Atoms in Dense Plasmas: Models, Applications, and Current Challenges
Atomes dans les plasmas denses: modèles, applications et défis actuels
Résumé
Modeling plasmas in terms of atoms or ions is theoretically appealing for several reasons. When it is relevant, the notion of atom or ion in a plasma provides us with an interpretation scheme of the plasma's microscopic structure. From the standpoint of quantitative estimation of plasma properties, atomic models of plasma allow extending many theoretical tools of atomic physics to plasmas. This notably includes the statistical approaches to the detailed accounting for excited states, or the collisional-radiative modeling of non-equilibrium plasmas, which is based on the notion of atomic processes.
This habilitation manuscript is mostly focused on the studies to which the author has contributed in the field of atomic modeling of dense, non-ideal plasmas.
First we introduce the problem of atomic physics of plasma by reviewing a selection of atomic models, from ideal plasmas to non-ideal and pressure-ionized plasmas. We discuss the limitations of these models, closing this selected review with the Variational Average-Atom in Quantum Plasma (VAAQP) model.
We then address the applications of the VAAQP model to the calculation of radiative properties. This includes an extension of the model for detailed configuration accounting, and a study of the self-consistent, dynamic linear response in the framework of the VAAQP model.
We then address the extension of atomic models to the accounting of ion-ion correlations in plasmas. We discuss the problem, review some studies on the generalized free-energy functionals for classical fluids. Finally, we outline our recent work on a variational atomic model of plasma that account for both the electron structure of ions and the ion structure of the plasma, seen as a classical fluid of ions.
At the end of the manuscript, we briefly address the studies to which the author contributed in the field of collisional-radiative modeling of non-LTE plasmas and sketch the prospect of bridging with dense-plasma models.
Modéliser les plasmas en utilisant la notion d'atome présente un grand intérêt théorique. Lorsqu'elle est pertinente, la notion d'atome fournit un schème interprétatif de la structure microscopique du plasma. Du point de vue de l'estimation quantitative des propriétés des plasmas, les modèles atomiques de plasma permettent d'étendre de nombreux outils théoriques de la physique atomique aux plasmas. Ceci inclut notamment les approches statistiques de la description des états atomiques excités, ou l'approche collisionnelle-radiative des plasmas hors d'équilibre, qui se fonde sur la notion de processus atomique.
Ce manuscrit d'habilitation se concentre sur les études auxquelles l'auteur a contribué sur la modélisation atomique des plasmas denses, non-idéaux.
Nous introduisons d'abord le sujet en passant en revue une sélection de modèles atomiques de plasma, allant des plasmas idéaux, aux plasmas non-idéaux et ionisés par la pression. Nous discutons des limitations de ces modèles, terminant cette revue partielle par le modèle variationnel d'atome dans un plasma VAAQP.
Nous abordons ensuite les applications du modèle VAAQP au calcul des propriétés radiatives. Ceci inclut une extension du modèle VAAQP aux calculs détaillés en configurations, et une étude de la réponse linéaire dynamique autocohérente dans le cadre du modèle VAAQP.
Nous nous penchons ensuite sur l'extension des modèles atomiques pour prendre en compte les corrélations ion-ion dans le plasma. Nous discutons du problème, passons en revue nos travaux sur les fonctionnelles d'énergie libre généralisées pour les fluides classiques. Pour finir, nous décrivons succinctement nos travaux récents sur un modèle atomique variationnel de plasma qui décrit à la fois la structure électronique des ions, incluant les électrons du continuum, et la structure ionique du plasma, vu comme un fluide classique d'ions.
Enfin, nous décrivons brièvement les travaux auxquels l'auteur a contribué dans le domaine de la modélisation collisionnelle-radiative des plasmas hors d'équilibre, esquissant une perspective de faire le lien avec les modèles de plasmas denses.
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