Interactions Ions-Plasma

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Le plasma est un ?tat dilu? de la mati?re analogue ? un gaz, mais constitu? d'un bain de particules charg?es, ?lectrons et ions positifs, en proportions ?gales et donc globalement neutre. Le plus simple des plasmas est celui d'hydrog?ne, form? d'?lectrons et de protons libres en concentration ?gale. Pour observer cet ?tat particulier de la mati?re ou les ?lectrons ne sont plus li?s ? un atome, il faut maintenir une temp?rature ?lev?e dans le milieu. Pour avoir un plasma d'hydrog?ne compl?tement ionis? il faut par exemple chauffer le gaz hydrog?ne au del? de 20 000 ?K (~ 2 eV). Le plasma est un ?tat de la mati?re extr?mement r?pandu dans l'univers. 99% de la mati?re de l'univers est sous forme de plasma plus ou moins dense. Le champ d'?tude de la physique des plasmas est donc vaste et interdisciplinaire : astrophysique, physique atomique, physique nucl?aire, m?t?orologie...Depuis 1955, de vastes programmes de recherche se sont donn?s pour objectif, la production d'?nergie par fusion thermonucl?aire contr?l?e. L? encore, le plasma est omnipr?sent et la motivation initiale du programme " interactions ions-plasma " ?tait li?e ? l'?tude du d?p?t d'?nergie sur les cibles destin?es au confinement inertiel par ions lourds et plus particuli?rement au ralentissement d'ions lourds dans le plasma dense et chaud qui entoure la cible de fusion.

Le principe des exp?riences est simple :

La cible de plasma est obtenue par d?charge electrique lin?aire dans un gaz d'hydrog?ne ou de deut?rium. Elle se caract?rise ? partir de l'?volution de sa densit? lin?aire en fonction du temps: n.l = f(t); ou n est la densit? du plasma par cm3 et l sa longueur en cm. Les autres param?tres importants pour d?finir la cible de plasma sont le degr? d'ionisation et le taux d'impuret?s pr?sentes dans le gaz au cours de la d?charge (d?gazage ou d?sorption de parois). Une d?termination pr?cise de la densit? et de la temp?rature du plasma (ou de son degr? d'ionisation) s'effectue soit ? partir de m?thodes de spectroscopie optique (Absorption laser ? deux longueurs d'onde, interf?rom?trie laser ou ?largissement Stark de raies d'?mission de l'hydrog?ne), soit en utilisant le faisceau d'ions comme sonde. Le principe est bas? sur une mesure directe d'?change de charge sur un ion en condition de collision unique. Notre choix s'est port? sur un ion chlore 16+ ? 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+) ? l'issue de la travers?e de la cible de plasma nous donne directement acc?s ? la densit? de protons (ionisation) et au taux d'impuret?s (capture). La sensibilit? de la d?termination du taux d'impuret?s en ?l?ments lourds est meilleure que 10-4. La d?charge est isol?e de vide de l'acc?l?rateur au moyen de deux vannes rapides qui ne sont activ?es qu'? l'instant pr?cis de passage du faisceau.

Cible de plasma : Le gaz est contenu dans le tube en quartz (40 cm de long, 5 mm de diam?tre).

La physique du d?p?t d'?nergie concerne les processus fondamentaux mis en jeu dans ces interactions entre les ions projectiles et les ?lectrons libres du plasma. La pr?vision puis l'observation exp?rimentale d'un pouvoir d'arr?t accru dans un plasma, comparativement ? une m?me densit? de gaz froid ont fait l'objet de la premi?re partie de ce programme. Cet accroissement du ralentissement r?sulte d'une part de l'excitation des modes d'oscillation des ?lectrons libres du plasma pour lesquels le transfert d'?nergie est plus efficace que pour des ?lectrons li?s, et d'autre part de l'?tat de charge du projectile qui atteint des valeurs plus ?lev?es dans un plasma que dans un gaz froid de m?me densit?. L'importance relative de ces deux contributions d?pend de la charge des ions incidents, de leur vitesse, et ? un degr? moindre de la temp?rature et de la densit? du plasma.

Les r?sultats marquants de ces derni?res ann?es concernent :

La mise en ?vidence exp?rimentale du pouvoir d'arr?t renforc? du plasma comparativement ? la m?me densit? de gaz froid (un facteur 2 dans le cas des ions du Tandem). Ces exp?riences ont confort? la validit? du mod?le standard du pouvoir d'arr?t d?velopp? par les th?oriciens du laboratoire de physique des gaz et des plasma d'Orsay.

Un programme sp?cifique d'?tude de la dynamique des ?changes de charge dans un plasma et sa corr?lation avec les pouvoirs d'arr?t, est en cours. La confirmation de la suppression des captures ?lectroniques dans un plasma a ?t? r?alis?e par le biais d'exp?rience telle que celles li?es ? l'?pluchage d'ion chlore ou encore la mise en ?vidence de charge gel?e pour des ions ?pluch?s p?n?trant dans un plasma.
L'exp?rience consistait ? ?tudier l'?tat de charge d'un ion chlore traversant des densit?s variables d'hydrog?ne ou de deut?rium gazeux froid ou sous forme de plasma. La mesure des distributions de charge en sortie du tube contenant le plasma ?tait r?alis?e par analyse magn?tique et d?tection sur un scintillant coupl? ? une cam?ra CCD.

Les r?sultats obtenus avec des ions chlore ? 1.5 MeV/A ont permis de mettre en ?vidence deux effets remarquables:

Une distribution de charge apr?s travers?e du plasma qui est d?plac?e vers les ?tats de charge plus ?lev?s. Une mod?lisation des distributions de charge mesur?es en gaz froid puis appliqu?e au plasma, a permis d'attribuer cet effet ? la disparition des captures d'?lectrons libres. L'effet plasma attendu a donc ?t? observ?.

Une mesure de perte d'?nergie de ces m?mes ions dans le plasma a d'une part, confirm? le pouvoir d'arr?t renforc? du plasma, mais ?galement permis de d?finir la contribution relative des deux effets mentionn?s pr?c?demment (Charge projectile et ?lectrons libres).

Ce programme se poursuit avec des objectifs exp?rimentaux n?cessitant des sensibilit?s de d?tection tr?s fines, ce qui implique une ma?trise parfaite des param?tres du plasma et des effet parasites g?n?r?s par la d?charge tels que l'effet lentille ? plasma . Un aimant performant (Split-Pole) coupl? ? la d?charge sera prochainement ? m?me de mettre en ?vidence une corr?lation entre un ?tat de charge d'un ion en sortie de plasma avec une perte d'?nergie mesur?e et de remonter ainsi ? l'historique de l'?change de charge durant la travers?e du plasma.

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Le Moteur Recherche-Web ?

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