Thèse Mesure de la Température de Surface de Matériaux Exposés à un Flux Radiatif H/F Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Institut National des Sciences Appliquées de Toulouse École doctorale : MEGEP - Mécanique, Energétique, Génie civil, Procédés Laboratoire de recherche : ICA - Institut Clément Ader Direction de la thèse : Cathy ROND ORCID 0000000316154701 Début de la thèse : 2027-10-01 Date limite de candidature : 2026-11-23T23:59:59 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 CO, HO 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.

A plasma is a gas that has lost its electrical insulating properties due to the application of a high potential difference between two electrodes (arc, lightning), an intense electromagnetic field (plasma torch, nuclear fusion), or high-intensity radiation (Earth's ionosphere). It can be viewed as a medium in which partially ionized gas atoms and electrons stripped from their orbitals move in a disorderly manner and can collide with one another. These recombinations are often radiative, so plasmas have an emission spectrum characteristic of the chemical species present.
The spectral and energetic properties of a plasma depend on its formation conditions (excitation, pressure, intensity). We distinguish between thermal plasmas, which are in thermodynamic equilibrium (Telectrons Tgas > 5000 K), found in high-energy applications such as nuclear energy (fusion), materials science (plasma torches, arcs), and aerospace (lightning, arcs); and non-equilibrium cold plasmas, characterized by Telectrons > Tgas (close to ambient temperature), used at low energy in various fields such as pollution control, sterilization, surface treatments, and space propulsion.
What these applications have in common is the interaction-whether transient or prolonged-between the plasma and a material, leading to its heating, physicochemical modification, or the acquisition of new properties. From a process control perspective, in situ determination of the surface temperature field is necessary. It is therefore appropriate to equip the facility with a non-contact diagnostic system capable of characterizing the material under plasma exposure. However, since the plasma acts as a radiative medium, it will emit spurious radiation toward the material and the detector, which will disrupt the measurement. Consequently, the radiation from the plasma (primarily line spectra) will overlap with the material's own thermal emission (broadband spectrum), contaminating the detector signal, which also typically has a broad spectral response.
Most optical and energy studies of plasmas focus on plasma emission in the visible spectrum, whereas the majority of noncontact temperature measurement devices operate in the infrared. The presence of plasma emission in the infrared spectrum has been the subject of a number of studies. In particular, spectroscopic studies have reported infrared emission lines in air plasmas, including both cold and thermal plasmas. For air plasmas, the emission lines are related to the vibrational modes of the molecules present (CO, HO, NO), which appear in the classical spectral bands of thermography (BI [0.9-1.7] µm; BII [3-5] µm, and BIII [8-12] µm). Thus, certain plasmas can interfere with thermographic temperature measurements by introducing a spurious component into the signal of interest.
The research community has developed several solutions to eliminate this parasitic contribution:
- Passive methods use interferential filters or multispectral detection to select spectral bands in which the plasma does not emit. The work by Tanaka et al. focuses on the use of bichromatic thermography to study an argon thermal arc plasma used in additive manufacturing for the fusion of metallic materials. Using the same approach, the CEA team in Cadarache developed a 5-wavelength multispectral thermography system to account for spectral variations in emissivity, without considering the effects of plasma reflection. The article by Nishijima et al. presents observations of a helium plasma in contact with chromium using a VIS/NIR hyperspectral camera capable of acquiring data at approximately 200 wavelengths, without performing any temperature measurements. Kavyrshin et al. study the radiation from a cold helium plasma in contact with tungsten by analyzing the VIS/NIR spectrum to estimate the sample's temperature using the continuous background (Planck's law).
- The most commonly used active method is active pyrometry, particularly by the CEA teams in Cadarache. An additional laser beam induces modulated local heating of the surface under study, making it possible to distinguish the thermal contribution from the reflective noise.
Simulating plasma radiation is an important tool that allows researchers to derive both spectral and global quantities in the context of plasma modeling (radiative flux, radiative flux divergence, radiated power, contribution of a radiative system, etc.) and to aid in the experimental characterization of the medium under study (determining temperatures and densities, for example). Developing such tools is a lengthy and complex process requiring the use of quantum mechanics methods and access to extensive baseline data. Regarding the modeling of air plasmas, various codes have been developed, and some are currently available as open-access software (SPECAIR, LIFBASE, PGOPHER).
In conclusion, plasmas are increasingly used in structures for the aerospace, energy, and process engineering industries. However, there is little information in the literature regarding the real-time monitoring of the temperature of solids exposed to plasma. Yet this is a key element in the management, control, and optimization of processes.
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Un plasma est un gaz ayant perdu ses propriétés d'isolant électrique par l'application d'une différence de potentiel élevé entre deux électrodes (arc, foudre), d'un champ électromagnétique intense (torche plasma, fusion nucléaire) ou d'un rayonnement d'intensité élevé (ionosphère terrestre). Il peut être vu comme un milieu où les atomes de gaz, partiellement ionisés, et des électrons arrachés de leur orbitale, sont en mouvement désordonné et peuvent se percuter. Ces recombinaisons sont souvent radiatives, les plasmas ont donc un spectre d'émission caractéristique des espèces chimiques en présence.
Les propriétés spectrales et énergétiques d'un plasma dépendent de ses conditions de formation (excitation, pression, intensité). On distingue les plasmas thermiques, en équilibre thermodynamique (Telectrons Tgaz > 5000 K), présents dans les applications de haute énergie telles que le nucléaire (fusion), les matériaux (torches plasmas, arcs), ou encore l'aéronautique (foudre, arcs) ; et les plasmas froids hors équilibre, caractérisés par Telectrons > Tgaz (proche de l'ambiante), employés à basse énergie dans différents domaines d'activité tels que la dépollution, la stérilisation, les traitements de surface ou la propulsion spatiale.
Le point commun de ces applications réside dans l'interaction, transitoire ou prolongée, entre le plasma et un matériau, conduisant à son échauffement, à sa modification physico-chimique ou à l'acquisition de nouvelles propriétés. Dans une perspective de maîtrise du procédé, la détermination in situ du champ de température de surface s'avère nécessaire. Il est ainsi pertinent d'équiper l'installation d'un système de diagnostic sans contact permettant de caractériser le matériau sous sollicitation plasma. Toutefois, le plasma agissant comme un milieu radiatif participatif, il va émettre un rayonnement parasite vers le matériau et le détecteur, ce qui aura pour effet de perturber la mesure. Ainsi le rayonnement du plasma (spectres de raies principalement) va se superposer à l'émission thermique propre du matériau (spectre large bande spectrale), polluant le signal du détecteur qui a également, le plus souvent, une réponse spectrale large.
La plupart des études optiques et énergétiques des plasmas s'intéressent à l'émission des plasmas dans le domaine visible, alors que la majorité des dispositifs de mesure de température sans contact opère dans l'infrarouge. L'existence du parasite plasma dans le domaine infrarouge a fait l'objet d'un certain nombre d'études. En particulier, des études spectroscopiques font état de raies d'émission dans l'infrarouge pour des plasmas d'air pour des plasmas froids ou thermiques. Pour les plasmas d'air, les raies d'émission sont reliées au mode de vibration des molécules en présence (CO2, H2O, NO), qui apparaissent dans les bandes spectrales classiques de la thermographie (BI [0.9-1.7]µm ; BII [3-5]µm et BIII [8-12] µm). Ainsi, certains plasmas peuvent perturber la mesure de température par thermographie, en ajoutant une contribution parasite au signal d'intérêt.
Plusieurs solutions ont été développées par la communauté pour s'affranchir de cette contribution parasite :
- Les méthodes passives proposent, à travers l'utilisation de filtres interférentiels ou de détection multispectrale, de sélectionner des bandes spectrales où le plasma n'émet pas. Les travaux de Tanaka et al. portent sur l'utilisation de la thermographie bichromatique pour étudier un plasma d'arc thermique d'argon utilisé en fabrication additive pour la fusion des matériaux métalliques. Selon la même approche, l'équipe du CEA de Cadarache a développé un système de thermographie multispectrale à 5 longueurs d'onde pour prendre en compte les variations spectrales de l'émissivité, sans évoquer les effets de la réflexion du plasma. L'article de Nishijima et al. propose l'observation d'un plasma d'hélium en contact avec du chrome à l'aide d'une caméra VIS/NIR hyperspectrale permettant l'acquisition d'environ 200 longueurs d'onde, sans réaliser de mesure de température. Kavyrshin et al. étudient le rayonnement d'un plasma froid d'hélium au contact du tungstène par l'analyse du spectre VIS/NIR afin d'estimer la température de l'échantillon via le fond continu (loi de Planck).
- La méthode active la plus couramment utilisée est la pyrométrie active, notamment par les équipes du CEA de Cadarache. Un rayonnement laser supplémentaire induit un échauffement local modulé de la surface à étudier, ce qui permet de discerner la contribution thermique du parasite réflectif.
La simulation du rayonnement des plasmas est un outil important qui permet à la fois de remonter à des grandeurs spectrales ou globales dans le cadre de la modélisation d'un plasma (flux radiatif, divergence du flux radiatif, puissance rayonnée, contribution d'un système radiatif...) et d'aider à la caractérisation expérimentale du milieu étudié (détermination de températures et densités par exemple). La mise au point de tels outils représente un travail long et complexe nécessitant l'utilisation de méthodes de mécanique quantique et l'accès à de nombreuses données de base. Concernant la modélisation de plasmas d'air, différents codes ont été développés et certains sont actuellement disponibles en libre accès (SPECAIR, LIFBASE, PGOPHER).
En conclusion, les plasmas sont des milieux de plus en plus utilisés dans les structures pour l'aéronautique, l'énergie et le génie des procédés. Le suivi en ligne de la température des solides sollicités par le plasma est, quant à lui, peu renseigné dans la littérature. Il est pourtant un élément clé de la maîtrise, le contrôle et l'optimisation des procédés.
The objective of this work is to develop a noncontact temperature measurement method applicable to solid materials exposed to a plasma.
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L'objectif de ce travail est de développer une méthode de mesure sans contact de la température, s'appliquant à des matériaux solides exposés à un plasma. The project will employ a combined numerical modeling and experimental approach.
Material under study = stainless steel // Heating = temperature-controlled source
The approach is phased:
- Characterization of the system under study (steel plate) without external interference (surface temperature detection and measurement chain).
-System perturbation by a thermal source (heating element near the surface of interest) - Surface temperature measurement
-Development of a stationary cold plasma source and radiative characterization from both experimental and numerical perspectives
-System perturbation by the plasma source - Surface temperature measurement
The methods are innovative:
-Plasma characterization using on-board spectrometry mounted on a robotic arm
-Temperature measurement using a hyperspectral camera
The technique will be applied:
The method developed will be applied to a device capable of simulating the conditions of space vehicle reentry into the atmosphere. Measurements in the presence of very high-energy stationary plasmas will be conducted using the high-enthalpy torch at the Von Karman Institute.
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Le projet mettra en oeuvre une approche mixte modélisation numérique/expérimentation.
Matériau étudié = acier inoxydable // Chauffage = source régulée en température
L'approche est progressive:
-Caractérisation du système étudié (plaque d'acier) non parasité (chaîne de détection et mesure de la température de surface).
-Perturbation du système par une source thermique (élément chauffant à proximité de la surface considérée) - Mesure de la température de surface
-Mise au point d'une source plasma froid stationnaire et caractérisation radiative d'un point de vue expérimental et numérique
-Perturbation du système par la source plasma - Mesure de la température de surface
Les moyens sont originaux :
-Caractérisation de plasma par spectrométrie embarquée sur bras robotisé
-Mesure de température par caméra hyperspectrale
La technique est appliquée :
La méthode développée sera appliquée à un dispositif permettant de reproduire les conditions de rentrée atmosphérique d'engins spatiaux. Des mesures en présence de plasmas stationnaires à très haute énergie seront réalisées sur la torche haute enthalpie du Von Karman Institute.
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