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Strictions magnétiques - X-pinch

 Généralités

Le phénomène du pincement magnétique (ou encore striction magnétique, en anglais pinch) est une caractéristique des plasmas créés par décharge à fort courant. Décrivons succinctement les phénomènes de base en donnant quelques ordres de grandeur.

En symétrie cylindrique, le courant circulant en volume ou en surface (effet de peau, skin effect) d’un conducteur, crée à l’extérieur et à une distance a de l’axe un champ magnétique orthoradial (azimuthal) B = µ0 I/(2 pi a). Les éléments de courant extérieurs (densité de courant surfacique j) sont soumis à une force de Laplace j X B dirigée vers l’axe (centripète). On peut ainsi exprimer une pression magnétique de confinement Pmag = B^2 / 2 µ0 proportionnelle au carré du courant I et inversement proportionnelle au carré du rayon a.

Donnons quelques ordres de grandeur réalistes, même avec une machine compacte.
I = 50 kA ... a = 20 µm ... B = 1000 T ... Pmag = 4 Mbar.

Cette pression met en mouvement la matière vers l’axe.

L’équilibre de Bennett.

Or, le passage du courant chauffant la matière, celle-ci voit sa pression cinétique Pkin = Ni kT + Ne kT augmenter fortement. Les deux pressions s’opposent et il peut exister un état d’équilibre où Pmag = Pkin, c’est l’équilibre de Bennett. Ce modèle est bien sûr extrêmement simplifié mais il permet de placer quelques jalons.
Des densités de 10^19 particules par cm3 et une température de quelques eV conduisent à une pression de l’ordre de celle calculée, donc à un équilibre. Cette situation est obtenue à l’issue de la phase de compression. On la qualifie parfois de période de stagnation, puisqu’au delà la pression cinétique s’oppose à une compression plus forte, d’autant que le courant n’est maintenu constamment par le générateur extérieur, le pincement intervenant au mieux près du maximum de courant.

 Dispositif

Les plasmas de X-pinch peuvent être créés sur des générateurs très puissants, associant un Marx et une ligne de mise en forme, mais aussi sur de machines de laboratoire compactes (table-top) dans la mesure où la masse de la cible est faible au départ.
Le générateur se termine par deux électrodes où un fil croisé est installé. Ce fil est lesté par des plombs qui assurent un bon contact aux électrodes et au croisement.

 Caractérisation électrique

Courant :

La grandeur essentielle est le courant circulant et il convient de la mesurer avec une bonne précision temporelle, en particulier pour mettre en évidence la variation brutale d’inductance qui accompagne le pincement. Cela est réalisé avec des boucles inductives réagissant à la dérivée temporelle du courant. Ces boucles sont placées au plus près du plasma pour ne compter que le courant dans la charge.

Tension :

La tension est principalement celle qui gouverne le stockage de l’énergie, en général capacitif (dans un banc de condensateurs). Une mesure de cette tension de départ est la connaissance minimale requise. Cependant un suivi temporel est nécessaire pour approcher la résistance du circuit. Cette mesure est toujours difficile aux bornes du plasma car on mesure la contribution résistive mais aussi la ddp inductive associée à la forte dérivée du courant.

 Caractérisation de la source X

Imagerie X sténopé:

C’est un principe très simple qui réalise une imagerie à profondeur de champ infinie. Un trou calibré (typiquement de 10 à 50 µm) est placé entre la source de rayonnement et le détecteur. Un filtrage du rayonnement visible-UV est réalisé par un écran en métal, par exemple 15µm de Béryllium laisseront passer les photons de plus de 600eV. On a ainsi sur un film X ou sur une caméra à micro canaux l’image de la source dans une bande spectrale choisie. Cependant la méthode est limitée aux cas où la source est plus grande que le trou. En dessous, on réalise la projection du trou. Il n’est pas possible de réduire le sténopé à l’extrême car le flux photonique tendrait vers zéro.

Imagerie X de pénombre:

Pour les sources très petites, on préfère analyser le profil de pénombre au bord d’un obstacle, trou, carré, fil, etc. Cette méthode permet de mesurer une taille de 5 à 7 µm pour un X-pinch et un rayonnement supérieur à 1 keV.

 Caractérisation du spectre X:

La technique instrumentale peut être assez simple car, la source étant ponctuelle, un cristal plan donnera directement des raies. De même un cristal convexe. Une autre option est d’utiliser un cristal courbe imageur qui donnera une résolution 2D.

Le spectre du X-pinch est celui émis par les espèces présentes dans la zone chaude du plasma, des ions multichargés.

Pour une cible d’aluminium (Z=13), on observe principalement les raies de l’ion multichargé, Al hydrogénoïde, héliumoïde et lithiumoïde. Pour les métaux plus lourds comme Cu (Z=29), Mo (Z=42), c’est la structure néonoïde qui est dominante dans l’équilibre d’ionisation. Cela donne des raies très caractéristiques. Le X-pinch de tungstène (Z=74) présente le spectre du W nickelloïde.

 Applications scientifiques:

Le X-pinch produisant une plasma chaud bref et quasi-ponctuel, il est naturellement indiqué comme source X pour la radiographie d’objets peu denses et de petite taille. A la longueur d’onde d’émission (0,2 à 1 nm, soit 5 à 1 keV), le parcours intégré k.l doit être de l’ordre de l’unité dans l’objet à radiographier.
Le X-pinch nécessitant un courant minimal, de l’ordre de 100 à 200kA, on peut l’associer à un générateur électrique dédié mais aussi utiliser une fraction du courant d’un générateur très puissant.
Ce fut le cas en utilisant l’un des poteaux de retour de courant d’un Z-pinch, ou d’un autre X-pinch, pour installer un X-pinch de radiographie. Comme on utilise l’absorption du rayonnement par le plasma principal, on parle de "backlighting".
Le rayonnement du X-pinch intervient pendant le développement du plasma principal, une certaine latitude de réglage étant fournie par la masse de la cible. Une difficulté majeure étant de s’affranchir du rayonnement propre de l’objet plasma, cette technique est en général réservée à l’observation des instants initiaux du développement d’un liner.


mise à jour mars 2013


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