Caractérisation d'une torche plasma micro-onde par diagnostics optiques avancés couplés avec des modèles collisionnel-radiatifs // Characterization of a microwave plasma torch by optical diagnostics coupled with collisional-radiative modeling

Une caractérisation fine de la composition des plasmas, et par extension des distributions de population des espèces qui le composent, est essentielle dans de nombreuses applications. Cela nécessite d'avoir recours à des diagnostics intrusifs tel que les sondes de Langmuir ou à des diagnostics complexes à mettre en oeuvre dans de nombreuses configurations tels que ceux basés sur la spectroscopie laser. Une approche alternative consiste à utiliser des modèles collisionnels-radiatifs (CR) couplés à des mesures non-intrusives du spectre d'émission du plasma (1,2). Cette approche est très attrayante car elle permet d'obtenir plus simplement une description détaillée d'un plasma. En pratique, à partir d'une mesure de raies d'émission d'un plasma, on peut accéder à la densité de population de certains états excités. Un modèle CR résout les mécanismes cinétiques régissant les distributions de population des différentes espèces du plasma. En faisant varier les paramètres libres du modèle (par exemple la température des électrons), on cherche alors à obtenir un bon accord entre les prédictions du modèle et les données expérimentales. Ainsi, il est possible d'utiliser les autres résultats du modèle pour obtenir des informations sur le plasma qui autrement seraient difficilement mesurables, telles que la température et la densité des électrons, ainsi que les températures d'excitation des modes internes des atomes et molécules (électronique, vibrationnel, rotationnel).

Les modèles CR couplés à des mesures d'émission ont vocation à approfondir notre connaissance des phénomènes physiques au sein des plasmas (par exemple pour les plasmas de rentrée atmosphérique ou pour la propulsion spatiale), mais aussi à être utilisés pour des dispositifs de suivi et d'optimisation de plasmas industriels (par exemple pour les plasmas de bord de tokamak, les procédés de dépôt, la plasmalyse de CH4, le reformage de CO2 et de NH3).

Afin de pouvoir exploiter pleinement ces modèles CR, il est nécessaire de s'assurer de leur validité au travers d'une comparaison rigoureuse avec des résultats expérimentaux. L'objectif de ce projet de recherche doctoral est donc de développer et valider expérimentalement des modèles CR pour l'argon et des mélanges argon-gaz moléculaires (N2, H2, CO2) à l'aide de diagnostics optiques avancés.

Des travaux précédents dans l'équipe ont déjà permis de développer un modèle CR pour l'argon qui servira de point de départ aux travaux proposés dans cette thèse (3). Le volet expérimental consistera à caractériser le jet plasma à la pression atmosphérique d'une torche micro-onde (surfaguide) fonctionnant à des puissances transmises entre 0.5 et 5 kW. En particulier, il s'agira de réaliser des mesures de températures et de densité d'espèces par spectroscopie d'émission. La densité et la température électronique seront mesurées à l'aide de la diffusion Thomson par laser pulsé (4). Dans les mélanges contenant des gaz moléculaires, la diffusion Raman rotationnelle sera également utilisée pour mesurer la densité des états fondamentaux et la température rotationnelle. L'ensemble de ces mesures expérimentales serviront à valider les modèles CR. Le volet numérique sera à définir en fonction de l'appétence de la personne recrutée qui pourra s'investir dans l'amélioration des modèles existants et le développement de modèles pour de nouveaux mélanges de gaz.
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In many plasma-based applications, it is essential to be able to fully characterize the composition of the plasma, particularly the energy distributions of its constituent species. Intrusive diagnostics such as Langmuir probes or laser spectroscopy techniques are often required, but these are complex to implement in many configurations. An alternative approach consists in using collisional-radiative (CR) models coupled with non-intrusive measurements of emission spectra of the plasma (1,2). This approach is appealing because it makes it easier to obtain a detailed description of the plasma. In practice, emission spectra are acquired in order to infer the number density of certain excited states. We then run a CR model that solves the plasma kinetics as a function of a reduced number of free parameters (e.g., the electron temperature), to obtain the best fit with the experimental data. Good agreement provides confidence in the model and enables us all to use all of its other results to characterize the plasma. Therefore, this approach enables the indirect measurement of key quantities that would otherwise be very challenging to measure, such as the number density and temperature of electrons, as well as the translational temperature, and the rotational, vibrational, and electronic excitation temperatures.

CR models coupled with emission spectra are intended to improve our understanding of plasma physics, for example in atmospheric re-entry plasmas or electric propulsion for space applications. They can also be used to monitor and optimize industrial plasmas such as fusion plasmas, thin film deposition, CH4 plasmalysis, CO2 and NH3 reforming.

In order to exploit the full capabilities of CR models, it is deemed necessary to ensure of their validity through rigorous experimental validation. The goal of this research project is therefore to develop and validate CR models for argon and argon-molecular gas mixtures (N2, H2, CO2) with the help of advanced optical diagnostics.

Previous work within the group has already developed a CR model for argon, which will form the basis of the current project (3). The experimental work will focus on characterizing the plasma jet of a surfaguide-type microwave torch delivering power from 0.5 to 5 kW. In particular, optical emission spectroscopy will be applied to measure temperatures and the number density of excited states. Electron temperature and number density will be measured using laser Thomson scattering (4). In mixtures containing molecular gases, rotational Raman scattering will be employed to measure the number density of the ground state and the rotational temperature of molecular species. These experimental results will be used to improve and validate existing CR models, as well as to develop new models for molecular mixtures. The modeling aspect of this work can be adapted according to the Ph.D. student's preferences.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Enseignement supérieur

Université de Toulouse

323 GEETS - Génie Electrique Electronique,Télécommunications et Santé : du système au nanosystème

Niveau M2 / ingénieur : plasma, physique, physique appliquée, énergétique, génie électrique, mécanique des fluides, génie des procédés Maîtrise de l'anglais scientifique écrit et oral Curiosité, motivation et travail en équipe Programmation Python / Matlab Expériences préalables appréciées mais non nécessaires : travail expérimental, programmation Fortran
Master's degree / engineering degree: plasma, physics, applied physics, energy, electrical engineering, fluid mechanics, process engineering Fluency in written and spoken scientific English Curiosity, motivation, and teamwork skills Python / Matlab programming Previous experience appreciated but not required: experimental work, Fortran programming