Master de physique fondamentale
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PHYSIQUE des PLASMAS Pierre Tardiveau Enseignant-Chercheur au Laboratoire de Physique des Gaz et des Plasmas [email protected] Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 Bibliographie et ouvrages recommandés Physique des Plasmas – J.M. Rax – Dunod 2005 Physique des Plasmas Vol.1 et 2 – J.L. Delcroix et A. Bers – EDP Sciences 1994 Introduction to Plasma Physics (lecture notes) – J. Howard – 2002 (http://wwwrsphysse.anu.edu.au/~jnh112/AIIM/c17/) Introduction à la physique des plasmas (cours) – S. Mazevet – 2009 (http://ipnweb.in2p3.fr/rayonnements-energie/cours/cours%20UE4/cours1.pdf) The Physics of Plasmas (lecture notes) – R. Fitzpatrick – 2008 (http://farside.ph.utexas.edu/teaching/plasma/plasma.html) Les plasmas froids hors-équilibre (colloque Delcroix) – J.P. Bœuf – 2007 La fusion nucléaire : de la recherche fondamentale à la production d’énergie ? – Académie des Sciences - EDP Sciences 2007 Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 1 Physique des plasmas Plan du cours 1 - Introduction aux plasmas 2 - Comportements collectifs dans les plasmas 3 - Collisions, transport et ionisation dans les plasmas 4 - Cas des gaz faiblement ionisés 5 - Structuration des plasmas au voisinage de parois 6 - Trajectoires de particules sous champs uniformes 7 - Dérives magnétiques et confinement d’un plasma 8 - Interaction ondes - plasma 9 - Magnétohydrodynamique (MHD) Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 2 1 – Introduction aux plasmas Définition Un plasma est un gaz ionisé macroscopiquement neutre électrons, ions, molécules et atomes neutres noyaux, espèces excitées (métastables ou radiatives) photons Un plasma est créé à partir d’un gaz neutre par apport d’énergie champ électrique, chauffage, accroissement de la densité, faisceau de particules Un plasma se caractérise par des phénomènes d’interactions entre particules chargées en présence de champs électromagnétiques agitation thermique, interaction coulombienne et collisions, ( trajectoires dans E , B ) Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 1 – Introduction aux plasmas - Définition Un plasma se matérialise sous une très grande diversité d’ « objets » ou de « structures » dégénérés (quantiques), denses et corrélés, relativistes, classiques naturels (astrophysique), de fusion, de décharge électrique (industrie) comportements collectifs, collisionnels, turbulents, non-linéaires, … Un plasma s’étudie à l’interface de nombreux domaines de la physique et selon plusieurs descriptions possibles électromagnétisme, physique atomique et moléculaire, mécanique des fluides description particulaire (physique statistique), cinétique (moyenne sur les fonctions de distribution) ou fluide Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 3 1 – Introduction aux plasmas Paramètres essentiels à une classification des plasmas La densité ne (cm-3) et la température électronique Te (K ou eV) En général, l’électroneutralité est conservée : ne électrons ni ions On définit le degré d’ionisation : α= ne ne + n0 Dans certains cas, il existe un écart à la neutralité, caractérisé par le paramètre ε : n e = Zn i no neutres (0 < α < 1) ε= ne − Zn i ne + Zni (-1 < ε < 1) Plasmas quasi-neutres (ε → 0 ou << 1) : phénomènes d’écrantage dominants Plasmas non neutres (ε < 1) : phénomènes de charge d’espace dominants Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 1 – Introduction aux plasmas – Paramètres de classification Comment crée-t-on et évalue-t-on la densité d’électrons ne d’un plasma ? Ionisation d’un gaz par chauffage Un chauffage à température élevée (T > 104 K) induit des collisions ionisantes 3 kT > E i 2 k : constante de Boltzmann Ei : énergie d’ionisation des molécules du gaz S’il y a suffisamment de collisions (e-e / e-i / e-n), le plasma peut être considéré en équilibre thermodynamique et l’ionisation et la recombinaison s’équilibrent. Equation de Saha (1920) pour un gaz monoatomique ne ⋅ ni π e π i (2 πme kT = π0 n0 h3 )3 2 exp (− E i kT ) L’ionisation est entièrement déterminée par la pression (P) et la température (T), et le gaz est en équilibre d’ionisation thermique. Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 4 1 – Introduction aux plasmas – Paramètres de classification Exemple d’ionisation thermique de l’argon pour P = 1 atm. Énergies d’ionisation : Ar+ : 15,76 eV Ar2+ : 43,4 eV Xa : concentration relative de l’espèce ‘a’ parmi toutes les espèces présentes L’équation de Saha ne s’applique plus aux fortes densités et/ou aux fortes températures. Elle est valable pour des plasmas comme la photosphère ou les nébuleuses… Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 1 – Introduction aux plasmas – Paramètres de classification La donnée de ne et de α ne suffit pas à caractériser l’importance de l’ionisation dans les plasmas car elle dépend également de la température des électrons Te. Prise en compte des fréquences de collisions entre les différentes particules : νe0, νei et νee (s-1). Gaz faiblement ionisés : ν es = n s σ es v e ns: densité des espèces cibles ‘s’ ve: vitesse des électrons (fonction de Te) σes: sections efficaces de collision (fonction de ve) ν e 0 >> ν ei , ν ee Quelques ions et électrons au milieu d’une mer de neutres (collisions e-0 ou i-0 qui déterminent la dynamique). Ex : tube néon. Gaz fortement ionisés : ν e 0 << ν ei , ν ee Avec ou sans interactions entre particules (comportement collectif ou trajectoires dans champ). Ex : couronne solaire, vent solaire. Gaz complètement ionisés : plasma de fusion et cœur d’étoiles Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 5 1 – Introduction aux plasmas – Paramètres de classification A-t-on toujours T = Te et un plasma en équilibre thermodynamique ? Ionisation d’un gaz par champ électrique La présence d’un champ électrique favorise l’accélération des électrons et les collisions e-0. J.M. Rax 2005 Dunod T [K] La température Te des électrons reste très élevée devant celle des ions (Ti) et celle des neutres (T). On parle de plasma hors équilibre thermodynamique ou de plasma ‘froid’. Ti = T = 300 K Te = 30 000 K : Plasma à l’ET (plasma thermique ou ‘chaud’) Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 1 – Introduction aux plasmas – Paramètres de classification Classification des plasmas dans un diagramme (Te, ne) … e Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 6 1 – Introduction aux plasmas – Paramètres de classification La longueur thermique de De Broglie λth La comparaison de la longueur thermique de De Broglie avec la distance entre deux particules permet de rendre compte de l’importance des effets quantiques. de = de λth h m kT e e ≈ 5 ⋅ 10 4 T e (K ) ⋅ ne cm − 3 [ ( (d −1 3 e = ne−1 3 ) de Te ∝ λth TF Ce rapport revient à comparer la température du plasma à la température de Fermi Plasmas cinétiques ou classiques : de >> )] λτh (faible densité ou forte température) λth. Ex : électrons dans un métal, Plasmas quantiques ou gaz dégénérés : de << naines blanches. Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 1 – Introduction aux plasmas – Paramètres de classification La longueur de Landau r0 et le paramètre de couplage Ξ Le paramètre de couplage Ξ permet de comparer l’ agitation thermique des particules et leur interaction coulombienne Ξ ≡ EP e2 = E c 4 πε0 d e ( ) 13 n cm −3 kT e ≈ 1 ,7 ⋅ 10 −3 e 3 T e (K ) Ce paramètre peut être exprimé en fonction de la longueur de Landau r0 r0 = e 2 4 πε 0 kT e Plasmas cinétiques ou classiques, où le désordre domine : Plasmas faiblement corrélés : (d e = ne−1 3 Ξ ≡ ) r0 de Ξ << 1 Ξ <1 Plasmas fortement corrélés ou denses, où l’interaction coulombienne domine et donne naissance à des structures de nature fluide voire cristalline : Ξ >1 Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 7 1 – Introduction aux plasmas – Paramètres de classification La longueur de Debye λD et le paramètre plasma Λ La longueur de Debye est l’échelle spatiale au-delà de laquelle les effets coulombiens d’une particule chargée sont écrantés : Le rapport λD / de permet de comparer l’importance relative T e (K ) ε0 kT e −2 ≈ 7 ⋅ 10 λD ≡ des interactions collectives et e 2 ne ne cm −3 des interactions binaires. ( λ Λ = D de Paramètre plasma : ) 3 = ne λD3 Plasmas cinétiques ou idéaux où beaucoup de particules interagissent de manière collective : Λ >> 1 Plasmas faiblement ou fortement corrélés, où les particules interagissent de manière individuelle : Λ <1 Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 1 – Introduction aux plasmas Outils physiques nécessaires à la description des plasmas La diversité des plasmas conduit à plusieurs approches possibles : Description individuelle du mouvement de chaque particule On s’intéresse aux solutions de l’équation fondamentale de la dynamique pour chaque particule : m ( dv = q E +v ⊗ B dt ) v: vitesse instantanée de la particule E, B : champ électromagnétique microscopique Les champs sont décrits par les équations de Maxwell. L’agitation thermique est décrite par des conditions initiales aléatoires. Les collisions ne sont pas prises en compte (gaz fortement ionisés et basse densité) Calcul analytique dans des cas simples (champs constants ou lentement variables). Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 8 1 – Introduction aux plasmas – Outils physiques La diversité des plasmas conduit à plusieurs approches possibles : Description fluide du mouvement d’un ensemble de particules Équation de continuité et équation d’Euler ∂v s ( ( ) Termes sources de particules et de quantités de mouvement ∂n s + div n s v s = S coll ∂t )( ) ( ) + v s ⋅ grad v s + grad (Ps ) − n s q s E + v s ⊗ B = Pcoll ∂t n s ms Champs autocohérents Le plasma est considéré comme un ou deux fluides (électrons + ions). Les interactions collectives sont dominantes devant les collisions binaires (gaz fortement ionisé, faisceau de particules, MHD, …). Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 1 – Introduction aux plasmas – Outils physiques La diversité des plasmas conduit à plusieurs approches possibles : Description fluide du mouvement d’un ensemble de particules Ajout de conditions particulières Isobare : grad P = 0 Isotherme : Ps = nskTs Adiabatique : Ps = C.nsγ Conducteur : j s = ∑ n s q sv s = σE s Permet de déterminer un ensemble de données macroscopiques comme la pression, la température,...Nécessité d’équilibre thermodynamique. Ne permet pas de prendre en compte les interactions ondes / particules (amortissement des ondes dans les plasmas par les collisions individuelles ?). Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 9 1 – Introduction aux plasmas – Outils physiques La diversité des plasmas conduit à plusieurs approches possibles : Description cinétique à partir d’une distribution de particules Cette description se base sur la définition de la fonction de distribution à une particule f(r,v,t) : Nombre dN de particules se trouvant dans le volume d v au voisinage de v et dans le volume d r au voisinage de r : dN = f ( r , v , t )d rdv Possible sur une échelle de temps plus grande que le temps entre deux interactions d’une même particule (libre parcours moyen / vitesse moyenne). Possible si les corrélations entre particules ne sont pas fortes (plasmas non corrélés). Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 1 – Introduction aux plasmas – Outils physiques La diversité des plasmas conduit à plusieurs approches possibles : Description cinétique à partir d’une distribution de particules La fonction de distribution vérifie l’équation de Vlasov : ( ) ( ) q ∂f s ∂f + v s ⋅ grad r (f s ) + s E + v s ⊗ B ⋅ grad v f s = s ms ∂t ∂t coll = 0 si stationnaire Terme convectif Terme source Le calcul des différents moments de la distribution fs permet d’obtenir la densité de particules, la vitesse moyenne, la pression cinétique, … Le calcul des moments de l’équation de Vlasov permet de retrouver les équations de la description fluide (continuité, Euler, …). Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 10 1 – Introduction aux plasmas – Outils physiques La diversité des plasmas conduit à plusieurs approches possibles : Description cinétique à partir d’une distribution de particules A l’équilibre thermodynamique et en présence d’un unique champ électrique, on tend vers une distribution de Maxwell-Boltzmann locale: − qsφ ( r ) ms ⋅ fs ( r ,v ) = ns ( r )fs (v ) = n0 exp kTs 2πkTs Distribution de la densité 3 2 −m v 2 s s exp 2kTs Distribution des vitesses Permet de décrire le comportement des gaz faiblement ionisés en tenant compte des collisions binaires (décharges, ionosphère, flammes, …). Permet de décrire la nature des interactions entre une onde et un plasma. Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 1 – Introduction aux plasmas Quelques exemples de « plasma »… Fusion thermonucléaire contrôlée par confinement magnétique d’un plasma A très haute température (> 1 keV), un plasma formé d’électrons libres et de noyaux se forme : Interactions coulombienne et nucléaire (courte portée) Description fluide dominée par la turbulence nτ (en cm-3.s) Réactions nucléaires exothermiques possible D + T → He 4 + n + 17.58 MeV n + Li 6 → T + He 4 + 4.79 MeV Critère de Lawson pour un bilan d’énergie positif (nτ ) min ≈ 5.10 13 cm −3 s pour T ≈ 10 keV Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 11 1 – Introduction aux plasmas - Exemples Fusion thermonucléaire contrôlée par confinement magnétique d’un plasma J.M. Rax 2005 Dunod Chauffage par effet Joule (courant I) Confinement à n faible (1014 cm-3) et τ élevé (1s) Structuration du champ magnétique par Tokamak (champs toroïdal et poloïdal) Contrôle des instabilités à la surface du plasma et des turbulences dans son volume Schéma de principe d’un réacteur à confinement magnétique de type Tokamak Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 1 – Introduction aux plasmas - Exemples Augmentation du facteur d’amplification de la puissance (Q = 10 pour ITER) Nécessité d’augmenter les champs magnétiques par supraconducteurs (Bt = 12 T pour ITER) Effet du flux neutronique sur les parois du réacteur (0.5 MW.m-2 pour ITER) Effet du flux thermique sur les plaques du Divertor (10 MW.m-2 pour ITER) Dimensions : R/a = 6,2 m / 2 m Courant I : 15 MA Vue d’artiste du prototype ITER en construction au CEA à Cadarache Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 12 1 – Introduction aux plasmas - Exemples Propulsion spatiale par plasma (propulseur ionique) Les propulseurs plasmas électriques et magnétiques permettent d’obtenir des vitesses d’éjection de gaz ve importantes (au détriment de la poussée). J.M. Rax 2005 Dunod F =ve ⋅ Poussée (N) ∆m g ∆t Débit massique (kg.s-1) Ve (km/s) F (mN) Propulseur chimique 2-5 1010 Propulseur SPT 10 - 20 103 Propulseur ICRH 30 - 100 105 Schéma de principe d’un propulseur SPT (Stationnary Plasma Thruster) Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 1 – Introduction aux plasmas - Exemples Propulsion spatiale par plasma (propulseur ionique) L’étude des plasmas de propulsion consiste à optimiser la configuration magnétique de piégeage des électrons et à comprendre les problèmes de turbulence. Ions très peu sensibles au champ magnétique et non collisionnels (λions >> dimensions) Électrons piégés par le champ magnétique et collisionnels Plasma très fortement ionisés (α = 0.9) <ne> = 1012 cm-3 et <Te> = 15 eV Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 13 1 – Introduction aux plasmas - Exemples Traitement de l’air par plasma (décharge couronne) L’intérêt des gaz faiblement ionisés réside dans l’importance des collisions binaires et de la réactivité chimique qu’elles induisent. J.M. Rax 2005 Dunod Plasma non magnétisé décrit par la théorie cinétique (ETL) Plasma froid (Tneutre = Tions = 300 K; Te = 10 eV) Plasma faiblement ionisé (α < 10-3) Collisions inélastiques (excitation, ionisation, dissociation, …) générant des espèces excitées, des ions ou des radicaux. Schéma de principe d’un réacteur à décharge couronne de type fil-cylindre Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 1 – Introduction aux plasmas - Exemples Traitement de l’air par plasma (décharge couronne) La génération d’un plasma à haute pression (> 1 bar) induit des mécanismes très rapides (ns) et très localisés dans l’espace (µm). Le « streamer » en est un exemple. Développement d’une avalanche électronique jusqu’à une taille critique (N = 108 e-). Écrantage du champ électrique extérieur (> 30 kV.cm-1). Propagation (v = 106 m.s-1). d’une charge d’espace localisée par photo-ionisation (ni = 1015 cm-3). Création d’un canal de plasma conducteur. Décharge filamentaire ramifiée obtenue sous excitation radiofréquence Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 14 1 – Introduction aux plasmas - Exemples Magnétosphère terrestre L’étude des magnétosphères planétaires s’inscrit dans la magnétohydrodynamique (MHD) qui considère les plasmas comme des fluides conducteurs. Confinement des particules par champ magnétique. Propagation d’ondes dans un plasma magnétisé. Reconnexion magnétique permettant d’expliquer un chauffage et la création de particules ultra-énergétiques. Structuration de la magnétosphère terrestre alimentée en particules par le vent solaire Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 1 – Introduction aux plasmas - Exemples Magnétosphère terrestre Électrons et ions définissant un fluide unique (échelle de temps grande, basse fréquence) On néglige le mouvement individuelle des particules (ρL < échelle spatiale) Conductibilité électrique infinie (pas de collisions à haute température) Dérives magnétiques liées à la structuration spatiale du champ Courant annulaire observée au dessus du pôle Nord Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 15 2 – Comportements collectifs dans les plasmas Les mécanismes collectifs sont des mouvements de réorganisation des charges, des phénomènes d’écrantage ou des phénomènes de propagation induits par la portée de l’interaction coulombienne. Les interactions lointaines entre particules chargées sont supposées dominantes devant les interactions proches (collisions binaires). Les mécanismes collectifs pilotent en général le comportement des gaz fortement ionisés (plasmas spatiaux suffisamment denses). La prise en compte de ces mécanismes induit en général une description fluide du plasma. L’étude de ces mouvements d’ensemble permet de définir des échelles temporelles et spatiales caractéristiques : Pulsation plasma électronique ωp Longueur de Debye électronique λD Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 2 – Comportements collectifs dans les plasmas Réponse d’un plasma à une perturbation électronique J.M. Rax 2005 Dunod ∂ ξ (x 0 , t ) + ωp2 ξ (x 0 , t ) = 0 ∂t 2 2 ξ (x 0 , t ) = ξ0 ( x 0 ) cos [ωpt + θ0 ( x 0 ) ] Fréquence plasma (Hz) fp = ωp 1 = 2π 2π ne 0 e 2 = 9 ⋅ 10 3 ne (cm −3 ) ε 0 me L’inverse de la pulsation plasma correspond au temps caractéristique de retour à l’équilibre (neutralité) d’un plasma soumis à une perturbation d’origine électrique. Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 16 2 – Comportements collectifs – Réponse à une perturbation électrique Sur une échelle de temps T donnée, la fréquence plasma électronique fp permet de faire des hypothèses sur le comportement du plasma. En particulier, si T >> 1/ fp : Le plasma peut être supposé neutre (pas de séparation macroscopique de charges). La population électronique peut être supposée relaxée (équilibre de Boltzmann). La comparaison de la fréquence plasma fp avec la fréquence propre f d’une perturbation externe au plasma permet de distinguer deux types de comportement : Si f ≈ fp, la dynamique est dominée par les mécanismes collectifs. On utilise alors une description fluide ou cinétique de type Vlasov. Si f ≈ νei<< fp, la prise en compte des collisions individuelles est souvent nécessaire. On utilise alors une description cinétique de type Fokker-Planck. Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 2 – Comportements collectifs dans les plasmas Phénomènes d’écrantage électrique dans un plasma La neutralité d’un plasma est un paramètre macroscopique moyen. La question reste de savoir en deçà de quelle échelle cette électro-neutralité n’est plus vérifiée. On étudie la répartition d’électrons en équilibre thermodynamique à la température Te autour d’un ion positif localisé dans le plasma. ne0 : densité moyenne d’électrons dans le plasma ni0 : densité uniforme d’ ions Ion positif (Ze) ne(r) r Accumulation d’électrons au voisinage de l’ion ne(r) : densité d’électrons au voisinage de l’ion Φ(r) : potentiel électrostatique autour de l’ion Les électrons sont attirés par l’ion sous l’effet du potentiel Φ(r) en même temps que leur agitation thermique les pousse à la désorganisation. Il en résulte un équilibre. Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 17 2 – Comportements collectifs – Écrantage électrique Mise en équation du problème et hypothèses simplificatrices : Neutralité moyenne : e ⋅ ne 0 − Ze ⋅ n i 0 = 0 Équation de Poisson : ∆Φ (r ) = 1 d 2 dΦ e ⋅ ne (r ) − Ze ⋅ ni (r ) r = r 2 dr dr ε0 eΦ (r ) kT e ne (r ) = ne 0 ⋅ exp Équilibre de Boltzmann pour les électrons : Hypothèses : Les ions sont infiniment lourds et restent répartis selon une distribution homogène : ni(r) = ni0 L’agitation thermique domine l’énergie potentielle coulombienne (faibles perturbations) : eΦ (r ) eΦ (r ) ≈ 1 + kT kT e e exp Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 2 – Comportements collectifs – Écrantage électrique Conditions limites et résultats de calculs : Conditions limites : Solutions : Longueur de Debye (m) Φ (r ) → 0 quand r → ∞ Φ (r ) = −r Ze exp 4 πε0 r λD λD ≡ ε0 kT e e 2 ne Φ (r ) → Ze quand r → 0 4 πε 0 r ne (r ) = ne 0 ⋅ 1 + Z Longueur de Landau (m) r0 = −r r0 exp r λD e2 4 πε 0 kT e La longueur de Debye caractérise l’écrantage électrique. C’est l’échelle spatiale au-delà de laquelle le champ de l’ion est écranté et l’ hypothèse de quasineutralité vérifiée. Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 18 2 – Comportements collectifs – Écrantage électrique Discussion autour des hypothèses : Si l’on tient compte de la distribution des ions en équilibre à la température Ti =Te : ni(r)= ni0 → − Ze ⋅ Φ (r ) kT e ni (r ) = ni 0 exp λD 1 +Z λs = L’hypothèse faite sur l’agitation thermique est équivalente à une condition sur le paramètre plasma Λ : eΦ / kTe << 1 → −r r0 exp r λD λD = 4 πΛ = 4 πne λ3D >> 1 r0 << 1 → Pour r ≈ λD, r0 << 1 λD L’écrantage n’est donc valable que si le nombre d’électrons dans la sphère de Debye est très grand. On retrouve la définition des plasmas cinétiques idéaux. Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 2 – Comportements collectifs – Écrantage électrique La répartition naturelle des charges dans un plasma selon un mécanisme collectif d’écrantage est similaire à celle obtenue lorsqu’une rupture de neutralité est imposée localement dans un plasma : Réorganisation des charges au voisinage d’une surface (diélectrique ou métallique) pour en écranter l’effet sur des distances de l’ordre de λD. Existence de zones de plasma non neutres au voisinage de ces surfaces, appelées « gaines ». La longueur de Debye doit être également comparée aux dimensions caractéristiques du plasma étudié, ainsi qu’au libre parcours moyen des particules. Pour les plasmas cinétiques idéaux : Plasma collisionnel Pas de corrélations fortes r0 << de << λD <<λmp << L de : distance moyenne entre électrons L : dimension caractéristique du plasma λmp : libre parcours moyen d’un électron Electroneutralité globale du plasma Mouvements collectifs et approximation des gaz parfaits Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 19 2 – Comportements collectifs – Écrantage électrique Ordres de grandeur des échelles caractéristiques Le libre parcours moyen d’un électron dans un gaz fortement ionisé est imposé par les collisions électrons / ions : λ pm ≈ 744 ⋅ Te2 (K ) ( ne cm − 3 ) L’inégalité λD << λpm est vérifiée sans problème Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 2 – Comportements collectifs dans les plasmas Phénomènes d’écrantage magnétique dans un plasma De la même façon, un plasma peut être caractérisé par rapport à sa réponse à une perturbation magnétique. Sous l’influence d’un champ magnétique, les charges vont s’organiser en courants cherchant à s’opposer à ce champ. La force responsable de ces mouvements est la force électromotrice d’induction. Variations temporelles d’un champ magnétique B0 selon Oz. Champ électrique d’induction E selon Oy. Entraînement des électrons dans un courant selon Oy. Création d’un champ magnétique opposé à B0. J.M. Rax 2005 Dunod Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 20 2 – Comportements collectifs – Écrantage magnétique Mise en équation du problème et hypothèses simplificatrices : rot E = − Équation de Maxwell-Faraday : ∂B ∂t rot B = µ0 j = − µ0 enev e dv e = −e E Équation fondamentale de la dynamique : me dt ∂ 2 E ωp = L’ensemble de ces trois équations conduit à l’équation : ∂x 2 c Équation de Maxwell-Ampère : − ωp ⋅ x c E (x , t ) = E (0 , t ) ⋅ exp Hypothèses : 2 E − ωp ⋅ x c B (x , t ) = B0 (t ) ⋅ exp Les ions sont infiniment lourds et restent répartis selon une distribution homogène ni0 = ne On néglige le courant de déplacement et la force de Lorentz Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 2 – Comportements collectifs – Écrantage magnétique Résultats de calculs et conclusion : La réponse du plasma à l’excitation magnétique se caractérise par une longueur caractéristique de London λp. C’est l’échelle spatiale au-delà de laquelle le champ magnétique est écranté dans le plasma. J.M. Rax 2005 Dunod λp = c ε0 me c = ne e 2 ω p Longueur de London (m) c : vitesse la lumière dans le vide x λ p B (x , t ) = B0 (t )exp − Dans le cadre de la magnétohydrodynamique, cette caractéristique magnétique constituera le théorème du gel d’Alfvén. Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 21 3 – Collisions, transport et ionisation dans les plasmas La dynamique d’un plasma peut également être contrainte par des interactions binaires entre particules, ou collisions, en opposition aux interactions collectives. Ces collisions peuvent être élastiques (transferts d’impulsion et d’énergie) ou inélastiques (réactions atomiques, moléculaires ou nucléaires). Les interactions entre électrons (ou ions) et neutres font partie de ces collisions binaires et sont prédominantes dans les gaz faiblement ionisés. L’intégration des collisions binaires entre particules chargées sur la sphère de Debye permet de retrouver les propriétés des interactions collectives. L’étude de ces interactions binaires entre particules permet de définir des échelles spatiales et temporelles caractéristiques : Libre parcours moyen λpm Fréquence de collision νss Ces deux grandeurs sont définies à partir de probabilités de collision appelées sections efficaces de collision. Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 3 – Collisions, transport et ionisation dans les plasmas Sections efficaces de collision et de diffusion Les sections efficaces de collision permettent d’évaluer la probabilité d’interaction entre un flux de particules projectiles et une densité de particules cibles. Exemple d’un modèle projectile – cible : Nombre de réactions par unité de temps et de volume (m-3.s-1) A+B→C+D Densité de particules cibles (m-3) dn A = −σ (n Av A ⋅ n B ) dt Section efficace (m2) Flux de particules incidentes (m-2.s-1) J.M. Rax 2005 Dunod Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 22 3 – Collisions, transport et ionisation – Sections efficaces Cette définition de la section efficace σ se généralise en prenant en compte les différentes voies de sortie de la réaction (énergie, direction,…) Section efficace différentielle de réaction selon l’énergie ε : A + B → C(ε) + D d 2 nC ( ε ) dσ = (n Av A ⋅ nB ) dt ⋅ dε dε ∫ σ totale = ε dσ ⋅dε dε Section efficace différentielle de diffusion selon deux angles θ et ϕ : dΩ = sin θdθdϕ A + B → A(θ,ϕ) + B θ d 2 n A( θ ,ϕ ) dσ (n v ⋅ n ) = dt ⋅ dΩ dΩ A A B J.M. Rax 2005 Dunod Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 3 – Collisions, transport et ionisation – Sections efficaces La section efficace de diffusion représente la proportion (ou probabilité) de particules diffusées dans un angle solide élémentaire dΩ par rapport au nombre de particules incidentes: dPcoll = d 2 N A (θ ,ϕ ) dσ ⋅ n A v A ⋅ n B ⋅ Sdx = dt = n Bdσ ⋅ dx dN 0 n A v A ⋅ Sdt S et dx représentent respectivement la surface et l’épaisseur d’interaction. Toutes les particules diffusées par une particule cible dans un angle solide dΩ sont celles qui, dans le faisceau incident, ont un paramètre d’impact compris entre b et b+db : dσ bdb = dΩ sin θdθ Calcul possible si on connaît les variations de l’angle de déviation θ en fonction du paramètre d’impact b. J.M. Rax 2005 Dunod Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 23 3 – Collisions, transport et ionisation – Sections efficaces Cas des collisions élastiques (diffusion) : Diffusion isotrope pour les collisions électrons - neutres ou ions - neutres On utilise en première approximation le modèle géométrique de diffusion isotrope par une sphère dure : σ0 ( v ) = 2 π ∫ dσ ( v , θ ) sin θdθ = πa 2 dΩ J.M. Rax 2005 Dunod Ce modèle de diffusion permet d’avoir une bonne estimation de σ0 pour des énergies supérieures à 10 eV et, dans ce cas, a est de l’ordre de grandeur du rayon de Bohr a0. σ 0 ( v ) ≈ σ B = πa02 ≈ 10 −16 cm 2 a0 = o 4 πε 0 h2 = 0 ,529 A 2 me e Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 3 – Collisions, transport et ionisation – Sections efficaces Cas des collisions élastiques (diffusion) : Diffusion Rutherford pour les collisions entre particules chargées Pour ce type collision, on définit une section efficace de transfert de quantité de mouvement car σ0(v) diverge : σ1 ( v ) ≡ 2 π δv ll dσ (v , θ ) ⋅ ⋅ sin θdθ dΩ ∫v θ δv ll = 1 − cos θ v J.M. Rax 2005 Dunod Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 24 3 – Collisions, transport et ionisation – Sections efficaces Calcul de σ1(v) pour une collision électron - ion : tan θ Ze 2 b = = 0 2 4 πε 0 mev 2 b b b0 est la valeur critique du paramètre d’impact pour laquelle la déviation est de 90°. Elle correspond à une énergie potentielle d’interaction égale au double de l’énergie cinétique initiale. On obtient la section efficace différentielle de diffusion : (section efficace de Rutherford) σ1 ( v ) = πb02 2 ∫ π 0 (1 − cos θ )sin θ dθ sin 4 (θ 2 ) dσ b02 = dΩ 4 sin 4 (θ 2 ) π λ θ = 4 πb02 ln sin ≈ 4 πb02 ln D 2 0 b0 Remplacé par θmin tel que tan(θmin / 2) = b0 / λD Cette borne pose un problème de divergence liée aux collisions à faible déviation, i.e. aux collisions lointaines de grand paramètre d’impact. Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 3 – Collisions, transport et ionisation – Sections efficaces Calcul de σ1(v) pour une collision électron - ion : En considérant l’énergie cinétique moyenne de l’électron : b0 = Ze 2 Z = r 8 πε0 kT e 2 0 mev 2 = 2 kT e 2 λD ≈ 4 πb02 ( v ) ln Λ Z r0 σ 1 ( v ) ≈ 4 πb02 ( v ) ln lnΛ est le logarithme coulombien (Λ est le paramètre plasma) compris, en général, entre 10 et 30. Il permet de mesurer l’importance relative des collisions lointaines responsables des comportements collectifs et des collisions proches. La section efficace de transfert d’impulsion σ1p(v) pour les collisions proches est : σ 1 p ( v ) = 4 πb02 ln sin σ 1 ( v ) = σ 1 p (v ) ⋅ 2 ,9 ln Λ >> σ 1 p (v ) π θ ≈ 4 πb02 ln 2 2 π 2 pour Λ >> 1 (plasmas cinétiques) Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 25 3 – Collisions, transport et ionisation – Sections efficaces Les ions, atomes et molécules sont impliqués dans de nombreuses autres réactions : Collisions élastiques Processus Réaction Section efficace Diffusion isotrope e-(v) + A → A + e-(θ,ϕ) σ0 ≈ 10-16 cm2 Diffusion Rutherford e-(v) + A+ → A+ + e-(θ,ϕ) Existence de seuils de réaction nécessaire à la modification de l’énergie interne des espèces σ1 (v ) ∝ ln Λ v4 e-(v) + A → A+ + 2eExemple de collisions inélastiques E E2 σ I (ε) ∝ I − 2I ε ε Ionisation par impact électronique Différents états d’excitation pour les atomes et les molécules (électronique, vibrationnel et rotationnel) e-(v) + A → A* + eE e / E v / E r ≈ 1 / m M / (m M ) Excitation par impact électronique Dans les plasmas faiblement ionisés, les collisions inélastiques sont responsables d’une très forte réactivité chimique. Collisions entre noyaux Echange de charge résonant A + A+ → A+ + A 10-15 cm2 < σec < 10-14 cm2 (hydrogène) Recombinaison dissociative AB+ + e- → A* + B 10-9 cm3.s-1 < Krd < 10-6 cm3.s-1 Réaction de Penning A* + B → e- + A + B+ 10-15 cm2 < σP < 10-14 cm2 (métastables de l’hélium) 10-30 cm2 < σP < 10-28 cm2 (isotopes de l’hydrogène) 2 D + 3T → 4He + n Réactions de fusion Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 3 – Collisions, transport et ionisation dans les plasmas Libre parcours moyen et fréquences de collision A partir des sections efficaces de collision, on peut définir des grandeurs moyennes, plus pertinentes et plus utilisées en physique des plasmas : 1 Le libre parcours moyen λ est la distance λpm (m ) = moyenne entre deux collisions successives : σ ⋅ nB La fréquence de collision ν est l’inverse du temps moyenné τ entre deux collisions successives : nB : densité de particules cibles V : vitesse relative entre particules incidentes et cibles ν ( Hz ) = 1 τ = σ ⋅ nBv Si les particules ne sont pas monocinétiques, il faut prendre en considération la fonction de distribution des vitesses f(v) ou de l’énergie f(ε) : Exemple de calcul de la fréquence de collision électron-neutre moyenne : 〈ν e0 〉 = n0 ne ∫ σ (v ) ⋅ v ⋅ f 0 e0 ( v ) ⋅ d 3v Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 26 3 – Collisions - Libre parcours et fréquence de collision Pour un plasma fortement ionisé, il faut prendre en considération les collisions électrons - ions : λpme = Pour un plasma faiblement ionisé, il faut prendre en considération les collisions électrons - neutres : 1 ν ei = σ 1 ( v e ) niv e σ 1 ( v e ) ⋅ ni λpme = La frontière entre plasmas faiblement et fortement ionisés peut être donnée par la condition νei = νe0. 1 σ B ⋅ n0 α = αc ≈ ν e 0 = σ B n0v e σB σ1 ( v ) Le domaine des plasmas cinétiques idéaux est caractérisé par les inégalités : (≈ GHz) ωp ≈ Λν ei >> ν ei ≈ 5 ln Λ ⋅ ne ( cm −3 ) ⋅T e λpme << L Un plasma sera dit collisionnel si : −3 2 ( K ) >> ν eip (≈ 10 aines Hz ) Pour un plasma faiblement ionisé, λpme ≈ 4 mm (P = 1 mbar, T = 300 K) Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 3 – Collisions, transport et ionisation dans les plasmas Coefficients de transport dans un plasma La théorie du libre parcours moyen permet, à partir de la donnée de λpm et de ν, de construire un ensemble de coefficients décrivant les processus de transport dans les plasmas collisionnels. Coefficient de diffusion : De = kTe me νe0 Coefficient de mobilité électrique : Di = kTi mi νi 0 µe = − e me νe0 Coefficient de conductivité électrique : σe = nee 2 me νe0 µ i = Ze mi νi 0 σi = ni Z 2e 2 mi ν i 0 Les coefficients de transport interviennent dans l’expression de la vitesse des particules et des densités de flux de matière ou de charge : Expression dite de mobilité-diffusion (sans champ magnétique) grad Ts grad ns vs = µ s E − Ds + T n s s Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 27 3 – Collisions, transport et ionisation – Coefficients de transport Le coefficient de mobilité est considéré comme constant tant que la vitesse de dérive engendrée par le champ électrique reste faible devant la vitesse d’agitation thermique des particules. P : pression E σ T << B s T : température des neutres µs E << 2 kT s m s P e T E/P : champ électrique réduit Vs (cm/s) Sous champ faible : v s = µs E avec µs constant Sous champ fort : 14 J.M. Rax 2005 Dunod m vs ≈ 0 m s Zeλ pms E ms La loi d’Ohm n’est plus vérifiée. E/P (V/cm.torr) Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 3 – Collisions, transport et ionisation – Coefficients de transport Lorsque l’on doit tenir compte des interactions binaires entre particules dans l’étude des mécanismes collectifs (plasma faiblement ionisé ou f ≈ νei), de nouvelles échelles caractéristiques peuvent être introduites : Relaxation électrique d’un plasma collisionnel div E = Conservation de la charge : ∂ρ + div j = 0 ∂t ∂ρ ∂t ρ ε0 Équation de Maxwell-Gauss : Loi d’Ohm locale : j = σe ⋅ E + σe ε0 ρ=0 J.M. Rax 2005 Dunod (σ : conductivité électrique) ρ( r , t ) = ρ( r ,0 ) exp(− t τM ) avec τM = ε0 σe Temps de Maxwell Écrantage magnétique dans un plasma collisionnel sur une longueur caractéristique dite de Kelvin (cf TD). Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 28 3 – Collisions, transport et ionisation dans les plasmas Coefficients d’ionisation et d’attachement Le champ électrique peut être suffisamment fort pour induire un mécanisme d’ionisation par impact électronique. On définit alors le premier coefficient d’ionisation de Townsend α. α traduit l’intensification de l’ionisation sous l’effet d’un champ électrique intense et la génération d’une avalanche électronique : α= nb d ' ionisation par unité de longueur nb d' électrons dN = αN dx N ( x + dx ) = N ( x ) + αNdx dN = αdx = dP N Probabilité d’avoir une collision ionisante J.M. Rax 2005 Dunod Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 3 – Collisions, transport et ionisation – Coefficient d’ionisation La théorie du libre parcours moyen permet d’exprimer assez simplement α en fonction du champ électrique et de la pression. A et B sont des constantes dépendantes de la nature du gaz B E P α = AP ⋅ exp − En fonction des valeurs de A et B, ce modèle permet assez bien de décrire les résultats expérimentaux. J.M. Rax 2005 Dunod Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 29 3 – Collisions, transport et ionisation – Coefficient d’attachement Au contraire, lorsque le champ électrique est faible et dans les gaz électronégatifs (O2, air, halogènes,…), les collisions électrons-neutres peuvent induire des ions négatifs par attachement : Le taux d’attachement Sattach s’écrit : S attach = −ν a ne ( ) ∂ne L’équation de conservation s’écrit : νa est défini par la section efficace d’attachement, pas toujours très bien connue. + div ne ve = − ν ane ∂t Recombinaison électronique Des collisions électrons – ions à faible vitesse peuvent induire des recombinaisons radiatives avec émission de photon. Le taux de recombinaison Srecomb s’écrit : Srecomb = −βne ni = −βne2 β est le coefficient de recombinaison variant entre 10-12 et 10-7 cm3.s-1. L’équation de conservation s’écrit : ∂ne ∂t ( ) + div ne ve = −β ne2 Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 4 – Cas des gaz faiblement ionisés La particularité des gaz faiblement ionisés réside dans l’importance des collisions entre électrons et neutres et dans l’écart entre leur masse respective. Ces plasmas peuvent être « vus » comme une « mer » de neutres au sein de laquelle évoluent de façon indépendante quelques électrons et ions : n 0 >> n e ν e 0 >> ν ei , ν ee Les échanges d’énergie entre électrons et neutres sont très faibles : m 0 >> m e Distribution maxwellienne des neutres indépendante (T0). Fonctions de distribution des électrons et des ions données par équations de Boltzmann. Le modèle de Lorentz qui permet de décrire ces interactions, et qui découle de la théorie cinétique, s’applique aux décharges dans les gaz à basse pression, à l’ionosphère ou à des plasmas denses et pas trop chauds (flammes). Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 30 4 – Cas des gaz faiblement ionisés Modèle de Lorentz et temps de relaxation Dans une approche fluide, le modèle de Lorentz correspond à l’introduction d’une force de frottement liée aux collisions électrons – neutres (ou ions – neutres). ( )( ) ( ) ∂v ne me e + v e .grad v e = ne q e E + v e ⊗ B − grad Pe + Fe ∂t Force volumique de frottement (forme de Langevin) Fe = −ne me 〈ν e 0 〉v e Le nombre important de collisions ne permet pas aux particules d’acquérir suffisamment d’accélération et le terme inertiel peut être négligé. Cela conduit à une équation sur la vitesse des électrons de type mobilité-diffusion. ve = − Mobilité e me νe0 (E + v e ) ⊗B − kTe gradne gradTe + me νe0 ne Te Diffusion Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 4 – Cas des gaz faiblement ionisés – Modèle de Lorentz Le modèle global conduit à introduire deux temps de relaxation entre électrons et molécules neutres, liés aux collisions : Temps de relaxation des anisotropies : τ e 0 = 1 〈ν e 0 〉 Temps de relaxation de l’énergie : τT e 0 = m0 τ >> τ e 0 me e 0 Fonction de distribution des électrons Les collisions électrons – neutres sont beaucoup plus efficaces pour rendre la fonction de distribution fe0(v) des électrons isotrope que pour établir un équilibre d’énergie fe(v) entre les électrons et les neutres. f (v) emaxwellienne Les gaz faiblement ionisés sont très souvent constitués d’électrons beaucoup plus chauds que les neutres. fe0(v) v Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 31 4 – Cas des gaz faiblement ionisés – Modèle de Lorentz Sous l’effet combiné du champ électrique et des collisions, un équilibre s’établit entre le chauffage des électrons par effet Joule et leur refroidissement par collisions (modèle de Lorentz imparfait). f e 0 (v ) = C exp − v ∫ 0 v the (T0 ) = 2kT0 me 2 wdw 2 (T 0 ) + v E2 v the vE = Formule de Margenau (E continu, B = 0) Vitesse thermique des électrons en cas d’équilibre avec les neutres 2 m0 eE ⋅ 3 me meν e 0 Vitesse de dérive dans le champ fe0(v) peut être considéré comme Maxwellienne si le champ E reste très faible ou si la fréquence de collision νe0 reste indépendante de la vitesse des électrons w. De manière générale, fe0(v) reste non maxwellienne et il est difficile d’exprimer la vitesse moyenne ve des électrons et donc leur température Te. On peut toutefois écrire : Te = f(T0, E/n0). Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 4 – Cas des gaz faiblement ionisés Diffusion ambipolaire Dans de nombreux cas, le transport de matière des plasmas faiblement ionisés obéit à une diffusion qualifiée d’ambipolaire, déterminée par le champ ambipolaire créé par la différence de mobilités des ions et des électrons. µe De mi ≈ ≈ µi Di me Les électrons sont plus mobiles et ont tendance à diffuser plus vite que les ions. J.M. Rax 2005 Dunod (pour de faibles valeurs de E/n0) Exemple pour l’hélium µe = 10 4 cm 2V −1 s −1 µi = 10 cm 2V −1 s −1 Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 32 4 – Cas des gaz faiblement ionisés – Diffusion ambipolaire Mise en équation et calcul du coefficient de diffusion ambipolaire (sans champ magnétique) Conservation des espèces : (électrons ou ions) Équation de Maxwell Gauss : Hypothèse de quasi-neutralité: ( ) ∂ns + div Γs = S coll s ∂t div E = avec Γs = ns v s e (n − ne ) ε0 i ne = n i = n Γs = nµs E − D s grad n Il se crée un champ électrique interne Ea tel que les flux de particules soient identiques pour maintenir la quasi-neutralité : ( ) ( ) Ea = Γe E a = Γi E a Le mouvement des charges est équivalent à une diffusion dont le coefficient de diffusion ambipolaire Da peut s’écrire : Da = D i − De grad n µi + µe n T µi De + µe Di ≈ Di 1 + e Ti µi + µe Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 4 – Cas des gaz faiblement ionisés Création d’un plasma de décharge électrique J.M. Rax 2005 Dunod Pour créer un plasma faiblement ionisé, une méthode élémentaire est d’appliquer un champ électrique suffisamment intense à un gaz confiné à basse pression entre deux électrodes. Le champ induit de l’ionisation suite aux collisions électrons - neutres, caractérisée par le premier coefficient de Townsend α. Le comportement électrique du plasma dépend fortement du champ électrique et donc de la tension appliquée U entre l’anode et la cathode. Néanmoins, sa caractéristique courant / tension U(I) est universelle. Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 33 4 – Cas des gaz faiblement ionisés – Décharge électrique Le comportement du plasma à faible courant (phase A) correspond au mécanisme de multiplication électronique décrit par α. Pour de plus forts courants, des effets de charge d’espace s’ajoutent et donnent naissance à la décharge dite luminescente (ex: néon d’éclairage). Pour parler d’auto-entretien de la décharge, il faut introduire le 2ème coefficient de Townsend γ traduisant la régénération de charges à la cathode : Processus d’ionisation primaire (α α) et de créations d’électrons secondaires (γγ) dans un plasma de décharge électrique (créé entre deux électrodes). γ = [nb d' électrons sec ondaires ] [nb d' ions incidents ] Cathode Anode J.M. Rax 2005 Dunod Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 4 – Cas des gaz faiblement ionisés – Décharge électrique La phase de multiplication est un processus auto-entretenu par l’émission secondaire d’électrons à la cathode. Équations de continuité en régime stationnaire pour les ions et les électrons : div J s = q s S coll s Conditions aux limites : dJ e = α ⋅ J e (x ) + eS 0 dx J i (d ) = 0 dJ i = −α ⋅ J e (x ) − eS 0 dx J e (0 ) = γ ⋅ J i (0 ) L’expression du courant total J dans la décharge montre qu’il existe une condition d’entretien même si la source externe d’électrons (terme eS0) s’annule : J = J i (x ) + J e (x ) = eS 0 (1 + γ )(e αd − 1 ) ⋅ α 1 − γ (e αd − 1 ) Condition d’auto-entretien de la décharge : exp (αd ) = 1 + 1 γ Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 34 4 – Cas des gaz faiblement ionisés – Décharge électrique Loi de Paschen Cette loi, universelle, donne le potentiel minimal à appliquer entre les deux électrodes pour obtenir un plasma de décharge autoentretenu. On parle de potentiel de claquage. x Courbe de Paschen : y = 1 + ln x y =V V * J.M. Rax 2005 Dunod J.M. Rax 2005 Dunod V* est le potentiel de claquage minimum x = Pd Pd * Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 5 – Structuration des plasmas en gaines La quasi-neutralité d’un plasma et le caractère ambipolaire du flux d’espèces ne peuvent pas être maintenus dans tout le volume du plasma et principalement au voisinage de parois. Des gaines non neutres se forment alors de telle sorte à maintenir la quasi-neutralité à l’intérieur du plasma. En raison de leur agitation thermique, les électrons sont captés par la paroi plus vite que les ions (ni > ne). La paroi se charge négativement et le potentiel Φw est écranté sur une distance de l’ordre de λD. Le potentiel Φw est déterminé de telle sorte à égaliser les flux d’électrons et d’ions à la paroi. Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 35 5 – Structuration des plasmas en gaines Modèles de description d’une gaine ionique Au voisinage immédiat de la paroi, une gaine peut être décrite selon différents modèles selon que l’on considère les ions en régime inertiel ou collisionnel : Régime inertiel Régime collisionnel Paroi (Φ(l) = Φw) Frontière avec la zone neutre (Φ(0) = 0) J.M. Rax 2005 Dunod Tous ces modèles conduisent aux lois de Child-Langmuir permettant de relier la chute de potentiel Φw et la densité de courant ionique j. Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 5 – Structuration des plasmas en gaines – Modèles de Child-Langmuir Mise en équation du modèle de gaine inertielle et hypothèses simplificatrices : Conservation de la charge : Équation de Poisson : j = Ze ⋅ n i (x ) ⋅v i (x ) = cste d 2Φ (x ) Ze ⋅ ni (x ) =− dx 2 ε0 Conservation de l’énergie des ions : Hypothèses : 1 miv i2 (x ) + ZeΦ (x ) = cste 2 On néglige la densité électronique ne << ni On néglige les collisions entre électrons et ions (λei ≈ 1 m >> λD pour ni = 1018 m-3 et Te = 5 eV) On suppose que le potentiel et le champ électrique sont nuls à l’entrée de la gaine (dΦ/dx (0) = 0) et que vi(0) = 0. Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 36 5 – Structuration des plasmas en gaines – Modèles de Child-Langmuir Résultats de calculs et loi de Child-Langmuir en régime inertiel : Équation différentielle vérifiée par Φ(x) : d 2Φ (x ) j =− dx 2 ε0 mi 2 Ze 1 − Φ (x ) Résolution en tenant compte des conditions limites : 9j Φ (x ) = − x 4 3 4 ε0 mi 2 Ze 2 3 Loi de Child-Langmuir 9 l 2 Appliquée en x = l, on peut déduire la chute de potentiel U aux bornes de la gaine : U = j 2 3 4 ε0 mi 2 Ze 2 3 Des relations U = f(j) légèrement différentes sont obtenues dans le cadre de modèles collisionnels, montrant que les caractéristiques d’une gaine sont dépendantes de la nature du transport des charges. Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 5 – Structuration des plasmas en gaines Existence d’une pré-gaine et critère de Bohm Les hypothèses formulées dans les modèles précédents sont à revoir lorsque l’on considère la partie de la gaine proche de la zone de plasma neutre : On ne peut pas négliger la densité électronique ne. La vitesse des ions vi(0) en entrée de gaine ne peut pas être nulle (de même, en théorie, que le potentiel Φ(0)). Au voisinage de la zone de plasma neutre, on peut considérer que les électrons suivent une distribution de Boltzmann et qu’en entrée de la gaine, les ions ont une vitesse vi(0) = V0 : eΦ (x ) kT e ne (x ) = n g exp n i (x ) ⋅v i (x ) = n g ⋅V0 eΦ d 2Φ (x ) en g = exp ε0 dx 2 kT e 2 ZeΦ − Z 1 − miV02 −1 2 Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 37 5 – Structuration des plasmas en gaines – Critère de Bohm Cette équation non linéaire peut être résolue en faisant des approximations : On prend Z = 1 On suppose que eΦ << kTe et << miV02 d 2Φ (x ) kT e ≈ λD2 1 − dx 2 miV02 Φ (x ) Φ(x) ne peut pas être une fonction oscillante de x car les espèces seraient piégées dans la gaine ! Cela implique la condition : V0 > C s = kT e mi Critère de Bohm : les ions entrent dans la gaine lorsque leur vitesse dépasse la vitesse acoustique ionique. La description inertielle du plasma neutre à la frontière de la gaine (modèle de Tonks-Langmuir) permet de trouver les valeurs ng de ni(x) et Φg de Φ(x) pour lesquelles vi = V0 : n g = n0 exp (− 1 2 ) Φ g = Φ (0 ) = − kT e 2 e Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 5 – Structuration des plasmas en gaines Taille de gaine et potentiel flottant L’égalité des flux électronique Γe et ionique Γi au niveau de la paroi permet de trouver la différence de potentiel aux bornes de la gaine (Φw) et la taille de la gaine l. Γi (x ) = n i (x ) ⋅v i (x ) = n g ⋅V0 Γe (x ) = J.M. Rax 2005 Dunod ne v e kT e = n (x ) 4 2 πme e Φw = − kT e mi ln 2 e 2 πme mi l ≈ ln m e Φw 3 4 ⋅ λD l pré-gaine Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 38 6 – Trajectoires de particules sous champs uniformes Lorsque la densité d’un plasma est assez faible, les interactions entre particules peuvent être négligées et le mouvement des ions et des électrons est alors uniquement déterminé par le champ électromagnétique régnant dans le plasma. Si un champ électrique alternatif de pulsation ω est appliqué, les collisions entre particules seront négligées si : ω >> ν collisions Si un champ magnétique uniforme est appliqué, les collisions entre particules seront négligées si : Ωcs est la pulsation cyclotronique Ω >> ν cs collisions de l’espèce ‘s’. Dans ces conditions, l’étude du plasma se ramène à l’étude des trajectoires des espèces par la résolution de l’équation fondamentale de la dynamique : ms [( ) ( )] dv s = qs E r ,t +v s ⊗ B r ,t dt E et B sont des champs d’origine extérieure Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 6 – Trajectoires de particules Mouvement cyclotronique dans un champ magnétique statique et uniforme En absence de champ électrique et soumise à un champ magnétique uniforme et constant, une particule a un mouvement hélicoïdal autour des lignes de champ. L’équation de la dynamique se simplifie en : B = Buz ms dv s = q sv s ⊗ B dt v s ( t ) = Vlls u z +V ⊥s cos (Ωcst )u x −V ⊥s sin (Ωcst )u y Translation uniforme le long des lignes de champ Rotation uniforme autour des lignes de champ Pulsation cyclotronique V lls et V ⊥s sont déterminées par les conditions initiales et permettent de (f ce [GHz ] = 28 B [T ]) traduire l’agitation thermique des particules. Ωcs = qsB ms Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 39 6 – Trajectoires de particules – Mouvement cyclotronique La position de la particule dans l’espace est obtenue par intégration : r ( t ) = r0 +V ll t u z + ρLs sin (Ωcs t )u x + ρLs cos (Ωcs t )u y Centre guide Rayon de l’orbite cyclotronique Rayon de Larmor Wce ( eV ) ρ Le [cm ] = 2.75 B [G ] ρLs = V ⊥s Ωcs L’énergie cinétique perpendiculaire de la particule considérée est constante au cours mouvement (force de Lorentz perpendiculaire à la vitesse) : Wcs = 1 m sv ⊥2s = cste 2 Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 6 – Trajectoires de particules – Mouvement cyclotronique Moment magnétique orbitale Une grandeur fondamentale du mouvement cyclotronique d’une particule est son moment magnétique orbitale µs. Il caractérise le courant généré par la rotation de la particule. µs = ( ) 1 W ρ ⊗ q s v ⊥s = − cs u z 2 Ls B (µ = surface x courant de la spire = πρL2I) µs est une constante du mouvement. µi Centres guide µs est de sens opposé au champ magnétique qui l’a créé. On dit que le plasma est un milieu diamagnétique qui a tendance à rejeter les flux magnétiques. Une population de particules chargées est magnétisée lorsque les échelles de temps et de longueur des processus étudiés sont plus grandes que la période cyclotronique Ωc et le rayon de Larmor ρL. Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 40 6 – Trajectoires de particules – Moment magnétique Un plasma crée donc par l’intermédiaire de l’ensemble des moments magnétiques orbitaux de chaque particule qui le constitue sa propre aimantation macroscopique M : M = ∑n µ s e ,i s =− ∑ e ,i nsWcs uz B En prenant pour Wcs la valeur de l’énergie thermique moyenne (kT) et en considérant que Te = Ti = T : M =− nkT u B z Cette aimantation donne naissance, dans les régions présentant des gradients comme aux bords d’un plasma, à un courant JM de magnétisation : J M = rot M ( rot B = µ0 J + J M ) B = B0 + µ0 M (B0 : champ magnétique en l’absence de plasma) Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 6 – Trajectoires de particules – Moment magnétique On introduit le paramètre β= nkT conduisant à : B = B0 (1 + β 2 ) < B0 B 2 2 µ0 β est le rapport de la pression cinétique sur la pression magnétique : β << 1 : le diamagnétisme du plasma est négligeable β ≈ 1 : diamagnétisme important β décrit l’équilibre d’un plasma borné et confiné par un champ magnétique. Plus l’énergie thermique d’un plasma est grande, plus il a tendance à rejeter le champ magnétique et plus il est difficile de le confiner. Un champ magnétique permet un confinement transversal d’un plasma (limité par son diamagnétisme) mais n’assure pas un confinement longitudinal (solutions : ligne de champ fermée ou miroir magnétique). Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 41 6 – Trajectoires de particules Dérive électrique sous champs électrique et magnétique uniformes et constants On considère la situation un peu plus générale où se superpose au champ magnétique B un champ électrique E uniforme. Le champ électrique E est décomposé selon une composante Ell longitudinale selon B et une composante E⊥ transversale à B. ⊥ E ll E⊥ vde ⊥ ms ( dv s = qs E +v s ⊗ B dt v s ( t ) = Vlls + ) qs E E t u +V ⊥s cos (Ωcst )u x −V ⊥s sin (Ωcs t )u y − ⊥ u y ms ll z B Accélération longitudinale Dérive transversale Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 6 – Trajectoires de particules - Dérives électriques L’ajout d’un champ électrique quelconque induit une vitesse de dérive Vde constante selon une direction perpendiculaire⊥à B et à E . Vde = − E ⊗B E⊥ uy = B2 B Vitesse de dérive électrique La dérive électrique conduit à un mouvement cycloïde des charges et son sens est indépendant de leur signe. Dérives produite par un champ de gravité : Vdgs = ms g ⊗ B qs B 2 ms m dv s = q s s g + v s ⊗ B q dt s Vdgi Vde Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 42 6 – Trajectoires de particules Dérive de polarisation sous champ électrique lentement variable Si le champ électrique varie lentement sur une période cyclotronique Ωcs , on peut considérer qu’à chaque instant la vitesse de dérive perpendiculaire à E et B s’écrit : v de (t ) ≈ E (t ) ⊗ B B2 La réécriture du principe fondamentale fait apparaître une force d’entraînement liée à la variation temporelle de vde : m d v de d v ⊥s = qs − s + v ⊥s ⊗ B ms q s dt dt Cela met en évidence une dérive de polarisation VP selon la direction du champ E et dépendante du signe de la charge : VP = − ms d v de B m d E dt ⊗ 2 = s q s dt B qs B 2 Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 7 – Dérives et confinement magnétiques d’un plasma Lorsqu’un plasma est soumis à un champ magnétique et que ce champ est susceptible de varier dans le temps et dans l’espace, le mouvement des particules chargées s’accompagne de dérives magnétiques. ms dv s = q sv s ⊗ B ( r , t ) dt Dans les plasmas dits magnétisés, les rayons de Larmor des particules restent très inférieurs aux dimensions caractéristiques : ρLs << L Les plasmas ont un comportement diamagnétique en créant, par le mouvement des charges, des champs propres s’opposant aux champs appliqués. Le confinement spatial d’un plasma et le piégeage de particules chargées peuvent se faire grâce à une structuration des lignes de champ magnétique mais cela implique en général des mouvements de dérive. Structure linéaire de miroir magnétique Structure torique de Tokamak Structure complexe de Stellerator Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 43 7 – Dérives et confinement magnétique d’un plasma Hypothèses d’adiabaticité du champ magnétique Afin de pouvoir résoudre analytiquement l’équation différentielle du mouvement d’une particule chargée dans un champ magnétique variable, il est nécessaire de supposer que ces variations, spatiales et temporelles, sont lentes : Lorsque le champ magnétique B(t) varie lentement devant l’échelle de temps d’une rotation cyclotronique, on peut écrire : ∂B << Ωcs B ∂t Hypothèse d’adiabaticité temporelle Lorsque le champ magnétique B(r) varie peu devant l’échelle spatiale d’une rotation cyclotronique, on peut écrire : ∂B B << ∂r ρLs Hypothèse d’adiabaticité spatiale Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 7 – Dérives et confinement d’un plasma – Invariant adiabatique Dans l’hypothèse d’adiabaticité temporelle, le moment magnétique orbital µs d’une particule chargée reste constant. On parle d’invariant adiabatique. Lorsque le champ magnétique varie, un champ électrique d’induction se crée et agit sur l’orbite des particules : rot E ind = − ∂B ∂t Le travail de la force électrique d’induction agissant sur une particule est égale à la variation de son énergie cinétique calculée sur une trajectoire non modifiée : 2 mV 1 msV ⊥2s = q s E ind ⋅ d r = s ⊥s δB = µs δB 2 2B orbite δ ∫ µs = Wcs = cste B δB est la variation du champ magnétique sur une période cyclotronique (δB << B) L’augmentation du champ magnétique induit donc une augmentation de la vitesse cyclotronique et donc un chauffage anisotrope du plasma. Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 44 7 – Dérives et confinement magnétique d’un plasma Compression magnétique d’un plasma La constance de µs correspond à celle du flux magnétique Φ canalisé par le tube de force sur lequel est tracée l’orbite de la particule. µs = q s2 q2 2 ( ) = s Φ BρLs 2 ms 2 ms Φ = cste Le champ électrique d’induction induit une vitesse radiale de dérive électrique qui force la particule à canaliser un même flux magnétique. E ind B2 > B1 ρLs2 < ρLs2 ρLs1 B B1 Lorsque le champ magnétique varie lentement, le plasma suit les lignes de champ dans leur déplacement. On parle de gel du plasma dans le champ B. Dans l’hypothèse d’une compression magnétique adiabatique (augmentation lente du champ dans le temps), un plasma est à la fois comprimé et chauffé. Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 7 – Dérives et confinement d’un plasma Force diamagnétique L’invariance du moment magnétique orbital µs se vérifie également dans l’hypothèse d’adiabaticité spatiale. ∂B d 1 2 m V = µs ds 2 s ⊥s ∂s s est l’abscisse curviligne du centre guide Dans un champ statique (Eind = 0), l’énergie totale de la particule se conserve : ∂B 1 d m sV lls2 = −µs ds ∂s 2 La variation du champ magnétique B le long d’une ligne de champ engendre une force longitudinale agissant sur la particule. C’est la force diamagnétique : Fll = −µs ∂B u ll ∂s Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 45 7 – Dérives et confinement d’un plasma – Force diamagnétique Une particule chargée est repoussée des zones de champ fort par une force indépendante de sa charge. En entrant dans une zone de champ croissant, son énergie longitudinale diminue au profit de son énergie transversale. Cet effet est utilisé pour confiner un plasma dans une structure de miroirs magnétiques : miroir magnétique Les particules dont la vitesse v0 est écartée de B0 d’un angle supérieur à θ0m seront réfléchies par le miroir : sin θ0 m = B0 B max B0 est le champ dans une section initiale et Bmax est le champ maximal au col du miroir Cette configuration de miroirs magnétiques a été une des premières solutions envisagées pour confiner un plasma de fusion thermonucléaire, mais a été rapidement abandonnée en raison des instabilités qu’elle génère. Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 7 – Dérives et confinement d’un plasma – Force diamagnétique La structuration dipolaire du champ magnétique terrestre induit un effet miroir sur les particules présentes dans la magnétosphère. Dans le plan équatorial, sont induites également des dérives de champ magnétique. Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 46 7 – Dérives et confinement d’un plasma Dérives magnétiques Lorsque le centre guide suit une ligne de champ courbée ou lorsque le champ magnétique possède un gradient transverse à sa direction, des dérives magnétiques s’ajoutent au mouvement de la particule. Dérive de courbure : La force d’inertie centrifuge Fic induite par la rotation génère une vitesse de dérive de type (Fic x B) / B2qs Fic = VDC = msV lls2 un R Vll2 ⋅ u n ⊗ ut Ωcs R J.M. Rax 2005 Dunod R : rayon de courbure de la trajectoire un : vecteur normal dans un repère de Frenet Cette dérive est de sens contraire pour les électrons et les ions et beaucoup plus importante pour les ions Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 7 – Dérives et confinement d’un plasma – Dérives magnétiques Dérive de gradient : Le passage d’une particule dans une zone de champ variable induit une légère modification du rayon de Larmor, non compensée et s’accumulant tout au long du mouvement. Calcul de la vitesse de dérive pour un gradient de champ selon une direction Oy : Expression du champ magnétique : Hypothèse d’adiabaticité : B = B ( y )u z B ( y ) = B0 + y ∂B ∂y y ≤ ρLs << B 0 (∂B ∂y ) ≈ L Mise en équation du mouvement : • • •• 1 ∂B ρ = Ωcs y − ΩcsV ⊥S Ls cos (ΩCS t ) sin (ΩCS t ) x = Ωcs y 1 + y B 0 ∂y L •• • • y = −Ω x 1 + y 1 ∂B = −Ω x − Ω V ρLs cos 2 (Ω t ) cs cs cs cs ⊥ s B 0 ∂y L Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 47 7 – Dérives et confinement d’un plasma – Dérives magnétiques Les équations obtenues au premier ordre en ρLs/L mettent en évidence l’existence d’une force moyenne selon la direction de variation de B, induisant une vitesse de dérive : •• V ⊥s = Vcs +VDG < F x > = < ms x > = 0 •• ρLs < F y > u y ⊗ B0 < F y > = < ms y >= −ms ΩcsV ⊥s VDG = < V ⊥s > = 2L q B2 s V DG = VDG 2 Ωcs ρLs B ⊗ ∇ ⋅B 2 B2 La dérive de gradient est aussi dépendante du signe de la charge ∇ ⋅B ∇ ⋅B = 0 ∂B ∂B ∂B ux + uy + uz ∂x ∂y ∂z Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 7 – Dérives et confinement d’un plasma – Dérives magnétiques Les équations obtenues au premier ordre en ρLs/L mettent en évidence l’existence d’une force moyenne selon la direction de variation de B, induisant une vitesse de dérive : La structure torique d’un plasma de fusion de type Tokamak induit des dérives magnétiques de gradient et de courbure induisant un courant de particules dirigé vers le bas (pour les particules positives). Le « divertor » a pour but de contrôler ce flux de particules Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 48 7 – Dérives et confinement d’un plasma – Dérives magnétiques Les courants induits par les dérives de courbure et de gradient génèrent leur propre champ magnétique et induisent des oscillations et des instabilités en régime basse fréquence. Un bilan sur ces courants, incluant le courant d’aimantation déjà calculé, donne le courant diamagnétique JDM total circulant dans un plasma confiné : J DM = J DC + J DG + J M J DC = ne q eVDCe + ni q iVDCi = 1 P (n m V 2 + ni miVlli2 ) ⋅ u n ⊗ ut = BR u n ⊗ ut BR e e lle J DG = ne q eVDGe + ni q iVDGi = 1 (n m V 2 + ni miV ⊥2i ) ⋅ ut ⊗B ∇2 ⋅ B = BP2 ⋅ ut ⊗ ∇ ⋅ B 2 e e ⊥e P ut B J M = rot M = rot − ( J DM = − ) grad P ⊗ ut B Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013 49