic with the main ionization and excitation processes. Simulation results are in agreement with experimental measurements. The atmospheric pressure RF discharge is similar to a lower pressure RF discharge for which the ionization occurs mainly inside the oscillating sheaths where electrons are the most energetic.
Le thème principal de cette thèse est l'étude des propriétés d'une décharge capacitive Radio Fréquence à pression atmosphérique dans l'argon. Dans ces conditions où le produit pression•distance est de l'ordre de 150 Torr.cm, la décharge a tendance à former une multitude de filaments localement chauds. En pulsant le générateur RF avec une période et une durée adéquates, il est possible de contrôler la transition du mode filament au mode homogène afin d'obtenir un plasma diffus et stable.
L'espace inter-électrode de 2 mm est ouvert sur l'air ambiant et alimenté en argon par une centaine d'orifices submillimétriques répartis régulièrement sur l'électrode supérieure. Cette configuration permet d'effectuer un traitement de la surface de films polymères en ligne, sans éteindre la décharge entre les échantillons successifs. Une augmentation importante et durable du caractère hydrophile est rapidement obtenue sans risque d'endommager le polymère.
Le diagnostic du plasma est effectué par spectroscopie d'émission et par mesures électriques. L'élargissement de Stark de la raie d'hydrogène Balmer β permet d'estimer la densité électronique dans les filaments à 10^15/cm3. Pour le mode homogène, une approximation basée sur l'équilibre entre la puissance RF transmise et dissipée par le plasma conduit à une densité de 5×10^11/cm3. Les rapports d'intensité des lignes spectrales d'argon neutre et d'ion Ar+ sont introduits dans l'équation de Saha pour calculer la température électronique. Dans le mode homogène la température estimée à 1.3 eV est légèrement plus faible que dans les filaments à 1.7 eV.
Un modèle fluide auto-cohérent unidimensionnel est également développé pour étudier plus précisément le comportement de la décharge dans son mode homogène. L'équation de Poisson pour le champs électrique est couplée aux premiers moments de l'équation de Boltzmann (équation de continuité, équation de dérive-diffusion et équation d'énergie). Les coefficients de transport et de réaction sont obtenus à partir de l'énergie moyenne des électrons.
Le modèle est appliqué à une cinétique chimique réduite de l'argon contenant les principaux processus d'ionisation et d'excitation. Les résultats de simulations sont en bon accord avec les mesures expérimentales. La décharge RF atmosphérique est comparable aux décharges RF classiques basse pression dans lesquelles l'ionisation a majoritairement lieu dans les gaines oscillantes, là où les électrons ont le plus d'énergie.
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Dates et versions

tel-00211176 , version 1 (21-01-2008)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00211176 , version 1

Citer

Nicolas Balcon. Atmospheric pressure Radio Frequency discharges, diagnostic and numerical modeling. Atomic Physics [physics.atom-ph]. Université Paul Sabatier - Toulouse III; Australian National University, 2007. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00211176⟩
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