Caractérisation spectroscopique et couplage thermique de plasmas micro-onde dans des capillaires

Spectroscopic characterization and thermal coupling in microwave capillary discharges

• Auteur / Autrice : Fabien Coquery
• Direction : Gabi-Daniel Stancu, Olivier Leroy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique
• Date : Soutenance le 26/03/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'énergétique moléculaire et macroscopique, combustion (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Jury : Président / Présidente : Jacques Robert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guillaume Lombardi, Ludovic de Poucques, Sedina Tsikata
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guillaume Lombardi, Ludovic de Poucques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie d'émission

Spectroscopie d'absorption

Plasmas microondes

Mots clés libres

Plasma micro-onde

Spectroscopie d'absoption

Couplage thermique

Spectroscopie d'émission

Bilan de puissance

Plasma en capillaires

Microwave plasma

Absorption spectroscopy

Thermal coupling

Emission spectroscopy

Power balance

Capillary discharges

Résumé

Cette thèse porte sur des études expérimentales de plasmas micro-onde générés dans des capillaires (diamètre _ 1 mm), caractérisées par une forte densité de puissance et une importante réactivité chimique. La réalisation d’un bilan de puissance complet de ces décharges a mis en évidence des sous-estimations importantes de pertes. Là où les hypothèses traditionnelles supposent un transfert de puissance micro-onde au plasma supérieur à 90%, nos mesures montrent qu’on ne retrouve que 4 à 20% de la puissance transmise au plasma, soit une surestimation systématique du couplage d’un facteur d’au moins 2 à 3. Des mesures locales de densités d’espèces et de température de gaz par diagnostics spectroscopiques (OES et TD :LAS) ont montré d’importantes inhomogénéités radiales et longitudinales, typiquement des températures rotationnelles au centre de l’ordre de 1000 K, 10% de moins au bord, et densité électronique de 1014 cm−3 au centre, et 50% de moins à la paroi du capillaire. La densité d’argon métastable mesurée en sortie de capillaire est de l’ordre de 3×1012 cm−3 et décroît très fortement avec l’ajout d’une fraction de gaz réactif. Un ajustement non-in trusif du transfert thermique à travers le capillaire par un contrôle non-intrusif a conduit à un large contrôle de paramètres clés du plasma : variation de la température rotationnelle du gaz et la densité électronique d’au moins 40% (typiquement de 600 à 1000 K et de 1,0 à 1,8×1014 cm−3), et avec de plus faibles gradients radiaux, permettant d’accorder les paramètres de décharges de manière plus étendue et ouvrant la voie vers de nouvelles applications potentielles.

This thesis focuses on experimental studies of microwave plasmas generated in capillaries (diameter _ 1 mm), which exhibit high power density and important chemical reactivity. A complete and accurate power balance of these plasmas was carried out and has revealed significant underestimations of power losses. The conventional assumptions consider a value > 90% for the injected microwave power transferred to the plasma. However, our measurements show that only 4 to 20% of the power is transmitted to the plasma, i.e., a systematic overestimation of the power coupling by a factor of at least 2 to 3. Local measurements of species densities and gas temperatures by spectroscopic diagnostics (OES and TD :LAS) have shown significant longitudinal and radial inhomogeneities, typically rotational temperatures at the discharge center in the 1000 K range, with a 10% decrease at the capillary wall, and electron density of 1014 cm−3 at the discharge center, with a 50% decrease at the capillary wall. The argon metastable density measured at the capillary exit is found around 3×1012 cm−3 with a value strongly decreasing by the addition of a fraction of reactive gas. The particular configuration of these discharges offered the possibility of a non-intrusive heat flux control. A non-intrusive tunning of the heat transfer through the capillary induced strong effects on key plasma parameters, namely changes of the rotational temperature and electron density by at least 40% (typically from 600 to 1000 K and from 1.0 to 1.8×1014 cm−3), and showed smaller radial gradients, allowing for a wider adjustment of the discharge parameters and opening the way for new potential applications.