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.

Fusion par confinement magnétique - Plasmas magnétisés

Ecoulements simulés avec le code SOLEDGE2D : Calcul des écoulements parallèles aux lignes de champ magnétique dans la région périphérique (où les surfaces magnétiques interceptent des éléments de paroi) du plasma de WEST (W-tungsten Environement in Steady-state Tokamak, CEA-Cadarache).

Crédit: H. Bufferand, CEA/DRF/IRFM

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

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/DRF/IRFU

Instantanés de la pression issus de simulations numériques de la turbulence au bord d’un tokamak : le « trou » au milieu représente le centre du plasma exclu de la simulation. En haut : sans barrière de transport, en bas : avec. Dans les expériences de confinement magnétique (FCM), les gradients de densité, température et pression induisent des instabilités microscopiques du plasma confiné . Elles 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 qui détériore le confinement. Cependant, une auto-organisation de la turbulence peut considérablement l’améliorer, en générant un écoulement à grande échelle, stabilisant la turbulence ! Ce confinement est associé à une mince couche au bord du plasma, appelée barrière de transport, où la turbulence est fortement réduite. Cette barrière  n’est généralement pas stable mais relaxe quasi-périodiquement. Il est nécessaire de la contrôler dans les expériences de taille d’ITER, pour que le flux de chaleur associé à ces relaxations reste tolérable par les éléments de la paroi. Un tel contrôle a été réalisé expérimentalement, à l’aide d’une perturbation magnétique induite de l’extérieur, engendrant des structures appelées îlots magnétiques.

Crédit : P. Beyer – Aix-Marseille Université

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

Simulations gyrocinétiques à 5 dimensions avec le code GYSELA : Cartes instantanées des structures turbulentes dans un plasma de tokamak (visualisation du potentiel électrique). La turbulence est anisotrope: les tourbillons sont très allongés le long des lignes de champ (plusieurs dizaines de mètres), tandis que leur taille est de l’ordre du centimètre (quelques rayons de Larmor ioniques) dans le plan transverse. Elle est également “ballonnée”: plus forte côté extérieur que côté intérieur du tore.

Crédit: GYSELA team, CEA/DRF/IRFM

Fusion par confinement inertiel - 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

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. Nicolaï al., CELIA, Phys. Plasmas 19, 113105 (2012)

Instrumentation et 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/DRF/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.

Crédit : P.Stroppa – CEA/DRF/IRFM, 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/DRF/IRFM, 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-Université Paris-Sud

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/DRF/IRFU, Saclay

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/DRF/Grenoble/IRIG, 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/DRF/Saclay, 10/2005

Ultra-hautes intensités laser

Accélérateur de particules par onde plasma : le plasma peut être parcouru, en particulier, par des ondes longitudinales animées par les électrons seuls, les ions restant fixes. Ces ondes plasma 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 accéléré par le 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. Une telle onde plasma peut être créée dans le sillage d’une impulsion laser : c’est le concept d’accélérateur de particules par plasma. Si l’onde se ralentit telle la houle près de la plage (ou bien si l’onde est amplifiée par une impulsion laser), 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, CEA/DRF/Saclay/LIDyL and Palaiseau/LOA

Accélération de protons : simulation numérique d’une impulsion laser brève (150 fs) d’éclairement très élevé (7 1019 W/cm²) éclairant un plasma d’hydrogène de 5 mm d’épaisseur (densité 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 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 0.12 MeV. L’impulsion laser pousse les ions, tel un piston. Lorsqu’elle s’éteint, les ions les plus intérieurs de la cible restent immobiles et les autres constituent un jet monocinétique qui traverse le reste de la cible.

Crédit : G. Bonnaud – CEA/INSTN, Saclay 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 : Eclairée par une impulsion laser ultra-intense (au-delà de 1019 W/cm²), une cible solide est instantanément ionisée et devient un plasma dont les électrons vont réfléchir l’impulsion laser. Mais ce miroir électronique oscille sous l’effet du champ lase, ce qui par effet Doppler déforme, à chaque cycle optique, le champ réfléchi. Son spectre est élargi vers l’X-UV via des harmoniques d’ordre élevé (image bas). Dans le même temps, une partie des électrons du plasma est éjectée à énergie relativiste (image haut, plusieurs dizaines de MeV) vers le vide sur le bord du faisceau réfléchi (image gauche). Ces miroirs-plasma rendent possible la génération, à la fois, de sources XUV intenses, et de faisceaux d’électrons très énergétiques. Ce système est particulièrement intéressant pour sonder la matière de deux manières différentes et de façon synchronisée.

Crédit : CEA/DRF/Saclay/LIDyL

Astrophysique relativiste de laboratoire : Collision  de jets électron-positron créés  par laser : Simulation particle-in-cell de la collision de deux jets e e+ (de facteur de Lorentz γ≃500) issus de cibles solides micrométriques irradiées à des éclairements laser de 1024 Wcm-2. Une instabilité de filamentation électromagnétique est induite, qui ralentit et thermalise les jets incidents, notamment sous l’effet d’un fort rayonnement synchrotron. (a) Principe de l’expérience ; (b) densité des positrons 1021  cm-3] venant de la gauche ; (c) champ magnétique quasi-statique 104 T.

Crédit : L. Gremillet – CEA/DAM/DPTA

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

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 dépasser le terawatt (atteint en 1990), pour atteindre actuellement le petawatt, via des compresseurs optiques, consistant en réseaux optiques, permettant de raccourcir la durée des impulsions lumineuses d’un facteur 105 (de la nanoseconde à la dizaine de femtoseconde) et élève d’autant la puissance délivrée. Comme illustration le laser UHI10 devenu UHI100 du CEA/Saclay.

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

Phare attoseconde : dans les impulsions lumineuses ultra-intenses, la dynamique des électrons est relativiste. Comme illustration extraite de simulations, une cible solide éclairée devient un plasma dense, qui réfléchit l’impulsion laser incidente et génère un spectre d’harmoniques du laser incident conduisant donc à un train d’impulsions attosecondes. Le miroir plasma (en bas) se courbe 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’impulsions, plus adaptée aux expériences résolues en temps, nous avons mis en forme le profil spatio-temporel incident laser (en haut à gauche) pour que les fronts d’onde tournent dans le temps et génèrent des impulsions attosecondes dans des directions différentes (en haut à droite montrant le spectre du champ réfléchi). Cette source de lumière ultra-brève X-UV constitue l’un des trois piliers du projet européen Extreme Light Infrastructure et une ligne laser est actuellement en construction en Hongrie.

Crédit : CEA/Saclay/LIDyL, Groupe Physique à Haute Intensité (PHI) de F. Quéré

Plasma de laser X : plasma produit, sur la plateforme LASERIX, à partir d’une cible de molybdène irradiée par laser à la cadence de 10 Hz. La lumière bleue correspond à l’émission incohérente du plasma qui sert à faire les alignements. Ce type de plasma permet une émission d’une picoseconde dans les X durs, à la longueur d’onde 18,9 nm (photons d’énergie 70 eV). Chaque impulsion laser X renferme 1 microjoule. Ce type de source X est utilisé pour des expériences pompe-sonde résolues à l’échelle picoseconde, voire femtoseconde, pour, comme exemple, diagnostiquer des plasmas chauds. La plate-forme est ouverte pour des travaux pratiques de niveau master.

Crédit : S. Kazamias, IJC Lab – Orsay, responsable pédagogique du M2 GI-PLATO pour l’Université Paris Saclay.

Plateforme LASERIX : elle utilise des impulsions laser de 60 TW et est dédiée à l’interaction laser/plasma à haute intensité pour la production de sources secondaires en régime femtoseconde : faisceaux de rayons X ou bien faisceaux d’électrons. Le banc optique présenté rassemble un amplificateur avec un cristal de type Titane-Saphir (au milieu, avec une lueur rougeâtre). Le pompage de l’amplificateur se fait par un laser YAG de pompe doublé en fréquence, d’où la lumière verte.

Crédit : S. Kazamias, IJC Lab – Orsay, responsable scientifique de la plateforme.

 

Production de faisceaux de paires électron-positron par laser ultra-intense : Les figures montrent les résultats d’une simulation particle-in-cell de l’interaction d’une impulsion laser de durée 30 fs, d’éclairement 1024 Wcm-2 avec une feuille de 1 μm d’aluminium (avec un pré-plasma de 3 μm) : évolution du champ laser (Ey), de la densité ionique (ni) et de la densité de positrons (n+). Les positrons sont créés en deux temps : l’émission synchrotron des électrons relativistes oscillant dans le champ laser produit un grand nombre de photons γ (emportant jusqu’à 50% de l’énergie laser), qui, via le mécanisme de Breit-Wheeler, se convertissent en paires e e+ par interaction avec le même champ électromagnétique.

Crédit : L. Gremillet – CEA/DAM/DPTA