Brevet FR2515470A1 — publié le 19830429

l 2515470 PROCEDE ET APPAREIL POUR PRODUIRE UN CHAMP MAGNETIQUE TRANSITOIRE INTENSE La présente invention concerne de façon générale la génération de champs magnétiques transitoires intenses et, en particulier, la génération d'un champ magnétique transitoire intense par un procédé et un appareil de pro- duction de plasma par laser. Le domaine de la génération de puissance de fu- sion thermonucléaire déclenchée par laser est celui dans lequel la génération d'un champ magnétique transitoire intense peut être la plus utile Une technique proposée pour engendrer de la puissance électrique à partir d'un phénomène thermonucléaire contrôlé implique l'injection d'un petit grain de deutérium-tritium dans une chambre à vide et le déclenchement d'une réaction de fusion en "conduisant" les ions de deutérium et de tritium ensemble avec l'énergie fournie par les faisceaux laser pour pro- duire un ion d'hélium et un neutron Puisque l'ion d'hé- lium et le neutron ont une masse légèrement inférieure à celle des ions de deutérium et de tritium, une petite quantité de masse est transformée en énergie conformément à la célèbre équation d'Einstein: E = mc 2, o E est l'énergie produite, m est la masse transformée, et c est la vitesse de la lumière. L'absorption de l'impulsion laser échauffe la ré- gion externe du grain pour former un gaz ionisé ou plas- ma qui se propage rapidement vers l'extérieur (s'échappe). L'impulsion de recul résultant de l'échappement très ra- pide de la couche externe du grain compresse le noyau du grain de la même manière que l'impulsion résultante de l'échappement d'une fusée pousse la fusée vers l'avant, ou que la détente d'un coup de fusil pousse le fusil con- tre l'épaule du tireur. La théorie prévoit que le centre du noyau de grain sera compressé jusqu'à des superdensités, de un à dix milles fois la densité normale du solide, ou environ dix fois la densité du centre du soleil (environ cent fois la densité du plomb) De telles densités de noyau de grain sont importantes car elles augmentent beaucoup la probabilité pour que les ions énergétiques de deuté- rium et de tritium entrent en collision entre eux En outre, elles permettent aussi une nouvelle capture, ou un partage, par les ions de deutérium et de tritium non fusionnés d'une partie de l'énergie d'une particule d'hé- lium produite par fusion avant que la particule d'hélium rapide puisse s'échapper de la région du noyau Ce phé- nomène est analogue à une boule de billard se déplaçant rapidement qui frappe d'autres boules et leur communique une énergie de mouvement Ce partage d'énergie avec un combustible non brûlé donne lieu à un échauffement dit "d'amorçage"qui augmente en outre la vitesse de réaction. La réussite de la compression de noyau est cruciale pour le processus de fusion pam laser. En pratique, il existe des forces qui s'opposent ou genent la compression de noyau L'effet d'électrons énergétiques ou chauds engendrés dans le plasma de région de surface de grain est un problème reconnu et étudié très récemment Les électrons chauds produits se dépla- cent rapidement autour du et pénètrent dans le noyau de grain en provoquant son échauffement qui rend la c 9 mpres- sion de noyau plus difficile et ainsi, pour une énergie de laser donnée, il en résulte une compression inférieure et un gain énergétique final réduit R B Spielman et al. ontdisacut des problèmes dûs aux électrons chauds et de la nécessité de les contrôler dans la revue Physical Review Letters, vol 46, N 013, page 821 ( 30 Mars 1981) R F. Benjamin et al expliquent en détail la mesure d'un courant élevé de retour dans un plasma chargé positivement pro- duit par laser dans la revue Physical Review Letters, vol 42, N 014, page 890 ( 2 Avril 1979). Un objet de la présente invention est le contrôle des électrons chauds d'un plasma produit par laser pour réduire la pénétration du noyau de grain par ceux-ci. 15470 Un autre objet de la présente invention est le contrôle des électrons chauds d'un plasma produit par laser par la génération d'un champ magnétique transitoire intense. Un autre objet de la présente invention est la génération d'un champ magnétique transitoire intense u- tile pour contrôler les électrons chauds d'un plasma produit par laser et utile en outre dans d'autres domai- nes tels qu'une recherche expérimentale sur la réponse des cellules, des organismes et autres éléments biologi- ques à des stimuli magnétiques. Selon la présente invention, un premier plasma produit par laser est déclenché de façon intentionnée pour engendrer des électrons chauds et un plasma chargé positivement pour lequel est prévu un chemin à basse im- pédance jusqu'à la masse pour créer un champ magnétique intense mais très transitoire par l'effet du courant éle- vé de retour du plasma chargé positivement Dans un exem- ple de réalisation de l'invention, un objet tel qu'une cellule ou un autre élément biologique est confinée à l'intérieur de ou près du chemin de basse impédance prévu et,ppar conséquent,est soumise au champ magnétique transi- toire intense Dans un autre exemple de réalisation de l'invention, un grain en fusion est confiné à l'intérieur de ou près du chemin de basse impédance prévu et il est soumis au rayonnement laser peu après le déclenchement du premier plasma produit par laser et pendant la période du champ magnétique intense, ce qui permet de confiner les électrons chauds du plasma de grain en fusion sur des orbites extrêimement serrées, de les contrôler et de les empêcher de pénétrer dans la région du noyau du grain en fusion. Un autre avantage de la présente invention est que les électrons chauds d'un plasma produit par laser sont contrôlés par un phénomène antérieur produit par laser et que, par conséquent, l'appareil à laser néces- saire qui fonctionne pour produits le plasma de fusion peut également être utilisé pour produire le phénomène antérieur qui contrôle les électrons chauds. Un autre avantage de la présente invention est qu'un champ magnétique extrêmement intense et transitoire est produit à des fins expérimentales sur des éléments organiques et inorganiques. D'autres caractéristiques et avantages de la pré- sente invention seront mis en évidence dans la descrip- tion suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: Figure 1 représente une cible entourée par une spire fixée à un émetteur à une extrémité et reliée à la masse à l'autre extrémité; Figure 2 représente une cible entourée par une cage cylindrique fixée à un émetteur à une extrémité et reliée à la masse à l'autre extrémité; et Figure 3 représente de façon détaillée une confi- guration qui entoure une cible avec une spire conformé- ment à l'exemple de réalisation de l'invention représen- té sur la-Figure 1. Selon la présente invention, une cible 11 est fixée à l'intérieur d'un assemblage à cible produisant un champ magnétique transitoire intense 13 connecté à la masse 15 à une extrémité et à un émetteur 17 à l'autre extrémité comme le montre la Figure 1 L'émetteur 17 est transformé en un plasma hautement chargé positivement quand il est placé à l'intérieur d'une cavité sous vide et irradiée par une impulsion de faisceau laser intense, ce qui fait passer un courant de retour intense dans V'as- semblage à cible 13 entre la masse 15 et l'émetteur 17 qui soumet la cible Il à un champ magnétique transitoire intense. L'assemblage à cible 13 formé comme une hélice ou une spire telle que représentée sur la Figure 1 soumet la cible Il à un champ magnétique longitudinal L'assem- blage à cible 13 peut aussi être formé comme une cage pour soumettre la cible 11 à un champ magnétique azimutal comme elle est représentée sur la Figure 2 Il est impor- tant que l'assemblage à cible 13 conserve une faible in- ductance et une faible résistance de manière à engendrer le champ magnétique transitoire intense souhaité. L'émetteur 17 est de préférence un microballon en-verré, en plastique, en métal, ou fait dans une com- binaison de ces matériaux L'émetteur 17 est utilisé pour créer un plasma positif quand il est irradié par une impulsion de faisceau laser d'environ 1015 watts/cm 2 ou plus Quand les électrons chauds sont émis par l'émetteur 17 soumis à l'impulsion laser, le potentiel positif élevé restant entraîne le passage d'un courant intense mais transitoire dans l;lassemblage à cible 13 jusqu'à la mas- se 15 comme les Figures 1 et 2 le montrent Un émetteur approprié est constitué par un microballon en verre d'en- viron 500 micromètres de diamètre. Des études telles qu'elles ont été détaillées par R.F Benjamin et al dans la revue Physical Review Letters, vol 42, N 014, page 890 ( 2 Avril 1979) démontrent que des émetteurs irradiés peuvent engendrer des potentiels de plasma de l'ordre de 180 kilovolts durant des périodes de l'ordre de la nanoseconde ou plus Dans ces conditions, on peut engendrer des champs magnétiques transitoires in- tenses de l'ordre de 100 kilogauss ou plus selon la résis- tance et la réactance du chemin de courant de retour. La cible 11 est un petit objet de l'ordre de un millimètre de diamètre Cette cible 11 peut être organi- que, inorganique, métallique, non-métallique, ou tout au- tre Dans une application de l'invention, la cible Il est un grain contenant du combustible en fusion De tels grains sont habituellement des sphères creuses d'un diamètre in- férieur au millimètre, en verre ou en métal, (appelées microballons) remplies d'un gaz de DT de pression élevée et souvent revêtues de couches supplémentaires, ou en- tourées de coquilles concentriques en métal et/ou en plas- tique pour rendre l'interaction de la cible 11 avec un faisceau lasei: upi 4 iiîle. Quand la présente invention est utilisée dans des expériences de fusion ou de génération de puissance par laser, un faisceau laser secondaire heurte l'émetteur 17 pendant un court intervalle de temps d'environ une na- noseconde ou moins avant qu'un faisceau laser principal frappe la cible il Le "courant de retour" résultant dé- crit plus haut crée un fort champ magnétique près de la cible 11 au moment o la cible il est irradiée Le fort champ magnétique piège les électrons chauds provenant de la cible 11 et les retient sur despetites orbites en les empêchant d'échauffer le combustible à l'intérieur de la cible 11 et en provoquant le dépôt de leur énergie dans la région extérieure au noyau contenant le combustible. L'assemblage à cible 13 peut avoir les dimensions et l'emplacement souhaités Par exemple, l'assemblage à cible 13 peut être extérieur à la région d'absorption (c'est-à-dire, le volume entourant la cible 11 o le rayonnement de faisceau laser principal est absorbé). Quand l'assemblage à cible 13 a la forme d'une cage cy- lindrique (voir la Figure 2), les électrons libres prove- nant de la cible Il sont pièges sur des petites orbites comme on l'a décrit plus haut L'assemblage à cible 13 peut aussi être placé entre la région d'absorption laser et la cible Il pour protéger magnétiquement le combusti- ble de la cible 11 des électrons chauds (ou"énergétiques"). D'autres possibilités existent telles que celle consis- tant à donner à l'assemblage à cible 13 la forme d'une hélice ou d'une spire pour créer un champ magnétique lon- gitudinal, comme sur la Figure 1. La Figure 3 représente un exemple de réalisation physique effective de la présente invention qui peut être facilement réalisé par l'homme de l'art Une tige circu- laire 19 en verre, ayant de préférence une longueur de 4 cm et un diamètre de 2 mm environ s'étire jusqu'à une extrémité 21 qui est réduite à un diamètre de 125 p F. L'extrémité 23 la plus large de la tige 19 est collée ou bien fixée à une base métallique 25 tandis que l'extrémité 21 est aussi collée à la cible 11 qui peut être une boule en aluminium de 1 mm de diamètre ou un grain de combusti- ble de DT de mêmes dimensions L'assemblage à cible 13 qui est un fil en cuivre de diamètre 255 pm est soudé à la base métallique 25 et enroulé autour de la cible 11. L'émetteur 17 étant de préférence un microballon en verre de 500 tim est ensuite collé à l'extrémité 27 de cible de l'assemblage à cible 13 Pour obtenir un fonctionnement correct, la base métallique 25 est connectée à la masse 15. La présente invention nécessite un équipement de laser de puissance élevée De tels équipements sont dis- ponibles au laboratoire Los Alamos National Laboratory ou aux nombreux autres laboratoires, institutions et uni- versités Il est préférable d'utiliser un faisceau laser intense d'environ 1015 watts/cm 2 ou plus comme radiance pour engendrer le champ électromagnétique nécessaire pour accélérer des électrons jusqu'à des vitesses qui leur per- mettent de s'échapper du plasma et de créer ainsi un po- tentiel positif de plasma Un laser au bioxyde de carbone est choisi de préférence car il permet d'engendrer des électrons énergétiques de façon plus efficace que d'au- tres lasers généralement disponibles. La description précédente avait pour but de dé- crire et d'illustrer un exemple de réalisation préféré de la présente invention Elle n'est pas destinée à être exhaustive ou à limiter l'invention à la seule forme de réalisation décrite, et il est évident qu'il est possible de concevoir beaucoup de modifications et de variantes à la lumière de ce qui a été défini plus haut L'exemple de réalisation a été choisi et décrit pour mieux expliquer les principes de l'invention et son application pratique pour permettre ainsi à l'homme de l'art de mieux utiliser l'invention dans différents exemples de réalisation et avec différentes modifications appropriées à l'utilisa- tion particulière envisagée. REVENDICATIONS 1 Appareil pour produire un champ magnétique transitoire intense utilisable avec un laser de puissance élevée, caractérisé en ce qu'il comprend un émetteur 17 pour émettre des électrons chauds et créer un plasma chargé positivement quand il est soumis à un rayonnement laser de puissance élevée, une cible il pour être soumise à un champ magnétique transitoire intense, et une masse connectée à l'émetteur et placée prés de la cible, la- dite étant prévue pour fournir un chemin de courant de retour jusqu'à la masse au plasma chargé positivement créé par l'émetteur en créant un champ magnétique tran- sitoire intense près de la cible quand l'émetteur est irradié par le laser de puissance élevée. 2 Appareil pour produire un champ magnétique transitoire intense utilisable avec un dispositif de fu- sion à laser comportant un laser de puissance élevée, caractérisé en ce qu'il comprend: un émetteur pour émettre des électrons chauds et créer un plasma chargé positivement quand il est irradié par le laser de puissance élevée; un grain à fusion par laser pour être soumis à un champ magnétique transitoire intense; et une masse connectée à l'émetteur et placée près du grain à fusion par laser, la masse étant prévue pour fournir un chemin de courant de retour jusqu'à la masse au plasma chargé positivement créé par l'émetteur en créant un champ magnétique transitoire intense près du grain à fusion par laser quand l'émetteur est irradié par le laser de puissance élevée. 3 Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que le chemin de courant de retour fourni par la masse comprend une partie ayant la forme d'une spire en- tourant le grain à fusion par laser. 4 Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que le chemin de courant de retour fourni par la masse comprend une partie ayant la forme d'une cage cy- lindrique entourant le grain à fusion par laser. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que le grain à fusion par laser comporte une région d'absorption définie extérieure au grain à fusion par laser et en ce que ladite partie du chemin en forme de spire entoure le grain à fusion par laser à l'intérieur de ladite région d'absorption définie. 6 Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que le grain à fusion par laser comporte une-région d'absorption définie extérieure au grain à fusion par laser et en ce que ladite partie du chemin en forme de spire entoure ladite région d'absorption définie. 7 Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que le grain à fusion par laser comporte une région d'absorption définie extérieure au grain à fusion par laser et en ce que ladite partie du chemin en forme de cage cylindrique entoure le grain à fusion par laser à l'intérieur de la région d'absorption définie. 8 Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que le grain à fusion par laser comporte une région d' absorption définie extérieure au grain à fusion par laser et en ce que ladite partie du chemin en forme de cage cylindrique entoure la région d'absorption définie. 9 Procédé pour soumettre un plasma à un champ magnétique transitoire intense, caractérisé en ce qu'il consiste à: prévoir un chemin de courant de retour; engendrer un passage de courant de retour transi- toire intense par ledit chemin de courant de retour;:et créer un plasma près du chemin de courant de re- tour pendant le passage du courant de retour transitoire intense dans celui-ci en soumettant ainsi le plasma à son champ magnétique. Procédé pour soumettre le plasma d'un grain à fusion par laser irradié par un laser à un champ magné- tique transitoire intense dans un dispositif à fusion par laser, caractérisé en ce qu'il consiste à: prévoir un chemin de courant de retour par la mas- se comportant une extrémité non à la masse; fixer un émetteur sur ladite extrémité non à la masse du chemin de courant de retour par la masse, l'émet- teur ayant la forme appropriée pour créer un plasma de charge élevée quand il est irradié par un laser; placer un grain à fusion par laser près du chemin de courant de retour par la masse, ledit grain à fusion par laser ayant une forme appropriée pour créer un plasma quand il est irradié par un laser; irradier par laser l'émetteur pour créer le plasma de charge élevée et provoquer le passage d'un courant de retour transitoire intense par le chemin de courant de retour par la masse; et irradier par laser le grain à fusion par laser pendant le passage du courant de retour transitoire in- tense par le chemin de courant de retour par la masse en soumettant le plasma du grain à fusion par laser au champ magnétique dû au passage du courant de retour tro_. sitoire intense.