Dense plasma focus - Définition
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Introduction
L'expression dense plasma focus (DPF) désigne un appareil qui, par accélération et compression électromagnétiques, donne naissance à un cordon de plasma à vie courte qui produit, grâce aux températures et densités très élevées qu'il atteint, une abondance de rayonnements multiples. Sa conception, qui date du début des années 1960, est due à la fois à l'Américain J.W. Mather et au Russe N.V. Filippov, qui l'ont inventé parallèlement et indépendamment l'un de l'autre. Une telle compression électromagnétique du plasma est appelée pinch (striction ou pincement). Cet appareil est similaire au high-intensity plasma gun device (HIPGD) (canon à plasma), qui éjecte du plasma sous forme d'un plasmoïde, mais sans pincement.
Principe de fonctionnement
1: cathode - 2: anode - 3: nappe de courant et de plasma - 4: isolant électrique - 5: générateur d'impulsions électriques de haute puissance
L'anode centrale (2) du plasma focus est connectée à un générateur d'impulsions électiques de haute puissance (fréquemment les condensateurs préalablement chargés d'un générateur de Marx) (5). Une décharge électrique entre anode (2) et cathode (1) se produit alors au sein du gaz sous pression réduite (quelques torrs) remplissant l'enceinte, par claquage le long de l'isolant (4) entourant la base de l'anode. Cette décharge donne naissance à une nappe de courant et de plasma (3) qui prend la forme d'un paraboloïde à symétrie axiale (figure A). Cette nappe, soumise à la force de Laplace produite par l'interaction du courant anode-cathode avec le champ magnétique auquel il donne naissance, progresse rapidement du fond vers l'extrémité supérieure de l'anode (figure B), le processus se déroulant à plusieurs fois la vitesse du son dans le gaz ambiant. Cette première phase est qualifiée de phase de propagation axiale ou simplement phase axiale.
Lorsque la nappe dépasse l'extrémité supérieure de l'anode, sa partie centrale se resserre sous l'effet du champ magnétique jusqu'à former un cordon qui la maintient reliée à l'anode (figures C à E). Cette deuxième phase est qualifiée de phase de compression radiale ou simplement phase radiale.
Le cordon de plasma dense subit rapidement, de façon similaire à un Z-pinch, une violente striction axiale (pincement), puis des instabilités se créent et finalement le cordon se rompt. Les bouffées intenses de rayonnement électromagnétique et de particules, dénommées collectivement « rayonnements multiples », se produisent pendant les phases de plasma dense et de rupture. Ces phases critiques durent typiquement de quelques dizaines de nanosecondes pour une petite machine (kJ, 100 kA) à environ une microseconde pour une grande (MJ, plusieurs MA).
L'ensemble du processus, y compris les phases axiale et radiale, peut durer, dans le cas du DPF de Mather, de quelques microsecondes (pour une petite machine) à 10 microsecondes (pour une grande). Un DPF de Filippov comporte une phase axiale très brève en comparaison d'un DPF de Mather.
Caractéristiques positives
Une caractéristique importante du dense plasma focus réside dans la quasi invariance de la densité d'énergie du plasma focalisé sur toute la gamme possible des machines depuis les fractions de kilojoule jusqu'aux mégajoules, moyennant leur adaptation correcte à un fonctionnement optimal. Cela signifie qu'une petite machine de table produira fondamentalement un plasma de mêmes caractéristiques (température et densité) que l'appareil de la plus grande taille. Une machine plus grande produira simplement un plus grand volume de plasma focalisé, d'une durée de vie plus longue et avec une émission de rayonnements plus importante. Cette invariance dans les propriétés du plasma et des rayonnements produits découle des lois d'échelle en physique des plasmas.
