de 10 ns, l’origine des temps correspond au déclenchement de la caméra (front de montée du signal de synchronisation) (voir Figure 3-8) La position z = 0 correspond à la sortie de la source.
II- 2-1 Etude d’un cas { une tension et un débit de gaz fixes
La Figure 3-22 présente les distributions spatiales le long de l’axe z des intensités lumineuses des différentes espèces observées dans le plasma pour un cas à 2400 V et 2,3 L.min-1. La position z = 0 sur l’abscisse correspond { la sortie de la source et donc à l’entrée du jet dans l’air ambiant. Pour chaque espèce, nous avons suivi la transition la plus intense, OH à 308 nm, N2 à 336 nm, N2+ à 390 nm, H à 656 nm, He2 à 640 nm, He à 706 nm et O à 777 nm. Nous avons également suivi l’émission à 587 nm de l’hélium.
Figure 3-22 : distributions spatiales suivant l’axe z des intensités lumineuses pour : OH, N2, N2+, H, O, OH, He et
He2 (a), et de celles pour He à 706 et 587 nm (b) pour une tension de 2400 V et un débit de 2,3 L.min-1 ; le
temps d’exposition de chaque spectre est de 2,5 s.
Précisons que les longueurs d’onde relatives aux transitions d’une même espèce évoluent de façon similaire, excepté celles de l’hélium pour lesquelles nous observons deux comportements légèrement différents ; ceux-ci sont illustrés sur la Figure 3-22 (b) avec les longueurs d’onde { 706 nm et 587 nm. L’intensité lumineuse à 587 nm est augmentée d’un facteur 6 pour faciliter sa comparaison avec celle à 706 nm. L’intensité lumineuse { 728 nm se comporte de façon similaire { celle { 706 nm le long de l’axe z et, les émissions à 501 nm et 667 nm de façon similaire à celle à 587 nm.
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En fonction des espèces observées, les émissions lumineuses présentent des profils différents, observables sur la Figure 3-22 (a). En sortie de source, l’hélium est l’espèce majoritairement détectée entre z = 0 et z = 2 mm. L’intensité lumineuse à 706 nm chute brutalement entre z = 0 et z = 3 mm. Elle décroit ensuite rapidement de z = 3 à z = 6 mm, et de plus en plus lentement entre z = 6 et z = 41 mm (extrémité de la plume). A z = 15 mm son intensité ne représente plus que 10 % de sa valeur en sortie de source (z = 0 et z = 1 mm). L’intensité lumineuse à 587 nm, présente un profil proche de celle à 706 nm, excepté un maximum local { z = 9 mm, qui indique qu’il y a peuplement du niveau 3d 3D1,2,3 dans la plume. Au-delà de z = 9 mm son intensité diminue lentement, elle atteint 10 % de sa valeur maximale à z = 21 mm.
Les émissions du dimère d’hélium, du radical hydroxyle, de l’hydrogène et de l’oxygène sont majoritairement observées à proximité de la sortie de la source et diminuent avec la distance. L’intensité lumineuse du dimère d’hélium { 640 nm et de l’hydrogène { 656 nm chutent brutalement après la sortie de la source entre z = 0 et z = 3 mm (comme l’hélium atomique). A z = 6 mm, elles ne représentent plus que 10 % de leurs valeurs maximales respectives. Les émissions d’hydroxyle (308 nm) et d’oxygène (777 nm) décroissent rapidement entre z = 0 et z = 14 mm. A la position z = 13 mm, leurs intensités ne sont plus que 10 % de leurs valeurs maximales.
Les émissions relatives { l’azote présentent des évolutions différentes de celles précédemment décrites. Leurs intensités lumineuses augmentent dans la plume, après la sortie de la source, ce qui traduit un peuplement de leurs niveaux supérieurs dans le jet. L’intensité lumineuse de N2+ augmente rapidement entre z = 0 et z = 4 mm, puis diminue rapidement entre z = 4 et z = 14 mm et décroit lentement de z = 14 à z = 41 mm. A 21 mm, son intensité représente 10 % de sa valeur maximale. L’évolution de l’azote moléculaire présente un profil plus complexe, il peut se découper en 5 régions. Son intensité lumineuse augmente rapidement entre z = 0 et z = 4 mm puis lentement entre z = 4 et z = 10 mm, (elle forme une sorte de palier). Entre z = 10 et z = 15 mm son intensité décroit rapidement. De z = 15 mm { z = 24 mm l’intensité diminue très lentement (passant de 61 % de sa valeur maximale { 51 %). L’intensité diminue ensuite, légèrement plus rapidement, jusqu’{ disparaître entre z = 24 mm et l’extrémité de la plume à z = 41 mm.
Les intensités lumineuses de l’hélium sont maximales { proximité de la source et elles diminuent rapidement sur les premiers millimètres après la sortie. A l’intérieur de la source, le gaz est principalement de l’hélium (pureté ≥ 99,9999 %). Lors de la propagation de la plume { l’air libre, la fraction molaire d’air augmente le long de l’axe z alors que la fraction d’hélium diminue (abordé précédemment dans la partie I-1-2). Ce changement de la composition du mélange de gaz induit de nouveaux processus réactionnels. Les électrons peuvent faire des collisions avec les espèces de l’air au détriment de collisions avec l’hélium. Les espèces de l’hélium peuvent également se désexciter lors de collisions avec les espèces de l’air (quenching). Les intensités maximales de l’oxygène, l’hydrogène et l’hydroxyle { proximité de la source peuvent être
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expliquée par la présence d’impuretés dans la bouteille, cependant ces quantités sont faibles (H2O, O2, H2 ≤ 0,5 ppm). Elles peuvent également être issues de la désorption des éléments du dispositif (canalisations et source).
Bien que cela soit qualitatif, il semble qu’{ partir de z = 5 mm les émissions des espèces de l’azote deviennent les principales responsables de l’émission lumineuse du jet, et qu’{ partir de 14 mm l’azote moléculaire soit l’espèce radiative très largement dominante dans la plume. A cette distance les autres espèces ont énormément diminué voire disparu. Ces mesures sont en adéquation avec l’observation des changements de couleur le long de la plume sur la Figure 3-1 ; la couleur violette, quelques millimètres après la sortie de la source, est due { l’azote. De plus, l’augmentation des émissions de l’azote dans la plume, indique clairement que ces espèces sont produites dans l’air et non dans la source. Cela confirme que le mélange hélium-air se produit après la sortie du tube. II-2-2 Influence de la tension sur les distributions spatiales
La Figure 3-23 présente les distributions spatiales des intensités lumineuses de He (a), O (b), N2 (c) et N2+ (d).
Figure 3-23 : distributions spatiales des intensités lumineuses de He à 587 nm (a), O à 777 nm (b), N2 à
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Les mesures de distribution spatiale ont été reproduites à différentes tensions pour un débit fixe de 2,3 L.min-1. L’intensité lumineuse de l’hélium à 706 nm est beaucoup plus élevée que celles des autres espèces et, puisque les intensités augmentent avec la tension, cela provoque la saturation de sa mesure sur les spectres obtenus pour les premiers millimètres de la propagation. Nous avons choisi de ne pas diminuer le temps d’exposition du spectromètre optique, c’est pourquoi dans la suite nous ne suivons plus que l’émission d’hélium { 587 nm.
Pour chaque espèce, l’intensité lumineuse augmente avec la tension. Ces résultats indiquent que l’efficacité d’excitation et d’ionisation dans le jet augmente avec la tension. Nous observons que les profils obtenus pour l’hélium, l’oxygène et l’azote évoluent de façon semblable quelle que soit la tension appliquée. Globalement, ces espèces restent localisées dans la même zone de la plume, entre z = 0 et z = 30 mm pour He et N2+ et entre z = 0 et z = 15 pour O. La tension ne semble que peu affecter leurs répartitions le long du jet. A l’inverse, la région occupée par l’azote moléculaire s’élargit dans la même direction que la plume, de 35 mm à 45 mm, lorsque la tension augmente.