Thèse Développement d'Un Cadre Unifié pour l'Inversion de Spectres d'Émission Optique dans les Plasmas Hors Équilibre Combinant Modèles Collisionnels-Radiatifs Expériences et Inférence Bayésienne. H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Toulouse École doctorale : GEETS - Génie Electrique Electronique,Télécommunications et Santé : du système au nanosystème Laboratoire de recherche : LAPLACE - Laboratoire PLAsma et Conversion d'Énergie Direction de la thèse : Thierry CALLEGARI ORCID 0000000316364194 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-06-30T23:59:59 Cette thèse porte sur le développement d'un cadre unifié d'inversion de spectres d'émission optique appliqué aux plasmas hors équilibre. Les travaux s'inscrivent dans les recherches menées par l'équipe GREPHE du Laboratoire LAPLACE.

L'objectif principal est de reconstruire les grandeurs macroscopiques du plasma, notamment la température électronique, la densité électronique et la fonction de distribution en énergie des électrons à partir de mesures spectroscopiques, tout en quantifiant rigoureusement les incertitudes associées. Cette approche vise à dépasser les limites des diagnostics classiques, comme les sondes de Langmuir, souvent inadaptées aux plasmas à forte pression, fortement transitoires ou soumis à des champs magnétiques intenses.

La méthodologie repose sur la combinaison de trois approches complémentaires : l'expérimentation, la modélisation collisionnelle-radiative (CR) et l'inférence Bayésienne.

Cette thèse se situe à l'interface entre physique des plasmas, modélisation numérique, spectroscopie et méthodes statistiques avancées, avec pour ambition de développer des outils de diagnostic robustes pour les plasmas hors équilibre. L'équipe GREPHE (https://www.laplace.univ-tlse.fr/grephe/) a développé depuis de nombreuses années une expertise en modélisation de plasmas hors-équilibre couvrant une large gamme de pression mais également une diversité de sources [1-2]. L'objectif principal de ces développements numériques est d'étudier les mécanismes physiques en jeu dans des systèmes afin d'identifier des ruptures technologiques. Pour valider ces modèles et apporter des éléments d'analyse complémentaires, l'équipe a également développé une expertise autour de la conception d'expériences à caractère fondamental sur lesquelles sont mis en places des diagnostics simples, aussi bien électriques qu'optiques [3-4].
Parmi les grandeurs macroscopiques d'intérêt, nous retrouvons la densité et la température électroniques et plus globalement la fonction de distribution en énergie des électrons. Dans certaines situations, des mesures par sonde de Langmuir sont exploitables mais dans d'autres types de plasmas que nous étudions à plus forte pression, en présence de champs magnétiques intenses ou encore pour des phénomènes transitoires rapides, cette méthode est limitée. Pour certains cas très précis, nous apportons une réponse par l'utilisation de la spectroscopie d'émission mais qui reste elle aussi très limitée, d'une part à cause des conditions très fortement hors-équilibre que nous rencontrons et d'autre part du fait du caractère peu quantitatif. Pour autant, cette dernière méthode, très ancienne et répandue dans la communauté des plasmas trouve un regain d'intérêt ces dernières années avec de nouvelles approches plus robustes et rendant les interprétations des résultats plus fiables [5-7]. Cette thèse vise ainsi à développer un cadre unifié pour l'inversion de spectres d'émission dans les plasmas hors équilibre, combinant modèles collisionnels-radiatifs, expériences et inférence Bayésienne. L'objectif est de reconstruire les grandeurs macroscopiques du plasma (température électronique, densité, distribution énergétique) avec une quantification rigoureuse des incertitudes. Selon l'avancée des travaux, une composante spatiale sera abordée afin de caractériser les profils radiaux des plasmas étudiés. Première année
Dans un premier temps, après une période de contextualisation et d'appropriation des méthodes envisagées, le travail consistera à poser précisément le problème selon les trois approches : expérimentale, modélisation, inverse.
D'un point de vue expérimental, il s'agira de développer une décharge de type colonne positive DC dans l'argon qui permettra d'étudier un problème parfaitement maitrisé, tant du point de vue théorique que numérique. Ce développement s'accompagnera de la mise place du diagnostic spectroscopique.
La partie modélisation consistera à développer un premier modèle collisionnel radiatif (CR) simple dans l'argon pour des conditions de décharge appropriées ou notamment la fonction de distribution est de type Maxwellienne. Cette simplification permettra de réaliser une première analyse de sensibilité sur les paramètres pertinents, en particulier sur les sections efficaces.
La dernière partie sera consacrée au développement de l'approche Bayésienne pour traiter le problème inverse et déterminer la densité et la température électronique.
Dans l'optique de valider cette approche, d'autre méthodes de diagnostics telle que les sondes de Langmuir ou l'interférométrie micro-onde seront mise en oeuvre.

Seconde année
Cette deuxième partie de la thèse sera consacrée à l'extension du modèle CR pour des distributions énergétiques quelconques et la prise en compte d'une chimie plus complexe. L'approche Bayésienne sera étendue aux grandeurs macroscopiques de densité et température électroniques mais également à la fonction de distribution en énergie. Selon les avancées et difficultés rencontrées, une extension du modèle aux propriétés microscopiques des sections efficaces pourra être envisagée.

Troisième année
Selon l'avancée des travaux, cette troisième étape concernera l'extension de l'approche précédente 0D à une approche 1D afin de remonter aux profils spatiaux du plasma. Cela pourra se faire dans un premier temps avec le modèle développé à l'étape 1 combiné à un modèle fluide pour ce qui concerne la partie modélisation ainsi que d'un point de vue expérimental avec une approche Bayésienne pour traiter le problème d'inversion.

Étudiant ayant des connaissances en physique des plasmas, en physique atomique et moléculaire ayant une double appétence pour la modélisation et l'expérimentation.
Un étudiant formé à la physique du transport peut également s'attaquer au sujet.