Analyse de la température du gaz dans les plasmas de haute fréquence à la pression atmosphérique par spectroscopie à très haute résolution spectrale

Le présent mémoire de maîtrise est consacré à une étude spectroscopique de la température du gaz dans les plasmas hors équilibre thermodynamique d’argon à la pression atmosphérique. Nous avons notamment pu extraire, à l’aide de mesures par spectroscopie optique d’émission de structures rotationnelles des systèmes OH (A2Σ+- X2Πi) et N2+ (B2Σu+- X2Σg+), la température rotationnelle d’un plasma radiofréquence en régime capacitif et d’un plasma micro-onde produit par une onde électromagnétique de surface. En comparant ces mesures à celles obtenues par l’analyse de l’élargissement des raies 2p2-1s2 et 2p3-1s2 de l’argon avec un spectromètre à très haute résolution spectrale, nous avons pu démontrer que l’équilibre rotation-translation (Trot=Tg) n’est jamais atteint dans les configurations de plasmas étudiées. Cet écart entre les deux températures est attribué à l’influence des électrons, en compétition avec les atomes neutres, imposant leurs propres températures sur la distribution des niveaux rotationnels. De plus, l’effet du flux de gaz et de l’ajout de CO2 sur le chauffage du gaz a été étudié dans un plasma micro-onde d’argon à la pression atmosphérique. Nous avons noté des changements importants dans les profils axiaux de Tg en amont et en aval de l’excitateur à onde de surface selon les conditions opératoires. Pour séparer les facteurs gouvernant le chauffage du gaz à ceux associés au dépôt de puissance par l’onde électromagnétique, nous avons normalisé nos valeurs de Tg aux intensités des émissions de l’argon liées aux transitions 2p-1s entre 700 et 900 nm. Pour des temps de résidence dans le plasma d’argon suffisamment longs (et donc de faibles débits de gaz), les valeurs de Tg normalisées montrent un comportement assez constant, ce qui indique que le chauffage s’effectue principalement de manière locale. Au contraire, pour des temps plus longs (et donc des débits de gaz plus importants), les valeurs de Tg normalisées augmentent le long de la colonne à plasma, ce qui révèle que les phénomènes de transport commencent à jouer un rôle important. On note aussi un changement de comportement à plus hauts débits de gaz dû au passage d’un régime d’écoulement laminaire à un régime turbulent. En présence de CO2, dû aux mécanismes de chauffage additionnels, les valeurs de Tg normalisées sont systématiquement plus élevées.The present master thesis is devoted to a spectroscopic study of the gas temperature in non-thermodynamic equilibrium argon plasmas at atmospheric pressure. In particular, we were able to extract, by means of optical emission spectroscopy measurements of rotational structures of the systems OH (A2Σ+- X2Πi) and N2+ (B2Σu+- X2Σg+), the rotational temperature of a radiofrequency plasma in capacitive mode and of a microwave plasma produced by an electromagnetic surface wave. By comparing these measurements with those obtained by the analysis of line broadening from 2p2-1s2 et 2p3-1s2 of argon with an ultrahigh spectral resolution spectrometer, we were able to demonstrate that the rotational-translational equilibrium (Trot=Tg) is never achieved in the plasma configurations studied. The departure from both temperatures is ascribed to the influence of electrons competing with neutrals to impose their own temperature on the distribution of rotational levels. In addition, the effect of gas flow and addition of CO2 admixtures on the gas heating has been studied in a microwave argon plasma at atmospheric pressure. We noted significant changes in the axial profiles of Tg on the upstream and downstream plasma column according to operating conditions. To separate the factors governing the heating of gas from those associated with the deposition of power by the electromagnetic wave, we have normalized our Tg values to the intensities of the argon emissions linked to the transitions 2p-1s between 700 and 900 nm. For long enough gas residence times in the argon plasma (and therefore low gas flow rates), normalized Tg values show a fairly constant behaviour, which indicates that the heating takes place mainly locally. On the contrary, for longer times (and therefore higher gas flow rates), normalized Tg values increases along the plasma column, which reveals that transport phenomena are starting to play an important role. There is also a change in behaviour at higher gas flow rates due to the change from a laminar flow regime to a turbulent regime. In the presence of CO2 admixtures, due to additional heating mechanisms, normalized Tg values are consistently higher