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Plasmas et Micro-ondes

par Freddy Gaboriau - publié le , mis à jour le

Cette thématique à l’interface entre la physique des plasmas et les micro-ondes est étudiée depuis 2007 en étroite collaboration avec des spécialistes des micro-ondes, l’équipe GRE du LAPLACE dans le cadre de l’action transversale 3EP, et l’équipe DEOS de l’ISAE-SUPAERO depuis 2010.
Le plasma est un milieu dont la permittivité, vis-à-vis d’une onde électromagnétique, présente des valeurs négatives ou comprises entre 0 et 1. Cette permittivité qui dépend étroitement de la densité électronique du plasma et de la fréquence de collision entre les électrons et les neutres peut être facilement modulée. Cette propriété remarquable fait ainsi du plasma un objet idéal pour contrôler la propagation d’une onde qui peut être réfléchie, transmise ou absorbée. Selon la puissance de l’onde électromagnétique mise en jeu, l’interaction entre l’onde et le plasma peut être linéaire ou non.
Historiquement, nos activités à la fois expérimentales, numériques et théoriques, ont consisté à concevoir des dispositifs micro-ondes reconfigurables par plasma (antennes, filtres, coupleurs, …), mais ces dernières années ont vu également se développer tout un pan de recherche sur de nouveaux moyens de générer un plasma à partir de sources micro-ondes.

Ce thème de recherche s’articule autour de 2 sous-thèmes :


Contrôle de la propagation d’une onde

Nos travaux récents font partie des premiers à démontrer expérimentalement la possibilité de reconfigurer des métamatériaux, des antennes ou encore des filtres à l’aide de plasmas. Des premiers démonstrateurs de circuits micro-onde autolimitant à base de plasma en technologie planaire [1] et des antennes plasma miniatures [2] ont été réalisés. Ces travaux nous ont permis d’améliorer la compréhension de l’interaction non-linéaire entre une onde et un plasma et d’étudier divers types de plasmas : micro-décharges, décharges luminescentes à la pression atmosphérique et plasma RF basse pression. Nous avons pu ainsi évaluer théoriquement et expérimentalement les temps de commutation de ces dispositifs (point clé de la reconfigurabilité), aussi bien en champ micro-onde qu’en champ DC, et nous avons montré comment le champ micro-onde conduit à l’expansion du plasma, sous quelle forme et à quelle vitesse. Nous avons par ailleurs démontré l’influence de la chimie du plasma sur cette expansion. Enfin, des premiers éléments d’analyse numérique et expérimentaux sur les antennes miniatures nous ont permis de mettre en évidence le rôle joué par le gradient de permittivité (i.e. le gradient de densité électronique) sur la propagation de l’onde.
Actuellement, nos objectifs sont de mieux comprendre, à l’aide modèles et d’expériences, les phénomènes observés afin de dégager des pistes théoriques d’amélioration des dispositifs et d’identifier de nouveaux concepts. Nous cherchons en particulier à mieux comprendre : 1) la répartition de la puissance micro-onde interagissant avec le plasma, 2) l’effet du gradient de densité, 3) le passage par « zéro » de la permittivité, 4) les phénomènes de résonance.

Contact : Thierry Callegari

Simulation 2D-FDTD d’un circuit micro-onde autolimitant à base de plasma en technologie planaire.

Antenne plasma miniature (Ø 215 mm) dans un mélange Ne-Xe1%.


[1] A. Simon, R. Pascaud, T. Callegari, L. Liard and O. Pascal, “Experimental Study of Microwave Power Limitation in a Microstrip Transmission Line Using a DC Plasma Discharge for Pre-ionization”, IEEE Transactions on Plasma Science, v. 46, n° 7 (2018)
[2] V. Laquerbe, R. Pascaud, A. Laffont, T. Callegari, L. Liard, and O. Pascal, " Towards antenna miniaturization at radio frequencies using plasma discharges”, Physics of Plasmas 26, 033509 (2019)

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Nouvelles générations de plasmas par des dispositifs micro-ondes

L’utilisation des micro-ondes pour l’allumage et l’entretien d’un plasma basse pression est une problématique connue de la communauté. Néanmoins, l’apparition récente de nouveaux dispositifs micro-ondes nous a conduit à des études expérimentales sur deux cas spécifiques :

Métamatériaux

Certains métamatériaux permettent de générer une perméabilité négative sur un domaine de fréquence. L’idée est de plonger ce métamatériau dans un plasma pour réaliser expérimentalement un matériau doublement négatif aussi appelé « main gauche ». La thèse a permis de mettre en place les outils de caractérisation d’un tel dispositif en environnement contraint. Les travaux se focalisent sur la mesure de cet effet main gauche, et nécessitent un travail de simulation pour la compréhension des mécanismes physiques engendrant les mesures obtenues. L’influence du gradient de densité apparait importante et des pistes sont envisagées pour la compenser.


Retournement temporel

Le retournement temporel est une technique de focalisation d’onde extrêmement fertile en applications. Dans le domaine électromagnétique en cavité réverbérante, cette technique permet de focaliser l’énergie en un court instant et en un point choisi de l’espace. Appliquée au plasma, elle pourrait permettre de contrôler dans le temps et dans l’espace la position d’un plasma uniquement par la forme d’onde. La thèse de Valentin Mazières dans l’équipe GRE, démarrée en 2017 et financée par la DGA, et soutenue par le CEA Gramat via le prêt de moyens expérimentaux, a permis de réaliser un banc expérimental et de démontrer la faisabilité [3]. Ce travail implique notre équipe sur la réalisation du banc, et sur la caractérisation du plasma. Un travail de modélisation numérique de ces plasmas est également en cours.

Contact : Laurent Liard

[3] Valentin Mazières, Romain Pascaud, Laurent Liard, Simon Dap, Richard Clergereaux, and Olivier Pascal, “Plasma Generation using Time Reversal of Microwaves”, Appl. Phys. Lett. 115, 154101 (2019)

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