Depuis environ 20 ans, Paul Bellan, professeur de physique appliquée au Caltech, et son groupe créent des jets de plasma accélérés magnétiquement, un gaz électriquement conducteur composé d'ions et d'électrons, dans une chambre à vide suffisamment grande pour contenir une personne. (Les enseignes au néon et les éclairs sont des exemples quotidiens de plasma).

Dans cette chambre à vide, des volutes de gaz sont ionisées par plusieurs milliers de volts. Ensuite, 100 000 ampères traversent le plasma, produisant de puissants champs magnétiques qui transforment le plasma en un jet se déplaçant à environ 16 km par seconde. Des enregistrements à grande vitesse montrent que le jet passe par plusieurs étapes distinctes en quelques dizaines de microsecondes.

Bellan dit que le jet de plasma ressemble à un parapluie qui s'allonge. Une fois que la longueur atteint un ou deux pieds, le jet subit une instabilité qui le transforme en un tire-bouchon en expansion rapide. Cette expansion rapide déclenche une instabilité différente, plus rapide, qui crée des ondulations.

"Les ondulations étouffent le courant électrique de 100 kiloampères du jet, un peu comme si le fait de placer votre pouce sur un tuyau d'eau limitait le débit et créait un gradient de pression qui accélère l'eau", explique Bellan. "L'étouffement du courant du jet crée un champ électrique suffisamment puissant pour accélérer les électrons à haute énergie."

Ces électrons de haute énergie avaient déjà été identifiés lors de l'expérience sur les jets grâce aux rayons X qu'ils génèrent, et Bellan affirme que leur présence était une surprise. En effet, la compréhension conventionnelle dit que le jet de plasma était trop froid pour que les électrons soient accélérés jusqu'à atteindre une énergie élevée. Notez que « froid » est un terme relatif :bien que ce plasma ait une température d'environ 20 000 Kelvin (35 500°F) – bien plus chaude que tout ce que les humains rencontrent normalement – ​​il est loin d'être proche de la température de la couronne solaire, qui est supérieure à 1 millions de Kelvin (1,8 millions de degrés F).

"La question est donc :'Pourquoi voyons-nous des rayons X ?'", dit-il.

On pensait que les plasmas froids étaient incapables de générer des électrons de haute énergie car ils sont trop « collisionnels », ce qui signifie qu’un électron ne peut pas voyager très loin avant d’entrer en collision avec une autre particule. C'est comme un conducteur essayant de faire une course de vitesse dans les embouteillages sur autoroute. Le conducteur pouvait appuyer sur l'accélérateur mais ne parcourrait que quelques mètres avant de percuter une autre voiture. Dans le cas d'un plasma froid, un électron n'accélérerait qu'environ un micron avant d'entrer en collision et de ralentir.

La première tentative du groupe Bellan pour expliquer ce phénomène était un modèle suggérant qu'une fraction des électrons parvient à éviter d'entrer en collision avec d'autres particules au cours du premier micron de voyage. Selon la théorie, cela permettait aux électrons d'accélérer à une vitesse légèrement plus élevée, et une fois plus rapides, ils pourraient voyager un peu plus loin avant de rencontrer une autre particule avec laquelle ils pourraient entrer en collision.

Une fraction de ces électrons désormais plus rapides éviterait à nouveau une collision pendant un certain temps, leur permettant d'atteindre une vitesse encore plus élevée, ce qui leur permettrait de voyager encore plus loin, créant ainsi une boucle de rétroaction positive qui permettrait à quelques électrons chanceux d'aller plus loin. et plus rapidement, atteignant des vitesses et des énergies élevées.

Mais bien que convaincante, la théorie était fausse, dit Bellan.

"On s'est rendu compte que cet argument avait un défaut", dit-il, "parce que les électrons n'entrent pas vraiment en collision dans le sens de heurter quelque chose ou de ne pas heurter quelque chose. Ils sont en fait tous déviés un peu tout le temps. Il n'y a donc pas de raison. une chose comme un électron qui entre en collision ou qui n'entre pas en collision. "

Pourtant, des électrons de haute énergie apparaissent dans le plasma froid de l’expérience à jet. Pour découvrir pourquoi, Bellan a développé un code informatique qui calculait les actions de 5 000 électrons et 5 000 ions se déviant continuellement les uns des autres dans un champ électrique. Pour comprendre comment quelques électrons parvenaient à atteindre des énergies élevées, il a peaufiné les paramètres et observé comment le comportement des électrons changeait.

Lorsque les électrons accélèrent dans le champ électrique, ils passent à proximité des ions mais ne les touchent jamais. Parfois, un électron passe si près d'un ion qu'il transfère de l'énergie à un électron attaché à l'ion et ralentit, l'ion désormais « excité » rayonnant de lumière visible. Parce que les électrons ne passent qu’occasionnellement si près, ils s’écartent généralement légèrement de l’ion sans l’exciter. Cette fuite d'énergie occasionnelle se produit dans la plupart des électrons, ce qui signifie qu'ils n'atteignent jamais de hautes énergies.

Lorsque Bellan a peaufiné sa simulation, quelques électrons de haute énergie capables de créer des rayons X sont apparus. "Les quelques chanceux qui ne s'approchent jamais suffisamment d'un ion pour l'exciter ne perdent jamais d'énergie", ajoute-t-il. "Ces électrons sont continuellement accélérés dans le champ électrique et atteignent finalement une énergie suffisante pour produire les rayons X."

Bellan dit que si ce comportement se produit dans le jet de plasma de son laboratoire de Caltech, cela se produit probablement également lors d'éruptions solaires et de situations astrophysiques. Cela peut également expliquer pourquoi des rayons X de haute énergie inattendue sont parfois observés lors d'expériences sur l'énergie de fusion.

"Il y a une longue histoire de gens qui voient des choses qu'ils pensaient être une fusion utile", dit-il. "Il s'est avéré qu'il s'agissait de fusion, mais ce n'était pas vraiment utile. Il s'agissait de champs électriques transitoires intenses produits par des instabilités accélérant quelques particules à une énergie extrêmement élevée. Cela pourrait expliquer ce qui se passait. Ce n'est pas ce que les gens veulent, mais c'est probablement ce qui arrive."

L'article décrivant le travail, "Production de queues d'électrons énergétiques à partir de rencontres binaires d'électrons et d'ions discrets dans un champ électrique sub-Dreicer", a été publié dans le numéro du 20 octobre de Physique des plasmas. et a été présenté le 3 novembre lors de la 65e réunion annuelle de la Division de physique des plasmas de l'American Physical Society à Denver, Colorado.

Plus d'informations : Paul M. Bellan, Production énergétique de queues d'électrons à partir de rencontres binaires d'électrons et d'ions discrets dans un champ électrique sub-Dreicer, Physique des plasmas (2023). DOI :10.1063/5.0167004

Informations sur le journal : Physique des plasmas

Fourni par l'Institut de technologie de Californie