L'étude expérimentale des propriétés radiatives de plasmas d'hélium hors équilibres peut être réalisée par spectroscopie d'émission, un diagnostic non intrusif qui ne perturbe pas le système. Dans cette thèse, ce diagnostic a été utilisé sur des plasmas créés dans des tubes à décharges et dans une machine linéaire magnétisée MISTRAL. Les données expérimentales ont été confrontées aux résultats théoriques issus du code de physique atomique SOPHIA (modèle collisionnel-radiatif). Les tubes à décharge se caractérisent par des températures électroniques de l'ordre de l'électron-Volt et des densités électroniques de l'ordre de 10 exposant 12 cm-3. La première partie des résultats de cette thèse a permis de montrer que, dans ces conditions, le modèle C.C.C. (Convergent Close Coupling) reproduit au mieux la dynamique atomique d'un tel système. Dans la machine MISTRAL, la deuxième partie des résultats de cette thèse met en évidence la signature spectroscopique (rapports d'intensités de raies et étutés de raies et études radiales), de la présence d'électrons énergétiques ionisants et de la diffusion des particules chargées à travers un champ magnétique. / The experimental study of the radiative properties of plasmas of helium out of equilibrium can be achieved by emission spectroscopy, a non-invasive diagnostic which does not affect the system. In this thesis, this diagnostic was used on plasmas created in discharge tubes and in the linear magnetized machine MISTRAL. The experimental data were compared with theoretical results coming from the atomic physics code SOPHIA (collisional-radiative model). The discharge tubes are characterized by electron temperatures of the order of the electron volt and electron densities in the range of 10 12 cm-3. The first part of the results of this thesis has shown that under these conditions, the CCC model (Convergent Close Coupling) reproduces in the best way the atomic dynamics of such a system. The second part of the results reveals the spectroscopic signatures (line intensities ratios and radial studies), in the machine MISTRAL, the presence of ionizing energetic electrons and the diffusion of charged particles through a magnetic field.

Dans les plasmas chauds denses, la distribution spatiale des électrons libres et des ions peut affecter fortement la structure atomique. Pour tenir compte de ces effets, nous avons implémenter un potentiel plasma fond´ sur le modèle d’un gaz d’électron uniforme et sur une approche de type Thomas-Fermi dans le Flexible Atomic Code (FAC). Ce code a été utilisé, pour obtenir les énergies, les fonctions d’onde, et les taux radiative modifiés par l’environnement plasma. Dans des ions hydrogénoides, les résultats numériques ont été comparés avec succès à un calcul analytique basé sur la théorie des perturbations du premier ordre. Dans le cas des ions multi-électronique, on observe un décalage des niveaux, en accord avec d’autre calcul récent. Diverses méthodes pour les calculs de section efficace de collision sont examinées. L’influence de la densité du plasma sur ces sections est analysée en détail. Certaines expressions analytiques sont propos´es pour les ions hydrogénoides comme dans la limite où l’approximation de Born ou Lotz s’applique et sont comparés aux résultats numériques du code de FAC. Enfin, à partir de ce travail, nous étudions l’influence de l’environnement de plasma sur notre modèle collisionel-radiatif nommé -Foch-. En raison de cet environnement, la charge moyenne du plasma augmente, ceci est principalement due a l’abaissement du continuum. Nous observons également, le décalage des raies sur les spectres d’émission lié-lié. Un bon accord est trouvé entre notre travail et les données expérimentales sur un plasma de titane. / In hot dense plasmas, the free-electron and ion spatial distribution may strongly affect the atomic structure. To account for such effects we have implemented a potential correction based on the uniform electron gas model and on a Thomas-Fermi Approach in the Flexible Atomic Code (FAC). This code has been applied to obtain energies, wave-functions and radiative rates modified by the plasma environment. In hydrogen-like ions, these numerical results have been successfully compared to an analytical calculation based on first-order perturbation theory. In the case of multi-electron ions, we observe level crossings in agreement with another recent model calculation. Various methods for the collision cross-section calculations are reviewed. The influence of plasma environment on these cross-sections is analyzed in detail. Some analytical expressions are proposed for hydrogen-like ions in the limit where Born or Lotz approximations apply and are compared to the numerical results from the FAC code. Finally, from this work, we study the influence of the plasma environment on our collisional-radiative model so-called -Foch-. Because of this environment, the mean charge state of the ions increases. The line shift is observed on the bound-bound emission spectra. A good agreement is found between our work and experimental data on a Titanium plasma.

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L'étude des propriétés radiatives des plasmas est un outil important pour réaliser le diagnostic des plasmas. Cette thèse analyse les modélisations de diagnostic utilisant une approche stochastique. La méthode consiste à modéliser un paramètre plasma fluctuant avec une évolution par paliers séparés par des sauts instantanés. Le paramètre plasma est échantillonné selon une fonction de densité de probabilité (PDF), et son évolution est gouvernée par une distribution de probabilités de temps d'attente (WTD), qui est liée à la fonction d'autocorrélation du paramètre plasma considéré. Après une partie théorique présentant les bases de notre modèle stochastique, nous nous intéressons dans une seconde partie à l'application de ce dernier à la cinétique des populations atomiques dans un plasma turbulent et à l'élargissement Stark des raies de l'hydrogène.Nous étudions d'une part l'effet des fluctuations de la température sur les abondances ioniques du carbone dans des conditions des tokamaks, et à un système atomique simplifié des raies de Balmer afin de préparer un diagnostic de la turbulence. Nos résultats montrent que les fluctuations modifient les populations atomiques des systèmes étudiés. Nous intéressons aux profils Stark des raies de Lyman de l'hydrogène pour une seconde application dans un plasma supposé à l'équilibre thermodynamique. Dans ce cas, c'est le microchamp électrique de la composante ionique du plasma qui est modélisé par un processus stochastique. La particularité de cette étude est qu'elle explore pour des températures de l'ordre de l'eV, le régime intermédiaire entre l'approximation statique à haute densité, et l'approximation d'impact à faible densité. / The study of radiative properties of the plasmas (spectra and line intensities) is an important tool for achieving the diagnostic of plasmas. This thesis analyses diagnostic modeling using a stochastic approach. The method consists in modeling a fluctuating plasma parameter by a stepwise constant evolution separated by instantaneous jumps. The plasma parameter is sampled according to a probability density function (PDF), and its evolution is governed by a waiting time (WTD) which is related to the autocorrelation function of the considered plasma parameter. After presenting the theoretical foundations of our stochastic model, we are interested in a second part to the application of the latter for the kinetics of atomic populations in a turbulent plasma and to the Stark broadening of hydrogen line shapes. We apply our model to study the effect of temperature fluctuations on the ion abundances of carbon in conditions that may be encountered in thermonuclear fusion machines (tokamaks) and to a simplified atomic system of Balmer lines, with the aim of preparing a turbulence diagnostic based on line ratios. Our results and show that retaining fluctuations modifies the atomic populations of the system studied.We focus our interest on Stark profiles in a plasma assumed to be in thermodynamic equilibrium for our second application. In this case, it is the electric plasma microfield which is modeled by a stochastic process. The distinctive feature of this study is that it explores, for temperatures of the order of the eV, the intermediate regime between the static approximation at high density, and the impact approximation at low density.

Les travaux présentés dans ce mémoire portent sur l’étude des plasmas d’hélium générés par micro-ondes en cavité résonnante à la pression atmosphérique et sur leurs applications en traitement de surfaces. Tout d’abord, un état de l’art sur les plasmas micro-ondes à la pression atmosphérique et leurs applications est présenté. Ensuite, un modèle collisionnel-radiatif de la décharge et de la post-décharge d’hélium pur est établi. Les résultats du modèle sont comparés aux mesures expérimentales obtenues à 2500 K et un jeu de sections efficaces et de constantes cinétiques valables pour ces conditions est proposé. Expérimentalement, des analyses par spectroscopie d’émission et d’absorption sont employées. La température du gaz est déterminée par la méthode du spectre rotationnel synthétique en fonction de la puissance, de la concentration et de la nature des impuretés introduites dans l’hélium. Il s’avère que le volume du plasma est un paramètre déterminant sur la température du gaz. La concentration du métastable He(23S), en décharge continue et pulsée, est déterminée par absorption laser. En décharge continue, la concentration du métastable est divisée par trois avec 360 ppm d’impureté, la nature de l’impureté n’ayant pas d’importance. En revanche, en post-décharge la nature de l’impureté est déterminante. Les mesures réalisées indiquent que He+ et non He2+ serait l’ion majoritaire. Concernant les applications de ce type de plasma, nous avons travaillé en post-décharge uniquement. Nous avons démontré la faisabilité du procédé de dépôt de SiOx à partir d’hexaméthyldisiloxane. Nous avons aussi montré que la nitruration du titane à haute température était possible / The present work deals with the study of helium microwave plasmas at atmospheric pressure generated in a resonant cavity and their applications in surface treatment. First of all, a state of art of microwave atmospheric pressure plasmas and their applications is presented. Next, a collisional-radiative model for pure helium discharge and post-discharge is described. The results of the model are compared to experimental data obtained at 2500 K and a coherent set of cross-sections and rate constants is obtained for these conditions. Emission and absorption spectroscopy diagnostics are employed to characterize the helium plasma. The gas temperature is determined by the rotational synthetic spectra method. The evolution of the gas temperature, as a function of the input power, the concentration and the nature of impurities in helium, is measured. It turns out that the plasma volume plays a significant role on the gas temperature. The He(23S) concentration is determined by laser absorption in pulsed and continuous mode. In continuous mode, the metastable concentration is divided by 3 with 360 ppm of impurity, regardless of the nature of the impurity. Nevertheless, during the post-discharge, in pulsed mode, the nature of the impurity plays an important role. These measurements support the idea that He+ and not He2+ is the main ion. Concerning the applications, only post-discharges are utilized. We demonstrate that deposition of SiOx using hexamethyldisiloxane as precursor can be efficient. We show that titanium nitriding at high temperature is possible

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La micro-cogénération, production simultanée d’électricité et de chaleur à échelle domestique, se développe actuellement en Europe du fait notamment de son intérêt en termes d’économie d’énergie primaire. L’utilisation d’un combustible biomasse dans un système de micro-cogénération contribue à augmenter la part d’énergie renouvelable dans le mix énergétique. L’objet de ce travail est le développement d’un banc d’essai d’une unité de micro-cogénération biomasse composée d’une chaudière à pellets, d’un moteur à air chaud de type Ericsson (décomposé en une partie compression et une partie détente) et d’un échangeur gaz brûlés-air pressurisé inséré dans la chaudière. Des modèles de chacun de ces composants ont été établis pour caractériser leur fonctionnement sur la plage de réglage des paramètres influents et pour dimensionner l’unité prototype. Deux modèles du moteur Ericsson, en régime permanent et en régime dynamique, ont été mis en place. Ils ont montré l’influence prépondérante sur les performances du moteur des conditions de température et pression de l’air en entrée de détente et des réglages des instants de fermeture des soupapes. L’effet de la prise en compte des pertes dynamiques (pertes de charge, pertes thermiques à la paroi du cylindre, frottements mécaniques) sur l’estimation des performances du moteur a été étudié. Deux modélisations de l’échangeur ont permis de caractériser les transferts thermiques qui le traversent, incluant le rayonnement et l’encrassement par des particules de suie du côté des gaz brûlés. Le banc d’essai de l’unité de micro-cogénération mis en place / Nowadays, the micro combined heat and electrical power (micro-CHP) systems are developing in Europe, in particular because of their interest in terms of primary energy savings. The use of biomass fuel in micro-CHP systems enhances the share of renewable energy in the energy mix. The objective of this work is to develop a test bench for a biomass-fuelled micro-CHP unit composed of a pellet boiler, an Ericsson type hot air engine (decomposed into a compression and an expansion part) and a burned gas-pressurized air heat exchanger inserted in the boiler. Models of every component have been established to characterize their working conditions depending on influent parameter settings and to size the micro-CHP unit. Two models of Ericsson engine, with established and dynamic regimes, were implemented. The preponderant influence of the temperature and pressure conditions at the inlet of the expansion cylinder and of the timing of valve closing on the engine performances are shown. The dynamic model shows the effect of considering the dynamic losses (pressure loss, heat transfer at the cylinder wall, mechanical friction) on the estimation of engine performances. Two models of the heat exchanger allow the characterization of the heat transfers crossing it, taking into account the radiation and the fouling by soot particles on the side of combustion gases. Experimental measurements obtained from the test bench of the micro-CHP unit set up were used in the developed models.

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La radiographie éclair par faisceau X intense est spécifique en ce sens qu'elle doit permettre de photographier la matière soumise à des conditions extrêmes de densification, de température et de vitesse de déplacement. Le succès de ce type de radiographie repose sur la qualité de la source X qui doit nécessairement être pénétrante (quelques MeV), intense (plusieurs rads), brève (quelques dizaines de ns) et de petite dimension (quelques mm). L'impulsion X est ainsi générée à partir du rayonnement de freinage émis lors de l'interaction avec une cible en métal d'un faisceau focalisé d'électrons de haute énergie (MeV) et de haute intensité (kA). Ce procédé lie très fortement les propriétés du faisceau d'électrons à ceux du faisceau X et donc à la qualité de la radiographie. Dans ce contexte, la thèse porte sur la compréhension de la dynamique du faisceau dans la diode à l'électron (c'est-à-dire juste avant son entrée dans la ligne accélératrice) ainsi que sur la caractérisation du plasma de velours dont sont issus les électrons qui composent le faisceau. Dans un premier temps, la dynamique du faisceau intense d'électrons a été étudiée à l'aide du code LSP reposant sur la méthode " Particle-In-Cell ". Les simulations réalisées ont été comparées avec des mesures effectuées sur l'injecteur d'un accélérateur linéaire à induction, implanté au CEA Valduc sur l'installation Epure. Grâce au modèle de simulation développé, une nouvelle diode à électrons mono-impulsion a été conçue, dimensionnée et réalisée pendant ce travail de thèse afin d'augmenter l'intensité du faisceau d'électrons de 2,0 kA à 2,6 kA permettant ainsi d'améliorer les performances radiographiques de l'installation. Dans un second temps, un modèle permettant d'étudier les mécanismes mis en jeu dans la production du faisceau d'électrons au niveau de plasma de cathode a été développé. Ce dernier est un modèle collisionnel-radiatif (MCR) 0D qui permet de décrire l'évolution de la densité des espèces d'un plasma dont la composition est directement liée aux molécules et atomes désorbés par la cathode de velours. Trois différents mélanges ont été étudiés impliquant de l'hydrogène, de l'oxygène et du carbone dont les proportions ont été estimées par des mesures LIBS (spectroscopie de plasma induit par laser).[...] / Intense X-ray flash radiography is used to take a stop-action picture of a material under extreme conditions like high densification, high temperature and high movement speed. The success of this kind of radiography is based on the quality of the X-ray source which must necessarily be penetrating (some MeV), intense (several rads), short (a few tens of ns) and small (a few mm). The X-ray pulse is generated from the bremsstrahlung radiation emitted during the interaction with a metal target of a focused electron beam of high energy (MeV) and high intensity (kA). This process strongly links the properties of the electron beam to those of the X-ray beam and thus to the quality of the radiography picture. In this context, the thesis is about the electron beam dynamics in the electron diode (i.e. just before electrons move towards the accelerator) as well as about the characterization of the velvet plasma from which electrons are extracted to form the beam. Firstly, the dynamics of the intense electron beam was studied using the LSP code based on the "Particle-In-Cell" method. The simulations were compared to measurements made on the injector of a linear induction accelerator, at the CEA Valduc center on the Epure facility. Based on the developed simulation model, a new single-pulse electron diode was designed, sized and realized during this thesis to increase the intensity of the electron beam from 2.0 kA to 2.6 kA, thus improving the radiographic performances of the facility. In a second step, a model allowing to study the mechanisms involved in the production of the electron beam from the cathode plasma was developed. This latter is a collisional-radiative model (CRM) 0D describing the evolution of the plasma species density of a plasma whose composition is directly related to the molecules and atoms desorbed by the velvet cathode. [...]

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