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Plasmas et Micro-ondes

par Freddy Gaboriau - publié le

Débutée en 2007 dans le cadre de l’action transversale 3EP, en étroite collaboration avec l’équipe GRE, cette thématique s’est considérablement développée pour atteindre un degré de maturité certain au cours de ce dernier quinquennal. Cela se manifeste aussi bien par des collaborations pérennes nationale et internationale, dont une nouvelle qui vient de débuter avec le Chili, que par une stabilité financière avec le soutien fort de la DGA au travers de financements de thèses et d’une ANR ASTRID. Cela s’est également concrétisé par un nombre accru de publications et des invitations à des conférences.
Historiquement, nos activités à la fois expérimentales, numériques et théoriques, ont consisté à concevoir des dispositifs micro-ondes reconfigurables par plasma, mais ce quinquennal a vu également se développer tout un pan de recherche sur de nouveaux moyens de générer un plasma à partir de sources micro-ondes. Ces deux approches sont décrites dans la suite.

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 ont été réalisés et vont conduire à un dépôt de brevet en 2019. 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 nous ont permis de mettre en évidence le rôle joué par le gradient de permittivité, naturellement présent dans nos plasmas, sur la propagation de l’onde.

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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 :
-  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.
-  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. 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.

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