NRG9200-Description PHYSIQUE DES PLASMAS 2 QU EST-CE QUE C EST UN PLASMA? 2

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1 NRG9200-Description Ce cours couvre les sujets suivants : la physique atomique dans les plasmas, les collisions atomiques, les orbites des particules, la fonction de distribution, les équations des deux fluides (diffusion, mobilité), les équations MHD, les ondes de plasmas, les équations cinétiques, les collisions coulombiennes, les sources de plasmas dans la nature et dans le laboratoire. PHYSIQUE DES PLASMAS 2 QU EST-CE QUE C EST UN PLASMA? 2 Figure 1 Température du plasma en fonction de la pression de travail 4 Figure 2 Types de plasmas en fonction du régime densité-température 5 Table 1 Applications des plasmas... 3 Table 2 Tableau de la couleur des décharges dans les gaz... 5 INTRODUCTION 1

2 PHYSIQUE DES PLASMAS Qu est-ce que c est un plasma? On peut dire qu un plasma est une collection de particules chargées, localisées dans l espace, avec (généralement) la densité des charges positives à peu près égale à la densité des charges négatives. Mais il existe des plasmas dits non-neutre composés presque exclusivement d électrons ou d ions (e. g. faisceau d électrons) qui démontrent les propriétés collectives d un plasma. Les charges positives sont généralement des ions, des atomes ou des molécules d où on a enlevé un ou plusieurs électrons. Les charges négatives sont généralement des électrons, mais dans certains milieux avec des espèces électronégatives, on peut avoir la formation d ions négatifs. Des exemples sont F -, Cl -, O -. Normalement, on considère cette collection de particules chargées un plasma si la dimension de cet objet est plus grande qu une distance de blindage - une distance sur laquelle l effet d influences externes (e. g. des plaques chargées) est réduit ou éliminé par une redistribution interne des charges. Le plasma s isole du monde extérieur. Le mouvement des particules chargées peut être dominé par des collisions avec d autres particules chargées (si le plasma est fortement ionisé ) ou par collision avec des neutres (un plasma faiblement ionisé ). Historiquement, des plasmas ont été observés sans comprendre leur nature ou composition. Des exemples de plasmas naturels sont le soleil, les aurores boréales, les flammes et la foudre (En connaissez-vous d'autres?). Ce n est qu à la suite d expériences qu il a été démontré que les nuages sont chargés électriquement pendant les orages et que la foudre est un transfert de charge important, que les flammes peuvent être influencées par des objets chargés, démontrant ainsi la nature électrique des ces phénomènes. En général, les plasmas sont de bons conducteurs d électricité. Avec cette connaissance, les scientifiques étaient capable de produire des plasmas par des décharges électriques, de telle sorte que le début du 20ième siècle a vu des travaux significatifs sur les décharges à haute pression (les arcs) et à basse pression (les décharges luminescentes). Depuis ces jours, notre compréhension des plasmas a progressé énormément, grâce aux multiples applications des plasmas et du besoin d en comprendre les propriétés physiques et chimiques. Après la deuxième guerre mondiale, les scientifiques ont réalisé qu il y a peut être des moyens de contrôler les réactions de fusion pour produire l énergie du soleil - la solution ultime pour la production de l énergie. Ceci a donné une grande poussée à la recherche en plasmas avec des retombés importantes dans plusieurs domaines. Le tableau ci-dessous en donne quelques exemples. INTRODUCTION 2

3 Table 1 Applications des plasmas APPLICATIONS/EXAMPLES: la fusion thermonucléaire l éclairage la microélectronique sources d ions arcs torches à plasma confinement magnétique confinement inertiel lampes fluorescentes lampes haute pression lampes halogènes sources spectroscopiques gravure déposition (e. g pulvérisation) implantation ionique faisceaux d ions (e. g. accélérateurs) Implantation d ions par plasma soudure découpage disjoncteurs déposition de matériaux couches protectrices CONNAISSANCES FONDAMENTALES: l atmosphère l ionosphère le soleil la foudre propagation des ondes photosphère... le vent solaire objets astrophysiques Le nom plasma a été donné par Irving Langmuir, à cause de la similarité avec le plasma du sang. Normalement, nous pensons au plasma composé de gaz ionisés, et c est le seul milieu que nous allons considérer. Il faut cependant souligner que plusieurs solides (e. g. métaux) et quelques liquides (e. g. le mercure) ont des électrons libres, sont donc de très bons conducteurs d électricité, et démontrent des propriétés similaires à celles des plasmas. Les plasmas gazeux peuvent fonctionner INTRODUCTION 3

4 à basse pression ou à haute pression, et sont généralement produits par des sources électriques d une forme ou d une autre. (On pourrait aussi considérer des plasmas crées par une impulsion laser, une onde de choc ou par rayonnement.) Les champs électriques donnent leur énergie principalement aux électrons, qui vont s'échauffer ; leur énergie est ensuite transférée aux ions, et aux autres particules lourdes par collisions. À basse pression, la densité du plasma est généralement basse, et donc aussi le taux de collision. Même si le taux de collision est suffisant pour maintenir une distribution thermique entre les électrons, ils seront dit être découplés des particules lourdes. Mais ceci dépend du taux de transfert d énergie par collision et du temps de confinement des particules. Si les électrons et les ions sont bien confinés (e. g. dans une machine à fusion) on peut avoir T i = T e. Sans un tel confinement, on a normalement T i «T e à basse pression, tandis que T i T e à haute pression. Figure 1 Température du plasma en fonction de la pression de travail Si les électrons sont chauds et les ions froids, on l appelle un plasma froid, et si les ions/atomes sont chauds, on l appelle un plasma chaud même si la température électronique est plus faible que pour un plasma froid. Les plasmas sont généralement caractérisés par leur densité et leur température - le produit nt (densité multipliée par la température) dépend de la puissance injectée et du confinement. INTRODUCTION 4

5 Figure 2 Types de plasmas en fonction du régime densité-température On note une très grande variation de la densité (20 ordres de grandeur) et de la température (6 ordres grandeur) entre les diverses sources plasma. Les plasmas sont lumineux, et ce rayonnement est sous forme de raies (ou bandes) et d un continuum. Les raies sont caractéristiques des atomes, molécules et ions dans les plasmas, et par spectroscopie on peut identifier les espèces comprenant le plasma. La couleur d une tube à décharge est déterminée par le gaz utilisé (e. g. néon - voir tableau). Table 2 Tableau de la couleur des décharges dans les gaz Gaz Couche cathodique Luminescence Colonne positive Air Rose Bleu Hydrogène Rouge brunâtre Bleu pâle Rose Azote Rose Bleu Rouge Oxygène Rouge Blanc jaunâtre Jaune pâle avec un centre rose Hélium Rouge Vert Rouge à violet INTRODUCTION 5

6 Gaz Couche cathodique Luminescence Colonne positive Argon Rose Bleu foncé Rouge foncé Néon Jaune Orange Rouge brique Krypton Vert Xénon Vert olive Brome Vert jaunâtre Rougeâtre Chlore Vert jaunâtre Vert blanchâtre Iode Bleu Bleu rougeâtre Lithium Rouge Roule pâle Sodium Rose à orange Blanchâtre Jaune Potassium Vert Bleu pâle Vert Rubidium Rose Bleu Rouge rosé Césium Rose Vert laiteux Brun jaunâtre Mercure Vert Vert Verdâtre Calcium Violet bleu Violet rouge Magnésium Vert Vert Aluminium Violet bleu Violet bleu Thallium Vert Bleu blanchâtre Cadmium Rouge Vert bleuâtre Arsenic Bleuâtre Verdâtre Argent Rose Vert bleuâtre Plomb Rouge jaunâtre Violet Zinc Rouge violet Bleu à violet Rouge CCl 4 Vert pâle Vert blanchâtre HCl Vert Rose NO Blanc bleuté NO 2 Blanc bleuté NH 3 Vert jaunâtre INTRODUCTION 6