Evaluation des constantes atomiques pour l'élaboration des modèles collisionnel-radiatifs

par Abdoul Aziz Ndiaye

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Konstantinos Katsonis.

Soutenue en 2009

à Paris 11 , en partenariat avec Université de Paris-Sud. Faculté des Sciences d'Orsay (Essonne) (autre partenaire) .


  • Résumé

    La propulsion ionique est un besoin pérenne des satellites et des engins spatiaux, du fait des économies substantielles réalisées sur la masse embarquée. Avec l’apparition des missions scientifiques toujours plus ambitieuses et nécessitant de hauts degrés de précisions telles que le contrôle très précis de la position des satellites, les phénomènes d’interférométrie dans l’espace, la compensation de la traînée dans la haute atmosphère, et les expériences en microgravité, de nouvelles solutions technologiques sont développées par la communauté scientifique notamment la technologie des réacteurs électriques a�� effet de champ baptisé FEEP. Ces micropropulseurs qualifiés de nouvelles générations, de dimension d’environ 10 cm de diamètres, ultra précis, et capables de produire une modulation de poussée Newton appropriée, constituent un challenge extrême dans ces nouvelles applications scientifiques. Si cette technologie semble désormais mûre, il n’en demeure pas moins que beaucoup de chemin reste à parcourir pour obtenir des propulseurs FEEP optimisés. Dans ce cadre, un diagnostic précis des propriétés du plasma en fonction de la configuration du moteur reste indispensable. L’objectif de notre travail était d’apporter une contribution substantielle à l’amélioration des modèles pour un plasma d’Indium utilisé pour ces diagnostics. Notre premier travail a consisté à construire la base des données atomiques fiables. La compilation des données publiées nous a permis d’obtenir les niveaux d’énergie considérés avec une très bonne précision, qui sont en très bons accords avec les spectres expérimentaux. Des incertitudes plus grandes sont néanmoins apparues dans la détermination des coefficients de taux radiatifs et de collision. La deuxième étape de notre travail a été d’intégrer notre base de données dans des modèles cinétiques ou statistiques avec lesquels nous avons évalué l’évolution de l’état d’ionisation du plasma et de la distribution des populations des états excités en fonction de la température Te et de la densité Ne des électrons libres. La densité des propulseurs étant faible, nous sommes partis du modèle Coronal, à partir duquel, par une approche hybride, nous avons également estimé la distribution des états excités. L’estimation du domaine de validité de l’approximation Coronale que nous avons faite indique que les plasmas de propulseur sont à la limite de ce domaine, et même assez nettement en dehors selon les niveaux atomiques et ioniques que l’on considère. Nous avons donc construit un code Collisionnel-Radiatif détaillé, nommé CORAD, qui traite de façon plus exacte la cinétique des états de l’In I, II et du fondamental de l’In III. A l’aide de ce code, nous avons analysé l’influence de la densité électronique sur l’ionisation moyenne et la densité de population. Le code CORAD redonne bien les deux limites Coronale et ETL à basse et à haute densité électronique ainsi que le régime entre ces deux limites. La dernière partie de notre travail a été dédiée à l’analyse de spectres expérimentaux. L’identification des raies a dans tous les cas, donné un très bon accord entre les valeurs expérimentales et notre base de données. L’analyse du spectre ne nous a ainsi pas permis de conclure sur la densité du plasma. Néanmoins, nous avons pu à partir de certaines raies, retrouver le bon ordre de grandeur pour la température des électrons. La comparaison des raies de l’In I et de l’In II nous a amené à conclure que l’ensemble du spectre ne peut être interprété en supposant une source homogène à une température fixée.

  • Titre traduit

    Evaluation of atomic constants for collisional radiative models


  • Résumé

    The ionic propulsion is currently a need of satellites and spacecraft, due to the substantial saving accomplished on the loaded mass comparing with traditional chemical thrusters. With the arising of more ambitious scientific projects, requiring detailed control as satellites, spatial interferometry, compensation of trail in the high atmosphere, and experiments in microgravity, new technological solutions are developed by the scientific community, notably the technology of electrical reactors with field effect so called FEEP (Field Emission Electric Propulsion). These new generation microthrusters, with dimension about 10 cm in diameter, with ultra precision control capability, and able to produce an appropriate thrust modulation in the Newton scale, constitute an extreme challenge in these new scientific applications. If this technology seems to be mature, nonetheless we are still from constructing optimized thrusters FEEP. In this frame, a definite diagnostic of plasma properties remains necessary. The objective of our work was to contribute substantially to the improvement of models for Indium plasmas used for these diagnostics. Our first work was the construction of suitable atomic database. The compilation of published data allowed us to get energy levels considered with good precision, which are in very good agreements with the experimental spectra. However, larger uncertainties appeared in the determination of radiative and collisional rates coefficients. The second part of our work was to insert our atomic database into kinetic and statistical models. With these models, we evaluated the ionization state evolution of the plasma and the distribution of the excited states population as a function of the temperature Te and the density Ne of free electrons. The density of thrusters being weak, we start with a Coronal model, from which, by a hybrid approach, we also estimated the excited states distribution. The domain validity estimation of Coronal approximation shows that the plasmas of thrusters are on this domain’s limit and even beyond for some of atomic and ionic levels considered. We therefore constructed a detailed Collisional Radiative code, named CORAD, which treats in a more precise manner the kinetics of the states of In I, II and the fundamental state of In III. With this code, we have analyzed the influence of the electronic density on the medium ionization and on the population density. The code CORAD gives both the Coronal and ETL limits in low and in high electronic density and in the regime between these two limits. The last part of our work was devoted to the analysis of experimental spectra. The energies of spectral lines have been found for all the cases in very good agreement with our atomic database. The analysis of the spectra does not allow us to estimate accurately the plasma density. However, we have obtained a good estimation of the electronic temperature. The comparison of In I and In II lines led us to conclude that the whole spectra cannot be interpreted by assuming a homogeneous source at a uniform temperature.

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  • Détails : 1 vol. (VI-255 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 243-253

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