Caractéristiques radiatives d’un plasma d’aluminium induit par laser

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

2 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

3 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

4 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 (2004)

5 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

6 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

7 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

8 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

9 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

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

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

12 Influence des processus
sur l’évolution des températures

13 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

14 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)

15 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

16 Schéma du dispositif expérimental
lentilles collectrices

17 Emission aux temps courts

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

19 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

20 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

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22 Influence des processus
sur l’évolution des densités

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