Du rayonnement X à la formation d’un plasma froid hors équilibre

dioxygène O2) à la pression atmosphérique et température ambiante. La pression de l’air et son degré d’humidité sont des paramètres qui varieront dans la suite de l’étude.

La génération du plasma est le résultat de l’irradiation du gaz par des rayons X « durs » c’est-à-dire très énergétiques. La Figure 1-18 représente le spectre énergétique des photons incidents, générés par la machine ASTERIX8 du CEA-Gramat. Compte tenu des énergies des photons, ces derniers transfèrent principalement leur énergie par collision Compton (voir Figures 1-11 et 1-12).

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Figure 1-18 : Spectre en énergie des photons

L’irradiation du gaz par les rayons X génère deux populations d’électrons Compton : Relativistes et non relativistes. Le seuil énergétique qui permet de les différentier est 511 keV. Il s’agit de l’énergie des électrons au repos, qui est le produit de leur masse par la célérité de la lumière au carré (𝑚_𝑒𝑐2_{). Le faisceau dirigé d’électrons Compton relativistes génère par} collisions ionisantes des électrons secondaires de plus faible énergie. Ces électrons secondaires et les électrons Compton non relativistes, compte tenu de leur énergie, favorisent la formation du plasma d’air hors équilibre. En effet, la Figure 1-15 montre clairement que la section efficace d’ionisation présente une amplitude beaucoup plus forte entre 15 et 1000 eV. La Figure 1-19 résume la chaîne de réaction conduisant à la formation du plasma à partir d’un rayonnement X.

Figure 1-19 : Chaîne de réactions conduisant au plasma

𝑆_𝐶>(𝑡) et 𝑆_𝐶<(𝑡) sont respectivement les termes sources de densité d’électrons Compton relativistes et non relativistes. 𝑊_𝐶>(𝑡) et 𝑊_𝐶<(𝑡) ) sont respectivement les termes sources de densité d’énergie des électrons Compton relativistes et non relativistes. 𝑆(𝑡) et

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𝑊(𝑡) sont les termes sources de densité et de densité d’énergie des électrons secondaires issus de l’ionisation du gaz par les électrons Compton relativistes. Ces différents termes sources seront explicités par la suite (voir Chapitre 2, paragraphes 2.3.1 et 2.3.2).

L’irradiation du gaz par les X entraîne ainsi la formation de nouvelles espèces chimiques qui constituent ainsi le plasma obtenu. Les espèces réactives considérées dans notre étude sont les suivantes :

- Les photons, - Les électrons,

- Les neutres à l’état fondamental,

- Les ions chargés positivement et négativement,

- Certains états métastables dans le cas où ils auraient une influence sur la densité électronique qui est un paramètre très important dans ce travail.

Les principales collisions reliant toutes ces espèces vont être explicitées dans la suite de ce chapitre.

Aux collisions photoniques et électroniques déjà décrites dans le paragraphe 1.3 s’ajoutent les réactions entre particules lourdes. Les processus réactionnels entre les espèces lourdes ont lieu tout au long de l’évolution du plasma, car il s’agit de réactions sans seuil énergétique. Ces processus sont définis dans les prochains paragraphes.

1.4.2.1 Processus à l’origine de la création d’électrons ou de photons

Les particules lourdes peuvent produire des électrons par les processus de détachements électroniques et d’ionisation Penning. Elles peuvent aussi produire des photons par association radiative.

 Détachement électronique :

Il s’agit de l’interaction entre un ion négatif et une espèce neutre. L’ion perd sa charge négative par le détachement d’un électron. Les deux réactions ci-dessous (R.1 et R.2) représentent les processus de détachement électronique les plus répandus avec l’oxygène. Dans la réaction R.1 « M » représente soit la molécule N2 soit la molécule O2. Lors de la réaction R.2, il y a association des deux atomes d’oxygène pour former O2.

38 O- _{+ O → e}- _{+ O}

2 R.2

 Ionisation Penning :

Il s’agit d’un processus d’ionisation par le biais de l’interaction de deux métastables. Il y a association des métastables pour former un ion accompagné de l’émission d’un électron. Pour le type de plasma généré, les métastables qui participent activement à la formation d’électrons sont N2 (A 3∑+u) et N2 (a1∏g). Les réactions R.3 et R.4 représentent l’ionisation Penning mettant en jeu ces métastables.

N2 (A 3∑+u) + N2 (a1∏g) → N4+ + e- R.3 N2 (a1∏g) + N2 (a1∏g) → N4+ + e- R.4  Association radiative :

Il s’agit de l’association d’un ion et d’une espèce neutre pour former une nouvelle espèce ionique avec émission d’un photon. Dans le cadre de ce travail, deux réactions d’association ont été considérées et sont représentées par les réactions R.5 et R.6.

N + N+ → γ + N2+ R.5

O + O+ → γ + O2+ R.6

Le paragraphe 1.4.2.2 représente les autres types de collisions qui ont lieu entre les espèces lourdes.

1.4.2.2 Processus de transfert de charge et recombinaison

 Transfert de charge :

Lors de l’interaction entre une espèce ionique et une espèce neutre, il peut y avoir un transfert de charge générant ainsi la consommation des espèces initiales (réactifs) pour former les nouvelles espèces (produits). La réaction R.7 représente un exemple de transfert de charge entre l’ion O+ _{et l’azote moléculaire N}

2.

O+ + N2 → O + N2+ R.7

 Recombinaison entre ion positif et ion négatif :

Les charges de signe opposé s’attirent, par conséquent l’interaction entre deux ions de charge opposée neutralise les espèces mise en jeu. A titre d’exemple, la réaction R.8

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représente une recombinaison possible entre l’ion N2+ et l’ion O-. Les ions sont consommés pour former des espèces neutres.

N2+ + O- → N2 + O R.8

 Recombinaison entre espèces métastables et neutres:

La réaction R.9 représente une des recombinaisons possible entre le métastable N2 (A 3∑+u) et la molécule N2.

N2 (A 3∑+u) + N2 → N2 + N2 R.9  Recombinaison entre espèces neutres:

Lors de l’interaction entre espèces neutres, de nouvelles espèces peuvent être créées comme le montre l’exemple ci-dessous :

O + O + N2 → O2 + N2 R.10

Les réactions de transfert de charge et de recombinaison peuvent également conduire à la dissociation ou l’association des espèces mises en jeu.

Les différents types de processus collisionnels étudiés dans ce chapitre régissent la formation, la recombinaison et la relaxation du plasma froid d’air hors-équilibre générées par les rayons X.