À propos du plasma

Définition d'un plasma

Un plasma est un gaz de particules chargées (ions et électrons) et neutres (atomes et molécules) mais aussi de photons. Plus spécifiquement, il peut être caractérisé comme un gaz entièrement ou partiellement ionisé qui est électriquement neutre dans son ensemble, c'est-à-dire que le nombre de charges positives et négatives est égal. Il est souvent considéré comme le 4 ème état de la matière car il se produit lors de la fourniture d'énergie à un gaz, bien qu'il n'y ait pas de transition de phase abrupte comme les transitions de solide à liquide et de liquide à gaz. Un autre nom pour le plasma est la décharge luminescente en raison de la lueur caractéristique du plasma due aux désexcitations des particules avec l'émission accompagnée de photons. Sur Terre, le plasma ne se présente pas comme un état naturel, à l'exception des éclairs et des flammes, mais dans l'espace, le plasma est la forme la plus courante de la matière. Les plasmas gazeux artificiellement générés ont cependant de nombreuses applications au service de l'homme. Le plasma se retrouve dans des applications aussi variées que les sources lumineuses, les nouveaux types d'écrans de télévision, les réacteurs pour les expériences de fusion, etc. Probablement l'application plasma la plus courante et la plus économique dans le traitement des matériaux solides, ainsi que les gaz, sont. Contrairement aux plasmas de fusion, ces plasmas sont "froids", c'est-à-dire non en équilibre thermodynamique, où le gaz est à basse température alors que les électrons ont des énergies suffisamment élevées pour ioniser, exciter, dissocier, etc.

Génération de plasmas

Les plasmas destinés aux applications industrielles dans le traitement des matériaux sont générés par différentes sources de plasma.

Un plasma peut être généré en appliquant une tension entre deux électrodes dans un gaz et à une certaine tension en fonction de la pression du gaz et de la distance entre les électrodes une panne se produira dans le gaz de sorte que le gaz devienne conducteur grâce à l'ionisation. L'ionisation est provoquée par des collisions entre les électrons, accélérés par le champ électrique pour l'énergie d'ionisation, et des particules neutres, par exemple des atomes. Chaque collision qui génère un électron libre peut provoquer une nouvelle ionisation, mais le premier électron est également libre de se heurter à nouveau, de sorte que l'ionisation apparaît comme un processus d'avalanche. Finalement, ce processus atteint un état stable entre la génération et la perte des particules chargées. La perte des ions et des électrons du volume plasmatique peut se produire par recombinaison et diffusion aux frontières du plasma. Le début de l'ionisation est activé par les ions primaires et les électrons qui sont toujours présents dans tout gaz neutre, par exemple en raison de l'ionisation par rayonnement cosmique. Les électrons n'ayant pas assez d'énergie pour ioniser un atome peuvent changer sa structure électronique et l'exciter et lorsque l'atome se désexcite, un photon peut être émis. La recombinaison des particules chargées et les désexcitations contribuent à une caractéristique de lueur pour les systèmes de plasma.

Dans le type le plus simple d'une décharge luminescente, la tension appliquée est une tension continue et les deux électrodes représentent respectivement une cathode et une anode. Le champ électrique n'est pas réparti uniformément entre les électrodes ce qui provoque des différences dans la luminosité de la lueur. La partie la plus intense de la décharge est la "lueur négative" proche, mais séparée de la cathode. La région entre cette lueur et la cathode est "l'espace sombre de la cathode" ou "la gaine de charge spatiale" où le potentiel chute de façon drastique. En raison de très peu ou pas de collisions et donc pas d'émission de photons dans cette région, il semble sombre. Les ions positifs seront accélérés par la chute de potentiel à travers la gaine et entreront en collision avec la surface de la cathode. Cela peut provoquer l'émission d'électrons secondaires qui sont repoussés de la cathode dans la lueur négative et améliorer l'ionisation là. Les ions peuvent également éliminer des atomes du matériau de la cathode et cet effet est utilisé dans la pulvérisation comme source de matériau à déposer. Si la distance entre la cathode et l'anode est suffisamment longue par rapport à la largeur de la décharge, une autre zone incandescente, "la colonne positive", peut apparaître. A l'anode, il y a aussi un espace sombre mais très mince.

Si la cathode est entourée d'un matériau non conducteur, un plasma ne peut pas être maintenu par une tension continue en raison de la charge de la surface de l'électrode. Dans ce cas, il est possible d'alimenter l'électrode avec une tension de radiofréquence (RF) pour permettre la décharge. Les décharges RF ont généralement une ionisation plus efficace que les décharges DC. Les électrons ont une masse très faible et ils peuvent facilement suivre les oscillations RF tandis que les ions suivent simplement le champ moyen du temps. Dans le cas d'une cathode conductrice, un condensateur de blocage entre la cathode et l'alimentation peut être utilisé pour créer une polarisation continue négative sur la cathode (en fait sur les deux électrodes) et une gaine de charge d'espace peut être formée entre les électrodes et le plasma Dans une décharge RF, les ions seront accélérés à travers cette gaine comme dans le cas DC.

Cathodes creuses

L'existence de gaines dans des géométries d'électrodes creuses peut donner lieu à une décharge "supplémentaire" - la décharge cathodique creuse (HCD) - qui est utilisée dans les sources cathodiques creuses. Dans un système à deux électrodes avec une électrode négative creuse (cathode) et une contre-électrode plus grande (anode), le HCD peut apparaître dans la cavité de la cathode simultanément avec la décharge "ordinaire" entre la cathode et l'anode si la distance opposée les parois de la cavité sont à peu près égales à la largeur de la lueur négative. L'origine du HCD est un piégeage d'électrons à l'intérieur de la cathode creuse lorsque des électrons énergétiques émis par une paroi de cathode sont accélérés à travers la gaine en direction de la paroi opposée. Quand ils atteignent la même gaine du côté opposé avec le même champ électrique opposé, ils sont réfléchis. Les électrons sont piégés et forcés à osciller entre les gaines opposées. Ce mécanisme est appelé "effet de cathode creuse". Pendant ces oscillations, les électrons peuvent subir des collisions inélastiques avec les atomes de gaz et augmenter la probabilité d'ionisation en donnant un plasma très dense à l'intérieur de la cathode. Ce plasma est expulsé de la cathode par un écoulement de gaz. La cathode creuse peut également être alimentée par une alimentation RF. Les électrons peuvent osciller plusieurs fois pendant un cycle RF donnant une densité de plasma élevée. Les cathodes creuses peuvent avoir différentes géométries: tubes, réseaux de tubes ou plaques parallèles (cathodes creuses linéaires).