Absorption virtuelle microonde pour l'allumage de décharges plasma sans réflexion

Microwave virtual absorption for reflectionless plasma ignition

• Auteur / Autrice : Theo Delage
• Direction : Olivier Pascal, Jérôme Sokoloff
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electromagnétisme et Systèmes Haute Fréquence
• Date : Soutenance le 07/12/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• 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 : Matthieu Davy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Pascal, Jérôme Sokoloff, Matthieu Davy, Khaled Hassouni
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Agnès Maurel, Cyril Nicolas Decroze

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes de plasma

Diffusion (physique)

Micro-ondes

Mots clés libres

Absorption virtuelle

États sans réflexion

Microondes

Anomalies de diffusion des ondes

Modulation temporelle

Fréquence complexe

Allumage plasma

Source plasma microonde

Résonance

Virtual absorption

Reflectionless states

Microwaves

Anomalies in light scattering

Temporal modulation

Complex frequency

Plasma ignition

Microwave plasma source

Resonance

Résumé

Les travaux de cette thèse s’inscrivent dans le cadre général de recherche de stratégies électromagnétiques spatio-temporelles pour le contrôle des plasmas. Dans ce cadre, nous investissons les possibles ouverts par les récents travaux autour de phénomènes singuliers de diffusion des ondes, en particulier des états électromagnétiques résonants sans réflexion. Ces états semblent pouvoir offrir des conditions électromagnétiques favorables à l’allumage de décharges plasma. Cet allumage représente un intérêt critique pour de multiples applications scientifiques et industrielles. Dans notre cas d’étude, une cavité résonante microonde possédant un unique accès de couplage est excitée par une fréquence complexe particulière qui correspond à un zéro de la matrice S. Concrètement, cela se traduit par une modulation temporelle exponentielle de l’amplitude du champ incident, permettant de compenser les mécanismes de diffusion. Ce phénomène singulier, connu sous le nom d’absorption virtuelle, conduit au stockage intégral de l’énergie portée par le champ incident, le temps de l’excitation. Cette intensification locale et rapide du champ électrique dans la cavité présente un intérêt particulier pour l’allumage de décharges plasma. Cette thèse propose notamment des méthodes permettant d’identifier les zéros de la matrice S à partir de la mesure du S11 puis une démonstration expérimentale de l’absorption virtuelle en cavité résonante microonde. Cette dernière expérience est prolongée par la démonstration de l’allumage de plasmas par absorption virtuelle, c’est-à-dire sans réflexion antérieurement au claquage.

The work in this thesis is part of a general research effort into space-time electromagnetic strategies for plasma control. Within this context, we are exploring the possibilities opened up by recent work on singular wave scattering phenomena, in particular reflectionless resonant electromagnetic states. These states appear to offer favorable electromagnetic conditions for plasma discharge ignition. Such ignition is of critical interest for a wide range of scientific and industrial applications. Here, a microwave resonant cavity with a single coupling access is excited by a specific complex frequency corresponding to an S-matrix zero. In concrete terms, this results in an exponential temporal modulation of the incident field amplitude, compensating for scattering mechanisms. This singular phenomenon, known as virtual absorption, leads to full storage of the energy carried by the incident field during the excitation period. This local and rapid electric field intensification in the cavity is of particular interest for the ignition of plasma discharges. This thesis proposes methods for identifying S-matrix zeros from S11 measurements, followed by an experimental demonstration of virtual absorption in a microwave resonant cavity. The latter experiment is followed by a demonstration of plasma ignition by virtual absorption, i.e. without reflection before breakdown.