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L'effet lentille à plasma

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
 

L'effet lentille à plasma traduit un phénomène de focalisation-défocalisation d'un faisceau de particules chargées lors de son parcours dans une cible de plasma. Exploité depuis les années 50 sur des faisceaux de particules, cet effet a été observé pour la première fois à Orsay en 1988 sur des ions de carbone traversant une colonne de plasma d'hydrogène.

La colonne de plasma est créée par le passage d'un courant électrique intense dans un gaz servant de support. Après quelques µs, le gaz est ionisé et le plasma est thermalisé. Dès cet instant un courant de 2 à 5 KA, colinéaire à l'axe du tube, parcours un milieu conducteur (la résistance du plasma n'est plus que de quelques ohms). Ce courant est sinusoïdal amorti, sa période est d'environ 20 µs. Il génère un champ magnétique azimutal intense. Ce champ, qui est fonction de la distance à l'axe du plasma, agit sur les ions du faisceau par le biais de la force de Lorentz radiale qui fait dévier les ions de leurs trajectoires. La valeur de l'angle de déviation dépend de la charge et de la vitesse de l'ion et aussi bien entendu, de l'intensité du champ magnétique. Son sens dépend seulement de la direction relative du courant plasma par rapport à celle du faisceau incident.

Ce phénomène d'effet lentille peut être exploité pour le transport et la focalisation des faisceaux d'ions lourds , intenses et énergétiques. En effet la particularité de ce mode de focalisation par rapport aux lentilles magnétiques conventionnelles est :

1-Focalisation simultanée, et homogène sur l'ensemble du cylindre.
2-Obtention des gradients intenses de champs magnétique (plusieurs Tesla mètre).
3-Compensation de l'effet de charge d'espace due au bain d'électrons que constitue le plasma.

Exemple de focalisation d'un faisceau de chlore dans un plasma d'hydrogène

Une modélisation complète de la traversée d'un faisceau d'ion dans un plasma créé par décharge linéaire incluant les échanges de charge, les pertes d'énergie et les effets lentille est disponible sous forme d'un programme FORTRAN. Ce programme construit les figures d'émittance après l'interaction avec le plasma. Il est disponible sur PC.

Dès 1950, un faisceau de protons, de 350 MeV d'énergie, délivré par l'accélérateur cyclotron de Berkeley, a été focalisé pour la première fois par une lentille à plasma . Depuis 1983, d'importants travaux pour la maîtrise et l'exploitation de cet effet, ont été entrepris par le CERN avec le projet ACOL de focalisation de faisceaux secondaires d'antiprotons et pour le futur, ces lentilles sont envisagées dans le cadre de projet de fusion par confinement inertiel par faisceaux d'ions lourds. On peut citer comme exemple de performance, la focalisation d'un faisceau d'ions Au de 2.2 GeV (issu de l'accélérateur UNILAC de GSI Darmstadt) qui a été réduit d'un facteur 40 par traversée d'une colonne de plasma de 10 cm de longueur; il est passé de 10 à 0.25 mm de diamètre.