Introduction sur les plasmas

Le terme "plasma", introduit en physique en 1928 par le physicien Langmuir, désigne un gaz ionisé électriquement neutre. Un plasma est donc un milieu constitué d'un ensemble de particules neutres (atomes, molécules, radicaux), des ions, des électrons, des photons émis et absorbés, et finalement un champ électromagnétique propre au système et/ou appliqué. En réalité, plus de 99% de l'univers est sous forme de plasma. Ce quatrième état de la matière, se trouve dans les nébuleuses, dans le nuage d'hydrogène composant le milieu interstellaire, dans les étoiles (coeur de l'étoile siège de réactions de fusion nucléaires), et dans l'environnement terrestre (ionosphère, magnétosphère, foudre). Les plasmas sont aussi créés de facon artificielle, en laboratoire (décharges électrique, tokamaks). Les décharges électriques dans les tubes fluorescents et les plasmas de fusion dans les tokamaks en constituent deux exemples. Par ailleurs, le développement de la physique des plasmas, a permis la découverte de nombreuses applications technologiques telles que les lampes à néon, les télévisions à écran plasma, les écrans plasmas, ainsi que tous les composants électroniques necessitant un traitement de surface par un plasma (dépot, gravure, implantation …).

Le gaz que nous désirons ioniser, est injecté dans une enceinte confinée sous vide partiel ou à pression atmosphérique. La plasma est ensuite généré par l'action d'une décharge électrique dans le gaz, qui a pour rôle de transférer de l'énergie à ce gaz pour l'exciter et l'ioniser. En effet, du fait de leur faible masse, les électrons libres récupèrent l'essentiel de cette énergie et provoquent, par collisions avec les particules lourdes du gaz, leur excitation et ionisation et donc l'entretien du plasma.

On distingue plusieurs types de décharges électriques :

1. Les décharges électriques en courant continu (DC) qui consistent à appliquer un champ électrique intense entre deux électrodes placées dans l'enceinte Fig 1.
   Fig 1 : Décharge électrique DC
2. Les décharges sans électrodes produites par un champ électromagnétique variable de type basses fréquences, radiofrequences ou microondes Fig 2.
   Fig 2 : Décharge électrique par onde électromagnétique

NB : L’étoile associée à l’ion dans les figures signifie un ion excité

Si la décharge alimentée en continu ou en radiofréquences est accompagnée d’un champ magnétique, on a une décharge de type magnétron. La présence d’un champ magnétique intense dans un champ électromagnétique micro-ondes conduit à un processus d’excitation du plasma à la résonance cyclotronique électronique (ECR)

Le type de décharge est choisi en fonction du type d'application ou d'étude qu'on veut réaliser.

La physique des plasmas est un domaine très vaste à fort potentiel. La connaissance du système solaire ainsi que de l'univers passe par la comprehension des plasmas. A la physique de l'espace, s'ajoute un des sujets de recherche les plus actifs actuellement : la production d'énergie par fusion thermonucléaire. En effet, le Soleil libère son énergie en fusionnant des noyaux d'hydrogène (protons) pour produire de l'hélium, mais cette réaction de fusion thermonucléaire exige des températures et des pressions extrêmement élevées. Les efforts des chercheurs se concentrent sur la production d'une telle réaction dans un champ magnétique intense qui permet au gaz de ne pas toucher le récipient qui le contient et donc de conserver sa chaleur. A ces deux domaines s'ajoute la micro électronique où plus de 50% des étapes de fabrication des microprocesseurs utilisent les plasmas, mais aussi dans de nombreuses nouvelles technologies de traitement de surfaces comme l'implantation ionique.