Fisica del plasma

La fisica del plasma è la branca della fisica che studia le proprietà, la dinamica e le applicazioni dei plasmi . Un plasma è una fase della materia composta da particelle cariche, ioni ed elettroni . La fisica del plasma, come la fisica dei liquidi e dei gas, non è un campo della fisica a sé stante. È multi-ramo, vale a dire che incontra, utilizza e approfondisce gli altri rami fondamentali dei concetti di fisica ( fisica atomica , fisica quantistica , fisica statistica , meccanica dei fluidi ,chimica fisica , ecc.) per adattarlo al problema intrinsecamente complesso di studiare un insieme disparato di particelle cariche e scariche soggette a vari campi di forza. Anche la chimica è una parte importante.

La trasformazione di un gas in plasma (gas ionizzato) non avviene a temperatura costante per una data pressione , con calore latente di cambiamento di stato, come per gli altri stati; ma è una trasformazione graduale. Quando un gas è sufficientemente riscaldato, gli elettroni negli strati esterni possono essere strappati durante le collisioni tra le particelle, che formano il plasma. Globalmente neutro, la presenza di particelle cariche dà luogo a comportamenti che non esistono nei fluidi convenzionali, ad esempio in presenza di un campo elettromagnetico .

Un plasma può anche formarsi a bassa temperatura se la sorgente di ionizzazione è esterna ad esso. È il caso della ionosfera , questo alto strato dell'atmosfera terrestre che, sebbene fredda, subisce costantemente un intenso bombardamento ionizzante di particelle provenienti dal sole. Le luci polari sono una delle manifestazioni di questo plasma.

Questo stato è il più diffuso nell'universo , si trova in particolare nelle stelle , nelle nebulose, nel mezzo interstellare e anche nella ionosfera terrestre. Su un'altra scala, i plasmi si trovano anche nei tubi fluorescenti , nei propulsori spaziali e in alcuni reattori chimici . Sono comunemente usati nell'industria, in particolare nella microelettronica e nella lavorazione dei materiali.

introduzione

Descrizione

Il plasma, come il solido , il liquido o il gas , è uno stato della materia . È visibile sulla Terra solo ad una temperatura molto elevata, quando l'energia è tale da riuscire a strappare gli elettroni dagli atomi. Osserviamo quindi quella che comunemente viene chiamata una sorta di “brodo” estremamente attivo di elettroni in cui “bagnano” i nuclei atomici.

Il termine plasma, chiamato anche “quarto stato della materia”, fu usato per la prima volta in fisica dal fisico americano Irving Langmuir nel 1928 per analogia con il plasma sanguigno al quale questo fenomeno è visivamente correlato.

In condizioni normali, un mezzo gassoso non consente la conduzione di elettricità. Quando questo mezzo è sottoposto a un campo elettrico debole, un gas puro è considerato un isolante perfetto, perché non contiene particelle cariche libere (elettroni o ioni positivi). Elettroni liberi e ioni positivi possono comparire se il gas è sottoposto a un forte campo elettrico oa temperature sufficientemente elevate, se è bombardato da particelle o se è sottoposto a un campo elettromagnetico molto intenso.

Quando la ionizzazione è sufficientemente alta in modo che il numero di elettroni per unità di volume sia paragonabile a quello delle molecole neutre, il gas diventa quindi un fluido molto conduttivo chiamato plasma. È importante notare che ciò che distingue un mezzo al plasma da un mezzo ionizzato è la sua neutralità macroscopica.

In origine, un plasma si riferiva a un gas ionizzato globalmente neutro, quindi questa definizione è stata estesa ai gas parzialmente ionizzati il ​​cui comportamento è diverso da quello di un gas neutro. Oggi si parla di plasma quando la materia che osserviamo contiene un gran numero di particelle di diversa natura che possono interagire tra loro e con l'ambiente: è una zuppa di elettroni , cationi , anioni , atomi neutri, aggregati ( cluster ) ...

Per caratterizzare un plasma, è necessario tenere conto del numero di specie presenti e dei loro diversi stati di carica, quindi studiare l'evoluzione della densità, della temperatura e della funzione di distribuzione nello spazio e velocità, questo per tutte le reazioni che possono verificarsi, siano esse chimico o nucleare, senza dimenticare le collisioni che possono aver luogo. Se i processi di ricombinazione tra elettroni e ioni non bilanciano il processo di ionizzazione, si dice che il plasma sia fuori dall'equilibrio termodinamico. Lo studio completo di tutti i fenomeni che compaiono in un plasma è ad oggi impossibile, ne risulta una prima semplificazione necessaria per la distinzione e la classificazione dei plasmi.

La fisica del plasma è interessata anche alla dinamica dei fasci di elettroni, protoni , ioni pesanti: plasmi non neutri. Si può citare tra l'altro il lavoro svolto dai fisici teorici sui plasmi di quark e gluoni . La definizione fisica della parola plasma così estesa è la seguente: insieme di particelle sufficientemente eccitate da non potersi combinare in modo stabile e da formare le particelle che si osservano allo stato fondamentale.

Per distinguere queste definizioni, il cosiddetto plasma di materia è costituito da elettroni e ioni incapaci di formare atomi mentre il plasma di quark chiamato plasma di quark-gluone è formato da quark incapaci di combinarsi per formare neutroni, protoni, ecc. Quando queste particelle sono troppo eccitate per formare ioni, si osserva un plasma di neutroni e protoni.

Tuttavia, nel resto di questo articolo , discuteremo solo di plasmi basati su atomi.

Esempi

I plasmi sono estremamente diffusi nell'Universo poiché rappresentano oltre il 99% della materia conosciuta. Tuttavia, passano quasi inosservati nel nostro ambiente immediato, "la Terra", data la loro natura incompatibile con le condizioni necessarie per la vita terrestre.

Quindi possiamo distinguere tra plasmi naturali e plasmi artificiali (creati dall'uomo):

plasmi naturali:

• le stelle , nebulose gassose, quasar, pulsar;
• l' aurora boreale  ;
• il fulmine  ;
• la ionosfera  ;
• il vento solare  ;

plasmi artificiali:

• nei televisori  ;
• il tubo di scarica (come in un interruttore di alta tensione ) o di scarica (lampade, display, cannello da taglio, produzione di raggi X);
• Plasmi di trattamento per deposizione, attacco chimico, modifica della superficie o drogaggio mediante impiantazione ionica  ;
• i plasmi di propulsione  ;
• la fusione nucleare (vedi anche Tokamak , Stellarator e Z-pinch );
• e molte altre applicazioni che sono ancora solo esperimenti di laboratorio o prototipi ( radar , miglioramento della combustione, trattamento dei rifiuti , sterilizzazione, ecc.).

Fisica

Poiché un plasma è un insieme di diverse particelle interagenti, è generalmente difficile caratterizzarlo. Supponiamo che il plasma contenga X specie, compresi i diversi stati di carica dello stesso atomo (o molecola o aggregato ...), è necessario descriverlo completamente, per studiare l'evoluzione di densità , temperatura , funzione di distribuzione nello spazio e alla velocità di ciascuna specie, durante tutte le reazioni chimiche , nucleari o le collisioni che possono aver luogo. È un compito quasi impossibile, perché anche se si possono scrivere equazioni collegando tutti questi dati, spesso è impossibile risolverle, anche numericamente, con gli attuali mezzi di calcolo.
Per semplificare, sin dall'inizio, il / i problema / i, suddividiamo i plasmi in diverse categorie. In ogni categoria i plasmi avranno un certo tipo di comportamento specifico. Per creare queste categorie, è necessario definire parametri diversi come segue.

Temperatura della specie ("plasma caldo", "plasma freddo")

Un plasma, poiché contiene specie ionizzate, contiene anche elettroni liberi (per neutralità globale del plasma, ad eccezione dei fasci di particelle). Gli elettroni hanno una massa 2000 volte più debole degli ioni (il rapporto di massa del protone o neutrone rispetto alla massa dell'elettrone è più esattamente 1836), quindi hanno meno inerzia e sono più "reattivi". È quindi più facile dare energia agli elettroni che alle specie più pesanti, gli ioni. Divideremo quindi i plasmi in due categorie:

• “  Plasma freddo  ” chiamato anche “ plasma non termico”, “plasma a doppia temperatura” o anche “plasma non in equilibrio”: gli elettroni hanno acquisito energia sufficiente per effettuare reazioni per collisione con altre specie. Le specie neutre e cariche (ioni) saranno in grado di effettuare reazioni chimiche classiche.
• “  Plasma caldo  ” o anche “plasma termico”: gli elettroni, ma anche gli ioni, sono abbastanza energetici da influenzare il comportamento del plasma.

Perché questa denominazione? Nella fisica del plasma, misuriamo l'energia cinetica degli elettroni o degli ioni in base alla loro temperatura (come nella fisica statistica  : dov'è la costante di Boltzmann ). Questa denominazione si riferisce all'energia degli ioni. E∼KBT{\ displaystyle E \ sim k_ {B} T}KB{\ displaystyle k_ {B}}

• Nel caso dei "plasmi freddi", la temperatura (energia) degli elettroni è molto più alta di quella degli ioni . Gli ioni sono considerati "freddi" e potranno solo rendere possibili reazioni chimiche con la loro energia.Tio≪Te{\ displaystyle T_ {i} \ ll T_ {e}}
• Nei plasmi caldi gli ioni sono “caldi” e quindi più reattivi .Tio∼Te {\ displaystyle T_ {i} \ sim T_ {e} ~}

Questa differenziazione scientifica è anche culturale:

• i plasmi freddi possono essere studiati in laboratorio. Gli scienziati hanno quindi acquisito un know-how sperimentale, attualmente ampiamente applicato nelle industrie (incisione, depositi PVD / CVD , ecc.).
• i plasmi caldi richiedono più energia per la loro creazione, e gli impianti che li producono sono quindi meno numerosi (perché più costosi ...) e meno accessibili. Il know-how che si è sviluppato è essenzialmente teorico, e quindi più fondamentale.

Altre caratterizzazioni

Per caratterizzare i plasmi e i fenomeni correlati, vengono utilizzati diversi concetti:

• Il grado di ionizzazione  :α{\ displaystyle \ alpha}

α=nonenone+nonnon{\ displaystyle \ alpha = {\ frac {n_ {e}} {n_ {e} + n_ {n}}}}con densità elettronica e densità neutra. Se poi si dice che il plasma è ionizzato "debolmente" e se poi si dice che è ionizzato "fortemente". Se confrontiamo il grado di ionizzazione delle interazioni particellari possiamo classificare anche secondo le stesse categorie: none{\ displaystyle n_ {e}}nonnon{\ displaystyle n_ {n}}
α≪1{\ displaystyle \ alpha \ ll 1}α≈1{\ displaystyle \ alpha \ circa 1}
Un gas debolmente ionizzato ha frequenze di collisione elettrone-neutra più alte delle frequenze di collisione elettrone-ione o elettrone-elettrone. Useremo la solita notazione: νe0≫νee,νeio{\ Displaystyle \ nu _ {e0} \ gg \ nu _ {ee}, \ nu _ {ei}} Per un gas fortemente ionizzato abbiamo quindi: νe0<νee,νeio{\ displaystyle \ nu _ {e0} <\ nu _ {ee}, \ nu _ {ei}}

• Il parametro del plasma  :Γ{\ displaystyle \ Gamma}

Γ≈<Ep><Evs>≈e2non13ε0KT{\ displaystyle \ Gamma \ approx {\ frac {<E_ {p}>} {<E_ {c}>}} \ approx {\ frac {e ^ {2} n ^ {\ frac {1} {3}} } {\ varepsilon _ {0} kT}}} <Ep>{\ displaystyle <E_ {p}>}rappresenta l' energia potenziale media relativa alle interazioni coulombiane <Evs>{\ displaystyle <E_ {c}>}rappresenta l'energia cinetica media associata all'agitazione termica se il plasma è debolmente correlato: si dice che sia "cinetico"Γ<1{\ displaystyle \ Gamma <1} se il plasma è fortemente correlato.Γ>1{\ displaystyle \ Gamma> 1}

Concetti fondamentali

• La nozione di quasi neutralità

Il criterio della quasi neutralità indica che un plasma è globalmente elettricamente neutro, vale a dire che ci sono tante cariche positive quanto negative. Per un plasma composto da una densità di ioni positivi caricata una volta e da una densità di elettroni , allora abbiamo la relazione . La quasi neutralità deriva in particolare dalla conservazione della carica elettrica durante i processi di ionizzazione. Un plasma sotto l'effetto delle forze di Coulomb ( ) e Laplace ( ), come ogni sistema dinamico, tende verso una posizione di equilibrio minimizzando le sue forze.nonio{\ displaystyle n_ {i}}none{\ displaystyle n_ {e}}Znonio+none=0{\ displaystyle Zn_ {i} + n_ {e} = 0}F→=qE→{\ displaystyle {\ vec {F}} = q {\ vec {E}}}F→=qv→∧B→{\ displaystyle {\ vec {F}} = q {\ vec {v}} \ wedge {\ vec {B}}}

Vediamo subito che l'uguaglianza rende possibile raggiungere questa stabilità. Solo questa equazione presa come tale non risolve correttamente le equazioni di Maxwell . Znonio+none=0{\ displaystyle Zn_ {i} + n_ {e} = 0}

Considereremo quindi ad esempio il rapporto none-Znonionone+Znonio≪1{\ displaystyle {\ frac {n_ {e} -Zn_ {i}} {n_ {e} + Zn_ {i}}} \ ll 1} Gli studi sui plasmi, infatti, si riferiscono spesso a disturbi di media entità. Ad esempio, se consideriamo la densità elettronica media . Un disturbo di questa densità sarà e il plasma sarà caratterizzato da una densità elettronica . Lo assumeremo spessonon¯e{\ displaystyle {\ bar {n}} _ {e}}none{\ displaystyle n_ {e}}non¯e+none{\ displaystyle {\ bar {n}} _ {e} + n_ {e}}non¯e≫none{\ displaystyle {\ bar {n}} _ {e} \ gg n_ {e}}

• Schermatura elettrica, concetto di guaina e confine di un plasma

Per rappresentare una guaina, studiamo un plasma piuttosto particolare:

• è unidimensionale (lungo un asse x);
• al tempo t = 0, per x <0 abbiamo un plasma in equilibrio none=nonio{\ displaystyle n_ {e} = n_ {i}}
• per x> 0, lo spazio è vuoto.

Il confine “plasma-vuoto” è quindi un piano perpendicolare all'asse (Bue). Per t> 0 la situazione si evolverà tramite l'agitazione termica degli elettroni (in molti casi consideriamo trascurabili i movimenti degli ioni rispetto a quelli degli elettroni, quindi assumeremo gli ioni fissi). L'agitazione termica tende a diffondere la distribuzione degli elettroni, ma è controbilanciata da forze elettrostatiche che tendono ad essere neutre. Otterremo quindi una distribuzione elettronica prossima alla curva blu nel secondo diagramma. Questa distribuzione è chiamata guaina elettronica e si può dimostrare che ha una dimensione dell'ordine della lunghezza di Debye. λD{\ displaystyle \ lambda _ {D}}

• La lunghezza di Debye

La schermatura elettrica definita in precedenza permette di identificare la lunghezza di Debye: è la scala di lunghezza al di sotto della quale può esserci una separazione di carica e sopra la quale il plasma riacquista la sua neutralità. λD=ϵ0KTnone2{\ displaystyle \ lambda _ {D} = {\ sqrt {\ frac {\ epsilon _ {0} kT} {ne ^ {2}}}}}

con:

• ε0: permettività del vuoto
• k: costante di Boltzmann
• ne: densità elettronica

• Violazione di un plasma

• La frequenza Langmuir o frequenza del plasma

Quando disturbiamo un plasma in equilibrio, gli elettroni inizieranno ad oscillare con una certa pulsazione: ωp=non0e2ϵ0me{\ displaystyle \ omega _ {p} = {\ sqrt {\ frac {n_ {0} e ^ {2}} {\ epsilon _ {0} m_ {e}}}}}

Ordini di grandezza

I diversi plasmi

Denominazione	Densità elettronica [in m -3 ]	Temperatura elettronica [K]
Debolmente ionizzato
Ionosfera (strato inferiore)	1010{\ displaystyle 10 ^ {10}}	102,5{\ displaystyle 10 ^ {2,5}}
Scarico di gas	1013-1018{\ displaystyle 10 ^ {13} -10 ^ {18}}	104-105{\ displaystyle 10 ^ {4} -10 ^ {5}}
Fortemente ionizzato
Ionosfera (strato superiore)	1012{\ displaystyle 10 ^ {12}}	103{\ displaystyle 10 ^ {3}}
Corona solare	1011-1014{\ displaystyle 10 ^ {11} -10 ^ {14}}	106,5{\ displaystyle 10 ^ {6.5}}
Denso
Fusione magnetica	1020{\ displaystyle 10 ^ {20}}	108{\ displaystyle 10 ^ {8}}
Cuore di stelle	1029{\ displaystyle 10 ^ {29}}	107,5{\ displaystyle 10 ^ {7.5}}
Fusione inerziale	1030{\ displaystyle 10 ^ {30}}
Nana bianca	1032{\ displaystyle 10 ^ {32}}	107{\ displaystyle 10 ^ {7}}

Modellazione matematica

Esistono molti modelli matematici adatti a diversi tipi di plasma. Richiedono tutti un accoppiamento tra le equazioni di evoluzione delle particelle e il campo elettromagnetico . Il gran numero di equazioni e gradi di libertà (3 di spazio, 3 di velocità, più il tempo) colloca i problemi di fisica del plasma tra i più difficili da risolvere numericamente.

Il più delle volte si considera che le particelle siano influenzate dal campo elettromagnetico medio: questo è l'approccio di Vlassov . Al contrario, possiamo considerare tutte le interazioni tra particelle: questo è l' approccio di Fokker-Planck , che è naturalmente molto più complesso.

Per modellare l'evoluzione del campo elettromagnetico, vengono convenzionalmente utilizzate le equazioni di Maxwell . Se gli effetti del campo magnetico sono deboli, ci si può accontentare dell'equazione di Poisson dell'elettrostatica. Queste equazioni sono accoppiate alle precedenti dai termini sorgente di densità di carica e corrente di plasma. Questi sono ottenuti dai momenti della distribuzione della velocità.

A seconda dei casi, possiamo anche considerare o meno l'effetto delle collisioni tra particelle (interazioni a brevissimo raggio). Se le collisioni sono sufficientemente numerose, la distribuzione della velocità delle particelle tende verso un equilibrio maxwelliano locale: questo è il limite del fluido.

Un'approssimazione comune consiste nel considerare un unico fluido medio per tutte le particelle del plasma: è la magnetoidrodinamica (o MHD), che permette in particolare di modellare il vento solare.

Campi di ricerca e applicazioni

• Equilibrio e stabilità del plasma Questo è un grave problema, in particolare per tutta la ricerca in cui è necessario il contenimento, ad esempio per la fusione nucleare.
• Diagnosi e simulazione La diagnostica sperimentale e la simulazione numerica sono due strumenti essenziali per gli specialisti del plasma. La simulazione numerica dei plasmi è molto avida di potenza della macchina a causa della complessità delle interazioni da elaborare. Attualmente, i codici di calcolo sono essenzialmente codici di particolato 1D o 2D, 2D e 3D dei fluidi. Molti codici sono codici ibridi.
• Fusione nucleare  :
  • Fusione per confinamento magnetico  ;
  • Fusione per confinamento inerziale .
• Fonte di plasma  :
  • Plasmi di scarico;
  • Plasma CCP;
  • Plasma ICP ( analisi chimica con torcia al plasma );
  • Fonte ECR;
  • Fonte Hélicon;
• Interazioni del plasma con onde e raggi:
  • Interazione laser-plasma.
• plasmi ultra freddi
• Plasmi industriali  :
  • Deposizione e incisione al plasma  ; Attualmente è il settore più sviluppato dal punto di vista industriale. I plasma vengono utilizzati per l'incisione di microprocessori e altri componenti. Il deposito avviene anche nella microelettronica strettamente associata all'incisione. Ma trova impiego anche in tecnologie legate ai film sottili, in altri campi come l'ottica o per l'aggiunta di strati protettivi in ​​metallurgia (specchio, ecc.);
  • Plasma per impianto ionico (III P: Ionic Implantation by Plasma Immersion); Utilizzati nella microelettronica e nell'industria dei materiali, questi trattamenti consentono di modificare le proprietà dei materiali immersi in un plasma impiantando atomi (estratti da questo plasma) sotto le loro superfici. L'IIIP riduce drasticamente i costi associati all'impianto di fasci ionici ma svolge una funzione simile (con minore precisione). Gli ioni sono accelerati da una guaina chiamata matrice ionica (che evolve in una guaina Child-Langmuir) indotta da forti impulsi dell'ordine di diversi kV e diversi µs. Questa tecnica permette di realizzare materiali biocompatibili, resistenti alla corrosione, di maggiore durezza o di creare materiali magnetici per sensori utilizzati in applicazioni biomedicali. Una delle sfide attuali è la realizzazione uniforme di giunzioni superficiali (drogaggio ultra-superficiale) che consente la miniaturizzazione dei transistor.
  • Gli interruttori di alta tensione il cui principio di interruzione della corrente si basa sul raffreddamento di un arco tra due plasma conduttivo;
  • Plasma per test di rientro; Delle torce al plasma vengono utilizzate anche per riprodurre le temperature estreme raggiunte durante l'afflusso in atmosfera di dispositivi come gli space shuttle. Per riprodurre anche i fenomeni di attrito, si dice che la torcia sia supersonica perché il plasma viene spinto ad una velocità maggiore di quella del suono.
  • Trattamento dei rifiuti;
  • Il plasma medicinale  ;
    • L'utilizzo di plasmi freddi a pressione atmosferica per applicazioni biomedicali è un campo di ricerca giovane e promettente in cui si generano specie attive (molecolari o ioniche) nei plasmi per trattare i tessuti biologici, consentendo in particolare di effettuare trattamenti locali. Le sorgenti di plasma sviluppate sono generalmente sotto forma di getti di plasma, micro scariche o scariche di barriera dielettrica e le applicazioni studiate riguardano la sterilizzazione delle ferite, la rigenerazione dei tessuti o il trattamento delle cellule tumorali (apoptosi indotta dal trattamento al plasma). Attualmente, la maggior parte degli studi viene ancora condotta in vitro o in vivo sui topi.

• Fisica dei plasmi naturali
  • Astrofisica  : La fisica del plasma è importante in astrofisica perché molti oggetti astronomici come stelle , dischi di accrescimento , nebulose e il mezzo interstellare sono composti da plasma.
  • Ambiente planetario: la magnetosfera è densa di plasma;

Note e riferimenti

1. Definizioni lessicografiche ed etimologiche di "plasma" (significato B) dal tesoro informatizzato della lingua francese , sul sito web del Centro nazionale per le risorse testuali e lessicali
2. (in) MG Kong , G. Kroesen , G. Morfill e T. Nosenko , "  Plasma Medicine: an introductory review  " , New Journal of Physics , vol.  11, n o  11,2009, p.  115012 ( ISSN  1367-2630 , DOI  10.1088 / 1367-2630 / 11/11/115012 , letto online , accesso 18 dicembre 2018 )
3. (in) Gregory Fridman , Gary Friedman , Alexander Gutsol e Anatoly B. Shekhter , "  Applied Plasma Medicine  " , Plasma Processes and Polymers , vol.  5, n o  6,2008, p.  503-533 ( ISSN  1612-8869 , DOI  10.1002 / ppap.200700154 , letto online , accesso 18 dicembre 2018 )

link esterno

• Plasma sul sito CEA
• I plasmi studiati Plasma Physics Laboratory (LPP)
• Gérard Sookahet, Plasma e simulazione digitale ,novembre 2000PDF