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Maulois, Mélissa. Etude expérimentale et numérique de la cinétique de plasmas d'air produits par rayonnement X impulsionnel

Maulois, Mélissa (2016). Etude expérimentale et numérique de la cinétique de plasmas d'air produits par rayonnement X impulsionnel.

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Résumé en francais

L'irradiation de l'air par un rayonnement X, est à l'origine de la création d'un plasma pouvant modifier la génération et la propagation des champs électromagnétiques (champs EM), perturbant ainsi les systèmes électroniques environnants. La quantification de ces contraintes nécessite en amont une étude approfondie sur le plasma généré par les particules énergétiques. Un modèle de cinétique chimique 0D a été développé afin de caractériser le plasma au cours du temps pour différentes pressions d'air. Le modèle est défini par le couplage des équations d'évolution des densités des espèces composant le plasma avec l'équation de conservation de la densité d'énergie moyenne des électrons. Afin de mettre en place et tester le modèle, il a d'abord été appliqué à un cas théorique, où le plasma est généré par un flash X d'une durée de 100 ns, possédant une énergie moyenne constante et égale à 1 MeV. Suite à l'irradiation de l'air sec par les X, deux populations d'électrons Compton " relativistes " et " non relativistes " sont générés. Les électrons Compton initient l'avalanche électronique conduisant à la formation du plasma étudié. Les résultats obtenus montrent que le plasma est principalement généré par l'ionisation du gaz par les électrons Compton relativistes. Bien qu'initié par des X durs, le plasma généré est faiblement ionisé avec une densité électronique maximale de 1013 cm-3 à la pression atmosphérique et une énergie moyenne maximale des électrons d'environ 4 eV. Afin de valider le modèle, des mesures temporelles de densités électroniques ont été effectuées. Les travaux réalisés consistent à irradier un guide d'onde remplie d'air, à une pression fixée, par une impulsion de rayonnement X durant 90 ns. L'objectif de l'expérience est de mesurer l'absorption d'une onde électromagnétique suite à son passage dans le plasma contenu dans le guide. Le coefficient d'absorption de l'onde dans le guide dépend de la constante de propagation en espace libre, qui est proportionnelle à la fréquence plasma et donc à la densité électronique. La restitution de la densité électronique expérimentale est alors établie en utilisant les formalismes d'absorption dans un guide d'onde remplie de plasma. Afin de comparer les résultats expérimentaux et numériques, le modèle cinétique a été adapté à l'expérience. Dans le cas de l'air avec 76% d'humidité relative, entre 30 mbar et la pression atmosphérique, l'écart relatif entre la mesure et le modèle concernant le maximum de la densité électronique est inférieur à 10% sachant que le maximum de la densité varie de 4x1011 à 3.5x1013 cm-3. L'écart entre la densité électronique mesurée et simulée par le modèle, augmente lorsque l'on considère toute la durée de l'impulsion X, avec une erreur relative moyenne d'environ 30%. Sachant que la mesure de la densité électronique présente une incertitude de ±30%, les résultats obtenus par le modèle sont satisfaisants et permettent ainsi sa validation. Le modèle cinétique a de plus permis de déterminer l'évolution temporelle de l'énergie moyenne des électrons du plasma. Le profil de l'énergie est similaire au profil obtenu par le cas théorique, avec un maximum de 4.27 eV de la pression atmosphérique à 50 mbar. Pour des pressions plus faibles l'énergie moyenne des électrons augmente légèrement. Quelle que soit la pression de l'air, les processus dominant la formation du plasma sont les réactions d'ionisation des molécules du gaz par impact électronique. Puis le plasma se recombine et les densités des espèces se stabilisent par l'intervention des processus d'attachement, de détachement, de recombinaison des ions, ainsi que les réactions entre particules lourdes. Le modèle cinétique a donc permis de caractériser le plasma d'air froid hors-équilibre, généré par une impulsion de photons X d'une durée de 90 ns. Les travaux effectués permettront de définir la conductivité et la permittivité diélectrique, afin de les utiliser comme paramètres d'entrées dans les codes de calculs des champs EM.

Sous la direction du :
Directeur de thèse
Yousfi, Mohammed
Ribière, Maxime
Eichwald, Olivier
Ecole doctorale:Génie électrique, électronique, télécommunications (GEET)
laboratoire/Unité de recherche :Laboratoire PLAsma et Conversion d'Energie (LAPLACE), UMR 5213
Mots-clés libres :Rayonnement X - Plasma d'air faiblement ionisé - Modèle cinétique - Diagnostic par absorption micro-onde - Densité et énergie moyenne des électrons
Sujets :Physique
Déposé le :10 Jan 2017 12:39