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Introduction générale

Dossier - Les Interactions Ions-Plasma
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Le programme " interactions Ions-plasma " se fixe pour objectif l'étude du ralentissement et des échanges de charge entre un ion lourd et un gaz d'électrons libres. Ce dossier vous propose une présentation détaillée de celui-ci .. C'est parti !

  
DossiersLes Interactions Ions-Plasma
 

Le plasma est un état dilué de la matière analogue à un gaz, mais constitué d'un bain de particules chargées, électrons et ions positifs, en proportions égales et donc globalement neutre. 

Le plus simple des plasmas est celui d'hydrogène, formé d'électrons et de protons libres en concentration égale. Pour observer cet état particulier de la matière ou les électrons ne sont plus liés à un atome, il faut maintenir une température élevée dans le milieu. Pour avoir un plasma d'hydrogène complètement ionisé il faut par exemple chauffer le gaz hydrogène au delà de 20 000 °K (~ 2 eV). Le plasma est un état de la matière extrêmement répandu dans l'univers. 99% de la matière de l'univers est sous forme de plasma plus ou moins dense.

Le champ d'étude de la physique des plasmas est donc vaste et interdisciplinaire : astrophysique, physique atomique, physique nucléaire, météorologie...

Soleil. © NASA/SDO/AIA/Goddard Space Flight Center - Domaine public

Depuis 1955, de vastes programmes de recherche se sont donnés pour objectif, la production d'énergie par fusion thermonucléaire contrôlée. Là encore, le plasma est omniprésent et la motivation initiale du programme " interactions ions-plasma " était liée à l'étude du dépôt d'énergie sur les cibles destinées au confinement inertiel par ions lourds et plus particulièrement au ralentissement d'ions lourds dans le plasma dense et chaud qui entoure la cible de fusion.

Principe des expériences

La cible de plasma est obtenue par décharge electrique linéaire dans un gaz d'hydrogène ou de deutérium. Elle se caractérise à partir de l'évolution de sa densité linéaire en fonction du temps: n.l = f(t); ou n est la densité du plasma par cm 3 et l sa longueur en cm. Les autres paramètres importants pour définir la cible de plasma sont le degré d'ionisation et le taux d'impuretés présentes dans le gaz au cours de la décharge (dégazage ou désorption de parois).

Une détermination précise de la densité et de la température du plasma (ou de son degré d'ionisation) s'effectue soit à partir de méthodes de spectroscopie optique (Absorption laser à deux longueurs d'onde, interférométrie laser ou élargissement Stark de raies d'émission de l'hydrogène), soit en utilisant le faisceau d'ions comme sonde. Le principe est basé sur une mesure directe d'échange de charge sur un ion en condition de collision unique.

Notre choix s'est porté sur un ion chlore 16+ à 4,3 MeV/A. Pour ces conditions de vitesse de l'ion incident, la mesure du taux d'ionisation (Cl17+) et du taux de capture (Cl15+) à l'issue de la traversée de la cible de plasma nous donne directement accès à la densité de protons (ionisation) et au taux d'impuretés (capture). La sensibilité de la détermination du taux d'impuretés en éléments lourds est meilleure que 10-4. La décharge est isolée de vide de l'accélérateur au moyen de deux vannes rapides qui ne sont activées qu'à l'instant précis de passage du faisceau.

Cette image montre le « flash » énergétique produit par un projectile lancé à plus de 27.000 km/h sur une cible de l’Hypervelocity Ballistic Range de l’Ames Research Center de la Nasa. Dans un tel impact, la pression et la température peuvent dépasser celles estimées au centre de la Terre, par exemple, supérieure à 365 GPa et plus de 6.000 K. © Nasa

La physique du dépôt d'énergie concerne les processus fondamentaux mis en jeu dans ces interactions entre les ions projectiles et les électrons libres du plasma. La prévision puis l'observation expérimentale d'un pouvoir d'arrêt accru dans un plasma, comparativement à une même densité de gaz froid ont fait l'objet de la première partie de ce programme.

Cet accroissement du ralentissement résulte d'une part de l'excitation des modes d'oscillation des électrons libres du plasma pour lesquels le transfert d'énergie est plus efficace que pour des électrons liés, et d'autre part de l'état de charge du projectile qui atteint des valeurs plus élevées dans un plasma que dans un gaz froid de même densité. L'importance relative de ces deux contributions dépend de la charge des ions incidents, de leur vitesse, et à un degré moindre de la température et de la densité du plasma.

Les résultats marquants de ces dernières années concernent

La mise en évidence expérimentale du pouvoir d'arrêt renforcé du plasma comparativement à la même densité de gaz froid (un facteur 2 dans le cas des ions du Tandem). Ces expériences ont conforté la validité du modèle standard du pouvoir d'arrêt développé par les théoriciens du laboratoire de physique des gaz et des plasma d'Orsay.

Un programme spécifique d'étude de la dynamique des échanges de charge dans un plasma et sa corrélation avec les pouvoirs d'arrêt, est en cours. La confirmation de la suppression des captures électroniques dans un plasma a été réalisée par le biais d'expérience telle que celles liées à l'épluchage d'ion chlore ou encore la mise en évidence de charge gelée pour des ions épluchés pénétrant dans un plasma.

L'expérience consistait à étudier l'état de charge d'un ion chlore traversant des densités variables d'hydrogène ou de deutérium gazeux froid ou sous forme de plasma. La mesure des distributions de charge en sortie du tube contenant le plasma était réalisée par analyse magnétique et détection sur un scintillant couplé à une caméra CCD. Les résultats obtenus avec des ions chlore à 1.5 MeV/A ont permis de mettre en évidence deux effets remarquables.

Une distribution de charge après traversée du plasma qui est déplacée vers les états de charge plus élevés. Une modélisation des distributions de charge mesurées en gaz froid puis appliquée au plasma, a permis d'attribuer cet effet à la disparition des captures d'électrons libres. L'effet plasma attendu a donc été observé.

Une mesure de perte d'énergie de ces mêmes ions dans le plasma a d'une part, confirmé le pouvoir d'arrêt renforcé du plasma, mais également permis de définir la contribution relative des deux effets mentionnés précédemment (Charge projectile et électrons libres).

Ce programme se poursuit avec des objectifs expérimentaux nécessitant des sensibilités de détection très fines, ce qui implique une maîtrise parfaite des paramètres du plasma et des effet parasites générés par la décharge tels que l'effet lentille à plasma . Un aimant performant (Split-Pole) couplé à la décharge sera prochainement à même de mettre en évidence une corrélation entre un état de charge d'un ion en sortie de plasma avec une perte d'énergie mesurée et de remonter ainsi à l'historique de l'échange de charge durant la traversée du plasma.