Modeling and experimental study of low pressure inductively coupled discharges

par Namjun Kang

Thèse de doctorat en Ingénierie des plasmas

Sous la direction de Freddy Gaboriau et de Soo-ghee Oh.

Soutenue en 2011

à Toulouse 3 .

  • Titre traduit

    Modélisation et étude expérimentale de décharges inductives


  • Résumé

    Les plasmas froids basse pression à couplage inductif (ICP) ont été étudiés dans différents gaz (Ar, Xe, Kr, Ne et N2) d'un point de vue cinétique et électrique en utilisant des méthodes de diagnostics des plasmas et en développant des modèles physiques de la décharge. Afin de mieux comprendre la cinétique chimique dans ces différents gaz et mélanges, un modèle global 0D a été développé. Un modèle électrique de la décharge a également été développé afin de mettre en évidence les propriétés électriques de ce type de décharge. Différentes méthodes de diagnostics des plasmas ont été utilisées telles que les sondes de Langmuir, la spectroscopie d'émission optique, la spectroscopie d'absorption et la fluorescence induite par laser. Une nouvelle méthode a été développée afin d'améliorer la précision de la détermination de la température des électrons à partir de la méthode du rapport de raies en fonction de la pression. Cette méthode a été comparée à des mesures effectuées par sonde de Langmuir. Expérimentalement, la production d'atomes d'argon dans un état hautement excité dans une décharge pulsée a été mis en évidence. Par confrontation avec les résultats du modèle global, nous avons montré que cette espèce était majoritairement créée en post-décharge par la recombinaison électron-ion à trois corps. La dissociation de la molécule d'azote a également été étudiée dans des mélanges Ar-N2. Nous avons montré qu'en plasma de N2, les atomes d'azote sont majoritairement créés par dissociation par impact électronique sur N2 à faible pression tandis que la dissociation par impact entre états métastables de N2 est majoritaire à haute pression. Dans les plasmas de mélange Ar-N2, nous avons montré que la recombinaison dissociative responsable de la production de N dépend fortement de la réaction de transfert de charges entre les ions argon et les molécules d'azote.


  • Résumé

    Low pressure inductively coupled plasmas (ICPs) are investigated using theoretical modeling and experimental diagnostic methods. For various ICP discharges, time dependent global (volume averaged) models are developed and a number of diagnostic tools are used. In a low pressure argon discharge, a new method is proposed to improve the precision of the pressure-dependent electron temperature calculated by the line ratio method. Using the electron energy distribution functions (EEDFs) and the electron density from Langmuir probe, the coefficient of the cascade cross-section are provided as a function of the pressure for argon 4p1 and 4p5. The effective electron temperature calculated by the corrected cascade cross-section is shown and compared with Langmuir probe results. The production of argon excited states in the afterglow of pulse discharge is investigated. Experimentally time resolved optical emission spectroscopy (OES), optical absorption spectroscopy (OAS) and Langmuir probe are used to measure the emission of highly excited states, metastable atom density, electron density and electron temperature. From the time dependent global model, it is found that during the pulse-on time the electron impact excitation and the ionization from the ground state and Ar (3p54s) are the dominant population processes for all excited states. On the other hand, during the afterglow the main source of all excited states is the three body electron-ion recombination. As a consequence argon highly excited state can be populated more than during the pulse-on time. The E-H mode transition and hysteresis in low pressure argon inductively coupled discharges are investigated using the previous global model and a transformer model. The total absorbed power by plasma electrons and coil current are calculated as a function of the electron density at fixed injected power. We found that the transition is due to the difference of the absorbed power between the two modes. Moreover the calculation results show that the existence of an inaccessible region between E and H mode, as well as a threshold coil current and a minimum absorbed power for the H mode. The dissociation of the nitrogen molecule in an Ar-N2 ICP discharge is studied both experimentally and theoretically. Using the two-photon absorption laser-induced fluorescence (TALIF) an increase of the dissociation rate in highly Ar-diluted region is observed. A complete kinetic model is developed to understand the behavior of the Ar-N2 discharge. The calculated results are compared with the measured results, obtaining reasonably good agreement. In pure nitrogen discharge the N atoms are mainly created by electron impact dissociation at low pressure (20 mTorr) while it is due to metastable-metastable pooling dissociation at high pressure (200 mTorr). In Ar-N2 discharge, the N atom density increases despite less amount of N2 molecule in highly Ar-diluted region at 200 mTorr. From the model the charge transfer from Ar+ to N2 is an important source of nitrogen dissociation in Ar-N2 discharge. The global kinetic models are developed in low pressure He, Ne, Ar and Xe discharges to calculate the electron temperature and the electron density. The calculated results are compared with experiments and the dominant creation sources and the routes of loss for electron and metastable atoms are discussed as function of pressure. Finally the transformer model is used to calculate the electrical properties of He, Ne, Ar and Xe discharges.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (168 p.)
  • Annexes : Références bibliogr. en fin de chapitres

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  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2011 TOU3 0162
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