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Le cours Applications des Plasmas se décompose en 3 Unités d'Enseignement :

  • Plasmas pour l'aéronautique et l'espace : 5 ECTS - 15 heures de Cours et 25 heures de TD
  • Plasmas pour l'énergie et l'environnement : 5 ECTS - 15 heures de Cours et 25 heures de TD
  • Plasmas pour le biomédical : 3 ECTS - 10 heures de Cours et 15 heures de TD

 

Plasmas pour l'aéronautique et l'espace :

  1. Contenu du cours

Le cours se découpera en 4 parties présentant différents thèmes de la physique des plasmas ayant notamment pour applications l’aéronautique et le spatial.

  • Partie I – Plasmas magnétisés

Echelles spatiales et temporelles associés à un champ magnétique uniforme. Trajectoire de particules chargées soumises à des champs E(r,t) et B(r,t). Description des dérives associées (courbure, gradient, polarisation). Réflexion miroir. Transport anisotropique du plasma. Exemple d’application : Le propulseur à effet Hall pour le contrôle de trajectoire des satellites, fonctionnement général, spécificités liées à la présence du champ magnétique.

  • Partie II – Thermodynamique des milieux réactifs

Lois de la thermodynamique, fonctions thermodynamiques, spécificités associées aux plasmas et aux milieux réactifs, potentiels chimiques, conditions d’équilibre, plasmas à volume constant et à pression constante. Loi d’action de masse, cas particuliers de la loi d’action de masse : ionisation (loi de Saha-Eggert), dissociation (loi de Guldberg-Waage) et excitation (loi de Boltzmann). Détermination de la composition d’un plasma à partir des lois de la thermodynamique. Exemple d’application : le phénomène d’étincelage Þ détermination de la surpression dans le volume confiné autour d’un rivet d’attache d’une aile d’avion lors d’un impact de foudre.

  • Partie III – Ecoulements hypersoniques

Principes physiques des écoulements hypersoniques, physico-chimie des plasmas d’entrée atmosphérique, modèles aérothermodynamiques multi-températures, approche collisionnelle-radiative. Onde de choc, zones à l’équilibre et hors d’équilibre, couche limite, processus d’échange d’énergie au sein du plasma, transferts d’énergie vers une paroi (bouclier thermique), phénomènes radiatifs, cinétique chimique, section efficace et taux de réaction. Exemple d’application : Les situations d’entrées atmosphériques terrestre et martienne, approche théorique (modélisation) et expérimentale (tubes à choc, soufflerie haute enthalpie). 

  • Partie IV – Plasmas astrophysiques

Ordering caractéristiques des plasmas spatiaux. Equation d’Euler et MHD : MHD idéale et MHD résistive, théorème du gel, onde d’Alfven. Modèle de Magnétosphère, et frontières avec l’ionosphère et le vent solaire. Introduction à l’instabilité Kelvin-Helmholtz à la magnétopause.

  1. Objectifs et compétences visées

Ce cours a pour objectif de donner aux étudiants des connaissances approfondies sur le rôle d’un champ magnétique dans un plasma, sur la thermodynamique des milieux réactifs et sur les écoulements hypersoniques, en lien avec le domaine aéronautique et spatial.

  • Partie III – Ecoulements hypersoniques
    • Maîtriser les théories physico-chimiques associées aux écoulements hypersoniques.
    • Savoir décrire les différents phénomènes mis en jeu et les différentes zones d’un plasma d’entrée atmosphérique.
    • Connaître les différents approches (code aérothermodynamique et modèle collisionnel-radiatif) permettant l’étude théorique d’une onde choc hypersonique.
    • Connaître les différents dispositifs expérimentaux permettant de reproduire les conditions de plasmas d’entrée atmosphérique.
  • Partie I – Plasmas magnétisés
    • Maîtriser les échelles caractéristiques liées à la présence d’un champ magnétique statique.
    • Connaître les dérives et instabilités associées à un champ magnétique statique non uniforme.
    • Connaître les effets engendrés par la présence d’un champ magnétique dans le plasma.
    • Savoir décrire le fonctionnement et les problématiques actuelles de la propulsion par effet Hall.
  • Partie II – Thermodynamique des milieux réactifs
    • Connaître les lois de la thermodynamique et les spécificités associées à la présence d’espèces chimiques actives.
    • Identifier les conditions d’équilibre d’un plasma en fonction de ses caractéristiques.
    • Connaître les différentes lois associées à un plasma thermique : équilibre chimique, équilibre thermique, équilibre radiatif.
    • Savoir calculer la composition et les propriétés thermodynamiques d’un plasma thermique. 
  • Partie IV – Plasmas astrophysiques
    • Maitriser la description MHD d’un plasma, ainsi que ses zones de validité et ses limites.
    • Connaître la description de la magnétosphère, de la magnétopause.
    • Connaitre les sources d’instabilités comme celle de Kelvin-Helmholtz.
  1. Principales méthodes pédagogiques

Cours magistral et travaux dirigés (TD). 

  1. Démarche évaluative et pondération

Examens écrits (100%)

 

Plasmas pour l'énergie et l'environnement :

  1. Contenu du cours

Ce cours est scindé en 4 parties présentant différents thèmes de la physique des plasmas orientés vers des applications en lien avec l’environnement et l’énergie.

  • Partie I – Procédés couches minces et interaction plasma/surface

Procédés plasma non thermique : gravure, traitement et dépôt. Pourquoi choisir ces procédés ? (aspects environnementaux, comparaison voie humide)

Influence de la source plasma, de la fréquence du signal sur les caractéristiques du procédé. Gravure : Procédés RF, autopolarisation, RIE, inhibition de la gravure.

Dépôt : PECVD, Pulvérisation. Processus physico-chimiques à la surface (diffusion, adsorption, désorption).

Illustration : cellule photovoltaïque

Partie II – Cinétique chimique

Cinétique chimique et modélisation magnétohydrodynamique. Equations de bilan de peuplement. Mécanismes réactionnels inélastiques (excitation, ionisation, dissociation, échange de charge, recombinaison dissociative, attachement, attachement dissociatif, …). Section efficace, taux de réaction direct et inverse. Equation de balance détaillée. Principe de microréversibilité. Milieux à l’équilibre thermique et hors d’équilibre : influence des différentes températures (Te, Tg, Tv et Tr). Notion de déséquilibre chimique, plasma en extinction.

Exemple d’illustration : la dépollution des gaz d’échappement.

Partie III – Rayonnement et transfert radiatif

Théorie du transfert radiatif dans les plasmas. Modélisation du transfert radiatif dans le bilan d’énergie. Grandeurs caractéristiques du rayonnement : intensité, émissivité, luminance, flux. Rayonnement du corps noir (loi de Planck, loi de Stefan-Boltzmann, loi de Wien). Approximation du corps gris. Plasmas optiquement épais et mince. Emission spontanée, émission induite et absorption. Phénomènes radiatifs dans les plasmas :

  • Rayonnement discret : raies atomiques et bandes moléculaires (profils de raies, phénomènes d’élargissement et de déplacement).
  • Continuum atomique et moléculaire : libre-libre (rayonnement de freinage) et libre-lié (recombinaison radiative, attachement radiatif, photo-ionisation et photodissociation).

Exemple d’application : extinction d’un arc de disjoncteur des réseaux électriques HT.

Partie IV – Spectrométrie de masse

Mise en œuvre de la spectrométrie de masse dans différentes applications (détection de polluants dans différents milieux : sols, sédiments, …) 

  1. Objectifs et compétences visées

Ce cours a pour objectif de donner aux étudiants des connaissances approfondies sur différents domaines de la physique permettant de modéliser l’interaction physico-chimique du plasma avec son environnement (cinétique chimique, interaction plasma/surface, rayonnement…).

  • Partie I – Procédés couches minces et interaction plasma/surface
    • Maîtriser la physique du dépôt/gravure de couches minces nanométriques.
    • Connaître les procédés utilisés pour réaliser de la gravure/dépôt.
    • Maîtriser les différents paramètres caractérisant les procédés de dépôt et l’interaction plasma/surface (pression, polarisation substrat, densité plasma).
  • Partie II – Cinétique chimique – dépollution des gaz d’échappement
    • Connaître les différentes réactions chimiques présentes dans les plasmas.
    • Savoir calculer des taux de réaction direct et inverse à partir de sections efficaces.
    • Connaître les équations de bilan de peuplement et leur utilisation dans les codes MHD.
    • Connaître l’influence des différentes températures sur la chimie du plasma.
  • Partie III – Rayonnement et transfert radiatif – applications aux disjoncteurs
    • Connaître les différents processus radiatifs mis en jeu dans les plasmas.
    • Connaître les différentes grandeurs caractéristiques du rayonnement d’un plasma.
    • Connaître les différentes approches permettant de modéliser le transfert radiatif dans les plasmas.
  • Partie IV – Spectrométrie de masse
    • Savoir mettre en œuvre une méthode de diagnostic basée sur la spectrométrie de masse pour différents types de procédés plasmas.
  1. Principales méthodes pédagogiques

Cours magistral et travaux dirigés (TD). 

  1. Démarche évaluative et pondération

Examens écrits (100%)

 

Plasmas pour le biomédical :

  1. Contenu du cours

La production d’espèces chimiquement actives (atomes, radicaux, …) par plasma. Exemple d’une post-décharge en flux. Effet des espèces actives en surface de différents matériaux.

Les applications médicales des procédés plasmas : Stérilisation / décontamination (matériel médical), nano-matériaux synthétisés par plasmas, dermatologie, oncologie.

Les traitements plasmas pour la biocompatibilité des matériaux.

Conférences :

  • Sandrine Villéger (Société Satelec Acteon) : La stérilisation par plasma.
  • Sarah Cousti (Chirurgien-Dentiste) : Utilisation de procédés plasmas pour la décontamination du matériel odontologique.
  1. Objectifs et compétences visées

Objectifs : Ce cours a pour objectif de donner aux étudiants les bases nécessaires à la compréhension des phénomènes physiques mis en jeu dans les procédés plasmas utilisés dans le domaine biomédical.

Compétences :

  • Savoir identifier et analyser les différents mécanismes physiques qui interviennent dans les milieux plasma utilisés dans le domaine biomédical.
  • Maîtriser la physique associée à la production d’espèces chimiques actives par plasma.
  • Maîtriser les théories physiques liées aux mécanismes d’interaction d’un plasma avec un matériau et connaître les effets d’un traitement plasma particulier pour différents types de matériau.
  • Identifier les différents types de décharges utilisées pour la mise en œuvre des procédés plasmas dans le domaine biomédical.
  1. Principales méthodes pédagogiques

Cours magistral et travaux dirigés (TD). 

  1. Démarche évaluative et pondération

Examens écrits (100%)