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Strictions magnétiques axiales - Z-pinch

 Généralités

Le phénomène du pincement magnétique (ou encore striction magnétique) est une caractéristique des plasmas créés par décharge à fort courant. Décrivons succinctement les éléments de base.

Le courant circulant en volume ou en surface (effet de peau) d’un conducteur, crée à une distance a de l’axe un champ magnétique orthoradial de l’ordre de 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 pression s’opposent et il peut exister un état d’équilibre où Pmag = Pkin, c’est l’équilibre de Bennett.
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 l’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.

 Dispositif

Les plasmas de Z-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 entre lesquelles un fil fin est installé. ce fil est lesté par des plombs qui assurent un bon contact aux électrodes et un bon alignement sur l’axe (Z).

 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.

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 requises. 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.

 Caractérisation du spectre X

La technique instrumentale peut être assez simple car, si on lui associe une fente perpendicualire à l’axe Z, 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 Z-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 Z-pinch produit une plasma chaud bref mais qui n’est pas quasi-ponctuel comme le X-pinch. Il est naturellement indiqué comme source X pour des irradiations massives d’objets.

La fusion thermonucléaire est aussi abordée par la filière Z-pinch, par exemple sur la machine Z avec un départ sur un réseau cylindrique de fils fins. D’autres géométries sont proposées, notamment par le LPP.


mise à jour septembre 2010


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