Les Plasmas

Les Plasmas

Définition

 Les plasmas constituent le quatrième état de la matière après les états solide, liquide et gazeux. Ce concept a été introduit par Langmuir et Tonks en 1929. Un plasma est un fluide partiellement ou totalement ionisé constitué de molécules, d’espèces excitées, d’atomes, de radicaux, d’ions et d’électrons. Ces phénomènes d’ionisations proviennent des collisions entre particules. L’énergie cinétique des particules (électrons, ions, espèces neutres et même photons4 ) est transformée totalement ou partiellement en énergie d’ionisation lors de la collision. Cette activité du milieu caractérise l’agitation des particules. Elle est représentée par la moyenne de l’énergie cinétique de l’ensemble des particules qui est liée à la température par la relation de Boltzmann : k .T 2 3 m.v = 2 1 b 2 [Eq.14] Avec m la masse de la particule, ( ) 1/2 2 v la moyenne quadratique de la vitesse de la particule, kb la constante de Boltzmann et T la température absolue (K). Cette équation suppose que les vitesses suivent une distribution de type Maxwell-Boltzmann [33]. L’agitation des particules est alors qualifiée d’agitation thermique. Lors d’une ionisation, un ou plusieurs électrons peuvent être émis et entrer à leur tour en collision. S’ils possèdent suffisamment d’énergie, ils peuvent à nouveau ioniser des particules. Ceci constitue un phénomène auto entretenu appelé cascade ou “décharge de Townsend”. Une particule peut être excitée et / ou ionisée : – soit en chauffant le milieu afin d’augmenter son agitation thermique – soit en accélérant les espèces chargées présentes dans le milieu (électrons et ions), sous l’action d’un champ électromagnétique pour provoquer l’ionisation d’autres espèces par collision. L’agitation des électrons n’est pas toujours égale à celle des espèces neutres ou ionisées qui sont plus lourdes que les électrons et donc plus difficiles à accélérer. Ainsi, une température peut être associée à chaque particule en fonction de l’énergie cinétique de la particule considérée. Les électrons possèdent une température “Te” (température électronique) et les espèces lourdes (ions et espèces neutres) une température . il faut alors considérer l’énergie du photon Ces températures représentent uniquement l’état d’agitation des particules considérées et ne sont pas égales à la température physique. D’ailleurs, dans le domaine des plasmas hors équilibre thermodynamique, la notion même de température n’a pas de sens, on l’exprime alors comme une énergie, en électron volt. Ainsi deux grandes catégories de plasmas peuvent être distinguées [Fig.8]. Pour de basses pressions ou pour de faibles puissances (courants), la température électronique Te et la température des espèces lourdes TL diffèrent. Dans ces conditions physiques, les espèces lourdes et légères interfèrent peu et se comportent différemment chacune en fonction de leurs caractéristiques propres. Il s’agit alors de plasma hors équilibre ou plasma froid. Lorsque la pression (= nombre d’espèces lourdes par unité de volume) et / ou l’intensité (= nombre de particules chargées par unité de volume) augmentent, le nombre de collisions augmente ce qui homogénéise l’agitation du milieu. Lorsque les particules possèdent toutes la même agitation thermique, Te = TL, c’est le domaine des plasmas thermiques. 

Différents types de plasmas 

Le terme plasma regroupe de nombreux domaines et phénomènes et il existe une grande diversité de plasmas autour de nous (flamme, foudre, tube luminescent, arc électrique…), qui peuvent être classés en fonction de la densité d’espèces chargées dans le milieu et de la température électronique . Dans la suite de ce rapport, nous nous intéressons uniquement aux plasmas de type décharge créés par un champ électromagnétique. 

Caractéristique courant tension 

L’application d’une tension continue entre deux électrodes reste la méthode la plus classique pour réaliser une décharge. Fig.9 – Génération de décharge à courant et tension continu Fig.10 – Caractéristique courant-tension d’une décharge à courant continu Le graphe de la figure [Fig.10] présente l’évolution de la tension aux bornes d’une décharge en fonction du courant. La caractéristique courant tension de la décharge est composée de différentes zones. Les frontières entre ces zones correspondent à des phénomènes particuliers : – entre la zone I et II : “1ère avalanche de Townsend” – entre la zone II et III : “2ème avalanche de Townsend” – entre la zone III et IV : “claquage électronique” – puis on évolue vers l’arc thermique avec le pic de transition (zone VI, VII) 

Théorie des plasmas

 La figure  représente sur la caractéristique courant tension, les différents régimes de plasma. Pour chaque régime, différents procédés industriels sont associés. Fig.11 – Caractéristique courant-tension des décharges à courant continu et régimes associés Initialement, les plasmas étaient générés sous de très faibles pressions. Les théories qui ont été développées pour les plasmas sous vide considèrent les paramètres globaux (vitesse globale, champ global, …) et des lois statistiques de répartitions. Dans le cas des plasmas à pression atmosphérique et au-delà, le modèle de Townsend (modèle de comportement global des particules du milieu : champ global, vitesse globale …) n’est plus applicable [36] et il faut utiliser d’autres modèles comme la théorie des streamers (dards ou filaments locaux). Concrètement, cela signifie qu’à de telles pressions, les densités élevées des molécules ne permettent plus de considérer des comportements isotropes et homogènes et ce sont les phénomènes locaux qui priment (champs électriques locaux, propagations locales des streamers… ). Transition vers l’arc si l’alimentation le permet Avalanche électronique et développement du streamer Fig.12 – Représentation du développement d’une décharge La figure  représente le développement d’une décharge. Les espèces initialement soumises au champ électrique global “E” entre les électrodes, se déplacent et créent des champs électriques locaux “Esc” qui deviennent prépondérants et déclenchent l’ionisation localisée du milieu (décharge filamentaire).

 Théorie du Streame

r D’un point de vue purement théorique, le développement d’un streamer / décharge filamentaire ne nécessite qu’un unique électron initial. Cet électron devra être suffisamment accéléré pour engendrer le phénomène d’avalanche électronique. Fig.13 – Avalanche électronique à partir d’un électron source [38] Si suffisamment d’électrons sont présents initialement et génèrent tous un streamer sans interagir les uns avec les autres, on pourra obtenir une décharge homogène (vision théorique du phénomène). Cependant, une décharge à la pression atmosphérique ou supérieure aura tendance à se développer de   manière inhomogène. Des décharges homogènes ne peuvent s’obtenir que sous certaines conditions très particulières qui nécessitent notamment une adaptation décharge / alimentation très “pointue”. Les électrons présents initialement dans le milieu sont nécessaires au développement des streamers. Ils peuvent provenir de différents phénomènes : – Photo ionisation à différentes fréquences (UV,…, RX) – Faisceaux à électrons (troisième électrode) – Effets mémoire (les électrons proviennent des décharges et avalanches précédentes et ont été piégés dans le milieu) Dans l’air ambiant, on trouve 100 à 1000 électrons par cm3 (phénomène d’ionisation naturelle). La pression apparaît comme un facteur important dans l’apparition et le comportement de la décharge. Des lois la relient à divers paramètres électriques, ce qui autorise le concept de décharge équivalente, obtenu par variation compensatoire de facteurs corrélés entre eux. Mais il convient de tenir compte également des effets thermiques qui ne suivent pas les lois de similarité  . Ainsi, l’accroissement de la pression entraîne un confinement de la chaleur au cœur du canal de décharge. Constantes de similarité E/N j/N2 µ/N Avec : “ µ” la mobilité,“E” le champ électrique, et “N” la densité moléculaire Equation de l’énergie  . En divisant par N3 on retrouve les constantes de similarité Seul le terme N ? ne suit pas la loi de similarité ce qui indique que plus la pression est élevée, plus le terme de diffusion est faible. L’énergie est moins dissipée vers l’extérieur. Ce confinement conduit à haute pression à un mécanisme de développement du streamer appelé “leader” qui confirme la tendance inhomogène et filamentaire des plasmas à pression atmosphérique ou supérieure. En d’autres termes, à haute pression, la décharge et la chaleur se confinent dans un canal ionisé   où l’on constate une forte décroissance de la densité des neutres.

Chimie dans les phénomènes de décharge 

Dans les modélisations de processus basés sur des plasmas hors équilibre thermodynamique, différentes phases peuvent être distinguées [38] : – La phase de développement du streamer (onde d’ionisation), création des radicaux d’espèces primaires, excitation, ionisation des espèces. – La phase de décharge, création des radicaux d’espèces secondaires. – La phase de post décharge : réactions chimiques et destructions des radicaux (on parle de chimie de post décharge ou de chimie du plasma). Il est maintenant établi que la physico-chimie engendrée par le plasma dépend de la manière dont l’énergie est injectée dans le milieu et pas seulement de la quantité d’énergie fournie . Cela induit des différences entre plasma filamentaire et plasma homogène. Pour une même densité d’énergie fournie au milieu, les espèces actives sont similaires. Seule la répartition spatiale change : dans un cas, les espèces actives sont situées en périphérie des filaments et dans l’autre, les espèces actives sont réparties de manière homogène. De nombreux modèles de simulation sont à l’étude pour déterminer le développement spatio-temporel d’un streamer  . Ils prennent en compte plusieurs centaines de réactions chimiques (incluant les espèces métastables) .

Intérêt des plasmas hors équilibre dans le reformage assisté par plasma

 Un certain nombre de travaux sur le reformage par plasma , notamment au PSFC-MIT  , portait sur l’utilisation de plasmas thermiques à partir de torches plasma classiques à courant continu. Ce type de plasma se caractérise par une forte densité énergétique et une température très élevée, nécessaires pour homogénéiser le niveau d’excitation des espèces lourdes et légères. Cela favorise la cinétique des réactions, mais conduit en contre partie à un coût énergétique très élevé. Dans le cadre du reformage par plasma, différentes études  ont montré que l’utilisation des plasmas hors équilibre thermodynamique permet d’obtenir des taux de conversion équivalent à ceux obtenus par plasma thermique, à des coûts énergétiques nettement plus faibles. La comparaison des différents résultats obtenus par le PSCF-MIT est représentée sur la figure [Fig.15], dans laquelle “old plasmatron” correspond au plasma thermique et “new-plasmatron” à un système plasma hors équilibre thermodynamique.