Offre de thèse
CD - Etude des cinétiques de transport d'espèces chargées dans les plasmas transitoires par diagnostic E-FISH pour la construction de bases de données IA
Date limite de candidature
30-04-2026
Date de début de contrat
01-10-2026
Directeur de thèse
DE POUCQUES Ludovic
Encadrement
Concernant le suivi d'avancement des recherches, l'encadrement du doctorant sera quotidien durant au minimum la première année. En effet, de nombreux tests seront nécessaires pour, d'une part prendre en mains la plate-forme de diagnostic laser E-FISH, et d'autre part l'améliorer pour une utilisation du laser à haute puissance. Concernant le suivi du parcours individuel de formation du doctorant, les encadrants lui conseilleront de participer (à) et valider une majorité de formations durant la première année puisque les cours scientifiques choisis seront en lien direct avec le projet de thèse (par exemple une formation laser obligatoire, une mise à niveau sur les diagnostics optiques et les plasmas, et how to publish a scientific paper), et les cours transverses (par exemple apprendre à préparer un poster et un oral en anglais), qui ne sont pas pris en compte dans la validation du parcours de thèse mais qui seront nécessaires pour pouvoir participer aux différentes conférences internationales.
Type de contrat
école doctorale
équipe
DEPARTEMENT 2 - CP2S : 201 - Expériences et Simulations des Plasmas Réactifs - Interaction plasma-surface et Traitement des Surfaces (ESPRITS)contexte
L'ambition du sujet de thèse est de réaliser une étude poussée sur le transport des espèces chargées et générées en décharges transitoires nanosecondes à picosecondes à travers la mesure de champs électriques par E-FISH (Electric Field-Induced Second Harmonic Generation). On retrouve de telles décharges dans les procédés de types décharges impulsionnelles à barrières diélectrique (iDBD, génération THz) ou en régime d'ionisation ultra rapide (FHiVI²) pour les nouveaux procédés de pulvérisation cathodique. Le défi scientifique majeur est de réaliser une base de données précise d'excellente qualité et commune à ces types de procédés. Cette base de données doit permettre de nourrir par la suite le domaine des IA prédictives dont l'une des vocations est d'être utilisée pour le contrôle de la formation de turbulences dans les plasmas instables (ex. ITER) ou de faibles dimensionnalités spatiale comme temporelle (ex. nano-plasmas THz). L'étude globale du transport des espèces chargées en régime fortement transitoire repose sur le déploiement d'un diagnostic laser E-FISH à très haute sensibilité pour une utilisation finale allant de 105 Pa à 1 Pa. L'équipe PPS (201) de l'IJL a développé ces 3 dernières années une plateforme E-FISH ouverte à la communauté scientifique qui est pleinement opérationnelle. Celle-ci est utilisée régulièrement dans le cadre de collaborations avec le laboratoire LSPM de Paris, ainsi qu'avec le SLU de Suède à partir de fin 2025. Par ailleurs, un projet exploratoire de recherche sur la génération et la caractérisation THz par nano-plasma devrait faire l'objet d'un rapprochement de l'équipe PPS (201) avec l'équipe SPIN (101). A noter que l'IJL est maintenant l'unique laboratoire au niveau international proposant de réaliser des mesures absolues de champs électriques avec toutes sortes de configurations de décharges grâce à notre plateforme E-FISH.spécialité
Physiquelaboratoire
IJL - INSTITUT JEAN LAMOURMots clés
E-FISH, Plasma, base de données IA, application THz, iDBD, plasma magnétron
Détail de l'offre
Ce projet de thèse vise à réaliser une étude approfondie du transport des espèces chargées générées dans des décharges fortement transitoires, de l'échelle nanoseconde à picoseconde, à travers la mesure résolue spatialement et temporellement du champ électrique par la technique E-FISH (Electric Field-Induced Second Harmonic Generation). Ces régimes se rencontrent notamment dans les décharges impulsionnelles à barrière diélectrique (iDBD), utilisées pour la génération de nano-plasmas THz, ainsi que dans les nouveaux régimes d'ionisation ultra-rapide de type FHiVI² appliqués à la pulvérisation cathodique avancée.
L'objectif central est de constituer une base de données expérimentale de très haute qualité, commune à ces différents procédés, permettant de caractériser précisément les champs électriques, les fronts d'ionisation et les dynamiques de gaines plasma, avec une résolution spatiale inférieure à 100 µm et temporelle inférieure à 2 ns. Cette base de données aura vocation à alimenter des modèles numériques prédictifs, incluant des approches d'intelligence artificielle, pour le contrôle et l'optimisation de plasmas instables ou de très faible dimensionnalité spatio-temporelle.
Le premier volet portera sur l'optimisation du diagnostic E-FISH pour des conditions basse pression (jusqu'à ~1 Pa) en gaz nobles purs et en mélanges (He, Ne, Ar, Kr, Xe), puis en gaz réactifs (H₂, O₂, N₂). Des abaques expérimentaux seront établis afin d'identifier des signatures E-FISH en fonction des paramètres opératoires.
Le second volet visera à transposer ces résultats aux décharges cathodiques en régime FHiVI², récemment développé et breveté, caractérisé par des taux d'ionisation fortement accrus en HiPIMS. L'introduction d'atomes métalliques (W, Ta, puis C, Si, Ti, Pd) permettra d'étudier l'influence des espèces métalliques sur la réponse E-FISH et sur les mécanismes de transport en régime transitoire.
Enfin, le troisième volet consistera à structurer l'ensemble des données acquises en une base cohérente et exploitable pour le développement d'un modèle numérique prédictif intégrant des outils d'IA. L'objectif final est de démontrer la capacité du diagnostic E-FISH à déterminer la composition d'un gaz ou d'un plasma à partir de sa réponse à un champ électromagnétique, ouvrant des perspectives majeures pour la compréhension et le contrôle des plasmas avancés.
Keywords
E-FISH, Plasma, AI databases, THz application, iDBD, magnetron plasma
Subject details
This PhD project aims to conduct an in-depth investigation of charged-species transport in strongly transient discharges, from nanosecond to picosecond time scales, through spatially and temporally resolved electric-field measurements using the E-FISH (Electric Field-Induced Second Harmonic Generation) diagnostic. Such regimes are encountered in impulsive dielectric barrier discharges (iDBD) for THz nano-plasma generation, as well as in ultrafast ionization regimes such as FHiVI², developed for advanced cathodic sputtering processes. The central objective is to build a high-quality experimental database common to these plasma processes, enabling precise characterization of electric fields, ionization fronts, and sheath dynamics, with spatial resolution below 100 µm and temporal resolution below 2 ns. This database will serve as a foundation for predictive numerical modeling, including artificial intelligence approaches, aimed at controlling unstable plasmas or plasmas with extremely reduced spatial and temporal scales. The first work package will focus on upgrading the E-FISH diagnostic for low-pressure operation (down to ~1 Pa) in pure noble gases and mixtures (He, Ne, Ar, Kr, Xe), followed by reactive gases (H₂, O₂, N₂). Experimental calibration charts will be established to identify specific E-FISH signatures as a function of operating parameters. The second work package will extend these results to cathodic discharges operating in the FHiVI² regime, recently developed and patented, which enables significantly enhanced ionization rates in HiPIMS processes. The introduction of metallic species (W, Ta, then C, Si, Ti, Pd) into the plasma will allow investigation of their influence on E-FISH response and transient transport mechanisms. Finally, the third work package will structure the collected measurements into a coherent, high-quality database for the development of a predictive numerical model incorporating AI tools. The ultimate objective is to demonstrate, as a proof of concept, that the E-FISH diagnostic can determine the composition of a gas or plasma from its electromagnetic response, opening new perspectives for advanced plasma diagnostics and control.
Profil du candidat
Ce travail nécessite principalement des compétences en physique des plasmas et/ou laser. Des compétences en traitement numérique et/ou analyse de bases de données scientifiques. Un fort intérêt pour le travail expérimental est nécessaire. La curiosité, la rigueur, l'autonomie et le goût pour le travail méthodique en équipe sont des qualités qui seront indispensables. La langue anglaise et/ou française doit être maîtrisée à l'écrit et à l'oral.
Candidate profile
This job primarily requires expertise in plasma and/or laser physics. Skills in numerical processing and/or analysis of scientific databases are also necessary. A strong interest in experimental work is essential. Curiosity, rigor, autonomy, and a knack for methodical teamwork are indispensable qualities. Fluency in written and spoken English and/or French is required.
Référence biblio
R. Jean-Marie-Désirée, A. Najah, L. De Poucques, S. Cuynet,
Dynamics of an impulse dielectric barrier discharge in pure ammonia gas using electrical characteristics and imaging analysis,
Open Plasma Science, 2025, 2,
https://arxiv.org/abs/2512.09454v1
R. Jean-Marie-Désirée, A. Najah, C. Nöel, L. De Poucques, S. Cuynet,
Time-resolved investigations of a glow mode impulse dielectric barrier discharge in pure ammonia gas by means of E-FISH diagnostic,
Plasma Sources Science and Technology, 2024, 4, 33, 045010
https://doi.org/10.1088/1361-6595/ad3a9d
D. Boivin, R. Jean-Marie-Désirée, A. Najah, S. Cuynet, L. De Poucques,
Using a coupled optical and electrical monitoring method to follow the R-HiPIMS TiO2 deposition process drifts,
Physica Scripta, 2024, 99, 045606
https://doi.org/10.1088/1402-4896/ad3302
A. Najah, R. Jean-Marie-Désirée, D. Boivin, R. L. S. Canevesi, C. Nöel, M. T. Izquierdo, A. Celzard, V. Fierro, L. De Poucques, G. Henrion, S. Cuynet,
Successful amino-grafting functionalization of MIL-53(Al) through impulse dielectric barrier discharge plasma for hydrogen storage,
International Journal of Hydrogen Energy, 2024, 59, 1014–1022
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A. Najah, D. Boivin, C. Nöel, L. De Poucques, G. Henrion, S. Cuynet,
Amino-grafting pre-functionalization of terephthalic acid by impulse dielectric-barrier discharge (DBD) plasma for amino-based Metal-Organic Frameworks (MOFs),
Materials Chemistry and Physics, 2022, 290, 126629
https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2022.126629
D. Boivin , A. Najah, R. Jean-Marie-Désirée, C. Nöel, G. Henrion, S. Cuynet, L. De Poucques,
Towards control of TiO2 thickness film in R-HiPIMS process with a coupled optical and electrical monitoring of plasma,
Surface & Coatings Technology, 2022, 433, 128073,
https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2021.128073