Mesures physiques
Diagnostics optiques
Diagnostics par fluorescence par faisceau d'électrons (FFE)
Utilisation typique de la FFE dans une soufflerie :
Visualisation du faisceau de fluorescence excitée par un faisceau d'électrons
et exploitation de la postluminescence
pour visualiser un écoulement à Mach 10 autour d'une maquette de rentrée amospherique (ESA-EXPERT)
La Fluorescence par Faisceau d'Electrons (FFE) est une technique bien établie pour effectuer des mesures locales et non-intrusive de la densité, la vitesse et des températures de vibration et de rotation dans des écoulements à basse densité (< 1016 molecules/cm3).
Principe
Dans un gaz à basse densité, l'emploi d'un mince faisceau d'électrons à haute énergie (diamètre : 1mm, 20keV, 1mA) induit des excitations par impact collisionnel aux molécules du gaz tout le long du faisceau. Ces excitations produisent une fluorescence large bande allant des rayons X jusqu'à l'infrarouge. Chaque espèce atomique ou moléculaire possède une fluorescence caractéristique (signature FFE). L'exploitation de cette fluorescence peut donner lieu à des mesures de températures de vibration ou de rotation spécifique à l'espèce étudiée (Figure 1).
Figure 1 :
FFE : Bandes de vibration de N2 et NO
La densité est mesurée de l'intensité d'une ou plusieures raies ou bandes de fluorescence de l'espèce considérée.La vitesse peut aussi être mesurée par la methode de décalage Doppler ou par une méthode de temps de vol à l'aide d'un faisceau pulsé. Pour l'azote moléculaire, la fluorescence se trouve principalement dans le domaine proche ultra-violet et visible : système 1er Négatif N2+(1N) et 2eme Positif N2(2P). Pour NO, l'émission pricipale est constituée des bandes gamma dans l'ultra-violet entre 200 et 300 nm.
Les espèces atomiques O et N presentent leur fluorescence la plus intense entre 100 et 150 nm. La fluorescence des espèces CO et CO2 se situe plutôt dans l'UV entre 200 et 400 nm. Cette technique a aussi été très utilisée dans des écoulements à l'hélium pour des tests à Mach élevé (~20).
Applications:
- Mesures pour valider des modèles aerodynamiques
- Etudes de l'accomodation gaz-surface pour la protection thermique des véhicules de rentrée atmospherique
- Sondage de la haute atmosphère (Terre ou autre planètes)
| Paramètre |
domaine |
| Densité |
1013 -1016 molécules/cm3 |
| Visualisation d'écoulement |
1013 -1017 molécules/cm3 |
Températures
- de rotation Tr
- de vibration Tv |
à partir de quelques Kelvins
> 1000 K |
Vitesse
(Doppler ou temps de vol) |
> 1000 m/s |
Mesures de densité à l'aide de rayons X
Pour des mesures de la densité à des densités élévées (> 10
16 molecules/cm
3), il est préférable d'utiliser le rayonnement X induite par les excitations du faisceau d'électrons (rayonnement Bremsstrahlung ou characteristique) car ce rayonnement reste linéaire avec la densité contrairement à la fluorescence visible qui doit être corrigée du quenching ou d'elargissement spectral. Nous présentons ci-dessous un exemple de mesure par rayon X par rapport à une maquette 'Cylindre creux avec rampe' concue pour des études d'interactions choc-couche limite. Pour éviter les perturbations liées aux émissions issues de l'impact des électrons sur la maquette, cette dernière à été percée et munie d'un tube pour laisser passer le faisceau. La mesure de densité est ensuite faite du faisceau emergeant de la maquette comme indiquée sur la Figure D.1.qui compare le profil transverse obtenue expérimentalement à ceux des calculs numériques.
Fig D.1 :Profil de densité dans la couche limite d'une maquette 'cylindre creux'
