Publié : 26 juin 2006, 13:21
explications simples pour les non-initiés
http://www.jp-petit.com/science/Z-machi ... Haines.htm
Pour les non-scientifiques :
Les lecteurs demandent si ces température ioniques dépassant les deux milliards de degrés ont effectivement été mesurées. La réponse est oui. Un phénomène déconcertant avait cependant été constaté dès 1998 dans les expériences de compression de plasma menées avec Z-machine. Ces expériences avait porté sur des montages variés. Dans l'un par exemple, quand la "cage à serin " implosait on envoyait un " gas puff ", une " bouffée de gaz " juste au centre, qui se trouvait alors comprimée. L'émission de rayons X permettait d'obtenir une mesure de la température électronique. Un plasma est un mélange "de deux espèces " : les ions, lourds et les électrons, légers. Dans un " plasma de fer ", dans du "fer ionisé" les noyaux de fer sont 50.000 fois plus lourds que les électrons ( les noyaux sont constitués de "nucléons" de masses très voisines : les protons et les électrons. Un électron est 1850 fois plus léger qu'un proton).
Un tube au néon contient également "ces deux espèces", les électrons et les ions de néon ( même si ceux-ci dans ce cas n'ont pas été complètement déshabillés de leur " cortège électronique " ). Quand le tube est en fonctionnement il contient un mélange " bitempérature " où les gaz constitué par les atomes, les ions de néon reste froid. ( vous pouvez toucher le tube avec la main ), mais où le "gaz d'électrons " est beaucoup plus chaud, porté à 10.000°. Pourquoi ne sentez vous pas cette chaleur à la main ? Parce les électrons, les pôvres, sont trop chichoux pour vous communiquer de l'énergie, de la chaleur. Par contre ils ont assez d'énergie pour exciter, par collisions, l'enduit fluorescent qui tapisse l'intérieur du tube. C'est la raison pour laquelle on les appelle des tubes fluorescents. La fluorescence est la capacité d'absorber du rayonnement et de les réemettre dans une autre fréquence. Ainsi la fluorescéine absorbe le rayonnement solaire et réemet dans le vert. Les chemises en nylon peuvent absorber du rayonnement ultra voilet et réemettre dans le visible ( c'est la "lumière noire" des boites de nuit branchées ) etc. Cet enduit blanc du tube au néon est bombardé par des électrons qui ont des énergies correspondant à la gamme de UV, mais en percutant les substances constituant l'enduit ils provoquent une réémission dans le visible. Cet enduit est composé de telle façon que lors de la réémission sa lumière soit la plus proche possible de la lumière visible. Mais ça n'est pas tout à fait le cas. C'est la raison pour laquelle la lumière des néons vous semble si " bizarre ".
Ce qu'il faut retenir c'est qu'il peut exister des milieux " bitempérature ". La raison de cette situation est que le champ électrique régnant dans le tube, lié à la mise en tension des électrodes communique prioritairement de l'énergie aux électrons, qui la rétrocèdent aux ions par collisions avec ceux-ci. Mais comme le transfert d'énergie entre gaz d'électrons et gaz d'ion est peu efficace on peut avoir un écart de température très important. Ceci est dû en particulier au fait que le milieu est raréfié. Si le tube fuit et que la pression s'accroît cette "situation hors d'équilibre" disparaît aussitôt. Fortement couplé aux ions, le gaz d'électrons se refroidit très rapidement. Alors ces électrons, moins "agités" ( la température absolue dans un gaz correspond au mouvement d'agitation thermique ) retournent sagement sur les atomes qui se désionisent, redeviennent neutres.
L'expérience de la Z-machine a conduit à une situation très curieuse. Il y a deux espèces en présence :
- Le gaz d'électrons
- Le gaz d'ions ( dans l'inox, essentiellement des noyaux de fer, chargés positivivement )
Quand les gens, depuis 1998, essayaient de rendre compte de leurs mesures ils n'avaient accès qu'à la température életronique, en effectuant des mesures sur les rayons X émis. Pourquoi le gaz d'électrons est-il dans ces expériences la principale source de ce rayonnement ? Parce qu'autour du plasma se trouve un champ magnétique très élevé. Quand les électrons, lancés à 40.000 km/s pénètrent dans cette régioin où règne ce champ magnétique intense ceci les fait spiraler. Alors ils " crient ", ils émettent un " rayonnement de freinage ". C'est en effectuant des mesures sur ces rayons X émis que les expérimentateurs ont mesuré la température de ce gaz d'électrons : 35 millions de degrés dans les expériences dont on rend compte dans le présent papier.
Mais à l'aide de formules ( la "formule de Bennett" ), s'ils tentaient d'évaluer la température que devaient avoir les ions fer pour contrebalancer l'énorme "pression magnétique", extérieure au plasma il leur fallait admettre que celle-ci devait avoir une valeur considérablement plus élevée. Dès 1998, quelles que soit les expériences faites cet écart des deux températures s'imposait comme une évidence. Il fallait ces fortes valeurs pour que le plasma ne soit pas instantanément écrasé par la pression magnétique. On voit que ceci suggérait un état hors d'équilibre ( à l'équilibre thermodynamique toutes les températures des espèces composant un mélange gazeux sont égales ) une situation bitempérature inverse de celle du tube au néon, où cette fois c'était le gaz d'ions qui se trouvait être plus chaud que le gaz d'électrons.
Pour tirer cela au clair les gens de la Z machine ont voulu effectuer des mesures. Primo ils ont mesuré le diamètre du cordon de plasma qui se formait en fin de compression. Ils ont même pu tracer une courbe avec sept points de mesure, donnant l'évolution de ce diamètre dans le temps. Une valeur minimale était atteinte, de 1,5 à 2 mm, puis ce cordon se mettait à se dilater.
Ils ont ensuite tenu absolument à obtenir des mesures de températures liés aux ions fer, et pour cela ils ont utilisé la classique méthode de l'évaluation de l'élargissement des raies spectrales. Les noyaux ( comme les atomes, les molécules ) émettent du rayonnement selon un certain spectre qui présente des raies caractéristiques.
Si le milieu est relativement froid ces raies sont minces.
graphique : http://www.jp-petit.com/science/Z-machi ... Haines.htm
Spectre d'émission de l'acier inoxydable "relativement froid ", porté à une température de 100.000° K
On identifie les raies du chrome ( les premières, à gauche) puis celles du manganèse, dur fer et du nickel.
Dans cet acier inox le carbone représent 0,15 % du mélange et ses raies ne sont pas visibles.
Leur élargissement est lié à l'effet Doppler-Fizeau.
graphique : http://www.jp-petit.com/science/Z-machi ... Haines.htm
Spectre de ce même matériau, porté à des milliards de degrés. L'effet Doppler a entraîné un élargissement des raies
La fréquence d'une raie serait plus élevée si l'atome s'approche de l'observateur et plus basse s'il s'en éloigne ( c'est alors du "redshift"). Ainsi l'agitation thermique élargit les raies. Les mesures, fiables, ont été effectuées et ont confirmé ces fortes valeurs de la température ionique, qui se chiffrent en milliards de degrés ( entre 2,66 et 3,7 milliards de degrés ! ).
graphique : http://www.jp-petit.com/science/Z-machi ... Haines.htm
Résultats de mai 2005 sur la Z-machine de Sandia.
En noir, la montée de la température ionique. En bleu le diamètre du plasma.
En abcisse : le temps en nanosecondes
( une nano seconde représente un milliardième de seconde )
Les ions arrivent ainsi à être cent fois plus chauds que les électrons. Jusqu'ici c'était la seule explication possible, mais cette fois cela a pu être mesuré, dans des expériences totalement reproductibles. Qui plus est cette tempétature ionique croît dans le temps. Enfin l'énergie émise par le gaz d'électrons, sous forme de rayonnement X s'est avéré être 3 à 4 fois supérieure à l'énergie cinétique que possédaient les tiges d'acier inox du "liner à fils" quand elles se sont trouvées rassemblées sur l'axe.
Haines et ses collaborateurs ont tenté dans le papier qui suit d'élucider ce mystère. D'où pouvait provenir cette énergie ?
Quand on met en marche la Z-machine l'énergie se distribue sous plusieurs formes différentes. Il y a l'énergie thermique du plasma, qui correspond à la somme des énergies cinétiques de ses composants ( principalement l'énergie cinétique des ions fer ). Mais il y a aussi une autre énergie, plus difficile à comprendre : l'énergie magnétique qui se trouve distribuée dans tout l'espace entourant le fin cordon de plasma formé sur l'axe. Haines a donc suggéré que des " instabilités MHD " puissent naître qui permettraient au plasma de récupérer une partie de cette énergie. Comme il en convient dans l'article, cette théorie est très embryonnaire et n'a donné lieu à aucune " simulation ". La conclusion est simplement "qu'il n'est pas impossible que cet échauffement soit dû à ce phénomène ". Il montre au passage le faible couplage collisionnel entre les électrons et les ions, qui explique le retard de l'émission des rayons X, dans le temps. Le phénomène échauffe d'abord les ions, qui retransmettent une partie de cette énergie au gaz d'électrons, lequel devient alors émissif ( par rayonnement de freinage ). Ceci étant les mesures ( quatre points ) montrent que le gaz d'ions fer continue de s'échauffer. Le maximum de température n'est visiblement pas atteint. Pourtant la température ( mesurée ) des ions fer atteint 3,7 milliards de degrés ! Trois cent soixante dis fois la température qu'Iter ne pourra jamais dépasser : 100 millions de degrés.
Deeney a dit que face à un tel résultat il avait refait n fois l'expérience et les mesures, pour être bien sûr. On notera que dans le titre de l'article il est écrit : " plus de deux milliards de degrés ". Logiquement les chercheurs auraient du mentionner la valeur maximale, de 3,7 milliards de degrés. Appelons cela un mouvement de ... timidité, face à l'énormité du résultat obtenu.
Il faut se rappeler qu'avec 500 millions de degrés on peut faire fusionner du Lithium et de l'hydrogène, en obtenant de l'hélium et pas de neutrons. Avec un milliard on a une seconde "fusion propre", toujours sans radioactivité ni déchets ( seulement de l'hélium ) : celle du Bore et de l'hydrogène. Que peut-on faire avec 3,7 milliards de degrés, voire plus ? Si la température des ions continue de croître il est logique de penser que des températures ioniques encore supérieures pourraient être atteintes.
Une remarque. Dans ces expériences l'intensité du courant électrique que débit la Z-machine ( de 18 à 20 millions de degrés ) ne peut se maintenir indéfiniment. C'est une décharge : cette intensité croît dans le temps, passe par un maximum, puis décroît. Dans la Z-machine le pulse dure 100 milliardièmes de seconde. Autre aspect : si Haines a raison, l'environnement magnétique du cordon de plasma contient une très importante énergie. Donc si on maintient le courant ce champ magnétique va continuer de "nourrir" le plasma en faisant monter la température ionique.Ainsi ces 3,7 milliards de degrés ne constituent pas un plafond et personne n'est à même de dire quelle température on pourrait atteindre avec ce dispositif.
La première retombée de telles expériences pourrait être la "fusion pure non-polluante", avec un mélange de lithium et d'hydrogène ( le lithium, présent dans l'eau de mer et dans les saumures se trouve dans toutes les régions du monde. Actuellement son prix est de 59 dollars le kilo, taxes compises ). C'est l'Age d'Or du point de vue de l'énergie ( avec en prime la bombe H à fusion pure, pas chère, pour tous ).
Comme la température dans une supernova est de dix milliards de degrés et que celle-ci, par des réactions de fusion, parvient à créer tous les atomes de la table de Mendeliev ( et leurs isotopes radioactifs à durées de vies plus ou moins importantes ) si une Z-machine "gonflée" parvient un jour à réaliser 10 milliards de degrés on aura réalisé en laboratoire les plus fortes températures que la Nature soit capable de réaliser dans le comos. Ce bond en avant représente donc un changement drastique en matière de physique nucléaire et de notre physique en général.
Jusqu'ici on s'était contenté de "braises". Ce pas représente vraiment l'invention du feu nucléaire
http://www.jp-petit.com/science/Z-machi ... Haines.htm
Pour les non-scientifiques :
Les lecteurs demandent si ces température ioniques dépassant les deux milliards de degrés ont effectivement été mesurées. La réponse est oui. Un phénomène déconcertant avait cependant été constaté dès 1998 dans les expériences de compression de plasma menées avec Z-machine. Ces expériences avait porté sur des montages variés. Dans l'un par exemple, quand la "cage à serin " implosait on envoyait un " gas puff ", une " bouffée de gaz " juste au centre, qui se trouvait alors comprimée. L'émission de rayons X permettait d'obtenir une mesure de la température électronique. Un plasma est un mélange "de deux espèces " : les ions, lourds et les électrons, légers. Dans un " plasma de fer ", dans du "fer ionisé" les noyaux de fer sont 50.000 fois plus lourds que les électrons ( les noyaux sont constitués de "nucléons" de masses très voisines : les protons et les électrons. Un électron est 1850 fois plus léger qu'un proton).
Un tube au néon contient également "ces deux espèces", les électrons et les ions de néon ( même si ceux-ci dans ce cas n'ont pas été complètement déshabillés de leur " cortège électronique " ). Quand le tube est en fonctionnement il contient un mélange " bitempérature " où les gaz constitué par les atomes, les ions de néon reste froid. ( vous pouvez toucher le tube avec la main ), mais où le "gaz d'électrons " est beaucoup plus chaud, porté à 10.000°. Pourquoi ne sentez vous pas cette chaleur à la main ? Parce les électrons, les pôvres, sont trop chichoux pour vous communiquer de l'énergie, de la chaleur. Par contre ils ont assez d'énergie pour exciter, par collisions, l'enduit fluorescent qui tapisse l'intérieur du tube. C'est la raison pour laquelle on les appelle des tubes fluorescents. La fluorescence est la capacité d'absorber du rayonnement et de les réemettre dans une autre fréquence. Ainsi la fluorescéine absorbe le rayonnement solaire et réemet dans le vert. Les chemises en nylon peuvent absorber du rayonnement ultra voilet et réemettre dans le visible ( c'est la "lumière noire" des boites de nuit branchées ) etc. Cet enduit blanc du tube au néon est bombardé par des électrons qui ont des énergies correspondant à la gamme de UV, mais en percutant les substances constituant l'enduit ils provoquent une réémission dans le visible. Cet enduit est composé de telle façon que lors de la réémission sa lumière soit la plus proche possible de la lumière visible. Mais ça n'est pas tout à fait le cas. C'est la raison pour laquelle la lumière des néons vous semble si " bizarre ".
Ce qu'il faut retenir c'est qu'il peut exister des milieux " bitempérature ". La raison de cette situation est que le champ électrique régnant dans le tube, lié à la mise en tension des électrodes communique prioritairement de l'énergie aux électrons, qui la rétrocèdent aux ions par collisions avec ceux-ci. Mais comme le transfert d'énergie entre gaz d'électrons et gaz d'ion est peu efficace on peut avoir un écart de température très important. Ceci est dû en particulier au fait que le milieu est raréfié. Si le tube fuit et que la pression s'accroît cette "situation hors d'équilibre" disparaît aussitôt. Fortement couplé aux ions, le gaz d'électrons se refroidit très rapidement. Alors ces électrons, moins "agités" ( la température absolue dans un gaz correspond au mouvement d'agitation thermique ) retournent sagement sur les atomes qui se désionisent, redeviennent neutres.
L'expérience de la Z-machine a conduit à une situation très curieuse. Il y a deux espèces en présence :
- Le gaz d'électrons
- Le gaz d'ions ( dans l'inox, essentiellement des noyaux de fer, chargés positivivement )
Quand les gens, depuis 1998, essayaient de rendre compte de leurs mesures ils n'avaient accès qu'à la température életronique, en effectuant des mesures sur les rayons X émis. Pourquoi le gaz d'électrons est-il dans ces expériences la principale source de ce rayonnement ? Parce qu'autour du plasma se trouve un champ magnétique très élevé. Quand les électrons, lancés à 40.000 km/s pénètrent dans cette régioin où règne ce champ magnétique intense ceci les fait spiraler. Alors ils " crient ", ils émettent un " rayonnement de freinage ". C'est en effectuant des mesures sur ces rayons X émis que les expérimentateurs ont mesuré la température de ce gaz d'électrons : 35 millions de degrés dans les expériences dont on rend compte dans le présent papier.
Mais à l'aide de formules ( la "formule de Bennett" ), s'ils tentaient d'évaluer la température que devaient avoir les ions fer pour contrebalancer l'énorme "pression magnétique", extérieure au plasma il leur fallait admettre que celle-ci devait avoir une valeur considérablement plus élevée. Dès 1998, quelles que soit les expériences faites cet écart des deux températures s'imposait comme une évidence. Il fallait ces fortes valeurs pour que le plasma ne soit pas instantanément écrasé par la pression magnétique. On voit que ceci suggérait un état hors d'équilibre ( à l'équilibre thermodynamique toutes les températures des espèces composant un mélange gazeux sont égales ) une situation bitempérature inverse de celle du tube au néon, où cette fois c'était le gaz d'ions qui se trouvait être plus chaud que le gaz d'électrons.
Pour tirer cela au clair les gens de la Z machine ont voulu effectuer des mesures. Primo ils ont mesuré le diamètre du cordon de plasma qui se formait en fin de compression. Ils ont même pu tracer une courbe avec sept points de mesure, donnant l'évolution de ce diamètre dans le temps. Une valeur minimale était atteinte, de 1,5 à 2 mm, puis ce cordon se mettait à se dilater.
Ils ont ensuite tenu absolument à obtenir des mesures de températures liés aux ions fer, et pour cela ils ont utilisé la classique méthode de l'évaluation de l'élargissement des raies spectrales. Les noyaux ( comme les atomes, les molécules ) émettent du rayonnement selon un certain spectre qui présente des raies caractéristiques.
Si le milieu est relativement froid ces raies sont minces.
graphique : http://www.jp-petit.com/science/Z-machi ... Haines.htm
Spectre d'émission de l'acier inoxydable "relativement froid ", porté à une température de 100.000° K
On identifie les raies du chrome ( les premières, à gauche) puis celles du manganèse, dur fer et du nickel.
Dans cet acier inox le carbone représent 0,15 % du mélange et ses raies ne sont pas visibles.
Leur élargissement est lié à l'effet Doppler-Fizeau.
graphique : http://www.jp-petit.com/science/Z-machi ... Haines.htm
Spectre de ce même matériau, porté à des milliards de degrés. L'effet Doppler a entraîné un élargissement des raies
La fréquence d'une raie serait plus élevée si l'atome s'approche de l'observateur et plus basse s'il s'en éloigne ( c'est alors du "redshift"). Ainsi l'agitation thermique élargit les raies. Les mesures, fiables, ont été effectuées et ont confirmé ces fortes valeurs de la température ionique, qui se chiffrent en milliards de degrés ( entre 2,66 et 3,7 milliards de degrés ! ).
graphique : http://www.jp-petit.com/science/Z-machi ... Haines.htm
Résultats de mai 2005 sur la Z-machine de Sandia.
En noir, la montée de la température ionique. En bleu le diamètre du plasma.
En abcisse : le temps en nanosecondes
( une nano seconde représente un milliardième de seconde )
Les ions arrivent ainsi à être cent fois plus chauds que les électrons. Jusqu'ici c'était la seule explication possible, mais cette fois cela a pu être mesuré, dans des expériences totalement reproductibles. Qui plus est cette tempétature ionique croît dans le temps. Enfin l'énergie émise par le gaz d'électrons, sous forme de rayonnement X s'est avéré être 3 à 4 fois supérieure à l'énergie cinétique que possédaient les tiges d'acier inox du "liner à fils" quand elles se sont trouvées rassemblées sur l'axe.
Haines et ses collaborateurs ont tenté dans le papier qui suit d'élucider ce mystère. D'où pouvait provenir cette énergie ?
Quand on met en marche la Z-machine l'énergie se distribue sous plusieurs formes différentes. Il y a l'énergie thermique du plasma, qui correspond à la somme des énergies cinétiques de ses composants ( principalement l'énergie cinétique des ions fer ). Mais il y a aussi une autre énergie, plus difficile à comprendre : l'énergie magnétique qui se trouve distribuée dans tout l'espace entourant le fin cordon de plasma formé sur l'axe. Haines a donc suggéré que des " instabilités MHD " puissent naître qui permettraient au plasma de récupérer une partie de cette énergie. Comme il en convient dans l'article, cette théorie est très embryonnaire et n'a donné lieu à aucune " simulation ". La conclusion est simplement "qu'il n'est pas impossible que cet échauffement soit dû à ce phénomène ". Il montre au passage le faible couplage collisionnel entre les électrons et les ions, qui explique le retard de l'émission des rayons X, dans le temps. Le phénomène échauffe d'abord les ions, qui retransmettent une partie de cette énergie au gaz d'électrons, lequel devient alors émissif ( par rayonnement de freinage ). Ceci étant les mesures ( quatre points ) montrent que le gaz d'ions fer continue de s'échauffer. Le maximum de température n'est visiblement pas atteint. Pourtant la température ( mesurée ) des ions fer atteint 3,7 milliards de degrés ! Trois cent soixante dis fois la température qu'Iter ne pourra jamais dépasser : 100 millions de degrés.
Deeney a dit que face à un tel résultat il avait refait n fois l'expérience et les mesures, pour être bien sûr. On notera que dans le titre de l'article il est écrit : " plus de deux milliards de degrés ". Logiquement les chercheurs auraient du mentionner la valeur maximale, de 3,7 milliards de degrés. Appelons cela un mouvement de ... timidité, face à l'énormité du résultat obtenu.
Il faut se rappeler qu'avec 500 millions de degrés on peut faire fusionner du Lithium et de l'hydrogène, en obtenant de l'hélium et pas de neutrons. Avec un milliard on a une seconde "fusion propre", toujours sans radioactivité ni déchets ( seulement de l'hélium ) : celle du Bore et de l'hydrogène. Que peut-on faire avec 3,7 milliards de degrés, voire plus ? Si la température des ions continue de croître il est logique de penser que des températures ioniques encore supérieures pourraient être atteintes.
Une remarque. Dans ces expériences l'intensité du courant électrique que débit la Z-machine ( de 18 à 20 millions de degrés ) ne peut se maintenir indéfiniment. C'est une décharge : cette intensité croît dans le temps, passe par un maximum, puis décroît. Dans la Z-machine le pulse dure 100 milliardièmes de seconde. Autre aspect : si Haines a raison, l'environnement magnétique du cordon de plasma contient une très importante énergie. Donc si on maintient le courant ce champ magnétique va continuer de "nourrir" le plasma en faisant monter la température ionique.Ainsi ces 3,7 milliards de degrés ne constituent pas un plafond et personne n'est à même de dire quelle température on pourrait atteindre avec ce dispositif.
La première retombée de telles expériences pourrait être la "fusion pure non-polluante", avec un mélange de lithium et d'hydrogène ( le lithium, présent dans l'eau de mer et dans les saumures se trouve dans toutes les régions du monde. Actuellement son prix est de 59 dollars le kilo, taxes compises ). C'est l'Age d'Or du point de vue de l'énergie ( avec en prime la bombe H à fusion pure, pas chère, pour tous ).
Comme la température dans une supernova est de dix milliards de degrés et que celle-ci, par des réactions de fusion, parvient à créer tous les atomes de la table de Mendeliev ( et leurs isotopes radioactifs à durées de vies plus ou moins importantes ) si une Z-machine "gonflée" parvient un jour à réaliser 10 milliards de degrés on aura réalisé en laboratoire les plus fortes températures que la Nature soit capable de réaliser dans le comos. Ce bond en avant représente donc un changement drastique en matière de physique nucléaire et de notre physique en général.
Jusqu'ici on s'était contenté de "braises". Ce pas représente vraiment l'invention du feu nucléaire
sur la bombe H pour tous... çà me rappelle un bouquin de Barjavel intitulé "Une Rose au Paradis". 
