Thèse Etude du Couplage Entre Plasma et Écoulement dans des Jets de Plasma Froid à Pression Atmosphérique H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique École doctorale : Ondes et Matière Laboratoire de recherche : Laboratoire de Physique des Gaz et des Plasmas Direction de la thèse : Stéphane PASQUIERS ORCID 0000000230280520 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-04-30T23:59:59 Les jets de plasma froid à pression atmosphérique sont des dispositifs orant une grande diversité d'applications : biomédicales [1],[2], traitements de surfaces et synthèses de nanomatériaux [3],[4]. Cette diversité d'applications repose essentiellement sur leur capacité à pouvoir propager du plasma à distance de la zone de génération inter-électrodes et à produire, par voies hors équilibre thermodynamique, une grande variété d'espèces réactives. La simplicité de conception de ces dispositifs contraste avec la complexité des phénomènes physiques mis en jeux. Le plasma se propage selon un mécanisme d'onde d'ionisation. Le front concentre une densité importante d'électrons (entre 10^13 et 10^14 cm-3) chauds (quelques 104 K) avec un fort champ électrique local de charge d'espace (quelques 10 kV/cm), sur des diamètres typiques de quelques centaines de microns. Il peut ainsi se propager à distance de la zone de génération inter-électrode (jusqu'à quelques dizaines de centimètres) à des vitesses de l'ordre de 10^6-10^7 cm/s et laisse dans son sillage une colonne plasma conductrice. Les espèces réactives se forment dans la partie du jet se mélangeant à l'air environnant, à température ambiante. La détermination expérimentale des paramètres physiques liés (densité électronique, champ électrique, densité des espèces réactives) reste dicile, puisque les mesures doivent allier bonnes résolutions spatiale et temporelle tout en étant non intrusives. Les diagnostics optiques (spectroscopie d'émission et d'absorption [5],[6],[7],[8],[9], diusion Thomson [10]) sont des outils privilégiés.
A cela s'ajoute une strate de diculté supplémentaire. En eet, nous avons montré que l'initiation du plasma n'est pas sans influence sur la structure de l'écoulement [11]. La génération d'une seule décharge est susante pour faire éclater la zone laminaire du jet et entraver la propagation des décharges suivantes, jusqu'à ce que la perturbation soit évacuée par l'écoulement. La question des eets mémoires entre chaque impulsion de tension n'est donc plus uniquement réduite aux charges électriques déposées sur la paroi du capillaire, mais s'élargie donc aussi à la relaxation mécanique de l'écoulement, après le claquage ultra-rapide de la décharge. Ce couplage s'opère donc à travers 6 ordres de grandeurs (de la nanoseconde à la milliseconde). Lorsque les décharges sont générées de façon répétitive, nous avons déjà observé que pour certains couples débit-fréquence, l'écoulement est fortement aecté. Le plasma présente alors des régularités spatiales stationnaires, avec des motifs hélicoïdaux stables. Le contrôle de l'écoulement est un véritable défi de compréhension fondamentale avec des retombées applicatives fortes, puisque le degré de mélange entre le gaz rare et l'air ambiant influence directement la production des espèces réactives.
Ce couplage entre plasma et écoulement présente des analogies avec ce qui est décrit dans la communauté du contrôle d'écoulement par décharge à barrière diélectrique de surface. Dans la communauté des jets de plasma froid, devoir « accorder » plasma et écoulement apporte un éclairage nouveau et amène à repenser la façon dont nous devons aborder les diagnostics, en lien avec les instabilités hydrodynamiques forcées par l'initiation du plasma. De nombreux points restent à étudier expérimentalement, notamment la mesure des paramètres clés du plasma au niveau des zones perturbées, tenant compte des spécificités de la géométrie d'injection du gaz. La thèse récemment soutenue [12] a permis de développer en collaboration un premier modèle numérique sur cet interaction plasma-écoulement. Ce socle commun collaboratif permettra d'aner notre compréhension des phénomènes mis en jeux par de futurs travaux, entre les modèles numériques développés à l'IPFN (IST Lisbonne) et les diagnostics expérimentaux au LPGP. Des travaux préliminaires, dans le cadre d'un contrat postdoctoral, ont déjà permis de mettre en place un banc de strioscopie de forte sensibilité, de concevoir une nouvelle méthode de visualisation de l'écoulement par la propagation du plasma et de mettre en évidence un mécanisme de forçage de l'écoulement par l'initiation répétée du plasma [11]. Ce sujet a ensuite fait l'objet d'une thèse en co-tutelle avec l'IPFN de l'IST à Lisbonne [12] (équipe N-PRiME du Professeur Luís Lemos Alves), ce qui a notamment permis le développement d'un premier modèle numérique de la modification de l'écoulement par plasma. Ce sujet d'étude a également fait l'objet de 3 stages de niveau de L3 (2 étudiants du magistère de physique fondamentale de la Faculté des Sciences d'Orsay, 1 étudiant de l'ENS Paris-Saclay) et d'un stage de niveau M2 (1 étudiant du M2 PPF). Plusieurs articles sont actuellement en cours de rédaction pour publication dans des revues internationales. Le sujet de recherche proposé a pour but :
- d'étudier le mécanisme de couplage entre le plasma et l'écoulement du jet de gaz
- de faire évoluer le banc optique de strioscopie en implémentant des méthodes quantitatives (BOS : Background Oriented Schlieren)
- de mesurer les grandeurs clés du plasma (densité électronique, température électronique) dans les zones perturbées de l'écoulement
- de quantifier l'impact de la modification de l'écoulement sur la production d'espèces réactives de l'oxygène et de l'azote Mesures de tension et de courant, imagerie ultra-rapide, diagnostics optiques (spectroscopie, strioscopie), diagnostics par laser (absorption, diusion Thomson).

Niveau Master 2 dans le domaine de la physique des plasmas. Fort intérêt pour la physique expérimentale. Des connaissances de base en mécanique des fluides et en traitement d'images seront appréciées. Une bonne maîtrise de l'anglais parlé et écrit est souhaitable.