Ondes d ans l e l s p la l sma m s cours d introduction

Transcription

1 Ondes dans les plasmas cours d introduction

2 Les différents types de plasma

3 Ionisation par chauffage Raie du Fer XII 195 A Température 10 6 K

4 Ionisation par absorption de rayonnement Rayonnement UV solaire intense Absorbé partiellement par l'oxygène Produit un ion oxygène et un e libre Atome d'oxygène initialement neutre

5 Gaz neutre Gaz ionisé Région E Région F Région D jour nuit Température K Densité cm -3

6 Ionisation par décharge électrique

7 libre parcours moyen interactions proches vs lointaines effets quantiques vs effets classiques l = 1000 km 1 m 1 µm 10 8 lobes de la magnétosphère fusion (magnétique) fusion (laser) Température (K) couronne solaire intérieur du Soleil vent solaire décharge gaz interstellaire flamme ionosphère métal densité électronique (m -3 )

8 Système couplé champs-particules

9 Système couplé champs/ particules F = q( E + w B) Equations du mouvement mécanique Forces de collisions E, B Particules (positions et vitesses) électromagnétisme statistique Equations de Maxwell ρ, j

10 Fluide neutre Plasma Ondes électromagnétiques Equations de Maxwell Grande variété de modes de propagation (matière et champs) Ondes sonores Dynamique du fluide Couplage (via ρ et j) En MHD: Ondes magnétosonores Rapide et lente Onde d'alfvén (torsionnelles),... Propagation isotrope Propagation généralement anisotrope (B o )

11 Propagation des ondes dans les plasmas : des propriétés variées Plusieurs branches ("modes de propagation") Vitesses de phase variables ("dispersivité") "Coupures" (k 0) "Résonances" (k infini)

12 Comment trouver les différents modes qui peuvent se propager dans un plasma? Equations de Maxwell Ondes HF, radio + Equations de la dynamique des particules + Géométrie particulière du milieu Electrons Ions toutes Ondes BF, sonores

13 Où trouve-t-on des ondes dans les plasmas?

14 Les antennes magnétiques STAFF de Cluster (LPP/CNRS)

15 Sonde de Langmuir du satellite DEMETER

16 Instrumentation Ondes à bord d un des satellites THEMIS (Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms) Avant le lancement Après le lancement Mesure du champ électrique Mesure du champ magnétique variable (SCM fabriqué au LPP)

17 Oscillations MHD de la magnétosphère Pulsations magnétiques (PC 4-5) observées à l orbite géostationnaire par le satellite ATS-6 Les composantes H, D, V sont respectivement vers le Sud, l Est et radiale

18 Ondes d Alfvén dans le vent solaire Champ magnétique, vitesse et densité des protons observées dans le vent solaire par la sonde Mariner 5. Les valeurs sont des moyennes sur 5 minutes.

19 Radiotélescopes de Nançay

20

21 Rayonnement émis par le plasma de Tore-Supra

22 Utilisation des ondes comme outil de diagnostic

23 Propagation HF ionosphérique ionosphère f 1 f 3 f 2 f 1 >f 2 >f 3

24 Mesure de la densité dans un tokamak

25 La diffusion incohérente ou collective Lorsque la longueur d'onde incidente est supérieure à la longueur de Debye, les fluctuations des particules du milieu sont fortement corrélées. Ce régime de diffusion est intéressant car l'énergie diffusée se concentre dans une bande de fréquence étroite, la raie ionique, (dont la largeur est donnée par la vitesse thermique des ions et non par celle des électrons comme dans le cas contraire), à laquelle s'ajoutent deux raies fines décalées de la fréquence incidente par la fréquence plasma du milieu. L analyse du spectre diffusé renseigne sur les paramètres du plasma.

26 EISCAT (European Incoherent SCATter) Copyright EISCAT Scientific Association

27 Sondage de l ionosphère polaire par diffusion incohérente Diagrammes temps-altitude des principaux paramètres de l ionosphère : Densité électronique Température électronique Température ionique Vitesse ionique

28 Diffusion collective Diagnostic des fluctuations de densité de plasma par diffusion collective de la lumière : la source est un laser CO2. Ce banc est actuellement implanté sur le tokamak Tore Supra au CEA Cadarache.

29 Utilisation des ondes comme source d énergie

30 Chauffage du plasma de Tore-Supra par des ondes

31 Interaction laser-plasma Interférogrammes montrant le canal de densité formé par l interaction d une impulsion laser 1ps d intensité I = Wcm -2 avec un plasma. (a) 5ps et (b) 65ps après le passage de l impulsion. Cliché: Plasma Physics Group, Imperial College, Londres

32 Accélération laser Spectre d énergie des ions Helium résultant de l interaction laser- plasma. Intensité laser I = W/cm 2. Cliché: Plasma Physics Group, Imperial College, Londres

33 Réacteur hélicon (radiofréquence à MHz): application à la propulsion spatiale et à la gravure de motifs à l échelle micrométrique Z (cm) Pompage Photo LPP Chambre d expansion Source Onde hélicon Antenne Tube diélectrique Lignes de B

34 Réacteur capacitif radiofréquence ( MHz): application à la gravure de structure nanométrique en microélectronique Propagation d ondes de surface z Plasma 0 r Photo LPP Substrat à graver ~