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Un nouveau modèle pour expliquer les modulations lumineuses des décharges plasma

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Intensité de l’émission optique du plasma dans une source radiofréquence annulaire pour des pressions augmentant de gauche à droite et de haut en bas (de 0.002 mbar à 4 mbar). Des modulations périodiques dans la direction azimutale sont observées lorsque la pression augmente.

L’apparition de modulations régulières dans les décharges à plasmas a été observée dès le début du XIXe siècle, dans des tubes alimentés par une tension électrique continue. Dans cette configuration, où existe un champ électrique moyen, le mécanisme conduisant à cette instabilité est bien établi. Ces modulations ont aussi été observées depuis le milieu du XXe siècle dans des configurations où le plasma est entretenu par un champ électromagnétique alternatif, mais, jusque récemment, l’explication de ce phénomène restait mystérieuse. Des physiciens du Laboratoire de Physique, à l’ENS de Lyon (ENS de Lyon/CNRS/UCBL Lyon1), et du Laboratoire de Physique des Plasmas (CNRS/Ecole polytechnique/Sorbonne Université/Université Paris Sud/Observatoire de Paris) ont proposé un nouveau mécanisme permettant d’expliquer ce phénomène.
Les décharges plasma à basse pression sont des milieux hors équilibre thermodynamique et les fonctions de distribution en énergie des électrons constituant le plasma ne peuvent pas être décrites par des fonctions de distributions gaussiennes. La nouveauté du mécanisme proposé par les deux équipes françaises a consisté à appliquer un modèle fluide, à l’échelle macroscopique, en calculant des coefficients de transport des électrons (comme par exemple la conductivité thermique) à partir de simulations numériques résolvant la fonction de distribution en énergie des électrons (dans le cadre d’un modèle cinétique pour les physiciens des plasmas). Dans certaines conditions, des coefficients de diffusion négatifs ont été prédits, conduisant à des mécanismes de diffusion inversée, pour lesquels le flux d’énergie est orienté vers les zones de densités élevées. En présence de cette diffusion inversée, les conditions de développement d’une instabilité pour la densité du plasma sont réunies, et conduisent à l’apparition de modulations de la lumière émise par la décharge. Le mécanisme proposé Cette instabilité de transport explique un ensemble d’observations expérimentales obtenues dans une expérience modèle, sur une très large gamme de pression.
Ces travaux démontrent l’importance d’effets cinétiques subtils dans des modèles fluides et proposent un mécanisme possible quant à l’origine d’un phénomène observé depuis plus de soixante-dix ans.

Pattern formation in low-pressure radio-frequency plasmas due to a transport instability ,Victor Désangles, Jean-Luc Raimbault, Alexandre Poyé, Pascal Chabert, and Nicolas Plihon, accepté le 5 décembre 2019 dans Physical Review Letters.

Contacts :
Nicolas Plihon, CR CNRS Laboratoire de Physique, ENS de Lyon.
Jean-Luc Raimbault, MCF Laboratoire de Physique des Plasmas.

Voir en ligne : https://inp.cnrs.fr/fr/cnrsinfo/un-...


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