Modèles collisionnels-radiatifs (CR) appliqués aux plasmas hors équilibre
Orateurs : Arnaud Bultel & Vincent Morel
UMR CNRS 6614 CORIA, Université de Rouen
Résumé : La compréhension du comportement des milieux hors équilibre thermochimique nécessite de rompre avec les hypothèses habituelles de couplage collisionnel. Il est alors indispensable de décrire ces milieux de manière plus détaillée, notamment en portant une attention individualisée aux espèces présentes sur leurs différents niveaux d’excitation. Cette approche nécessite la connaissance de nombreuses sections efficaces (à tout le moins de taux maxwelliens si la fonction de distribution de Maxwell-Boltzmann est effective) de processus élémentaires. L’ensemble de ces données élémentaires forme un modèle collisionnel-radiatif (CR) pouvant être mis en oeuvre dans les termes sources des équations de bilan. L’élaboration et la mise en oeuvre de tels modèles CR sont très souvent délicates. Cependant, elle peut s’avérer indispensable, notamment dans l’étude de certaines situations où des causes de déséquilibre telles que le rayonnement jouent un rôle crucial. Dans ce cadre, le laboratoire CORIA développe des modèles CR en particulier destinés à éclairer le comportement des plasmas produits lors des entrées atmosphériques planétaires et lors de l’interaction laser-matière. Ces deux situations seront successivement abordées au cours du séminaire.
1. Entrées atmosphériques planétaires et modèles CR (première partie du séminaire présentée par Arnaud BULTEL) L’entrée hypersonique (5 à 10 km/s) d’un engin dans les couches atmosphériques à haute altitude d’une planète produit une couche de choc (température comprise entre 1500 et 30000 K) à proximité de l’engin où la densité peut-être suffisamment faible pour que les échanges radiatifs jouent un rôle important. La couche de choc échappe alors à l’équilibre thermodynamique local et le rayonnement est piloté par les densités de population des états supérieurs des transitions qui n’obéissent pas à la distribution de Boltzmann. La prédiction du rayonnement émis, donc en partie reçu par la paroi de l’engin, et par conséquent celle de la contribution du flux radiatif au flux pariétal total, nécessitent l’élaboration de modèles CR vibrationnels et électroniques. Nous illustrerons cette élaboration sur les mélanges N_2-O_2-Ar et CO_2-N_2-Ar respectivement représentatifs des atmosphères terrestre et martienne. Le comportement de N_2 traversé par un choc dans un tube sera également abordé.
2. Interaction laser-matière et modèles CR (seconde partie du séminaire présentée par Vincent MOREL)
Soumis à une impulsion laser de classe 4, une paroi solide produit rapidement (sur une dizaine de nanosecondes) un plasma de forte température se propageant dans l’environnement à des vitesses hypersoniques (5 à 10 km/s). Ce plasma est essentiellement constitué des espèces présentes dans la paroi solide. Les niveaux de température produits sont élevés (jusqu’à 30000 K), ce qui conduit le plasma à émettre une importante quantité de rayonnement. Son analyse spectroscopique permet la détermination des densités de population des états supérieurs des transitions, ce qui, par hypothèse d’équilibre de Boltzmann jusqu’au fondamental, permet d’en déduire la composition du plasma, donc du matériau. Or, les échanges radiatifs et l’expansion hypersonique favorisent des écarts éventuellement importants à l’équilibre thermodynamique local. Il est donc nécessaire d’estimer ces écarts par l’élaboration et la mise en oeuvre de modèles CR si l’on souhaite déterminer la composition de la paroi. Nous illustrerons cette mise en oeuvre par l’étude de plasmas induits sur l’aluminium (matériau choisi comme cas-test) dans différentes atmosphères extérieures (vide, N2, He, Ne, Ar, Kr, Xe) pour différents types d’impulsion laser (longueur d’onde et durée d’impulsion).
Date et lieu : le Vendredi 16 Janvier 2015 à 11h00, salle 250 IUSTI