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AVERTISSEMENT



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soutenance et mis à disposition de l’ensemble de la communauté
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LIENS




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http://www.culture.gouv.fr/culture/infos-pratiques/droits/protection.htm


INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE
École des Mines de Nancy
Laboratoire de Science et Génie des Surfaces
(UMR CNRS 7570)

N° attribué par la bibliothèque
Année 2007

PLASMAS MICRO-ONDES EN CAVITÉ RÉSONNANTE À
LA PRESSION ATMOSPHÉRIQUE: ÉTUDE DES PLASMAS
D'HÉLIUM ET APPLICATIONS AU TRAITEMENT DES
MATÉRIAUX

Thèse
Présentée devant
l’Institut National Polytechnique de Lorraine
pour obtenir le titre de
Docteur de l’INPL
École doctorale : Énergie, Mécanique, MAtériaux
Discipline : Science et Ingénierie des Materiaux
Soutenue publiquement par
Rodrigo PERITO CARDOSO
le 14 décembre 2007 devant la commission d’examen
Rapporteurs M. Khaled HASSOUNI Professeur, LIMHP, Université Paris 13
M. Pascal TRISTANT Professeur, SPCTS, Université de Limoges.
Examinateurs M. Nader SADEGHI Directeur de recherche, LSP, Université Joseph Fourier,
Grenoble
M. Antoine ROUSSEAU Directeur de recherche, LPTP, École Polytechnique,
Palaiseau
Directeur de thèse M. Thierry BELMONTE Directeur de recherche, LSGS, INPL, Nancy
Co-directeur de thèse M. Gérard HENRION Chargé de recherche, LSGS, INPL, Nancy
« I l n ' e x i s t e q u e d e u x c h o s e s
i n f i n i e s , l ' u n i v e r s e t l a b ê t i s e
h u m a i n e . . . m a i s p o u r l ' u n i v e r s , j e
n ' a i p a s d e c e r t i t u d e a b s o l u e . »
Albert Einstein
À ma femme Lígia
À mes parents Pedro et Jane



R e m e r c i e m e n t s
C’est avec mon enthousiasme le plus vif et le plus sincère que je tiens à remercier tous ceux
qui ont contribué directement ou indirectement à l’aboutissement de ce travail de thèse.
Pour moi, ces quatre années au Laboratoire de Science et Génie des Surfaces se sont passées
dans des conditions excellentes et l’encadrement y est pour beaucoup. Je voudrais remercier mon
directeur de thèse Thierry Belmonte pour sa grande disponibilité, pour sa vivacité d’esprit et pour
ses compétences scientifiques. Je voudrais également remercier Gérard Henrion, qui a assuré la co-
direction de ma thèse, pour sa disponibilité, pour ses compétences scientifiques et pour son aide
dans les mesures expérimentales. Je les remercie profondément pour leurs qualités personnelles,
pour la confiance qu’ils m’ont toujours témoignée, pour la liberté de choix qu’ils m’ont donné
pendant les travaux et pour la qualité de leur encadrement. Toutes ces qualités ont aidé grandement
à ma formation scientifique et personnelle.

Je voudrais ensuite exprimer ma reconnaissance à tous les membres du jury pour le temps
investi dans le réalisation ou l’évaluation de cette étude. Je remercie :
Khaled Hassouni et Pascal Tristant qui ont accepté de porter un jugement expert en tant que
rapporteurs de cette thèse ;
Antoine Rousseau pour avoir participé à la soutenance en qualité d’examinateur;
Nader Sadeghi pour toutes les discutions que nous avons eu à propos des décharges d’hélium
et aussi pour m’avoir fait découvrir la technique d’absorption laser.

Parmi les autres personnes qui ont directement contribué à ces travaux, je voudrais
remercier :
Jean-Marie Thiébaut pour toutes les journées passées en salle de manip avec moi, pour
m’avoir fait découvrir les micro-ondes et pour l’aide qu’il m’a apporté entre le démarrage de ma
thèse et son départ en retraite. Je le remercie aussi pour sa bonne humeur, ses qualités humaines et
ses qualités de bricoleur;
Francis Kosior pour tous les efforts fournis en ce qui concerne la simulation
électromagnétique, pour sa disponibilité, pour son amitié et pour tous les bons moments de
discutions et détente qui nous avons partagé;
Pascal Keravec pour les efforts fournis en spectrométrie de masse;
Juan Miguel Arocas et Régis Peignier pour l’aide apportée dans les montages expérimentaux; Cédric Noël pour les mesures réalisées lors de son stage de Master et également pour toutes
les discutions scientifiques et tous les développement qui nous avons pu faire ensemble pendant ces
années;
Christine Gendarme, Sylvain Weber et Pascal Boulet dont j’ai apprécié les compétences lors
des analyses des échantillons;
Henri, Patrice et Jacques pour l’usinage des pièces nécessaires aux expériences.

Je remercie le gouvernement Brésilien qui par le biais de la CAPES a financé ma bourse
pendant les quatre années de thèse.

Je voudrais remercier aussi tout le personnel du LSGS, en particulier Sylvie, Valérie et
Martine. Je tiens à remercier aussi Henri Michel pour tout l’expérience qu’il a partagée avec moi
dans plusieurs moments de discutions.

Je voudrais remercier également mes professeurs brésiliens, Ana Maria Maliska, Clovis R.
Maliska et Joel L. R. Muzart (in memoriam), qui m’ont aidé dans mon parcours scientifique. Ces
personnes ont non seulement dirigé mes travaux en master mais m’ont aussi donné des conseils
précieux pour que je puisse réaliser ma thèse en France.

Pendant les quatre années de thèse, j’ai particulièrement apprécié les moments de détente et
de discussion avec mes camarades doctorants, chercheurs, stagiaires… Merci à tous et je voudrais
particulièrement témoigner ma gratitude envers mes collègues de bureau : Virginie, les deux Cédric
(Jaoul et Noël), Marjorie, Sandrine, Juliano, Thomas Grégory, Tony et Rodrigo et particulièrement
à Alain Daniel et Marcio Mafra.

Enfin, je remercie mes parents Pedro et Jane pour leur soutien inconditionnel et pour la
grande liberté qu’ils m’ont laissé pendant tout mon parcours. Je remercie de tout mon coeur ma
femme Lígia pour son soutien et sa patience tout au long de ma thèse.

T A B L E D E S M A T I È R E S
Chapitre 1 – Introduction générale.......................................................................................- 1 -

Chapitre 2 - Plasmas micro-ondes à la pression atmosphérique : aspects théoriques et
applications au traitement des surfaces ...............................................................................- 5 -

Les plasmas à la pression atmosphérique : introduction et généralités................................................- 5 -
Plasmas micro-ondes à la pression atmosphérique : sources, aspects théoriques et difficultés ......- 7 -
Problème des données de base....................................................................................................................- 8 -
Estimation du terme source................................................................................................................- 10 -
Estimation des termes de perte ..........................................................................................................- 10 -
Établissement du bilan.........................................................................................................................- 12 -
Problème du caractère local ou non local de la dissipation d’énergie ................................................- 14 -
Autres aspects ...............................................................................................................................................- 16 -
Applications des plasmas micro-ondes au traitement des surfaces ....................................................- 17 -
Conclusions...................................................................................................................................................- 19 -
Références......................................................................................................................................................- 19 -

Chapitre 3 - Dispositifs expérimentaux et méthodes ........................................................- 25 -

Les réacteurs micro-ondes en cavité résonnante....................................................................................- 25 -
Le système d’injection des gaz...................................................................................................................- 28 -
Les gaz............................................................................................................................................................- 29 -
Mesures par spectroscopie d’émission optique ......................................................................................- 30 -
Mesures moyennes sur le volume (non résolues spatialement)....................................................- 30 -
Mesures résolues spatialement............................................................................................................- 30 -
Mesures par spectroscopie d’émission optique haute résolution.................................................- 31 -
Mesures par spectroscopie d’émission optique en plasma pulsé. ................................................- 31 -
Mesures de température rotationnelle : technique du spectre synthétique. ...............................- 33 -
Mesures d’absorption par diode laser.......................................................................................................- 42 -
Technique et mesures en plasma continu.........................................................................................- 42 -
Mesures en plasma pulsé......................................................................................................................- 46 -
Mesures des dimensions de la décharge par analyse d’image...............................................................- 47 -
Mesures par spectrométrie de masse........................................................................................................- 48 -
Application aux traitements de surface....................................................................................................- 49 -
Références......................................................................................................................................................- 49 -

Chapitre 4 - Modèle collisionnel-radiatif du plasma d’hélium à la pression atmosphérique
en cavité résonnante............................................................................................................- 51 -

Processus élémentaires................................................................................................................................- 52 -
Ionisation................................................................................................................................................- 52 -
Excitation et collisions superélastiques.............................................................................................- 66 -
Recombinaison et diffusion ambipolaire..........................................................................................- 66 -
Création et perte d’excimères..............................................................................................................- 69 -
Quenching ..............................................................................................................................................- 71 -
Radiation.................................................................................................................................................- 71 -
Description du modèle................................................................................................................................- 72 -

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