Caractéristiques générales de la décharge gazeuse de 222 nm
Le principal type de décharge gazeuse étudié dans cet article est la décharge corona. À mesure que la décharge corona se transforme en flashover ou en arc, le rayonnement ultraviolet est également accru et les tendances de développement des deux sont cohérentes. C’est pourquoi la décharge corona est considérée ici comme l’objet de recherche.
1. Décharge Corona
Dans un champ électrique non-uniforme, si une avalanche d'électrons atteint la condition de décharge auto-entretenue de Townsend-ou se transforme en une banderole sans se transformer en une rupture complète de l'espace, une ionisation intense se produira au niveau de l'électrode de champ élevé-, entraînant une décharge auto-entretenue localisée-accompagnée de luminescence. Ce phénomène est connu sous le nom de décharge corona. La décharge corona se produit sous pression atmosphérique ou plus, lorsque l'électrode a un petit rayon de courbure, la distribution du champ électrique dans l'espace de décharge est très non uniforme - et l'intensité du champ près de la surface de l'électrode est très forte.
Près de l’électrode, il existe une couche corona lumineuse (également appelée couche d’ionisation ou couche lumineuse). À l'intérieur de cette couche, le champ électrique est extrêmement puissant, produisant une ionisation et une excitation intenses, au cours desquelles la dés-excitation des particules excitées génère un rayonnement ultraviolet lointain-, y compris la longueur d'onde caractéristique de 222 nm. En dehors de la couche corona, le champ électrique est faible, avec peu ou pas d’ionisation ou d’excitation. Cette région est appelée zone externe de décharge corona et apparaît comme une région sombre avec une faible lueur. Les particules chargées positives et négatives migrent sous le faible champ électrique, déterminant la conductivité électrique de cet espace. La transition du champ fort dans la couche corona au champ faible dans la zone externe est graduelle plutôt que abrupte. Par conséquent, l’intensité de l’ionisation et de l’excitation diminue également progressivement de forte à faible.
Dans la décharge corona, la géométrie des électrodes joue généralement un rôle crucial. La non-uniformité du champ électrique limite le processus d'ionisation principal aux régions proches de l'électrode où le champ local est extrêmement élevé, en particulier dans les couches minces proches des électrodes à petit rayon de courbure. La luminescence du gaz se produit uniquement dans cette région, appelée zone d'ionisation, couche corona ou couche lumineuse. Au-delà de cette région, en raison du faible champ électrique, l'ionisation est minime ou absente et la conduction du courant repose sur la dérive d'ions positifs, d'ions négatifs ou d'électrons. Ainsi, la région située en dehors de la zone d’ionisation est appelée région de dérive ou région extérieure. Si une seule électrode produit une couronne, la région de dérive contient principalement des particules chargées d'une seule polarité, ce qui entraîne un courant unipolaire.
L'intensité du courant de décharge corona dépend de la tension appliquée entre les électrodes, de la forme des électrodes, de la distance inter-électrodes, des propriétés du gaz et de la densité. La décharge corona est une décharge-auto-entretenue qui ne nécessite aucune source d'ionisation externe pour l'initier ou la maintenir. De plus, la chute de tension aux bornes d’une décharge corona ne dépend pas de la résistance du circuit externe mais est déterminée par la conductivité de la région de dérive. Lorsqu'une charge spatiale unipolaire existe dans la région de dérive, elle entrave la circulation du courant et la majeure partie de la chute de tension dans la décharge corona tombe dans cette région de dérive.
Initiation de la décharge Corona et transition vers d’autres formes de décharge
À mesure que la tension entre les électrodes augmente progressivement à partir de zéro, seule une décharge sombre non-auto-entretenue-se produit initialement, avec un courant très faible déterminé par l'ionisation résiduelle dans l'espace. Lorsque la tension atteint la « tension de début de couronne » (qui sera discutée en détail plus tard), la décharge sombre non-auto-entretenue-se transforme en décharge corona, satisfaisant la condition d'auto-entretien- :
Dans la décharge corona, la limite d'intégration supérieure d ne représente pas la totalité de la distance inter-électrode mais uniquement l'épaisseur de la couche corona près de l'électrode avec un petit rayon de courbure. Au sein de cette épaisseur d, un champ électrique suffisamment fort est établi pour produire une ionisation et une excitation par collision. Les transitions radiatives spontanées des particules excitées font briller la couche, et certaines raies spectrales caractéristiques, telles que la lumière ultraviolette à une longueur d'onde de 222 nm, sont particulièrement importantes dans la couronne aérienne. Le courant corona varie généralement du microampère au milliampère. À mesure que la tension augmente, la couche corona s’épaissit, l’intensité de la luminescence augmente et le courant corona augmente. Cela continue jusqu'à ce que les couches corona en expansion des deux électrodes se rencontrent ou atteignent l'électrode opposée - c'est-à-dire lorsque la somme des deux épaisseurs de couche corona (d₁ + d₂ est supérieure ou égale à 2B, où 2B est l'espacement des électrodes) ou lorsqu'une seule épaisseur de couche corona d est supérieure ou égale à 2B. À ce stade, la zone externe à faible champ-de l'espace de décharge cesse d'exister. Avec la disparition de la région de champ faible-, le courant de décharge peut augmenter considérablement, finalement limité uniquement par la résistance du circuit et la capacité d'alimentation. Si la résistance du circuit est faible et que l'alimentation électrique est limitée, la décharge corona passe à la décharge par étincelle ; si l'alimentation peut fournir un courant continu élevé, la décharge corona passe à la décharge en arc.
2. Modèles de décharge
Pour les électrodes lisses, la valeur initiale de E/P dans les conditions réelles de Pd (produit pression × distance) est presque égale à la valeur critique (E/P)₀. Cependant, lorsqu'une rugosité de surface existe sur l'électrode, une panne peut se produire même lorsque l'intensité du champ macroscopique dans tout l'espace est inférieure à la valeur critique. La réduction de l'intensité du champ de claquage Es peut être exprimée à l'aide d'un facteur de rugosité ξ (Eq. 2-21).
2.1 Modèle de Pedersen
Pedersen a dérivé la relation entre le facteur de rugosité, les dimensions de saillie et la pression du gaz. Il a modélisé la rugosité de la surface sous forme de saillies hémisphériques de rayon r sur une surface par ailleurs lisse, comme le montre la figure 2-2. Dans la détection pratique, de telles saillies microscopiques provoquant des champs localisés élevés conduisent également souvent à une augmentation du rayonnement ultraviolet à ondes courtes, notamment à 222 nm.
2.2 Modèle de Tedford
Tedford et coll. a modélisé des électrodes saillantes idéalisées sous forme de semi-ellipsoïdes de révolution et présenté les résultats de calcul pour différents rapports de hauteur-à-base (h/b), comme le montre la figure 2-3. De toute évidence, pour ξ < 1, le ξ réel commence à diminuer avec la diminution du Ph à Ph ≈ 40 (0,1 MPa·μm) pour tous les rapports h/b. Considérons un espacement de champ uniforme d'espacement d pressurisé à l'intensité de champ critique avec une saillie de hauteur h sur une électrode. Le critère de rupture pour le développement d'une avalanche d'électrons commence à partir de la surface de saillie le long des lignes de champ :
où Va est la tension appliquée aux bornes de la région de champ 0 à sc. Étant donné que le champ de brèche se trouve à un niveau critique, l'avalanche peut se développer sur toute la brèche. Si l'effet de saillie est négligeable, Va est égal à la tension externe V sans saillie : V=(E/P)₀ Pd=(B/k) Pd
Ainsi, l'équation devient : BP(d − sc)=K (2-27)
Ici, sc est la longueur de la ligne de champ depuis l’électrode en saillie à travers l’espace. Pour toute forme de saillie et le long de toutes les trajectoires possibles de développement des avalanches, d − sc Inférieur ou égal à h. De l'équation. (2-27) : HBp < K (2-28)
Si cette inégalité persiste, la panne ne se produira pas en dessous du champ critique. Dans des conditions pratiques avec un Pd suffisamment grand, le chemin de répartition du champ uniforme-et l'intensité du champ se rapprochent étroitement des valeurs critiques. Dans les expériences, l'imagerie ultraviolette dans la bande de 222 nm est couramment utilisée pour détecter les phénomènes précoces de décharge corona initiés par des protubérances de surface.
