Chapitre 1 Contexte de l’étude
1.4 Chaînes réactionnelles pour la création de plasmas froids hors-équilibre par
1.4.1 Généralités sur les plasmas
Inventé en 1928 par le physicien Américain Irving Langmuir [19], le terme plasma a d’abord été introduit pour désigner, dans les tubes à décharges, certaines régions équipotentielles contenant un gaz ionisé électriquement neutre [20]. Plus précisément, il s’agit d’un gaz transportant des espèces chimiques lourdes (neutres, métastables, ions), des électrons et des photons, de telle sorte que la densité des espèces chargées positivement soit égale à la densité des espèces chargées négativement (n+ = n-). Le plasma peut être partiellement ou totalement ionisé, industriel ou naturel.
En partant d’une matière à l’état solide et en augmentant la température environnante, le gaz ionisé fait suite aux états : solide, liquide et gazeux. Il constitue ainsi le quatrième état de la matière comme le montre la Figure 1-16.
Figure 1-16 : Les quatre états de la matière obtenus en chauffant un solide
Les gaz ionisés sont très répandus dans l’univers. On les trouve par exemple dans les aurores boréales, le vent solaire, la foudre ou encore les étoiles (au cœur desquelles résident des plasmas chauds où les espèces chargées positivement sont des protons). La lumière émise lors de ces phénomènes naturels est due à l’émission de photons par les espèces du plasma neutres et ioniques sur des niveaux excitées radiatifs. Il existe aussi des plasmas créés artificiellement, pouvant faire partie par exemple des objets du quotidien, tels que les tubes d’éclairage fluorescents et les écrans plasma des téléviseurs. Le développement de la micro- électronique et de tous les objets modernes qui en découle n’a été possible que grâce à la mise au point de réacteurs plasmas pour la gravure et le dépôt.
Les plasmas sont souvent classés en fonction de leur température et leur degré d’ionisation. Ces principales caractéristiques sont définies dans les prochains paragraphes.
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1.4.1.1 Classification par la température
Il existe deux catégories de plasmas qui se distinguent en fonction de leur température : Les « plasmas chauds » et les « plasmas froids » eux-même scindés en deux sous catégories, thermiques et non-thermiques.
Les plasmas chauds : Il s’agit de milieux fortement ionisés et dont la température des
espèces chargées positivement (ions ou protons) et des électrons est supérieure à 106 K. Ces conditions thermodynamiques sont produites, par exemple, dans le soleil et sont gouvernées par les réactions de fusion.
Aujourd’hui, de nombreuses études portent sur la production de plasmas chauds en laboratoire par constriction magnétique (Z-pinch), fusion inertielle (par concentration de faisceaux LASER sur une cible) ou confinement magnétique (dans les Tokamaks).
Les plasmas froids : Il existe deux catégories de plasmas froids : les plasmas
thermiques (plasmas à l’équilibre thermodynamique) et les plasmas hors-équilibre.
L’état d’équilibre thermodynamique du plasma est atteint lorsque toutes les espèces qui le composent ont la même température de l’ordre de 104 à 105 K. Lorsque cet état est établi, le principe de réversibilité des réactions est vérifié. C’est-à-dire que chaque processus collisionnel est compensé par le processus inverse (A + B ⇄ C + D). La constante d’équilibre 𝑘𝑒𝑞 est obtenue par le rapport des coefficients de réaction direct 𝑘𝑑 et inverse 𝑘𝑖 (𝑘𝑒𝑞= 𝑘𝑑
𝑘𝑖).
En ce qui concerne les plasmas hors équilibre, la température des électrons (104 à 105 K) est beaucoup plus élevée que celle des espèces lourdes (espèces neutres, excitées,
ioniques) qui restent à la température ambiante. Ce type de plasma correspond aux plasmas
étudiés au sein du laboratoire PRHE (Plasmas Réactifs Hors Equilibre) du laboratoire Laplace à Toulouse.
1.4.1.2 Classification par le degré d’ionisation
La détermination du degré d’ionisation du plasma nécessite la connaissance de la densité des espèces chargées 𝑛𝑐 et de la densité totale 𝑛𝑐+ 𝑛0 (chargées + neutres). Le degré d’ionisation est donné par l’équation 1- 6:
𝛼 = 𝑛𝑐
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Avec 𝑛𝑐 la densité des espèces chargées et 𝑛0 la densité des neutres.
- Si 𝛼 < 10-4 : le plasma est faiblement ionisé (flamme, tube d’éclairage, …).
- Si 𝛼 > 10-4 : le plasma est fortement ionisé (vent solaire, couronne solaire, arc-
électrique,…).
- Si 𝛼 = 1 : le plasma est totalement ionisé (plasmas créés par laser,…).
Le degré d’ionisation du plasma peut être aussi déterminé par les fréquences de collision entre les électrons et les particules lourdes présentes dans le milieu. Le paragraphe 1.4.1.3 est consacré à la classification des plasmas à partir des fréquences de collision.
1.4.1.3 Classification par les fréquences de collision
Les fréquences de collision électrons-neutres, électrons-ions et électrons-électrons sont notées respectivement 𝜈𝑒0, 𝜈𝑒𝑖 et 𝜈𝑒𝑒. La classification du plasma par ses fréquences de collision est la suivante :
- Plasma faiblement ionisé : 𝜈𝑒0 ≫ {𝜈𝜈𝑒𝑖 𝑒𝑒 - Plasma fortement ionisé : 𝜈𝑒0 ≪ {
𝜈𝑒𝑖 𝜈𝑒𝑒 - Plasma complètement ionisé : 𝜈𝑒0 = 0
Ces fréquences de collision sont calculées à partir de l’équation 1- 7 lorsque l’énergie cinétique des électrons est supérieure à celle des lourds:
𝜈𝑒𝑘(𝜀̅ ) = 𝑛𝑒 𝑘√( 2
𝑚𝑒) ∫ 𝜎𝑒𝑘(𝜀𝑒)√𝜀𝑒
𝑑𝑓
𝑑𝜀𝑒(𝜀̅𝑒, 𝜀𝑒) 𝑑𝜀𝑒 Eq. 1- 7 𝜈𝑒𝑘 est la fréquence de collision entre les électrons et l’espèce 𝑘 en fonction de l’énergie moyenne des électrons 𝜀̅ . 𝑛𝑒 𝑘 est la densité de l’espèce 𝑘, 𝑚𝑒 est la masse de l’électron. 𝜎𝑒𝑘(𝜀𝑒) est la section efficace de la collision en fonction de l’énergie cinétique des électrons 𝜀𝑒 et représente la probabilité d’occurrence de la collision.
𝑑𝑓
𝑑𝜀𝑒(𝜀̅𝑒, 𝜀𝑒) est la fonction de distribution en énergie des électrons.
Les équations 1- 6 et 1- 7 montrent respectivement que la densité électronique (au travers de 𝑛𝑐) et la température électronique (au travers de l’énergie moyenne 𝜀̅ ) sont des 𝑒 paramètres importants pour la caractérisation des plasmas.
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La Figure 1-17 regroupe différents plasmas en fonction de leur température électronique 𝑇𝑒 et leur densité électronique 𝑛𝑒. A titre indicatif la température du cœur du soleil est environ 100 000 fois supérieure à celle des flammes.
Figure 1-17 : Diagramme de classification des plasmas en fonction de la densité électronique et de la température électronique
La suite du chapitre est consacrée au plasma froid hors équilibre étudié dans le cadre de cette thèse.