Soutenance mémoire
Les plasmas denses
On parle de plasma dense lorsque la matière est suffisamment comprimée pour que les effets collectifs, liés aux interactions entre les particules, aient un effet sur son comportement. On parle aussi de plasmas non-idéaux, fortement couplés, ou encore de plasmas corrélés. Une définition quantitative ainsi que la description du comportement de la matière dans ce type de régime attendra le chapitre suivant. Mais si l’on ambitionne de se pencher sur la physique des plasmas denses, commençons donc par nous demander pourquoi. Les objectifs poursuivis sont en réalité multiples.
Astrophysique
Une première motivation est la description et la modélisation des systèmes physiques dans lesquels de telles conditions sont effectivement rencontrées. S’il s’agit dans notre environnemt naturel (la surface de la Terre) de conditions relativement exotiques, il n’en est néanmoins pas moins vrai que les plasmas denses sont très présents si l’on élargit notre champ d’investigation au-delà de la surface de la Terre. Il s’agit typiquement d’objets astrophysiques tels que les étoiles ou les intérieurs planétaires. On lit immanquablement dès les premières lignes d’un ouvrage traitant des plasmas que cet état de la matière représente 99% de la matière hadronique dans l’univers. Quelle que soit la précision réelle de cette affirmation, il est certainement intéressant d’en proposer ici une autre : 95% de cette matière constitue les planètes, les étoiles et les astres compacts [1], c’est-à-dire des plasmas denses.
Sciences de la fusion contrôlée
Par ailleurs, une bonne connaissance de la physique des plasmas denses est motivée par les percées technologiques que l’on espère en retirer et relève ainsi plutôt de la physique appliquée. Impossible ici de ne pas évoquer le problème de l’énergie. Voici près de soixante ans que l’idée d’utiliser la fusion nucléaire contrôlée pour produire de l’énergie a germé. Les études dans ce cadre ont été nombreuses et les espoirs de voir aboutir rapidement ces recherches sur des solutions industrielles ont été déçus. Pourtant un examen objectif des travaux réalisés jusqu’à aujourd’hui révèle que les progrès furent constants. Avec le recul nous pouvons affirmer que nous partions effectivement de très loin, tant les défis technologiques sont importants et notre connaissance des phénomènes physiques concernés lacunaire. Au début du 21e siècle, il n’est pas nécessaire de s’attarder sur les défis et les intérêts colossaux que représente la problématique de l’énergie, mais simplement de remarquer l’attention toute particulière et renouvelée que suscitent les projets de recherche à long terme dans ce domaine. Il suffit pour cela d’évoquer le coût consenti par les états dans ce domaine pour les grands équipements tel que ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), NIF (National Ignition Facility) ou LMJ (Laser MegaJoule). Mais revenons aux plasmas denses. Une façon très simple de montrer le lien avec l’astrophysique évoquée quelques lignes plus haut est de rappeler simplement que la fusion nucléaire est la source d’énergie du Soleil et des autres étoiles. Un exposé général sur la fusion serait ici parfaitement superflu. Il suffit de mentionner que le principal défi à relever est de confiner un combustible dans des conditions où les réactions de fusion auront effectivement lieu. Dans le cas des étoiles, ce confinement est d’origine gravitationnel, solution inapplicable à petite échelle sur Terre. Les stratégies alors imaginées pour réaliser la fusion en laboratoire sont de deux types. Le premier est le confinement magnétique, consistant à piéger un combustible peu dense (n ª 10¹⁵ cm°3) dans un champ magnétique à la topologie complexe puis de le chauffer (T ª 10⁸K). Il s’agit d’une voie prometteuse mais hors sujet ici vu les densités considérées. L’autre, sur laquelle va se porter notre attention, envisage d’induire des réactions de fusion dans un combustible compressé à des milliers de fois la densité du solide pendant un temps très court, de l’ordre de la nanoseconde. On parle de fusion par confinement inertiel (FCI). Les méthodes de compression envisagées varient dans les détails mais l’idée principale est d’irradier une cible avec un rayonnement extrêmement intense pour en provoquer l’implosion. La figure 4 illustre une des configurations envisagées, dite attaque indirecte, dans laquelle une bille de combustible de dimensions millimétriques est placée dans une cavité en or. Plusieurs dizaines de faisceaux laser déposent alors une énergie de l’ordre du mégajoule dans un temps très bref (quelques nanosecondes) dans les parois internes.
Modèles et données expérimentales
On a donc vu certaines des motivations qui font de l’étude des plasmas denses un domaine très actif. On verra que les modèles théoriques utilisés pour décrire leur comportement sont souvent utilisés à la limite de leur domaine de validité, faute de mieux. Ceci est tout particulièrement vrai dans le régime dit de la matière dense et tiède – ou plus communément Warm Dense Matter (WDM) .
Les mesures en laboratoire dans ce régime ont donc un double rôle :
• Valider les modèles théoriques utilisés : ainsi qu’il en va partout ailleurs en physique, les modèles théoriques construits pour décrire les phénomènes d’intérêt doivent être confirmés par l’expérience.
• Obtenir des données expérimentales pour des applications mentionnées précédemment (mesure d’un point d’équation d’état, diagnostic des conditions du combustible sur des expériences d’implosion…) Une de ces techniques de mesure, la diffusion Thomson X (DTX), relativement récente et prometteuse, fait l’objet de cette thèse. Une de ses spécificités est que l’interprétation des données expérimentales qu’elle fournit nécessite un modèle théorique au préalable. On voit donc bien que dans ce cas les deux points mentionnés ci-dessus sont intriqués.
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Table des matières
Introduction
1 Cadre de l’étude
1.1 Matière dense et tiède
1.1.1 Paramètres plasma
1.1.2 Warm Dense Matter
1.1.3 Intérêt et défis
1.2 Diffusion Thomson X
1.2.1 Principe
1.2.1.1 Régime de diffusion
1.2.1.2 Diffusion sur un ensemble de particules identiques
1.2.1.3 Diffusion sur un plasma
1.2.1.4 Les limites de cette description qualitative
1.2.1.5 Terminologie
1.2.2 Pertinence pour la WDM
1.2.3 État de l’art
1.2.3.1 Diffusion Thomson à basse énergie (radio-visible-UV)
1.2.3.2 Diffusion Thomson dans le domaine X
2 DTX – Théorie
2.1 Principe
2.1.1 Diffusion par un électron isolé
2.1.1.1 Diffusion Thomson classique
2.1.1.2 Diffusion Compton
2.1.1.3 Cas général : Klein-Nishina
2.1.2 Diffusion par un plasma
2.1.2.1 Facteur de structure électronique
2.2 Expression du FSE
2.2.1 Approche de Chihara
2.2.2 Modèle de matière
2.3 Modèle Gregori
2.3.1 Terme électronique
2.3.1.1 Réponse linéaire
2.3.1.2 Expressions de la fonction diélectrique électronique
2.3.2 Terme ionique
2.3.2.1 Écrantage linéaire
2.3.2.2 Équations intégrales
2.3.2.3 OCP écranté
2.3.2.4 Facteur de forme ionique
2.4 SCAALP
2.5 Dynamique moléculaire quantique
3 Expériences
3.1 Lithium
3.1.1 Objectif
3.1.2 Dispositif expérimental
3.1.2.1 Conditions laser
3.1.2.2 Cibles
3.1.2.3 Diagnostics
3.1.3 Résultats expérimentaux préliminaires ; détermination des conditions plasma sondées
3.2 Polystyrène
3.2.1 Objectifs
3.2.2 Dispositif expérimental
3.2.2.1 Conditions laser
3.2.2.2 Cibles
3.2.2.3 Diagnostics
3.2.3 Analyse des résultats
4 Comparaison des modèles
4.1 Lithium
4.1.1 Préliminaire
4.1.2 Contributions négligeables
4.1.2.1 Contribution lié-libre
4.1.2.2 Constantes d’écran
4.1.3 Modèles linéaires et SOCP
4.1.3.1 Adjonction d’un modèle d’ionisation
4.1.3.2 Mesure indépendante de la température
4.1.3.3 Analyse des barres d’erreur
4.1.4 Atome Moyen
4.1.5 Dynamique moléculaire quantique
4.2 Plastique
4.2.1 Aspects du traitement multi-composantes
4.2.1.1 Expression multi-composantes du terme élastique du facteur de structure
4.2.1.2 Utilisation de la dynamique moléculaire quantique
4.2.1.3 Ionisation
4.2.2 Inhomogénéité du plasma sondé
4.2.3 Utilisation en tant que diagnostic °Ω,T¢
4.2.4 Comparaison des modèles
4.2.4.1 Domaine de validité
4.2.4.2 Ionisation
4.2.4.3 Longueur de corrélation
5 Conclusion
