Sur la physique atomique des ions dans les plasmas en présence de l'écrantage

Screening in atomic physics of ions in plasmas

• Auteur / Autrice : Jean-Christophe Pain
• Direction : Jacques Bauche
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2002
• Etablissement(s) : Paris 11

Mots clés

Mots clés libres

Plasma

Thermodynamique

Réponse linéaire

Superconfiguration

Résumé

L'objectif de ce travail de thèse est d'amèliorer la caractérisation des différentes espèces ioniques présentes dans les plasmas. La modélisation de la thermodynamique de ces plasmas est importante, notamment pour décrire leur capacité à absorber le rayonnement électromagnétique. L'écrantage des ions par les électrons libres joue un rôle capital dans cette thermodynamique. Le nombre de configurations électroniques du plasma est considérable, ce qui rend leur traitement détaillé prohibitif. Une approche récente fondée sur l'approximation des "supraconfigurations" permet de regrouper les configurations électroniques des ions en quelques centaines ou milliers de supraconfigurations pertinentes. Chaque supraconfiguration est caractérisée par un potentiel ainsi qu'une base d'états quantiques à un électron qui sont calculés de manière auto-cohérente. Ce travail de thèse constitue une amélioration de la méthode des supraconfigurations, prenant en compte l'écrantage des ions par les électrons délocalisés et assurant simultanément que chaque espèce ionique a le même environnement plasma. Ainsi, l'approche proposée assure non seulement la neutralité électrique du plasma, mais aussi, en faisant varier les volumes des sphères ioniques, l'égalité de la pression électronique du plasma autour de chaque ion. Cette égalité est obtenue par un calcul itératif fondé sur la méthode de Newton multi-dimensionnelle. Ce calcul est complexe mais la méthode converge et permet, dans le cas de plasmas de fortes densités (de l'ordre de la densité du solide), de mieux tenir compte de phénomènes d'ionisation par pression. L'impact de cette nouvelle approche thermodynamique sur le calcul de spectres de photo-absorption a été étudié. Des comparaisons avec des spectres expérimentaux obtenus au laboratoire LULI ont été effectuées. Une nouvelle règle de somme concernant la densité dipolaire induite a été obtenue dans le cadre d'une étude de la réponse linéaire dynamique.

This work is an improvement of the characterisation of ionic species in plasmas. Thermodynamical modelling of these plasmas is important, especially in order to describe their ability to absorb radiations. The screening of ions by free electrons plays a crucial role in these thermodynamics. The number of electronic configurations in the plasma is huge, which makes their individual treatment prohibitive. A recently developed approach based on the "superconfiguration" approximation enables to group electronic configurations into several hundreds or thousands of relevant superconfigurations. Each superconfiguration is characterised by a potential and a one-electron-quantum-state basis calculated in a self-consistent way. The present work consists in a improvement of the superconfiguration method, in which the screening of ions by free electrons is taken into account and each ionic specie has the same plasma environment. Therefore, the proposed approach not only assures that the plasma is electrically neutral, by also gives, varying the volume of each ion sphere, the equality of the electronic pressure around each ion. This equality is obtained by a multi-dimensional Newton method. The latter calculation is complex but the method is definitely convergent and allows, in case of high-density plasmas (about density of solids) to take pressure ionisation phenomena into account. The influence of the new thermodynamics on photo-absorption spectra has been studied. Comparisons with experimental spectra obtained in LULI laboratory have been investigated. In the framework of dynamic linear response theory, a new sum rule for the induced dipolar density has been developed.