Étude électrique et spectroscopique d'une décharge nanopulsée dans l'hélium à la pression atmosphérique

Abstract

Le présent mémoire est consacré à l’étude électrique et spectroscopique de décharges créées par des pulses répétitifs de l’ordre des nanosecondes à la pression atmosphérique dans l’hélium. Nous avons notamment pu extraire, à l’aide de mesures par spectroscopie optique d’émission et d’absorption couplées aux prédictions d’un modèle collisionnel-radiatif des niveaux n=3 de l’hélium, la distribution spatio-temporelle de la température des électrons dans ce type de plasmas. Plus particulièrement, nous avons d’abord réalisé des mesures d’imagerie dans l’espace inter-électrodes pour étudier le développement temporel d’une telle décharge dans un tube diélectrique. Nous avons noté que le pulse de tension rectangulaire mène à la création de deux pics de courant (et donc à deux décharges) correspondant à sa montée et à sa descente, respectivement. La mesure de l’intensité lumineuse permet l’observation du claquage de Townsend lors de la première décharge et l’obtention expérimentale du premier coefficient de Townsend pour la multiplication électronique. Cette première décharge, donnant lieu à l’apparition d’une lueur négative, ne comporte pas encore d’atomes métastables d’hélium (n=2). De plus, on obtient de très hautes valeurs de températures électroniques, en bon accord avec la forte luminosité de la décharge. Après un bref instant, l’émission d’hélium devient nulle et on note une augmentation importante de l’émission associée aux impuretés, un effet lié à l’augmentation de la population de métastables. Enfin, la deuxième décharge apparait à la chute du pulse de tension. Son origine étant due à l’accumulation de charges sur le diélectrique, cette décharge est plus courte et plus faible du point de vue de sa luminosité. La présence de métastables associés à des mécanismes d’ionisation de type Penning donne aussi lieu à de plus faibles valeurs de températures électroniques.

This thesis presents an electric and spectroscopic study of discharges created by repetitive nanosecond pulses at atmospheric pressure in helium. Using optical emission and absorption spectroscopy coupled with predictions from a collisional-radiative model of n=3 helium levels, the space-time distribution of the electron temperature was obtained in such plasmas. More specifically, imaging measures in the inter-electrode gap were first carried out to study the temporal evolution of a nanopulsed discharge in a dielectric tube. We have observed that the rectangular voltage pulse leads to the creation of two current peaks (therefore discharges) corresponding to its rise and fall, respectively. The light intensity measurements allow the observation of a Townsend breakdown during the first discharge and the experimental acquisition of Townsend’s first coefficient for the electronic multiplication. This first discharge, resulting in the apparition of a negative glow, does not contain metastable helium atoms (n=2) yet. Also, very high electron temperatures are obtained, which concurs with the high luminosity from the discharge. Following a short period where there is no helium emission, a strong rise in emission from impurities is collected, a consequence of the metastable population increase. Finally, the second discharge appears at the fall of the voltage pulse. Its origin being the accumulation of charges on the dielectric, this discharge is shorter and weaker from a light intensity standpoint. Also, metastable presence linked to Penning ionization mechanisms leads to smaller values of electron temperature.