Nom de l'entreprise / du laboratoire: ISAE SUPAERO / LAPLACE

Candidature avant le 24 avril 2023.

Sujet de thèse :

Cette thèse s’inscrit dans le contexte de l’évaluation de la signature radar d’un objet recouvert au moins partiellement de plasma. Différentes raisons peuvent être à l’origine de la présence de ce plasma. Tout d’abord, il peut être nécessaire pour le fonctionnement d’un dispositif, comme par exemple avec les propulseurs électriques spatiaux permettant de déplacer les satellites. Il peut aussi avoir été généré de façon involontaire autour de l’objet, comme par exemple lors de la rentrée atmosphérique d’un véhicule spatial (on parle alors de problème de « blackout »). Enfin, il peut avoir été généré volontairement dans le but de contrôler la signature radar d’un objet. Tous ces plasmas possèdent des propriétés très diverses (inhomogène, instationnaire…) et l’étude de leur surface équivalente radar (SER) est souvent complexe. Expérimentalement, cette complexité vient notamment de la difficulté à contrôler les plasmas dans l’espace et le temps, afin de générer les plasmas avec les propriétés souhaitées pour ensuite pouvoir mesurer leur SER.

Pour résoudre ce problème, une voie prometteuse est le concept innovant de source plasma microondes que nous avons introduit récemment, la « space-time plasma steering source » (STPSS) [1]. Cette source plasma est basée sur le pilotage spatio-temporel de plasmas microondes dans les cavités (ou « chambres à vide ») de grandes dimensions (par rapport à la longueur d’onde), alors dites « surmodées ». Son principe consiste à contrôler dans l’espace et dans le temps le comportement des microondes dans la cavité, afin de les faire interférer transitoirement (pendant quelques ns) à l’instant et à l’endroit souhaités, pour déclencher localement un phénomène de claquage et initier un plasma. Selon ce principe, le contrôle de la forme d’onde microonde transmise à une ou plusieurs antennes émettrices dans la cavité doit permettre un contrôle spatio-temporel des plasmas en son sein. La construction de cette forme d’onde est réalisée en utilisant les développements récents sur les « wavefront shaping techniques », qui permettent le contrôle spatio-temporel des ondes dans des milieux complexes, tels que les cavités réverbérantes [2]. Expérimentalement, des précédents travaux ont permis le contrôle spatio-temporel de plasmas microondes sur des « initiateurs », en utilisant deux « wavefront shaping techniques », le « Retournement Temporel » [3] et la « Linear Combination of Configuration Field » [4]. L’étape essentielle qui reste à franchir est le « décrochage » du plasma des initiateurs, afin de le déplacer de la façon souhaitée dans la cavité. Cette capacité à contrôler des plasmas dans des enceintes de grandes dimensions pourraient aussi trouver des applications intéressantes dans les domaines de dépôts/gravure de couches minces, ou des « plasma metamaterials » [5].

L’objectif principal de cette thèse est le développement expérimental de la STPSS, développement qui à l’heure actuelle, n’a jamais été réalisé.  Cette source doit permettre un contrôle spatio-temporel « total » (i.e. avec décrochage des plasmas) des plasmas microondes en cavité surmodée. Pour ce faire, le travail de thèse sera organisé comme suit :

• Familiarisation avec les précédents travaux, portant notamment sur le contrôle des plasmas microondes par Retournement Temporel.
• Conception et réalisation du dispositif expérimental dédié. Premier décrochage du plasma des initiateurs.
• Exploration des capacités de contrôle de cette nouvelle source plasma microonde.
• Réflexion sur la possibilité de mesurer la surface équivalente radar de ces plasmas, en s’appuyant sur les récent travaux portant sur la mesure de SER en environnement réverbérant [6]
• Selon l’avancée des travaux et les aspirations du doctorant, en parallèle des développements expérimentaux, il sera aussi possible d’exploiter le code de simulation que nous avons développé [1], afin d’explorer la physique de ces plasmas exotiques.

Ces travaux seront supervisés par l’ISAE-SUPAERO et le LAPLACE, ainsi que par l’université de Montréal et l’Université Clermont Auvergne.

 

Références :

[1] V. Mazières, et al., “Space-Time Plasma-Steering Source: Control of Microwave Plasmas in Overmoded Cavities”, Phys. Rev. Applied 16, 054038 (2021). doi: 10.1103/PhysRevApplied.16.054038.

[2] Mosk, et al., “Controlling waves in space and time for imaging and focusing in complex media”, Nature Photon 6, 283–292 (2012). https://doi.org/10.1038/nphoton.2012.88.

[3] Valentin Mazières, et al., « Plasma generation using time reversal of microwaves », Appl. Phys. Lett. 115, 154101 (2019). https://doi.org/10.1063/1.5126198.

[4] V. Mazières, et al., « Transient Electric Field Shaping With the Linear Combination of Configuration Field Method for Enhanced Spatial Control of Microwave Plasmas, » in IEEE Access, vol. 8, pp. 177084-177091, (2020). doi: 10.1109/ACCESS.2020.3025366.

[5] Seiji Samukawa, et al., « The 2012 Plasma Roadmap » J. Phys. D: Appl. Phys. 45 253001 (2012). https://doi.org/10.1088/0022-3727/45/25/253001.

[6] P. Besnier, et al., « Estimating radar cross-section of canonical targets in reverberation chamber, » 2017 International Symposium on Electromagnetic Compatibility – EMC EUROPE, Angers, France, 2017, pp. 1-5, doi: 10.1109/EMCEurope.2017.8094795.