Le laser à électron libre X.FEL. L'état plasma. La fusion chaude

Le laser à électron libre X.FEL. L'état plasma. La fusion chaude

PHYSIQUE DES ONDES

ESSAI D'UNE NOUVELLE PHYSIQUE

RUBRIQUE N° 32 LE LASER A ÉLECTRON LIBRE X.FEL

                                              L' ETAT PLASMA LA FUSION CHAUDE

Par Paul Bouchard Le 06/07/2021

1) INTRODUCTION

Cette rubrique N°32 est la suite directe de la précédente qui a pour titre ''Des accélérateurs de particule aux lasers à électrons libres''. Nous avons constaté que le laser à électron libre (FEL) (en anglais : Free Electron Laser), constitue un instrument d'amélioration du rayonnement synchrotron qui est utilisé comme outil de recherche destiné à l'étude de la structure de la matière à l'échelle du nanomètre et même de l'atome (0,1 nanomètre = 1 Angström). Nous avons étudié les qualités du rayonnement synchrotron issu des accélérateurs synchrotrons dans le cadre des hautes énergies et des fortes puissances, mais nous en avons aussi constaté les limites. Un rapide résumé des commentaires exposés dans le précédent chapitre est nécessaire avant d'aborder l'étude du X.FEL qui est un nouvel instrument destiné précisément à repousser ces limites.

L'outil mis à la disposition des chercheurs dans les lignes de lumière des accélérateurs synchrotrons n'est pas directement l'électron, comme il serait possible de l'envisager au risque de détruire l'échantillon, mais un ''rayonnement synchrotron'' que les électrons de haute énergie émettent lors de leur freinage en sortie de l'anneau de stockage de ces accélérateurs. En choisissant ce type de procédé et l'une des 43 ''lignes de lumière'' du synchrotron SOLEIL, nous avons vu que chacun des utilisateurs chercheurs peut travailler dans sa ligne avec un outil adaptable à ses propres travaux. Ce rayonnement possède l'énergie des électrons relativistes stockés dans l'anneau et dispose en effet d'un large spectre qui offre à chaque chercheur la possibilité de travailler depuis l'infrarouge lointain jusqu'au rayons X mous. Ce rayonnement possède une grande brillance mais aussi des défauts inhérents aux difficultés de cohérence des faisceaux d'électrons dans les anneaux de stockage.

Pour tenter d'éliminer les défauts et améliorer toujours plus la brillance, pour augmenter encore la puissance du rayonnement-outil, pour atteindre des énergies jusqu'aux rayons X durs, il s'est avéré indispensable de reconditionner le faisceau d'électrons de haute énergie issu de l'anneau de stockage de l'accélérateur synchrotron. Le but est l'obtention de paquets d'électrons de forte cohérence temporelle et spatiale et de pulsations ultra-courtes avec de très forte puissance-crête. Il faut également que l'énergie de ces électrons atteigne celle des rayons X que l'on voudrait obtenir.

Une amélioration qualitative est possible en ajoutant dans l'anneau ou dans la ligne lumière des ''éléments d'insertion'' qui contribuent à la mise en cohérence. Mais pour l'obtention de rayonnements puissants en haute fréquence (à partir des rayons X), nous allons voir que ces éléments doivent être aussi des conditionneurs de paquets d'ondes et des amplificateurs de puissance. Ces éléments d'insertion sont constitués d'une suite d'onduleurs installés dans des lignes lumières qui doivent être bien plus longues, jusqu'à 2 ou 3 kilomètres. On se trouve alors dans un domaine annexe à celui des accélérateurs, dans celui des lasers, en l’occurrence dans celui des (X.FEL) dont nous allons parler.

2) LE DOMAINE DES LASERS DE HAUTE ÉNERGIE

21) De la 3ème à la 4ème génération d'accélérateurs

Nous avons vu que les accélérateurs synchrotrons de 3ème génération mettent à disposition des chercheurs des ''lignes de lumière'' utilisant le rayonnement dit synchrotron émis par les électrons de haute énergie en réserve dans les anneaux de stockage de ces accélérateurs. Ces lignes sont de véritables laboratoires d'étude de la structure de la matière. Nous venons de constater que ces dispositifs sont excellents pour des travaux utilisant des rayonnements de fréquence située entre les MO et les UV. Mais, pour des études impliquant les UV lointains et les rayons X, il est nécessaire de monter encore en énergie, en débit et surtout en cohérence du rayonnement. Il faut donc perfectionner encore plus l'ensemble des qualités du faisceau d'électrons source du rayonnement.

Les lasers associés aux accélérateurs sont précisément des instruments qui permettent un réglage de précision des énergies, une grande puissance et une parfaite cohérence des rayonnements.

Nos rubriques N° 8, 9 et 11 ont été consacrées à l'étude de ''l'effet laser'' dans son principe (laser sonore rubrique N°8, laser optique au chapitre N°2 de la rubrique N°9), et en particulier dans son application au refroidissement des atomes (rubrique N°11). Dans la rubrique N°29, nous avons étudié le fonctionnement du laser dans le cadre de l'optique non linéaire et dans son utilisation comme amplificateur de puissance des rayonnements, permettant d'obtenir des impulsions ultra-brèves et ultra-puissantes (CPA = amplification d'impulsion par dérive de fréquence).

Nous abordons maintenant avec les rayons X, l'optique non linéaire et les impulsions ultra-courtes, la quatrième génération d'accélérateurs qui, par son mariage avec les lasers à électrons libres, permet d'accéder aux plus hautes énergies et aux plus brèves impulsions, c'est-à-dire au plus fin réglage de la puissance des outils de recherche et d'action sur la structure de la matière. Le but des concepteurs de X.FEL est donc la possession d'un outil travaillant jusqu'aux fréquences des rayons X durs avec une précision temporelle pouvant atteindre l'attoseconde (10 puissance -18 sec.), et ayant une puissance réglable et une brillance autorisée par un régime cohérent d'un rayonnement parfaitement régulier.

Pour obtenir cet outil miraculeux, il faut donc fournir, en entrée du X.FEL, un faisceau d'électrons libres ayant une vitesse proche de la vitesse de la lumière, donc un maximum d'énergie, et une distribution de densité uniforme dans le groupe. Cela signifie que ce faisceau d'électrons doit être traité auparavant et sortir d'un accélérateur de particules en ayant des spécificités énergétiques au moins identiques à celles des rayonnements synchrotrons provenant d'un anneau de stockage tel que celui de SOLEIL dont nous avons parlé dans la rubrique précédente N° 31, mais ayant les qualités et les défauts inhérents à ce type de rayonnement.

En effet, les lasers que l'on va utiliser pour ''manipuler'' ces électrons-ondes en formant un faisceau puissant qui soit cohérent temporellement et spatialement, n'ont pas pour fonction première la montée en énergie de ces électrons libres. Par ailleurs ces lasers ne peuvent être équipés des cavités résonnantes propres aux lasers optiques car ceux-ci ont un problème d'incompatibilité avec les électrons des hautes énergies. Leurs miroirs, même conçus spécialement par feuilletage de diélectriques, ne supportent pas les rayons X.

Une utilisation adaptée de l'effet laser est donc recherchée à ce niveau d'énergie. En remplacement de la cavité résonnante, c'est l'onduleur qui devient la pièce maîtresse de ce type de laser à électrons libres, le X.FEL. L'onduleur est principalement un metteur en phase de paquets d'électrons, un metteur en cohérence des trains d'ondes, un synchroniseur et un polariseur des rayonnements. Il est aussi un régulateur de la puissance et de l'énergie des rayonnements émis.

22) Fonctionnement des onduleurs. Physique standard des particules.

La physique standard des particules définit le ''laser'' comme ''un amplificateur de lumière par émission stimulée de radiation'', celle-ci étant réalisée à partir d'une inversion de population de photons. Le milieu amplificateur est alors un ensemble d'atomes de matériaux solides ou gazeux fournissant un rayonnement dont la longueur d'onde fixe correspond à sa structure électronique.

Pour cette physique, le fonctionnement du laser à électron libre et spécialement de l'onduleur est plus difficile à interpréter. L'explication généralement fournie a pour base un mécanisme qui est appelé ''émission spontanée auto-amplifiée ( SASE ) ''. C'est un processus de création d'un rayonnement de très haute énergie au sein d'un laser à électrons libres (FEL) dont le milieu amplificateur est constitué d'électrons relativistes (proches de la vitesse de la lumière) traversant en zigzag un champ magnétique permanent alterné périodiquement. Ces électrons sont, pour la physique standard, des ''boules chargées'' guidées par des ondes associées. La lumière est aussi considérée comme découpée en pseudo-particules, les photons. Mais elle est également traitée comme une onde (rayonnement) lorsque elle est émise par les électrons (boules chargées) en mouvement dans un champ magnétique. Il semble que ce soit ce rayonnement émis par les électrons (ou introduit en sus) qui soit leur propre guide dans la ligne de lumière de l'onduleur.

Pour éviter de déformer l'explication du processus interne du (SASE), je préfère citer un article datant de 2015 édité par Reflets de la physique dont voici la référence :

https://www.refletsdelaphysique.fr/articles/refdp/pdf/2015/02/refdp201544-45p44.pdf

Ses auteurs sont :

Eric Collet et Marco Cammarata (Institut de Physique de Rennes)

Marion Harmand (Institut de Minéralogie, de Physique des Matériaux et de Cosmochimie ),

Marie-Emmanuelle Couprie ( Synchrotron SOLEIL, Saint-Aubin).

<< Les électrons relativistes dans l’onduleur échangent de l’énergie avec les photons, certains électrons gagnent alors de l’énergie, d’autres en perdent et, au fur et à mesure qu’ils progressent, ils se retrouvent en avant ou en arrière dans le paquet d’électrons. La modulation en énergie se transforme ainsi en modulation en densité d’électrons à la longueur d’onde du rayonnement émis. Les émetteurs sont mis en phase, ce qui leur permet de générer des rayons X de façon cohérente dans l’onduleur. L’onde lumineuse est alors amplifiée au détriment de l’énergie cinétique des électrons.... L’émission spontanée générée en début d’onduleur est amplifiée en un seul passage au fur et à mesure de la progression du paquet d’électrons. >>

Cette émission spontanée auto-amplifiée ne me semble pas une interprétation convaincante d'un processus qui reste difficile à expliquer en ''mécanique quantique'' qui traite ce processus dans le cadre de la ''dynamique'' (de la théorie du billard).

Les explications par Wikipédia de ce qui se passe à l’intérieur d'un onduleur (suivant la physique des particules) ne m'apparaissent pas plus ''lumineuses'':

https://en.wikipedia.org/wiki/Self-amplified_spontaneous_emission

<< Le processus SASE commence par l'injection d'un groupe d'électrons dans un onduleur , avec une vitesse proche de la vitesse de la lumière et une distribution de densité uniforme dans le groupe. Dans l'onduleur, les électrons sont agités et émettent une lumière caractéristique de la force de l'onduleur mais dans une certaine bande passante d'énergie. Les photons émis voyagent légèrement plus vite que les électrons et interagissent avec eux à chaque période d'onduleur. En fonction de la phase entre eux, les électrons gagnent ou perdent de l'énergie (vitesse), c'est-à-dire que les électrons plus rapides rattrapent les plus lents. Ainsi, la densité du faisceau d'électrons est périodiquement modulée par le rayonnement qui est appelé microbunching (NB micro-entassement). Le faisceau d'électrons structuré n'amplifie que certaines énergies photoniques au détriment de l'énergie cinétique jusqu'à ce que le système entre en saturation. Les spectres d'énergie SASE montrent une distribution de type ''bruit de pointes intenses'' au-dessus d'un fond d'amplitude inférieure. La structuration de micro-paquets réduit l'espace de phase disponible pour les photons, ils sont donc également plus susceptibles d'avoir une phase similaire et le faisceau émis est quasi cohérent. >>

<< Ce concept a été démontré au SPring-8 FEL SACLA au Japon, au Laser à électrons libres à Hambourg ( FLASH ) et à la Linac Coherent Light Source (LCLS) au SLAC >>

Ces différents LEL en fonctionnement ou en cours d'implantation dans le monde sont conçus en relation avec les accélérateurs déjà existant et en fonction de l'emploi et du type de recherche demandés par les futurs utilisateurs locaux. Ces demandes sont très diverses aussi bien en puissance qu'en niveau énergétique mais unique pour la recherche de la meilleure qualité et stabilité du rayonnement. Ces domaines spécifiques de recherche imposent des conceptions particulières pour chaque ligne de lumière. C'est pourquoi la technologie et les paramètres principaux des onduleurs à insérer dans ces lignes sont choisis en fonction des caractéristiques du rayonnement qu'ils doivent générer et de la ligne dont ils conditionnent le fonctionnement.

Dans cette présente rubrique nous avons choisi d'étudier les onduleurs utilisés dans les lasers X.FEL traitant de rayonnements X de haute énergie et de grande puissance-crête. Leur configuration est donc très particulière et leur implantation mondiale récente sinon encore en cours. Sur internet, j'ai trouvé des articles présentant des généralités sur l'European X.FEL mis en service en 2017 et sur d'autres lasers X en construction. La plus précise description de ces appareils que j'ai pu trouver est faite dans une thèse de doctorat réalisée sous la direction de Marie-Emmanuelle Couprie, par Fabien Briquez et soutenue le 15 juillet 2014, intitulée :

Onduleurs APPLE-II innovants appliqués au Synchrotron SOLEIL et aux Lasers à Electrons Libres compacts que l'on trouve sur le site : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01127002/document

Pour réaliser cette thèse, Fabien Briquez a travaillé avec les concepteurs et les installateurs de différents types d'onduleurs, en particulier sur les plus innovants de ces instruments. Cette thèse est donc un exposé très détaillé et instructif du fonctionnement des onduleurs dont le principe est basé sur le passage d'électrons en faisceau dans l'entrefer d'électroaimants, mais principalement d'aimants permanents ayant une disposition particulière dite ''en réseau de Halbach''.

<< Un réseau de Halbach est une disposition particulière d'aimants permanents qui accroît le champ magnétique d'un coté tout en éliminant presque totalement le champ magnétique de l'autre coté. Ceci est obtenu en faisant tourner les orientations des champs magnétiques sur les aimants successifs. La disposition des aimants permanents (sur la face avant; sur la gauche, vers le haut, à droite et vers le bas) peut être répétée indéfiniment avec le même effet. L'effet de cette disposition est approximativement similaire a un ensemble d'aimant en fer à cheval adjacents, avec les pôles de même signes en contact. Cet effet a été découvert en 1973, et ces structures à "flux d'un seul coté" ont été initialement considérées comme des « curiosités »....Le physicien Klaus Halbach... durant les années 1980, inventa de son coté les réseaux de Halbach pour concentrer les faisceaux des accélérateurs de particules. >> Wikipedia https://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9seau_de_Halbach

Cette disposition très particulière des aimants permanents en réseau de Halbach, convient tout particulièrement bien à la ''manipulation'' des électrons-ondes sur les lignes de lumière. La possibilité, grâce à cette technique particulière, d'obtenir une polarisation circulaire du rayonnement émis, c'est à dire une polarisation hélicoïdale du rayonnement X de grande puissance émis en sortie de la ligne, paraît d'un intérêt considérable pour les futurs études et travaux que l'on peut envisager de mener dans le domaine de la structure de la matière.

La lecture de la thèse de Fabien Briquez sur le site ''archives ouvertes'' indiqué précédemment, outre l'étude théorique et réelle du fonctionnement de différents types d'onduleurs, expose aussi l’intérêt des onduleurs fonctionnant sous vide et surtout étudie l'utilisation des onduleurs dans les futurs lasers LEL.X plus compacts qui sont les outils de l'avenir.

J'aurais aimé, dans cette présente rubrique, décrire l'essentiel des éléments constitutifs des onduleurs, expliquer leur fonctionnement, montrer les difficultés de leur installation et de leur mise en marche, esquisser leur intérêt et leur avenir. Pour cela, je devrais m'autoriser à extraire de la thèse de Fabien Briquez textes et schémas avec le risque de les dénaturer. D'une part, ceci ne me semble pas possible, d'autre part cela m’entraînerait à développer outre mesure cette rubrique dans un domaine qui reste entièrement d'actualité et dont les équipements sont même souvent en cours d'installation ou non encore réellement en utilisation fonctionnelle.

Expliquons ci-dessous la conception du fonctionnement des onduleurs en rapport avec les hypothèses de la physique des ondes sur la nature et le rôle de l'électron, onde double électro-magnétique (énergétique et magnétique).

23) Fonctionnement des onduleurs. Physique des ondes

Pour la physique des ondes, les onduleurs sont des instruments dont la structure se rapproche de celle des accélérateurs linéaires et dont le principe de fonctionnement est basé sur la ''manipulation d'ondes'' (les électrons libres sont des ondes doubles suivant nos hypothèses), et non sur la ''cinétique de particules''. C'est donc en suivant les concepts de la physique des ondes que nous allons tenter d'analyser le fonctionnement complexe des onduleurs constituant le cœur des X.FEL.

Le rôle de l'onduleur du X.FEL est donc de ''manipuler'' le faisceau d'électrons-ondes au cours de sa circulation dans l'onduleur, afin d'obtenir, par une mise en fonctionnement résonant de l'ensemble, cet outil stable et précis dont nous avons parlé. Il s'agit de réaliser les opérations suivantes

* A partir d'un faisceau d'entrée constitué d'impulsions ultra-courtes continues et régulières, regrouper (bunching) dans chaque impulsion un paquet d'électrons cohérent et en phase.

* Après avoir réalisé le mono-chromatisme du faisceau (ceci est ébauché avant son entrée dans l'onduleur), et dans le même temps que le bunching, amplifier la puissance de chaque paquet de façon à obtenir, par freinage en final, un rayonnement de sortie brillant, continu, d'une énergie bien déterminée et dont la longueur d'onde soit fixe, située entre 10 nm et 0,005 nm (rayons X).

* Conserver au rayonnement de sortie la polarisation circulaire qu'il a acquise grâce au mouvement hélicoïdal des paquets d'électrons, ce qui en fait une sorte de soliton de très haute énergie, donc l'outil parfait, pénétrant mais non destructeur qui est idéal en imagerie.

Pour la physique des ondes, le regroupement spontané des électrons n'est pas dû aux photons émis en interne par les électrons (voir plus haut) qui les feraient interagir et ''spontanément'' se micro-structurer, ni au rayonnement extérieur éventuellement introduit dans l'onduleur qui aiderait à moduler et ''microtasser'' les électrons. (En réalité, ce rayonnement peut contribuer à mettre en résonance les électrons avec le champ magnétique interne qui les accélère et les regroupe).

Le regroupement des électrons en paquets, la régulation de leur énergie et l'augmentation de leur puissance, la polarisation circulaire et le réglage du rayonnement obtenu en final, tous ces éléments sont liés entre eux dans l'onduleur. Le réglage final souhaité dépend d'un accord général de mise en résonance des fréquences de toutes les ondes, rayonnements et vibrations internes à l'onduleur.

C'est le mouvement périodique interne du champ magnétique créé par le réseau de Halbach de l'onduleur lors du passage des électrons qui met la période de ce champ en résonance avec celle des ondes de structure des électrons circulants et regroupe ceux-ci en paquet (en brochette ?). La dimension et la charge des paquets, la durée des impulsions et la puissance de l'appareil dépendent donc de la structure du réseau d'aimants permanents.

La vitesse d'entrée des électrons (énergie cinétique) influe également sur la période de leurs ondes de structure (rapport gyromagnétique). Elle peut être modifiée et réglée par des électro-aimants installés à l'entrée de la ligne de lumière ou entre les onduleurs. Un équilibre différent peut alors être réalisé par l'onduleur permettant ainsi d'ajuster l'accord des différents mouvements périodiques. La disposition des barres contenant les différents aimants et la dimension de ceux-ci peuvent être également adaptées.

L'énergie des électrons sortant de l'onduleur et donc la fréquence fondamentale du rayonnement qu'ils émettent sont ainsi déterminées par la mise en équilibre résonnant due aux différents réglages. Mais il est aussi possible d'utiliser les harmoniques de cette fréquence fondamentale qui sont fonction de la puissance-crête qui, elle aussi, dépend des réglages (durée des impulsions, charge et énergie des paquets d'électrons). Plus les énergies et les puissances sont élevées, plus les réglages sont difficiles. La qualité et la régularité des propriétés du rayonnement de sortie dépendent de la stabilité de l'accord (bien difficile) de résonance de l'ensemble. Le but est d'atteindre le régime maximum de l'installation en restant toutefois en limite de sa saturation.

24) Les dimensions dans l'infiniment petit

Tous les réglages précédents se réalisent à une échelle de dimension qui se trouve hors du monde dans lequel nous vivons mais pourtant ce monde est celui qui nous constitue, c'est celui dont nous somment faits. Pour mieux appréhender ce domaine de la lumière et de l'électron, j'ai réuni ci-dessous plusieurs niveaux de définitions relatifs à des durées et des longueurs auxquelles nous ne somment pas habitués et que nous avons du mal à concevoir. Ce sont pourtant les dimensions sur lesquelles devront travailler les spécialistes en physico-chimie qui sont appelés à utiliser les puissants outils, objets de cette présente rubrique. Actuellement les études sur la structure de la matière se font jusqu'au niveau du nanomètre et on atteint l'attoseconde.

1 zeptoseconde (zs) = 10 puissance −21 seconde

17 (zs) = période approchée du rayonnement électromagnétique à la limite entre les rayons gamma et les rayons X.

300 (zs) = période typique des rayons X.

La longueur d'onde des rayons X est comprise entre 10 et 0,005 nanomètres (nm)

1 attoseconde (as) = 10 p -18 seconde

1 (as) est le temps nécessaire à la lumière pour parcourir la distance de trois atomes d'hydrogène.

100 (as) est la plus petite unité de temps à avoir été mesurée (en février 2004).

250 (as) est la plus courte impulsion jamais créée d'un faisceau laser (en 2002)

l'attoseconde, c'est-à-dire du milliardième de milliardième de seconde (10 p–18 seconde).

L'attoseconde est presque à la seconde, ce que la seconde est à l'âge de l'Univers. C'est aussi l'échelle de durée des mouvements des électrons : celui de l'hydrogène, par exemple, parcourt son orbite en 150 attosecondes seulement

1 femtoseconde (fs) = 10 p -15 seconde

1,30 (fs) = la période d'une onde lumineuse d'une longueur d'onde de 390 nm, limite entre les ultraviolets et la lumière visible.

2,57 (fs) = la période d'une onde lumineuse d'une longueur d'onde de 770 nanomètres, limite entre la lumière visible et les infrarouges proches.

1 picoseconde (ps) = 10p -12 seconde

0,2 (ps) = durée des réactions chimiques les plus rapides, telles que la réaction des pigments de l'œil à la lumière.

1,66 (ps) = durée de commutation des transistors les plus rapides (en 2005).

3,3 (ps) = durée requise à la lumière pour parcourir 1 mm.

1 nanoseconde (ns) = 10p −9 seconde

0,1087 827 757 (ns) = période de la radiation correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins de l'état fondamental de l'atome de césium 133 (utilisée dans la définition de la seconde).

1 (ns) = période d'un signal de fréquence 1 GHz, onde radio de longueur d'onde 0,3 m

3,335 640 951 × 10−9 s : temps nécessaire à la lumière pour parcourir un mètre dans le vide (c’est-à-dire en 1/299 792 458 de seconde, par définition du mètre).

10 (ns) = période d'un signal de fréquence 100 MHz, onde radio de longueur d'onde 3m (VHF, FM)

25) Équilibre résonnant des onduleurs et caractéristiques du rayonnement émis

Pour atteindre le nanomètre, l'attoseconde et les rayons X durs, nous avons vu que les lasers X.FEL possèdent de longues lignes de lumière équipées d'une suite d'onduleurs dont les caractéristiques principales sont déterminées en fonction des caractéristiques du rayonnement que le laser doit générer (gamme spectrale, puissance, polarisation). Le fonctionnement correct de l'ensemble dépend de la possibilité d'établir un équilibre résonnant et stable entre le rayonnement des électrons introduits dans les onduleurs et le mouvement périodique du champ magnétique créé par la disposition des aimants permanents.

Nous avons vu que les hypothèses de base de la physique des ondes concernant l'électron, du fait de la nature énergétique et magnétique de celui-ci, permettent d'expliquer l'action que le champ magnétique périodique interne à un onduleur exerce sur les électrons libres qui y sont introduits (mise en phase et en paquet, ajustement de l'énergie et de la puissance, polarisation). Une possibilité de réglage de ce champ existe par l'intermédiaire des électro-aimants, en faisant varier le courant d'alimentation de leurs bobines. Pour les onduleurs à aimants permanents, l'accord peut être trouvé en ajustant l'entrefer par action sur les mâchoires qui portent ces aimants ou, plus difficilement, par un déplacement de certains aimants ou barres d'aimants entre eux.

Ces réglages qui réalisent l'accord de phase et qui font varier l'énergie de résonance, permettent également de réduire l'influence des harmoniques, ce qui permet d'augmenter le champ crête et de concentrer le rayonnement sur la fondamentale. A l'inverse certains harmoniques peuvent être sélectionnés, la modification des conditions de résonance déplace les harmoniques en énergie et permet leur amplitude relative. On obtient dans ce cas en final un outil constitué par des rayonnements X de très haute énergie (au dépend de la puissance).

Reprenons notre idée de l'outil destiné à l'étude de la structure de la matière en le comparant à une perceuse visseuse à percussion. Les FEL qui travaillent aux longueur d'ondes infrarouges et visibles jusqu'aux UV, peuvent fournir un outil de grande puissance comparable à une perceuse de béton ou de tôles. Les X.FEL, grâce à la polarisation circulaire de leur rayonnement et à la production d'harmoniques X de très haute énergie, peuvent fournir un outil comparable aux fraises de dentiste ou d'horloger.

Plus l'énergie est élevée, plus les réglages sont difficiles car les onduleurs sont des ''engins'' lourds et le moindre défaut de montage et de fabrication impacte le champ magnétique et donc la dynamique du faisceau et des paquets d'électrons. Le spectre et la puissance crête du rayonnement sont très sensibles aux défauts de réglage, à la linéarité de la ligne de lumière, à l'échauffement des pièces qui déforment les supports d'aimants sous l'effet des forces magnétiques. Les erreurs de phase dues à des défauts d'aimants permanents entraînent un dérèglement de l'équilibre résonnant.

Pour réduire ces difficultés de réglage et de pilotage, pour diminuer la dépense d'énergie, les techniciens étudient différentes possibilités d'onduleurs sous vide et d'électroaimants équipés de supraconducteurs, mais ceci crée de nouveaux problèmes et d'importants coûts supplémentaires d'installation.

Il semble que la course à la puissance et à la dimension des installations de recherche scientifique a atteint une limite maximum. La tendance est à la compacité des instruments et à la précision des outils. Cela est conforme à l'échelle dimensionnelle des recherches centrées actuellement sur la nanotechnologie. Le but à atteindre est celui de l'atome et de la manipulation de sa structure interne.

Maintenant que l'on connaît la gigantesque énergie, et les dangers, qui se trouvent dans le noyau de l'atome, maintenant que l'on a réussi à déchiffrer la structure électronique des électrons et que l'on a maîtrisé en grande partie leur énergie, plutôt que d'attaquer en force la structure de la matière, il paraît en effet plus judicieux de l'étudier à la fois plus profondément et plus finement, c'est à dire plus intimement. Cela pourrait se réaliser avec des X.FEL plus compacts mais aussi en travaillant sur une matière plus apte à être manipulée comme le plasma.

Je n'ai pas trouvé sur internet de publications récentes sur les X.FEL compacts qui sont, je pense, des installations en cours d'étude ou de réalisation. Par contre, depuis 10 ans plusieurs thèses étudient l'interaction des lasers avec la matière à l'état de plasma. Par exemple la matière dense et tiède (WDM) (Warm Dense Matter en anglais) qui est une matière en transition de phase entre solide et plasma est décrite dans une thèse de Eric Christophe Galtier dont le titre et le site sont :

''Étude des plasmas créés par l’interaction laser X – matière''

https://tel.archives-ouvertes.fr/file/index/docid/574363/filename/thesis.pdf

Cette thèse date de 2010 et traite de l'interaction sur (WDM) de lasers UV.FEL. Une autre thèse plus récente (2016) de Basil Deschaud étudie ces mêmes interactions sur du plasma par des lasers plus énergétiques X.FEL.

'' Interaction d’un rayonnement X-XUV intense avec la matière : cinétique atomique associée''

https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01293617

Cette dernière thèse nous intéresse particulièrement car, malgré son ancienneté, elle correspond bien aux caractéristiques particulières du X.FEL que j'ai voulu décrire dans cette présente rubrique.

Voici d'ailleurs le texte de Basil Deschaud qui dresse un tableau actuel (en 2016) des X.FEL et de leur échelle particulière de fonctionnement.

<< Il existe plusieurs installations de type X.FEL et plusieurs sont en construction. Parmi les installations existantes les trois plus importantes sont :

FLASH à Hambourg qui fonctionne dans la gamme X.UV,

LCLS à Stanford qui travaille dans les deux gammes, celle des X mous et celle des X durs

SACLA au Japon dans la gamme X dur...

Ces sources fournissent un rayonnement de courte longueur d’onde (λ) (jusqu'à la taille d’un atome) avec des courtes durées d’impulsions, de l’ordre de la durée des plus courts processus atomiques, et avec des intensités qui peuvent aller jusqu’à 10 puissance 18 et même 10 p.19 W/cm².

Le rayonnement est de plus ajustable en longueur d’onde. Les intensités atteintes avec les X.FELs posent la question de l’utilisation de ces sources, non plus comme sonde, mais directement pour le chauffage de la matière. >>

Basil Deschaud donne leurs caractéristiques dans le tableau ci-dessous :

                            énergie (hν) en (eV)    Longueur d'onde ( λ) en nm     durée d'impulsion en (fs)

FLASH 28 - 295 4.2 - 45                                         30 – 300

LCLS (X mou)     285 – 2000    0.62 - 4.37                                      70 - 400

LCLS (X dur)          2000-9600       0.13 - 0.62                                      50 - 250

SACLA                    4000-20000 0.062-0.3 2-10

Avant d'aborder l'interaction du rayonnement du laser à électron libre X.FEL avec l'état plasma comme outil de structuration en profondeur de la matière et en particulier dans une étude de la fusion nucléaire, il nous faut mieux connaître cet état plasma, les ondes qui s'y propagent et les caractères structurels des plasma chauds et froids. La physique théorique en cours ne reconnaissant pas l'électron comme une onde, ces études ont beaucoup de difficulté à expliquer et à traiter les différents phénomènes. Voici ci-dessous le point de vue de la physique des ondes sur ces sujets et les perspectives ouvertes par cette interaction.

3) L’ÉTAT PLASMA

Nous avons étudié en début de ce blog, au chapitre N°5, les hypothèses de la physique des ondes concernant ''La création de la matière'' et la constitution de l'atome à partir de l'unique particule élémentaire qu'est l'électron-positron. Nous avons donc exposé les définitions généralement admises des quatre états de la matière, l'état solide (voir la rubrique N°22, la matière condensée), l'état gazeux, l'état liquide et l'état plasma. Rappelons que le plasma est un état désordonné de la matière, c'est un rassemblement disparate d'atomes neutres, de particules chargées, constituées d'électrons libres, de nucléons ou débris de nucléons, d'ions divers, anions, cations etc.

Les hypothèses exposées dans notre blog qui sont à la base de la physique des ondes donnent à l'électron et au positron (charge négative et positive) la nature d'onde, c'est à dire de substance en mouvement de et dans une dite ''substance de l'espace''.

Rappelons que, suivant ces hypothèses, l'électron et le positron sont des ondes énergétiques (de même que la lumière) qui ont été ''matérialisées'' lors de leur formation dans les disques d'accrétion des étoiles par un champ magnétique transversal. Celui-ci fournit à l'électron et au positron une nouvelle énergie de rotation de caractère symétrique (à droite et à gauche) qu'elles conservent au repos aussi bien qu'en mouvement. Cette onde rotationnelle de nature magnétique est dite ''onde de structure'', elle ''rigidifie'' l'onde énergétique (c'est la même onde qui tourne). Au repos c'est un disque, en mouvement c'est un vortex.

Ainsi ces ondes acquièrent une nouvelle nature, celle de particules élémentaires de matière. Ce sont les seules particules élémentaires et les seules ''ondes électromagnétiques''. Elles existent l'une et l'autre (matière et antimatière) en liaison constante et en nombre déterminé dans les noyaux atomique des divers éléments et assurent ensemble les phénomènes magnétiques d'attraction et de répulsion (voir le chapitre N°4 du blog ''La matière,l'atome, l'électron'' paragraphe N°424).

De ces hypothèses on peut déduire que le plasma défini précédemment ne désigne pas une matière particulière constituée, c'est plutôt une substance en attente de formation de matière comme pourrait l'être la dite ''matière noire'', ou bien le magma de la matière (des éléments chimiques) en formation dans les étoiles (voir le chapitre N° 5 du blog ''La création de la matière'').

En effet les plasmas naturels principaux constituent la matière des étoiles en activité, les nébuleuses, les quasars et pulsars, les aurores boréales, les vents solaires, les éclairs, l'ionosphère. Ils représentent très probablement plus que 99,9 % de la matière connue.

Ces plasmas naturels peuvent être classés en fonction de leur densité, de leur température et de leur degré d'ionisation. Ces trois concepts sont liés entre eux au sein de chacun des plasmas, c'est pourquoi un classement définitif n'est pas possible. Par convention, les plasmas fortement ionisés sont nommés ''plasmas chauds'' par opposition aux ''plasmas froids'' faiblement ionisés.

La définition du critère d'ionisation est << l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une molécule. L'atome ou la molécule perdant ou gagnant des charges n'est plus neutre électriquement. Il est alors appelé ion. L'ionisation peut être due à :

* des causes physiques telles qu'un niveau élevé de potentiel électrique, la présence de radiations, ou une température élevée ;

* des causes chimiques, telles qu'une dissolution dans un solvant polaire ;

* la structure même de la matière comme celle des sels fondus des liquides ioniques, ou des structures cristallines. >> Wikipédia https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89tat_plasma

L'ionisation n'est pas une phase de transition brusque entre un état de matière et un état de plasma, la réciproque n'est pas non plus instantanée.

Il existe également des plasmas artificiels que l'on trouve dans diverses applications courantes comme les grands écrans de télévision, les grands écrans indicateurs, les décharges de disjoncteurs, les lampes et tubes fluorescents, etc. De plus en plus d'industries utilisent des plasma pour traiter les surfaces, la gravure, le dopage par implantation ionique, la découpe par torche, le traitement des déchets, la stérilisation, etc.

Ces plasmas industriels et ceux d'un usage courant, bien qu’insoupçonné, sont considérés comme des plasmas froids par comparaison avec les plasmas chauds constituant la couronne des étoiles et, pour les plus chauds, le cœur des étoiles naissantes. Les nucléons qui y sont en formation grâce au champ magnétique de leur disque d'accrétion, acquièrent une très grande énergie de masse permettant leur fusion et la création de tous les éléments chimiques. La température de ces plasmas peut alors atteindre des millions de Kelvin (20 millions de degrés à la couronne solaire).

Voici une image qui situe la place des différents plasma dans l'échelle des températures :

Les différents plasmas en fonction de leur température par rapport à leur densité.

Par Jafet.vixle sur Wikipédia anglais https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4581325

4) INTERACTION DES PARTICULES DE PLASMA

Chacune des études et thèses rédigées sur ce sujet publiées sur internet abordent cette interaction dans une optique particulière car les conditions d’existence d'un plasma et celles dans lesquelles cette matière est étudiée sont extrêmement diverses. D'autre part la lecture de ces thèses montre que les chercheurs ont beaucoup de difficultés à utiliser les équations et les modes de calcul de la ''mécanique'' quantique dans l'étude des phénomènes existant dans le plasma. En effet, il nous parait presque impossible de se servir des données, concepts et raisonnements de type mécanistes, relatifs à notre échelle macroscopique, en les appliquant à des particules subatomiques qui, en plus dans la réalité, se conduisent comme des ondes. C'est pourtant comme des boules entraînées dans un système mécanique incohérent que les thèses des scientifiques traitent généralement les particules de plasmas. Tout l'effort de leurs études consiste à simplifier le contexte pour tenter d'y trouver une rationalité.

Le texte suivant, extrait du site de Wikipédia :

https://fr.wikipedia.org/wiki/Physique_des_plasmas

montre toute les difficultés rencontrées par la physique théorique actuellement en cours, pour modéliser scientifiquement (mathématiquement) la configuration des particules à l’intérieur du plasma, pour déterminer la réalité de leur interaction et l'évolution de cette interaction en fonction des rayonnements électromagnétiques en provenance de l’extérieur.

<< Modélisation mathématique

Il existe de nombreux modèles mathématiques adaptés aux différents types de plasmas. Ils font tous appel à un couplage entre les équations d'évolution des particules et du champ électromagnétique. Le grand nombre d'équations et de degrés de liberté (3 d'espace, 3 de vitesse, plus le temps) classe les problèmes de la physique des plasmas parmi les plus difficiles à résoudre numériquement.

La plupart du temps, on considère que les particules sont influencées par le champ électromagnétique moyen : c'est l'approche de Vlassov. À l'inverse, on peut considérer toutes les interactions entre particules : c'est l'approche de Fokker-Planck, qui est naturellement beaucoup plus complexe.

Pour modéliser l'évolution du champ électromagnétique, on utilise classiquement les équations de Maxwell. Si les effets du champ magnétique sont faibles, on peut se contenter de l'équation de Poisson de l'électrostatique. Ces équations sont couplées aux précédentes par les termes sources de densité de charge et de courant du plasma. Ceux-ci sont obtenus à partir des moments de la distribution en vitesse.

Suivant les cas, on pourra également considérer ou non l'effet de collisions entre particules (interactions à très courte portée). Si les collisions sont suffisamment nombreuses, la distribution en vitesse des particules tend vers un équilibre Maxwellien local : c'est la limite fluide.

Une approximation courante consiste à considérer un seul fluide moyen pour toutes les particules du plasma : c'est la magnétohydrodynamique (ou MHD), qui permet notamment de modéliser le vent solaire. >>

Il apparaît en évidence qu'un modèle mathématique basé sur la statique et la dynamique des corps et qui utilise essentiellement des équations de mécanique des fluides, ne suffit pas pour étudier l'interaction de particules qui sont en fait des ondes électromagnétiques.

Dans le cas que nous étudions dans cette rubrique, il s'agit de l'action d'un rayonnement laser de très haute énergie et de pulsations ultra courtes sur un plasma de type (WDM) matière dense et tiède. Notre but sous-jacent serait de montrer que l'adoption des hypothèses de la physique des ondes pourrait faire entrevoir la possibilité d'aboutir à une fusion d'atomes à une température réduite sinon froide. Cette fameuse ''fusion froide'' espérée par beaucoup comme un miracle et que la science actuelle déclare aussi impossible à réaliser que la transmutation des métaux.

5) LES ONDES DANS LES PLASMAS

Pour définir l'interaction d'un rayonnement laser sur un plasma, il nous faut donc étudier l'action d'ondes très cohérentes et de fréquence bien déterminée sur un ensemble d'éléments disparates mais qui ont l'avantage, suivant nos hypothèses, d'être tous (ions compris) constitués d'électrons-positrons (seule particule élémentaire). En plus ces particules sont des ondes et il m’apparaît nécessaire de l'exprimer une nouvelle fois ci-dessous.

Les électrons sont des ondes électromagnétiques qui se manifestent d'une part par des rayonnements de type lumière dont l'expression énergétique se calcule en hertz, d'autre part par des phénomènes magnétiques (attraction répulsion) dus à la rotation des électrons-positrons sur eux-même (spin) dont la fréquence peut s'exprimer également en hertz. Ces deux expressions sont liées (rapport gyromagnétique), comme le sont les ondes cinétique et magnétique dans la même particule (c'est la même onde qui tourne, au repos c'est un disque orienté, en mouvement c'est un vortex).

La fréquence des ondes cinétiques de type lumière émises ou reçues par les électrons varie sur toute l'échelle des fréquences jusqu'à la fréquence des rayons X, et même jusqu'aux rayonnements gamma, compte tenu de l'émission possible des harmoniques supérieurs. La rotation (le spin) de l'électron est permanent. A l'intérieur de l'atome, sa fréquence varie dans un domaine qui va des radiofréquences jusqu'à l'infrarouge, ce qui correspond à des électrons dont la fréquence énergétique correspond à celle de la lumière visible. Lorsque la fréquence énergétique de l'électron atteint le domaine de l'ultra-violet, il s'agit d'électrons libres qui n'ont plus de rapport avec leurs protons.

C'est donc à partir de ces données que nous poursuivons l'étude de l'interaction laser-plasma.

Bien qu'il soit constitué de particules disparates, un plasma doit être considéré comme un milieu spécifique caractérisé, comme nous l'avons vu par sa température, sa densité et son ionisation, mais il possède aussi des propriétés physique particulières comme par exemple sa viscosité.

Étant constitué d'ondes énergétiques et magnétiques élémentaires, lorsqu'il est soumis à en champ magnétique extérieur, à une collision de particules chargées ou à un rayonnement, ce milieu plasma réagit collectivement. Cela se traduit par la circulation d'une série d'ondes qui, suivant ''l'attaque'' extérieure, fait réagir l'ensemble des particules de différentes façons, suivant les caractéristiques propres à chaque plasma. Diverses ondes produites se traduisent aussi bien mécaniquement (de type sonore) que par rayonnement (de type lumière) ou par la création d'un champ magnétique.

Dans un plasma attaqué, les électrons, éléments négatifs libres, sont les plus mobiles. Leur charge énergétique s'exprime alors par leur fréquence appelée ''fréquence de plasma électronique'', ou pulsation plasma. Les ions qui sont des amas d'électrons-positrons (suivant nos hypothèses), généralement des nucléons ou des fractions de nucléons, sont les éléments neutres, négatifs (anions) ou positifs (cations). Ces derniers, dans le cas des plasmas neutres sont en équilibre magnétique avec les électrons. Dans le cas d'un plasma soumis à l'action d'une charge ou d'un champ, cet équilibre est modifié. Le nouveau champ magnétique qui les relie s'exprime par la fréquence de rotation des particules ioniques qui est appelée ''fréquence de plasma ionique''. Nous verrons que dans les plasmas, la fréquence plasma électronique est beaucoup plus élevée que la fréquence plasma ionique.

<< Pour qu'une onde électromagnétique puisse pénétrer un milieu plasma, sa pulsation doit être supérieure à la pulsation plasma du milieu en question et donc ce dernier se comporte comme un filtre passe haut. Par exemple l'ionosphère qui se comporte comme un plasma, laisse passer les signaux des satellites considérés comme des signaux à haute fréquence, mais réfléchit les ondes radios qui ont des fréquences inférieures à la fréquence plasma de ce milieu. >> Wikipédia

Lorsque on parle d'onde électromagnétique, cela signifie pour nous ''électron'', mais la remarque précédente s'applique également aux ondes de type lumière qui peuvent donc agir sur les électrons du plasma par mise en résonance avec l'onde plasma électronique. De même, un champ magnétique extérieur peut agir sur un plasma à partir du seuil de pulsation ionique.

Lorsqu'ils réagissent à un rayonnement ou à un champ magnétique extérieur, les plasmas chauds et les plasmas froids ont des comportements différents. Dans l'optique que nous avons fixé précédemment, étudions ces réactions diverses qui sont fonction des constitutions et des caractéristiques physiques spécifiques à ces deux types de plasmas.

Nous devons auparavant préciser la différence existant entre la notion de chaleur et celle d'énergie car, bien qu'elles soient liées, ces notions sont trop souvent confondue. La physique des ondes sait que leur lien réside dans la double nature d'onde de l'électron, l'une qui est un rayonnement de type lumière mesure le degré d'énergie de la particule, l'autre nature dénommée onde de structure est un mouvement de rotation (spin) à l'origine du magnétisme. Nous avons exposé précédemment le rapport de fréquence de ces ondes et indiqué l'échelle de leur fréquence pour des électrons existant à l'intérieur des atomes et pour des électrons libres.

L'autre hypothèse fondamentale de la physique des ondes (voir le chapitre initial N°4 du blog) réside dans le fait que l'électron-positron est la seule particule fondamentale de la matière de sorte que les nucléons sont constitués de brochettes d'électrons et de positrons qui, au repos, sont des disques animés de mouvement de rotation de la même échelle harmonique de fréquence que le spin de l'électron. En effet, l'attachement vibrationnel entre un électron et le proton auquel il est lié entraîne la mise en résonance du spin de l'électron avec celui du proton. La fréquence de rotation correspondante est appelée fréquence de Larmor. Par contre, lorsque l'énergie de l'électron atteint la fréquence des UV et qu'il quitte son atome (électron libre), le nucléon correspondant retrouve progressivement le repos et sa fréquence de rotation descend lentement de l'infrarouge à une fréquence dite fondamentale.

La masse d'un électron est très faible et son mouvement de spin ne peut stocker l'énergie. Toute la masse de la matière réside dans les noyaux des atomes qui, lorsqu'ils sont excités, constituent la base de stockage de leur énergie de rotation. Cette excitation et cette masse sont la cause et le support de ce qui est appelé ''chaleur'' dont on peut mesurer la température. C'est cette chaleur que nous avons l'habitude de ressentir dans notre chair humaine et qui représente l'essentiel et la permanence de nos relations avec le milieu qui nous est extérieur.

Il en est de même pour les relations énergétiques de toute matière à l'échelle de fréquence indiquée. Compte tenu des masses en relation qui jouent un rôle de stockage, ces échanges sont normalement lents et diffus mais la puissance de l'énergie en jeu peut être considérable. L'énergie dite atomique qui se manifeste lors de la fission violente des atomes lourds en est l'expression. Il est néanmoins probable que la fusion froide d'atomes légers ne pourrait fournir une telle énergie spontanée, même si on réussit à la forcer brutalement.

Compte tenu de ces explications, ce qui détermine la chaleur d'un plasma, c'est la proportion du nombre d'ions qu'il contient et le degré de leur excitation. Ainsi un plasma dont les électrons sont très excités, dont la fréquence énergétique est élevée (sans compter celle des possibles harmoniques) peut être qualifié de plasma froid si ce plasma est peu ionisé, c'est à dire si ses ions sont peu excités, même si leur densité est forte dans ce plasma. Inversement un plasma est dit chaud s'il est très ionisé (ions denses et excités) même si ses électrons sont relativement peu excités.

6) LES PLASMAS CHAUDS

Vous pouvez trouver au chapitre N°5 ''La création de la matière'' au début du blog, une proposition imaginative du processus de formation des électrons-positrons et des nucléons dans le plasma des étoiles. Il s'agit d'une description non scientifique évidemment.

Il apparaît que la science ne possède pas de doctrine véritablement confirmée concernant :

* La création de la matière dans un big-bang, la nucléosynthèse primordiale (hydrogène, hélium, lithium, béryllium et leurs isotopes).

* La naissance des étoiles, la formation des planètes, le rôle des nébuleuses, la vie des étoiles.

* La dimension de l'univers, le mouvement des galaxies.

* La matière dite noire, les trous noirs, les antiparticules, etc. etc.

Mais les scientifiques paraissent posséder une meilleure connaissance de la nucléosynthèse stellaire qui est la formation des éléments lourds dans les étoiles à partir de l'hydrogène et de l'hélium (fusion chaude). << Au fur et à mesure des fusions, l’étoile forme des éléments de plus en plus lourds jusqu'au fer. Le cœur de l'étoile gagne en masse jusqu'à s'effondrer sous son propre poids en expulsant les couches externes de l'étoile. Les éléments plus lourds que le fer (Z > 26) sont formés lors de cette explosion : c’est la nucléosynthèse explosive. >>

https://www.lelivrescolaire.fr/page/6623382

Notre savoir provient de l'étude du soleil qui est l'étoile en fonctionnement à notre portée et dont nous tirons notre énergie et notre vie. C'est ainsi que l'on espère réaliser sur terre la fusion de l'hydrogène à haute température afin d'en tirer l'énorme énergie que cette fusion pourrait libérer. Voici, extrait du site suivant et exprimé en degrés Celsius, une représentation qui détermine la température régnant dans les différentes parties de cet astre.

https://www.notre-planete.info/actualites/4291-temperatures-soleil-couronn

Les différentes couches du Soleil et leurs températures respectives ©

notre-planete.info / NASA

Le noyau central, la plus chaude, est le lieu de la nucléosynthèse où se forment les éléments chimiques les plus lourds à partir de la fusion de l'hydrogène et de l'hélium. Pour réaliser sur terre cette fusion comme il est envisagé de le faire dans ITER et comme l'ont montré les expériences faites par confinement inertiel magnétique dans les tokamaks, il faudrait atteindre 150 millions de degrés Celsius pour le démarrage de la fusion.

La photosphère, ''la peau'' de l'astre est la zone d’où émerge la lumière visible, c'est à dire les rayonnements diffusés par les électrons du plasma. Sa température moyenne est de 6000 °C.

<< L’analyse du spectre de la photosphère solaire est très riche en information en particulier sur la composition chimique du Soleil. La photosphère est maculée d'une granulation qui lui donne l'aspect d'une peau d'orange. Ce sont des sphères d'environ 1 000 km de diamètre, composées de gaz chaud remontant vers la surface à près de 500 mètres par seconde, qui lui donnent cet aspect. La surface atteinte, elles irradient leur énergie et, une fois refroidies, replongent dans l'étoile. Chaque sphère de granulation dure huit minutes en moyenne. >> Wikipedia

La chromosphère forme une sorte d'atmosphère au soleil d'une épaisseur d’environ 2000 kilomètres. Sa température augmente graduellement avec l’altitude.

La couronne solaire est un plasma totalement ionisée de très faible densité. La couronne est composée de 73 % d’hydrogène et de 25 % d’hélium. << Cette masse gazeuse s'étend sur près de dix millions de kilomètres (environ 70 fois le rayon du Soleil) au-dessus de la surface solaire (photosphère). Lors d'une éclipse totale de soleil, elle apparaît autour du disque lunaire noir comme un anneau lumineux au pourtour irrégulier. >> Wikipédia

Sa température est de l’ordre du million de degrés c'est-à-dire qu'elle est 166 fois plus grande que celle de la photosphère, ce qui est inattendu et encore difficilement compris par la science. Cette couronne est le siège d'un mouvement de plasma chaotique et permanent en forme de boucles dont le mécanisme a eu plusieurs explications successives : existence de champs magnétiques externes, jets de plasma internes au soleil... et autres.

Une nouvelle explication est donnée par un processus dit de ''reconnexion magnétique'' qui fait intervenir une discipline scientifique particulièrement bien adaptée au phénomène plasma. Il s'agit de la magnétohydrodynamique (MHD) qui décrit le comportement d'un fluide conducteur du courant électrique en présence de champs électromagnétiques.

Ci dessous une compilation de textes extraits de Wikipédia et du site suivant :

https://www.lpp.polytechnique.fr/La-reconnexion-magnetique

<< La reconnexion magnétique est le mécanisme qui permet de convertir brutalement l'énergie stockée dans un champ magnétique en d'autres formes d'énergie. Ce mécanisme intervient dans quasiment tous les plasmas magnétisés....La reconnexion magnétique est un phénomène plasma universel et important. Nous pensons aujourd’hui qu’il est à l’origine de nombreux phénomènes éruptifs et explosifs dans le système solaire ainsi que dans des environnements astrophysiques plus lointains. >>

<< Selon la théorie de la magnétohydrodynamique (MHD) résistive, la reconnexion magnétique se produit parce que la résistivité électrique du plasma près de la couche limite s'oppose au courant électrique nécessaire pour soutenir le changement de topologie du champ magnétique.... On pense par exemple, que la reconnexion magnétique dirige le vent de plasma que souffle notre Soleil. Le phénomène serait ainsi à l'origine des éruptions solaires et des éjections de masse coronale, mais il affecterait aussi la propagation de ces éjections. >>

<< Conjointement aux observations satellites, le Laboratoire de Physique des Plasmas (LPP) étudie les mécanismes gouvernant l’évolution de la reconnexion magnétique et son impact sur son environnement via une simulation numérique. Selon l’échelle considérée, le (LPP) utilise des codes aux approximations différentes. Certains codes traitent le plasma comme un fluide, d’autres comme un ensemble de particules, et d’autres encore sont hybrides et traitent les ions comme des particules et les électrons comme un fluide. Les simulations numériques permettent, de façon complémentaire aux observations satellites, d’isoler certains mécanismes physiques dans un cadre simplifié et reproductible. >>

Pour la physique des ondes, le plasma en mouvement peut bien être qualifié et traité comme un fluide ''hydraulique'' . Mais il est constitué non de particules ''boules'' mais de particules ''ondes doubles'' qui sont, soit des ondes à dominante ''dynamique'' (les électrons), soit des ondes à dominante ''magnétique'' (les ions). Les jets de plasma provenant des éruptions de magma solaire qui constituent la couronne solaire sont donc composés de deux ''fluides'', l'un est fait de particules légères (électrons libres) mais très énergétiques, animés d'une grande vitesse qui vont former le vent solaire, l'autre est composé de particules chaudes plus massiques (les ions).

Ce sont ces dernières particules qui forment ces boucles de plasma ionisé à très haute température constituant la couronne solaire. Elles sont émises en permanence mais avec violence lors des explosions de magma et retombent à la surface du soleil comme le ferait l'éclair de la foudre ou l'arc électrique d'une décharge électrostatique. Ces phénomènes disruptifs de ''reconnexion magnétique'' sont traités selon la théorie de la magnétohydrodynamique, comme nous venons de le voir. Le résultat de cette étude est particulièrement important pour l'avenir des tokamaks et de ITER en particulier, car la puissance des champs magnétiques de confinement employés dans ces installations les rend extrêmement vulnérables à ce type d'incident qui peut être catastrophique.

7) LA FUSION CHAUDE

Nous avons étudié la fission et la fusion de l'atome dans notre rubrique N°13 ''L'énergie de liaison du noyau atomique''. L'étude des nucléons et de leur masse se trouve dans la rubrique N°24. Il ne m'est pas possible de reprendre ces textes dans la présente rubrique. Pour faire court, voici une définition et des extraits tirés du site de Wikipedia dont voici l'adresse :

https://fr.wikipedia.org/wiki/Fusion_nucl%C3%A9aire

<< La fusion nucléaire dégage une quantité d’énergie colossale par unité de masse, provenant de l’attraction entre les nucléons due à l’interaction forte (voir énergie de liaison nucléaire). La masse du ou des produits d'une réaction de fusion étant inférieure à la somme des masses des noyaux fusionnés, la différence est transformée en énergie cinétique puis en chaleur. >>

Cette réaction de fusion nucléaire est difficile à réaliser, même pour des atomes très simples comme ceux de l'hydrogène ou de son isotope le deutérium car il faut rapprocher deux noyaux qui ont une tendance naturelle à se repousser. Pour tenter de récupérer l'énergie de fusion de ces particules, les physiciens ont expérimenté plusieurs techniques à base de plasma compressé et chauffé dont deux principales : La fusion par confinement magnétique et la fusion par confinement inertiel par laser.

<< La fusion chaude de plasma par confinement magnétique (FCM) est une méthode de confinement utilisée pour porter une quantité de combustible aux conditions de température et de pression désirées pour la fusion nucléaire. De puissants champs électromagnétiques sont employés pour atteindre ces conditions. Le combustible doit au préalable être converti en plasma, celui-ci se laisse ensuite influencer par les champs magnétiques. >>

Les premières expériences de fusion chaude ont été étudiées et tentées dans les années 1930 par des laboratoires dans plusieurs pays mais c'est au début des années 1950 que le confinement du plasma chaud a pu être réalisé en Union Soviétique dans des installations appelées tokamaks, du Russe « chambre toroïdale avec bobines magnétiques ». En 1968 des chercheurs Russes parvinrent à atteindre des niveaux de température et des temps de confinement du plasma jamais encore obtenus. Ils ont réussi à dépasser la température de dix millions de degrés Celsius pendant 20 millisecondes.

Le concept du tokamak permet le confinement du plasma à l’intérieur d'une chambre en forme de tore grâce à l'établissement d'un champ magnétique spécialement tordu en forme de ''poloïde''. (Cela ressemble à ce que nous avons vu précédemment dans les onduleurs).

Ce concept de tokamak se généralisa dans la recherche de nombreux pays développés.

* Le Joint European Torus (JET) de Culham, au Royaume-Uni, mis en service en 1983 et utilisé collectivement par EURATOM (Communauté européenne de l'énergie atomique) a réalisé une première mondiale en produisant de l'énergie de fusion de manière contrôlée.

* Le tokamak Tore Supra du centre de recherche nucléaire de Cadarache détient le record de durée d'un plasma (6 minutes et 30 secondes).

* Le JT-60 japonais a réussi un record de la valeur du triple produit (densité, température, temps de confinement). Aux Etats-Unis, des installations de fusion ont obtenu des températures de plusieurs centaines de millions de degrés Celsius.

* Le TFTR aux Etats-Unis est le premier tokamak à atteindre en 1995 une température record de 510 millions °C

* Le EAST en Chine a maintenu son plasma dans un confinement de haute énergie pendant plus de 100 secondes à une température de 100 millions de degrés.

Les textes suivants sont extraits du site ''Les Objectifs d'ITER''https://www.iter.org/fr/sci/beyonditer

<< Ces prouesses ont permis à la science de la fusion de se rapprocher du ''breakeven'', le point d'équilibre énergétique du plasma qui correspond au moment où, dans une installation de fusion, un plasma libère au moins autant d'énergie qu'il en a reçu pour la produire (chauffage). Ce breakeven n'a jamais été atteint à ce jour. Le record actuel est détenu par JET, qui est parvenu à restituer sous forme d'énergie environ 70 % de la puissance qui lui avait été apportée. >>

<< La quantité d'énergie de fusion qu'un tokamak peut produire dépend du nombre de réactions de fusion qui se produisent en son cœur. Plus l'enceinte est grande (et donc également le volume de plasma) plus grand sera le potentiel de production d'énergie de fusion. Avec un volume de plasma dix fois supérieur à celui de la plus grande machine de fusion opérationnelle aujourd'hui, le tokamak ITER sera un outil expérimental unique, capable de générer des plasmas de longue durée. La machine a été spécifiquement conçue pour produire 500 MW de puissance de fusion pendant 400 secondes, étudier les plasmas dans les conditions qui seront celles d'une centrale de fusion électrogène et tester des technologies telles que le chauffage, le contrôle, le diagnostic, la cryogénie et la télémaintenance. >>

Citons maintenant Wikipédia sur le site : https://fr.wikipedia.org/wiki/ITER

<< Le Réacteur thermonucléaire expérimental international, (ITER) est un projet international de réacteur nucléaire de recherche civil à fusion nucléaire de type tokamak, situé à proximité du centre d’études nucléaires de Cadarache à Saint-Paul-lez-Durance (Bouches-du-Rhône, France). Le projet de recherche s'inscrit dans une démarche à long terme visant à l'industrialisation de la fusion nucléaire. Il associe trente-cinq pays : ceux de l'Union européenne ainsi que le Royaume-Uni, l'Inde, le Japon, la Chine, la Russie, la Corée du Sud, les États-Unis et la Suisse. >>

<< L'entrée en activité et la production du premier plasma est prévue pour décembre 2025 et la création du premier plasma de deutérium-tritium est prévue pour 2035. Selon les promoteurs du projet, la démarche à long terme visant à l'industrialisation de la fusion nucléaire nécessiterait de construire ensuite un second réacteur de recherche DEMO proche d'un réacteur de production, puis PROTO, un réacteur à valeur de prototype industriel, avant la phase industrielle proprement dite.>>

<< ITER est le plus grand projet scientifique mondial actuel. Par sa complexité et par son budget hors-norme, ce projet de haute technologie peut être comparé au Programme Apollo. Il est sujet à de nombreuses controverses, notamment concernant le montant des subventions sur fonds publics, passé de 5 à 19 milliards d'euros. >>

Il existe d'autres problèmes qui portent atteinte à la crédibilité de cet énorme investissement :

* La maîtrise indispensable des phénomènes de disruption.

<< Dans tous les plasmas confinés par des champs magnétiques, il existe en effet une limite de pression au-delà de laquelle des instabilités globales se déclenchent. Ce sont des instabilités macroscopique, c’est-à-dire à grande échelle, par opposition aux instabilités responsables de la turbulence qui sont à l’échelle microscopique. Leur effet est pire qu’une augmentation de turbulence, car elles entraînent une perte totale et immédiate du confinement du plasma. >>

https://lenergeek.com/2017/01/06/le-confinement-magnetique-des-plasmas-thermonucleaires-progresse/

* Les très puissants champs magnétiques qui seront nécessaires pour confiner le plasma dans ITER.

Nous avons déjà parlé de ''la reconnexion magnétique'' dont le processus intervient dans la couronne solaire et qui est un phénomène éruptif et explosif intervenant dans tous les plasmas fortement magnétisés soumis à des turbulences de types magnétiques.

Notons que dans les années 2010 ont été mis au point des tokamaks sphériques qui ont des cellules de confinement sphériques au lieu de toriques. Je cite wikipédia:

https://fr.wikipedia.org/wiki/Tokamak_sphérique

<< Leur fonctionnement se base sur le principe du tokamak traditionnel torique mais en fonction des expérimentations faites à ce jour, le rapport entre le rendement énergétique et le volume de plasma confiné serait d'un ordre supérieur et la stabilité du plasma serait aussi bien meilleure (certaines estimations évoquent un ordre 10 fois supérieur) . La recherche est beaucoup plus jeune que celle sur les tokamaks toriques, les expériences sont en plus faible nombre et sur des dispositifs de plus petite taille. Les estimations sur les potentialités de ce type de tokamak restent donc à confirmer avant de pouvoir passer à l'étape de la construction d'un dispositif "démo" (préfiguration d'un réacteur produisant de l'énergie). Mais actuellement la priorité est donnée au tokamak traditionnel qui est à l'étape de "pré-démo" avec la construction d' ITER. >>

<< La fusion chaude de plasma par confinement inertiel par laser consiste à faire fusionner deux noyaux atomiques légers en un noyau atomique plus lourd (par exemple le deutérium et le tritium en hélium), en utilisant des lasers de très forte puissance.Le but est d'amorcer une réaction de fusion nucléaire sur un petit échantillon cible, par confinement inertiel. La réaction de fusion peut alors produire une quantité d'énergie supérieure à celle utilisée pour provoquer la réaction. >>

<< Cette réaction nécessite des conditions de température et de pression très élevées (plusieurs millions de degrés) fournies par de puissants lasers disposés tout autour de la cible de combustible. L'échantillon va alors se vaporiser sous forme de plasma. Il est aussi nécessaire de confiner la matière dans un très petit volume pour conserver une quantité suffisante à l'obtention de la masse critique. Sous l'effet de la pression exercée par les lasers et de la très forte agitation moléculaire, l'énergie produite par les chocs entre atomes, permet de passer la barrière coulombienne et provoque la fusion atomique.Cette réaction exothermique constitue le gain d'énergie recherché. >>

Des prototypes ont été ou sont en cours de réalisation :

Le projet Laser Mégajoule initié par la France,

Le projet américain National Ignition Facility.

Le projet européen HIPER

A l'origine ces appareils font partie d'installations destinées à simuler les essais d'armes nucléaires. Le ralentissement de ces essais, leur coût et les vives oppositions rencontrées, ont contraint les partisans du confinement inertiel de revenir à un plus ancien procédé, celui de fusion par confinement magnétique qui semblait plus prometteur de résultat en terme de production d'énergie.

8) LES PLASMAS FROIDS

9) LA FUSION FROIDE

10) INTERACTION LASER PLASMA

J'avais prévu de traiter ces trois derniers chapitres dans la présente rubrique N°32. Celle-ci atteint la 15ème page après 5 mois de travail. C'est un faible rendement. Cela montre la difficulté que mon cerveau rencontre maintenant pour s'imprégner d'un sujet, l'explorer dans l'optique et suivant les hypothèses de la physique des ondes, pour contrôler la pertinence des concepts et des thèses correspondantes, pour élaborer une présentation des faits et de leur analyse, pour les transcrire sans les édulcorer et enfin rédiger un texte le plus clair et accessible par tous.

Ces trois derniers chapitres me demandent encore plusieurs mois de travail. Je crois savoir jusqu’où je peux aller dans l'élaboration d'une thèse dans ce domaine. En effet, fin 2015 et début 2016 j'ai déjà étudié ''La chaleur dans l'atome'' et ''La physique des atomes froids'' et j'ai rédigé les rubriques N°10 et 11 sur ces sujets. Par contre j'ai besoin de travailler l'important domaine du ''plasma froid'' et d'associer à cette matière l'outil que nous fournit le laser X.FEL, en supposant que la réalisation d'une ''fusion froide'' de l'hydrogène soit possible et rentable au moins en théorie.

Merci de me suivre, j'espère en septembre 2021, sur la rubrique N°33.