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PLASMAS DENSES A FORTE CORRÉLATION
PRODUITS PAR EXPLOSION DE FILAMENT
GAZEUX IONISÉ
M. Skowronek, P. Romeas, V. Gia
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JOURNAL DE PHYSIQUE Colloque Cl, supplément au n° 5, Tome 39, Mai 1978, page Cl-259
PLASMAS DENSES A FORTE CORRÉLATION
PRODUITS PAR EXPLOSION DE FILAMENT GAZEUX IONISÉ
M. SKOWRONEK, P. ROMEAS et V. T. GIA « Plasmas Denses », T. 12, E 5e, Université Pierre et Marie Curie,
4, place Jussieu, 75230 Paris Cedex 05, France
Résumé. — Une décharge impulsive intense est injectée dans un filament gazeux ionisé afin
d'échauffer le plus petit volume de gaz possible en utilisant un confinement inertiel et magnétique. Les mesures optiques et électriques permettent d'étudier la décharge au cours de son expansion. Au temps t = 300 ns (par exemple) le diamètre de la décharge est 2 mm, la densité de courant 1,7 MA/cm2. La pression dynamique est de quelques kbars et la pression magnétique de 1,6 kbar.
La densité électronique sur l'axe est 1019 cm- 3 et la température 1 keV. La couche mince de 5 n
superficielle est à 10 eV et 1021cmr3.
Ces deux plasmas très différents sont également à forte corrélation : le plasma superficiel par suite du petit nombre de particules dans la sphère de Debye et le plasma axial par suite des ins-tabilités et de la turbulence qui y régnent.
Abstract. — An intense impulsive discharge is fed through an ionized gaseous filament with the
purpose to heat the smallest volume of plasma ; we use an inertial and a magnetic confinement. The optical and electrical measurements allow us to study the discharge during its expansion.
At the time / = 300 ns (as an exemple) the discharge diameter is 2 mm and the current density reaches 1.7 MA/cm2. The dynamic pressure is about a few kilobars, and the magnetic pressure is
1.6 kbar. On the axis, the electron density is about 1019 cm- 3 and the temperature 1 keV. The thin
peripheral sheet has Ms = 1021 cm- 3 and T = 10 eV.
These two plasmas are very different, but both are strongly coupled plasmas : the surface one because of the little number of particles in Debye Sphere, and the core plasma because of the insta-bilities and the turbulences which occur in it.
1. Introduction. — Sur le plan expérimental,
plu-sieurs méthodes sont utilisées pour produire des plas-mas denses et chauds avec pour perspective des applications du type : générateurs M. H. D., propul-sion spatiale, fupropul-sion thermonucléaire contrôlée, et l'on prévoit que l'état de plasma dense constituera le fluide de travail, ou sera rencontré au cours d'une compres-sion. Les deux problèmes à résoudre concernent le confinement et le chauffage. Dans les plasmas créés par laser, on utilise un confinement inertiel et l'em-prisonnement du rayonnement [1]. Dans les plasmas du type Focus le confinement est magnétique et le chauffage ohmique [2]. Les expériences de fil explosé qui se rapprochent de la méthode que nous avons utilisée, présentent des problèmes liés à la liquéfaction et à la volatilisation du matériau. Pour les éviter, nous créons une colonne de faible diamètre, de gaz ionisé, dans laquelle nous déchargeons une batterie de condensateurs. Nous échauffons par effet Joule, le plus petit volume de gaz possible, en utilisant l'inertie du milieu ambiant et même la pression magnétique. Le rayonnement se trouve également emprisonné dans la décharge et favorise la surchauffe [3].
Nous pensons que les différents types de plasma que nous avons évoqués ci-dessus, sont également à
forte corrélation. Les uns sont en équilibre thermique avec un nombre de particules dans la sphère de Debye inférieur ou voisin de l'unité, l'énergie ciné-tique des particules est du même ordre que l'énergie d'interaction coulombienne ; les autres sont hors d'équilibre, ils présentent de forts gradients et sont parcourus par d'énormes densités de courant ; ils sont soumis à des microturbulences et sont alors à nouveau à forte corrélation [4].
2. Dispositif expérimental. — Dans l'air, à la pression atmosphérique, nous établissons un filament stable de gaz ionisé en utilisant la transition couronne-arc entre pointes fines. Ce filament d'un diamètre de 10 à 20 |xm est parcouru par un courant de 10 uA. Un éclateur rapide sous SF6 permet de commuter en
20 ns dans le canal une énergie de 8 kJ contenue dans un banc de condensateurs. La pseudo-période est de 3,8 us, ce qui correspond à une inductance totale de 140 nH.
La mesure du courant de décharge se fait par une bobine de Rogowski de 10 ns de temps de montée. L'expansion du canal de décharge est enregistrée avec une caméra à miroir tournant. La vitesse d'ex-pansion est de 4 km/s pendant 3 ou 4 us. Par
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pie, on peut mettre en évidence l'onde de choc intense se propageant à Mach 12 en avant du front de décharge.
Nous mesurons la luminance spectrale d'une petite portion de la surface de la décharge, du proche infra- rouge au proche ultra-violet. La lumière émise donne des renseignements sur la couche pelliculaire externe, dont l'opacité a été vérifiée à plusieurs reprises 151. Les mesures électriques fournissent des renseigne- ments sur le cœur de la décharge.
3. Caractéristiques du plasma pellicuiaire. - Nous mesurons la température de luminance, à chaque ins- tant de la décharge, pour un grand nombre de lon- gueurs d'onde. Nous observons des variations que nous attribuons à des variations d'émissivité spectrale. La baisse dans l'infra-rouge proche est due à la fréquence de plasma, celle de 1'U. V. est liée à I'épais- seur du plasma.
Le tableau 1, ci-dessous, donne les caractéristiques du plasma de la gaine, déduites des mesures de lumi- nance, à l'instant : t = 300 ns.
T
Epaisseur F. collisions F. plasmaCe plasma est donc très dense, à très forte corré- lation. 11 permet la surchauffe du cœur par empri- sonnement du rayonnement. Il sera intéressant d'étu- dier avec précision le mécanisme de ce rayonnement qui ne peut s'expliquer en terme de Bremstrahlung. 4. Caractéristiques du plasma axial. - L'analyse de la première arche de courant montre que le premier maximum de courant 305 kA est atteint en 1,l ps et que la variation de résistance de la décharge est res- ponsable de l'écart avec la sinusoïde traditionnelle. Il est aisé de déterminer la résistance. Nous avons vérifié que l'évolution de la résistance de la décharge suit la loi de Weizel-Rompe [6].
Nous pouvons déterminer la densité d'énergie déli- vrée à chaque instant au canal de décharge. La figure 1 reproduit les valeurs calculées pour la décharge étu- diée. A titre comparatif sont indiquées les valeurs pour une décharge du même type mais ayant un temps de montée plus long (I,,,,, = 185 kA en 4,4 ps). L'effi- cacité d'une injection rapide de l'énergie est ainsi démontrée.
Connaissant la densité d'énergie, il est nécessaire de faire une hypothèse sur la densité électronique pour
a : ~ é c h a r ~ e I e n t e x : D é c h a r g e rdpide
FIG. 1.
-
Diagrammes de Weizel-Rompe.avoir l'ordre de grandeur de la température. Partant d'une densité initiale de 2,7 x 10'' cm-3 et compte tenu de la gaine à haute densité, il est raisonnable de supposer que la densité reste de l'ordre de 1019 cm-3, ce qui détermine une température de l'ordre de 1 keV. Le même résultat est obtenu en écrivant l'égalité des pressions dans la gaine et le cœur.
Il nous est également possible de déterminer la conductivité moyenne de la colonne de plasma. Cette conductivité est de l'ordre de 300 à 500
IR-'
cm-'.L'application de la formule de Spitzer avec Z = 6 nous donne 1,4 x IO5 Q-' cm-'. 11 est à remarquer que cette formule ne s'applique qu'aux plasmas en équilibre. Dans de nombreux cas, le plasma se trouve hors d'équilibre. Pour les plasmas créés par laser, des gradients importants créent des microturbulences qui génèrent des champs électriques et magnétiques intenses. Dans les Tokamak, c'est le courant qui est
à l'origine des turbulences du type faisceau-plasma. La même raison est invoquée pour l'expérience Focus. Le rôle de ces turbulences revient à exciter des ins- tabilités à la fréquence de plasma. Les théoriciens qui ont étudié ce mécanisme remplacent donc la fréquence de collisions binaire, par la fréquence de plasma, un phénomène collectif en tant que rythme d'échange de l'énergie [7]. On doit donc trouver une conductivité proportionnelle à
Jn.
Hamberger a vérifié ces hypo- thèses et a mesuré à T = 10 keV et Ne = 1013 cm-3 la valeur de 3,1 Cld1 cm-' [8].Dans le cas de notre décharge, la densité de courant supérieure au MA/cm2 provoque une dérive sensible des électrons par rapport aux ions. On trouve une vitesse de dérive de 106 cm/s qui n'est pas négligeable devant la vitesse thermique des ions de IO7 cmls. 11 paraît donc probable que le plasma axial est le siège de microturbulences liées à des instabilités à la fré- quence de plasma.
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d'un ordre de grandeur, un terme correctif doit s'in- troduire.
Dans un article récent Ichimaru [4] a développé l'idée que l'on pouvait traiter par une théorie unifiée les plasmas fortement corrélés (au sens usuel du terme) et les plasmas fortement turbulents.
On caractérise les plasmas par le paramètre
Eci,, = nkT est l'énergie cinétique des particules.
E,,,, : représente l'énergie liée aux corrélations (usuellement les interactions coulombiennes).
Dans un plasma turbulent, il y a modification des trajectoires individuelles par l'action des champs fluc- tuants. Les instabilités se développant d'une manière non linéaire, ont l'effet d'une viscosité renforcée du milieu.
L'interaction effective entre particules est donc modifiée. Le développement de la fonction de corré- lation de paires suivant y fait apparaître un terme d'ordre zéro qui persiste donc même lorsque y -t O.
Le paramètre y effectif qu'on peut faire intervenir raccorde donc les deux domaines plasmas turbulents et plasmas fortement corrélés.
5. Conclusion. - L'explosion d'un filament gazeux
ionisé a été analysée optiquement et électriquement. Au temps t = 300 ns la colonne de décharge présente deux zones bien distinctes :
a) une gaine externe d'épaisseur faible et très dense. Avec comme paramètres T = 10 eV et
Ne = 10'' ce plasma est fortement corrélé. Le mécanisme de son rayonnement est intéressant à
étudier ;
6) la zone axiale à haute température (1 keV) et de densité plus faible (Ne = 10'' cm-3) est soumise
à des microturbulences dues à la forte densité de courant (1,7 MA/cm2).
Ces deux types de plasma sont, selon la théorie uni- fiée d'Ichimaru, à forte'corrélation. Cette remarque s'applique d'ailleurs à l'ensemble des plasmas traités dans le colloque J.
Bibliographie
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