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Vincent MOREL Arnaud Bultel Bruno G. Chéron

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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

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Presentation Transcript
slide1

Caractéristiques radiatives

d’un plasma d’aluminium induit par laser

en cours de création

Vincent MOREL

Arnaud Bultel

Bruno G. Chéron

slide2

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
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Flux de

particules

Flux laser

Cible

ex

Couche de Knudsen

Gaz/plasma

laser

Cible

-50 μm

0

ex

Introduction à notre étude

  • Laser-induced plasma diagnostics (LIPS)
    • Avantages : Simple d’utilisation, rapide et précis
    • Inconvénient : Comparer avec des banques de données

Knudsen layer

PAMO 2010

02/07/10

slide4

Phase de

création

Phase de recombinaison

Etat de l’art

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

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)

slide5

Gaz/plasma

laser

Cible

Cible

Gaz/plasma

laser

Surface

Objectifs de notre étude

  • Objectifs
    • Modéliserlaformationduplasmapourobtenirunedescriptionglobale
    • 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

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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
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τ

λ

Pulse laser et Température de surface

  • Equation pour la densité de flux du laser

avec

Caractéristiques du laser

  • Durée du pulse : =5ns
  • Longueur d’onde : =532nm
  • Energie du pulse : E=65mJ
  • Diamètre de focalisation :d=1mm

Equation pour la température de surface

Evaporation pilotée par la pression de vapeur saturante

Tfusion = 933 K

PAMO 2010

02/07/10

mod lisation de la phase plasma

Flux de

particules

Flux laser

Cible

ex

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

  • 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
Interaction laser - plasma

Composition du plasma

  • Al2+ (21 niveaux)
  • Al3+ (1 niveau)
  • Al (43 niveaux)
  • Al+ (42 niveaux)
  • 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

slide10

Chauffage du plasma

Evolution temporelle des températures du plasma

Tmax = 3000 K et Tmax = 4000 K

slide11

Cinétique d’ionisation

Evolution temporelle des densités des composants du plasma

Tmax = 3000 K et Tmax = 4000 K

slide12

Influence des processus

sur l’évolution des températures

slide13

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
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

Temps (s)

t = 0 s

pour le plasma

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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
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lentilles collectrices

Schéma du dispositif expérimental

tentative de d termination de n e
Tentative de détermination de ne

Détermination de Te

par l’alignement des

points expérimentaux

slide19

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

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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 modèleB
  • Exploitation des 2 modèles pour diverses conditions
  • Mesures directes de ne et Te par diffusion Thomson
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Influence des processus

sur l’évolution des densités

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