ÉVALUATION DE LA TEMPÉRATURE À PARTIR DE LA BANDE 391,4 nm DE LA MOLÉCULE N+2 PARTIELLEMENT RÉSOLUE

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HAL Id: jpa-00230842

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Submitted on 1 Jan 1990

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ÉVALUATION DE LA TEMPÉRATURE À PARTIR DE LA BANDE 391,4 nm DE LA MOLÉCULE N+2

PARTIELLEMENT RÉSOLUE

H. Nassar, A. Czernichowski

To cite this version:

H. Nassar, A. Czernichowski. ÉVALUATION DE LA TEMPÉRATURE À PARTIR DE LA BANDE

391,4 nm DE LA MOLÉCULE N+2 PARTIELLEMENT RÉSOLUE. Journal de Physique Colloques,

1990, 51 (C5), pp.C5-289-C5-295. �10.1051/jphyscol:1990535�. �jpa-00230842�

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H. NASSAR et A. CZERNICHOWSKI

Groupe de Recherche sur 1'Energétique des Milieux Ionisés, Université d'Orléans. BP 6759, 45067 O r l é m s Cedex 2 , France

Résumé: Pour .déterminer la température rotationnelle dans des plasmas contenant de l'azote, on a simulé le spectre de la bande ( 0 , O ) et ( 1 , l ) B~x:-x~L~ de la molécule

NS

pour différentes températures et largeurs d'appareil. Le plasma analysé est obtenu dans un générateur d'arc Maecker modifié. Pour étudier la distribution de la température dans l'arc, on a fait en différents points de l'arc, des relevés de cette bande à l'aide d'un système comportant une caméra CCD couplée au spectromètre de 2 m.

L'analyse de ces spectres nous permet de déterminer les valeurs de la largeur d'appareil et de la température rotationnelle.

Abstract: To determine rotational temperature in plasma containin

2 + 2 5

nitrogen; we simulated the spectrum of the band ( 0 , O ) and ( 1 , l ) B LU-X Xg of the N2 molecule for different-Iemperatures and apparatus widths on an integrated ce11 of about 0,05 cm

.

The analyzed plasma is obtained from a modified Maecker arc generator, the section of this arc is ovular, 4mm in width and 12 mm in length. The arc is stabilized by a low magnetic field.

To study the temperature distribution in the arc, we make a few records of the

NS

band in different points with the help of a system consiçting of a CCD camera coupled with a 2 m spectrometer. The analysis of these spectra permit us, using a last square fit method, to better choose the value of the apparatus width and of the rotational temprature.

1 - INTRODUCTION

Dans un plasma en état d'équilibre complet, la température considérée serait celle du gaz du point de vue macroscopique et thermodynamique. Mais en pratique dans les plasmas du laboratoire, on a un état stationnaire remplaçant un état d'équilibre, et un état d'équilibre thermodynamique local remplaçant un état d'équilibre thermodynamique complet.

Dans le cas où les populations des niveaux énergétiques discrets suivent la loi de Boltzmann il est possible d'attribuer à chaque forme d' énergie une température correspondante, par exemple: à 1 ' énergie électronique Ee

-

la température électronique Te, à l'énergie vibrationnelle EV

-

la température vibrationnelle TV, à l'énergie rotationnelle ER - la température rotationnelle TR. Dans la plupart des cas TR est prcche à la température du gaz neutre Tg, avec:

Te >> TV >> TR " Tg.

Pour déterminer la température dans un plasma à partir des raies spectrales deux chemins sont possibles:

1) comparaisons des intensités des deux raies d'énergies d'excitation différentes,

2) mesure d'une intensité absolue d'une seule raie.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1990535

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COLLOQUE DE PHYSIQUE

Ce second chemin est difficile à réaliser pour plusieurs raisons par exemple à cause de mauvaise connaissance des différentes composantes chimiques de plasma.

Dans la région basse température T 5 7000 K, la densité électronique et celle des états atomiques exités diminue considérablement, les intensités d'émissions deviennent très faibles et l'imprécision de mesure s'accroit dans des fortes proportions.

Cependant, on observe dans cette gamme de températures des spectres moléculaires de l'azote très développés surtout celui du premier système négatif. Ce système est important pour plusieurs raisons. En effet, il est intense et présente une structure rotationnelle très simple, en plus i l a les probabilités de transition de vibrations et de rotations connues. Baronnet /1/ a réalisé une étude similaire pour évaluer la température rotationnelle dans un plasma d'azote à pression atmosphérique en utilisant le rapport de deux raies globales, mais sur un spectrographe de haute résolution pour des températures T > 5000 K

.

I I

-

SIMULATION DE LA BANDE B~CU-X~X; DE LA MOLECULE

NS

Le spectre de rotation-vibration de

NS,

essentiellement celui de la transition ~ ~ 2 :

- x?$,

comprend un grand nombre de bandes particulièrement intenses; en général la queue d'une bande est recouverte par la tête de la bande suivante dès que le nombre quantique rotationnel K est de l'ordre de 40.

La tête de la bande (0,O) et des bandes suivantes est composée des raies P; la première raie P nettement séparée dans la bande (0,O) est observée pour K de l'ordre de 25. Dans la bande (0,O) chaque raie est la superposition presque parfaite d'une,raie P et d'une raie R (l'écart entre les longueurs d'onde des

raies P et R formant une raie globale e8t toujours inférieur à 0,2

A

) .

Dans cette bande la supeqposition des branches s'effectue de la façon suivante: les raies P sont confondues avec les raies R telles que CR(K) = op(Kt271, o étant le nombre d'onde. De plus, sous l'influence du spin nucléaire, les raies d'une même branche présentent une alternance d'intensité:

les raies paires sont deux fois plus intenses que les raies impaires.

L'intensité absolue 1 d'une raie de rotation-vibration de la molécule

NS

s'écrit /2/:

$=1 pour Ku pair et $=1/2 pour Ku impair. Les Q et [Na] sont respectivement la fonction de partition et la concentration de la molécule NS. Les S(K' , ^J',Ku, J" ) et S(n' ,v' ,nu ,vu sont le facteur de Honl-London, et la force de bande, T(nl,v',K',J') est le terme spectral de l'état haut /3,4,5,/.

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DX=.% cm-'

Fig. 1

-

Spectre des bandes (0,O) et (1,l) du premier système négatif de

NS

simulé.

-

The spectrum of the+ simulated (0,O) and ( 1 . 1 ) bands of the first negative system of Nz.

III

-

DISPOSITIFS ET RESULTATS EXPERIMENTAUX

Le, générateur de plasma qui a été utilisé pour exciter le spectre N: est un arc électrique stabilisé par parois de type Maecker modifié, construit par H. Nassar, et A. Czernichowski en 1988. Ce générateur est constitué par dix coupelles en cuivre de 6mm d'épaisseur refroidies individuellement par une circulation d'eau et isolées électriquement entre elles par des feuilles de silicone d'épaisseur 1 mm (fig 2a et 2b).

Le canal de cet arc a une base ovoïdale de 4 mm de largeur el 1% mm de longueur. L'arc est maintenu fixe par un champ magnétique de quelques Gauss d'intensité crée par un électro-aimant. On fait entrer le gaz plasmagene dans un autre canal qui permet de l'injecter par la suite uniformément dans le canal de plasma.

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Les électrodes cylindriques sont identiques et refroidies à l'eau, chacune est munie d'une pointe de tungstène thorié. En les protégeant par un faible débit d'argon pur (1 l/mn), on peut, après l'amorçage de l'arc, les tirer légèrement, pour permettre une meilleure observation spectroscopique le long de la colonne de plasma.

L'arc est alimenté par un courant continu qui permet d'obtenir un plasma très stable. L'intensité de courant reste toujours entre 10 et 60 Ampères, et le débit de l'azote, gaz plasmagène, entre 0,5 et 2 l/mn.

E S E S E S E E E S

Fig. 2 a

-

Schéma de l'arc stabilisé par parois.

-

The Wall stabilised arc E El S

& & .T

Fig. 2 b

-

Section transversale du générateur de plasma.

-

Transverse section of plasma generator.

A : arc.

E : entrée de l'eau

-

^{water in.}

S : sortie de l'eau

-

water out.

El: entrée de gaz plasmagene

-

plasma forming gas in.

E2: entrée de l'Argon

-

^{argon in.}

Si: sortie de gaz plasmagène

-

plasma forming gas out.

S2: sortie de l'Argon

-

argon out.

Cl: distribution gaz froid

-

cool gas distribution.

C2: canal d'arc

-

arc channel.

EA: électro-aimant

-

electro-magnet.

H : hublot

-

^window.

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par l'intermédiaire d'une lentille de 27 cm de distance focale, le schéma du dispositif est donné sur la figure 3.

0 plasma i)AL~M2

pour stocker les spectromètre de 2 m de focale caméra CCD numérique à mémoire

Figure 3.

-

Le schéma optique et aquisition des données

-

Experimental set up

L : lentille de distance focale 27 cm

Ml et M2 : deux miroirs spheriques de rayon 2 m

On a fait, en différents points du canal, 14 relevés de la bande

NS

en déplaçant l'arc verticalement à raison de

0,s

mm. ~'anal~se et le dépouillement de ces spectres nous permettent de déterminer les intensités relatives des raies rotationnelles par rapport à la tête de la bande (0,O) la plus intense. La superposition de deux spectres réel et simulé, nous permet aussi de minimiser l'écart, entre les deux spectres, moyennée sur N pixels tel que:

1 f et

17

sont respectivement les intensités réelle et simulée de i ème pixel du spectre.

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Par un choix des meilleures valeurs de la largeur d'appareil, on évalue ainsi la température rotationnelle, à 10 % d'incertitude pour des températures de l'ordre de 8000 K , 7 % pour des températures de l'ordre de 5000 K et 10 % pour des températures proches de la température ambiante.

On présente un exemple de spectre experimental sur la figure 4; nous nous sommes limités en longueur d'onde jusqu'à la raie globale P62+R35 de la bande (0,O) confondue avec la tête de la bande (2,2). On note que l'exemple de la figure 1 constitue la meilleure simulation du spectre de la figure 4.

LONGUEUR D'ONDE EN cm-'

Fig. 4

-

Spectre réel des bandes (0,O) et ( 1 , l ) du premier système négatif de Nz

.

-

Experimental spectru~ of the (0,O) and (1,l) bands of the first negative system of Nz.

Nous avons déterminé la température rotationnelle pour chaque point observé de l'arc comme étant une valeur moyenne de 7 valeurs trouvées à partir de 7 salves spectrales. Le point où la température est maximale est appelé le centre de l'arc X=O. Ces températures sont représentées sur la figure 5 en fonction de X, distance au centre de l'arc.

Cette courbe de température a deux branches non symétriques. La branche X>O, représente l'évolution de la température de la région haute relativement au centre de l'arc; elle montre un fort gradient de température. La branche X<O représente l'évolution de la température de la région basse où i l y a un faible gradient de température.

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/1/ Baronnet, J.M.,

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Thèse 3ème cycle, Poitiers, 1971

/2/ Herzberg, G., 1950, "Spectra of Diatomic Molecules," Vol.1 : "Molecular Spectra and Molecular Structure"

/3/ Kovacs, I.,Rotational Structure in the spectra of Diatomic Molecules

-

Adam Hilger

-

London (1969)

/4/ Wallage, L. V., Nicholls. R. W., J. Atmosph. Terr. Phys.

7

(1955) 101

/ 5 / Dick, K. A.,Benesch, W., Crosswhite, H. M., Tilford, S. G., Gottscho, R.

A. and Field, R. W., J. Mol. Spectrosc. 69 (1978) 95 /6/ Czernichowski, A . , J. Phys. D: Appl Phys.20 (1987) 550

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