Le rayonnement émis par les plasmas joue un rôle important dans de nombreuses applications allant du traitement de surfaces aux sciences de l'aérospatial. Dans le cas d'un milieu constitué d'atomes et de molécules tel un plasma, l'analyse de l'émission spectrale de ces espèces permet notamment de remonter à des grandeurs caractéristiques telles que la température et les densités des espèces dans le milieu.
Cette étude propose de caractériser un plasma à l'équilibre et faiblement hors-équilibre à travers son rayonnement. Pour ce faire, un code de simulation de spectres radiatifs a été développé afin d'étudier le rayonnement de ces plasmas en fonction de la (des) température(s) caractéristique(s) du milieu et un dispositif expérimental d'une torche micro-ondes permettant de générer un plasma en faible déséquilibre thermique a été mis en place et la décharge a été caractérisée par spectroscopie optique d'émission.
La première partie de ce travail situe le contexte scientifique de cette étude par rapport à l'existant et au projet scientifique de l'équipe. Les lois physiques qui régissent les plasmas à l'équilibre et en déséquilibre sont détaillées. Les méthodes de diagnostic basées sur la spectroscopie optique d'émission communément utilisées pour sonder ces plasmas sont présentées. Les logiciels de simulation de spectres radiatifs LIFBASE, SPECAIR et SPARTAN sont décrits à la fin de ce chapitre ; les résultats issus de ces logiciels servent de référence et de comparaison pour le code de simulation développé pour ce travail.
La seconde partie traite de la simulation de spectres radiatifs des plasmas à l'équilibre et en déséquilibre thermique. La théorie du rayonnement moléculaire est présentée en détails ainsi que le calcul des niveaux d'énergie d'une molécule diatomique. Les lois de sélection autorisant les transitions radiatives entre ces niveaux et conduisant à la structure particulière des spectres moléculaires sont également discutées. Les spectres simulés via le code numérique mis en place au cours de ces travaux sont comparés avec les spectres de référence pour les systèmes moléculaires d'un plasma d'air et d'argon-azote-hydrogène. Les concordances et les différences observées lors de ces comparaisons sont soulignées ainsi que la nécessité de comparer les spectres calculés avec des spectres expérimentaux afin de juger de la validité de notre modèle et de ceux des logiciels utilisés.
La troisième partie de ce mémoire présente l'étude expérimentale mise en place au LAPLACE sur la caractérisation du rayonnement émis par une torche plasma micro-ondes opérant à la pression atmosphérique. Une première partie théorique tâche d'aborder les problématiques liées à la propagation des micro-ondes au travers d'un guide d'ondes et au couplage énergétique micro-ondes--plasma. Le dispositif expérimental est ensuite décrit en détails et les processus de génération et d'entretien de la décharge sont discutés. La troisième partie présente les résultats de la caractérisation de la décharge par spectroscopie optique d'émission dans un mélange d'argon-azote-hydrogène. Cette technique a permis le calcul de différentes grandeurs caractéristiques du plasma comme les températures d'excitation, de rotation, de vibration et de translation (du gaz) et la densité électronique. Enfin, une comparaison entre les spectres expérimentaux et simulés des systèmes N2 Second Positif et N2+ Premier Négatif fait l'objet de la dernière partie de ce chapitre. |
Plasma radiation plays an important role in many applications, ranging from surface modification to aerospace sciences. In a medium constituted of atoms and molecules, such as a plasma, the spectral emission analysis of these species allows one to calculate the medium characteristic temperatures and the electron number density.
This study aims to characterize a plasma through its radiation in both thermal equilibrium and weak non-equilibrium conditions. To achieve this goal, a radiative spectra simulation code was developed to study the plasma radiation as a function of the medium's characteristic temperature(s). Additionally, a microwave plasma torch experimental setup was assembled allowing the generation of a weak non-equilibrium plasma, which was then characterized by means of optical emission spectroscopy.
First, the context of this study will be positioned in respect to the literature and scientific project of the team. The physical laws governing equilibrium and non-equilibrium plasma will be detailed, and optical emission spectroscopy diagnostic methods normally used to probe these plasmas will be presented. In addition, radiative spectra simulation software, such as LIFBASE, SPECAIR, and SPARTAN, will be described at the end of the first chapter; spectra calculated via these software serve as a reference and comparison basis for the code developed for this work.
The second part of this study focuses on the radiative spectra simulation of equilibrium and non-equilibrium plasmas. The theory of molecular radiation will be thoroughly reviewed, as will the diatomic molecules energy levels calculation. The selection rules allowing the radiative transitions between these states and leading to the particular structure of molecular spectra will be discussed, and the spectra simulated by our code will be compared to the reference spectra for the molecular systems of an air plasma and an argon-nitrogen-hydrogen plasma. The agreements and discrepancies noted during these comparisons will be underlined, as well as the necessity to compare the calculated spectra with experimental spectra in order to judge the validity of our model and those implemented in the software used as references.
The third part of this work presents the experimental study that was led at the LAPLACE laboratory on the characterization of the radiation emitted by a microwave plasma torch operating at atmospheric pressure. The theory of microwaves propagation along a waveguide and the energy coupling efficiency between the microwaves and the plasma will be briefly reviewed. The experimental setup will then be detailed, and the physical conditions for generating and sustaining the discharge will be discussed. The results obtained during the study of the discharge via optical emission spectroscopy will then be presented for an argon-nitrogen-hydrogen plasma mixture. This diagnostic method allowed the calculation of the excitation, vibration, rotation, and translation (or gas) temperatures along with the plasma's electron number density. Finally, a comparison between the experimental and calculated spectra of both the N2 Second Positive and N2+ First Negative systems will be presented and analyzed. |