Laboratoire Aimé Cotton (UPR 3321)

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Physique Atomique dans les Plasmas chauds

Permanents : Jacques Bauche, Claire Bauche-Arnoult, Jean-François Wyart

Depuis plusieurs années, des méthodes théoriques ont été développées au Laboratoire pour calculer l’équilibre dynamique des ions d’un plasma chaud hors de l’Equilibre Thermodynamique Local et d’en appliquer les résultats à la simulation des spectres d’émission et d’absorption. Les plasmas sont des milieux très complexes : il faut calculer les effets de beaucoup de processus atomiques pour beaucoup de niveaux dans beaucoup d’ions. Des méthodes globales permettent de décrire de façon réaliste les ions présents et de simuler les spectres d’émission et d’absorption correspondants. Parmi les projets en cours de développement, on peut citer :

1) Spectres d’absorption des plasmas.

Par la méthode RTA (Resolved Transition Arrays), il est proposé de simuler raie par raie un faisceau de transitions, c’est-à-dire l’ensemble de toutes les raies reliant deux configurations électroniques. En effet, dans les modèles déjà développés, par exemple UTA (Unresolved Transition Arrays), le spectre est décrit par une superposition de fonctions à profil gaussien. Ce profil lisse ne convient pas pour le calcul de l’absorption du milieu, qui est très sensible à l’existence d’espacements entre les raies, même si elles sont non résolues sur la partie basse de leur profil. Les formules nécessaires pour faire un tirage aléatoire des raies dans une distribution conjointe de leurs nombres d’ondes et de leurs intensités ont été établies. Par cette méthode, les premiers moments des nombres d’ondes, pondérés par les intensités, sont égaux à leurs valeurs exactes, calculées par les méthodes détaillées [1].

2) Spectres des plasmas hors Équilibre Thermodynamique Local (ETL).

Les lasers à impulsions brèves et intenses créent des plasmas hors ETL. Les lois de Planck, de Saha et de Boltzmann n’y sont pas valables. Il faut calculer la dynamique des populations des niveaux des ions qui résulte des processus atomiques (émission spontanée et absorption radiative, excitation et désexcitation collisionnelles, photoionisation et recombinaison radiative, ionisation collisionnelle et recombinaison à 3 corps, autoionisation et capture résonnante). Il a été montré que les populations des niveaux tendent à suivre une loi exponentielle boltzmannienne, pour une température spécifique de la configuration à laquelle ils appartiennent. Pour déterminer ces températures, on résout un système collisionnel-radiatif d’équations linéaires bâti à partir des taux des processus. Ce système comporte une équation par configuration. Mais le nombre des configurations à introduire est tellement élevé qu’il est intéressant de passer à un modèle plus puissant, où les configurations sont remplacées par des superconfigurations (SC) [2]. Chaque SC est l’ensemble des configurations ayant le même jeu de nombres d’occupation des couches électroniques [3]. Comme exemple d’application citons la simulation du spectre d’émission d’un plasma de xénon au moyen de 109 SC dans 8 ions, comportant 18328 configurations, ou environ 66 millions de niveaux, pour la densité et la température électroniques ne = 1,2 1020 cm^-3 et Te = 450 eV [4]. La comparaison avec le spectre expérimental est très satisfaisante (voir la Figure).