Choix de la méthode suivant les congurations expérimentales

tics étudiées (que nous avons résumés dans le tableau 6.6), nous proposons une sélection des méthodes de diagnostic à privilégier suivant la conguration expérimentale envisagée et la dif-

Bilan de l'étude expérimentale 173

culté de mise en oeuvre (tableau 6.7).

Dans un cas général, il est toujours préférable d'utiliser la méthode d'intensités absolues d'un large intervalle spectral principalement composé de continuum :

- ceci permet de s'aranchir des problèmes liés à la prise en compte théorique de l'absorption puisque celle-ci est alors négligeable,

- cela permet aussi de limiter les eets des erreurs expérimentales sur le diagnostic, car les variations de la luminance avec la température sont très rapides, si bien qu'une erreur de 25% sur la valeur expérimentale induit une faible erreur sur T ,

- et enn, il est possible de déduire les valeurs théoriques pour une épaisseur quelconque de plasma par simple proportionnalité à partir de valeurs théoriques connues pour ce même plasma d'une autre épaisseur.

Il est tout de même possible de choisir un intervalle sur lequel le rayonnement des raies est prédominant, lorsque l'épaisseur du plasma est connue ou susamment faible pour que l'absorption joue un rôle négligeable, et que les résultats théoriques sont accessibles. La méthode d'intensités relatives de larges intervalles spectraux s'avère plus délicate à utiliser, car les résultats obtenus sont fortement inuencés par les erreurs de mesures. Elle permet néanmoins d'obtenir de manière particulièrement simple une estimation de la température d'un plasma.

Intensités absolues de Intensités relatives de larges intervalles spectraux larges intervalles spectraux Avantages - faible inuence de l'absorption - large gamme de température

- bonne précision - simple calibration relative - dispositif non spécique - dispositif non spécique - large choix d'intervalles

- les erreurs expérimentales ne perturbent pas le diagnostic

Inconvénients - peu applicable si T > Tmax - forte inuence de l'absorption

Tmax correspondant au maxi- - précision moyenne

mum d'émissivité - importance du choix des intervalles - calibration absolue nécessaire

Tableau 6.6  Résumé des avantages et inconvénients des méthodes d'intensités absolues et relatives de larges intervalles spectraux.

Épaisseur Précision Simplicité de Méthode de demandée mise en oeuvre diagnostic

inconnue bonne moyenne intensité absolue d'un intervalle ou moyenne composé de continuum faible moyenne grande intensités relatives

bonne moyenne intensité absolue ou moyenne

grande bonne moyenne intensité absolue d'un intervalle ou moyenne composé de continuum

Tableau 6.7  Tableau récapitulatif permettant de choisir la méthode la mieux adaptée à la conguration expérimentale envisagée.

Conclusion générale

Conclusion générale 177

Le principal objectif de cette thèse était d'étudier la faisabilité théorique et expérimen- tale d'une nouvelle méthode de diagnostic optique des plasmas thermiques. Nous y sommes parvenus dans le cas de plasmas d'argon et d'argon-hydrogène, et avons pu poursuivre cette analyse pour un plasma d'hélium, pour lequel nous avons établi les expressions mathématiques approchées qui nous ont permis de calculer son rayonnement, l'hélium n'ayant pas encore été considéré dans de tels calculs auparavant. Nous avons ainsi calculé le coecient d'émission nette dans l'hélium pur et dans les mélanges ternaires Ar-H2-He. Les principaux résultats

originaux concernant le rayonnement d'un plasma d'hélium pur montrent le rôle prépondé- rant des raies de résonance de l'atome He en dépit de leur forte réabsorption, alors que les autres raies atomiques ne sont quasiment pas absorbées. Pour les mélanges ternaires, le rôle de l'hélium est souvent secondaire par rapport à celui des deux autres composants, sauf à très haute température, à cause des énergies très élevées d'excitation et d'ionisation de cette espèce.

La méthode de mesure de la température que nous proposons est identiable à une méthode d'intensités absolues lorsqu'elle concerne un seul intervalle, ou à une méthode d'intensités re- latives lorsqu'elle met en jeu deux intervalles spectraux, et elle s'appuie sur l'hypothèse de plasmas en équilibre thermodynamique local. Dans le premier cas, une étape de calibration absolue est nécessaire, et la précision sur la température est comparable à celle des méthodes habituelles de diagnostic pour des températures comprises entre 5 kK et 15 kK dans le cas de l'argon et de l'hydrogène, et entre 5 kK et 20 kK dans le cas de l'hélium (au-delà, l'émis- sivité du plasma évolue trop lentement). L'avantage ici est de pouvoir utiliser n'importe quel détecteur pour cela, quelle que soit sa résolution spectrale. La méthode d'intensités relatives de larges intervalles spectraux permet de mesurer la température sur l'ensemble de la gamme 5 kK < T < 30 kK, sans calibration absolue, en sélectionnant de façon pertinente les inter- valles spectraux à analyser. D'une manière générale, il conviendra de choisir deux régions du spectre sur lesquelles le continuum pour l'un, et les raies pour l'autre, sont prédominants.

Les résultats expérimentaux obtenus pour un plasma d'argon montrent que notre étude théorique est valable, et que la méthode des larges intervalles spectraux est applicable dans ce

mension supérieure à 1cm dans lesquels l'autoabsorption de certaines raies dans le visible n'est plus négligeable. Nous avons pu montrer que la méthode s'applique également, avec une correc- tion théorique, et que la précision sur la température est alors un peu diminuée, le rapport des émissivités des diérentes régions du spectre évoluant moins fortement avec la température. Enn, l'étude réalisée pour un plasma Ar-H2 montre que la correspondance entre les valeurs

théoriques et expérimentales est moins bonne lorsque de l'hydrogène est ajouté à l'argon.

Nous nous sommes restreint à étudier des plasmas composés d'argon, d'hydrogène et d'hé- lium à la pression atmosphérique, mais l'utilisation de cette nouvelle méthode de diagnostic est envisageable pour d'autres gaz et mélanges et d'autres pressions, dès lors qu'il est possible de calculer théoriquement la quantité de rayonnement émis par ce plasma, et de connaître sa composition et sa pression expérimentales. Dans le cas contraire, une calibration expérimentale peut toutefois être réalisée : les courbes théoriques qui servent de données de bases peuvent être anées par des courbes expérimentales obtenues après calibration. Nous comptons en particulier étudier des mélanges de gaz et de vapeur an de voir si la méthode est sensible et utilisable même si la proportion de la vapeur dans le plasma n'est pas connue avec précision.

Il n'est pas toujours besoin de déterminer la température du plasma pour contrôler un procédé : une simple comparaison entre la valeur mesurée et une valeur de référence, obtenue lorsque le plasma fonctionne correctement, permet de savoir si le procédé se déroule conve- nablement. On peut donc imaginer mesurer, à intervalles de temps réguliers, le rapport entre les émissivités de deux intervalles spectraux, an de vérier que la valeur obtenue est celle attendue. Un système d'asservissement peut permettre de réajuster la puissance communiquée au plasma an de s'y ramener s'il venait à s'en éloigner.

Conclusion générale 179

Par ailleurs, les mesures étant instantanées, des expériences résolues en temps peuvent être développées à partir de la méthode de diagnostic des larges intervalles spectraux, an d'étudier les uctuations du plasma par exemple, ou encore l'évolution temporelle d'un procédé.

Nous avons utilisé un spectromètre de résolution moyenne pouvant mesurer le spectre sur un grand domaine de longueurs d'onde. D'autres détecteurs peuvent être choisis, comme une caméra CCD 3 couleurs par exemple. Quel qu'il soit, ce détecteur peut être précédé de ltres interférentiels, pour sélectionner les intervalles spectraux les plus pertinents an d'appliquer la méthode des larges intervalles spectraux.

Il s'agit donc d'une méthode facilement adaptable aux diverses conditions expérimentales rencontrées, qui ne nécessite pas un dispositif de mesure spécique et performant, dont les résultats sont instantanés, et pour laquelle l'erreur sur la valeur de la température mesurée est comparable à celle des méthodes de diagnostic habituellement utilisées. Ces multiples avantages en font une bonne alternative aux autres techniques pour mesurer la température d'un plasma.

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Auteur : Marie-Émilie Rouet

Titre : Nouvelle méthode de diagnostic optique des plasmas thermiques : application au mé- lange argon-hydrogène-hélium

Directeur de thèse : Alain Gleizes, Université Paul Sabatier, LAPLACE-UMR 5213 CNRS, 118 route de Narbonne, Bât 3R2, 31062 Toulouse Cedex 4

Date et lieu de la soutenance : Le 22 Septembre 2008, au Laboratoire Laplace, Université Paul Sabatier, UMR 5213 CNRS, 118 route de Narbonne, Bât 3R2, 31062 Toulouse Cedex 9

Résumé :

Les plasmas thermiques sont des systèmes complexes utilisés dans de nombreuses applica- tions industrielles. Leurs propriétés intrinsèques et les transferts d'énergie qui s'y déroulent, très diciles à appréhender et à quantier, sont de plus en plus étudiés pour la complexité des phénomènes physiques mis en jeu. La température est une des grandeurs particulièrement pertinente à étudier, car elle est d'une part un élément de contrôle du bon déroulement des processus, et d'autre part un paramètre clé dans la connaissance des propriétés des plasmas.

Les travaux réalisés ont consisté à développer une nouvelle technique de mesure simple et able de la température d'un plasma, qui puisse s'appliquer rapidement sur des réacteurs à plasmas industriels. Nous avons restreint notre étude au mélange Ar-H2-He.

Dans un premier temps, le rayonnement théorique du plasma a été calculé. Pour cela, nous avons considéré d'une part le fond continu, qui nécessite une attention particulière pour les contributions atomiques et moléculaires, dont le rôle peut être important dans les régions pé- riphériques du plasma, et d'autre part les raies, dont l'absorption a été prise en compte, grâce à une étude approfondie. Pour des températures comprises entre 5 kK et 30 kK, les calculs radiatifs de 30 nm à 4500 nm ont permis d'établir une base de données théoriques servant de point de départ pour la réalisation pratique de l'étude.

En parallèle, un dispositif expérimental a été développé, avec la mise en place d'un arc stabilisé par paroi. Les émissivités du plasma ont été recueillies par spectroscopie d'émission pour des arcs établis dans l'argon pur et dans les mélanges Ar-H2. Une comparaison des valeurs

expérimentales et théoriques a permis de déterminer la température du plasma. L'évaluation de cette température par des techniques classiques de spectroscopie d'émission a complété la validation de notre nouvelle méthode de diagnostic.

Mots clés : Plasma ; Arc stabilisé ; Diagnostic ; Rayonnement ; Spectroscopie ; Température ; Argon ; Hydrogène ; Hélium ; Continuum ; Raies ; Élargissement

Discipline administrative : Physique des Plasmas

Laboratoire : Laboratoire Laplace, Université Paul Sabatier, UMR 5213 CNRS, 118 route de Narbonne, Bât 3R2, 31062 Toulouse Cedex 9

Dans le document Nouvelle méthode de diagnostic optique des plasmas thermiques : application au mélange argon-hydrogène-hélium (Page 172-189)