La PSP (Peinture Sensible `a la Pression) est une technique de mesure optique permettant d’acc´eder `a la distribution de pression `a la surface d’un objet plac´e dans un ´ecoulement.1,3 Elle peut se substituer de mani`ere avantageuse aux techniques usuelles bas´ees sur l’implantation de capteurs mat´eriel, car elle permet de s’affranchir de l’´equipement n´ecessaire `a ce type de mesures.
La PSP est compos´ee de mol´ecules luminescentes (ici le Pyr`ene, de formule C16H10) dissoutes dans une r´esine poreuse (matrice ou liant).
Nous rappelons ici les principes physiques sur lesquels repose cette technique de mesure.
Principe de la technique La mesure de pression par la PSP est effectu´ee de la fa¸con suivante : – On excite une peinture photoluminescente avec le rayonnement ad´equat. Cette peinture est un
revˆetement poreux pour l’air.
– La peinture ´emet alors une partie de l’´energie absorb´ee dans un autre domaine de longueurs d’ondes, c’est la transition radiative. Une autre partie de l’´energie absorb´ee est dissip´ee au cours d’un pro-cessus nomm´e inhibition (”quenching”), l’oxyg`ene pr´esent dans le revˆetement poreux ´etant capable de capter une partie de cette ´energie. Ainsi plus la quantit´e d’oxyg`ene dans la peinture est grande, plus la luminescence de la peinture est faible.
– La lumi`ere ´emise par la peinture enregistr´ee par une cam´era permet de d´eterminer la pression en tout point de la surface peinte.
Les ph´enom`enes `a la base de cette mesure sont donc la photoluminescenceet son inhibition par l’oxyg`ene mol´eculaire (”quenching”). Ces ph´enom`enes sont d´ecrits ci-apr`es.
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1.1.1 La photoluminescence
Dans une mol´ecule `a l’´etat fondamental, les ´electrons sont appari´es. Lorsque ces deux ´electrons sont antiparall`eles, le moment total de spin est nul et l’´etat est dit singulet (not´eSn :nieme ´etat singulet).
Quand les ´electrons sont parall`eles, le spin r´esultant est ´egal `a 1 et l’´etat est triplet (not´e Tn : nieme
´etat triplet).
Les ´energies de vibration et de rotation des atomes s’additionnent aux niveaux d’´energie ´electronique.
Pour une mol´ecule dans son ´etat fondamental, un photon d’´energie ~ν ´egale `a la diff´erence d’´energie entre deux orbitales provoque la transition d’un ´electron entre ces deux orbitales.
L’´energie n´ecessaire `a cette transition est reli´ee `a la fr´equence de la radiation re¸cue par la relation de Planck.
La mol´ecule retourne `a son ´etat fondamental suivant diff´erents modes de d´esactivation entrant en concurrence, repr´esent´es figure 1.1.
En particulier, les luminophores excit´es ´emettent un rayonnement lumineux. Cette luminescence se d´ecompose en deux types d’´emission :
– Fluorescence, d´esactivation de l’´etat singuletS1 (S1 →S0+~ν0).
– Phosphorescence, d´esactivation de l’´etat triplet T1 (T1 →S0+~ν00).
Le photon ´emis ´etant moins ´energ´etique que le photon absorb´e, du fait d’une perte d’´energie vibratoire, le spectre d’´emission est d´ecal´e vers les plus grandes longueurs d’onde (loi de Stokes4).
Le luminophore utilis´ee dans cette th`ese est la mol´ecule de Pyr`ene. Cette mol´ecule est excit´e vers 340nmet fluoresce dans une bande comprise entre 370 et 420nm. La dur´ee de vie de luminescence est de 450ns et son rendement quantique est de 0,65.
Par ailleurs, une mol´ecule `a l’´etat singulet excit´e S1, et une mol´ecule dans son ´etat fondamental S0, peuvent former un complexe nomm´e excim`ere2 :
P y+P y∗ P yP y∗ (1.1)
o`uP y∗ est la mol´ecule de Pyr`ene excit´ee.
Ce complexe se d´esactive ensuite en ´emettant une fluorescence d’excim`ere, dans une gamme de lon-gueurs d’ondes sup´erieure `a celle du monom`ere, centr´ee sur 480nm. Sa dur´ee de vie de fluorescence est de 170ns.4 L’excim`ere peut ˆetre regard´e comme une v´eritable entit´e mol´eculaire poss´edant ses propres
´etats triplet et singulet.
1.1.2 ”Quenching” - Application `a la mesure de pression
Lorsqu’une mol´ecule d’oxyg`ene se situe dans le voisinage d’un monom`ere excit´e (P y∗) ou d’un excim`ere (P yP y∗) dePyr`ene, alors un transfert d’´energie non radiatif peut se produire entre les deux esp`eces.
Ce ph´enom`ene est appel´e photo - inhibition (”quenching”) etO2 est l’inhibiteur (”quencher”). Le m´ecanisme de la r´eaction est contrˆol´e par la diffusion des esp`eces dans le milieu.
Le spectre d’´emission duPyr`ene(voir figure 1.2) montre que l’excim`ere poss`ede une plus large r´eponse spectrale que le monom`ere `a l’inhibition par l’oxyg`ene. L’´energie r´e´emise par l’excim`ere est donc plus
´elev´ee. On choisit donc d’exploiter le spectre de l’excim`ere pour les mesures de pression.
Fig. 1.1– Modes de d´esactivation d’une mol´ecule excit´ee
Fig. 1.2– Spectre d’´emission du monom`ere et de l’excim`ere duPyr`enepour deux pressions (PatmetPatm/10)
La dissipation de l’exc`es d’´energie de P yP y∗ par interaction avec O2 entre donc en concurrence avec la luminescence. L’intensit´e ´emise par P yP y∗ est inversement proportionnelle `a la quantit´e d’esp`eces O2 pr´esentes dans le milieu. La mesure de l’intensit´e de luminescence de l’excim`ere du Pyr`ene permet donc de d´eterminer la quantit´e d’oxyg`ene dans le liant.2 On peut ainsi d´eterminer la pression partielle de l’oxyg`ene mol´eculaire, et remonter `a la pression totale au sein du liant. On suppose que cette pression est ´egale `a la pression `a la surface du revˆetement.
En pratique, on utilise la loi de Stern-Volmer5 : Iref
I =A(T) +B(T) P
Pref (1.2)
o`u Iref est l’intensit´e ´emise `a une pression connue Pref, I est l’intensit´e ´emise `a une pression P
`
a d´eterminer, A(T) et B(T) sont des constantes d’´etalonnage d´ependant de la temp´erature. Ces constantes sont d´efinies par :
o`u K(T) est la constante de Stern-Volmer, elle d´epend des vitesses de r´eaction des processus non r´eactifs.
1.1.3 PSP d´evelopp´ees `a l’ONERA
Les trois familles de compos´es luminescents entrant dans la composition des PSP utilis´ees `a l’ONERA sont : le Pyr`ene, les porphyrines (de Palladium ou de Platine), et les complexes du Ruth´enium.4 Le Pyr`ene2a ´et´e choisi en raison d’une bonne sensibilit´e `a la pression (90%/bar pour l’excim`ere) et d’une faible sensibilit´e `a la temp´erature (+0,05%/K).
Le mod`ele de peinture ´etudi´e dans cette th`ese a ´et´e mis au point au D´epartement d’A´erodynamique Fondamentale et Exp´erimentale (DAFE). Il est constitu´e de Pyr`ene et d’Oxysulfure de Gadolinium dop´e en ion Europium (5%), pi´eg´es au sein d’une r´esine poreuse. Ce mod`ele, nomm´e PyGd, permet de mesurer la pression pari´etale moyenne dans un ´ecoulement `a faible vitesse.2 L’Oxysulfure de Ga-dolinium n’est pas sensible `a l’inhibition par l’oxyg`ene. Il est utilis´e comme compos´e de r´ef´erence afin de s’affranchir de l’instabilit´e et de la non uniformit´e de l’excitation.
De nouveaux mod`eles de PSP sont en cours de d´eveloppement,4 qui exploitent d’autres types de compos´e. Le but ´etant de d´evelopper un mod`ele de PSP pour les mesures instationnaires de pression.
Le mod`ele PyGd souffre toutefois d’uned´egradation optiqueen cours d’essai. D’autres mod`eles de peinture `a base de Pyr`ene ont donc ´et´e d´evelopp´ees `a l’ONERA afin de limiter ce d´efaut.