Mesure de la température de surface de matériaux exposés à un flux radiatif

Un plasma est un gaz ayant perdu ses propriétés d'isolant électrique sous l'effet d'une forte différence de potentiel, d'un champ électromagnétique intense ou d'un rayonnement énergétique. Il est constitué d'atomes partiellement ionisés et d'électrons en mouvement, dont les interactions et recombinaisons produisent un rayonnement caractéristique des espèces chimiques présentes. Selon ses conditions de formation, on distingue les plasmas thermiques, en équilibre thermodynamique (Te ≈ Tgaz > 5000 K), utilisés notamment en fusion nucléaire, dans les torches plasma, les arcs ou l'étude de la foudre, et les plasmas froids hors équilibre, pour lesquels Te > Tgaz, ce dernier restant proche de l'ambiante. Ces plasmas sont employés dans des applications telles que la dépollution, la stérilisation, les traitements de surface ou la propulsion spatiale. Le point commun de ces applications est l'interaction entre le plasma et un matériau, pouvant provoquer son échauffement, sa modification physico-chimique ou l'apparition de nouvelles propriétés. La maîtrise du procédé nécessite donc de mesurer in situ la température de surface par une méthode sans contact. Cependant, le plasma étant un milieu radiatif, son rayonnement parasite atteint simultanément le matériau et le détecteur. Les raies d'émission du plasma se superposent alors au rayonnement thermique à large bande émis par le matériau, perturbant la mesure. Cette problématique est particulièrement importante dans l'infrarouge, domaine utilisé par la plupart des dispositifs de thermographie. Pour les plasmas d'air, les émissions infrarouges sont notamment liées aux vibrations de molécules telles que CO₂, H₂O et NO et apparaissent dans les bandes spectrales de thermographie BI [0,9–1,7] µm, BII [3–5] µm et BIII [8–12] µm. Deux approches principales permettent de limiter ce parasite. Les méthodes passives utilisent des filtres interférentiels ou des systèmes multispectraux afin de sélectionner des bandes où l'émission du plasma est faible. Des travaux ont notamment étudié la thermographie bichromatique, multispectrale et l'imagerie hyperspectrale VIS/NIR de matériaux soumis à des plasmas. La méthode active, notamment la pyrométrie active, consiste à chauffer localement et de manière modulée la surface avec un laser afin de distinguer sa contribution thermique du rayonnement parasite. La simulation du rayonnement plasma constitue également un outil essentiel pour déterminer des grandeurs radiatives (flux, puissance rayonnée, divergence) et interpréter les mesures expérimentales, notamment pour estimer les températures et densités. La modélisation des plasmas d'air repose sur des méthodes complexes de mécanique quantique et sur de nombreuses données spectroscopiques. Plusieurs codes sont disponibles, dont SPECAIR, LIFBASE et PGOPHER. L'objectif de ce travail est de développer une méthode de mesure sans contact de la température de matériaux métalliques exposés à un plasma, en combinant modélisation numérique et expérimentation. Tout d'abord, l'étude portera sur une plaque d'acier inoxydable chauffée par une source régulée en température. L'approche sera progressive : 1. caractérisation de la plaque et de la chaîne de détection sans parasite ; 2. étude de l'influence d'une source thermique proche ; 3. développement d'une source de plasma froid stationnaire et caractérisation de son rayonnement expérimentalement et numériquement ; 4. mesure de la température de surface en présence du plasma. Dans un deuxième temps, la méthode sera appliquée à l'étude de plasmas stationnaires à très haute énergie, notamment pour les applications liées à la rentrée atmosphérique, sur la torche du von Karman Institute. École doctorale : MEGEP - Mécanique, Energétique, Génie civil, Procédés Direction : Cathy ROND Financement : MSCA COFUND BEST