Cette thèse présente le développement d’une méthode ALE pour la modélisation del’interaction laser–plasma. La particularité de cette méthode est l’utilisation d’une étape de projectiond’ordre élevé. Cette étape de projection consiste en une interpolation conservative des quantitésconservatives du maillage Lagrangien sur un maillage régularisé. Afin d’éviter les oscillationsnumériques non-physiques, les flux numériques d’ordre élevé sont combinés avec des fluxnumériques d’ordre moins élevé. Ces flux numériques sont obtenu en considérant les quantitésconservatives constantes par morceaux. Cette méthode pour la discrétisation cellule–centrée consisteà préserver les maximums locaux pour la densité, la vitesse et l’énergie interne. Aspects particuliersde la méthode sont appliquées pour la projection la quantité de mouvement pour la discrétisation’staggered’. Nous l’utilisons ici dans le cadre de la projection sous la forme de la méthode FluxCorrection Remapping (FCR). Dans cette thèse le volet applicatif concerne la modélisation del’interaction d’un laser énergétique avec de plasma et des matériaux microstructures. Un intérêtparticulier est porté à la modélisation de l’absorption du laser par une mousse de faible densité.L’absorption se fait à deux échelles spatiales simultanément. Ce modèle d’absorption laser à deuxéchelles est mis en oeuvre dans le code PALE hydrodynamique. Les simulations numériques de lavitesse de pénétration du laser dans une mousse à faible densité sont en bon accord avec lesdonnées expérimentales. / This thesis presents the overview and the original contributions to a high–orderArbitrary Lagrangian–Eulerian (ALE) method applicable for the laser–generated plasma modeling withthe focus to a remapping step of the ALE method. The remap is the conservative interpolation of theconservative quantities from a low–quality Lagrangian grid onto a better, smoothed one. To avoidnon–physical numerical oscillations, the high–order numerical fluxes of the reconstruction arecombined with the low–order (first–order) numerical fluxes produced by a standard donor remappingmethod. The proposed method for a cell–centered discretization preserves bounds for the density,velocity and specific internal energy by its construction. Particular symmetry–preserving aspects of themethod are applied for a staggered momentum remap. The application part of the thesis is devoted tothe laser radiation absorption modeling in plasmas and microstructures materials with the particularinterest in the laser absorption in low–density foams. The absorption is modeled on two spatial scalessimultaneously. This two–scale laser absorption model is implemented in the hydrodynamic codePALE. The numerical simulations of the velocity of laser penetration in a low–density foam are in agood agreement with the experimental data.

Les interactions plasma surface (PSI) sont considérées comme l'un des défis scientifiques majeurs de la fusion nucléaire magnétique contrôlée. L'interaction entre les isotopes d'hydrogène et les matériaux de l’enceinte à plasma tels que le tungstène revêt une importance particulière. Le coefficient de perte en surface des isotopes atomiques (γ) est un point clé dans les études PSI. Il peut donner des informations sur le recyclage de l'hydrogène atomique à la paroi et constitue ainsi un paramètre clé dans les modélisations des interactions plasma surface. Le but de ce projet est de déterminer les coefficients de perte de surface de l'hydrogène atomique et du deutérium sur échantillons de tungstène (W) et de nitrure de tungstène (WN) en utilisant une technique de fluorescence induite par plasma (PIF) et une technique de fluorescence induite par laser à deux photons (TALIF). Ce projet s'effectue dans le réacteur CAMITER qui est un réacteur plasma radiofréquence à basse pression au laboratoire PIIM de l'Université Aix-Marseille. / Plasma surface interaction (PSI) is considered to be one of the key scientific challenges in nuclear fusion. The interaction between hydrogen isotopes and plasma-facing materials such as tungsten is of particular importance. The atomic hydrogen isotope surface loss coefficient (γ) is a key point in PSI studies. It can give information on hydrogen isotope inventory and is an important input for modeling and theoretical work. The aim of this project is to determine atomic hydrogen and deuterium surface loss coefficients on tungsten (W) sample by using two-photon-absorption laser induced fluorescence (TALIF) and pulsed induced fluorescence (PIF) technique. This project is carried out in CAMITER reactor which is a low-pressure radio-frequency ICP reactor at PIIM laboratory in Aix-Marseille University.

Les sources d'atomes, la protection thermique pour la rentrée atmosphérique et la dépollution de l'air par couplage plasma-catalyseur voici quelques exemples d'applications pour lesquelles l'interaction plasma-surface joue un rôle principal. Les mécanismes des réactions hétérogènes dans les plasmas contenant les gaz atmosphériques N2/O2 sont encore peu compris. La précision et la capacité de prédiction des modèles cinétiques sont limitées par la connaissance des conditions de la surface. Dans la première partie de ce travail, nous avons étudié l'adsorption et les réactions chimiques des atomes O et N sur des surfaces de différents oxydes (silice, Pyrex, TiO2) sous exposition plasma. Nous avons utilisé la spectroscopie d'absorption par laser accordable, la spectroscopie d'absorption UV, la fluorescence induite par laser à deux photons (TALIF) et la spectrométrie de masse pour suivre l'interaction entre les espèces en phase gaz et les surfaces. L'analyse chimique de surface a été effectuée par spectrométrie photoélectronique X (XPS). Nous avons montré que des atomes stables Nads et Oads peuvent être chimisorbés sur la surface par plasma dans O2 et N2 à basse pression (~ 1 mbar). Leur densité et la réactivité ont été évaluées par réactions avec des molécules stables (NO, C2H2) et des radicaux (O, N) sur la surface prétraitée. Le rôle des atomes chimisorbés pour la recombinaison hétérogène d'atomes a été étudié en utilisant l'échange isotopique 15N ↔ 14Nads et 18O ↔ 16Oads sous exposition plasma. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons étudié la relaxation vibrationnelle des molécules de N2 sur des surfaces catalytiques par la technique de titrage infrarouge (IR). Des mélanges contenant 0,05 - 1% de CO2 (CO ou N2O) dans N2 à la pression p = 1,3 mbar ont été excités par une décharge dc pulsée. La cinétique de la relaxation vibrationnelle des traceurs IR dans la post-décharge a été mesurée par un laser à cascade quantique. Grace à un couplage très efficace entre N2 et CO2 (CO ou N2O), l'excitation vibrationnelle de CO2 (CO ou N2O) reflet l'excitation de N2. Un modèle numérique de la cinétique vibrationnelle a été développé afin d'interpréter les mesures de relaxation. La probabilité de perte d'un quanta vibrationnel de N2 sur la surface a été déterminée à partir du meilleur accord entre l'expérience et le modèle.

Les travaux présentés dans ce mémoire concernent l’étude des plasmas d’argon créés dans une cavité résonnante micro-ondes fonctionnant à la pression atmosphérique et leur application au nettoyage de surface. Tout d’abord, une étude des enjeux du nettoyage de surfaces industrielles est présentée ainsi qu’un état de l’art des solutions existantes et leurs limitations, mettant en évidence l’intérêt des plasmas comme alternative, notamment ceux fonctionnant en cavité résonnante micro-ondes à pression atmosphérique dont les particularités sont présentées. Dans le cas de l’argon, ces décharges présentent la particularité de ne pas être homogènes mais constituées de un ou plusieurs filaments de faibles diamètres, dépendant des conditions expérimentales. L’étude de la filamentation de ces décharges est l’objet du second chapitre où il a été mis en évidence les corrélations, dans le cas d’un filament unique, entre ses dimensions, sa température et la puissance dissipée et qu’il existait un seuil de puissance au-delà duquel la filamentation apparaissait. Une modélisation électromagnétique simple a été réalisée permettant de décrire l’influence des paramètres principaux de la décharge sur la filamentation. Le troisième chapitre présente les résultats de la caractérisation d’un filament d’argon par absorption laser en plasma continu et pulsé. L’effet de l’addition d’oxygène y est également présenté. Le dernier chapitre concerne l’étude de l’application des post-décharges micro-ondes à la pression atmosphérique créées dans des mélanges argon-azote et argon-oxygène au nettoyage de surface. On y étudie notamment l’interaction de ces post-décharges avec des molécules organiques modèles (acide stéarique et 1-octadécène). L’analyse de surface avec des techniques d’analyse d’extrême surface par spectrométrie de masse (ToF-SIMS et FTMS) a permis d’améliorer notre compréhension des mécanismes de nettoyage / The present work deals with the study of argon microwave plasmas generated in resonant cavity at atmospheric pressure and their application to surface cleaning. First, a study of the aim of surface cleaning of industrial surfaces is presented, followed by a state of the art of existing solutions and their limitations, showing the interest of plasmas as an alternative, especially atmospheric pressure microwave resonant cavity plasmas. In the case of argon, these plasmas have the particularity to be inhomogeneous and constituted of one or many small diameter filaments, depending on experimental conditions. The study of the filamentation of these discharges is the subject of the second chapter. In the case of one filament, correlations have been evidenced between its size, its temperature and the dissipated power. A simple electromagnetic simulation allowed us to describe the influence of the main plasmas parameters on the filamentation process. The third chapter presents results from the characterisation of a single argon filament by the mean of diode laser absorption in continuous and pulsed plasma mode. The effect of oxygen addition is also studied. The last chapter deals with the study of the use of atmospheric pressure microwave post-discharges in argon-nitrogen or argon-oxygen mixtures for surface cleaning application. We studied the interaction of such post-discharges with model organic molecules (stearic acid and 1-octadecene). Surface analyses by the mean of extreme surface analysis techniques based on mass spectrometry (ToF-SIMS and FTMS) allow us to improve our understanding of cleaning mechanisms

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