Thèse Mesure du Champ Électrique par E-Fish Ns et Ps Validation Calibration et Application à l'Étude des Mécanismes Fondamentaux dans les Décharges à Pression Atmosphérique 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 : Nicolas NAUDE ORCID 0000000285344114 Début de la thèse : 2027-09-01 Date limite de candidature : 2026-11-16T23:59:59 Les plasmas froids à pression atmosphérique sont utilisés dans de nombreuses applications telles que le traitement de surfaces, la dépollution des gaz, la conversion chimique ou les procédés plasma pour l'énergie et l'environnement. Ces décharges sont généralement filamentaires, fortement non homogènes et transitoires. Leur maîtrise nécessite une compréhension approfondie des mécanismes physiques qui les gouvernent. Parmi les paramètres essentiels, le champ électrique contrôle les phénomènes d'ionisation, le transport des charges, la cinétique chimique et le dépôt d'énergie. Sa mesure demeure cependant difficile, les sondes étant intrusives et les méthodes indirectes reposant sur des hypothèses souvent restrictives.
La technique E-FISH (Electric-Field-Induced Second Harmonic generation) constitue aujourd'hui l'un des diagnostics optiques non intrusifs les plus prometteurs pour mesurer le champ électrique dans les plasmas hors équilibre. Elle repose sur la génération d'une harmonique dont l'intensité dépend du champ électrique local et permet des mesures résolues spatialement et temporellement sans perturber la décharge. Les lasers nanoseconde (ns), robustes et largement disponibles, sont particulièrement adaptés aux plasmas atmosphériques, tandis que les lasers picoseconde (ps) offrent une meilleure résolution temporelle et limitent les émissions plasma, le claquage optique et certaines contributions non linéaires parasites.
L'exploitation quantitative de cette technique nécessite toutefois une calibration rigoureuse, le signal dépendant également de la composition du gaz, de la pression, de la température, des paramètres optiques et des conditions expérimentales. Une méthode de calibration indépendante permettrait en outre de déterminer l'hyperpolarisabilité d'espèces encore mal connues, notamment certains ions.
Le premier objectif de cette thèse est de développer et valider une méthode de calibration à partir d'une décharge à barrière diélectrique (DBD) fonctionnant en régime de Townsend (diffus) à pression atmosphérique dans différents gaz et mélanges (N, air, CO, NO, mélanges oxydants...). Cette configuration présente un champ électrique quasi uniforme pouvant être déterminé indépendamment grâce aux mesures électriques et à un modèle de circuit équivalent, fournissant ainsi une référence fiable pour l'étalonnage du diagnostic.
Le second objectif consiste à comparer les diagnostics E-FISH réalisés avec des lasers nanoseconde et picoseconde. Un banc expérimental ns sera développé au laboratoire LAPLACE puis comparé aux mesures obtenues à l'Université du Minnesota à l'aide d'un système ps haute sensibilité. Un réacteur DBD identique sera utilisé dans les deux laboratoires afin de limiter les incertitudes liées à la géométrie et aux propriétés diélectriques. Cette étude permettra d'identifier les avantages, les limites et les domaines d'application de chaque approche.
Enfin, le diagnostic validé sera utilisé pour étudier l'évolution temporelle des charges de surface entre deux décharges successives et leur rôle dans la formation des décharges diffuses à pression atmosphérique. Ces travaux apporteront des données inédites sur les mécanismes de transition entre régimes filamentaires et diffus.
Cette thèse s'inscrit dans une collaboration entre l'équipe ScIPRA du laboratoire LAPLACE (Université de Toulouse) et l'équipe du Pr. Simeni (Université du Minnesota). Le ou la doctorant(e) effectuera environ la moitié de la thèse en France et l'autre moitié aux États-Unis, bénéficiant ainsi d'une formation de haut niveau en diagnostics avancés des plasmas dans un contexte international. Le contrôle des décharges à pression atmosphérique constitue un enjeu majeur pour de nombreuses applications : traitement de surfaces, dépollution, conversion chimique, synthèse assistée par plasma ou médecine plasma. Le champ électrique est le paramètre qui gouverne directement les processus d'ionisation, d'excitation électronique et les cinétiques réactionnelles. Pourtant, sa mesure demeure particulièrement difficile.Parmi les diagnostics disponibles, la technique E-FISH apparaît aujourd'hui comme l'une des plus prometteuses puisqu'elle permet des mesures non intrusives avec une excellente résolution spatiale et temporelle. Toutefois, son utilisation quantitative reste limitée par l'absence de procédures de calibration universelles et par une connaissance encore incomplète des contributions des différentes espèces chimiques au signal mesuré.

Le projet vise ainsi à lever ces verrous scientifiques en développant une méthodologie complète de validation et de calibration du diagnostic.
L'objectif principal est de développer un diagnostic E-FISH quantitatif, robuste et reproductible permettant de mesurer le champ électrique dans des plasmas atmosphériques hors équilibre.

Les objectifs scientifiques sont les suivants :
- développer une méthode de calibration absolue du diagnostic E-FISH ;
- valider expérimentalement cette méthode sur une décharge DBD en régime de Townsend ;
- comparer les performances des diagnostics E-FISH utilisant des lasers nanoseconde et picoseconde ;
- appliquer le diagnostic validé à l'étude des mécanismes de formation des décharges diffuses et de l'évolution des charges de surface ;
- améliorer la compréhension des mécanismes physiques gouvernant les décharges à pression atmosphérique.
Le travail reposera sur une approche associant expérimentation, instrumentation et modélisation.
Les principales étapes seront :
- développement d'un banc expérimental E-FISH nanoseconde au laboratoire LAPLACE ;
- conception et mise en oeuvre d'une procédure de calibration utilisant une DBD en régime de Townsend ;
- réalisation de mesures électriques permettant une détermination indépendante du champ électrique ;
- comparaison expérimentale des diagnostics E-FISH ns et ps sur un réacteur identique au LAPLACE et à l'Université du Minnesota ;
- analyse des mesures optiques et électriques ;
- exploitation du diagnostic validé pour l'étude des mécanismes de transition filamentaire/diffus et de la dynamique des charges de surface.

Titulaire d'un Master (ou équivalent) en physique, physique des plasmas, génie électrique, optique ou discipline connexe. Le ou la candidat(e) devra posséder de bonnes connaissances en physique expérimentale, des compétences en programmation scientifique (Python, MATLAB ou équivalent), ainsi qu'un intérêt pour l'instrumentation et les diagnostics optiques. Une bonne maîtrise de l'anglais, de l'autonomie, de la rigueur et un goût pour le travail expérimental sont attendus.

• Python
• Programmation
• Anglais
• Électricité
• Autonomie
• MATLAB
• Instrumentation