Physique des plasmas

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En pratique : Quelles sources sont attendues ? Comment ajouter mes sources ?

La physique des plasmas est la branche de la physique qui etudie les proprietes, la dynamique et les applications des plasmas . Un plasma est une phase de la matiere constituee de particules chargees, d' ions et d' electrons ^[
1
]. La physique des plasmas, tout comme la physique des liquides et des gaz, n'est pas un domaine de la physique a part entiere. Elle est multi-branche, c'est-a-dire qu'elle reunit, utilise et approfondit les concepts fondamentaux d'autres branches de la physique ( physique atomique , physique quantique , physique statistique , mecanique des fluides , chimie physique , etc. ) pour l'adapter au probleme complexe par nature de l'etude d'un ensemble disparate de particules chargees et non chargees soumises a divers champs de force. La chimie y tient egalement une part importante.

La transformation d'un gaz en plasma (gaz ionise) ne s'effectue pas a temperature constante pour une pression donnee, avec une chaleur latente de changement d'etat, comme pour les autres etats ; mais il s'agit d'une transformation progressive. Lorsqu'un gaz est suffisamment chauffe, les electrons des couches exterieures peuvent etre arraches lors des collisions entre particules, ce qui forme le plasma. Globalement neutre, la presence de particules chargees donne naissance a des comportements inexistants dans les fluides classiques, en presence d'un champ electromagnetique par exemple.

Un plasma peut egalement se former a basse temperature si la source d'ionisation lui est exterieure. C'est le cas de l' ionosphere , cette couche elevee de l'atmosphere terrestre qui, bien que froide, subit en permanence un intense bombardement ionisant de particules venant du soleil. Les aurores polaires sont l'une des manifestations de ce plasma.

Cet etat est le plus repandu dans l' univers , on le trouve notamment dans les etoiles , les nebuleuses, le milieu interstellaire et aussi l' ionosphere terrestre. A une autre echelle, on trouve egalement des plasmas dans les tubes fluorescents , les propulseurs spatiaux , et certains reacteurs chimiques . Ils sont couramment utilises dans l'industrie notamment en microelectronique et en traitement des materiaux.

Introduction [ modifier | modifier le code ]

Description [ modifier | modifier le code ]

Article detaille : Etat plasma .

Le plasma, tout comme le solide , le liquide , ou le gaz , est un etat de la matiere . Il n'est visible sur Terre qu'a tres haute temperature, quand l'energie est telle qu'elle reussit a arracher des electrons aux atomes. On observe alors ce qu'il est convenu d'appeler une sorte de ≪ soupe ≫ d'electrons extremement actifs dans laquelle ≪ baignent ≫ des noyaux d'atomes.

Le terme plasma, appele aussi ≪ quatrieme etat de la matiere ≫, a ete utilise en physique pour la premiere fois par le physicien americain Irving Langmuir en 1928 par analogie avec le plasma sanguin auquel ce phenomene s’apparente visuellement.

Dans les conditions usuelles, un milieu gazeux ne permet pas la conduction de l’electricite. Lorsque ce milieu est soumis a un champ electrique faible, un gaz pur est considere comme un isolant parfait, car il ne contient aucune particule chargee libre (electrons ou ions positifs). Les electrons libres et les ions positifs peuvent apparaitre si on soumet le gaz a un champ electrique de forte intensite ou a des temperatures suffisamment elevees, si on le bombarde de particules ou s’il est soumis a un champ electromagnetique tres intense.

Lorsque l’ionisation est assez importante pour que le nombre d’electrons par unite de volume soit comparable a celui des molecules neutres, le gaz devient alors un fluide tres conducteur qu’on appelle plasma. Il est important de noter que ce qui distingue un milieu plasma, d'un milieu ionise, est sa neutralite macroscopique.

A l’origine, un plasma designait un gaz ionise globalement neutre, puis cette definition a ete etendue aux gaz partiellement ionises dont le comportement differe de celui d’un gaz neutre. Aujourd'hui, on parle de plasma lorsque la matiere que l'on observe contient un grand nombre de particules de natures differentes qui peuvent interagir entre elles et avec l'environnement : c'est une soupe d' electrons , cations , anions , atomes neutres, agregats ( clusters ), etc.

Pour caracteriser un plasma, il faut tenir compte du nombre d’especes presentes et de leurs differents etats de charge, puis etudier l’evolution de la densite, de la temperature et de la fonction de distribution dans l’espace et en vitesse, ce pour toutes les reactions susceptibles de se produire, qu’elles soient chimiques ou nucleaires , sans oublier les collisions qui peuvent avoir lieu. Si les processus de recombinaison entre electrons et ions n’equilibrent pas le processus d’ionisation, le plasma est dit hors d’equilibre thermodynamique. L’etude complete de tous les phenomenes apparaissant dans un plasma est a ce jour impossible, il en resulte une simplification initiale necessaire a la distinction et au classement des plasmas.

La physique des plasmas s'interesse aussi a la dynamique des faisceaux d'electrons, de protons , d' ions lourds : les plasmas non neutres. On peut citer entre autres le travail accompli par des physiciens theoriciens sur les plasmas de quarks et de gluons ^{[
ref.
souhaitee]}. La definition physique du mot plasma ainsi etendue est la suivante : ensemble de particules suffisamment excitees pour ne pas pouvoir se combiner de maniere stable et former les particules qui sont observees dans l'etat fondamental.

Pour distinguer ces definitions, le plasma dit de matiere est constitue d'electrons et d'ions incapables de former des atomes tandis que le plasma de quarks appele plasma quark-gluon est forme des quarks incapables de se combiner pour former des neutrons, protons, etc. Un plasma de neutrons et protons est observe lorsque ces particules sont trop excitees pour former des ions.

Cependant, il ne sera question que de plasmas a base d'atomes dans la suite de cet article.

Exemples [ modifier | modifier le code ]

Les plasmas sont extremement repandus dans l' Univers puisqu'ils representent plus de 99 % de la matiere connue. Toutefois, ils passent presque inapercus dans notre environnement proche, ≪ la Terre ≫, etant donne leur nature incompatible avec les conditions necessaires a la vie terrestre.

Ainsi on peut distinguer les plasmas naturels et les plasmas artificiels (crees par l'homme) :

les plasmas naturels :

les etoiles , nebuleuses gazeuses, quasar, pulsar ;
les aurores boreales ;
les eclairs ;
l' ionosphere ;
le vent solaire ;

les plasmas artificiels :

dans les televiseurs ;
les decharges (comme dans un disjoncteur a haute-tension ), ou tube a decharges (lampes, ecrans, torche de decoupe, production de rayon X ) ;
les plasmas de traitement pour depot, gravure, modification de surface ou dopage par implantation ionique ;
la propulsion par plasmas ;
la fusion nucleaire (voir aussi Tokamak , Stellarator et Z-pinch ) ;
et de nombreuses autres applications qui ne sont encore que des experiences de laboratoire ou des prototypes ( radar , amelioration de combustion, traitement des dechets , sterilisation, etc. ).

Physique [ modifier | modifier le code ]

Comme un plasma est une assemblee de particules differentes en interaction, il est de maniere generale difficile de le caracteriser. Supposons que le plasma contienne X especes, incluant les differents etats de charge d'un meme atome (ou molecule ou agregat …), il faut pour completement le decrire, etudier l'evolution de la densite , de la temperature , de la fonction de distribution dans l'espace et en vitesse de chaque espece, au cours de toutes les reactions chimiques, nucleaires, ou collisions qui peuvent avoir lieu. C'est une tache quasiment impossible, car meme si on peut ecrire des equations reliant toutes ces donnees, il est souvent impossible de les resoudre, meme numeriquement, avec les moyens informatiques actuels.
Pour simplifier, des le depart, le(s) probleme(s), on repartit les plasmas en plusieurs categories. Dans chaque categorie les plasmas vont avoir un certain type de comportement propre. Pour construire ces categories, il faut definir differents parametres comme suit.

Temperature des especes (≪ plasma chaud ≫, ≪ plasma froid ≫) [ modifier | modifier le code ]

Un plasma, du fait qu'il contient des especes ionisees, contient aussi des electrons libres (par neutralite globale du plasma, exception faite des faisceaux de particules). Les electrons ont une masse 2 000 fois plus faible que les ions (le rapport masse du proton ou du neutron sur masse de l' electron vaut plus exactement 1836), ils ont donc moins d' inertie et sont plus ≪ reactifs ≫. Il est donc plus facile de donner de l'energie aux electrons qu'aux especes plus lourdes, les ions. On va alors scinder les plasmas en deux categories :

≪ plasma froid ≫ aussi appele ≪ plasma non thermique ≫, ≪ plasma bi-temperature ≫ ou encore ≪ plasma hors equilibre ≫ : les electrons ont acquis assez d'energie pour effectuer des reactions par collision avec les autres especes. Les especes neutres et chargees (ions) quant a elles pourront effectuer des reactions chimiques classiques ;
≪ plasma chaud ≫ ou encore ≪ plasma thermique ≫ : les electrons, mais aussi les ions sont assez energetiques pour influencer le comportement du plasma.

Pourquoi cette denomination ? En physique des plasmas, on mesure l' energie cinetique des electrons ou des ions par leur temperature (comme en physique statistique : $E\sim k_{B}T$ , ou $k_{B}$ est la constante de Boltzmann ). Cette denomination fait reference a l'energie des ions.

Dans le cas des ≪ plasmas froids ≫, la temperature (l'energie) des electrons est tres superieure a celle des ions $T_{i}\ll T_{e}$ . Les ions sont consideres comme ≪ froids ≫ et ne pourront faire que des reactions chimiques possibles avec leur energie.
Dans les plasmas chauds, les ions sont ≪ chauds ≫ et donc plus reactifs $T_{i}\sim T_{e}$ .

Cette differenciation scientifique est egalement culturelle :

les plasmas froids peuvent etre etudies en laboratoire. Les scientifiques ont alors acquis un savoir-faire experimental, actuellement largement applique dans les industries (gravure, depots PVD / CVD , etc. ) ;
les plasmas chauds demandent plus d'energie pour leur creation, et les installations qui les produisent sont donc moins nombreuses (car plus couteuses…) et moins accessibles. Le savoir-faire qui s'est developpe est essentiellement theorique, donc plus fondamental.

Diagnostic de temperature des plasmas chauds [ modifier | modifier le code ]

Historiquement, les premieres etudes sur les plasmas chauds se basaient sur les observations astrophysiques , notamment celles relatives au soleil . Pour expliquer l’origine de l’energie des etoiles et de celle du soleil en particulier, le physicien Allemand Hans Bethe imagina, en 1939 , qu’a l’interieur du soleil, la temperature depasse 10 ⁷ K et il s’y deroule un ensemble complexe de reactions de fusion de noyaux legers. Quelques annees plus tard, on decouvrit que la haute atmosphere solaire est egalement un plasma chaud.

La temperature electronique deduite via des analyses par distribution Maxwellienne semblent mesestimee, notamment lorsque les observations sont effectuees sur un plasma caracterise par une distribution Kappa ^[
2
]^,^[
3
].

Autres caracterisations [ modifier | modifier le code ]

Pour caracteriser les plasmas et les phenomenes lies, on utilise differentes notions :

le degre d'ionisation $\alpha$ :

\alpha ={\frac {n_{e}}{n_{e}+n_{n}}}

avec

n_{e}

densite electronique et

n_{n}

densite de neutres.
Si

\alpha \ll 1

, alors le plasma est dit ≪ faiblement ≫ ionise et si

\alpha \approx 1

, alors il est dit ≪ fortement ≫ ionise.
Si on rapproche le degre d'ionisation des interactions particulaires, on pourra aussi classifier selon les memes categories :

un gaz faiblement ionise a des frequences de collision electron-neutre superieures aux frequences de collision electron-ion ou electron-electron,

on utilisera la notation usuelle :

\nu _{e0}\gg \nu _{ee},\nu _{ei}

,

pour un gaz fortement ionise, on a alors :

\nu _{e0}<\nu _{ee},\nu _{ei}

;

le parametre plasma $\Gamma$ :

\Gamma \approx {\frac {<E_{p}>}{<E_{c}>}}\approx {\frac {e^{2}n^{\frac {1}{3}}}{\varepsilon _{0}kT}}

<E_{p}>

represente l' energie potentielle moyenne liee aux interactions coulombiennes.

<E_{c}>

represente l' energie cinetique moyenne liee a l'agitation thermique.

si

\Gamma <1

, le plasma est faiblement correle : il est dit ≪ cinetique ≫.

si

\Gamma >1

, le plasma est fortement correle.

Concepts fondamentaux [ modifier | modifier le code ]

Notion de quasi-neutralite [ modifier | modifier le code ]

Le critere de quasi-neutralite indique qu'un plasma est globalement electriquement neutre, c'est-a-dire qu'il y a autant de charges positives que negatives. Pour un plasma constitue d'une densite d'ions positifs charges une seule fois $n_{i}$ et d'electrons de densite $n_{e}$ , alors on a la relation : $Zn_{i}+n_{e}=0$ . La quasi-neutralite est notamment issue de la conservation de la charge electrique lors des processus d'ionisation. Un plasma sous l'effet des forces de Coulomb ( ${\vec {F}}=q{\vec {E}}$ ) et de Laplace ( ${\vec {F}}=q{\vec {v}}\wedge {\vec {B}}$ ), comme tout systeme dynamique, tend vers une position d' equilibre en minimisant ses forces. On voit rapidement qu'une egalite $Zn_{i}+n_{e}=0$ permet d'atteindre cette stabilite. Seulement cette equation prise telle quelle ne permet pas de resoudre les equations de Maxwell correctement. On considerera alors par exemple le rapport ${\frac {n_{e}-Zn_{i}}{n_{e}+Zn_{i}}}\ll 1$ En fait les etudes sur les plasmas portent souvent sur des perturbations d'une grandeur moyenne. Par exemple si on considere la densite moyenne d'electron ${\bar {n}}_{e}$ . Une perturbation de cette densite sera $n_{e}$ et le plasma sera caracterise par une densite electronique ${\bar {n}}_{e}+n_{e}$ . On posera souvent comme hypothese ${\bar {n}}_{e}\gg n_{e}$

Ecrantage electrique, notion de gaine et frontiere d'un plasma [ modifier | modifier le code ]

Pour se representer une gaine, on etudie un plasma un peu particulier :

il est monodimensionnel (selon un axe x) ;
a l'instant t =0, pour les x<0, on a un plasma a l'equilibre $n_{e}=n_{i}$ ;
pour les x>0, l'espace est vide.

La frontiere ≪ vide-plasma ≫ est donc un plan perpendiculaire a l'axe (Ox). Pour t >0, la situation va evoluer via l'agitation thermique des electrons (dans de nombreux cas, on considere les mouvements des ions negligeables devant ceux des electrons, on supposera alors les ions comme fixes). L'agitation thermique tend a etaler la distribution d'electrons mais elle est contrebalancee par les forces electrostatiques qui tendent a la neutralite. On va donc obtenir une distribution electronique approchant la courbe bleue sur le second schema. Cette distribution est appelee gaine electronique et on peut demontrer qu'elle a une taille de l'ordre de la longueur de Debye $\lambda _{D}$

Situation à l'équilibre — Situation a l'equilibre

Longueur de Debye [ modifier | modifier le code ]

L'ecrantage electrique defini precedemment nous permet d'identifier la longueur de Debye : c'est l'echelle de longueur au-dessous de laquelle il peut y avoir une separation de charge et au-dessus de laquelle le plasma retrouve sa neutralite. $\lambda _{D}={\sqrt {\frac {\epsilon _{0}kT}{n_{e}q_{e}^{2}}}}$ avec :

$\epsilon _{0}$ : permittivite du vide ;
$k$ : constante de Boltzmann ;
$n_{e}$ : densite d'electrons.

Perturbation d'un plasma [ modifier | modifier le code ]

Frequence de Langmuir ou frequence plasma [ modifier | modifier le code ]

Quand on perturbe un plasma a l'equilibre, les electrons vont se mettre a osciller avec une certaine pulsation : $\omega _{p}={\sqrt {\frac {n_{0}e^{2}}{\epsilon _{0}m_{e}}}}$

Ordres de grandeurs [ modifier | modifier le code ]

Les differents plasmas
Denomination	Densite electronique (en m ^?3)	Temperature electronique (en K)
Faiblement ionise
Ionosphere (couche basse)	10 ¹⁰	10 ^2,5
Decharge dans les gaz	10 ¹³ - 10 ¹⁸	10 ⁴ - 10 ⁵
Fortement ionise
Ionosphere (couche haute)	10 ¹²	10 ³
Couronne solaire	10 ¹¹ - 10 ¹⁴	10 ^6,5
Dense
Fusion magnetique	10 ²⁰	10 ⁸
Cœur d'etoile	10 ²⁹	10 ^7,5
Fusion inertielle	10 ³⁰	10 ⁸
Naine blanche	10 ³²	10 ⁷

Modelisation mathematique [ modifier | modifier le code ]

Il existe de nombreux modeles mathematiques adaptes aux differents types de plasmas. Ils font tous appel a un couplage entre les equations d'evolution des particules et du champ electromagnetique . Le grand nombre d'equations et de degres de liberte (3 d'espace, 3 de vitesse, plus le temps) classe les problemes de la physique des plasmas parmi les plus difficiles a resoudre numeriquement.

La plupart du temps, on considere que les particules sont influencees par le champ electromagnetique moyen : c'est l'approche de Vlassov . A l'inverse, on peut considerer toutes les interactions entre particules : c'est l'approche de Fokker-Planck , qui est naturellement beaucoup plus complexe.

Pour modeliser l'evolution du champ electromagnetique, on utilise classiquement les equations de Maxwell . Si les effets du champ magnetique sont faibles, on peut se contenter de l' equation de Poisson de l'electrostatique. Ces equations sont couplees aux precedentes par les termes sources de densite de charge et de courant du plasma. Ceux-ci sont obtenus a partir des moments de la distribution en vitesse.

Suivant les cas, on pourra egalement considerer ou non l'effet de collisions entre particules (interactions a tres courte portee). Si les collisions sont suffisamment nombreuses, la distribution en vitesse des particules tend vers un equilibre Maxwellien local : c'est la limite fluide.

Une approximation courante consiste a considerer un seul fluide moyen pour toutes les particules du plasma : c'est la magnetohydrodynamique (ou MHD), qui permet notamment de modeliser le vent solaire.

Champs de recherche et d'applications [ modifier | modifier le code ]

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Cet article contient une ou plusieurs listes ( mai 2012 ).

Ces listes gagneraient a etre redigees sous la forme de paragraphes synthetiques, plus agreables a la lecture, les listes pouvant etre aussi introduites par une partie redigee et sourcee, de facon a bien resituer les differents items.
D'autre part, Wikipedia n'a pas pour role de constituer une base de donnees et privilegie un contenu encyclopedique plutot que la recherche de l'exhaustivite.

Equilibre et stabilite des plasmas
C'est un probleme majeur notamment pour toutes les recherches ou un confinement est necessaire, par exemple pour la fusion nucleaire.
Diagnostic et simulation
Les diagnostics experimentaux et la simulation numerique sont deux outils indispensables aux plasmiciens. La simulation numerique des plasmas est tres gourmande en puissance machine de par la complexite des interactions a traiter. Actuellement ^[Quand ?] les codes de calcul sont essentiellement des codes 1D ou 2D particulaires, 2D et 3D fluides. De nombreux codes sont des codes hybrides.
Fusion nucleaire :
- fusion par confinement magnetique ,
- fusion par confinement inertiel ;
source de plasma :
- plasmas de decharges,
- plasma CCP,
- plasma ICP ( analyse chimique par torche a plasma ),
- source ECR,
- source Helicon ;
interactions du plasma avec les ondes et les faisceaux :
- interaction laser-plasmas ;
plasmas ultra-froids ;
plasmas industriels :
- plasma de depot et gravure ,
  actuellement, c'est le domaine le plus developpe du point de vue industriel. Les plasmas sont utilises pour la gravure des microprocesseurs et autres composants. Le depot intervient lui aussi en microelectronique associe etroitement a la gravure. Mais il est aussi utilise dans des technologies liees aux couches minces, dans d'autres domaines comme l'optique ou pour l'ajout de couches de protections en metallurgie (miroir…) ;
- plasma pour implantation ionique (III P : Implantation Ionique par Immersion Plasma),
  utilises en microelectronique et dans l'industrie des materiaux, ces traitements permettent de modifier les proprietes de materiaux immerges dans un plasma en implantant des atomes (extraits de ce plasma) sous leurs surfaces. L'IIIP permet de reduire drastiquement les couts lies aux implantations par faisceau d'ions mais remplit une fonction similaire (avec une moindre precision). Les ions sont acceleres par une gaine dite matrice d'ions (evoluant en gaine de Child-Langmuir) induite par de fortes impulsions de l'ordre de plusieurs kV et de plusieurs μs. Cette technique permet de rendre les materiaux biocompatibles, resistants a la corrosion, d'une plus grande durete ou de creer des materiaux magnetiques pour capteurs utilises dans les applications biomedicales. L'un des enjeux actuels est la realisation uniforme de jonctions de surface (ultra-shallow doping) qui permet la miniaturisation de transistors,
- les disjoncteurs a haute tension dont le principe de coupure du courant est base sur le refroidissement d'un plasma d'arc entre deux conducteurs,
- plasma pour test de rentree dans l'atmosphere,
  des torches a plasma sont aussi utilisees pour reproduire les temperatures extremes atteintes lors des rentrees dans l'atmosphere d'appareils comme les navettes spatiales. Afin de reproduire aussi les phenomenes de frottement, la torche est dite supersonique car le plasma est propulse a une vitesse superieure a celle du son,
- traitement des dechets,
- la medecine du plasma ,
  - l'utilisation de plasmas froids a pression atmospherique pour des applications biomedicales est un domaine de recherche jeune et prometteur dans lequel des especes actives (moleculaires ou ioniques) sont generees dans des plasmas pour traiter des tissus biologiques, permettant notamment d’effectuer un traitement local. Les sources plasma developpees se presentent generalement sous forme de jets de plasma, de micro decharges ou de decharges a barriere dielectrique et les applications etudiees concernent la sterilisation de plaies, la regenerescence des tissus ou encore le traitement de cellules cancereuses (apoptose induite par traitement plasma). Actuellement ^[Quand ?], la plupart des etudes sont encore effectuees in vitro ou in vivo sur des souris ^[
    4
    ]^,^[
    5
    ] ;

physique des plasmas naturels ;
- astrophysique :
  la physique des plasmas est importante en astrophysique car de nombreux objets astronomiques comme les etoiles , les disques d'accretion , les nebuleuses , et le milieu interstellaire sont composes de plasma,
- environnement planetaire : la magnetosphere est dense en plasma.

Notes et references [ modifier | modifier le code ]

↑ Informations lexicographiques et etymologiques de ≪ plasma ≫ (sens B) dans le Tresor de la langue francaise informatise , sur le site du Centre national de ressources textuelles et lexicales .
↑ G. Livadiotis et D. J. McComas , ≪ INVARIANT KAPPA DISTRIBUTION IN SPACE PLASMAS OUT OF EQUILIBRIUM ≫, The Astrophysical Journal , vol. 741, n ^o 2,‎ 10 novembre 2011 , p. 88 ( ISSN 0004-637X et 1538-4357 , DOI 10.1088/0004-637X/741/2/88 , lire en ligne , consulte le 26 juin 2023 )
↑ (en) V. Pierrard et M. Lazar , ≪ Kappa Distributions: Theory and Applications in Space Plasmas ≫, Solar Physics , vol. 267, n ^o 1,‎ novembre 2010 , p. 153?174 ( ISSN 0038-0938 et 1573-093X , DOI 10.1007/s11207-010-9640-2 , lire en ligne , consulte le 27 juin 2023 )
↑ (en) M. G. Kong , G. Kroesen , G. Morfill et T. Nosenko , ≪ Plasma medicine: an introductory review ≫, New Journal of Physics , vol. 11, n ^o 11,‎ 2009 , p. 115012 ( ISSN 1367-2630 , DOI 10.1088/1367-2630/11/11/115012 , lire en ligne , consulte le 18 decembre 2018 ) .
↑ (en) Gregory Fridman , Gary Friedman , Alexander Gutsol et Anatoly B. Shekhter , ≪ Applied Plasma Medicine ≫, Plasma Processes and Polymers , vol. 5, n ^o 6,‎ 2008 , p. 503?533 ( ISSN 1612-8869 , DOI 10.1002/ppap.200700154 , lire en ligne , consulte le 18 decembre 2018 ) .