Vincent MORELVincent MOREL

Arnaud BultelArnaud BultelBruno G. ChéronBruno G. Chéron

Caractéristiques radiativesd’un plasma d’aluminium induit par laser

en cours de création

22

But de l’étudeBut de l’étudePhase de création d’un plasma de LIPSPhase de création d’un plasma de LIPS

Objectif de notre étudeObjectif de notre étude

Modèle numériqueModèle numériqueHypothèses et structure du modèleHypothèses et structure du modèle

Résultats de la modélisationRésultats de la modélisation

Etude expérimentaleEtude expérimentaleRayonnement d’émissionRayonnement d’émission

Diffusion ThomsonDiffusion Thomson

Perspectives, conclusionPerspectives, conclusion

PlanPlanPlanPlanBut de l’étudeBut de l’étude

Phase de création d’un plasma de LIPSPhase de création d’un plasma de LIPSObjectif de notre étudeObjectif de notre étude

Modèle numériqueModèle numériqueHypothèses et structure du modèleHypothèses et structure du modèleRésultats de la modélisationRésultats de la modélisation

Etude expérimentaleEtude expérimentaleRayonnement d’émissionRayonnement d’émissionDiffusion ThomsonDiffusion Thomson

Perspectives, conclusionPerspectives, conclusion

33

Laser-induced plasma diagnostics (LIPS)Laser-induced plasma diagnostics (LIPS)Avantages : Simple d’utilisation, rapide et précisAvantages : Simple d’utilisation, rapide et précis

Inconvénient : Comparer avec des banques de donnéesInconvénient : Comparer avec des banques de données

Introduction à notre étudeIntroduction à notre étude

Flux laserFlux de

particules

Cible ex

Knudsen layer

ex0

Gaz/plasm

a

-50 μm

Cible laser

Couche de Knudsen

PAMO 201002/07/10

44

Phase de recombinaisonPhase decréation

Evolution temporelle de la densité électronique pour différentes pression Evolution temporelle de la densité électronique pour différentes pression [4][4]

[4] M. Capitelli, A. Casavola, G. Colonna and A. De Giacomo, Spect. chim. B. 59 271-289 (2004)

Etat de l’artEtat de l’art

Titane métallique248 nm, 5 J.cm-2, 30 ns

32410 mNe

PAMO 201002/07/10

55

Objectifs de notre étudeObjectifs de notre étude

ObjectifsObjectifsModéliserModéliser lala formationformation dudu plasmaplasma pourpour obtenirobtenir uneune descriptiondescription globale globale Déterminer numériquement les composition du plasma et de la cibleDéterminer numériquement les composition du plasma et de la cible

Modèles 1D développés (cas-test : aluminium)Modèles 1D développés (cas-test : aluminium)Modélisation des phases de création et de recombinaison du plasmaModélisation des phases de création et de recombinaison du plasmaPlasma en déséquilibre thermique et chimiquePlasma en déséquilibre thermique et chimique

Modèle A Température de surface de la cible décrite par une évolution

temporelle gaussienne (Tmax = 3000 K)

Modèle B Température de surface de la cible directement déduite de

l’interaction laser-surface

Gaz/plasm

a

Cible laser

Gaz/plasm

a

Cible laser

Surface

66

PlanPlanPlanPlanBut de l’étudeBut de l’étude

Phase de création d’un plasma de LIPSPhase de création d’un plasma de LIPSObjectif de notre étudeObjectif de notre étude

Modèle numériqueModèle numériqueHypothèses et structure du modèleHypothèses et structure du modèleRésultats de la modélisationRésultats de la modélisation

Etude expérimentaleEtude expérimentaleRayonnement d’émissionRayonnement d’émissionDiffusion ThomsonDiffusion Thomson

Perspectives, conclusionPerspectives, conclusion

77

Equation pour la densité de flux du laserEquation pour la densité de flux du laser

Pulse laser et Température de surfacePulse laser et Température de surface

τλ

2

0

2.1exp

t

las avec 20

4

d

E

Caractéristiques du laserCaractéristiques du laserDurée du pulse : =Durée du pulse : = 55 nsns

Longueur d’onde : =Longueur d’onde : = 532532 nmnmEnergie du pulse : EEnergie du pulse : E == 6565 mJmJ

Diamètre de focalisation :Diamètre de focalisation : dd == 11 mmmm

Equation pour la température de surfaceEquation pour la température de surface

2

maxSurface

2.1texpTT

Evaporation pilotée par la pression de vapeur saturanteEvaporation pilotée par la pression de vapeur saturanteTTfusionfusion = 933 K = 933 KPAMO 2010

02/07/10

88

Modélisation de la phase plasmaModélisation de la phase plasma

Hypothèses de résolutionHypothèses de résolutionModèle 1DModèle 1D

Monocouche d’épaisseur X variableMonocouche d’épaisseur X variable

Equations de bilan local de l’énergieEquations de bilan local de l’énergiePour les électronsPour les électrons

)(ee EE

e divPt

e

)(ll EE

l divPt

e

Pour les lourdsPour les lourds

Flux laserFlux de

particules

Cible ex

Vitesse d’agitation thermique

A

AB

m

Tk8v

e: énergie de la particule p.u.v.PE: terme de productionφE: terme de flux

Indices:e: électrons

l: lourdsPAMO 201002/07/10

99

Interaction laser - plasmaInteraction laser - plasma

Processus d’interactionProcessus d’interaction

Ionisation multi-photoniqueIonisation multi-photonique Bremsstrahlung inverseBremsstrahlung inverse

Collision élastiqueCollision élastiqueExcitation et ionisation par impact électroniqueExcitation et ionisation par impact électronique

Al (43 niveaux) Al+ (42 niveaux)

Composition du plasmaComposition du plasma

Al2+ (21 niveaux) Al3+ (1 niveau)

Electrons libres

PAMO 201002/07/10

Emission spontanéeEmission spontanée 400 transitions400 transitions

Bremsstrahlung directBremsstrahlung direct « thermique »« thermique »

1010

Chauffage du plasmaChauffage du plasmaEvolution temporelle des températures du plasma

Tmax = 3000 K et Tmax = 4000 K

1111

Cinétique d’ionisationCinétique d’ionisationEvolution temporelle des densités des composants du plasma

Tmax = 3000 K et Tmax = 4000 K

1212

Influence des processusInfluence des processussur l’évolution des températuressur l’évolution des températures

1313

Condition à la limite : continuité du fluxCondition à la limite : continuité du flux

x

hhk

xt

hhch p

lasx

hha

Equation de conservation de l’enthalpie volumiqueEquation de conservation de l’enthalpie volumique

ρ : masse volumique a : diffusivité thermique cp : capacité thermique massique k : conductivité thermique

Evaporation pilotée par la pression de vapeur saturanteEvaporation pilotée par la pression de vapeur saturanteTTfusionfusion = 933 K = 933 K

(Modèle (Modèle B))Chauffage de la cibleChauffage de la cible

PAMO 201002/07/10

1414

φ(x

101

3 W

.m-2)

0.5

1.0

TS(K

)

4000

6000

8000

Evolution temporelle de la température de surface et de la densité de flux d’énergie du laser

1.5

2.0

2000

Temps (s)

Tcritique = 6900 K

t = 0 s pour le plasma

Atteinte du point critiqueAtteinte du point critique

1515

PlanPlanPlanPlanBut de l’étudeBut de l’étude

Phase de création d’un plasma de LIPSPhase de création d’un plasma de LIPSObjectif de notre étudeObjectif de notre étude

Modèle numériqueModèle numériqueHypothèses et structure du modèleHypothèses et structure du modèleRésultats de la modélisationRésultats de la modélisation

Etude expérimentaleEtude expérimentaleRayonnement d’émissionRayonnement d’émissionDiffusion ThomsonDiffusion Thomson

Perspectives, conclusionPerspectives, conclusion

1616

lentilles collectrices

Schéma du dispositif expérimentalSchéma du dispositif expérimental

1717

Emission aux temps courtsEmission aux temps courts

1818

Tentative de détermination de nTentative de détermination de nee

CODétermination de Te

par l’alignement des points expérimentaux

1919

Dispositif expérimental pour diffusion ThomsonDispositif expérimental pour diffusion Thomson

Cible horizontale en rotation dans réacteur sous vide

Générateur de délaispour contrôle lasers/caméra

Laser de pompe

Laser de sonde

Spectromètre et caméra ICCD

2020

Conclusion & Conclusion & PerspectivesPerspectives

Deux modèles 1D prenant en compte 7 processus et 108 espèces en déséquilibre thermique et chimique

Processus majoritaire Ionisation multi-photonique

Atteinte rapide du point critique dans le modèle B

Premières estimations directes des propriétés du gaz électronique (Bremsstrahlung)

Fin d’élaboration du modèle B

Exploitation des 2 modèles pour diverses conditions

Mesures directes de ne et Te par diffusion Thomson

2121

2222

sur l’évolution des densitéssur l’évolution des densitésInfluence des processusInfluence des processus

2323