Plasma chemistry and diagnostic in an ArN2H2 microwave expanding plasma used for nitriding treatments

International audienceThis paper reports on mass spectrometry analysis performed downstream a microwave discharge in Ar-N 2 -H 2 gas mixture in nitriding conditions. Investigations are focused on the main simple radicals NH 2, NH and N, and on the molecular species NH 3 and N 2 H 2 produced. Because of wall desorptions due to catalytic effects, we must develop a specific method taking into account both wall desorption and dissociative ionization effects, in order to correct the mass spectrometer signal intensity. The relative concentrations of the previous species are studied in various gas mixtures. Correlations are made between the plasma chemistry and plasma parameters (electron density and energy electron distribution function), measured by means of Langmuir probes spatially resolved within the plasma expansion. These results show the efficiency of ternary gas mixtures (Ar-N 2 -H 2) to produce electrons and N x H y species used in plasma nitriding process

DISCUSSION ON THE COMPOSITION AND TRANSPORT COEFFICIENTS CALCULATION MADE IN PLASMA OUT OF EQUILIBRIUM

International audienceIn this paper, the composition calculation in plasma out of thermal equilibrium is discussed and we test the viscosity formulations of Wilke, Gupta et al, Chapman Enskog and Sutherland in air plasma out of thermal equilibrium. Finally we applied the formulations to Fire II reentry

Calculation of combined diffusion coefficients from the simplified theory of transport properties

The aim of this study is to check if it is possible to use the combined diffusion coefficients introduced by Murphy at equilibrium in a two-temperature model (electron temperature Te different from that of heavy species Th) such as that denned by Devoto or Bonnefoi for transport properties. Murphy's coefficients describe the diffusive mixing of two non reactive ionized gases while the Devoto's or Bonnefoi's simplified theories allow the calculation of transport coefficients (except diffusion) out of thermal equilibrium. It has to be noticed that in the latter case when Te tends towards Th, the results are those obtained with an equilibrium calculation. The two-temperature (2-T) theory of transport properties was established by separating electrons and other species because of their mass difference. First, the exact combined diffusion coefficients of Murphy are calculated for an Ar-N2 (50wt%) mixture at atmospheric pressure. Then, expressions of combined diffusion coefficients are obtained using the simplified theory of Bonnefoi. The results of the calculation of combined diffusion coefficients from the simplified theory of transport properties, assuming equilibrium is achieved (Te=Th), is compared with those of Murphy at equilibrium. It is shown that large discrepancies occur when ionization is important. These results prove that the simplified 2-T theory cannot be used for the treatment of diffusion. Thus, a new theory of transport coefficients has to be developed taking into account the coupling of electrons and heavy species and work is in progress

New method to derive transport properties including diffusion in a two-temperature plasma

A new derivation of transport properties in a two-temperature plasma has been performed. The electron kinetic temperature Te is supposed to be different from that of heavy species Th. The resolution of the Boltzmann's equation, thanks to the Chapman-Enskog method, is used to calculate transport coefficients and it allows to the generalisation ofbracket integrals out of thermal equilibrium. Two-temperature diffusion coefficients are defined and the obtained results are presented for an atmospheric two-temperature argon plasma

Comparative Study between kinetic and thermodynamic calculation of composition in SF6 Plasmas

For an SF6 plasma at atmospheric pressure the compositions calculated in chemical equilibrium, in the multi-temperature model and using kinetics (33 reactions involving 18 species) are compared. The ratio of the electron temperature Te to that of heavy species Th was calculated as a function of electron density and an intermediate temperature T* between Te and Th was introduced to cope with the relationship kf(T*) / kr(T*) = Kx(T*) where kf and kr are the reaction rate coefficients (forward and reverse) and Kx the equilibrium constant. The main difference between equilibrium and kinetic calculations lies in the densities of S+, S2+, SF+, F- and S- species between 2000 and 6000 K. The multi-temperature method gives results very different from those of the kinetic calculations even when neglecting the charge loss reactions. This is in contrast to what happens with H2 or N2

Transport Coefficients in non equilibrium argon-hydrogen thermal plasmas

Transport coefficients in non-equmbrium argon-hydrogen thermal plasmas, where the kinetic temperature of electrons Te is different from that of heavy species Th, are calculated at atmospheric pressure from a recent theoretical approach of Rat et al. The latter consists in deriving transport properties in thermal plasmas from the solution of the Boltzmann's equation according to the Chapmann Enskog method keeping the coupling between electrons and heavy species. Plasma composition is obtained from a non equilibrium constant method and a stationnary kinetic calculation. First, electrical and translational thermal conductivities are compared with those evaluated with the simplified theory of transport properties of Devoto and Bonnefoi. Non-neglible discrepancies occur reaching more than 30% and 40% respectively for the electrical and electron thermal conductivities at Te= 15000 K for theta = 2. Second, the dependence with Te of electrical and total thermal conductivities (including translational, internal and reactional contributions) and viscosity is examined as a function of the method of calculation of plasma composition and the non-equilibrium parameter theta= Te /Th . It is emphasized that non-equilibrium transport coefficients are strongly dependent on the method of plasma composition

Contribution au calcul des propriétés de transport des plasmas thermiques hors déquilibre en prenant en compte le couplage électrons-particules lourdes (Applications à l'argon et au mélange Ar-H2)

Ce mémoire est consacré au calcul des propriétés de transport dans des plasmas thermiques hors d'équilibre, pour lesquels la température cinétique des électrons est différente de celles des espèces lourdes, en maintenant un couplage électrons-particules lourdes, l'équilibre chimique est supposé établi. Des applications à l'argon pur et au mélange Ar-H2 sont présentées. Dans un premier temps, nous montrons que la théorie simplifiée des coefficients de transport, qui suppose la séparation entre électrons et espèces lourdes et qui est très souvent utilisée dans les modélisations hors d'équilibre, ne permet pas de vérifier la loi de conservation de la masse dans le mélange. Par conséquent, il est nécessaire de dériver une théorie des propriétés de transport, en abandonnant les hypothèses de la théorie simplifiée, dans les plasmas thermiques hors d'équilibre thermique. Nous ne considérons que les collisions élastiques. La méthode de Chapman-Enskog permet de résoudre l'équation de Boltzmann tout en gardant le couplage entre électrons et espèces lourdes. Ainsi, les coefficients de diffusion ordinaire, thermique, ambipolaire, et combinés ainsi que les conductivités électrique et thermique (de translation, de réaction) sont dérivés. Nous mettons également en évidence des coefficients de transport dus au déséquilibre thermique. L'application à l'argon pur permet de montrer que le déséquilibre thermique n'a pas d'influence sur la convergence des coefficients de transport. De plus, la comparaison avec les résultats de la théorie simplifiée montre d'importants écarts pour les conductivités électrique et de translation des électrons. L'application au mélange Ar-H2 montre que la conservation de la masse est maintenant satisfaite. De plus, nous mettons en évidence l'influence de la méthode de calcul de la composition du plasma hors d'équilibre thermique sur les coefficients de transport.LIMOGES-BU Sciences (870852109) / SudocSudocFranceF

Influence des potentiels d'intéraction sur les propriétés de transport des plasmas thermiques : exemple d'application le plasma argon hydrogène à la pression atmosphérique

Après un rappel sur le calcul de la composition du plasma et sur la méthode d'évaluation des propriétés de transport, nous consacrons un paragraphe aux formes du potentiel d'interaction entre particules (atomes, ions, molécules) les plus souvent utilisées dans la littérature et nous indiquons celles pour lesquelles des tables permettent l'obtention des intégrales de collision. La deuxième partie porte sur l'application de ces calculs aux mélanges argon-hydrogène pour lesquels nous sélectionnons, dans la littérature, les potentiels d'interactions ou les sections efficaces de transfert nécessaires à la détermination des intégrales de collision. La composition du plasma est calculée par minimisation de l'énergie libre de Gibbs à l'équilibre thermodynamique complet, à la pression atmosphérique et pour une température variant de 500 K à 15 000 K. Les propriétés de transport (viscosité, conductibilité thermique et conductivité électrique) sont alors obtenues pour cinq valeurs du rapport H2/(H2 + Ar) : de l'hydrogène pur à l'argon pur par saut de 25 %. Les données (intégrales de collision et fonctions de partition) sont introduites dans le programme sous forme de polynomes. Finalement, nos résultats sont comparés avec ceux de la littérature

Contribution à l'étude de la réactivité de surface (réalisation d'un spectromètre de masse à temps de vol et détermination des coefficients de transport)

Dans ces travaux de recherche nous avons conçu, réalisé et mis en fonctionnement un spectromètre de masse à temps de vol destiné à étudier les espèces présentes dans des sources à plasma pulsé. Le logiciel de simulation de trajectoire de particules chargées Simion a été utilisé, ce qui a notamment permis de déterminer la tension à appliquer aux vingt électrodes du dispositif. Dans cet instrument, les ions sont créés par impact électronique (énergie des électrons 70 eV) et sont accélérés à 1 kV. La distance de vol parcourue s élève à 1,3 m. Un spectre de masse de l atmosphère résiduelle obtenu à une pression de 10-5 mbar est présenté, cinq espèces sont majoritairement détectées. La résolution estimée est d environ 500 à la masse 30. Parallèlement, à ces travaux expérimentaux, des calculs sur les coefficients de transport ont été menés. Une base e/ C/N/O a été établie dans des plasmas à hautes températures et pour différentes pressions. De plus, il a été montré que les états excités de l azote atomique sur les propriétés de transport de l azote influencent le calcul de ces propriétés.During this work, we designed, developed and optimised a Time of flight mass spectrometer for the purpose of studying the species present in pulsed plasma sources. The software, named, Simion was used to simulate the systems and thus to determine the voltage applied to the 20 electrodes present in the system. The ions are created as a result electronic impact and are accelerated under a potential difference of 1 kV. The distance of flight is 1.3 m. A mass spectrum of the residual atmosphere at 10-5 mbar was studied, five major different species was detected. The estimated resolution is 250 (30 mass). In parallel, to this experimental work, transport coefficients were calculated theoretically. A data base of information regarding e/C/H/N/O was also developed for high pressure plasmas. In addition, it was established that the excited states of atomic nitrogen on the transport properties influence the calculations of these properties at high pressures.LIMOGES-BU Sciences (870852109) / SudocSudocFranceF