Etude expérimentale et numérique de la cinétique de plasmas d'air produits par rayonnement X impulsionnel
- Maulois, Mélissa (2016)
Thèse de doctorat
- Type de document
- Thèse de doctorat
- Diffusion
- Accès libre
- Titre
- Etude expérimentale et numérique de la cinétique de plasmas d'air produits par rayonnement X impulsionnel
- Auteur
- Maulois, Mélissa
- Date de soutenance
- 2016-09-29
- Structure de recherche
- Laboratoire PLAsma et Conversion d'Energie (LAPLACE), UMR 5213
- Discipline
- Ingénierie des PLASMAS
- Sujet
- Physique
- Mots-clés en français
- Rayonnement X
- Plasma d'air faiblement ionisé
- Modèle cinétique
- Diagnostic par absorption micro-onde
- Densité et énergie moyenne des électrons
- Résumé en français
- L'irradiation de l'air par un rayonnement X, est à l'origine de la création d'un plasma pouvant modifier la génération et la propagation des champs électromagnétiques (champs EM), perturbant ainsi les systèmes électroniques environnants. La quantification de ces contraintes nécessite en amont une étude approfondie sur le plasma généré par les particules énergétiques. Un modèle de cinétique chimique 0D a été développé afin de caractériser le plasma au cours du temps pour différentes pressions d'air. Le modèle est défini par le couplage des équations d'évolution des densités des espèces composant le plasma avec l'équation de conservation de la densité d'énergie moyenne des électrons. Afin de mettre en place et tester le modèle, il a d'abord été appliqué à un cas théorique, où le plasma est généré par un flash X d'une durée de 100 ns, possédant une énergie moyenne constante et égale à 1 MeV. Suite à l'irradiation de l'air sec par les X, deux populations d'électrons Compton " relativistes " et " non relativistes " sont générés. Les électrons Compton initient l'avalanche électronique conduisant à la formation du plasma étudié. Les résultats obtenus montrent que le plasma est principalement généré par l'ionisation du gaz par les électrons Compton relativistes. Bien qu'initié par des X durs, le plasma généré est faiblement ionisé avec une densité électronique maximale de 1013 cm-3 à la pression atmosphérique et une énergie moyenne maximale des électrons d'environ 4 eV. Afin de valider le modèle, des mesures temporelles de densités électroniques ont été effectuées. Les travaux réalisés consistent à irradier un guide d'onde remplie d'air, à une pression fixée, par une impulsion de rayonnement X durant 90 ns. L'objectif de l'expérience est de mesurer l'absorption d'une onde électromagnétique suite à son passage dans le plasma contenu dans le guide. Le coefficient d'absorption de l'onde dans le guide dépend de la constante de propagation en espace libre, qui est proportionnelle à la fréquence plasma et donc à la densité électronique. La restitution de la densité électronique expérimentale est alors établie en utilisant les formalismes d'absorption dans un guide d'onde remplie de plasma. Afin de comparer les résultats expérimentaux et numériques, le modèle cinétique a été adapté à l'expérience. Dans le cas de l'air avec 76% d'humidité relative, entre 30 mbar et la pression atmosphérique, l'écart relatif entre la mesure et le modèle concernant le maximum de la densité électronique est inférieur à 10% sachant que le maximum de la densité varie de 4x1011 à 3.5x1013 cm-3. L'écart entre la densité électronique mesurée et simulée par le modèle, augmente lorsque l'on considère toute la durée de l'impulsion X, avec une erreur relative moyenne d'environ 30%. Sachant que la mesure de la densité électronique présente une incertitude de ±30%, les résultats obtenus par le modèle sont satisfaisants et permettent ainsi sa validation. Le modèle cinétique a de plus permis de déterminer l'évolution temporelle de l'énergie moyenne des électrons du plasma. Le profil de l'énergie est similaire au profil obtenu par le cas théorique, avec un maximum de 4.27 eV de la pression atmosphérique à 50 mbar. Pour des pressions plus faibles l'énergie moyenne des électrons augmente légèrement. Quelle que soit la pression de l'air, les processus dominant la formation du plasma sont les réactions d'ionisation des molécules du gaz par impact électronique. Puis le plasma se recombine et les densités des espèces se stabilisent par l'intervention des processus d'attachement, de détachement, de recombinaison des ions, ainsi que les réactions entre particules lourdes. Le modèle cinétique a donc permis de caractériser le plasma d'air froid hors-équilibre, généré par une impulsion de photons X d'une durée de 90 ns. Les travaux effectués permettront de définir la conductivité et la permittivité diélectrique, afin de les utiliser comme paramètres d'entrées dans les codes de calculs des champs EM.
- Résumé en anglais
- The irradiation of air by an X-ray, produces an air plasma which can affect the generation and the propagation of electromagnetic fields, disrupting the surrounding electronic systems. Quantifying these constraints requires beforehand a comprehensive study of the plasma generated by the energetic particles. A 0D chemical kinetics model was developed to characterize the time evolution of the air X-ray induced plasma for different air pressures. The model is defined by the coupling of the evolution equation of the densities of the main species plasma with the equation of conservation of the mean energy density of electrons. To develop and test the model, it was first applied to a theoretical case where the plasma is generated by an X-ray flash with a duration of 100 ns with a constant mean energy equal to 1 MeV. The irradiation of dry air by X-rays leads to the generation of two populations of electrons Compton "relativistic" and "non-relativistic". In fact, these Compton electrons initiate the electron avalanches leading to the formation of the studied plasma. The obtained results show that the plasma is primarily generated by ionization of the gas by the relativistic Compton electrons. Although initiated by hard X-rays, the plasma generated is weakly ionized with a maximum electron density of 1013 cm-3 at atmospheric pressure and a maximum electron mean energy of about 4 eV. The validation of the model is based on the electron density measurements. For various air pressures, the experiments performed consist of irradiating an air-filled waveguide, by an X-ray pulse during 90 ns. The aim of the experiment is to measure the absorption of an electromagnetic wave after its passage through the plasma contained in the guide. The absorption coefficient of the wave in the guide depends on the constant of propagation in free space, which is proportional to the plasma frequency and thus to the electron density. The experimental electron density is then determined using the formalism of absorption in a plasma filled waveguide. To compare the experimental and numerical results, the kinetic model was adapted to the experiments by considering more particularly the waveguide walls and the humidity of the air. In the case of air with 76% of relative humidity, between 30 mbar and atmospheric pressure, the relative gap between the measurements and the model for the maximum electron density is lower than 10% knowing that the maximum of the density varies from 3.5x1013 to 4x1011 cm-3. The deviation between the measured electron density and the simulated one, increases when the whole X-ray pulse duration is considered, with a mean relative deviation of about 30%. Knowing that the measurement of the electron density is determined with an uncertainty of ± 30%, the kinetic model results are satisfying and thus enable the model validation. The kinetic model has also allowed to determine the time evolution of the mean electron energy of the plasma. The energy profile is similar to the profile obtained by the theoretical case with a maximum of 4.27 eV from atmospheric pressure to 50 mbar. For lower pressures, the mean energy slightly increases. Regardless of the air pressure, the dominant processes that govern the plasma formation are ionization reactions of the gas molecules by electron impacts. Then the plasma recombines and densities of species stabilized by the intervention of attachment processes, detachment, ion recombination, as well as reactions between heavy particles. The kinetic model allowed us to characterize the cold non-equilibrium air plasma generated by an X-ray photon pulse with a duration of 90 ns. The present work will define the plasma conductivity and dielectric permittivity, to use them as input parameters in the electromagnetic fields codes to quantify the EM perturbation of the electronic systems.
- Numéro national de thèse
- 2016TOU30121
- Date de publication
- 2017-01-10T11:39:10
Citation bibliographique
Maulois, Mélissa (2016), Etude expérimentale et numérique de la cinétique de plasmas d'air produits par rayonnement X impulsionnel [Thèse de doctorat]