Caractéristiques radiatives d’un plasma d’aluminium induit par laser en cours de création Vincent MOREL Arnaud Bultel Bruno G. Chéron

Plan Plan But de l’étude Phase de création d’un plasma de LIPS Objectif de notre étude Modèle numérique Hypothèses et structure du modèle Résultats de la modélisation Etude expérimentale Rayonnement d’émission Diffusion Thomson Perspectives, conclusion But de l’étude Phase de création d’un plasma de LIPS Objectif de notre étude Modèle numérique Hypothèses et structure du modèle Résultats de la modélisation Etude expérimentale Rayonnement d’émission Diffusion Thomson Perspectives, conclusion

Introduction à notre étude Flux laser Flux de particules Cible ex ex Gaz/plasma -50 μm Cible laser Couche de Knudsen Knudsen layer Laser-induced plasma diagnostics (LIPS) Avantages : Simple d’utilisation, rapide et précis Inconvénient : Comparer avec des banques de données PAMO 2010 02/07/10

Phase de recombinaison Etat de l’art Evolution temporelle de la densité électronique pour différentes pression [4] Phase de recombinaison Phase de création Titane métallique 248 nm, 5 J.cm-2, 30 ns PAMO 2010 02/07/10 [4] M. Capitelli, A. Casavola, G. Colonna and A. De Giacomo, Spect. chim. B. 59 271-289 (2004)

Objectifs de notre étude Modéliser la formation du plasma pour obtenir une description globale Déterminer numériquement les composition du plasma et de la cible Modèles 1D développés (cas-test : aluminium) Modélisation des phases de création et de recombinaison du plasma Plasma 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/plasma Cible laser Surface Gaz/plasma Cible laser

Plan Plan Modèle numérique But de l’étude Phase de création d’un plasma de LIPS Objectif de notre étude Modèle numérique Hypothèses et structure du modèle Résultats de la modélisation Etude expérimentale Rayonnement d’émission Diffusion Thomson Perspectives, conclusion

Pulse laser et Température de surface Equation pour la densité de flux du laser avec Caractéristiques du laser τ λ Energie du pulse : E = 65 mJ Diamètre de focalisation : d = 1 mm Durée du pulse : = 5 ns Longueur d’onde : = 532 nm Equation pour la température de surface Evaporation pilotée par la pression de vapeur saturante Tfusion = 933 K PAMO 2010 02/07/10

Modélisation de la phase plasma Hypothèses de résolution Modèle 1D Monocouche d’épaisseur X variable Equations de bilan local de l’énergie Vitesse d’agitation thermique Flux laser Flux de particules Cible ex Pour les électrons Pour les lourds Indices: e: électrons l: lourds e: énergie de la particule p.u.v. PE: terme de production φE: terme de flux PAMO 2010 02/07/10

Interaction laser - plasma Composition du plasma Al (43 niveaux) Al+ (42 niveaux) Al2+ (21 niveaux) Al3+ (1 niveau) Electrons libres Processus d’interaction Ionisation multi-photonique Bremsstrahlung inverse Excitation et ionisation par impact électronique Collision élastique Emission spontanée 400 transitions Bremsstrahlung direct « thermique » PAMO 2010 02/07/10

Evolution temporelle des températures du plasma Chauffage du plasma Evolution temporelle des températures du plasma Tmax = 3000 K et Tmax = 4000 K

Cinétique d’ionisation Evolution temporelle des densités des composants du plasma Tmax = 3000 K et Tmax = 4000 K

Influence des processus sur l’évolution des températures

Chauffage de la cible (Modèle B) Condition à la limite : continuité du flux Equation 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 saturante Tfusion = 933 K PAMO 2010 02/07/10

Atteinte du point critique Evolution temporelle de la température de surface et de la densité de flux d’énergie du laser 8000 Tcritique = 6900 K 6000 TS(K) 4000 2000 2.0 1.5 φ(x1013 W.m-2) 1.0 0.5 t = 0 s pour le plasma Temps (s)

Plan Plan Modèle numérique But de l’étude Phase de création d’un plasma de LIPS Objectif de notre étude Modèle numérique Hypothèses et structure du modèle Résultats de la modélisation Etude expérimentale Rayonnement d’émission Diffusion Thomson Perspectives, conclusion

Schéma du dispositif expérimental lentilles collectrices

Emission aux temps courts

Tentative de détermination de ne Détermination de Te par l’alignement des points expérimentaux

Dispositif expérimental pour diffusion Thomson Cible horizontale en rotation dans réacteur sous vide Spectromètre et caméra ICCD Générateur de délais pour contrôle lasers/caméra Laser de sonde Laser de pompe

Conclusion & Perspectives 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

Influence des processus sur l’évolution des densités