La thèse a pour ambition d’explorer une physique encore très peu étudiée à ce jour, celle des plasmas de décharges hors-équilibre créés
dans l’air par des champs électriques extrêmement transitoires et intenses. Lorsqu’un champ électrique de plusieurs centaines de kV/cm
est appliqué à un gaz sur une échelle de temps sub-nanoseconde, comparable à la dynamique de développement d’une avalanche
électronique, le développement des décharges change. Beaucoup plus volumique, diffuse et rapide qu’une onde d’ionisation de type
streamer classique, cette nouvelle dynamique laisse penser que les mécanismes physiques impliqués sont différents ou bien que certains
processus jusqu’alors négligés nécessitent d’être pris en compte à très fort champ. Parmi ces processus, la création d’électrons en régime
d’accélération continue (électrons runaway) est tout à fait envisageable, pouvant entrainer l’émission d’un rayonnement X dans le gaz ou
aux électrodes, ce qui remet partiellement en cause l’hypothèse de champ local utilisé dans les modèles fluides usuels. L’objectif principal
du travail est donc de mettre en place une multiplicité de diagnostics expérimentaux suffisamment sensibles et résolus (spatialement et
temporellement) pour identifier et caractériser ces mécanismes. Des diagnostics optiques et Laser innovants (E-FISH, CCS, Thomson
scattering, Shack-Hartmann Interferometry) doivent permettre d’atteindre une résolution temporelle de plusieurs dizaines de picosecondes
tout à fait adaptée à la dynamique de la décharge. Une configuration de type pointe-plan sera utilisée pour générer une décharge stable et
reproductible. Les études pourront se faire en collaboration avec d’autres laboratoires de recherche français (LPP, Icare…) et
internationaux (Japon, Tchéquie,…). Les données expérimentales obtenues seront comparées aux résultats des modèles actuellement en
développement. La finalité du projet sera d’avoir caractérisé finement la distribution spatio-temporelle du champ électrique, la fonction de
distribution en énergie des électrons, de faire la cartographie des densités des espèces primaires majoritaires (N2*, N, O,…) ainsi que de
caractériser le rayonnement émis (UV, X…).

The thesis aims at investigating a physics still poorly studied up until now, about non equilibrium discharges induced plasmas created in air
by extremely transient and intense electric fields. When electric fields of several hundreds of kV/cm are applied in air on a subnanosecond
time scale, comparable to the dynamics of electronic avalanches development, a change in the behaviour of discharges is observed. Much
more volumic and diffuse and much faster than a classical streamer ionization wave, this new dynamics suggests that the involved
physical mechanisms are different or that some fundamental processes which are usually neglected needs to be considered at very high
fields. Among those processes, the generation of electrons with continuous acceleration (runaway electrons) is completely possible, able
to induce the emission of X-rays from the gas or the electrodes, which questions partially the local field equilibirum assumption used in
classical fluid models. The main purpose of this work is then to set up a multiplicity of experimental diagnostics with high enough sensitivity and resolution (in space and time) in order to identify and characterize those mechanisms. Innovative optical and Laser diagnostics (EFISH,
CCS, Thomson scattering, Shack-Hartmann Interferometry,…) can achieve temporal resolution as high as some tens of
picoseconds, which is completely adapted to the discharge dynamics. A pin-to-plane type configuration will be used to generate a stable
and reproducible discharge. The different studies could be done in collaboration with other french laboratories (LPP, Icare…) or
international research groups (Japan, Czech Republic,…). The experimental data will be compared to the results given by models currently
under development. The ultimate goal of the project will be to give a fine description of the field distribution in time and space, of the
electron energy distribution function, to map out the densities of the main primary species (N2*, N, O,…) as well as characterize the light
emission (UV, X…).