Détection de vapeurs d'atomes métalliques par fluorescence induite par laser (LIF) : application à la propulsion solide

Detection of gaseous metal atoms by laser induced fluorescence (LIF) : application to solid propellant combustion

• Auteur / Autrice : Gautier Vilmart
• Direction : Brigitte Attal-Trétout
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, molécules, rayonnement atmosphérique
• Date : Soutenance le 07/12/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et de recherches aérospatiales (France). Département de Mesures Physiques
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Anne Lafosse
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Brigitte Attal-Trétout, Anne Lafosse, Katharina Kohse-Höinghaus, Xavier Mercier, Thomas Dreier, Nelly Dorval
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Katharina Kohse-Höinghaus, Xavier Mercier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie spectroscopique

Propergols solides

Fluorescence induite par laser

Mots clés libres

Lif

Aluminium

Fer

Imagerie

Propergol solide

Atomes metalliques

Lif

Aluminum

Iron

Imaging

Solid propellant

Metallic atoms

Résumé

Cette thèse porte sur la méthode de Fluorescence Induite par Laser (LIF) à haute cadence développée sur deux atomes métalliques (Al et Fe) utilisés comme traceurs fluorescents dans les flammes de propergols solides où ils sont naturellement présents. Deux expériences d’évaporation de l’aluminium sont mises en œuvre pour mettre au point la technique dans des conditions contrôlées sur une large gamme de pressions et températures. Un modèle théorique du processus de fluorescence appliqué à ces deux atomes est élaboré pour calculer les taux de quenching du signal avec la pression et la température. Les données collisionnelles qui sont inconnues sont prédéterminées théoriquement pour Fe et expérimentalement pour Al. Les coefficients de transferts d’énergie et d’élargissements spectraux par collisions de l’atome Al sont déterminés expérimentalement en environnement d’azote pur. Une étude du comportement du signal de Al avec l’énergie laser est effectuée pour mesurer les seuils de saturation avec les gaz N₂, Ar et He en fonction de la pression. Le modèle permet de reproduire correctement les profils temporels et spectraux avec toutefois des approximations et des limitations qui sont explicitées. Une première application de l’imagerie LIF sur Al dans une flamme de propergol solide aluminisé (10 bar et 3000 K) permet de visualiser des gouttes d’aluminium réactives et observer leur évolution dans la flamme.

During the PhD thesis, high-speed laser induced fluorescence (LIF) of two metallic atoms (Al and Fe) is presented, in order to use them as fluorescent markers in solid propellant flames, where they are naturally present. LIF measurements are first performed inside two different evaporation chambers used to generate aluminum vapors in controlled conditions over a broad pressure and temperature range. A theoretical model of the LIF process is elaborated and applied to both atoms in order to calculate the signal quenching rate as a function of pressure and temperature. Unavailable collisional data are determined theoretically for Fe and experimentally for Al. Energy transfer and collisional broadening coefficients are determined experimentally for the Al atom in pure nitrogen environment. Study of the signal level of Al as a function of laser intensity is undertaken to measure saturation thresholds in N₂, He and Ar as a function of pressure. The model is used to properly reproduce the temporal and spectral profiles, though some approximations and limitations remain. A first application of high-speed LIF imaging to the measurement of aluminum in a solid propellant flame (10 bar , 3000 K) is demonstrated. It allows us to clearly visualize reactive aluminum droplets in the flame and to follow their evolution in the flame.