Plasmas créés par laser , livre ebook

Patrick Mora
Plasmas créés par laser
GÉNÉRALITÉS ET APPLICATIONS CHOISIES
Copyright

© EDP Sciences, Les Ulis, 2021
ISBN papier : 9782759824779 ISBN numérique : 9782759830305
Composition numérique : 2023
http://publications.edpsciences.org/
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Présentation

Parallèlement au développement des lasers de puissance, la physique des plasmas créés par laser n’a cessé de progresser depuis une soixantaine d’années. Parmi les applications de cette discipline, on peut citer la fusion thermonucléaire contrôlée par laser ou l’accélération laser de particules dans les plasmas.
Cet ouvrage propose une introduction aux principales notions du domaine.
L’objectif est tout d’abord de rappeler les notions de base de physique des plasmas nécessaires dans le contexte. Puis l’ouvrage se focalise davantage sur la physique de l’interaction laser-plasma, et se poursuit avec la présentation du concept d’accélération laser de particules (essentiellement d’électrons) dans les plasmas. Enfin, la troisième et dernière partie de l’ouvrage est consacrée à la présentation de divers aspects de la fusion thermonucléaire contrôlée par laser.
Ce livre s’adresse aux étudiants de Master, aux doctorants ou aux chercheurs s’intéressant aux plasmas créés par laser et à leurs applications.
L'auteur

Patrick Mora

Centre de physique théorique, Centre national de la recherche scientifique, École polytechnique, Institut polytechnique de Paris
Table des matières Avant-propos Première partie. Physique des plasmas : notions de base Chapitre 1. Introduction 1.1. Qu est-ce qu un plasma ? 1.2. Équilibre d ionisation et loi de Saha 1.3. Température de Fermi 1.4. Paramètre de couplage 1.5. Fréquences plasmas électroniques et ioniques 1.6. Longueur de Debye et effet d écran 1.7. Collisions coulombiennes 1.8. Libre parcours moyen collisionnel 1.9. Fréquences cyclotroniques et rayons de Larmor Chapitre 2. Description cinétique et description fluide 2.1. Description cinétique 2.2. Équation de Vlasov 2.3. Effet des corrélations 2.4. Grandeurs hydrodynamiques 2.5. Équations hydrodynamiques 2.6. Équations pour le fluide global 2.7. Fermeture des équations fluides Chapitre 3. Ondes dans les plasmas non magnétisés 3.1. Introduction 3.2. Équations de propagation pour E and B 3.3. Réponse diélectrique d un plasma froid non collisionnel 3.4. Ondes électromagnétiques 3.5. Ondes plasmas électroniques 3.6. Ondes acoustiques ioniques 3.7. Ondes électrostatiques : approche utilisant l équation de Poisson 3.8. Théorie cinétique et contour de Landau 3.9. Théorie cinétique des ondes plasmas électroniques 3.10. Théorie cinétique des ondes acoustiques ioniques 3.11. Interaction onde-particule et piégeage 3.12. Ondes acoustiques électroniques 3.13. Ondes plasmas électroniques de grande amplitude et limite de déferlement Chapitre 4. Instabilités 4.1. Instabilité à deux faisceaux 4.2. Instabilité faisceau-plasma 4.3. Instabilité faisceau chaud-plasma Chapitre 5. Transport thermique électronique dans les plasmas créés par laser 5.1. Théorie linéaire ; loi de Spitzer-Härm 5.2. Validité de la théorie linéaire ; flux limite 5.3. Théorie non locale du transport Deuxième partie. Interaction laser-plasma Chapitre 6. Hydrodynamique des plasmas créés par laser 6.1. Structure d un écoulement créé par l interaction laser-cible solide 6.2. L écoulement isotherme auto-semblable 6.3. Structure de la zone de conduction Chapitre 7. Absorption des ondes électromagnétiques 7.1. Réponse diélectrique d un plasma faiblement collisionnel 7.2. Absorption collisionnelle 7.3. Propagation en plasma inhomogène : l approximation BKW 7.4. Solution d Airy au voisinage de la densité critique 7.5. Absorption dans un gradient de densité 7.6. Couplage absorption-hydrodynamique-transport 7.7. Incidence oblique et absorption résonnante Chapitre 8. Interaction laser-plasma en régime non linéaire 8.1. Pression de rayonnement 8.2. Force pondéromotrice : approche particulaire 8.3. Force pondéromotrice : approche fluide 8.4. Couplage d ondes 8.5. Diffusion Raman stimulée 8.6. Diffusion Brillouin stimulée 8.7. Instabilité deux-plasmons 8.8. Filamentation et autofocalisation 8.9. Remarques finales Chapitre 9. Effets relativistes dans le régime ultra-intense 9.1. Mouvement d un électron libre dans une onde ultra-intense 9.2. Indice de réfraction en régime relativiste et transparence induite 9.3. Autofocalisation relativiste 9.4. Force pondéromotrice relativiste 9.5. Instabilités électroniques en régime relativiste 9.6. Création d électrons relativistes Chapitre 10. Accélération d électrons 10.1. Accélération dans le vide 10.2. Sillage relativiste dans un plasma peu dense 10.3. Régime de sillage linéaire 10.4. Cas d une impulsion gaussienne 10.5. Traitement de la dépendance radiale 10.6. Mouvement d un électron en géométrie 1D 10.7. Mouvement dans une onde sinusoïdale 10.8. Accélération d une particule ultrarelativiste 10.9. Régime de sillage non linéaire 1D 10.10. Régimes non linéaires 3D 10.11. Discussion finale Troisième partie. Fusion par confinement inertiel Chapitre 11. Fusion thermonucléaire 11.1. Réactions de fusion 11.2. Section efficace 11.3. Forme de la section efficace ( E ) 11.4. Facteur de Gamow 11.5. Facteur nucléaire 11.6. Taux thermonucléaire 11.7. Comparaison des différentes réactions 11.8. Critères de fonctionnement d un réacteur à fusion 11.9. Critère sur n T 11.10. Les deux voies de la fusion Chapitre 12. Confinement inertiel 12.1. Le paramètre de confinement R 12.2. Fraction brûlée et gain 12.3. Nécessité d une compression 12.4. Allumage par point chaud 12.5. Nouvelle évaluation de l énergie du combustible 12.6. La phase d implosion 12.7. L effet fusée 12.8. Autres approches Chapitre 13. Notions sur les chocs 13.1. Choc dû à un piston de vitesse uniforme rentrant dans un gaz 13.2. Relations et courbes d Hugoniot 13.3. Ondes de choc de faible intensité 13.4. Forme des équations dans le référentiel du choc 13.5. Cas du gaz parfait Chapitre 14. Instabilités hydrodynamiques 14.1. Introduction 14.2. Instabilité de Rayleigh-Taylor : l analogie mécanique 14.3. Instabilité de Rayleigh-Taylor : cas de fluides incompressibles 14.4. Instabilité de Rayleigh-Taylor en FCI 14.5. Instabilités de Richtmyer-Meshkov et de Kelvin-Helmoltz Chapitre 15. Hydrodynamique radiative 15.1. Description particulaire du rayonnement 15.2. Rayonnement d équilibre 15.3. Équation de transfert radiatif 15.4. Équations de l hydrodynamique radiative 15.5. Chocs radiatifs Bibliographie Index A B C D E F G H I K L M N O P R S T V W Z
Avant-propos

C e livre s adresse aux étudiants de master, aux doctorants ou aux chercheurs s intéressant aux plasmas créés par laser et à leurs applications. C est un domaine qui s est développé depuis une cinquantaine d années environ, au départ dans le contexte de la fusion thermonucléaire contrôlée par confinement inertiel. Le laser constituait en effet une source d énergie de premier choix pour porter le combustible composé d isotopes de l hydrogène aux conditions de densité et de température permettant le déclenchement de réactions de fusion. La physique du domaine est apparue progressivement plus riche et plus complexe que ses promoteurs ne l avaient imaginé, tandis que d autres applications que la fusion par confinement inertiel sont apparues. C est particulièrement le cas dans le contexte des impulsions laser ultra-courtes et ultra-intenses, fruits du concept d amplification par dérive de fréquence mis en uvre par G. Mourou et D. Strickland. On peut citer comme exemple l accélération laser de particules dans les plasmas.
Alors que des milliers de chercheurs sont actifs sur ces sujets à travers le monde, dont plusieurs centaines en France, autour du Laser Mégajoule de la région de Bordeaux ou des grandes installations laser du plateau de Saclay, il existe très peu d ouvrages en présentant les notions les plus essentielles. On peut citer The physics of laser plasma interactions de W. Kruer, paru en 1988, et La fusion thermonucléaire inertielle par laser , ouvrage collectif en plusieurs volumes édité par R. Dautray et J. P. Watteau, paru en 1993. Depuis bientôt trente ans donc, aucun livre n est venu répondre au besoin souvent exprimé d un ouvrage de référence qui puisse servir aussi bien à l étudiant qui aborde le sujet en master qu au chercheur confirmé qui veut rafraîchir ses connaissances. Le présent travail essaye, au moins partiellement, de combler cette lacune.
Il a été constitué à partir de polycopiés correspondant à des cours donnés dans différents cadres depuis une quarantaine d années, qu il s agisse d enseignements de master, d enseignements donnés à l École polytechnique, ou encore dans diverses Écoles d été. L ouvrage comporte trois parties. L objectif est tout d abord, dans une première partie, de rappeler les notions de base de physique des plasmas nécessaires dans le contexte. Ainsi, on présente les paramètres caractéristiques des plasmas chauds (longueurs, fréquences, etc.), puis les principaux outils d étude des plasmas (fonctions de distribution et équations cinétiques, grandeurs hydrodynamiques et équations fluides). Les ondes électrostatiques et électromagnétiques en plasma non magnétisé et non collisionnel sont ensuite étudiées, ainsi que l amortissement des premières par interaction onde-particule (effet Landau). Suit une présentation succincte de quelques instabilités comme l instabilité à deux faisceaux ou l instabilité faisceau-plasma. Quelques résultats sur le transport électr