Modélisation des propriétés de transport des ions moléculaires de l'hélium dans l'air

Modelling of transport properties of molecular ions of helium in air

• Auteur / Autrice : Martin Beseda
• Direction : Malika Benhenni, René Kalus
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie des Plasmas
• Date : Soutenance le 13/12/2022
• Etablissement(s) : Toulouse 3 en cotutelle avec VŠB - Technical University of Ostrava
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (Toulouse ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Tomá Kozubek
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ivan Janecek
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benjamin Lasorne, Petr Jureka

Mots clés

Mots clés contrôlés

Azote

Ions hélium

Plasmas froids

Mots clés libres

Plasma froid

Azote

Hellium

MCSCF

MRCI

Dynamique moléculaire

Cold plasma

Nitrogen

Hellium

MCSCF

MRCI

Molecular dynamics

Résumé

Cette thèse porte sur la modélisation des propriétés de transport du plasma froid à base d'hélium en interaction avec l'azote dans l'atmosphère. L'objectif principal de cette thèse est la description approfondie des interactions moléculaires. Les résultats obtenus sont ensuite utilisés dans des simulations de dynamique moléculaire et des modèles mésoscopiques de propriétés de transport. Les interactions sont obtenues via une approche ab initio, en utilisant des méthodes d'interaction multi-configurationnelles de champ auto-cohérent et de configuration multi-références ainsi que la méthode Numerov pour résoudre l'équation de Schroedinger lors du calcul des excitations vibrationnelles-rotationnelles. La dynamique moléculaire est réalisée dans une approche hybride quantique-classique, les noyaux étant traités de manière classique et les électrons avec une méthode quantique. De plus, non seulement les méthodes ab initio à la volée, mais aussi les réseaux de neurones artificiels sont impliqués dans les simulations dynamiques pour réduire le temps d'exécution nécessaire pour les pièces les plus coûteuses. Les propriétés de transport des complexes de collision sont modélisées à l'aide d'un code Monte Carlo optimisé. Dans cette thèse, une analyse approfondie des interactions moléculaires pour le sol et les premiers états excités de N2+ et N2+/He est donnée, par rapport à différents ensembles de bases, espaces orbitaux et méthodes. Le comportement est évalué non seulement pour les valeurs d'énergie potentielle, mais aussi pour différentes excitations rotationnelles-vibratoires de N2+ et les résultats préliminaires sont également fournis pour les états excités supérieurs jusqu'au 11ème et au 7ème dans le cas de N2+ et N2+ /Il, respectivement. Les sections efficaces réactives et non réactives ont été obtenues à partir de simulations de dynamique moléculaire et comparées par la suite avec les données pseudo-expérimentales obtenues à partir de mesures de mobilité. Dans ce contexte, l'effet de l'alignement horizontal N2+ sur les sections transversales résultantes a également été analysé en détail. Enfin, la partie modélisation mésoscopique s'est concentrée sur l'obtention de la mobilité de N2+, dans le gaz He, les énergies caractéristiques de diffusion longitudinale et transversale et la constante de vitesse de dissociation de N2+ induite par collision avec He. De plus, ces données de base calculées sont utilisées dans la modélisation macroscopique pour "accorder" les espèces actives nécessaires à des applications spécifiques dans le plasma froid.

This thesis is focused on modeling of the transport properties of helium-based cold plasma in the interaction with nitrogen in the atmosphere. The main focus of this thesis is on thorough description of molecular interactions. The obtained results are further used in molecular dynamics simulations and mesoscopic models of transport properties. The interactions are obtained via ab initio approach, utilizing Multi-Configurational Self-Consistent Field and Multi-Reference Configuration Interaction methods together with Numerov method for solving Schroedinger equation when computing vibrational-rotational excitations. Molecular dynamics is being performed in a hybrid quantum-classical approach, as nuclei are being treated classically and electrons with a quantum method. Furthermore, not only ab initio methods on-the-fly, but also Artificial Neural Networks are involved in the dynamics simulations to reduce necessary runtime for the most expensive parts. Transport properties of the collision complexes are modelled using an optimised Monte Carlo code. In this thesis, a thorough analysis of the molecular interactions for the ground and the first excited states of N2+ and N2+/He is given, with respect to different basis sets, orbital spaces and methods. The behavior is evaluated not only for the values of potential energy, but also for different rotational-vibrational excitations of N2+ and the preliminary results are also provided for the higher excited states up to 11th one and the 7th one in the case of N2+ and N2+/He, respectively. Both reactive and non-reactive cross-sections were obtained from molecular dynamics simulations and compared subsequently with the pseudo-experimental data obtained from mobility measurements. In this context, also the effect of the N2+ horizontal alignment on the resulting cross-sections was analyzed in detail. Finally, the mesoscopic modeling part was focused on obtaining N2+ mobility, in He gas, the characteristic energies of both longitudinal and transversal diffusion and the rate constant of N2+ dissociation induced by collision with He. Moreover, these calculated basic data are used in macroscopic modelling for "tuning" active species needed for specific applications in cold plasma.