Formation de structures et phénomènes d'auto-organisation dans les décharges à barrière diélectrique

par Benoît Bernecker

Thèse de doctorat en Physique et ingénierie des plasmas de décharge

Sous la direction de Jean-Pierre Boeuf et de Thierry Callegari.

Soutenue en 2010

à Toulouse 3 .

mots clés

• Décharge électrique
• Structures et organisation dans les systèmes complexes
• Motifs
• Magnétohydrodynamique et fluide équation
• Décharges électriques
• Décharges luminescentes

Résumé

Le plasma d'une décharge à barrière diélectrique (DBD) opérant dans un régime transitoire de décharge luminescente à haute pression présente dans la plupart des conditions une structure filamentaire. Cette structure filamentaire est souvent d'aspect chaotique, mais dans certaines conditions les filaments forment des motifs auto-organisés qui sont typiques des systèmes de réaction-diffusion. Le but de cette thèse est d'analyser les mécanismes de formation des motifs dans les DBD sur la base des simulations numériques et des expériences. Des expériences ont été réalisées pour deux configurations différentes d'électrode. Dans la première configuration, on peut observer les motifs en 2D au travers des électrodes transparentes. Dans la deuxième configuration, les électrodes sont linéaires ce qui permet d'observer des motifs en 1D. L'évolution spatiotemporelle de la décharge filamentaire a été analysée avec une caméra ICCD. Des modèles de décharge simples basés sur des mécanismes fondamentaux, c. -à-d. Transport de dérive-diffusion couplé à l'équation de Poisson, émission secondaire par impact d'ion et ionisation en volume, peuvent reproduire, au moins qualitativement, un certain nombre d'observations expérimentales (structure hexagonale, nid d'abeilles). Une nouvelle structure, prédite par le modèle, a été observée dans les expériences, nous appelons cette structure : la structure quinconce. Les résultats du modèle montrent l'importance de la localisation de la densité d'ion résiduelle dans l'espace à la fin d'une demi-période. Ce mécanisme joue un rôle important dans les aspects dynamiques comme la fusion, la division ou le déplacement des filaments.

Titre traduit

Patern formation and self-organization phenomena in dielectric barrier discharge

Résumé

The plasma of dielectric barrier discharges (DBDs) operating in a transient glow discharge regime at high pressure exhibits under most conditions a filamentary structure. This filamentary structure is often chaotic in appearance, but under specific conditions the filaments form self-organized patterns that are typical of reaction-diffusion systems. The purpose of this thesis is to analyse the mechanisms of pattern formation in DBDs on the basis of numerical simulations and experiments. Experiments have been performed for two different electrode configurations of DBDs. In the first configuration, 2D patterns can be observed through the transparent electrodes. In the second configuration, the electrodes are linear and 1D patterns can be observed. The space and time evolution of the filamentary discharges was analysed with an ICCD camera in both configurations. Simple discharge models based on fundamental mechanisms, i. E. Drift-diffusion transport coupled with Poisson's equation, secondary emission by ion impact and volume ionization can reproduce, at least qualitatively, a number of experimental observations (e. G hexagonal structure, honeycomb structure). An unexpected structure was predicted by the model and observed in experiments, we call this structure the quincunx structure. In this filamentary structure, the filaments of two successive half-cycles are not aligned but are shifted by half a spatial period. The model results show the importance of the localization of the remaining ion density in the gap at the end of a half-cycle. This mechanism plays an important role in some aspects of dynamical behaviour like merging, division or motion of filaments.