Profil de l’absorbance au cours du temps

La Figure 4-2 représente des signaux de l’absorbance, ln(I0/I), mesurée pour deux

positions transverses (ie, « y », la correspondance des axes « x », « y » et « z » est schématisée sur la Figure 4-1) : une au centre du jet (courbe bleue) et une au bord du jet (courbe rouge). La Figure 4-2 (b), qui est un zoom de la figure (a), permet de mesurer un temps de montée de 100 ns pour les deux positions (au centre et sur le bord du plasma). Nous avons défini ce temps de montée, comme étant le temps pour lequel

Figure 4-1 : Schéma de la décharge.

Figure 4-2: (a) Signaux d’absorbance au cours du temps. Les signaux bleu et rouge représentent l’absorbance normalisée respectivement au centre et sur le bord du jet. Les signaux vert et jaune sont leur interpolation mono exponentielle respective. (b) Zoom de la figure (a) de 0 à 1000 ns.

le signal passe de 10 à 90% de sa valeur maximale. Selon les conditions expérimentales et la zone sondée par le laser, ce temps peut varier d’un facteur 2 à 3, sa valeur restant comprise entre 60 et 250 ns. Par ailleurs, signalons que ce temps de montée n’est pas toujours simple à définir, car dans de nombreux cas un comportement non monotone peut apparaître comme illustré sur la Figure 4-3. Par exemple pour z = 11,2 mm (courbe jaune), dans un premier temps, le signal d’absorbance monte très rapidement, puis dans un second, il continue à augmenter mais selon une croissance plus lente. Il en est de même pour z = 8,2 mm (courbe rouge) et z = 10,2 mm (courbe verte).

D’autre part, la Figure 4-2 (a) nous apprend que la décroissance des signaux d’absorbance suit une loi mono exponentielle avec un temps caractéristique de 4,8 µs au centre et de 3 µs sur le bord. Pour une position « z » donnée, les réactions de destruction sont beaucoup plus lentes au centre du plasma que sur les bords. Ce qui est dû à la rétro diffusion de l’air dans le canal d’hélium : les molécules d’air entrent en collision avec les atomes métastables d’hélium, ce qui va avoir comme conséquence de les détruire plus rapidement. Ce temps caractéristique de destruction, comme nous le verrons en détail au paragraphe 4.3.2, est sensible à la composition du gaz : plus le taux d’impuretés dans le jet d’hélium est important, plus ce temps est faible.

Nous avons mesuré ce temps caractéristique de décroissance au centre du jet selon l’axe de propagation (ie, « z ») ; les résultats sont présentés Figure 4-4. Ce temps caractéristique est constant de 0 à 11 mm et s’élève à 4,6 ± 0,4 µs. Puis à partir de 11 mm, il chute brutalement et, est quasi nul à 16 mm.

Figure 4-3 : Evolution temporelle de l'absorbance au centre du jet pour diverses positions axiales indiquées dans le cartouche. Tension appliquée: 5 kV, débit: 4.5 slm.

Nous avons également fait ces mesures pour d’autres conditions de débit et de tension appliquée, afin de connaître la longueur de la zone où le temps caractéristique est constant. Ces valeurs sont reportées, Figure 4-5, en fonction du débit (a) et de la tension appliquée (b). La longueur de cette zone augmente selon ces deux paramètres, excepté pour 4,5 slm sur (a). Ce point n’est pas une erreur de mesure, car la mesure de cette longueur est très reproductible d’une prise de donnée à l’autre, et l’écart de sa valeur par rapport à celles mesurée à 4 et 5 slm doit probablement être dû à un effet hydrodynamique. Ces résultats montrent que la variation de la tension et du débit modifie la distribution du gaz, car le temps caractéristique de décroissance est très sensible à la composition du gaz. Cette observation confirme les résultats obtenus au chapitre 3 sur l’interaction entre les effets hydrodynamiques et le plasma.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 1 2 3 4 5 6 Te m ps c ara ct éri st iq ue d e d éc ro is sa nc e (µ s) z (mm)

Figure 4-4: Temps caractéristique de décroissance selon z au centre du jet (ie y = 0 mm), pour un débit de 4,5 slm et une tension appliquée de 5kV.

Par ailleurs, nous avons également mesuré ce temps caractéristique de décroissance, Figure 4-6, selon la direction « y » pour différents « z ». Au centre du jet, ce temps est relativement constant et forme un plateau. Ce résultat démontre que la composition du gaz est inchangée au centre du jet, c'est-à-dire que le taux d’impuretés reste constant. Par contre, sur les bords du plasma, qui est la zone où l’air rétrodiffuse dans le canal d’hélium, ce temps chute rapidement à zéro. La valeur du plateau reste constante de z = 0 à z = 12 mm ce qui est en accord avec les résultats de la Figure 4-4. A partir de z = 12 mm, l’évolution du temps caractéristique de décroissance passe d’une forme de plateau à « pseudo gaussienne », et sa valeur maximale diminue selon « z », ce qui démontre que le taux d’impuretés pour z > 12 mm augmente.

0 1 2 3 4 5 0 5 10 15 20 (b) Longue ur (m m ) Débit d'hélium (slm) (a) 0 1 2 3 4 5 6 7 0 5 10 15 20 Tension appliquée (kV)

Figure 4-5 : Longueur de la zone où le temps caractéristique de décroissance est constant. (a) selon le débit pour une tension de 5 kV. (b) selon la tension appliquée pour un débit de 4,5 slm.

Figure 4-6: Temps caractéristique de décroissance selon « y » pour différents « z » pour une tension de 5 kV et un débit de 4,5 slm.

Le rayon de ce plateau est tracé, Figure 4-7, selon l’axe du jet, et permet de visualiser la zone pour laquelle le temps caractéristique de décroissance vaut 4,7 ± 0,5 µs. Cette zone correspond à la région où la composition du gaz est inchangée et où la proportion d’hélium par rapport aux impuretés est la plus élevée. Le rayon de ce plateau diminue avec « z », formant ainsi un cône depuis la sortie du diélectrique (ie, z = 0 mm) où le temps caractéristique de décroissance vaut 4,7 ± 0,5 µs. Nous nommons « cône d’hélium pur », la zone où le taux d’impuretés est le plus faible (cf, zone rose sur la Figure 4-7).