Absolute calibration and quantification of atomic oxygen in nanosecond plasmas using two-photon absorption laser-induced fluorescence
Étalonnage absolu et quantification de l'oxygène atomique dans les plasmas nanosecondes à l'aide de la fluorescence induite par laser à absorption à deux photons
Résumé
Atomic oxygen is commonly generated in reactive media, such as low-temperature plasmas and combustion environment. Owing to its high chemical reactivity and consequent short lifetime, time- and space-resolved measurements of O-atom density are essential for elucidating particle kinetic behavior and reaction mechanisms. Two-photon absorption laser-induced fluorescence (TALIF) has emerged as a powerful non-intrusive technique for detecting atomic species. By employing fast (nanosecond) and ultra-fast (picosecond or femtosecond) laser pulses, this technique enables the excitation of ground-state atoms and the detection of their subsequent fluorescence, offering excellent temporal and spatial resolution. When properly calibrated, TALIF allows absolute quantification over a dynamic range.A significant challenge in the calibration of O-TALIF lies in the uncertainty associated with the two-photon absorption cross-section ratio between the reference gas xenon and atomic oxygen. This ratio was determined by only one group of authors and has been widely used for twenty years. However, recent studies have indicated that this value may lead to an overestimation of the atomic oxygen density. Another issue happens when applying ultra-fast TALIF, which is especially well-suited for diagnosing transient plasmas characterized by strong collisional quenching at high pressures. Under conditions of high laser power density, the rate-equation-based model may overestimate the excited-state population, and thus the inferred ground-state density, due to the omission of coherence effects and saturation phenomena.This thesis proposed a novel approach to calibrate the two-photon absorption cross-section ratio of Xe/O in nanosecond TALIF application. A nanosecond pulsed discharge, applied within a millimeter-scale capillary tube, enables efficient molecular dissociation at high reduced electric field and high specific deposited energy. Notably, complete dissociation of molecular oxygen was achieved in the afterglow of a N2+5%/2% O2 discharge at moderate pressure, providing a practical and well-characterized source of atomic oxygen. Then the known density served as a robust calibration reference for the Xe/O cross-section ratio. A developed one-dimensional numerical simulation was used to verify the 100% oxygen dissociation, compare with the experimental data, and analyze the formation pathways of atomic oxygen. Electrical diagnostics were employed by back-current shunt and capacitive probe techniques, while gas temperature was determined using optical emission spectroscopy. These measurements helped to characterize and customize the discharge, forming the basis for kinetic modeling and the validation of calculation results.The calibration work of Xe/O cross-section ratio was subsequently extended to picosecond TALIF measurements. Compared to nanosecond TALIF, the picosecond pulsed laser offers a more efficient excitation of ground-state oxygen atoms. The Xe/O cross-section ratio was confirmed to be 1.8 for both nanosecond and picosecond regimes, with uncertainties of ±0.2 and ±0.3, respectively. The validity range of the rate equations and the conditions under which a transition to the optical Bloch equations becomes necessary were discussed.Further applications of O-TALIF were explored, emphasizing its capability for time- and space-resolved diagnostics. The temporal evolution of atomic oxygen in the afterglow of nanosecond capillary discharges in CO2 was measured to validate the kinetic model and provide insights into the dissociation pathways at high reduced electric field and high specific deposited energy. The implementation of absolute calibration in the nanosecond varying-gap plane-to-plane discharge confirmed the formation of an O-atom density gradient, which may play a critical role in the initiation and propagation of detonation waves.
L’oxygène atomique est couramment produit dans des milieux réactifs, tels que les plasmas froids et les environnements de combustion. En raison de sa forte réactivité chimique et de sa courte durée de vie, des mesures temporellement et spatialement résolues de sa densité sont essentielles pour comprendre sa cinétique et les mécanismes réactionnels. La fluorescence induite par laser en absorbant deux photons (TALIF) s’est imposée comme une technique non-intrusive efficace pour détecter les espèces atomiques. Utilisant des impulsions laser rapides (nanoseconde) ou ultra-rapides (picoseconde/femtoseconde), la technique TALIF permet l’excitation localisée des atomes à l’état fondamental et la détection de l’émission de fluorescence avec une excellente résolution spatio-temporelle. Une fois bien calibrée, elle permet une quantification absolue sur une large gamme dynamique.Un défi majeur de l'O-TALIF réside dans l’incertitude liée au rapport de section efficace d’absorption à deux photons entre le xénon (gaz de référence) et l’oxygène atomique. Ce rapport, fourni par une seule équipe il y a vingt ans, reste largement utilisé. Toutefois, des études récentes suggèrent qu’il pourrait conduire à une surestimation de la densité d’oxygène. Une autre difficulté émerge avec la TALIF ultra-rapide, particulièrement adapté aux plasmas transitoires soumis à un fort écrantage collisionnel à haute pression. Dans ces conditions, un modèle fondé sur les équations de taux de transition peut surestimer la population d’états excités – et donc la densité d’état fondamental – en négligeant les effets de cohérence et les phénomènes de saturation.Cette thèse propose donc une méthode innovante pour calibrer le rapport de section efficace Xe/O dans le cadre du TALIF nanoseconde. Une décharge pulsée nanoseconde, appliquée dans un tube capillaire millimétrique, permet une dissociation moléculaire efficace grâce à un champ électrique réduit élever et une forte densité d’énergie spécifique. Une dissociation complète de l’oxygène moléculaire a été obtenue dans la section rémanente d’une décharge N2+5%/2% O2 à pression modérée, fournissant une source bien caractérisée d’atomes d’oxygène, servant ensuite de référence pour la calibration du rapport Xe/O. Les simulations numériques unidimensionnelles développées sont utilisées pour vérifier la dissociation complète de l'oxygène, comparer les résultats avec les données expérimentales et analyser la voie de formation de l'oxygène atomique. Des diagnostics électriques (shunt de courant arrière et sonde capacitive) ont été employés, et la température du gaz a été déterminée par spectroscopie d’émission optique. Ces mesures ont permis de caractériser et d’ajuster la décharge, posant les bases de la modélisation cinétique et de la validation des résultats.Ce travail de calibration a été ensuite étendu à la TALIF picoseconde. Comparé au régime nanoseconde, le laser picoseconde permet une excitation plus efficace des atomes d’oxygène à l’état fondamental. Le rapport Xe/O a été confirmé à 1,8 dans les deux cas, avec des incertitudes de ±0,2 et ±0,3 respectivement. La validité des équations de taux et les conditions nécessitant le passage aux équations de Bloch optiques ont été discutées.D'autres applications de l'O-TALIF ont été explorées, soulignant sa capacité à réaliser des diagnostics résolus dans le temps et l'espace. L'évolution temporelle de l'oxygène atomique dans la rémanence des décharges capillaires nanosecondes dans le CO2 a été mesurée afin de valider le modèle cinétique et de mieux comprendre les voies de dissociation à champ électrique réduit élever et à énergie spécifique déposée élevée. L’application de la calibration absolue dans une décharge plane à écart variable nanoseconde a permis de confirmer la formation d’un gradient de densité en O, susceptible de jouer un rôle clé dans l’initiation et la propagation des ondes de détonation.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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