Academic literature on the topic 'Plasmas froids – Modèles mathématiques'

Le depot de silicium amorphe hydrogene assiste par plasma (pecvd) a partir du silane est un procede couramment employe pour la fabrication de cellules photovoltaiques, d'ecrans plats de visualisation, ou de detecteurs divers. Malgre l'existence de nombreux travaux concernant l'analyse de phenomenes particuliers electriques ou chimiques dans ces decharges, aucune etude complete du comportement de reacteurs industriels, integrant en particulier l'examen des phenomenes de transport, n'avait ete entreprise jusqu'a present. Nous avons donc demarre de tels travaux dans le cadre d'une action de recherche coordonnee du cnrs, en vue d'elaborer un modele de simulation local et bidimensionnel, tres detaille, qui nous a permis de determiner les profils de vitesse, de concentration des especes gazeuses et les vitesses de depot dans un reacteur de geometrie classique. Au vu des premiers resultats, nous avons pu simplifier ce logiciel, afin d'obtenir un outil d'utilisation plus rapide. Il nous a ainsi ete possible d'effectuer une analyse numerique systematique des processus chimiques mis en jeu dans la decharge et de l'influence des donnees cinetiques correspondantes. La confrontation entre les resultats experimentaux, obtenus sur une unite pilote, et les informations fournies par l'exploitation des logiciels, a permis d'etablir la qualite des modeles. Nous avons pu, ainsi, ameliorer la connaissance du procede de depot assiste par plasma, et constituer des logiciels susceptibles d'etre utilises pour optimiser les exploitations d'equipements de depot

Ce travail est consacré à la modélisation d'une décharge diode pulsée dans l'azote utilisée pour la nitruration des aciers. L'objectif de ce travail était de mieux comprendre les différents phénomènes mis en jeu dans ce type de décharges afin d'optimiser le traitement. La première étape de ce travail a consisté en l'adaptation d'un code électrique existant aux conditions de fonctionnement du réacteur de traitement présent au laboratoire. Les premières comparaisons entre les résultats numériques et ceux obtenus expérimentalement par spectroscopie d'émission et par sonde électrostatique ont montré un accord général satisfaisant et ont mis en évidence les limites de ce code. Deux améliorations ont alors été apportées au modèle de base : une meilleure description de la population électronique à l'aide d'un faisceau monoénergétique ; un couplage avec un code décrivant la dynamique du gaz neutre. La première amélioration a permis de mieux décrire l'ensemble des différentes zones présentes dans la décharge, en particulier la lueur négative et d'obtenir un très bon accord entre numérique et expérience dans le cas de décharges impulsionnelles. La seconde amélioration a montré l'importance et la nécessité de prendre en compte le chauffage du gaz neutre dans le cas des décharges avec des temps d'allumage supérieurs à quelques centaines de microsecondes
This work deals the modeling of a dc pulsed diode type discharge used for iron and steel nitriding. The present research aimed at a better understanding of the processes occuring in such plasmas in order to attain an optimization of the surface treatment process. In a first stage we adapted an existing electrical modeling to the experimental results obtained from electrostatic probe and emission spectroscopy measurements. These preliminary results showed a roughly good agreement between the modeling and the experiment and pointed out the limits of this simulation. Two improvements have thus been made to this basic model: a better description of the electron population using a monoenergetic electron beam ; a coupling with a modeling of the neutral gas dynamics. The first improvement led to a better description of the various regions of the discharge (in particular the negative glow) and to get an excellent agreement between numerical and experimental results in the case of short duration impulse discharges. The second improvement showed the importance and the need for taking into account the heating of neutral gas in the case of discharge on-time greater than a few hundreds of microseconds

Cette thèse a pour objet l'étude thermique d'un réacteur à Décharge à Barrière Diélectrique (DBD) de laboratoire. Une étude expérimentale a d'abord été réalisée afin de mesurer les températures en différents points du réacteur à l'aide de fibres optiques. Ces mesures ont été effectuées en régime transitoire et en régime stationnaire. Afin d'examiner l'influence des pertes thermiques, nous avons en outre considéré des réacteurs non isolés et des réacteurs isolés thermiquement. L'influence de la nature et de la forme des tensions appliquées a également été considérée. C'est ainsi que des expériences ont été menées avec une tension sinusoïdale et avec une alimentation pulsée qui permet une meilleure dynamique de dépôt de puissance. D'une manière générale, l'élévation de la température dans le réacteur est toujours de l'ordre de quelques dizaines de degrés. Cependant, un phénomène intéressant qui semble ne pas avoir été reporté par ailleurs a été mis en évidence. En effet un phénomène d'emballement thermique se produit dans certaines situations conduisant à une élévation de la température de plus de 150°C et ouvrant ainsi de nouvelles perspectives telles que l'association plasma/catalyse, puisque l'on atteint ici des niveaux de température suffisants pour enclencher le phénomène de catalyse. Différents modèles conductifs numériques et analytiques ont par ailleurs été développés. Les modèles analytiques simplifiés, qui ont été proposés, ont été validés et peuvent servir à mieux dimensionner les réacteurs à décharge à barrière diélectrique
This thesis aims to study the thermal behaviour of a laboratory Dielectric Barrier Discharge (DBD) reactor. An experimental study was first realized to measure temperatures at different points of the reactor by using optic fibres. These measurements were performed in transient and steady states. To examine the influence of heat losses , not insulated and insulated reactors were considered. The influence of the nature and the form of the applied voltage was else considered. Experiments were conducted with a sinusoidal voltage and a pulsed power supply

La filtration électrostatique offre de nombreux avantages du point de vue du traitement des déchets nucléaires. En effet, elle permet de filtrer des particules d’une taille inférieure au micron, en n'engendrant ni déchets secondaires (absence de média filtrant), ni pertes de charge dans le circuit de traitement. Ce travail de thèse porte sur l'étude des décharges couronnes négatives dans l'air à pression atmosphérique intervenant dans un procédé d'électrofiltration développé par le CEA. L'objectif est de comprendre dans quelle mesure, et comment, les phénomènes extérieurs inhérents à l'électrofiltration, en particulier l'alimentation spécifique utilisée, la température et la présence des particules polluantes dans l'intervalle ou sous forme de dépôts sur les électrodes, modifient la décharge afin d'améliorer les procédés d'électrofiltration. Ce travail est basé sur une étude expérimentale fondamentale de la décharge négative ainsi que sur des simulations numériques de la décharge dans des conditions proches du fonctionnement de l'électrofiltre pilote du CEA
Electrostatic precipitation presents many advantages from the nuclear wastes treatment's point of view. Indeed, this kind of process can capture submicronic particles without producing secondary wastes (no filter media) and without pressure looses in the exhaust circuit. The work presented in this thesis concerns the study of negative corona discharges in air at atmospheric pressure occurring in an electrostatic precipitator (ESP) developed by the CEA (Atomic Energy Committee). The aim of this study is to determine how the electrostatic precipitation dedicated phenomena, especially the specific high voltage generator, the gas temperature and the fact that particles are flowing through the gap then collapsing on the electrodes, modify the discharge to improve the efficiency of ESPs. This work is based on a fundamental experimental study of the negative corona discharge and on numerical simulations of this discharge under conditions close to those of the lab scale ESP developed by the CEA

Dans cette thèse, nous considérons un modèle Euler-Maxwell linéarisé de propagation et d'absorption des ondes électromagnétiques dans un plasma magnétique. Deux types de conditions aux limites sont envisagées : conducteur parfait sur toute la frontière et Silver-Müller homogène ou non sur une partie de celle-ci. D'abord, j'établis les équations du modèle et je montre sa bonne position par la théorie des semi-groupes. Ensuite, je m'intéresse à la stabilisation du modèle. Dans un premier temps, je réalise une étude sur le comportement asymptotique en temps long de la solution. Je montre qu'elle décroît vers zéro sous certaines hypothèses physiquement raisonnables. Je conclus à sa convergence vers un état stationnaire non nul dans un espace d'énergie plus grand. Cet état stationnaire est lié aux propriétés de topologie du domaine, et s'exprime en fonction des données initiales. Dans un second temps, j'étudie la décroissance de l'énergie en utilisant la méthode du domaine fréquentiel. J'établis une décroissance polynomiale pour les deux conditions aux limites. Je démontre également un résultat conditionnel de décroissance exponentielle dans le cas Silver-Müller homogène. Dans le cas du conducteur parfait, nous montrons que le système Euler-Maxwell n'est pas exponentiellement stable. Nous concluons par un résultat de convergence vers le régime harmonique en temps en présence d'un forçage harmonique. Parmi les principales difficultés rencontrées, la résolvante de l'opérateur d'évolution est non compacte et l'absorption interne agit seulement sur les variables fluides. Aucune hypothèse d'homogénéité n'est faite, et les hypothèses topologiques et géométriques sur le domaine sont minimales. Ces résultats semblent fortement liés aux propriétés spectrales de diverses matrices décrivant l'anisotropie et d'autres propriétés du plasma. Enfin, nous donnons une extension de ces résultats à un problème d'interface vide-plasma
In this thesis, we consider a linearized Euler-Maxwell model for the propagation and absorption of electromagnetic waves in a magnetized plasma. Two types of boundary conditions are considered: perfectly conducting on the whole boundary and Silver-Müller, homogeneous or not, on part of it. First, I establish the equations of the model and show its well-posedness by the theory of semigroups. Then, I am interested in the stabilization of the model. First, I carry out a study on the long- term asymptotic behavior of the solution. I show that it decreases towards zero under certain physically reasonable assumptions. I conclude that it converges to a non-zero stationary state in a larger energy space. This stationary state is linked to the topology properties of the domain, and is expressed as a function of the initial data. Secondly, I study the energy decay rate by using the frequency domain method. I establish a polynomial decay for both boundary conditions. I also prove a conditional exponential decay result in the homogeneous Silver-Müller case. In the perfectly conducting case, we show that the Euler-Maxwell system is not exponentially stable. We conclude by a result of convergence towards the time-harmonic regime in the presence of a harmonic forcing. Among the main difficulties encountered, the resolvent of the evolution operator is not compact and the internal absorption acts only on the fluid variables. No homogeneity assumption is made, and the topological and geometrical assumptions on the domain are minimal. These results appear strongly linked to the spectral properties of various matrices describing the anisotropy and other plasma properties. Finally, we extend those results to the case of a vacuum-plasma interface problem

Afin de diminuer la signature radar d'une entrée d'air d'aéronef, un dispositif envisagé consiste en l'ionisation partielle de l'air au niveau de l'entrée d'air. L'objectif de la thèse est de développer des modèles mathématiques et numériques permettant de mieux appréhender les principaux mécanismes physiques intervenant dans la génération d'un plasma d'air à pression atmosphérique soumis à un vent. Une analyse asymptotique d'un modèle 0D de cinétique de création d'un plasma d'air dans un écoulement a été effectuée. Le maintien du plasma repose sur la présence des métastables: permettant de détacher des électrons d'ions négatifs et sur la vitesse de l'écoulement porteur. Dans un second temps, nous nous sommes intéressés au dispositif des décharges capillaires générant une décharge homogène dans l'air à pression atmosphérique. Un modèle 0D a été conçu afm de comprendre les principaux mécanismes physiques intervenant dans l'initiation de la décharge. Les simulations numériques ont montré l'importance des phénomènes aux parois. Enfin, une dernière partie est consacrée à l'élaboration et à l'étude d'un modèle numérique bidimensionnel d'une décharge continue Pointe Négative Plan dans une entrée d'air. Le modèle est constitué d'un système d'équations non-linéaires de convection/diffusion/réactions couplées à l'équation de Poisson. Le courant induit par la circulation du plasma dans le circuit extérieur est relié au potentiel par une équation différentielle ordinaire en temps. Les simulations numériques montrent que lorsque le vent devient important, la formation périodique de canaux plasmiques dérivant ensuite le long de l'écoulement porteur est observée
Order to reduce the flash points in air intake of aircraft, a considered deviee consists in the partial ionisation of the air around the air intake. The aim of the thesis is to develop mathematical and numerical models in order to apprehend the main physical mechanisms which occur in the generation of air plasmas at atmospheric pressure in air flows. An asymptotic analysis of simple ionization kinetics of air flows at atmospheric pressure is first proposed. The existence of the plasma depends on the value of the flow velocity relative to a threshold value and on the existence of metastables which detach electrons from negative ions. Secondly, we were interested in the modelling of capillary discharges which allows the genera tion of a homogeneo us discharge in air at atmospheric pressure. A OD model has been made in order to understand the main physical mechanisms occurring in the discharge initiation. The numerical simulations shows the wall phenomena take an important place in the operation of the discharge. Lastly, a 2D model is developed to model a negative tip/plane corona discharge in air flows. The mode! consists of a system of non-linear convection/diffusion /reaction equations coupled with the Poisson equation. The current induced by the plasma circulation in the extemal circuit is Iinked with the potential through an ordinary differential equation in time. The numerical simulations show that when the flow velocity becomes important, a periodical formation of plasma channels carrying away by the air flow is observed

Les applications de l’ablation laser connaissent un développement important, dans des domaines comme le micro-usinage, la médecine, le nucléaire ou les sciences analytiques. Malgré d’importantes avancées dans la connaissance des interactions complexes intervenant dans ce processus, on a encore besoin d’une meilleure compréhension fondamentale et de modélisation. Le but de ce travail a été d’étudier expérimentalement et théoriquement la dynamique des plasmas transitoires générés par ablation laser dans différents régimes temporels (ns, ps, fs) et d’essayer de corréler le comportement observé avec les propriétés physiques des matériaux ablatés. Nous avons mis en œuvre des méthodes optiques, spectroscopiques et électriques résolues spatialement et temporellement pour l’étude de cibles métalliques mono-éléments et de cibles plus complexes à base de chalcogénures. Cela nous a permis d’avoir une cartographie spatio-temporelle des principaux paramètres du plasma. L’étude en configuration PLD (Pulsed Laser Deposition) a révélé quelques effets particuliers, comme les oscillations ioniques ou la réflexion du plasma sur le substrat. Une version compacte du modèle hydrodynamique fractal a été développée pour simuler la dynamique du plasma. Le modèle théorique réussit à décrire l’évolution spatiale et temporelle des principaux paramètres du plasma (température électronique, vitesses d’expansion, concentration, longueur de Debye, potentiel du plasma). Nous proposons des relations empiriques reliant ces paramètres aux propriétés physiques (conductivités électrique/thermique, mass atomique, chaleur de vaporisation) de la cible. Ces relations transcendent les trois régimes d’ablation
Laser ablation methods exhibit a fast development in various application fields, as materials processing, medicine, nuclear fusion or analytical sciences. Despite important advances in the knowledge of the complex laser-matter interactions involved in this process, there is still need for better fundamental understanding and modeling. The aim of this work was to experimentally and theoretically investigate the dynamics of transient plasmas generated by laser ablation in various regimes (ns, ps, fs), and to try to correlate the observed behavior with the physical properties of the ablated materials We implemented space- and time-resolved optical, spectroscopic and electrical methods for the study of single-component metallic targets and of complex chalcogenide targets. This led to a space-time mapping of the main plasma parameters. The study performed in actual Pulsed Laser Deposition (PLD) conditions revealed some peculiar effects like ionic oscillations or plume reflection at the substrate. A compact fractal hydrodynamic model was developed to simulate the laser-produced plasma dynamics. The theoretical model accurately describes the spatial and temporal evolution of the main plasma parameters (electronic temperature, expansion velocities, particle number density, Debye length, plasma potential). We report for the first time empirical relations connecting these plasma parameters with the physical properties (electrical/thermal conductivity, atomic mass, heat of vaporization) of the target. These relationships transcend all three ablation regimes (ns, ps, fs)

Ce travail porte sur l’étude de la cinétique des décharges et post-décharges dans l’azote et les mélanges azotés en écoulement à pressions modérées. Des travaux de modélisations cinétiques ont été effectués sur la base des résultats expérimentaux afin de comprendre les processus de production et destruction des différentes espèces sondées. La thèse est divisée en deux parties suivant les types de décharge et mélanges gazeux étudiés. Dans la partie A, un plasma généré dans des mélanges N2-Ar par une cavité hélicoïdale originale excitée à 27 MHz est étudiée par spectroscopie optique d’émission. Sur la base de ces résultats expérimentaux, un modèle cinétique global couplé à un modèle de la fonction de distribution vibrationnelle de l’état N2(C3Pu, v’=0-4) a été développé. Ces modèles permettent d’analyser nos résultats et démontrent l’importance, dans notre décharge, des mécanismes impliquant les espèces métastables d’azote et d’argon, N2(A3Su+) et Ar(3P0,2). Dans la partie B, des décharges dans des mélanges N2-O2 produites par une cavité coaxiale à 433 MHz et leur post-décharge ont été étudiées par spectroscopie optique d’émission et de spectrométrie de masse. Un modèle cinétique temporel 0D, basé sur les résultats expérimentaux et associé à une simulation de l’écoulement, nous permet de reproduire qualitativement les évolutions des concentrations des émetteurs et de prédire la nature du milieu produit par la décharge et ses caractéristiques en vue de son utilisation pour la chimie des dépôts de couches minces de matériaux organosiliciés pour la microtechnologie
This work focuses on the study of the kinetics of discharges and post-discharges in flowing nitrogen and nitrogen mixtures at moderate pressures. The kinetic modeling was performed on the basis of experimental results in order to understand the production and destruction processes of the species presents in the plasma. The thesis is divided into two parts according to the type of the discharge and gas mixtures studied. In the frame of the part A, a N2-Ar discharge generated by an original helical cavity excited at 27 MHz is examined by optical emission spectroscopy. Based on experimental results, a global kinetic model coupled with a model of the vibrational distribution function of the N2(C3Pu, v’=0-4) state have been developed. These models enable the analysis of our results and demonstrate the importance of the mechanisms involving metastable nitrogen and argon species, i.e. N2(A3Su+) et Ar(3P0,2). In Part B, discharges in mixtures of N2-O2 generated by a 433 MHz coaxial cavity were studied along with the afterglows by optical emission spectroscopy and mass spectrometry methods. A 0D kinetic model, based on experimental results, is associated with a flow simulation in order to qualitatively reproduce the evolution of concentrations and predict the nature of the environment created by the discharge as well as its characteristics for the applications of thin layer deposits of organosilicon materials for microtechnology

La technique par plasma atmosphérique semble efficace pour la modification des surfaces de matériaux textiles car le traitement est rapide, peu onéreux et écologiquement propre. En dépit de ces avantages, il est extrêmement difficile de comprendre la relation complexe non-linéaire entre les paramètres du procédé plasma et les propriétés finales des matériaux. L’étude et l’optimisation d’un tel procédé doivent être donc basées sur une exploitation des techniques intelligentes telles que la logique floue et les réseaux de neurones. Dans une première partie, l'impact de traitement par plasma de type Décharge à Barrière Diélectrique (DBD) sous air est étudié sur différents types de tissus en polyester et viscose. Afin de mieux comprendre l’effet de la structure textile sur les résultats du traitement, une sélection des paramètres les plus pertinents a été effectuée en utilisant un critère de sensibilité basé sur la logique floue. Il a été mis en évidence que la puissance électrique, la vitesse de traitement, la matière, la finesse des fibres, la perméabilité à l’air, l’armure et la densité des pics ont une influence sur la mouillabilité et la capillarité des tissus. Dans la dernière partie de cette étude, une approche utilisant les réseaux de neurones a été développée afin de prédire la relation entre les paramètres pertinents sélectionnés et les propriétés hydrophiles des tissus. Des résultats tout à fait satisfaisants ont été obtenus et montrent une bonne capacité de généralisation. En outre, une analyse quantitative par poids des connexions a été menée pour analyser l’importance relative des paramètres d’entrée. Les résultats de cette analyse sont cohérents avec ceux obtenus en utilisant le critère de sensibilité flou. Ceci permet donc de confirmer d’une part l’influence des paramètres sélectionnés, et d’autre part de montrer la fiabilité des réseaux neuronaux
Atmospheric plasma treatment seems to be a good way to treat quickly, cheaply and ecologically textile material surfaces. Despite these advantages, it is extremely difficult to understand the complex non-linear relationship between the plasma processing parameters and the final properties of materials. Therefore, the study and optimization of such process must be based on an exploitation of intelligent techniques such as fuzzy logic and neural networks. In a first part, the impact of atmospheric air Dielectric Barrier Discharge (DBD) plasma treatment is studied on different types of polyester and viscose woven fabrics. In order to get a better understanding on how the structure of woven fabrics influence on the results of the plasma treatment, a selection of the most relevant parameters was carried out by using a fuzzy logic based sensitivity variation criterion. This work shows that that the electric power, the treatment speed, the composition, the fibers fineness, the air permeability, the weave construction and the summit density have an influence on the wettability and the capillarity of fabrics. Lastly, a neural network approach was developed to predict the relationship between the selected input parameters and the fabric hydrophilic properties. Very satisfactory results were obtained and show a good capacity of generalization. Moreover, a quantitative analysis based on the weights of connections was conducted to analyze the relative importance of the input parameters. The results of this analysis are coherent with those obtained by using the fuzzy logic based sensitivity variation criterion. Thus, this finding confirms, on the one hand, the influence of the selected parameters and, on the other hand, it shows the efficiency of neural networks

L'objet de ce mémoire de thèse est d’étudier une méthode de simulation numérique d'un modèle dit “Full wave” de la propagation dans un tokamak d'une onde électromagnétique injectée par un ensemble d'antennes installées sur le bord de l'enceinte de confinement. Une méthode de simulation par éléments finis de Lagrange est déployée. Dans le premier chapitre est introduit le modèle physique considéré pour décrire la propagation d'une onde électrostatique d'une fréquence proche de la résonance hybride dans un plasma dit froid et confine par un champ magnétique à l'intérieur d'un tokamak. La propagation des ondes électromagnétiques est modélisée par les équations de Maxwell. Une approximation de la solution harmonique en temps est considérée. Dans le chapitre deux sont rappelées les formulations varationnelles mixtes et mixtes augmentées déjà étudiées précédemment. Ces formulations nous permettent de chercher des solutions dans (H¹(Ω))³ et donc une approximation en éléments finis conformes dans cet espace. Le chapitre trois est dédié à la présentation de la discrétisation des équations du modèle en trois dimensions d’espace. Dans le chapitre quatre il est démontré le caractère bien posé du système d'équations discret lorsqu'on considère une approximation de type Taylor-Hood ℙ₂-ℙ₁. Un résultat d’existence et unicité de la solution dans le cas d'un "tore" polyédrique est présenté. Le chapitre 5 est dédié aux simulations numériques. En premier on explicite les termes du tenseur diélectrique K ainsi que ses dérivées, qui sont nécessaires au montage de la matrice de raideur du système. Les premières simulations concernent le cas où la densité des électrons et des ions est constante. On présente ensuite des résultats dans le cas où les densités ont un profil parabolique. Le cas où le vecteur d'onde est une fonction de la distance au centre du tokamak est également considéré
The object of this thesis is to study a numerical simulation method of a so-called “Full-wave” model of the propagation in a tokamak of an electromagnetic wave injected by a set of antennas installed in the boundary of the containment chamber. A Lagrange finite element approximation method is deployed. In the first chapter, we introduced the physical model considered to describe the propagation of an electrostatic wave of a frequency close to hybrid resonance in a so-called cold plasma, plasma confined by a magnetic field inside a tokamak. The propagation of electromagnetic waves is modeled by Maxwell's equations. This work contemplates an approximation of the time-harmonic solution. In the second chapter, we recall the mixed and mixed variational formulations already studied in the past. These formulations allow us to find solutions in (H¹(Ω))³ and therefore a conformal finite element approximation in this space. Chapter three is dedicated to the presentation of the discretization of the model's equations in three dimensions of space. In chapter four it is demonstrated the well-posed character of the discrete system of equations when one considers a Taylor-Hood type approximation ℙ₂-ℙ₁. In this section, we proved a result about the existence and the uniqueness of the solution in the case of a polyhedral “torus”. Chapter 5 is dedicated to numerical simulations. First are introduced the terms of the dielectric tensor K and its derivatives, needed to mount the stiffness matrix of the system. The first simulations concern the case where the density of electrons and ions is constant. Then results are presented in the case where densities have a parabolic profile. It is also considered the case where the wave vector is a function of the distance at the center of the tokamak