Electrical study of the atmospheric pressure Townsend discharge physics and its interaction with a power supply: Model and Experiment

Etude électrique de la physique d'une décharge de Townsend à la pression atmosphérique et de son interaction avec un générateur : Modèle et Expérience

Nicolas Naudé (1)

1 LGET - Laboratoire de génie électrique de Toulouse

Recent works showed that the Atmospheric Pressure Townsend Discharge (APTD) is compatible with online surface treatment process like polymers surface activation or thin films deposit. Nevertheless, the conditions to get this dielectric barrier discharge are still too limited for the development of an industrial process: the dissipated power being too low the treatment time is too long for industrial applications. The aim of this work is to improve the APTD physics understanding in order to determine the origin of the different observed destabilizations which limit the power transmitted to the discharge. The approach consists in a fine study of the coupling between the power supply and the discharge, by means of an electrical model based on experimental observations of both the APTD and the power supply. The electrical model of the APTD allows to have a macroscopic view of the discharge. We have highlighted the importance of the secondary emission variation during the discharge, as well as the memory effect from one discharge to the following one and of the gas temperature increase, determined by a resistance thermometer and rotational temperature measurements. It appears that the increase of the gas temperature is always proportional to the mean power, even during the transients. Thus, the developed model describes the electrical behavior of the discharge on its entire domain. The coupling of this model with the power supply model shows that a reason of the APTD destabilization come from oscillations due to the parasitic elements of the power supply. This understanding allowed to find two solutions to increase the discharge power. The first consists in decreasing the ratio between the gas capacity and the solid dielectric capacity which avoids the transition to the arc, in order to avoid the appearance of the oscillations. The second, studied only in simulation, is based on the use of a square-wave current inverter source in order to maintain a constant current during the discharge and to increase the duration of the discharge ignition.

Des travaux récents ont montré que la Décharge de Townsend à la Pression Atmosphérique (DTPA) est compatible avec les procédés de traitement en ligne de matériaux comme, par exemple, l'activation de surfaces polymères ou le dépôt de couches minces. Néanmoins, les conditions d'obtention de cette décharge contrôlée par barrière diélectrique sont encore limitées pour développer un procédé industriel, ce qui se traduit par une puissance trop faible et donc des temps de traitement trop longs pour des applications industrielles à grande échelle. Ainsi, l'objectif de ce travail est d'améliorer la compréhension de la physique de la DTPA afin de définir en particulier l'origine des différentes causes de sa déstabilisation qui limite la puissance transmise à la décharge. Pour cela, la démarche adoptée consiste en une étude fine du couplage entre le générateur et la décharge, par le biais d'une modélisation électrique de type circuit de l'alimentation électrique et de la DTPA basée sur des observations expérimentales. Le modèle électrique de la DTPA permet d'avoir une vision macroscopique de la décharge. Nous avons pu mettre en évidence l'importance de la variation de l'émission secondaire durant la décharge, ainsi que le rôle de l'effet mémoire d'une décharge à la suivante et celui de l'élévation de la température du gaz, déterminée par un thermocouple et par des mesures de température rotationnelle. Il apparaît que l'élévation de la température du gaz est proportionnelle à la puissance moyenne, y compris pendant les transitoires. Nous avons ainsi mis au point un modèle qui décrit le comportement électrique de la décharge sur toute sa plage de fonctionnement. Le couplage de ce modèle avec celui de l'alimentation montre qu'une cause de déstabilisation de la DTPA est liée à des oscillations dues aux éléments parasites de l'alimentation. Ainsi, l'étude du couplage entre l'alimentation et la décharge a permis de définir deux solutions permettant d'augmenter la puissance transmise. La première consiste à éviter l'apparition d'oscillations en diminuant le rapport de la capacité du diélectrique solide qui évite la transition à l'arc sur la capacité du gaz. La seconde, étudiée uniquement en simulation, est basée sur l'utilisation d'une source de courant de type commutateur de courant afin de maintenir un courant constant durant la décharge et d'accroître la durée d'allumage de la décharge.

Mots clés: power supply discharge coupling; electrical model; PSpice; plasma; atmospheric pressure; Dielectric Barrier Discharge; Townsend discharge; APTD; temperature; memory effect; secondary emission

Mots clés: pression atmosphérique; Décharge contrôlée par Barrière Diélectrique; décharge de Townsend; DTPA; effet mémoire; émission secondaire; couplage générateur décharge; modèle électrique

Domaines: Sciences de l'ingénieur [physics]; Energie électrique

Nicolas Naudé. Etude électrique de la physique d'une décharge de Townsend à la pression atmosphérique et de son interaction avec un générateur : Modèle et Expérience. Sciences de l'ingénieur [physics]. Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2005. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00601053⟩