Un nouveau modèle pour expliquer les modulations lumineuses des décharges plasma
Publié par Adrien le 27/01/2020 à 14:00
Source: CNRS INP
Dans certains cas, le gaz ionisé des plasmas émet une lumière dont les modulations spatiales révèlent une auto-organisation remarquable. Grâce à la modélisation, des physiciens ont découvert que ce sont des effets faibles et contre-intuitifs de diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un produit, d'une information),...) inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y = y·x = 1, si 1 désigne...) qui génèrent cette auto-organisation (L'auto-organisation est un phénomène de mise en ordre croissant, et allant en sens inverse de l'augmentation de l'entropie; au prix bien entendu d'une dissipation d'énergie qui servira à...) du plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées (d'ions et d'électrons). Le plasma quark-gluon est un plasma qui...).

La création d'un plasma, un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme...) ionisé constitué d'ions, d'électrons et de gaz neutre, est souvent réalisée en accélérant les électrons dans un champ électrique (Dans le cadre de l'électromagnétisme, le champ électrique est un objet physique qui permet de définir et éventuellement de mesurer en tout point de l'espace l'influence exercée à distance par des...) continu (décharges continues) ou alternatif, dans le domaine radiofréquence (décharges RF). Les collisions des électrons accélérés avec le gaz conduisent non seulement à des réactions d'ionisation (L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une molécule. L'atome - ou la molécule - en perdant ou en gagnant des charges n'est plus neutre électriquement. Il est alors appelé ion.) qui entretiennent le plasma, mais aussi à des réactions d'excitation du gaz neutre qui conduisent à une émission lumineuse du plasma. Des modulations régulières de l'intensité lumineuse émise ont été observées dès le début du XIXème siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la...) dans des décharges continues, et interprétées comme une auto-organisation découlant d'instabilités d'ionisation. Des modulations analogues ont aussi été observées depuis le milieu du XXème siècle dans des décharges RF, mais dont l'origine restait mystérieuse.


Intensité de l'émission lumineuse du plasma dans une source radiofréquence annulaire pour des pressions augmentant de gauche à droite et de haut en bas (de 0.2 à 300 Pa). Des modulations périodiques dans la direction azimutale sont observées lorsque la pression augmente. © Laboratoire de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique...) (CNRS/ENS Lyon/Univ. Lyon 1)

Alors qu'ils développaient une nouvelle décharge RF avec une géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le...) annulaire inédite, des physiciens du Laboratoire de physique à Lyon (LPENSL, CNRS/ENS de Lyon/Univ. Lyon1) et du Laboratoire de physique des plasmas à Palaiseau (LPP, CNRS/École polytechnique/Sorbonne Université) ont observé des modulations d'intensité spectaculaires variant en fonction de la pression (figure). Ils ont réussi à rendre compte de ce phénomène en partant d'un modèle fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles,...) simple décrivant la diffusion dans le plasma et en calculant, avec un modèle cinétique (Le mot cinétique fait référence à la vitesse.), les termes intervenant dans le modèle fluide. En comparant aux expériences, ils ont montré que les modulations d'intensité provenaient cette fois d'instabilités de transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la route, le...), celles-ci étant dues à des termes souvent tenus pour négligeables dans les modélisations.

Le modèle fluide considère le plasma de façon macroscopique, à l'aide de deux équations bilans décrivant le transport des électrons et de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.). Les termes principaux de ces équations sont les termes reliant le flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le terme est employé dans les domaines...) d'électrons et le gradient de densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est...) électronique pour l'une, et le flux d'énergie et le gradient de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du...) électronique pour l'autre (termes diagonaux). Les termes souvent négligés sont les termes croisés (nondiagonaux), reliant le flux d'électrons et le gradient de température électronique et réciproquement le flux d'énergie et le gradient de densité électronique. Ces termes peuvent être calculés par un modèle cinétique qui décrit le plasma de façon statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon. D'une façon générale, c'est le résultat de l'application d'une...), à l'aide de la fonction de distribution donnant la répartition des vitesses des électrons, et ils ont été ici spécifiquement calculés pour les conditions expérimentales de l'étude.

Pour le gaz considéré, l'argon, et le domaine de pression entre 1 et 300 pascals, le plasma est hors équilibre thermodynamique (On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur et des machines thermiques ou la science des grands systèmes en équilibre. La première définition...) et la distribution des vitesses des électrons n'est pas gaussienne. Dans ces conditions, les termes non-diagonaux peuvent devenir négatifs, conduisant à des mécanismes de diffusion inversée pour lesquels le flux d'énergie est orienté vers les zones de densités élevées. En présence de cette diffusion inversée, des petites variations de densités peuvent alors être renforcées, et les conditions de développement d'une instabilité pour la densité du plasma sont réunies, conduisant à l'apparition de modulations de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La...) émise par la décharge. Cette instabilité de transport explique un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une...) d'observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très...) expérimentales obtenues sur une très large gamme de pression.

Ces travaux mettent en évidence un mécanisme d'instabilité de transport pouvant être à l'origine d'un phénomène de modulation lumineuse observé depuis plus de soixante-dix ans. Ce faisant, ils démontrent l'importance de termes cinétiques a priori non prépondérants dans les modèles fluides et dont les effets sont vraisemblablement encore insuffisamment explorés.

Références:
Pattern formation in low-pressure radio-frequency plasmas due to a transport instability.
Victor Désangles, Jean-Luc Raimbault, Alexandre Poyé, Pascal Chabert et Nicolas Plihon. Physical Review Letters, 123 265001 (2019)
DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.265001.
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