Ce travail de thèse est consacré au développement de la technique de fluorescence induite par laser (LIF) à deux photons appliquée à la molécule CO pour des mesures en flammes à haute pression. Différents schémas d'excitation laser à deux photons et de fluorescence sont comparés afin de déterminer celui qui est le mieux adapté à la détection de CO en milieux de combustion. Le schéma de transitions électroniques B1 Σ+ - X1 Σ+ (230 nm) / B1 Σ+ - A1 Π(483 nm) est sélectionné. Un code de calcul des spectres LIF à deux photons de CO est développé pour prédire l'évolution du signal sur une large gamme de températures et de pressions. Des mesures dans une cellule à haute température et haute pression, et dans une flamme laminaire CH4/air à 1 bar sont réalisées de 300 à 1750 K, et de 1 à 13 bar. Les résultats indiquent une dépendance polynomiale d'ordre 2 du décalage spectral avec la pression ainsi que l'asymétrie du spectre qui croît avec la pression entre 300 et 860 K. La limite de détectivité de CO par LIF en ponctuel est estimée de 500 ppm en flamme à 1 bar. L'effet de la température sur les profils spectraux est bien reproduit par la simulation. La comparaison des profils mesurés en flamme à 1 bar avec les profils simulés donne une température de 1750 +-50 K, en accord avec celle prédite par le modèle de combustion. L'effet de la pression sur le profil spectral (décalage, élargissement et asymétrie) est correctement simulé en considérant un profil collisionnel de Lindholm de 1 à 5 bar à 300 K, et de 1 à 7 bar à 860 K. L'imagerie de fluorescence induite par laser de CO a été développée en flamme à 1 bar. La limite de détectivité est déterminée de 900 ppm pour nos conditions expérimentales. / This work is dedicated to the development of two-photon laser induced fluorescence (LIF) of COfor application in high-pressure flames. Different two-photon excitation and fluorescence schemes arecompared in order to determine which one is more suitable for the detection of CO in flames. TheB1Σ+ -X1Σ+ (230 nm)/B1Σ+ -A1Π (483 nm) electronic transitions scheme is chosen. A numericalcode of two-photon LIF spectra is developed to predict the evolution of fluorescence signals over awide range of temperatures and pressures. Measurements in a high temperature and high pressure celland in a laminar CH4/air flame at 1 bar are performed from 300 to 1750 K and from 1 to 13 bars.Results indicate a square dependence of the collisional shift upon pressure and a large asymmetry ofthe spectrum at high pressure between 300 and 860 K. The detection limit is estimated to be 500 ppmin flame at 1 bar. Influence of temperature on LIF spectra is well reproduced by the simulations. Comparisonbetween measured and simulated excitation spectra lead to a flame temperature of 1750+-50K, in accordance with combustion modelling. The Lindholm profile is used in order to reproduce thepressure-dependence of the spectrum in the range 1 to 5 bars at 300 K, and 1 to 7 bars at 860 K.Planar laser induced fluorescence imaging of CO is developed in flame at 1 bar. The detection limit is900 ppm in our experimental conditions.

Des diagnostics optiques non-intrusifs sont développés afin d’améliorer la compréhension des phénomènes d’évaporation de gouttes de combustible multicomposant. La configuration simplifiée retenue est un jet linéaire de gouttes monodispersées. L’évaporation est réalisée soit à la température ambiante, soit à des températures plus élevées de l’ordre de 500°C. Le combustible utilisé est composé d’éthanol et d’acétone, dont les volatilités sont très différentes. Deux nouvelles techniques de mesures fondées sur la Fluorescence Induite par Laser (LIF) ont été développées au cours des ces travaux. La première, la LIF à trois couleurs permet de mesurer la température moyenne de gouttes binaires. La deuxième exploite la fluorescence émise par l’acétone excitée par un rayonnement laser à 266 nm afin de déterminer la composition instantanée du mélange. Les résultats expérimentaux ont été comparés à un modèle à composants discrets utilisant une approche 1D quasi-stationnaire / Non intrusive optical diagnostics are developed to investigate the mechanisms governing multicomponent droplets evaporation. The case of periodically and linearly arranged monodisperse droplets is considered in these experiments. Droplets are injected either at ambient temperature or into a hot air plume at about 500°C. The fuel mixture is made of ethanol and acetone, which exhibit very different volatilities. Two techniques based on Laser Induced Fluorescence (LIF) have been developed to investigate heat and mass transfers. The first one, the three colours LIF allows obtaining the average temperature of binary droplets. The second one used the fluorescence of acetone excited by an UV laser (266 nm) in order to quantify the acetone molar fraction. Finally, measurements are compared with a numerical model that is derived from a discreet component approach and the assumption of 1D quasi-steady evolution of the gas phase

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Des diagnostics optiques non intrusifs ont été utilisés afin d’investiguer les mécanismes gouvernant l’évaporation de trains de gouttes en interaction ou de sprays. Une technique basée sur la fluorescence induite par laser à deux couleurs (2cLIF) du pyrrométhène 597-8C9 ensemencé en très faible concentration dans le liquide à étudier a été développée pour obtenir la température moyenne de gouttes combustibles mono et bicomposant (alcanes, alcool, cétones) évoluant dans un train de gouttes monodisperse. En parallèle, l’évolution du diamètre des gouttes a été déterminée par interférométrie en diffusion avant. L’évolution temporelle de la température et du diamètre des gouttes en évaporation a été mesurée pour une large gamme de paramètres d’injection et d’interaction. Plusieurs combustibles présentant différentes volatilités ont ainsi été étudiés dans une chambre d’évaporation. Les paramètres caractérisant les transferts de chaleur et de masse représentés par les nombres de Nusselt et de Sherwood, intervenant dans le mécanisme d’évaporation des gouttes en interaction, ont été calculés à partir des données expérimentales, ce qui a permis la caractérisation de l’influence des interactions entre gouttes sur les transferts, en mettant en évidence un effet notable de la volatilité du combustible. Ensuite la technique de 2cLIF a été étendue à la mesure de la température moyenne d’un spray de gouttes binaires composées d’un mélange n-décane / 3-pentanone et injecté dans un écoulement turbulent chauffé. Le développement d’une technique de couplage de la technique LIF avec la granulométrie phase Doppler (PDA) a permis la mesure de températures par classe de taille de goutte / Non intrusive optical diagnostics are used in order to investigate the mechanisms that govern the droplets evaporation. A new technique based on 2-colours laser-induced fluorescence (LIF) of the pyrromethene 597-8C9 was developed to obtain the mean temperature of evaporating bicomponent fuel droplets in a linear monodisperse droplet stream. In parallel size evolution of the droplet was measured thanks to forward scattering methods. Data on evaporating and interacting droplet streaming linearly have been collected for different injection parameters and several monocomponent fuels (alcohol, ketones, alkanes) that exhibit different volatilities and bicomponent fuels (mixture of n-decane and 3-pentanone), in a temperature controlled evaporation chamber. Heat and mass transfers parameters (Nusselt and Sherwood numbers) involved in the evaporation process of interacting droplets are inferred from the experimental data. The result exhibits a strong influence of the volatilities of the fuel on the effect of the interaction on heat and mass transfers. Then the 2-colours LIF technique was extended to measure the mean temperature within a spray made of bicomponent droplets (n-decane / 3-pentanone), injected in a hot air flow where the turbulence and boundary conditions are controlled. By means of a coupling with the PDA (Particle Dynamic Analyser), temperature for each size of droplets was determined

Cette thèse a eu pour objectif le développement d’un contrôle du profil de rotation d’une colonne de plasma. Cette étude est menée dans le but du développement d’une nouvelle génération d’expériences utilisant les plasmas à fort taux d’ionisation pour étudier les phénomènes d’induction magnétique. Au cours de cette thèse, un grand nombre de techniques de mesures optiques et électrostatiques ont été mis en place. Ces dispositifs expérimentaux ont permis la caractérisation de l’évolution des paramètres plasmas en fonction des paramètres expérimentaux et une meilleure description du plasma. Une attention particulière a été porté à la mesure de la température ionique du plasma par deux dispositifs optiques différents : un Fabry-Pérot de grande finesse et un dispositif de Fluorescence induite par laser (LIF). L’établissement du profil de vitesse azimutal du plasma a été mesuré grâce à des sondes de Mach et expliqué en s’appuyant sur les profils radiaux des paramètres plasmas. L’impact sur cette vitesse azimutale de l’injection localisée de courant dans le plasma par une électrode émissive de grande taille a été étudié. Nous avons démontré qu’il est possible de contrôler la forme du profil de vitesse ainsi que son amplitude grâce à ce dispositif d’injection de courant. Enfin, l’apparition d’ondes de dérives pour de fort champs magnétiques a été observée, ainsi que l’interaction entre l’émission de courant dans le plasma et la dynamique de ces ondes. / The goal of this PhD is to develop a setup controlling the rotation profile of a plasma column. This study is realized within the aim of developing a new type of experiments using the strongly ionized plasmas to study magnetic induction phenomena. A great number of plasma diagnostics have been set up during the PhD, including electrostatic and optical diagnostics. These measurement technics have allowed us to characterize the evolution of the plasma parameters depending on the experimental conditions and to build a better description of the plasma. A special focus has been made on the measurement of the ion temperature by two different setups: a Fabry-Pérot with a high finesse and a Laser Induced Fluorescence (LIF) setup. The mean azimuthal velocity profile of the plasma has been measured using Mach probes and explained based on the plasma parameters radial profiles. The effect of localized current injection inside the plasma by a large size emissive electrode has been studied. We have shown that the shape and the amplitude of the velocity profile can be controlled thanks to this setup. Finally, the appearance of drift waves with high magnetic fields has been observed, along with the interaction between the current injection and the dynamic of these waves.

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.

Ce travail est consacré à l'étude d'une technique originale basée sur l'ablation laser du mercure liquide dans le but d'augmenter l'efficacité de conversion d'une source VUV cohérente à 125 nm. Ce rayonnement est obtenu par somme de fréquences résonnante à deux photons (6s 1S0 -> 7s 1S0) dans une vapeur de mercure à température ambiante. Les paramètres expérimentaux tels que la géométrie de la plume d'ablation, l'énergie des faisceaux fondamentaux, la densité d'énergie du laser d'ablation et la pression d'un gaz neutre (ici l'argon qui permet de confiner la plume) ont été optimisées et ont amené une amplification d'un ordre de grandeur (jusqu'à deux ordres de grandeur pour des intensités réduites) soit une énergie de 250 nJ. Afin de mieux comprendre les phénomènes physiques mis en jeu, une caractérisation complète de la plume a été menée grâce à des expériences d'imagerie et de spectroscopie résolues en temps. La luminescence propre de la plume ainsi que la fluorescence induite par l'absorption de deux photons (sur la raie 6s 1S0 -> 7s 1S0) nous ont permis de connaître la composition de la plume, d'estimer sa température, les vitesses des différentes espèces et la densité d'atomes à l'état fondamental. Un étalonnage réalisé à partir du signal de somme de fréquences a permis d'obtenir une cartographie du nombre absolu d'atomes de mercure dans l'état fondamental. Nous avons également montré que la manipulation du faisceau VUV est rendue plus simple dans une boîte à gants (ici remplie d'argon) que dans le vide. Une structure périodique, de 100 µm de pas, a été réalisée par lithographie sur du PMMA et des premiers pas vers la lithographie par interférométrie ont été franchis.

Les plasmas contaminés par des poussières (plasmas poussiéreux) constituent une des nouvelles branches de la physique des plasmas. On les rencontre aussi bien à l'état naturel (plasmas astrophysiques) que dans les plasmas industriels (micro-électronique). Dans cette thèse, nous analysons le comportement de poussières dans la gaine d'une électrode polarisée négativement et plongée dans un plasma d'argon. Celui-ci est créé dans une enceinte multipolaire, par une décharge continue à cathode chaude, à basse pression (plasma non collisionnel). La charge négative d'une poussière isolée est estimée expérimentalement en mesurant sa hauteur de lévitation (lieu d'équilibre entre la force de gravité et la force électrique développée par l'électrode) ou en étudiant son oscillation résonante (oscillation naturelle ou forcée). Pour cela, le profil de potentiel de la gaine est mesuré avec des sondes différentielles. Nous vérifions que cette charge est du même ordre de grandeur que celle prédite par le modèle OML. Nous estimons l'influence des poussières sur la dynamique des ions dans la région de gaine avec le diagnostic de Fluorescence Induite par Laser (FIL). Nous étudions une collision binaire élastique dont les caractéristiques dépendent du potentiel d'interaction entre les poussières. Celui-ci peut être modélisé par un potentiel Coulombien écranté et nous donnons une estimation de la longueur d'écrantage appliquée aux poussières. Elle est du même ordre de grandeur que la longueur de Debye électronique. Lorsque l'énergie cinétique des poussières diminue, des couplages forts apparaissent entre les poussières et nous observons la formation de structures hexagonales. Un calcul variationnel montre qu'elles représentent l'état d'énergie minimum du système. Nous donnons une estimation du paramètre de couplage, rapport entre l'énergie d'interaction Coulombienne et l'énergie cinétique.

Les techniques de mesures optiques non intrusives développées depuis plusieurs dizaines d'années permettent la mesure des paramètres physiques tels que la température, la concentration des espèces chimiques et la vitesse. Tous ces diagnostics optiques, bien que très performants, sont généralement appliqués en mesures ponctuelles.<br />Le but de la thèse est de développer une ou plusieurs techniques d'imagerie quantitatives et instantanées de température et de concentration. Deux axes d'études complémentaires ont été abordés au cours de ce travail. Il s'agit de la fluorescence induite par laser sur le radical OH pour l'étude des milieux en combustion et de la fluorescence induite par laser d'un traceur moléculaire (acétone) pour l'étude des écoulements non réactifs. Ces deux axes d'étude ont été menés en parallèle avec la même approche : après compilation des données bibliographiques, des modèles de fluorescence induite par laser de ces deux espèces ont été développés. Les résultats de ces modélisations ont servi à sélectionner les meilleures stratégies expérimentales. <br />Des expériences pilotes ont été mises en place en vue développer ces techniques d'imagerie. Elles consistent en l'utilisation des modèles proposés pour les deux traceurs étudiés afin d'obtenir des images instantanées et couplées de température et de concentration dans différents types d'écoulements (combustion hydrogène–air, mélange de jets, ...). <br />D'autres applications ont été réalisées sur des bancs d'essais à caractère semi-industriel afin de caractériser l'utilisation de ces techniques dans des conditions de mesures sévères. <br />Les résultats obtenus au cours de ces différentes expériences montrent que l'outil d'imagerie quantitative et instantanée développé est opérationnel, répondant ainsi à un besoin d'informations quantitatives et spatialement résolues et complétant les possibilités offertes par les autres diagnostics optiques.

La fluorescence induite par laser multibande est une technique non intrusive permettant d’accéder à la température de la phase liquide dans des milieux complexes. L’application de cette technique dans des liquides monophasiques où le chemin optique est variable (produit de la concentration moléculaire du traceur et de la distance dans le milieu liquide entre le volume de mesure et l’optique de détection) a été considérée. Le rapport des intensités de fluorescence collectées sur deux bandes spectrales permet de s’affranchir de la concentration en traceur fluorescent, de l’intensité laser incidente et du volume de mesure. Une troisième bande spectrale de détection permet de prendre en compte le terme de ré-absorption de la fluorescence dans le cas de chemins optiques non-négligeables et variables. Puis l’application de la technique à la mesure de la température de la phase liquide d’un spray est présentée. Un traitement spécifique du signal a été développé afin de tenir compte de la nature aléatoire du signal de fluorescence liée à la présence de gouttes dans le volume de mesure. De plus, ce traitement a été adapté afin de rendre possible le couplage des données de fluorescence avec des mesures granulométriques effectuées par la technique phase Doppler dans la perspective finale d’obtenir des températures de goutte par classe de taille. Cependant plusieurs phénomènes perturbateurs ont été mis en évidence : - une dépendance inattendue et non linéaire à la taille de goutte du rapport des intensités de fluorescence collectées sur deux bandes spectrales. - une forte diffusion de la lumière laser incidente par le nuage de gouttelettes induit une fluorescence bien au delà de la zone d’excitation laser. Cette fluorescence parasite est néanmoins détectée dans la profondeur de champ du dispositif optique et se conjugue avec l’effet non-linéaire de la taille des gouttes. Une stratégie de correction de ces différents phénomènes est proposée et une expérience de validation est réalisée sur un spray chauffé injecté dans une cellule saturée en vapeur / Multiband laser-induced fluorescence is a non-intrusive technique able to provide a measurement of the liquid phase of complex media. The application of this technique in single phase liquids, with a variable optical path (product of the fluorescent tracer molecular concentration by the distance between the probe volume and the collection optics in the liquid) was considered. The ratio of the fluorescence intensities collected on two spectral bands allows removing the influence of the fluorescence tracer concentration, incident laser intensity and probe volume. A third spectral band of detection is used to take into account the re-absorption of the fluorescence in the case of non negligible and variable optical paths. Then, the application of this technique to the measurement of the temperature of the liquid phase of a spray is presented. A specific data processing was developed in order to take into account the random presence of droplets in the probe volume. Moreover, the processing was adapted to achieve combined fluorescence and droplet size measurements using the phase Doppler technique. The overall foreseen goal is to measure temperature per droplet size class. However, several disturbing phenomena were highlighted: - an unexpected non-linear dependence on the droplet size of the ratio of the fluorescence intensities collected on two spectral bands, - a strong incident laser light scattering by the droplets cloud, which induces a fluorescence beyond the excitation zone. This fluorescence is also collected in the depth of field of the optical device and combines with the non-linear size dependence. A correction strategy of these phenomena was implemented and a validation experiment on a heated spray injected in a vapour-saturated cell was performed