Les plasmas

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On dénombre une grande variété de plasmas dont la création, le contrôle et la compréhension sont étroitement liés aux installations et aux technologies de pointe associées et également aux simulations numériques des processus aux échelles microscopiques ou macroscopiques. Ci-dessous un florilège … non exhaustif … de différents contextes.

Procédés

LIBS : Laser Induced Breakdown Spectroscopy.  Elle permet l’analyse chimique d’un échantillon de matériau solide par impact d’une impulsion laser qui transforme une mince épaisseur de surface de l’échantillon en un plasma qui émet une lumière que l’on analyse par spectroscopie.

Crédit : P.Stroppa – CEA/DSM/Saclay, 10/2005

Réacteur à plasma : il permet le dépôt de multicouches sur substrat mince par pulvérisation cathodique.

Crédit : P.Stroppa – CEA/DSM/Ganil-Caen

Torche à plasma : les torches à plasma sont des installations qui par un champ magnétique oscillant permettent de maintenir une zone de plasma à plus de 3000°. Elles permettent de conditionner des déchets pulvérulents, des boues, … qui ont des compositions chimiques compliquées ne facilitant pas leur traitement par des procédés plus conventionnels comme la cimentation. Elles permettent de projeter des poudres nanométriques ou bien d’assurer un dépôt sur un matériau comme dans la photo ci-contre, avec un plasma produit à partir d’un gaz d’argon.

Crédit : F. Vrignaud – CEA/Le Ripault, 2010

Applications médicales

Développement d’une méthode de calcul de dose à des fins médicales : des algorithmes de dépôt de dose performants et rapides sont nécessaires pour améliorer les procédés de traitement en radiothérapie. Le modèle déterministe de transport de particules fondé sur la résolution de l’équation de Fokker-Planck conduit à des calcul de meilleure qualité dans les tissus hétérogènes comme l’os cortical ou le poumon comparativement à des logiciels commerciaux de type « Pencil Beam ». La figure montre l’isodose de dépôt d’électrons (rouge) se propageant à travers le torse dont on voit les os (en gris).

Credit : B Dubroca – CELIA, 2012

ISeult : le plus puissant aimant IRM du monde
Depuis mai 2017, un aimant géant  est installé dans l’infrastructure de recherche NeuroSpin du centre CEA de Paris-Saclay. Il constitue l’élément principal du scanner IRM (Imagerie par Résonance magnétique) d’une très haute résolution spatiale destiné à l’imagerie du cerveau chez l’Homme. Cet instrument hors norme a été conçu par les ingénieurs-chercheurs du CEA et l’aimant renfermant 180 kms de câble supraconducteur pesant 130 tonnes a été construit par Alstom-General Electric – Belfort. Il produit un champ magnétique de 11,7 teslas sur un volume pouvant accueillir un corps humain entier.

Crédit photo P.Briet © CEA

Plasmas de fusion par confinement inertiel

Développement de méthodes de calcul performantes enhydrodynamique des plasmas : les calculs en fusion inertielles sont réalisés avec la méthode Lagrangienne. Afin de décrire des écoulements avec vorticité et cisaillement importants, la robustesse de cette méthode a été améliorée. La figure jointe montre la performance de la nouvelle méthode de régularisation de maillage ReALE (reconnection based arbitrary Lagrangian Eulerian) qui permet de construire un maillage évolutif au moyen de polygones de Voronoï. Il s’adapte naturellement aux grandes déformations de l’écoulement liées par exemple au développement d’instabilités de type Kelvin-Helmholtz.

J Breil, S. Galera, P-H Maire, CELIA, Computers & Fluids 46, 161 (2011)

Simulations cinétiques de la diffusion Raman stimulée pour l’allumage par choc : l’allumage par choc en fusion inertielle fonctionne dans le domaine d’intensités laser où les processus paramétriques peuvent contribuer à l’absorption de l’énergie laser et la génération des électrons chauds. Ces processus sont étudiés dans des simulations cinétiques complètes en utilisant des ordinateurs à haute performance. La figure montre la distribution angulaire et spectrale de la rayonnement laser diffusé du à l’instabilité Raman.

C. Riconda, S. Weber, V.T. Tikhonchuk, A. Heron, LULI-CELIA-CPHT, Phys. Plasmas 18, 092701 (2011)

Interprétation d’expérience d’allumage par choc avec le laser OMEGA de U. Rochester (USA) : dans le cadre de l’étude du concept de l’allumage par choc, des expériences ont été menées pur étudier l’effet d’un choc convergent sur la compression d’une cible de deutérium cryogénique et la production des neutrons. 40 faisceaux répartis de façon uniforme ont été utilisés pour comprimer la cible et 20 faisceaux ont été focalisés sur un dodécaèdre pour lancer le choc. Des simulations hydrodynamiques 2D montrent l’état de la cible à la stagnation, les instabilité de Rayleigh-Taylor dont les modulations sont bien visible ont été mesurées expérimentalement et comparées au code. Un accord sur la forme de la modulation est claire, cependant, le code surestime la compression de la cible.

W. Theobald et al., Phys, Plasmas 19, 102706 (2012)

Lissage laser avec une mousse sous-dense : dans l’attaque directe en fusion inertielle, les inhomogénéités de l’intensité laser peuvent induire des perturbations de pression et amorcer les instabilités hydrodynamiques qui altèrent la performance de la cible. L’utilisation d’une mousse de basse densité devant la cible permet de lisser le faisceau laser et de réduire la croissance des instabilités hydrodynamiques. La figure donne l’émission optique qui met en évidence le front d’ionisation induit par l’impulsion laser dans une mousse.

Ph. Nicolaet al., CELIA, Phys. Plasmas 19, 113105 (2012)

Plasmas magnétisés et fusion par confinement magnétique

Etude de la physique des gaines RF dans un plasma magnétisé – Dispositif ALINE : Le plasma est initié par une antenne capacitive RF alimentée par un amplificateur large bande (10kHz-250MHz), donc capable d’explorer un large domaine de fréquences caractéristiques pour les décharges plasma. Le champ magnétique peut aller jusqu’à 0,1 Tesla. Les électrons et les ions peuvent être chauffés (ECRH et ICRH). L’objectif est d’étudier les gaines RF apparaissant devant une antenne de chauffage.

Crédit : E. Faudot / S . Devaux – IJL / Université de Lorraine

Fluctuations de la fonction de distribution électronique dans un cas turbulent 1D : Simulation de la dynamique d’un plasma chaud, visualisée dans l’espace des phases (espace virtuel qui couple l’espace réel et l’espace des énergies). Les particules du plasma suivent ces contours.

Crédit : M. Lesur – IJL / Université de Lorraine

Simulation de la propagation d’une onde dans un plasma turbulent : Surfaces de champ constant. Des outils complexes, comme le code 3D REFMULF, nécessaires à l’établissement de la fonction de transfert, doivent être optimisés dans le but de décrire la propagation des trois composantes du champ électromagnétique de l’onde dans un plasma pouvant présenter des gradients d’indice extrêmement importants. Cet outil permet de regarder l’effet de la turbulence sur les systèmes de chauffage à la fréquence cyclotron électronique, et d’extraire les échelles de longueur typiques de la turbulence.

Crédit : S. Heuraux – IJL / Université de Lorraine

Instantanés de la pression issus de simulations numériques de la turbulence au bord d’un tokamak : sur la figure, le « trou » au milieu représente le centre du plasma exclu de la simulation. En haut : sans barrière de transport, en bas : avec barrière. Dans les expériences de fusion thermonucléaire par confinement magnétique, des instabilités microscopiques du plasma confiné sont inévitables du fait de la présence de gradients de densité, température et pression. Ces instabilités engendrent une micro-turbulence dans laquelle des tourbillons (cellules de convection) augmentent considérablement le transport de matière et de chaleur du centre du plasma vers le bord. Ce transport turbulent provoque une détérioration du confinement du plasma.Cependant, une auto-organisation de la turbulence peut considérablement améliorer le confinement : la turbulence génère un écoulement à grande échelle qui a un effet stabilisant sur la turbulence ! Dans les expériences de fusion par confinement magnétique, ce mécanisme d’auto-stabilisation est utilisé de façon systématique pour atteindre un régime de confinement amélioré. Dans ce régime de fonctionnement prévu pour les futures machines à fusion, le confinement est considérablement amélioré par la présence d?une mince couche au bord du plasma dans laquelle la turbulence est fortement réduite. Cette couche est appelée barrière de transport. Une barrière de transport n’est généralement pas stable mais relaxe quasi-périodiquement. Dans les expériences de taille d’ITER, pour que le flux de chaleur associé à ces relaxations reste dans la limite tolérables par les éléments de la paroi, il est nécessaire de les contrôler. Il a été démontré expérimentalement qu’un tel contrôle peut être réalisé à l’aide d’une perturbation magnétique induite de l’extérieur, engendrant des structures appelées îlots magnétiques.

Crédit : P. Beyer – Aix-Marseille Université

Plasmas denses

Densité électronique de d’aluminium détendu à 1.4 g/cm3 et à 10 000 K : résultat d’une simulation de dynamique moléculaire quantique.

Crédit : J. Clerouin – CEA – 2012

Plasmas naturels

Héliomagnétisme : sont représentés des résultats de simulation numérique, (en haut) les lignes de champ magnétique dans la couronne solaire, le fond d’image représentant la composante radiale du champ magnétique près de la surface de la zone convective. (en bas) la composante longitudinale du champ magnétique. Les étoiles sont de grosses sphères fluides et chaudes, tournant sur elles-mêmes et montrant de la turbulence avec de nombreux phénomènes de convection et baignant dans un champ magnétique auto-induit.

Crédit : A.S.Brun – CEA/DSM/IRFU

Technologies

Aimant supraconducteur : Pour confiner le plasma dans le concept de la fusion magnétique, un des scénarios est d’utiliser un confinement torique par un champ magnétique généré par des bobines non planes, suivant le concept de stellerator. Sur la photo, l’aimant supraconducteur du stellarator W7X en test avant montage sur la machine à Greifswald en Allemagne.

Crédit : CEA/DSM/Saclay/IRFU

Enceinte de tokamak : Dans les tokamaks utilisés pour confiner et chauffer les plasmas via la voie du confinement magnétique, on trouve une enceinte torique constitué de métal ou de fibres carbonées capable de tenir de fortes puissance thermique par unité de surface. Ci-contre l’enceinte du tokamak Tore Supra à Cadarache.

Crit :P.Stroppa – CEA/DSM/Cadarache, 2009

Injecteur de glaçon de deutérium : cet injecteur du tokamak Tore Supra à Cadarache permet d’entretenir la densité du plasma pendant plusieurs minutes, en injectant des glaçons de deutérium.

Crédit : P.Stroppa – CEA/DSM/Cadarache

Injecteur de Neutres (IdN) d’ITER à 1 MeV. L’extraction et le transport des ions négatifs de la source plasma sous l’effet d’un fort champ électrique a été simulée par le code ONIX (Orsay Negative Ion eXtraction). Est représentée l’efficacité de l’extraction d’ions négatifs sans plasma (gauche) et en présence d’un plasma (droite) calculée à l’aide du code ONIX. L’efficacité de l’extraction diminue en présence du plasma car le champ électrique est écranté

Crédit : LPGP / CNRS-UniversitParis-Sud

Modélisation de l’endommagement laser de matériaux optiques en régime nanoseconde : les lasers de puissance sont constitués de matériaux optiques pouvant s’endommager sous flux laser intense. Afin d’augmenter cette tenue au flux, les mécanismes physiques de l’endommagement sont étudiés. On montre en particulier qu’il y a un couplage entre formation de défauts et diffusion de la chaleur, ce qui donne lieu à la naissance d’un front d’absorption se propageant à une vitesse sub-sonique. La figure montre l’évolution de la position du front d’absorption en fonction du temps.

G. Duchateau, M.D. Feit, and S.G. Demos, J. Appl. Phys 111, 093106 (2012)

Refroidissement d’aimants supraconducteurs : La boucle HELIOS (Helium loop for high load smoothing) est développée pour étudier le lissage des charges thermiques variables reçues par les systèmes cryogéniques des futurs réacteurs de fusion JT60-SA et ITER. Pour le réacteur japonais JT60-SA, l’objectif est d’absorber des puissances crête d’environ 12 kW avec une puissance de refroidissement moyenne sur un cycle plasma de 6 kW. HELIOS fonctionne avec une convection forcée d’hélium supercritique à 4,4 K et sous une pression de 5 bars.

Credit : CEA/DSM/Grenoble/INAC, 2010

Source de rayonnement X : Par impact d’une impulsion laser sur une cible, un plasma se crée et peut se transformer en source dans l’extrême UV EXULITE utilisé pour la photo-lithographie.

Crédit : P.Stroppa – CEA/DSM/Saclay, 10/2005

Accélérateurs

Aimants supraconducteurs : le champ magnétique est produit par la circulation de courant dans des bobinages supraconducteurs. Ci-contre, la conception magnétique du quadripôle à double ouverture de 90 mm pour le projet Hilumi LHC. Les bobines sont en NbTi, les colliers de frettage en acier austénitique et la culasse en fer. Le schéma montre la répartition du champ magnétique dans les conditions nominales d’utilisation.

Crédit : CEA/DSM/Saclay/IRFU

Cavités supraconductrices : elles hébergent un champ électromagnétique permettant d’accélérer le faisceau avec un rendement maximal. Elles sont faites en Niobium et placées dans un cryomodule où elles sont maintenues à 4 K (-269 °C), voire 2 K, par de l’hélium liquide. Le champ électromagnétique y est injecté à travers un coupleur de puissance RF.

Crédit : CEA/DSM/Saclay/IRFU

Etuvage d’une cavité supraconductrice : les performances des cavités supraconductrices sont impactées directement par la propreté et la pureté de la surface du Niobium qui la constitue. Cette qualité peut être améliorée en étuvant la cavité, c’est-à-dire en la chauffant à 120° sous ultravide pendant 48 heures.

Crédit : CEA/DSM/Saclay/IRFU

Injecteur de Protons Haute Intensité (IPHI) : Pour tester des matériaux capables de confiner le plasma dans un futur réacteur à fusion, on utilise des accélérateurs de particules à haut courant. Ainsi l’IPHI est un prototype de la partie basse énergie (jusqu’à 3 MeV) d’un accélérateur d’ions légers de forte puissance. C’est un démonstrateur dont l’objectif principal est de montrer la faisabilité de tels accélérateurs en développant une des parties les plus délicates, l’injecteur, qui doit délivrer un faisceau continu de protons doté de qualités optiques remarquables. Le composant principal de cet injecteur est une cavité accélératrice RFQ (Radio Frequency Quadrupole) de six mètres de long.

Crédit : V. Hennion – CEA/DSM/Saclay/IRFU

Installation SPIRAL2 : il s’agit d’un système de Production d’Ions RAdioactifs en Ligne de 2e génération. Il est en 2015 en corus d’installation au GANIL à Caen (Grand accélérateur national d’ions lourds). Les ions produits constituent un faisceau stable de haute intensité que l »on peut envoyer sur une cible. Les collisions doivent donner lieu à des noyaux exotiques, peu présents sur terre.

Crédit : CEA/DSM/Saclay/IRFU

Représentation du faisceau dans des sous-espaces des phases 2D : le faisceau est un plasma froid, non-neutre et confiné animé d’une vitesse relativiste. La dynamique des faisceaux est la physique qui suit l’évolution, le long de l’accélérateur, de sa fonction de distribution dans l’espace des phases 6D (3 pour la position des particules, 3 pour leur déplacement).

Crédit : CEA/DSM/Saclay/IRFU

Source ECR (Electron Cyclotron Resonance) : un plasma est produit via les production et accélération conjointes d’électrons par un champ électromagnétique RF dans un gaz. Les trajectoires des électrons sont allongées et synchronisées avec le champ RF oscillant par un champ magnétique permanent. Le faisceau est extrait à travers un petit trou par une différence de potentiel entre la paroi de la chambre plasma et les électrodes d’extraction.

Crédit : CEA/DSM/Saclay/IRFU

Ultra-hautes intensités laser

Accélérateur de particules par onde plasma : comme tous les milieux, le plasma peut être parcouru par des ondes.  En particulier des ondes longitudinales animées par les électrons seuls, les ions restant fixes. Elles se caractérisent par une succession de zones de compression et de dilatation des électrons, ce qui conduit à un champ électrique orienté dans le sens de propagation de l’onde. Si un électron se distingue des autres avec une vitesse relative faible par rapport à la vitesse de phase de l’onde, l’électron peut se retrouver en phase accélératrice du champ électrique. Il va surfer sur une zone de l’onde tel le surfeur qui subit une poussée dans le sens de propagation de la vague, les baigneurs traditionnels oscillant sur place. Il est possible de créer une telle onde dans le sillage d’une impulsion laser : c’est le concept d’accélérateur de particule par plasma. Si l’onde accélératrice se ralentit telle la houle près de la plage (ou bien si l’onde plasma est amplifiée par une onde laser par exemple), l’ensemble des gouttelettes d’eau (ou des électrons) vont croiser leur trajectoires. L’onde de houle (ou l’onde plasma) ne peut plus se propager : c’est le déferlement.

Crédit : A. Leblanc

Accélération de protons : simulation numérique de l’accélération de protons par impact d’une impulsion laser brève (150 fs) d’éclairement très élevé (7 1019 W/cm²) sur un plasma d’hydrogène de 5 mm d’épaisseur (densité homogène 1022 cm-3). Est représentée l’évolution spatio-temporelle (x-t) de la densité ionique (en échelle log sur 2 décades). L’onde laser se propage comme la flèche rouge. La polarisation linéaire (en haut) chauffe très fortement les électrons (énergie thermique : 2.1 MeV) ; un soliton dégradé en 3 oscillations se propage jusqu’au moment où la cible se disperse par expansion ionique tirée par les électrons. En polarisation circulaire (en bas), les électrons ne sont chauffés qu’à 120 keV. L’impulsion laser pousse les ions, tel un piston. Lorsque l’impulsion laser s’éteint, les ions les plus intérieurs de la cible restent immobiles. En revanche les autres constituent un jet monocinétique qui traverse le reste de la cible.

Crédit : G. Bonnaud – CEA/INSTN, 2010

Amplification de rayonnement X par effet Raman dans un laser à électrons libres : les lasers à électrons libres sont des sources efficaces de rayonnement X ajustables en longueur d’onde. Mais les dimensions des installations et leur coût élevé compliquent leur utilisation. Un nouveau schéma, beaucoup plus compact est proposé. Ici, le faisceau d’électrons relativistes provient de l’accélération dans une onde de sillage formée dans un plasma par une impulsion laser ultra-brève, et le rayonnement X est généré dans un réseau optique créé par l’interférence de deux autres impulsions laser.

I.A. Andriyash et al., Phys. Rev. Lett. 2012

Bouffées d’harmoniques et d’électrons synchronisés : Lors de la réflexion d’une impulsion laser ultra-intense (au-delà de 1019W/cm²) sur une cible solide, cette dernière est instantanément ionisée. Le plasma devient alors un miroir qui réfléchit l’impulsion laser. Mais la position de ce miroir électronique oscille sous l’effet du champ laser et il en résulte, à chaque cycle optique, une déformation du champ réfléchi par effet Doppler. Son spectre est élargi vers l’XUV via des harmoniques d’ordre élevé (image bas). Dans le même temps, une partie des électrons du miroir plasma est éjectée à énergie relativiste (image haut) vers le vide sur le bord du faisceau réfléchi (image gauche). Les miroirs plasmas rendent possible à la fois la génération de sources XUV intenses, et de faisceaux d’électrons très énergétiques (plusieurs dizaines de MeV). Il semble que ce système soit particulièrement adapté pour sonder la matière de deux manières différentes et de façon synchronisée.

Crédit : CEA/Saclay/LIDyL

Laser à impulsions ultra-brèves : des impulsions laser puissantes et fortement focalisées permettent d’atteindre des éclairements très élevés (environ 1020 fois l’éclairement solaire maximal sur terre). La matière ainsi éclairée devient un plasma qui est le siège d’évènements extrêmes : accélération d’électrons et d’ions à plusieurs dizaines de MeV, rayonnement X dur, réactions nucléaires, …. Pour atteindre de tels éclairements, la puissance des lasers doit atteindre plusieurs dizaines voire centaines de terawatts, via des compresseurs optiques comme celui ci-contre du laser UHI10 du CEA/Saclay. Cet instrument, consistant en réseaux optiques, permet de raccourcir la durée des impulsions lumineuses d’un facteur 10 000 (de la nanoseconde à la centaine de femtoseconde) et élève d?autant la puissance délivrée.

Crédit : P.Stroppa – CEA/DSM/Saclay, 10/2005

Phare attoseconde : les champs électromagnétiques associés aux impulsions lumineuses ultra-intenses induisent une dynamique relativiste des électrons et soulèvent de nombreuses questions : comment sonder cette dynamique ? Comment pour y parvenir générer et contrôler des sources de lumières intenses ultra-brèves (100 attosecondes = 10-16 s ou en deça). Théoriciens et expérimentateurs du groupe Physique à Haute Intensité (PHI) de F. Quéré tentent d’y répondre via le laser UHI100 (100TW – 20 femtoseconde) et des simulations numériques sur supercalculateurs. Comme illustration extraite de simulations, une cible solide éclairée qui devient un plasma dense agissant comme un miroir réfléchissant pour le laser incident. L’interaction avec le champ laser génère un spectre d’harmoniques du laser incident associé à un train d’impulsions attosecondes dans le domaine temporel. Le miroir plasma (échelle de couleur du bas) apparaît se courber sous l’effet de la pression de radiation inhomogène du laser au foyer et focalise les harmoniques. Afin d’isoler une impulsion attoseconde unique au lieu d’un train d’impulsion, plus adaptée aux expériences résolues en temps, nous avons mis en forme le profil spatio-temporel incident laser (échelle de couleur en haut à gauche) pour que les fronts d’onde tournent dans le temps et génèrent des impulsions attosecondes dans des directions différentes (échelle-couleur en haut à droite montrant le spectre du champ réfléchi). Cette source de lumière ultra-brève constitue l’un des trois piliers du projet européen Extreme Light Infrastructure ; actuellement une ligne X-UV attoseconde est en construction en Hongrie.

Crédit : CEA/Saclay/LIDyL