Montage

Figure 6.1  Schéma du montage expérimental.

Le montage expérimental est schématisé sur la gure 6.1. Il est composé du plasma étudié et de l'étalon utilisé pour calibrer nos mesures. Un montage optique permet de focaliser le rayon- nement de l'arc sur une bre optique reliée à un spectromètre, grâce auquel nous enregistrons puis analysons le spectre du plasma.

Figure 6.2  Schéma de l'arc stabilisé par parois mis en place pour notre étude.

6.1.1.1. L'arc stabilisé par parois

Le plasma que nous étudions est un arc stabilisé par parois, que nous avons schématisé sur la gure 6.2. Un arc électrique est généré entre deux électrodes, de part et d'autre d'un cylindre dont le diamètre est inférieur au diamètre naturel de l'arc. Ceci confère au plasma une grande stabilité, et une bonne reproductibilité des mesures. Cet arc stabilisé est disposé à l'extrémité du montage optique selon deux congurations : longitudinale (l'axe du cylindre est parallèle à l'axe optique) ou radiale (l'axe du cylindre est perpendiculaire à l'axe optique). Décrivons chacun des éléments de notre arc stabilisé par parois.

Le cylindre de connement L'arc stabilisé par parois mis en place est composé de huit disques en cuivre percés d'un trou au centre de 4 mm de diamètre. Disposés les uns à la suite des autres, ils forment un cylindre de 55 mm de longueur, dans lequel le plasma est conné. Ces disques sont refroidis par eau et six d'entre eux sont munis de deux arrivées de gaz et de nes ouvertures régulièrement réparties sur chacune des faces des disques, ce qui permet d'injecter le gaz plasmagène uniformément tout le long du cylindre de connement avec un débit d'environ 4 L.min−1_.

Dispositif expérimental 143

Des anneaux de bakélite sont intercalés entre chacun des disques an d'assurer leur isolation électrique et thermique. Ils peuvent être munis de fenêtres de visées an de permettre l'acquisi- tion radiale du rayonnement (perpendiculairement à l'axe du cylindre). Deux disques refroidis de serrage permettent de maintenir les huit disques en cuivre concentriques. Nous disposons à la suite de ces deux disques de serrage un dernier isolant en bakélite permettant d'injecter le gaz plasmagène au niveau des deux électrodes. Enn un étrier en métal et un isolant per- mettent de xer les disques de support des électrodes. Ils ont été pensés de telle manière que le rayonnement de l'arc puisse être observé parallèlement à l'axe du cylindre : les électrodes se situent en dehors de cet axe.

Les électrodes Deux électrodes sont disposées de part et d'autre du cylindre formé par les huit disques de cuivre. Elles sont en tungstène (W ), composé métallique choisi pour sa haute température de fusion (Tf usion

W = 3683 K), qui permet de réduire les phénomènes d'érosion. Par

ailleurs, les électrodes sont usinées en fuseau pour faciliter l'amorçage de l'arc et lui conférer une meilleure stabilité [Br99].

L'alimentation électrique La diérence de potentiel imposée entre les deux électrodes est maintenue grâce à deux alimentations stabilisées (100A - 100V ). Une résistance ballast disposée en série permet de limiter l'amplitude du pic de tension généré lors de l'amorçage de l'arc, et d'apporter une résistivité au circuit de telle sorte que la tension aux bornes de l'arc permette l'amorçage et le maintien de l'arc. La valeur de cette résistance est de Rballast = 0, 4 Ω.

Caractéristiques courant-tension Les caractéristiques courant-tension de l'arc sont don- nées sur la gure 6.3 pour des plasmas d'argon pur et 80%Ar − 20%H2.

Remarque : lorsque l'on souhaite connaître la valeur du champ électrique axial du plasma, il faut tenir compte de la chute de potentiel aux électrodes. Celle-ci se détermine expéri- mentalement, en mesurant la variation de la chute de tension entre les électrodes pour dif- férentes longueurs de l'arc, ou en mesurant la diérence de potentiel entre les disques en cuivre [Ka79]. Cette mesure n'a pas été réalisée lors de nos expériences. Des congurations ex-

20 30 40 50 60 70 80 60 65 70 75 120 125 130 135 140 80% Ar - 20% H 2 Argon pur Tension (V) Courant (A)

Figure 6.3  Caractéristiques courant-tension de l'arc pour des plasmas d'argon pur et 80%Ar− 20%H2 de longueur L = 55 mm.

périmentales similaires décrites dans la littérature ont permis de mesurer un champ électrique axial à 60 A de l'ordre de 1000 V.m−1 _{dans le cas d'un plasma d'argon pour un diamètre de}

4 mm ([Br99, Ka79]).

6.1.1.2. Le montage optique

Un miroir orienté soit vers le plasma soit vers l'étalon permet de sélectionner la source de rayonnement à analyser. Une lentille convergente de focale fc = 300 mm est placée de telle

sorte que la distance entre le centre de cette lentille et l'entrée du plasma ou le lament de la lampe étalon soit égale à 2fc. Un iris de 0, 5 mm de diamètre est placé au foyer image

de la lentille, an de sélectionner les rayons lumineux qui se propagent parallèlement à l'axe optique. Le faisceau à analyser est capté par une bre optique de 400 µm de diamètre, disposée à une distance fc de l'iris. Les alignements ont été réalisés à l'aide de deux lasers d'alignement

He-Ne (λ = 632, 8 nm). Nous sélectionnons les photons de l'arc émis soit parallèlement à l'axe du cylindre (en conguration longitudinale), soit perpendiculairement (en conguration radiale). Un moteur pas à pas relié au cylindre de connement permet de translater l'arc

Dispositif expérimental 145

perpendiculairement à l'axe optique, le montage optique restant xe. Ceci permet d'explorer le cylindre de plasma en divers points de visées : en son centre mais aussi en périphérie. Nous réalisons ainsi un enregistrement tous les 0, 1 mm (41 mesures le long d'un arc de diamètre 4 mm).

6.1.1.3. Le spectromètre

Le signal est enregistré à l'aide d'un spectromètre relié à la bre optique (gure 6.4).

Figure 6.4  Schéma du spectromètre utilisé lors de nos mesures.

L'extrémité de la bre optique est reliée au spectromètre par l'intermédiaire d'un connec- teur standard SMA. Le faisceau lumineux provenant de cette bre traverse une fente d'entrée de 50 µm, avant d'être rééchi sur un miroir collimateur vers un réseau, élément dispersif qui assure un étalement angulaire des composantes spectrales du rayonnement incident. Le signal est ensuite envoyé sur le détecteur (barrette CDD 2048) par l'intermédiaire d'un miroir focali- sant. Les diérentes longueurs d'onde sont ainsi séparées spatialement sur le détecteur, grâce auquel nous pouvons mesurer le spectre du rayonnement.

Tous ces éléments sont réunis dans un boîtier AvaSpec-2048-8 du fabriquant Avantes. Il n'est donc pas possible de modier le diamètre de la fente d'entrée ni les caractéristiques du réseau pour jouer sur la résolution spectrale, ou sur la plage de longueur d'onde analysée. Ce type d'appareil ne permet pas de bénécier d'un outil de mesure modulable, mais sa simplicité

d'utilisation (pas de réglages préalables) permet à des expérimentateurs non spécialistes de réaliser des mesures spectroscopiques rapidement. Le dispositif d'acquisition utilisé pour nos mesures est composé de 8 boîtiers semblables à celui de la gure 6.4, qui analysent chacun une partie du spectre (tableau 6.1). Pour réaliser deux mesures simultanées sur deux régions spectrales distinctes, nous utilisons une bre optique munie d'un système de bifurcation.

Sept des 8 réseaux permettent de réaliser des mesures de résolutions moyennes, an d'ap- pliquer les méthodes habituelles de diagnostic (intensités absolues et largeurs de raies). Le huitième recouvre l'ensemble du domaine spectral étudié, de 300 nm à 1100 nm ; il a été choisi pour appliquer la méthode des larges intervalles spectraux, et possède une résolution moindre (cf. tableau 6.1). Nous pouvons choisir la durée d'acquisition (de 1 ms à 1 s) et le nombre de mesures à eectuer lorsque l'on souhaite réaliser des moyennes (de 1 à 1000). Ceci permet d'optimiser d'une part les temps d'acquisition (en fonction de l'intensité du signal), et d'autre part le rapport signal sur bruit (an d'améliorer la qualité des mesures). Les données sont enregistrées tous les δλ nm. La résolution prend en compte le diamètre de la fente d'entrée, les caractéristiques du réseau, ainsi que la fonction d'appareil du spectromètre.

Réseau Centré à λmin− λmax δλ Résolution Nb de trait/mm

1 350 nm [271 ; 435] 0,09 nm 0,36 nm 1800 tr/mm 2 425 nm [353 ; 503] 0,08 nm 0,3 nm 1800 tr/mm 3 525 nm [460 ; 593] 0,08 nm 0,3 nm 1800 tr/mm 4 625 nm [569 ; 679] 0,07 nm 0,25 nm 1800 tr/mm 5 725 nm [665 ; 755] 0,06 nm 0,2 nm 1800 tr/mm 6 825 nm [730 ; 920] 0,11 nm 0,4 nm 1200 tr/mm 7 975 nm [887 ; 1053] 0,11 nm 0,4 nm 1200 tr/mm 8 700 nm [278 ; 1100] 0,6 nm 2,4 nm 300 tr/mm

Dispositif expérimental 147

Linéarité de la réponse du spectromètre Nous vérions la linéarité de la réponse du spectromètre sur chacun des canaux, en reportant la valeur d'un signal de référence enregistré pour diérents temps d'acquisition. Les résultats sont présentés sur la gure 6.5.

0 200 400 600 800 1000

Signal enregistré (u.a.)

Temps d'acquisition (ms) Réseau n˚1 Réseau n˚2 Réseau n˚3 Réseau n˚4 Réseau n˚5 Réseau n˚6 Réseau n˚7 Réseau n˚8

Figure 6.5  Vérication de la linéarité de la réponse du spectromètre.

6.1.2 Mesures réalisées