Plasma d'argon pur

L'évolution de la température au centre du plasma en fonction de l'intensité appliquée entre les électrodes dans le cas d'un plasma d'argon à la pression atmosphérique est présentée sur la gure 6.14. Nous avons reporté plusieurs valeurs de la littérature, an de vérier la validité de nos résultats. La température sur l'axe varie de 10, 9 kK à 13, 9 kK lorsque l'intensité du courant passe de 25 A à 75 A. Le prol radial de température du plasma est présenté sur la gure 6.15 pour une intensité de 60 A en conguration radiale. Plusieurs valeurs de la température ont été comparées pour des congurations expérimentales comparables (arc stabilisé par parois de 4 mm de diamètre dans de l'argon pur à pression atmosphérique). L'accord entre ceux-ci et nos résultats est bon.

6.2.1.2. Application de la méthode d'intensités absolues de larges intervalles spec- traux

a) Résultats expérimentaux

Nous présentons sur les gures 6.16, 6.17 et 6.18 les résultats théoriques et les valeurs expérimentales concernant les intervalles spectraux [410 ; 490], [500 ; 600] et [670 ; 748]. Les longueurs d'onde λ = 410 nm et λ = 490 nm d'une part, et λ = 670 nm et λ = 748 nm

20 30 40 50 60 70 80 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 Température du plasma (kK) Courant (A) Nos mesures

Valeurs de la littérature [Ni78] Valeurs de la littérature [Br75] Valeurs de la littérature [Sc82] Valeurs de la littérature [Gl80] Valeurs de la littérature [De88] Valeurs de la littérature [Mo69]

Figure 6.14  Évolution de la température au centre du plasma en fonction de l'intensité d'arc, pour un plasma d'argon pur à la pression atmosphérique, obtenue en conguration longitudi- nale. 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 Température du plasma (kK)

Distance par rapport au centre (mm)

Nos mesures avec la raie 6965 Valeurs de la littérature [Ni78] Valeurs de la littérature [Sc82] Valeurs de la littérature [De88] Valeurs de la littérature [Mo69]

Figure 6.15  Prol de température à I = 60 A à la pression atmosphérique, obtenu en con- guration radiale, dans le cas d'un plasma d'argon pur à la pression atmosphérique.

Résultats expérimentaux pour un plasma d'argon pur et un mélange 80%Ar-20%H2 159

d'autre part, correspondent aux bornes spectrales des réseaux 2 et 5 respectivement, ce qui nous a permis de confronter les résultats obtenus avec ces diérents réseaux et de vérier leur accord. Par ailleurs, nous avons choisi de présenter les résultats concernant les intervalles spectraux [410 ; 490] et [500 ; 600] car ils sont principalement composés de continuum, et l'intervalle [670 ; 748] car il est principalement composé de raies. Ceci nous permet d'étudier l'inuence de l'absorption sur l'applicabilité de la méthode.

10 11 12 13 14 103 104 105 106 Calculs théoriques : L = 2 mm Calculs théoriques : L = 55 mm Calculs théoriques : L = 55 mm sans absorption Résultats expérimentaux : configuration radiale Résultats expérimentaux : configuration longitudinale

Intervalle spectral : 410 nm - 490 nm

Luminance (W.m

-2 .sr

-1 )

Température (kK)

Figure 6.16  Luminances théoriques et expérimentales de l'intervalle spectral [410 ; 490], pour un plasma d'argon pur à la pression atmosphérique.

Chaque point expérimental correspond à une acquisition. Nous avons reporté en abscisse la valeur de la température du plasma correspondant à une mesure, et en ordonnée la valeur de la luminance mesurée (par le réseau 8) lors de cette mesure. Les résultats correspondant à la conguration radiale de l'intervalle [410 ; 490] ont été obtenus après inversion d'Abel, pour un courant de 60 A. Les résultats correspondant à la conguration radiale des intervalles [500 ; 600] et [670 ; 748] ont étés obtenus par la méthode du diamètre équivalent, pour un courant de 30 Aà 70 A.

10 11 12 13 14 103 104 105 106 Calculs théoriques : L = 2,75 mm Calculs théoriques : L = 55 mm Calculs théoriques : L = 55 mm sans absorption Résultats expérimentaux : configuration radiale Résultats expérimentaux : configuration longitudinale

Intervalle spectral : 500 nm - 600 nm

Luminance (W.m

-2 .sr

-1 )

Température (kK)

Figure 6.17  Luminances théoriques et expérimentales de l'intervalle spectral [500 ; 600], pour un plasma d'argon pur à la pression atmosphérique.

10 11 12 13 14 103 104 105 106 Calculs théoriques : L = 2,75 mm Calculs théoriques : L = 55 mm Calculs théoriques : L = 55 mm sans absorption Résultats expérimentaux : configuration radiale Résultats expérimentaux : configuration longitudinale

Intervalle spectral : 670 nm - 748 nm

Luminance (W.m

-2 .sr

-1 )

Température (kK)

Figure 6.18  Luminances théoriques et expérimentales de l'intervalle spectral [670 ; 748], pour un plasma d'argon pur à la pression atmosphérique.

Résultats expérimentaux pour un plasma d'argon pur et un mélange 80%Ar-20%H2 161

La comparaison entre ces valeurs expérimentales et les valeurs théoriques est réalisée en considérant les luminances théoriques déterminées par calcul exact en milieu isotherme corres- pondant aux épaisseurs de plasma suivantes :

- en conguration longitudinale : L = 55 mm,

- en conguration radiale avec application de la méthode du diamètre équivalent : L = 2, 75 mm,

- en conguration radiale avec application de l'inversion d'Abel : nous avons en réalité comparé les valeurs expérimentales et théoriques des émissivités locales, auxquelles l'inversion d'Abel permet d'accéder. Cependant, pour des raisons de commodité, nous ramenons arbitrairement ces grandeurs locales à des luminances, an de pouvoir représenter sur un même graphe les résultats correspondant aux congurations radiales et longitudinales. Nous présentons donc une comparaison entre les luminances expérimentales et les luminances théoriques déterminées par calcul exact en milieu isotherme, correspondant à une épaisseur L = 2 mm.

Nous avons également reporté les valeurs théoriques de la luminance calculées sans tenir compte des phénomènes d'absorption, pour un plasma d'épaisseur L = 55 mm. Une comparai- son entre ces valeurs et celles déterminées en tenant compte de l'absorption permet de mettre en évidence l'inuence des phénomènes d'absorption sur les diérents intervalles. Lorsque l'in- tervalle considéré est principalement composé de continuum ([410 ; 490] et [500 ; 600]), les valeurs obtenues avec et sans absorption sont confondues. Nous avons eectivement vu dans les chapitres précédents que l'inuence de l'absorption sur le continuum était faible. Nous ob- servons alors une proportionnalité directe entre les valeurs de luminance correspondantes aux diérentes épaisseurs de plasma : pour L = 55 mm, la luminance est 20 fois plus élevée que pour L = 2, 75 mm par exemple. Dans le cas d'un intervalle où la contribution des raies est majoritaire par contre ([670 ; 748]), les courbes théoriques calculées avec et sans absorption ne sont plus confondues : les phénomènes d'absorption ne sont donc plus négligeables.

b) Commentaires sur ces résultats

L'accord entre les résultats théoriques et expérimentaux est très satisfaisant, quels que soient la conguration et l'intervalle spectral considérés. Ceci permet tout d'abord de vérier la validité de nos résultats théoriques : la luminance calculée à la température T correspond à la luminance réelle du plasma à cette température. En reportant directement la valeur de la luminance mesurée pour un intervalle sur la courbe théorique correspondante (i.e. en appli- quant la méthode d'intensités absolues de larges intervalles spectraux), nous obtenons la valeur de la température du plasma avec une erreur au maximum de 2%, ce qui est comparable à l'incertitude de la méthode d'intensités absolues de raies. Précisons de plus que pour obtenir une telle précision, nous n'avons pas besoin d'un spectromètre de haute résolution.

Nous pouvons conclure de ces premiers résultats que dans le cas d'un arc stabilisé par parois composé d'argon pur à la pression atmosphérique, la méthode d'intensités absolues de larges intervalles spectraux est applicable, les résultats obtenus étant d'une bonne précision quels que soient la conguration de mesure (longitudinale ou radiale) et l'intervalle sélectionné.

6.2.1.3. Application de la méthode d'intensités relatives de larges intervalles spec- traux

a) Résultats expérimentaux

Nous avons choisi d'appliquer la méthode d'intensités relatives de larges intervalles spec- traux à deux intervalles sur lesquels soit le continuum soit les raies étaient prédominants. Ceci permet d'optimiser la précision sur la valeur de la température mesurée (paragraphe 5.2.2.3.b). Les résultats correspondant au rapport [670 ; 748]/[500 ; 600] sont présentés sur la gure 6.19.

Résultats expérimentaux pour un plasma d'argon pur et un mélange 80%Ar-20%H2 163 10 11 12 13 14 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

1.6 Calculs théoriques : L = 2,75 mm Calculs théoriques : L = 55 mm

Résultats expérimentaux : configuration radiale Résultats expérimentaux : configuration longitudinale

(670 - 748 nm) / (500 - 600 nm)

Rapport entre luminances

Température (kK)

Figure 6.19  Comparaison entre les rapports expérimentaux et théoriques des luminances de deux intervalles spectraux, dans le cas d'un plasma d'argon pur à la pression atmosphérique.

b) Commentaires sur ces résultats

Nous observons un accord satisfaisant entre les calculs théoriques et les mesures expéri- mentales. Nous notons néanmoins quelques diérences en conguration radiale à faible tem- pérature. Ceci est probablement dû aux écarts à l'équilibre qui surviennent au sein du plasma lorsque l'intensité de courant appliquée est faible. Nous remarquons par ailleurs que lorsque L = 55 mm, les variations du rapport avec T sont moins rapides qu'à petit L, notamment lorsque T > 12 kK. La précision sur T est donc moins bonne dans ce cas, où les phénomènes d'absorption sont importants.

Ces résultats permettent de conclure que la méthode d'intensités relatives de larges inter- valles spectraux permet d'obtenir la mesure de la température du plasma avec une erreur de 2% à 10%, suivant la conguration et l'état d'équilibre du plasma. Cette erreur sera d'autant plus importante que l'intensité appliquée sera faible et les écarts à l'équilibre importants.