Description

Une caractérisation fine de la composition des plasmas, et par extension des distributions de population des espèces qui le composent, est essentielle dans de nombreuses applications. Cela nécessite d’avoir recours à des diagnostics intrusifs tel que les sondes de Langmuir ou à des diagnostics complexes à mettre en oeuvre dans de nombreuses configurations tels que ceux basés sur la spectroscopie laser. Une approche alternative consiste à utiliser des modèles collisionnels-radiatifs (CR) couplés à des mesures non-intrusives du spectre d’émission du plasma (1,2). Cette approche est très attrayante car elle permet d’obtenir plus simplement une description détaillée d’un plasma. En pratique, à partir d’une mesure de raies d’émission d’un plasma, on peut accéder à la densité de population de certains états excités. Un modèle CR résout les mécanismes cinétiques régissant les distributions de population des différentes espèces du plasma. En faisant varier les paramètres libres du modèle (par exemple la température des électrons), on cherche alors à obtenir un bon accord entre les prédictions du modèle et les données expérimentales. Ainsi, il est possible d’utiliser les autres résultats du modèle pour obtenir des informations sur le plasma qui autrement seraient difficilement mesurables, telles que la température et la densité des électrons, ainsi que les températures d’excitation des modes internes des atomes et molécules (électronique, vibrationnel, rotationnel).

Les modèles CR couplés à des mesures d’émission ont vocation à approfondir notre connaissance des phénomènes physiques au sein des plasmas (par exemple pour les plasmas de rentrée atmosphérique ou pour la propulsion spatiale), mais aussi à être utilisés pour des dispositifs de suivi et d’optimisation de plasmas industriels (par exemple pour les plasmas de bord de tokamak, les procédés de dépôt, la plasmalyse de CH4, le reformage de CO2 et de NH3).

Afin de pouvoir exploiter pleinement ces modèles CR, il est nécessaire de s’assurer de leur validité au travers d’une comparaison rigoureuse avec des résultats expérimentaux. L’objectif de ce projet de recherche doctoral est donc de développer et valider expérimentalement des modèles CR pour l’argon et des mélanges argon-gaz moléculaires (N2, H2, CO2) à l’aide de diagnostics optiques avancés.

Des travaux précédents dans l’équipe ont déjà permis de développer un modèle CR pour l’argon qui servira de point de départ aux travaux proposés dans cette thèse (3). Le volet expérimental consistera à caractériser le jet plasma à la pression atmosphérique d’une torche micro-onde (surfaguide) fonctionnant à des puissances transmises entre 0.5 et 5 kW. En particulier, il s’agira de réaliser des mesures de températures et de densité d’espèces par spectroscopie d’émission. La densité et la température électronique seront mesurées à l’aide de la diffusion Thomson par laser pulsé (4). Dans les mélanges contenant des gaz moléculaires, la diffusion Raman rotationnelle sera également utilisée pour mesurer la densité des états fondamentaux et la température rotationnelle. L’ensemble de ces mesures expérimentales serviront à valider les modèles CR. Le volet numérique sera à définir en fonction de l’appétence de la personne recrutée qui pourra s’investir dans l’amélioration des modèles existants et le développement de modèles pour de nouveaux mélanges de gaz.

Compétences requises

Niveau M2 / ingénieur : plasma, physique, physique appliquée, énergétique, génie électrique, mécanique des fluides, génie des procédés Maîtrise de l’anglais scientifique écrit et oral Curiosité, motivation et travail en équipe Programmation Python / Matlab Expériences préalables appréciées mais non nécessaires : travail expérimental, programmation Fortran

Bibliographie

1. Durocher-Jean A, Desjardins E, Stafford L. Characterization of a microwave argon plasma column at atmospheric pressure by optical emission and absorption spectroscopy coupled with collisional-radiative modelling. Physics of Plasmas. 2019 Jun 1;26(6):063516. doi:10.1063/1.5089767

2. Khazem F, Durocher-Jean A, Hamdan A, Stafford L. 2D spatial mapping of the electron temperature, electron number density, and argon molecular ion number density in a microwave argon plasma jet. Plasma Sources Sci Technol. 2026 Feb 10. doi:10.1088/1361-6595/ae4451

3. Annaloro J, Teulet P, Bultel A, Cressault Y, Gleizes A. Non-uniqueness of the multi-temperature law of mass action. Application to 2T plasma composition calculation by means of a collisional-radiative model. Eur Phys J D. 2017 Dec;71(12):342. doi:10.1140/epjd/e2017-80284-5

4. Vincent B, Tsikata S, Mazouffre S, Minea T, Fils J. A compact new incoherent Thomson scattering diagnostic for low-temperature plasma studies. Plasma Sources Sci Technol. 2018 May 8;27(5):055002. doi:10.1088/1361-6595/aabd13

Mots clés

physique des plasmas, diagnostics optiques, modèle collisionnel-radiatif, cinétique chimique